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第五章 DC-AC变换电路一、学习指导（一）基本要求1掌握逆变的概念和逆变的条件。2掌握三相有源逆变电路的波形及计算，重点：三相桥式逆变电路的原理与参数、脉宽调制和谐波消除方法，有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。3了解逆变失败的原因及最小逆变角的限制。4了解变流电路的换流方式。5掌握电压型逆变电路和电流型逆变电路的特点。6掌握三相电压型逆变电路、单相并联谐振式逆变电路及串联二极管式电流型逆变电路的工作原理及换流方式。7掌握PWM控制方式的理论基础及脉宽调制型逆变电路的控制方式。8了解规则采样法的计算方法。（二）主要内容了解逆变的概念，逆变的种类。理解产生有源逆变的条件。了解逆变电路的分析、计算。掌握逆变失败的原因，最小逆变角的限制。1逆变的概念逆变（invertion）：把直流电转变成交流电。逆变电路：把直流电逆变成交流电的电路。变流电路：一套电路，既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路或变流装置。有源逆变电路：交流侧和电网连结,逆变时可把直流电逆变为50Hz的交流电。无源逆变：变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。2有源逆变产生的条件：（1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压（2）晶闸管的控制角a /2，使Ud为负值。半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。3掌握单相双半波、单相桥式、三相半波及三相桥式全控电路逆变工作过程。4逆变失败及导致逆变失败的原因。 （1）逆变失败（逆变颠覆）：逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。逆变失败的原因：1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。3）交流电源缺相或突然消失。4）逆变角太小,换相的裕量角不足,引起换相失败。（2）逆变失败的防止：1)选用可靠的触发电路，选择可靠的晶闸管，在电路中装设快速熔断器或快速开关，一旦逆变失败立即切断电路。2)限制最小逆变角min。5无源逆变电路换流方式分类掌握有哪几种换流方式，理解每一种换流方式的概念，与全书的内容融合，知道学过的电路分别是用哪一种换流方式。换流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。开通：适当的门极驱动信号就可使其开通。关断：全控型器件可通过门极关断。半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。（1） 器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）。（2） 电网换流：由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。（3） 负载换流：由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）。（4） 强迫换流：设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（Forced Commutation）。通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。分为电压换流和电流换流两种1）电压换流：直接耦合式强迫换流由换流电路内电容提供换流电压VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断2）电流换流：电感耦合式强迫换流通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流。器件换流适用于全控型器件。其余三种方式针对晶闸管。器件换流和强迫换流属于自换流。电网换流和负载换流外部换流。6电压型逆变电路电压型逆变电路或电压源型逆变电路：直流侧是电压源。电压型逆变电路的应用十分广泛，是本章的重点。电压型逆变电路的各种拓扑及工作原理应当重点掌握。掌握和理解电压型逆变电路的特点。电压型逆变电路的特点：(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。7电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路电流型逆变电路。