第五章 DC-AC變換電路一、學習指導（一）基本要求1掌握逆變的概念和逆變的條件。2掌握三相有源逆變電路的波形及計算，重點：三相橋式逆變電路的原理與參數、脈寬調制和諧波消除方法，有源逆變的條件和有源逆變失敗的原因。3了解逆變失敗的原因及最小逆變角的限制。4了解變流電路的換流方式。5掌握電壓型逆變電路和電流型逆變電路的特點。6掌握三相電壓型逆變電路、單相并聯諧振式逆變電路及串聯二極管式電流型逆變電路的工作原理及換流方式。7掌握PWM控制方式的理論基礎及脈寬調制型逆變電路的控制方式。8了解規則采樣法的計算方法。（二）主要內容了解逆變的概念，逆變的種類。理解產生有源逆變的條件。了解逆變電路的分析、計算。掌握逆變失敗的原因，最小逆變角的限制。1逆變的概念逆變（invertion）：把直流電轉變成交流電。逆變電路：把直流電逆變成交流電的電路。變流電路：一套電路，既工作在整流狀態又工作在逆變狀態，稱為變流電路或變流裝置。有源逆變電路：交流側和電網連結,逆變時可把直流電逆變為50Hz的交流電。無源逆變：變流電路的交流側不與電網聯接，而直接接到負載。2有源逆變產生的條件：（1）有直流電動勢，其極性和晶閘管導通方向一致，其值大于變流器直流側平均電壓（2）晶閘管的控制角a /2，使Ud為負值。半控橋或有續流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現負值，也不允許直流側出現負極性的電動勢，故不能實現有源逆變。欲實現有源逆變，只能采用全控電路。3掌握單相雙半波、單相橋式、三相半波及三相橋式全控電路逆變工作過程。4逆變失敗及導致逆變失敗的原因。 （1）逆變失敗（逆變顛覆）：逆變時，一旦換相失敗，外接直流電源就會通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯，形成很大短路電流。逆變失敗的原因：1）觸發電路工作不可靠，不能適時、準確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時等，致使晶閘管不能正常換相。2）晶閘管發生故障，該斷時不斷，或該通時不通。3）交流電源缺相或突然消失。4）逆變角太小,換相的裕量角不足,引起換相失敗。（2）逆變失敗的防止：1)選用可靠的觸發電路，選擇可靠的晶閘管，在電路中裝設快速熔斷器或快速開關，一旦逆變失敗立即切斷電路。2)限制最小逆變角min。5無源逆變電路換流方式分類掌握有哪幾種換流方式，理解每一種換流方式的概念，與全書的內容融合，知道學過的電路分別是用哪一種換流方式。換流：電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱換相。當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而是在支路內部終止流通而變為零，則稱為熄滅。開通：適當的門極驅動信號就可使其開通。關斷：全控型器件可通過門極關斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。（1） 器件換流：利用全控型器件的自關斷能力進行換流（Device Commutation）。（2） 電網換流：由電網提供換流電壓稱為電網換流（Line Commutation）。（3） 負載換流：由負載提供換流電壓稱為負載換流（Load Commutation）。（4） 強迫換流：設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流（Forced Commutation）。通常利用附加電容上儲存的能量來實現，也稱為電容換流。分為電壓換流和電流換流兩種1）電壓換流：直接耦合式強迫換流由換流電路內電容提供換流電壓VT通態時，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關斷2）電流換流：電感耦合式強迫換流通過換流電路內電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對晶閘管。器件換流和強迫換流屬于自換流。電網換流和負載換流外部換流。6電壓型逆變電路電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路：直流側是電壓源。電壓型逆變電路的應用十分廣泛，是本章的重點。電壓型逆變電路的各種拓撲及工作原理應當重點掌握。掌握和理解電壓型逆變電路的特點。電壓型逆變電路的特點：(1)直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動。(2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。