第4章 有源逆变电路
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(完整word版)电力电子技术第五版课后习题答案
电力电子技术第五版课后习题答案第二章 电力电子器件2. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：u AK >0且u GK >0。
3. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。
要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。
4. 图2-27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I 1、I 2、I 3。
002π2π2ππππ4π4π25π4a)b)c)图1-430图2-27 晶闸管导电波形解：a) I d1=π21⎰ππωω4)(sin t td I m =π2m I (122+)≈0.2717 I m I 1=⎰ππωωπ42)()sin (21t d t I m =2m I π2143+≈0.4767 I m b) I d2 =π1⎰ππωω4)(sin t td I m =πm I (122+)≈0.5434 I m I 2 =⎰ππωωπ42)()sin (1t d t I m =22mI π2143+≈0.6741I m c) I d3=π21⎰20)(πωt d I m =41 I m I 3 =⎰202)(21πωπt d I m =21 I m5. 上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶闸管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值I =157A ，由上题计算结果知a) I m1≈4767.0I≈329.35， I d1≈0.2717 I m1≈89.48 b) I m2≈6741.0I≈232.90, I d2≈0.5434 I m2≈126.56 c) I m3=2 I = 314,I d3=41 I m3=78.5第三章 整流电路1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电，L ＝20mH ，U 2＝100V ，求当α＝0︒和60︒时的负载电流I d ，并画出u d 与i d 波形。
第四章有源逆变讲解
• 在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器 相互切换。
2021/4/13
北京交通大学电气工程学院
4-7
有源逆变
5、逆变角 ➢为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆 变角 （或称引前触发角）表示相控角度。 ➢规定： 角计算的起始点为控制角 = 处， 计算方法为：自 = （ = 0 ）的起始点 向左方计量。 ➢ 、 的关系： = － 或 ＋ =
有源逆变
第 4 章 有源逆变与相 控变流器特性
2021/4/13
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4-0
概述
有源逆变
• 什么是逆变？为什么要逆变？
➢ 逆变（invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过 程。
❖ 实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送 到交流电网中去。
➢ 逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
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4-11
本章内容
有源逆变
4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）
4.2 三相有源逆变电路
4.3 有源逆变的应用 4.4 整流电路的谐波和功率因数 4.6 变流电路的功率因数及改善方法
2021/4/13
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4-12
有源逆变
4. 2 三相有源逆变电路
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
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4-7
有源逆变
5、逆变角 ➢为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆 变角 （或称引前触发角）表示相控角度。 ➢规定： 角计算的起始点为控制角 = 处， 计算方法为：自 = （ = 0 ）的起始点 向左方计量。 ➢ 、 的关系： = － 或 ＋ =
有源逆变
第 4 章 有源逆变与相 控变流器特性
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4-0
概述
有源逆变
• 什么是逆变？为什么要逆变？
➢ 逆变（invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过 程。
❖ 实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送 到交流电网中去。
➢ 逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
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本章内容
有源逆变