一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源。电流型逆变电路主要特点：(1)直流侧串大电感，相当于电流源。(2)交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同。(3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流。8脉宽调制(PWM)控制技术的基本原理理解PWM控制的概念和原理，理解PWM控制的方法，理解PWM控制在逆变电路中的应用，掌握PWM控制的概念。理解PWM控制的“面积等效”原理，建立“SPWM”的概念。SPWM波：用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等。9PWM逆变电路及其控制方法目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术，逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。（1）计算法的概念1）原理：根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。2）特点：当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。（2）调制法1）原理：输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称。与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波。调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。2）结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明。单极性PWM控制方式（单相桥逆变）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。掌握两种调制方法在逆变电路中应用的原理。3）异步调制和同步调制建立异步调制、同步调制的概念，理解其特点。载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制1. 异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式。2. 同步调制：N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步4）理解规则采样法的原理，掌握PWM逆变电路谐波的基本规律。了解提高直流电压利用率和减少开关次数的思路和方法，了解PWM逆变电路多重化的目的和实现方法。二、习题与解答例5-1 逆变电路必须具备什么条件才能进行逆变工作？答：逆变电路必须同时具备下述两个条件才能产生有源逆变：1.变流电路直流侧应具有能提供逆变能量的直流电源电势Ed，其极性应与晶闸管的导电电流方向一致。 2.变流电路输出的直流平均电压Ud的极性必须为负（相对于整流时定义的极性），以保证与直流电源电势Ed构成同极性相连，且满足Ud90的情况。单相桥式（二极管）整流电路是ACDC 变换电路，是单纯的整流电路，相当于单相全控桥式变流电路工作于整流状态，控制角=0时的情况。不是所有的整流电路都可以用来作为逆变电路。例如，单相、三相半控桥式变流电路，带续流二极管的变流电路都只能工作于整流状态，不能用来作为逆变电路。例5-3 使变流器工作于有源逆变状态的条件使什么？答： 条件有二： 直流侧要有电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压；要求晶闸管的控制角,使为负值。例5-4 三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R1，L，220V，当，时求、和的值，此时送回电网的有功功率是多少？解：由题意可列出如下3个等式： 三式联立求解，得 由下式可计算换流重叠角：送回电网的有功功率为 例5-5 单相全控桥，反电动势阻感负载，R1，L，100V，当，时求、和的值，解：由题意可列出如下3个等式： 三式联立求解，得 又即得出换流重叠角：例5-6 什么是逆变失败？如何防止逆变失败？ 答：逆变运行时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，由于逆变电路内阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败或逆变颠覆。