(3)阻感負載時需提供無功。為了給交流側向直流側反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管。7電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路電流型逆變電路。一般在直流側串聯大電感，電流脈動很小，可近似看成直流電流源。電流型逆變電路主要特點：(1)直流側串大電感，相當于電流源。(2)交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。(3)直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多。換流方式有負載換流、強迫換流。8脈寬調制(PWM)控制技術的基本原理理解PWM控制的概念和原理，理解PWM控制的方法，理解PWM控制在逆變電路中的應用，掌握PWM控制的概念。理解PWM控制的“面積等效”原理，建立“SPWM”的概念。SPWM波：用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波。正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等。9PWM逆變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術，逆變電路是PWM控制技術最為重要的應用場合。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。（1）計算法的概念1）原理：根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形。2）特點：當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化。（2）調制法1）原理：輸出波形作調制信號，進行調制得到期望的PWM波。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；等腰三角波應用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關系且左右對稱。與任一平緩變化的調制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求。調制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波。調制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波。2）結合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說明。單極性PWM控制方式（單相橋逆變）雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制。掌握兩種調制方法在逆變電路中應用的原理。3）異步調制和同步調制建立異步調制、同步調制的概念，理解其特點。載波比載波頻率fc與調制信號頻率fr之比，N= fc / fr根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為異步調制和同步調制1. 異步調制：載波信號和調制信號不同步的調制方式。2. 同步調制：N等于常數，并在變頻時使載波和信號波保持同步4）理解規則采樣法的原理，掌握PWM逆變電路諧波的基本規律。了解提高直流電壓利用率和減少開關次數的思路和方法，了解PWM逆變電路多重化的目的和實現方法。二、習題與解答例5-1 逆變電路必須具備什么條件才能進行逆變工作？答：逆變電路必須同時具備下述兩個條件才能產生有源逆變：1.變流電路直流側應具有能提供逆變能量的直流電源電勢Ed，其極性應與晶閘管的導電電流方向一致。 2.變流電路輸出的直流平均電壓Ud的極性必須為負（相對于整流時定義的極性），以保證與直流電源電勢Ed構成同極性相連，且滿足Ud90的情況。單相橋式（二極管）整流電路是ACDC 變換電路，是單純的整流電路，相當于單相全控橋式變流電路工作于整流狀態，控制角=0時的情況。不是所有的整流電路都可以用來作為逆變電路。例如，單相、三相半控橋式變流電路，帶續流二極管的變流電路都只能工作于整流狀態，不能用來作為逆變電路。例5-3 使變流器工作于有源逆變狀態的條件使什么？答： 條件有二： 直流側要有電動勢，其極性須和晶閘管的導通方向一致，其值應大于變流電路直流側的平均電壓；要求晶閘管的控制角,使為負值。例5-4 三相全控橋變流器，反電動勢阻感負載，R1，L，220V，當，時求、和的值，此時送回電網的有功功率是多少？