從《電力電子技術(shù)》課程中我們知道，變流器的作用是進行電能形式的變換，電力機車上采用晶閘管整流電路是把電網(wǎng)的交流電變換成電機可用的直流電，同樣，利用晶閘管也可以把直流電變換成交流電，這種電路稱之為逆變電路。電力機車的再生制動就是將制動時電機所產(chǎn)生的直流電能回送到交流電網(wǎng)中，因此再生制動的關(guān)鍵問題就是有源逆變問題。有源逆變電路與整流電路有許多共同之處，同一電路既可做整流電路，亦可作有源逆變電路，只是工作條件不同而已。

　　本節(jié)就以機車上應(yīng)用的單相全控橋式整流電路為例具體分析有源逆變電路的工作原理、參數(shù)計算及逆變顛覆等問題。

　　一、理想逆變電路

　　有源逆變電路的交流側(cè)已由電網(wǎng)建立起了正弦交流電，因此逆變電路只是把直流電源的能量饋送到交流電網(wǎng)中去。圖3-13是單相全控橋式整流器電路。為了便于分析，第二章中關(guān)于理想整流電路的各種假設(shè)條件在逆變狀態(tài)時仍然成立。

　　圖3-13　單相全控橋式變流器整流-逆變原理

　　從第二章的分析中我們知道，若設(shè)變壓器二次側(cè)的交流電壓為u2= U2cosωt，則在晶閘管移相角為α時，整流電壓平均值Udα為：

　　(3-14)

　　即全控橋整流電路的平均電壓是空載整流電壓和移相角α的余弦的乘積。

　　控制角α在0～π/2進行調(diào)節(jié)，當觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通時，整流輸出電壓平均值Udα>0，整流電流從電機正端流入，電機吸收能量，此時電機工作在電動機狀態(tài)，即機車工作在牽引工況。

　　當α=π/2時，整流電壓的波形中正負兩部分面積相等，故其平均值Udα=0，這時電機即不從電網(wǎng)吸收能量也不向電網(wǎng)輸出能量，這種狀態(tài)為從整流狀態(tài)向逆變狀態(tài)過渡的中間狀態(tài)。

　　在控制角α>π/2時觸發(fā)晶閘管，從電路的工作原理、整流電壓波形圖和整流輸出電壓平均值Udα的表達式(3-14)都不難看出，整流電路將有負的電壓輸出，即Udα<0，極性發(fā)生了改變，從而有可能工作于有源逆變狀態(tài)。橋式電路在不同控制角α下的整流電壓、電流、變壓器電流的波形如圖3-14所示。

　　圖3-14　單相全控橋式電路整流和逆變波形

　　整流電路在逆變工作狀態(tài)下，若使電機電勢的極性發(fā)生改變(上正下負)，且電機電勢Ed略高于整流電壓平均值Udα，則回路電流的方向不變，但電流是從電機電勢正極端流出，電機輸出能量，即電機此時工作在發(fā)電機狀態(tài);而對變壓器繞組而言，當α>π/2觸發(fā)晶閘管，電流流過變壓器繞組的方向總是與電勢實際方向相反，即變壓器電勢在逆變電路中起一反電勢作用，故發(fā)電機通過變壓器二次側(cè)繞組向電網(wǎng)輸送電能，電網(wǎng)吸收能量，實現(xiàn)了逆變。

　　由上述分析可見，整流與逆變的轉(zhuǎn)換對變流器而言，只是控制角α的改變，即有負電壓輸出。對直流側(cè)電源而言，電壓的極性必須隨著改變。而半控橋整流電路，由于任一導(dǎo)通的晶閘管橋臂在電源電壓反向時，晶閘管截止，與負載電路串聯(lián)的整流二極管橋臂自然轉(zhuǎn)入續(xù)流狀態(tài) (此時負載電壓為零)，不會輸出負的電壓，這一點從表達式亦可明顯看出。所以，單相半控橋式整流電路不可能實現(xiàn)有源逆變。