防止逆变失败的方法有：采用精确可靠的触发电路，使用性能良好的晶闸管，保证交流电源的质量，留出充足的换向裕量角等。 例5-7 单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范围分别是多少？答：单相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是。 三相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是。例5-8 三相全控桥，电动机负载，要求可逆，整流变压器的接法是D，y-5，采用NPN锯齿波触发器，并附有滞后的R-C滤波器，决定晶闸管的同步电压和同步变压器的联结形式。解：整流变压器接法如下图所示图5-1 例5-8图移a相为例，的对应于，此时，处于整流和逆变的临界点。该点与锯齿波的中点重合，即对应于同步信号的，所以同步信号滞后，又因为R-C滤波已使同步信号滞后，所以同步信号只要再滞后就可以了。满足上述关系的同步电压向量图及同步变压器联结形式如下两幅图所示。图5-2 例5-8图 图5-3 例5-8图各晶闸管的同步电压选取如下表：晶闸管同步电压 例5-9逆变电路工作时为什么会产生短路事故？ 答：变流器工作在逆变状态时，如果因丢失脉冲、移相角超出范围、甚至突发电源缺相或断相等情况时，都有可能发生换相失败，将使变流器输出的直流电压Ud进入正半周范围，Ud的极性由负变正，与直流侧直流电源电势Ed形成顺向串联，造成短路事故（因逆变电路的内阻R很小）。这种情况称为逆变失败。或称为逆变颠覆。例5-10 区别下列概念：整流与待整流。逆变与待逆变。答：整流与待遇整流。延迟角在整流工作区，即/2，晶闸管桥路起可控整流作用，将交流能量转化为直流能量供给负载，这种状态称为整流。由于直流输出端存在反电动势，但其值大于直流输出电压，即|ED|Ud，所以整流电流Id=0，电路无法实现能量转换。一量UdED，桥路立即进入整流状态，所以称待整流状态。逆变与待逆变状态。当延迟角在逆变工作区，即/2或/2时，负载端有供给直流能量的电源，且其值大于|UD|，则可控桥路将直流能量返送交流电网，桥路工作在逆变状态。上述状态下，当ED|UD|时，Id=0，桥路无法实现能量转换，此时桥路称为待逆变状态。例5-11 下列各种交流装置中，能用于有源逆变电路的，在括号中画“”，不能用的画“”。单相双半波可控整流电路。（）接续流二极管的单机双半波可控整流电路。（）单机全控桥式整流电路。（）单机半控桥式整流电路。（）三相半波可控整流电路。（）带续流二极管的三相半波可控整流电路。（）三相桥式全控整流电路。（） 例5-12 为什么要限制逆变角的最小值min？选择min值时应考虑哪些因素？ 答：为了避免逆变电路发生逆变失败，所以，必须限制逆变角的最小值min。最小逆变角min的选取要考虑三个因素，即换相重叠角；晶闸管关断时间toff对应的电角度；安全裕量角0。故有 min+0 例5-13 图5-4b电路工作在逆变状态，某晶闸管两端电压波形如图5-4b所示，试指出这是第几只昌闸管两端的电压波形？、为何值？答:从图5-4b的波形可以看出，=150，=30，且图中波形为晶闸管VT2两端的电压波形。图5-4 例5-13图例5-14上题中，由于某种原因，VT2管的触发脉冲丢失，电路会出现什么情况？试画出负载端电压波形并进行分析。答： 时刻，脉冲丢失，晶闸管VT2无法导通，VT1也无法关断。所以电压沿着变化。时刻，VT3管触发，但由于时刻，VT3无法导通，仍为VT1导通，所以是沿着变化。时刻，对已导通的VT1管不起作用，直至时刻才从U相换到V相，所以丢失一个脉冲的波形图5-5所示。从上面分析可知，电话由负变正，使与反电动势ED顺极性串联，而且回路的总有效电阻又很小，容易引起晶闸管的过电流而烧坏管子，因此逆变状态下不允许丢失脉冲。图5-5 例5-14图例5-15 对改进型桥式并联逆变器，负载两端并联电容起什么作用？答： 并联电容负负载振荡于逆变器的工作频率，使输出电压为正弦波，并能送出一定频率的交流功率。用并联电容补偿电感性负载的无功功率。使逆变负载为容性，输出电流超前输出电压Uo一个角，保证正常换流。例5-16 改进型桥式并联逆变电路，为了保证可靠换流，必须有足够长的触发引前时间，为什么？答：因为触发引前时间必须大于晶闸管换流时间、晶闸管关断时间及留一定裕量，所以必须有足够长的触发引前时间。例如，在1000Hz中频电源中，通常不小于100。例5-17 如图5-6所示的有源逆变电路，为了加快电动机的制动过程，增大电枢电源，应如何调节角？为什么？电枢电流增大后，换相重叠角是否会加大？这是否会造成逆变失败？解： 因为，在有源逆变条件下， ， 所以电动机工作在发电制动状态。