解：由題意可列出如下3個等式： 三式聯立求解，得 由下式可計算換流重疊角：送回電網的有功功率為 例5-5 單相全控橋，反電動勢阻感負載，R1，L，100V，當，時求、和的值，解：由題意可列出如下3個等式： 三式聯立求解，得 又即得出換流重疊角：例5-6 什么是逆變失敗？如何防止逆變失敗？ 答：逆變運行時，一旦發生換流失敗，外接的直流電源就會通過晶閘管電路形成短路，或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變為順向串聯，由于逆變電路內阻很小，形成很大的短路電流，稱為逆變失敗或逆變顛覆。防止逆變失敗的方法有：采用精確可靠的觸發電路，使用性能良好的晶閘管，保證交流電源的質量，留出充足的換向裕量角等。 例5-7 單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路中，當負載分別為電阻負載或電感負載時，要求的晶閘管移相范圍分別是多少？答：單相橋式全控整流電路，當負載為電阻負載時，要求的晶閘管移相范圍是，當負載為電感負載時，要求的晶閘管移相范圍是。 三相橋式全控整流電路，當負載為電阻負載時，要求的晶閘管移相范圍是，當負載為電感負載時，要求的晶閘管移相范圍是。例5-8 三相全控橋，電動機負載，要求可逆，整流變壓器的接法是D，y-5，采用NPN鋸齒波觸發器，并附有滯后的R-C濾波器，決定晶閘管的同步電壓和同步變壓器的聯結形式。解：整流變壓器接法如下圖所示圖5-1 例5-8圖移a相為例，的對應于，此時，處于整流和逆變的臨界點。該點與鋸齒波的中點重合，即對應于同步信號的，所以同步信號滯后，又因為R-C濾波已使同步信號滯后，所以同步信號只要再滯后就可以了。滿足上述關系的同步電壓向量圖及同步變壓器聯結形式如下兩幅圖所示。圖5-2 例5-8圖 圖5-3 例5-8圖各晶閘管的同步電壓選取如下表：晶閘管同步電壓 例5-9逆變電路工作時為什么會產生短路事故？ 答：變流器工作在逆變狀態時，如果因丟失脈沖、移相角超出范圍、甚至突發電源缺相或斷相等情況時，都有可能發生換相失敗，將使變流器輸出的直流電壓Ud進入正半周范圍，Ud的極性由負變正，與直流側直流電源電勢Ed形成順向串聯，造成短路事故（因逆變電路的內阻R很小）。這種情況稱為逆變失敗。或稱為逆變顛覆。例5-10 區別下列概念：整流與待整流。逆變與待逆變。答：整流與待遇整流。延遲角在整流工作區，即/2，晶閘管橋路起可控整流作用，將交流能量轉化為直流能量供給負載，這種狀態稱為整流。由于直流輸出端存在反電動勢，但其值大于直流輸出電壓，即|ED|Ud，所以整流電流Id=0，電路無法實現能量轉換。一量UdED，橋路立即進入整流狀態，所以稱待整流狀態。逆變與待逆變狀態。當延遲角在逆變工作區，即/2或/2時，負載端有供給直流能量的電源，且其值大于|UD|，則可控橋路將直流能量返送交流電網，橋路工作在逆變狀態。上述狀態下，當ED|UD|時，Id=0，橋路無法實現能量轉換，此時橋路稱為待逆變狀態。例5-11 下列各種交流裝置中，能用于有源逆變電路的，在括號中畫“”，不能用的畫“”。單相雙半波可控整流電路。（）接續流二極管的單機雙半波可控整流電路。（）單機全控橋式整流電路。（）單機半控橋式整流電路。（）三相半波可控整流電路。（）帶續流二極管的三相半波可控整流電路。（）三相橋式全控整流電路。（） 例5-12 為什么要限制逆變角的最小值min？選擇min值時應考慮哪些因素？ 答：為了避免逆變電路發生逆變失敗，所以，必須限制逆變角的最小值min。最小逆變角min的選取要考慮三個因素，即換相重疊角；晶閘管關斷時間toff對應的電角度；安全裕量角0。故有 min+0 例5-13 圖5-4b電路工作在逆變狀態，某晶閘管兩端電壓波形如圖5-4b所示，試指出這是第幾只昌閘管兩端的電壓波形？、為何值？答:從圖5-4b的波形可以看出，=150，=30，且圖中波形為晶閘管VT2兩端的電壓波形。圖5-4 例5-13圖例5-14上題中，由于某種原因，VT2管的觸發脈沖丟失，電路會出現什么情況？試畫出負載端電壓波形并進行分析。答： 時刻，脈沖丟失，晶閘管VT2無法導通，VT1也無法關斷。所以電壓沿著變化。時刻，VT3管觸發，但由于時刻，VT3無法導通，仍為VT1導通，所以是沿著變化。時刻，對已導通的VT1管不起作用，直至時刻才從U相換到V相，所以丟失一個脈沖的波形圖5-5所示。從上面分析可知，電話由負變正，使與反電動勢ED順極性串聯，而且回路的總有效電阻又很小，容易引起晶閘管的過電流而燒壞管子，因此逆變狀態下不允許丟失脈沖。圖5-5 例5-14圖例5-15 對改進型橋式并聯逆變器，負載兩端并聯電容起什么作用？答： 并聯電容負負載振蕩于逆變器的工作頻率，使輸出電壓為正弦波，并能送出一定頻率的交流功率。用并聯電容補償電感性負載的無功功率。使逆變負載為容性，輸出電流超前輸出電壓Uo一個角，保證正常換流。