4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）
4.2 三相有源逆变电路
4.3 有源逆变的应用 4.4 整流电路的谐波和功率因数 4.6 变流电路的功率因数及改善方法
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有源逆变
4. 2 三相有源逆变电路
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
逆变电路
uo 4U d 1 1 sin t sin 3 t sin 5 t L 3 5
基波的幅值Uo1m： U o1m
4U d 1.27U d
2 2U dLeabharlann 基波有效值Uo1： U o1
0.9U d
上述公式对半桥逆变电路同样适用，只是公式中的Ud要换成Ud/2
逆变电路的主要应用 处理各种直流电源：如把蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源变成交 流电源。 交流电机变频调速、不间断电源、感应加热电源等。
2
4.1 换流方式
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明：
P98
P98
S1~S4是桥式逆变电路的4个桥臂。 把直流电变成了交流电的原理： t1～t2期间：S1、S4闭合，S2、S3断开：负载电压uo为正(左正右负) t2～t3期间：S1、S4断开，S2、S3闭合：负载电压uo为负(左负右正) 改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 电阻负载时，负载电流io和负载电压uo的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，负载电流io相位滞后于负载电压uo的相位，两者波形也不同。
14
全桥逆变电路的移相调压方式
P102
前述对称交替驱动180°的全桥电路输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来实现。下面用移相方式调节输 出电压。将V4、V3的驱动信号相对于V1、V2前移，驱动 脉冲宽度仍为180°。 工作过程 ①t1时刻前：V1和V4导通， uo=+Ud ②t1时刻：关断V4，驱动V3。但V3不能立刻导通。因负载电感 中的电流io不能突变，二极管VD3导通与V1构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-V1)，期间uo=0 ③t2时刻：使V1截止，驱动V2，但V2不能立刻导通。因负载电 流io尚未降到零，VD2导通续流， VD2与VD3构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-电源-VD2)。期间uo=-Ud ④当负载电流io过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开 始导通，uo仍为-Ud ⑤t3时刻：关断V3，驱动 V4。但V4不能立刻导通，VD4导通续 流，uo再次为零。
基波的幅值Uo1m： U o1m
4U d 1.27U d
2 2U dLeabharlann 基波有效值Uo1： U o1
0.9U d
上述公式对半桥逆变电路同样适用，只是公式中的Ud要换成Ud/2
逆变电路的主要应用 处理各种直流电源：如把蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源变成交 流电源。 交流电机变频调速、不间断电源、感应加热电源等。
2
4.1 换流方式
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明：
P98
P98
S1~S4是桥式逆变电路的4个桥臂。 把直流电变成了交流电的原理： t1～t2期间：S1、S4闭合，S2、S3断开：负载电压uo为正(左正右负) t2～t3期间：S1、S4断开，S2、S3闭合：负载电压uo为负(左负右正) 改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 电阻负载时，负载电流io和负载电压uo的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，负载电流io相位滞后于负载电压uo的相位，两者波形也不同。
14
全桥逆变电路的移相调压方式
P102
前述对称交替驱动180°的全桥电路输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来实现。下面用移相方式调节输 出电压。将V4、V3的驱动信号相对于V1、V2前移，驱动 脉冲宽度仍为180°。 工作过程 ①t1时刻前：V1和V4导通， uo=+Ud ②t1时刻：关断V4，驱动V3。但V3不能立刻导通。因负载电感 中的电流io不能突变，二极管VD3导通与V1构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-V1)，期间uo=0 ③t2时刻：使V1截止，驱动V2，但V2不能立刻导通。因负载电 流io尚未降到零，VD2导通续流， VD2与VD3构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-电源-VD2)。期间uo=-Ud ④当负载电流io过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开 始导通，uo仍为-Ud ⑤t3时刻：关断V3，驱动 V4。但V4不能立刻导通，VD4导通续 流，uo再次为零。
有源逆变电路
b 4
b 3
b 2
b 1
b 增大方向
5-31
2.8.3 直流可逆电力拖动系统
三相半波有环流接线
三相全控桥无环流接线
精选2021版课件 5-32