为了加快电动机制动过程，增大Id，必须使增大。又知，所以当制动电源Id增大时，换向重叠角亦增加，当增大超过一定数值，加上换向重叠角的增大，可能会造成逆变的失败。图5-6 例5-17图例5-18 在图5-6单机全控桥式整流电路中，当时，若直流侧直流电动机取走，而代之以一个电阻，晶闸管的导通角还能达到180吗？晶闸管的输出平均电压还能出现负值吗？答：不能。因为实现有源逆变不可缺少的条件是必须具有对晶闸管是正向的直流电源，当用电阻取代电动机后，在保持等于零，电流出现断续，不可能使直流平均电压出现负值。 例5-19试列举三种产生逆变失败的情况，并说出应注意哪些安全保护措施。 答：1.产生逆变失败的情况主要有以下几个方面：(1)触发电路工作不可靠触发电路不能及时、准确地为各晶闸管提供脉冲，如丢失脉冲或脉冲延迟等，均能导致换相失常或换相失败。脉冲延迟即使不出现的严重情况，也将使逆变角过小，导致换相时间不足，产生逆变失败。所谓换相时间，即是需被关断的晶闸管承受反压的时间，即逆变角区间所对应的时间，如果这个时间短了，晶闸管承受的反压时间不够，不能恢复正向阻断能力而造成逆变失败。(2)晶闸管出现故障晶闸管性能不合格，或设计电路时参数选择不当，以致出现晶闸管该阻断时不能阻断，该导通不能导通，均将导致逆变失败。(3)交流电源失常在有源逆变工作状态下，交流电源的突然停电或缺相，由于直流电势Ed的存在，原来导通的晶闸管仍会导通，但此时变流电路交流侧已失去了同直流电势极性相反的交流电压，直流电势将通过晶闸管短路，或原来导通的晶闸管使ud进入导通相的正半周（缺相时）极性变正，造成逆变失败。2.逆变失败将造成严重的后果，应采取的安全保护措施如下：(1)正确选择晶闸管参数和缓冲保护电路(2)正确设计稳定可靠的触发电路例如具有不丢脉冲，最小逆变角min限制、抗干扰能力强等性能。(3)设置完善的系统保护装置 例如能对系统过流、过压、交流电源缺相、欠压、断电等故障及时检测，并采取相应的保护操作。例5-20 换流重叠角的产生给逆变电路带来哪些不利影响？ 答：由于变压器漏感和线路电感等因素的影响，晶闸管的换流（换相）不能瞬时完成，均需一定的时间即换相重叠角所对应的时间。如果逆变角，将使换相不能完成，造成逆变失败。例5-21 试叙述反并联（双重）变流电路的四象限运行条件。 答：反并联（双重）变流电路参阅教材中的图示。其四象限运行条件如下：第一象限，电动机正转作电动运行，变流器1工作在整流状态，1/2，Ed/2，EdUd2。此时Ud2、Ed的极性均为上正下负，电动机供出电能，经变流器2回馈给电网。第三象限，电动机反转作电动运行，变流器2工作在整流状态，2/2，Ed/2，EdUd1，此时，Ud1、Ed的极性均为上负下正，电动机供出电能，经变流器1回馈给电网。流过电动机的电流与第二象限工作时相反。可见，由反并联（双重）变流电路控制的可逆系统中，电动机从电动运行转变为发电制动运行，由于电动机的旋转方向不变，故电动机电势Ed的方向不变，相应工作于整流和逆变状态的变流器不能在同一组全控桥内实现。具体地说，由一组桥整流，电网供出能量使电动机作电动运转，逆变必须通过反并联的另一组桥来实现，将电动机作发电制动运行产生的直流电能回馈给电网。例5-21试指出晶闸管相控变流器的主要特征。 答：几种典型晶闸管相控变流器的主要特征如下： 接续流二极管的单相半波可控变流电路脉动频率为fS；可工作于第一象限。 接续流二极管的单相半控桥式变流电路脉动频率为2fS；可工作于第一象限。 单相全控桥式变流电路脉动频率为2fS；可工作于第一象限和第四象限。 单相反并联（双重）全控桥式变流电路脉动频率为2fS；可工作于第一、二、三、四象限。 三相半波可控变流电路脉动频率为3fS；可和第四象限。 接续流二极管的三相半控桥式变流电路脉动频率为3fS；可工作于第一象限。 三相全控桥式变流电路脉动频率为6fS；可工作于第一象限和第四象限。 三相反并联（双重）全控桥式变流电路脉动频率为6fS；可工作于第一、二、三、四象限。其中，fS为交流电源频率。可见，接续流二极管的变流电路只能工作于第一象限。例5-22 试述过电压保护的两种基本方法。答：常用的抑制过电压的基本方法有二种，即用非线性元件限制过电压的幅值；用储能元件吸收可能产生过电压的能量，并用电阻将其消耗。实际应用时，要视电路的不同部位的需要采用不同的方法，同一部位也可同时采用二种方法。例5-23 试说明晶闸管关断过电压RC保护电路的原理。答：晶闸管在关断过程中，电流从最大值很快下降为0，将在变压器的漏电感Lc上产生很大的过电压LC.div/dt，作用在晶闸管上。并联在每只晶闸管上的RC回路可抑制晶闸管的关断过电压。当晶闸管关断过程中，变压器电流可以通过RC续流，减小了div/dt，从而抑制了过电压。电阻可以限制晶闸管再导通时，电容C向晶闸管放电的电流上升率，并阻尼可能产生的LC振荡。