例5-16 改進型橋式并聯逆變電路，為了保證可靠換流，必須有足夠長的觸發引前時間，為什么？答：因為觸發引前時間必須大于晶閘管換流時間、晶閘管關斷時間及留一定裕量，所以必須有足夠長的觸發引前時間。例如，在1000Hz中頻電源中，通常不小于100。例5-17 如圖5-6所示的有源逆變電路，為了加快電動機的制動過程，增大電樞電源，應如何調節角？為什么？電樞電流增大后，換相重疊角是否會加大？這是否會造成逆變失敗？解： 因為，在有源逆變條件下， ， 所以電動機工作在發電制動狀態。為了加快電動機制動過程，增大Id，必須使增大。又知，所以當制動電源Id增大時，換向重疊角亦增加，當增大超過一定數值，加上換向重疊角的增大，可能會造成逆變的失敗。圖5-6 例5-17圖例5-18 在圖5-6單機全控橋式整流電路中，當時，若直流側直流電動機取走，而代之以一個電阻，晶閘管的導通角還能達到180嗎？晶閘管的輸出平均電壓還能出現負值嗎？答：不能。因為實現有源逆變不可缺少的條件是必須具有對晶閘管是正向的直流電源，當用電阻取代電動機后，在保持等于零，電流出現斷續，不可能使直流平均電壓出現負值。 例5-19試列舉三種產生逆變失敗的情況，并說出應注意哪些安全保護措施。 答：1.產生逆變失敗的情況主要有以下幾個方面：(1)觸發電路工作不可靠觸發電路不能及時、準確地為各晶閘管提供脈沖，如丟失脈沖或脈沖延遲等，均能導致換相失常或換相失敗。脈沖延遲即使不出現的嚴重情況，也將使逆變角過小，導致換相時間不足，產生逆變失敗。所謂換相時間，即是需被關斷的晶閘管承受反壓的時間，即逆變角區間所對應的時間，如果這個時間短了，晶閘管承受的反壓時間不夠，不能恢復正向阻斷能力而造成逆變失敗。(2)晶閘管出現故障晶閘管性能不合格，或設計電路時參數選擇不當，以致出現晶閘管該阻斷時不能阻斷，該導通不能導通，均將導致逆變失敗。(3)交流電源失常在有源逆變工作狀態下，交流電源的突然停電或缺相，由于直流電勢Ed的存在，原來導通的晶閘管仍會導通，但此時變流電路交流側已失去了同直流電勢極性相反的交流電壓，直流電勢將通過晶閘管短路，或原來導通的晶閘管使ud進入導通相的正半周（缺相時）極性變正，造成逆變失敗。2.逆變失敗將造成嚴重的后果，應采取的安全保護措施如下：(1)正確選擇晶閘管參數和緩沖保護電路(2)正確設計穩定可靠的觸發電路例如具有不丟脈沖，最小逆變角min限制、抗干擾能力強等性能。(3)設置完善的系統保護裝置 例如能對系統過流、過壓、交流電源缺相、欠壓、斷電等故障及時檢測，并采取相應的保護操作。例5-20 換流重疊角的產生給逆變電路帶來哪些不利影響？ 答：由于變壓器漏感和線路電感等因素的影響，晶閘管的換流（換相）不能瞬時完成，均需一定的時間即換相重疊角所對應的時間。如果逆變角，將使換相不能完成，造成逆變失敗。例5-21 試敘述反并聯（雙重）變流電路的四象限運行條件。 答：反并聯（雙重）變流電路參閱教材中的圖示。其四象限運行條件如下：第一象限，電動機正轉作電動運行，變流器1工作在整流狀態，1/2，Ed/2，EdUd2。此時Ud2、Ed的極性均為上正下負，電動機供出電能，經變流器2回饋給電網。第三象限，電動機反轉作電動運行，變流器2工作在整流狀態，2/2，Ed/2，EdUd1，此時，Ud1、Ed的極性均為上負下正，電動機供出電能，經變流器1回饋給電網。流過電動機的電流與第二象限工作時相反。可見，由反并聯（雙重）變流電路控制的可逆系統中，電動機從電動運行轉變為發電制動運行，由于電動機的旋轉方向不變，故電動機電勢Ed的方向不變，相應工作于整流和逆變狀態的變流器不能在同一組全控橋內實現。具體地說，由一組橋整流，電網供出能量使電動機作電動運轉，逆變必須通過反并聯的另一組橋來實現，將電動機作發電制動運行產生的直流電能回饋給電網。例5-21試指出晶閘管相控變流器的主要特征。 答：幾種典型晶閘管相控變流器的主要特征如下： 接續流二極管的單相半波可控變流電路脈動頻率為fS；可工作于第一象限。 接續流二極管的單相半控橋式變流電路脈動頻率為2fS；可工作于第一象限。 單相全控橋式變流電路脈動頻率為2fS；可工作于第一象限和第四象限。 單相反并聯（雙重）全控橋式變流電路脈動頻率為2fS；可工作于第一、二、三、四象限。 三相半波可控變流電路脈動頻率為3fS；可和第四象限。 接續流二極管的三相半控橋式變流電路脈動頻率為3fS；可工作于第一象限。 三相全控橋式變流電路脈動頻率為6fS；可工作于第一象限和第四象限。 三相反并聯（雙重）全控橋式變流電路脈動頻率為6fS；可工作于第一、二、三、四象限。其中，fS為交流電源頻率。可見，接續流二極管的變流電路只能工作于第一象限。例5-22 試述過電壓保護的兩種基本方法。答：常用的抑制過電壓的基本方法有二種，即用非線性元件限制過電壓的幅值；用儲能元件吸收可能產生過電壓的能量，并用電阻將其消耗。