　　二、實際逆變電路

　　實際的逆變流電路由于變壓器漏抗XC存在，使全控橋元件的換相不是瞬時完成，而是有一過程，即存在一個換相重疊角γ。因此逆變電路晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的時刻至少應(yīng)比交流電源電壓過零時刻引前一個相角，稱為逆變角β。其值為

　　(3-15)

　　式中 β--逆變角β=π-α;

　　γ--換向重疊角;

　　δ0--晶閘管恢復(fù)阻斷角。

　　保證逆變角β有一定的值是必須的，這是為了防止短路。具體分析如下：仍以圖3-13(b)為例，變壓器電勢b正a負時晶閘管T2T4導(dǎo)通，若整流元件自然換相，就必須在變壓器電勢過零變?yōu)閍正b負之前，讓T1T3導(dǎo)通，使T2T4可靠關(guān)斷。這時β必須滿足的第一個條件是β=γ，否則若β=0(或β<γ)即在變壓器電勢過零時觸發(fā)T1T3，由于γ的存在，在此期間變壓器電勢進入a正b負，電勢方向就與發(fā)電機電勢同向，交直流側(cè)電勢相加，并通過T2T4形成交直流電勢迭加短路，短路電流使T2T4中的電流增大而無法關(guān)斷;這時T1T3承受反壓而不能導(dǎo)通，這樣逆變狀態(tài)就遭到破壞。因此必須在變壓器電勢過零時刻引前β使T2T4T1 T3同時導(dǎo)通進行換相后，T2T4受反向電壓，可靠關(guān)斷。關(guān)斷T1T3時道理亦是如此。

　　另外，我們知道晶閘管元件關(guān)斷后，其內(nèi)部載流子復(fù)位需要一定時間，即恢復(fù)正向阻斷能力需要一定時間，該時間用角度δ0表示，稱為晶閘管恢復(fù)阻斷角，約為數(shù)十微秒至數(shù)百微秒，即δ0<5°，它與關(guān)斷前負載電流的大小、電流下降速度、結(jié)溫和再次施加正向電壓的上升速度等因素有關(guān)。故逆變角β必須滿足的第二個條件是β≥δ0，否則電路的換相雖然結(jié)束，但結(jié)束導(dǎo)電的晶閘管正向阻斷能力尚未恢復(fù)時，此時若陽極出現(xiàn)正向電壓，結(jié)束導(dǎo)電的晶閘管又將繼續(xù)導(dǎo)通，也會形成交直流側(cè)迭加短路。

　　圖3-15　逆變角為β時的電壓、電流波形

　　綜上所述，對于實際的晶閘管逆變電路，考慮一定裕度，恢復(fù)阻斷角不是δ0，而是取較大的δ值，稱為裕度角。因此為了保證可靠換相，逆變角β應(yīng)滿足的條件為：

　　可參照圖3-15，便于理解。一般換向重迭角γ為15°，裕度角取5°～10°，則逆變角β整定在20°～25°左右。

　　三、逆變顛覆

　　在整流電路中，如果晶閘管觸發(fā)電路出現(xiàn)故障，使觸發(fā)脈沖消失或者移相超出允許的移相范圍，其后果是沒有輸出電壓。而在逆變電路中若晶閘管觸發(fā)脈沖丟失或移相角(逆變角)超出允許范圍，發(fā)電機電勢就與變壓器電勢串聯(lián)迭加而造成嚴重的短路，這種現(xiàn)象稱之為逆變顛覆，逆變顛覆將產(chǎn)生非常大的短路電流。

　　此外，電力機車實施再生制動時，若受電弓脫離接觸網(wǎng)導(dǎo)線，交流電壓消失，此時發(fā)電機電勢將經(jīng)變壓器二次側(cè)繞組及導(dǎo)通的晶閘管元件而發(fā)生失壓短路。

　　無論是迭加短路還是失壓短路，其結(jié)果都將引起逆變顛覆(再生顛覆)，短路電流將燒損電氣設(shè)備，因此再生制動必須對晶閘管及其觸發(fā)電路提出很高的要求。同時為防止失壓短路，要求機車雙弓運行。