例5-24 用作过电流保护的三种常用电器是什么？其速度的快慢有何差别。答：可用作过电流保护的三种常用电器有快速熔断器、快速开关和过流继电器。快速熔断器流过的电流越大，其熔断时间越短，当流过短路电流时，其熔断时间可达5ms(目前最快的可达1ms量级)。在额定电流下，工作时不熔断，可长期工作。快速开关的全分断时间为10ms，只用于直流电路。过流继电器的动作时间一般为几百毫秒(ms)，分为直流和交流两种。例5-25 试述反馈控制过电流保护电路的原理及特点？答：反馈控制过流保护原理框参阅教材中的图示。正常工作时，电压比较器整定为输出高电平，控制变流装置工作于a90的逆变工作状态。由于a突然增大，使变流器输出电压迅速降低，不仅控制了短路电流，还可将储存在电感中的能量以电能的形式反馈给电网。当能量释放完毕，晶闸管的电流下降到维持电流以下自行关断，且无触点。所以，不存在快速熔断器、快速开关和过流继电器等保护电器那种分断大电流动作过程产生的过电压现象。动作速度比上述任何一种过流保护电器都快。例5-26 为什么说快速熔断器用作晶闸管的最终过流保护手断比较合适？答：因为晶闸管的过载能力受结温限制，我国标准规定风冷器件的额定结温为115C，水冷器件为100C。在规定的冷却条件下，晶闸管通过2倍额定通态平均电流时，可耐受的时间为0.5S；通过3倍时，可耐受时间为60ms；通过6倍时，可耐受时间为20ms。所以可根据不同过载程度晶闸管的耐受能力，采取分级过电流保护措施。快速熔断器之所以用作最终保护手段比较合适，是因为三种保护电器的动作时间各不相同，快速熔断器的动作时间最短，速度最快。为了避免快熔的频繁熔断和更换，使快熔只在发生可能危及晶闸管的更大过流时才熔断，起到最后的保护作用。因此，在留有适当的裕量选定了晶闸管及与其配合的快熔之后，将同时装设的快速开关或过流继电器的动作值整定得稍低一些（过流继电器最低）。这样，当发生过流时，过流继电器或快速开关会首先动作，虽然动作速度不如快熔，但只要整定电流不超过晶闸管过载耐受时间区段，就不会危害晶闸管，同样也不会使快熔熔断。例5-27 在图5-7中标明Ud、ED及方向。并指出ED与Ud的大小关系，当和最小值均为30时，的取值范围为多少？解：图5-7a是整一流电动机状态。Ud、ED及的方向已标在图5-7a中，且Ud|ED|；图5-7b是逆变发电机状态。Ud、ED及的方向已标在图5-7b中，且|Ud|ED。当=30、=30时，三相可控电路时，则的取值范围是30150，即移相范围要求120。图5-7 例5-27图例5-28 单相全控桥反电动势阻感负载，R=1，L=，U2=100V，当Ed=99V，=60时，求Ud、Id的数值。解： (V)(A)例5-29 三相半波变流电路，反电动势阻感负载，R=1，L=，U2=100V，当Ed=150V，=30时，求Ud、Id的数值。 解： (V)(A)例5-30 三相全控桥式变流电路，反电动势阻感负载，R=1，L=，U2=220V，当Ed=400V，=60时，求Ud、Id的数值。此时送回电网的平均功率为多少？ 解： (V)(A)由于L=，输出电流有效值（忽略谐波）I =Id网侧有功功率为=(W)-36.7(KW)送回电网的平均功率为36.7(KW)例5-31 三相桥式变流电路，已知U2L=230V，反电势阻感负载，主回路R =0.8，L=，假定电流连续且平滑，当Ed=-290V，=30时，计算输出电流平均值、输出电流有效值（忽略谐波）、晶闸管的电流平均值和有效值。 解： 输出电流平均值(A)输出电流有效值 （）晶闸管的电流平均值为 （）晶闸管电流有效值为 (A)例5-32 试从图5-8电压波形来分析，例如三相半波逆变电路，当电抗器Ld的电感量不够大时，则时，输出电压的平均值将大于零，电动机会爬行。解： 从波形图中可见，由于Ld不是足够大，在波形的正面积大于负面积，使，所以产生Id，流过电动机，产生力矩使电动机爬行。图5-8 例5-32图例5-33 直接由三相交流电网供电的卷扬机负贲调速电路，如图8-5a所示。在重物下降时，ED=140V，R=1，当时能实现有源逆变，试求：电动机处于什么工作状态？晶闸管电路处于什么工作状态？流过电枢电流是多少？画出与波形，如果不计变压器漏抗，并假定电感Ld足够大，标出、和。若使电路逆变角突然增大，电动机转速如何变化？说明变化过程。图5-9 例5-33图解：电动相处于发电制动状态，晶闸管电路处于有源逆变工作状态，电枢电源。、及、和波形如图8-5b所示。逆变角突然增大时，|Ud|=|-1.17U2cos|也下降，而电动机因机械惯性转速来不及改变，所以反电动势ED不变，则流过电动电流Id增大，电动机工作在发电制动状态的电磁转矩增大，所以引起电动机转速下降。