實際應用時，要視電路的不同部位的需要采用不同的方法，同一部位也可同時采用二種方法。例5-23 試說明晶閘管關斷過電壓RC保護電路的原理。答：晶閘管在關斷過程中，電流從最大值很快下降為0，將在變壓器的漏電感Lc上產生很大的過電壓LC.div/dt，作用在晶閘管上。并聯在每只晶閘管上的RC回路可抑制晶閘管的關斷過電壓。當晶閘管關斷過程中，變壓器電流可以通過RC續流，減小了div/dt，從而抑制了過電壓。電阻可以限制晶閘管再導通時，電容C向晶閘管放電的電流上升率，并阻尼可能產生的LC振蕩。例5-24 用作過電流保護的三種常用電器是什么？其速度的快慢有何差別。答：可用作過電流保護的三種常用電器有快速熔斷器、快速開關和過流繼電器。快速熔斷器流過的電流越大，其熔斷時間越短，當流過短路電流時，其熔斷時間可達5ms(目前最快的可達1ms量級)。在額定電流下，工作時不熔斷，可長期工作。快速開關的全分斷時間為10ms，只用于直流電路。過流繼電器的動作時間一般為幾百毫秒(ms)，分為直流和交流兩種。例5-25 試述反饋控制過電流保護電路的原理及特點？答：反饋控制過流保護原理框參閱教材中的圖示。正常工作時，電壓比較器整定為輸出高電平，控制變流裝置工作于a90的逆變工作狀態。由于a突然增大，使變流器輸出電壓迅速降低，不僅控制了短路電流，還可將儲存在電感中的能量以電能的形式反饋給電網。當能量釋放完畢，晶閘管的電流下降到維持電流以下自行關斷，且無觸點。所以，不存在快速熔斷器、快速開關和過流繼電器等保護電器那種分斷大電流動作過程產生的過電壓現象。動作速度比上述任何一種過流保護電器都快。例5-26 為什么說快速熔斷器用作晶閘管的最終過流保護手斷比較合適？答：因為晶閘管的過載能力受結溫限制，我國標準規定風冷器件的額定結溫為115C，水冷器件為100C。在規定的冷卻條件下，晶閘管通過2倍額定通態平均電流時，可耐受的時間為0.5S；通過3倍時，可耐受時間為60ms；通過6倍時，可耐受時間為20ms。所以可根據不同過載程度晶閘管的耐受能力，采取分級過電流保護措施。快速熔斷器之所以用作最終保護手段比較合適，是因為三種保護電器的動作時間各不相同，快速熔斷器的動作時間最短，速度最快。為了避免快熔的頻繁熔斷和更換，使快熔只在發生可能危及晶閘管的更大過流時才熔斷，起到最后的保護作用。因此，在留有適當的裕量選定了晶閘管及與其配合的快熔之后，將同時裝設的快速開關或過流繼電器的動作值整定得稍低一些（過流繼電器最低）。這樣，當發生過流時，過流繼電器或快速開關會首先動作，雖然動作速度不如快熔，但只要整定電流不超過晶閘管過載耐受時間區段，就不會危害晶閘管，同樣也不會使快熔熔斷。例5-27 在圖5-7中標明Ud、ED及方向。并指出ED與Ud的大小關系，當和最小值均為30時，的取值范圍為多少？解：圖5-7a是整一流電動機狀態。Ud、ED及的方向已標在圖5-7a中，且Ud|ED|；圖5-7b是逆變發電機狀態。Ud、ED及的方向已標在圖5-7b中，且|Ud|ED。當=30、=30時，三相可控電路時，則的取值范圍是30150，即移相范圍要求120。圖5-7 例5-27圖例5-28 單相全控橋反電動勢阻感負載，R=1，L=，U2=100V，當Ed=99V，=60時，求Ud、Id的數值。解： (V)(A)例5-29 三相半波變流電路，反電動勢阻感負載，R=1，L=，U2=100V，當Ed=150V，=30時，求Ud、Id的數值。 解： (V)(A)例5-30 三相全控橋式變流電路，反電動勢阻感負載，R=1，L=，U2=220V，當Ed=400V，=60時，求Ud、Id的數值。此時送回電網的平均功率為多少？ 解： (V)(A)由于L=，輸出電流有效值（忽略諧波）I =Id網側有功功率為=(W)-36.7(KW)送回電網的平均功率為36.7(KW)例5-31 三相橋式變流電路，已知U2L=230V，反電勢阻感負載，主回路R =0.8，L=，假定電流連續且平滑，當Ed=-290V，=30時，計算輸出電流平均值、輸出電流有效值（忽略諧波）、晶閘管的電流平均值和有效值。 解： 輸出電流平均值(A)輸出電流有效值 （）晶閘管的電流平均值為 （）晶閘管電流有效值為 (A)例5-32 試從圖5-8電壓波形來分析，例如三相半波逆變電路，當電抗器Ld的電感量不夠大時，則時，輸出電壓的平均值將大于零，電動機會爬行。解： 從波形圖中可見，由于Ld不是足夠大，在波形的正面積大于負面積，使，所以產生Id，流過電動機，產生力矩使電動機爬行。圖5-8 例5-32圖例5-33 直接由三相交流電網供電的卷揚機負賁調速電路，如圖8-5a所示。在重物下降時，ED=140V，R=1，當時能實現有源逆變，試求：電動機處于什么工作狀態？晶閘管電路處于什么工作狀態？流過電樞電流是多少？