当转速n下降到一定值时，即反电动势ED达到一定值时，使恢复到原值，重机关报使电动机轴上转矩平衡，电动机以较低的转速使重物恒速下降。例5-34在图5-6单机桥式全控整流电路，若U2=220V，ED=100V，R=2，当=30时，能否实现有源逆变？为什么？画出这时的电流电压波形图。解：所以无法实现有源逆变。流形如图5-10所示。图5-10 例5-34图 图5-11 例5-35图例5-35 如图5-6所示电路，若U2=220V，E=120V，R=1，当=60时，能否实现有源逆变？求这时电动机的制动电流多大？并画出这时的电压、电流波形。解：因为，所以电路可以实现有源逆变。制动电源 电压、电流波形图如图5-11所示。例5-36 如图5-12所示电路，足路够大，能使电流连续，试问：=90时，Id为何值？如若=60，问这时电流Id多大？为什么？解： 三相半波可控整流电路中所以当=60时由于，所以，电路不能工作在有源逆变状态，而是一种待逆变状态。图5-12 例5-36图例5-37 图5-13a所示电路是单机桥式可控反并联可逆电路，工作于工作制。若直流控制信号为零时，求当时，1号晶闸管与1号晶闸管的触发脉冲相位差是多少？并画出这时两组晶闸管整流装置的电压波形。解： 从图5-13b的波形图可以看出，1号晶闸管和1晶闸管相位相差90。图5-13 例5-37、5-38图例5-38 图5-13a所示的晶闸管反并联可逆电路，如果已知，试判断I组、II组晶闸管各处于什么工作状态？答：由，所以I组晶闸管处于整流流状态，II组晶闸管桥路处于待逆变状态。例5-39 某三相全控桥式晶闸管反并联可逆电路，向10kW、220V/55A、1350r/min，极对数p=2的直流电动机供电（取KD=8），已知整流变压器二次相电压为127V。要求当流过电动机电流大于3A时，电流波形连续。求均衡电抗器及滤波和保证电流连续的电抗器的电感量。解：设变压器短路电压标么值为所以变压器的漏电感取环流取Kr=2.8（因三相桥式反并联）所以均衡电抗器的电感量电动机的电感式中UN电动机额定电压（V）；IN电动机额定电流（A）；nN电动机额定转速（r/min）;p电动机磁极对数。KD系数。一般无补偿电动机时KD812，快速无补偿电动机时KD68，有补偿电动机时KD56 。所以保证电流连续时需求电路电感量Ld1，先求L1：例5-40 在三相桥式反并联可逆电路图5-14a中，当直流控制信号为零时，试画出、时两组整流电压波形，并说明这时是否存在环流？如存在环流，试画出均稀电压波形。解：、 ，两组整流电压波形如图5-14b所示。图5-14 例5-40图从波形图分析，出现环流，环流波形如图5-14c所示，L1、L2和L3是限制环流而设置的。例5-41有一个晶闸管直流调压系统，如图5-15所示。已知 ，求等于多少？若不变，等于多少？若电阻，求两种情况下电源所供给的有功功率和无功功率各为多少？解： 则又 当 图5-15 例5-41、5-42图例5-42 如图5-15所示的调速电路，已知，第I组晶闸管装置工作于，第II组晶闸管装置工作于，如果电动机负载电流为20A，求这时电源供给的有功功率。如果不用两组晶闸管串供电而由440V交流电源直接向电动机供电，求输出相同电压电流时电源供给的有功功率和无功功率？解： 第一种情况，即 第二种情况，即直接由440V交流电源供电因为 以上计算表明，用两组桥路串联可提高装置功率因数，降低对电源需要的无功功率。例5-43 图5-16a三相桥式可控整流电路，接有直流电源E，调节E的电压使直流电流 经常保持一定。设滤波电感L很大，试问：延迟角为a时求电压E/延迟角为a时分别计算直流电源的输入功率PDC；交流电源的输出功率PDC；电阻R的损耗PR。设交流电压、，试判断何时电源处在整流状态，何时处于逆变状态？解： 由于大电感滤波如图5-16b所示。所以，整流回路的平均输出电压，而图5-16 例5-43图直流电源的输入功率交流电源的输出功率 电阻损耗功率 当时，电路处于整流工作状态，时，电路处于逆变工作状态。例5-44 无源逆变电路和有源逆变电路的区别有哪些?解：无源逆变电路就是将直流电能转换为某一固定频率或可变频率的交流电能，并且直接供给负载使用的逆变电路。有源逆变电路就是将直流电能转换为交流电能后，又馈送回交流电网的逆变电路。这里的“源”即指交流电网，或称交流电源。例5-45 逆变器有哪些类型？其最基本的应用领域有哪些？答：逆变器的类型有：（1） 电压型和电流型逆变器。（2） 恒频恒压正弦波和方波逆变器，变频变压逆变器，高频脉冲电压（电流）逆变器。（3） 单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器。（4） 自关断换流逆变器，强迫关断晶闸管逆变器。晶闸管逆变器可利用负载侧交流电源电压换流，负载反电动势换流或负载谐振换流。