畫出與波形，如果不計變壓器漏抗，并假定電感Ld足夠大，標出、和。若使電路逆變角突然增大，電動機轉速如何變化？說明變化過程。圖5-9 例5-33圖解：電動相處于發電制動狀態，晶閘管電路處于有源逆變工作狀態，電樞電源。、及、和波形如圖8-5b所示。逆變角突然增大時，|Ud|=|-1.17U2cos|也下降，而電動機因機械慣性轉速來不及改變，所以反電動勢ED不變，則流過電動電流Id增大，電動機工作在發電制動狀態的電磁轉矩增大，所以引起電動機轉速下降。當轉速n下降到一定值時，即反電動勢ED達到一定值時，使恢復到原值，重機關報使電動機軸上轉矩平衡，電動機以較低的轉速使重物恒速下降。例5-34在圖5-6單機橋式全控整流電路，若U2=220V，ED=100V，R=2，當=30時，能否實現有源逆變？為什么？畫出這時的電流電壓波形圖。解：所以無法實現有源逆變。流形如圖5-10所示。圖5-10 例5-34圖 圖5-11 例5-35圖例5-35 如圖5-6所示電路，若U2=220V，E=120V，R=1，當=60時，能否實現有源逆變？求這時電動機的制動電流多大？并畫出這時的電壓、電流波形。解：因為，所以電路可以實現有源逆變。制動電源 電壓、電流波形圖如圖5-11所示。例5-36 如圖5-12所示電路，足路夠大，能使電流連續，試問：=90時，Id為何值？如若=60，問這時電流Id多大？為什么？解： 三相半波可控整流電路中所以當=60時由于，所以，電路不能工作在有源逆變狀態，而是一種待逆變狀態。圖5-12 例5-36圖例5-37 圖5-13a所示電路是單機橋式可控反并聯可逆電路，工作于工作制。若直流控制信號為零時，求當時，1號晶閘管與1號晶閘管的觸發脈沖相位差是多少？并畫出這時兩組晶閘管整流裝置的電壓波形。解： 從圖5-13b的波形圖可以看出，1號晶閘管和1晶閘管相位相差90。圖5-13 例5-37、5-38圖例5-38 圖5-13a所示的晶閘管反并聯可逆電路，如果已知，試判斷I組、II組晶閘管各處于什么工作狀態？答：由，所以I組晶閘管處于整流流狀態，II組晶閘管橋路處于待逆變狀態。例5-39 某三相全控橋式晶閘管反并聯可逆電路，向10kW、220V/55A、1350r/min，極對數p=2的直流電動機供電（取KD=8），已知整流變壓器二次相電壓為127V。要求當流過電動機電流大于3A時，電流波形連續。求均衡電抗器及濾波和保證電流連續的電抗器的電感量。解：設變壓器短路電壓標么值為所以變壓器的漏電感取環流取Kr=2.8（因三相橋式反并聯）所以均衡電抗器的電感量電動機的電感式中UN電動機額定電壓（V）；IN電動機額定電流（A）；nN電動機額定轉速（r/min）;p電動機磁極對數。KD系數。一般無補償電動機時KD812，快速無補償電動機時KD68，有補償電動機時KD56 。所以保證電流連續時需求電路電感量Ld1，先求L1：例5-40 在三相橋式反并聯可逆電路圖5-14a中，當直流控制信號為零時，試畫出、時兩組整流電壓波形，并說明這時是否存在環流？如存在環流，試畫出均稀電壓波形。解：、 ，兩組整流電壓波形如圖5-14b所示。圖5-14 例5-40圖從波形圖分析，出現環流，環流波形如圖5-14c所示，L1、L2和L3是限制環流而設置的。例5-41有一個晶閘管直流調壓系統，如圖5-15所示。已知 ，求等于多少？若不變，等于多少？若電阻，求兩種情況下電源所供給的有功功率和無功功率各為多少？解： 則又 當 圖5-15 例5-41、5-42圖例5-42 如圖5-15所示的調速電路，已知，第I組晶閘管裝置工作于，第II組晶閘管裝置工作于，如果電動機負載電流為20A，求這時電源供給的有功功率。如果不用兩組晶閘管串供電而由440V交流電源直接向電動機供電，求輸出相同電壓電流時電源供給的有功功率和無功功率？解： 第一種情況，即 第二種情況，即直接由440V交流電源供電因為 以上計算表明，用兩組橋路串聯可提高裝置功率因數，降低對電源需要的無功功率。例5-43 圖5-16a三相橋式可控整流電路，接有直流電源E，調節E的電壓使直流電流 經常保持一定。設濾波電感L很大，試問：延遲角為a時求電壓E/延遲角為a時分別計算直流電源的輸入功率PDC；交流電源的輸出功率PDC；電阻R的損耗PR。設交流電壓、，試判斷何時電源處在整流狀態，何時處于逆變狀態？解： 由于大電感濾波如圖5-16b所示。所以，整流回路的平均輸出電壓，而圖5-16 例5-43圖直流電源的輸入功率交流電源的輸出功率 電阻損耗功率 當時，電路處于整流工作狀態，時，電路處于逆變工作狀態。例5-44 無源逆變電路和有源逆變電路的區別有哪些?解：無源逆變電路就是將直流電能轉換為某一固定頻率或可變頻率的交流電能，并且直接供給負載使用的逆變電路。有源逆變電路就是將直流電能轉換為交流電能后，又饋送回交流電網的逆變電路。這里的“源”即指交流電網，或稱交流電源。