逆变器的基本应用包括：交流电动机变频调速，不停电电源UPS，电子镇流器，中频或高频感应加热电源等等。还可应用于电力系统作为无功补偿器或谐波补偿器。例5-46 为什么逆变电路中晶闸管SCR不适于作开关器件？答： （1）逆变电路中一般采用SPWM控制方法以减小输出电压波形中的谐波含量，需要开关器件工作在高频状态，SCR是一种低频器件，因此不适合这种工作方式。（2）SCR不能自关断。而逆变器的负载一般是电感、电容、电阻等无源元件，除了特殊场合例如利用负载谐振进行换流，一般在电路中需要另加强迫关断回路才能关断SCR，电路较复杂。因此SCR一般不适合用于逆变器中。例5-47 什么是电压型逆变电路和电流型逆变电路?各有什么特点?答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，直流侧是电压源的称为逆变电路，称为电压型逆变电路，直流侧是电压源的逆变电路称为电源型逆变电路。电压型逆变电路的主要特点是：直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。电流型逆变电路的主要特点是：直流侧串联有大电感，相当于电压源。直流侧电流基本无功脉动，直流回路呈现高阻抗。电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因此反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。例5-48 无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？答：两种电路的不同主要是：有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接有电源。而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。例5-49换流方式各有哪几种？各有什么特点？答：换流方式有4种：器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用次换流方式。电网换流：由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。负载换流：由负载提供换流电压，当负载为电容性负载即负载电流超于负载电压时，可实现负载换流。强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流称为强迫换流。通常是利用附加电容上的能量实现，也称电容换流。晶闸管电路不能采用器件换流，根据电路形式的不同采用电网换流、负载换路和强迫换流3种方式。例5-50 电压型中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？答：在电压型逆变电路中，当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，无功能量由直流侧电感来缓冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时，电流并不反向，依然经电路中的可控开关器件流通，因此不需要并联二极管。例5-51试说明电压型逆变电路中续流二极管的作用。答：对于电感性负载，由于电感的储能作用，当逆变电路中的开关管关断时，负载电流不能立即改变方向，电流将保持原来的流向，必须通过与开关管反向并联的大功率二极管进行续流，来释放电感中储存的能量，这就是电压型逆变电路中续流二极管的作用。若电路中无续流二极管，开关管关断时，由于电感中的电流将产生很大电流变化率，从而在电路中引起很高的过电压，对电路的器件或绝缘产生危害。例5-52 试述180O导电型电压型逆变电路的换流顺序及每60O区间导通管号。答：180 O导电型电压型逆变电路，每个开关管在每个周期中导通180 O，关断时间也是180 O，换流（换相）是在同一个桥臂的上、下两个开关管之间进行，亦称纵向换相。换流顺序为每一次在同一桥臂上的V11和V14，V13和V16，V15和V12，每对管各自间隔180 O换相一次。其驱动信号的施加顺序即为开关管的导通顺序，为V15、V16、V11V16、V11、V12V11、V12、V13V12、V13、V14V13、V14、V15V14、V15、V16V15、V16、V11。其规律是60 O区间有上述三个连续号码的开关管导通，每隔60 O驱动关断一个开关管，同时驱动导通下一号开关管。例5-53 写出电流型三相桥式逆变电路的换流顺序。答：120O导通型方式在任一时刻都有不同相的上桥臂和下桥臂各一只IGBT导通，换相是在上桥臂或下桥臂间进行，换流顺序为V36V32、V31 V33、V32 V34、V33V35、V34V36、V35V31 、V36V32,每隔60O产生一次换流。