例5-45 逆變器有哪些類型？其最基本的應用領域有哪些？答：逆變器的類型有：（1） 電壓型和電流型逆變器。（2） 恒頻恒壓正弦波和方波逆變器，變頻變壓逆變器，高頻脈沖電壓（電流）逆變器。（3） 單相半橋、單相全橋、推挽式、三相橋式逆變器。（4） 自關斷換流逆變器，強迫關斷晶閘管逆變器。晶閘管逆變器可利用負載側交流電源電壓換流，負載反電動勢換流或負載諧振換流。逆變器的基本應用包括：交流電動機變頻調速，不停電電源UPS，電子鎮流器，中頻或高頻感應加熱電源等等。還可應用于電力系統作為無功補償器或諧波補償器。例5-46 為什么逆變電路中晶閘管SCR不適于作開關器件？答： （1）逆變電路中一般采用SPWM控制方法以減小輸出電壓波形中的諧波含量，需要開關器件工作在高頻狀態，SCR是一種低頻器件，因此不適合這種工作方式。（2）SCR不能自關斷。而逆變器的負載一般是電感、電容、電阻等無源元件，除了特殊場合例如利用負載諧振進行換流，一般在電路中需要另加強迫關斷回路才能關斷SCR，電路較復雜。因此SCR一般不適合用于逆變器中。例5-47 什么是電壓型逆變電路和電流型逆變電路?各有什么特點?答：按照逆變電路直流側電源性質分類，直流側是電壓源的稱為逆變電路，稱為電壓型逆變電路，直流側是電壓源的逆變電路稱為電源型逆變電路。電壓型逆變電路的主要特點是：直流側為電壓源，或并聯有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。電流型逆變電路的主要特點是：直流側串聯有大電感，相當于電壓源。直流側電流基本無功脈動，直流回路呈現高阻抗。電路中開關器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側輸出電流為矩形波，并且與負載抗角無關。而交流側輸出電壓波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電感起緩沖無功能量的作用。因此反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像逆變電路那樣要給開關器件反并聯二極管。例5-48 無源逆變電路和有源逆變電路有何不同？答：兩種電路的不同主要是：有源逆變電路的交流側接電網，即交流側接有電源。而無源逆變電路的交流側直接和負載聯接。例5-49換流方式各有哪幾種？各有什么特點？答：換流方式有4種：器件換流：利用全控器件的自關斷能力進行換流。全控型器件采用次換流方式。電網換流：由電網提供換流電壓，只要把負的電網電壓加在欲換流的器件上即可。負載換流：由負載提供換流電壓，當負載為電容性負載即負載電流超于負載電壓時，可實現負載換流。強迫換流：設置附加換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓換流稱為強迫換流。通常是利用附加電容上的能量實現，也稱電容換流。晶閘管電路不能采用器件換流，根據電路形式的不同采用電網換流、負載換路和強迫換流3種方式。例5-50 電壓型中反饋二極管的作用是什么？為什么電流型逆變電路中沒有反饋二極管？答：在電壓型逆變電路中，當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。當輸出交流電壓和電流的極性相同時，電流經電路中的可控開關器件流通，而當輸出電壓電流極性相反時，由反饋二極管提供電流通道。在電流型逆變電路中，直流電流極性是一定的，無功能量由直流側電感來緩沖。當需要從交流側向直流側反饋無功能量時，電流并不反向，依然經電路中的可控開關器件流通，因此不需要并聯二極管。例5-51試說明電壓型逆變電路中續流二極管的作用。答：對于電感性負載，由于電感的儲能作用，當逆變電路中的開關管關斷時，負載電流不能立即改變方向，電流將保持原來的流向，必須通過與開關管反向并聯的大功率二極管進行續流，來釋放電感中儲存的能量，這就是電壓型逆變電路中續流二極管的作用。若電路中無續流二極管，開關管關斷時，由于電感中的電流將產生很大電流變化率，從而在電路中引起很高的過電壓，對電路的器件或絕緣產生危害。例5-52 試述180O導電型電壓型逆變電路的換流順序及每60O區間導通管號。答：180 O導電型電壓型逆變電路，每個開關管在每個周期中導通180 O，關斷時間也是180 O，換流（換相）是在同一個橋臂的上、下兩個開關管之間進行，亦稱縱向換相。換流順序為每一次在同一橋臂上的V11和V14，V13和V16，V15和V12，每對管各自間隔180 O換相一次。其驅動信號的施加順序即為開關管的導通順序，為V15、V16、V11V16、V11、V12V11、V12、V13V12、V13、V14V13、V14、V15V14、V15、V16V15、V16、V11。其規律是60 O區間有上述三個連續號碼的開關管導通，每隔60 O驅動關斷一個開關管，同時驅動導通下一號開關管。例5-53 寫出電流型三相橋式逆變電路的換流順序。答：120O導通型方式在任一時刻都有不同相的上橋臂和下橋臂各一只IGBT導通，換相是在上橋臂或下橋臂間進行，換流順序為V36V32、V31 V33、V32 V34、V33V35、V34V36、V35V31 、V36V32,每隔60O產生一次換流。按上述換流順序，IGBT的導通順序為V36、V31 V31、V32 V32、V33V33、V34V34、V35V35、V36V36、V31。每個周期中，每個管的導通角各依次為120O。例5-54 三相電壓型橋式逆變電路，180O導電方式，Ud=150V，求輸出電壓的基波幅值UAN1m和有效值UAN1，輸出線電壓的基波幅值UAB1m和有效值UAB1。答：輸出電壓的基波幅值UAN1m為 (V) 輸出電壓的有效值UAN1為： (V) 輸出線電壓的基波幅值UAB1m為 =165(V) 輸出線電壓的基波有效值UAB1為 =117(V) 例5-55 單相電壓型逆變電路中，電阻性負載和電感性負載對輸出電壓、電流有何影響？電路結構有哪些變化？答：電阻性負載時，輸出電壓和輸出電流同相位，波形相似，均為正負矩形波。電感性負載時，輸出電壓為正負矩形波，輸出電流近似為正弦波，相位滯后于輸出電壓，滯后的角度取決于負載中電感的大小。在電路結構上，電感性負載電路，每個開關管必須反向并聯續流二級管。例5-56 單相橋式逆變電路中，直流側電壓、電流波形在電阻性負載和電感性負載時有什么特點？答：電阻性負載時，直流側電壓、電流波形均為恒定直流。電感性負載時，直流側電壓波形均為恒定直流。電流波形參閱教材P99中的圖6-3（h），在IGBT導通期間，直流側的電流id由電源流向負載，方向為正。在IGBT的關斷期間，即續流二極管的續流期間，直流側的電流id由負載流向電源，方向為負，因為續流是傳遞無功能量的表現。例5-57 三相橋式電壓型逆變電路，180 導電方式，100V。試求輸出相電壓的基波幅值和有效值、輸出線電壓的基波幅值和有效值、輸出線電壓中5次諧波的有效值。解：輸出相電壓基波幅值為： 輸出相電壓基波有效值為： 輸出線電壓基波幅值為： 輸出線電壓基波有效值為： 輸出線電壓中五次諧波的表達方式為： 其有效值為： 例5-58 并聯諧振式逆變電路利用負載電壓進行換相，為保證換相應滿足什么條件？答：假設在t時刻觸發使其導通，負載電壓 就通過施加在 上，使其承受反向電壓關斷，電流從 向轉移，觸發時刻t 必須在過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。例5-59 串聯二極管式電流型逆變電路中，二極管的作用是什么？試分析換流過程。答：二極管的主要作用，一是為換流電容器充電提供通道。并使換流電容的電壓能夠得以保持，為晶閘管在關斷之后能夠承受一定時間的反向電壓，確保晶閘管可靠關斷，從而確保晶閘管換流成功。以和之間的換流為例，串聯二極管式電流型逆變電路的換流過程可簡述如下：給施加觸發脈沖，由于換流電容電壓的作用，使 導通，而 被施以反向電壓而關斷。直流電流 從 換到上，通過 、U相負載、W相負載、直流電源和放電。因放電電流恒為，故稱恒流放電階段。在電壓下降到零之前，一直承受反壓，只要反壓時間大于晶閘管關斷時間，就能保證可靠關斷。降到零之后在U相負載電感的作用下，開始對 反向充電。如忽略負載中電阻的壓降，則在 0時刻后，二極管受到正向偏置而導通，開始流過電流，兩個二極管同時導通，進入二極管換流階段。隨著 充電電壓不斷增高，充電電流逐漸減小，到某一時刻充電電流減到零，承受反壓而關斷，二極管換流階段結束。之后，進入、穩定導通階段。例5-60 逆變電路多重化的目的是什么？任何實現？有何優點？串聯多重和并聯多重逆變電路各用于什么場合？答：逆變電路多重化的目的之一是使總體上裝置的功率等級提高，二是可以改善輸出電壓的波形。因為無論是電壓型逆變電路的矩形電壓波，還是電流型逆變電路輸出的矩形電流波，都含有較多諧波，對負載有不利影響，采用多重逆變電路，可以把幾個矩形波組合起來獲得接近正弦波的波形。逆變電路多重化就是把若干個逆變電路的輸出按一定相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。組合方式有串聯多重和并聯多重兩種方式。串聯多重是把幾個逆變電路的輸出串聯起來，并聯多重是把幾個逆變電路的輸出并聯起來。通過多重化結構，可以使輸出u0中有選擇的消除某些次諧波，增多多重化結構中的逆變器組數，可以消除更多的諧波，同時，還可以增大逆變器的輸出功率。串聯多重逆變電路多用于電壓型逆變電路的多重化。并聯多重逆變電路多用于電流型逆變電路的多重化。例5-61圖5-17a為串聯式逆變器電路，試敘述其工作原理，并畫出輸出頻率不同輸出電流