按上述换流顺序，IGBT的导通顺序为V36、V31 V31、V32 V32、V33V33、V34V34、V35V35、V36V36、V31。每个周期中，每个管的导通角各依次为120O。例5-54 三相电压型桥式逆变电路，180O导电方式，Ud=150V，求输出电压的基波幅值UAN1m和有效值UAN1，输出线电压的基波幅值UAB1m和有效值UAB1。答：输出电压的基波幅值UAN1m为 (V) 输出电压的有效值UAN1为： (V) 输出线电压的基波幅值UAB1m为 =165(V) 输出线电压的基波有效值UAB1为 =117(V) 例5-55 单相电压型逆变电路中，电阻性负载和电感性负载对输出电压、电流有何影响？电路结构有哪些变化？答：电阻性负载时，输出电压和输出电流同相位，波形相似，均为正负矩形波。电感性负载时，输出电压为正负矩形波，输出电流近似为正弦波，相位滞后于输出电压，滞后的角度取决于负载中电感的大小。在电路结构上，电感性负载电路，每个开关管必须反向并联续流二级管。例5-56 单相桥式逆变电路中，直流侧电压、电流波形在电阻性负载和电感性负载时有什么特点？答：电阻性负载时，直流侧电压、电流波形均为恒定直流。电感性负载时，直流侧电压波形均为恒定直流。电流波形参阅教材P99中的图6-3（h），在IGBT导通期间，直流侧的电流id由电源流向负载，方向为正。在IGBT的关断期间，即续流二极管的续流期间，直流侧的电流id由负载流向电源，方向为负，因为续流是传递无功能量的表现。例5-57 三相桥式电压型逆变电路，180 导电方式，100V。试求输出相电压的基波幅值和有效值、输出线电压的基波幅值和有效值、输出线电压中5次谐波的有效值。解：输出相电压基波幅值为： 输出相电压基波有效值为： 输出线电压基波幅值为： 输出线电压基波有效值为： 输出线电压中五次谐波的表达方式为： 其有效值为： 例5-58 并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件？答：假设在t时刻触发使其导通，负载电压 就通过施加在 上，使其承受反向电压关断，电流从 向转移，触发时刻t 必须在过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。例5-59 串联二极管式电流型逆变电路中，二极管的作用是什么？试分析换流过程。答：二极管的主要作用，一是为换流电容器充电提供通道。并使换流电容的电压能够得以保持，为晶闸管在关断之后能够承受一定时间的反向电压，确保晶闸管可靠关断，从而确保晶闸管换流成功。以和之间的换流为例，串联二极管式电流型逆变电路的换流过程可简述如下：给施加触发脉冲，由于换流电容电压的作用，使 导通，而 被施以反向电压而关断。直流电流 从 换到上，通过 、U相负载、W相负载、直流电源和放电。因放电电流恒为，故称恒流放电阶段。在电压下降到零之前，一直承受反压，只要反压时间大于晶闸管关断时间，就能保证可靠关断。降到零之后在U相负载电感的作用下，开始对 反向充电。如忽略负载中电阻的压降，则在 0时刻后，二极管受到正向偏置而导通，开始流过电流，两个二极管同时导通，进入二极管换流阶段。随着 充电电压不断增高，充电电流逐渐减小，到某一时刻充电电流减到零，承受反压而关断，二极管换流阶段结束。之后，进入、稳定导通阶段。例5-60 逆变电路多重化的目的是什么？任何实现？有何优点？串联多重和并联多重逆变电路各用于什么场合？答：逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高，二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路的矩形电压波，还是电流型逆变电路输出的矩形电流波，都含有较多谐波，对负载有不利影响，采用多重逆变电路，可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。组合方式有串联多重和并联多重两种方式。串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来，并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。通过多重化结构，可以使输出u0中有选择的消除某些次谐波，增多多重化结构中的逆变器组数，可以消除更多的谐波，同时，还可以增大逆变器的输出功率。串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路的多重化。例5-61图5-17a为串联式逆变器电路，试叙述其工作原理，并画出输出频率不同输出电流