三相全控桥无环流接线 第一象限，电动机正转
精选2021版课件 5-33
三相全控桥无环流接线 第一象限，增大触发角，输出电压减小，电
流减小，电抗器放电，继续增大触发角，大于 90度处于逆变状态，此时反组的逆变角要小于 90度
ib
ic
器，保证整流电
流在较大范围内
O
连续，如图2-48。
精选2021版课件
UEd
wt
wt
5-24
1) 电流连续时电动机的机械特性
a EM Cen E M 1 .1U 2 7 co - R s Id- U
n1.1U 72coas-RIdUn
Ce
Ce
其机械特性是一组平 行的直线，其斜率由 于内阻不一定相同而 稍有差异。
这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程 由逻辑单元控制，称为逻辑控制无环流系统。
精选2021版课件 5-40
2.7 整流电路的有源逆变工作状态
2.7.1 逆变的概念 2.7.2 三相桥整流电路的有源逆变工作状态 2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
精选2021版课件 5-1
2.7.1 逆变的概念
1) 什么是逆变？为什么要逆变？
逆变（Invertion）——把直流电转变成交流电，整 流的逆过程。 逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
精选2021版课件 5-39
➢ 逻辑无环流可逆系统 • 工程上使用较广泛，不需设置环流电抗器。 • 只有一组桥投入工作（另一组关断），两组桥之 间不存在环流。 • 两组桥之间的切换过程： 首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理使 主回路电流变为零，使原导通晶闸管恢复阻断能 力。
电力电子技术-第4章逆变电路讲解
（4）直流侧电感起到缓冲无功能量的作用。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
第四章 有源逆变电路
逆变状态和整流状态的区别：控制角 a 不同 0<a < /2 时，电路工作在整流状态
/2< a < 时，电路工作在逆变状态
第二节
三相有源逆变电路
2.逆变角的概念：
为实现逆变，需一反向的EM ，而Ud因a﹥π/2已自动变为负值，满足逆 变条件。因而可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等 各项问题。 把 a >π /2时的控制角用π - a =β 表示，β称为逆变角。 整流状态：α＜π/2， 相应的β＞π/2；
第三节
结论：
逆变失败与最小逆变角的限制
1.β不能等于零。
2.β不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。
第三节
逆变失败与最小逆变角的限制
二、 确定最小逆变角βmin的依据
有源逆变时允许采用的最小逆变角 应等于
min=d +g+q′
d ——晶闸管的关断时间tq折合的电角度
tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5。
极流入，该电源吸收电能。电源输出或吸收功率的大小由电势与电流
的乘积来决定。 （ EG ﹥ EM,整流； EG ﹤ EM ：逆变 ） (3) 两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间 的短路， 应当避免发生这种情况。
第一节 逆变的概念
三、 有源逆变产生的条件
改变EM的极性； Ud极性也必须相反。 怎样使Ud方向相反？
有源逆变电路的控制电路在设计时，应充分考虑变压器漏电 感对晶闸管换流的影响以及晶闸管由导通到关断存在着关断
时间的影响，否则会由于逆变角β 太小造成换流失败，导致
逆变颠覆的发生。 以共阴极三相半波电路为例， 分析由于β 太小而对逆变电 路产生的影响。
电力电子技术第4章 晶闸管有源逆变电路
17
第三节
三相桥式逆变电路
三相桥式逆变电路必须采用三相全控桥。其主 电路的结构与三相全控桥式整流电路完全相同，它 相当于共阴极三相半波与共阳极三相半波逆变电路 的串联，其逆变工作原理的分析方法与三相半波逆 变电路基本相同。因其变压器不存在直流磁势，利 用率高；而且输出电压脉动较小，主回路所需电抗 器的电感量较三相半波小，故应用较广泛。
24
二、晶闸管出现故障 如果晶闸管参数选择不当，例如额定电压选择 裕量不足；或者晶闸管质量本身的问题，使晶闸管 在应该阻断的时候丧失了阻断能力，而应该导通的 时候却无法导通。读者不难从有关波形图上进行分 析，从而将会发现，由于晶闸管出现故障，也将导 致电路的逆变失败．
25
三、交流电源出现异常 从逆变电路电流公式 可看出当电路在有源逆变状态下，如果交流电 源突然断电，或者电源电压过低，上述公式中的 Ud 都将为零或减小，从而使电流 Id 增大以至发生 电路逆变失败
21
输出电流的有效值为 晶闸管流过电流平均值为 晶闸管流过电流有效值为
22
第四节
逆变失败原因分析及逆变角的限制
电路在逆变状态运行时，如果出现晶闸管换流 失败，则变流器输出电压与直流电压将顺向串联并 相互加强，由于回路电阻很小，必将产生很大的短 路电流，以致可能将晶闸管和变压器烧毁，上述事 故称之为逆变失败，或叫做逆变颠覆。 造成逆变失败的原因很多，大致可归纳为下列 几个方面：
18
一、逆变工作原理及波形分析 三相桥式逆变电路结构如图 4.6（a）所示。 如果变流器输出电压 Ud 与直流电机电势 ED的极 性如图所标示（均为上负下正），当电势 ED 略大 于平均电压 Ud，则回路中产生电流 Id 为
19
图 4.6 三相桥式有源逆变电路
第三节
三相桥式逆变电路
三相桥式逆变电路必须采用三相全控桥。其主 电路的结构与三相全控桥式整流电路完全相同，它 相当于共阴极三相半波与共阳极三相半波逆变电路 的串联，其逆变工作原理的分析方法与三相半波逆 变电路基本相同。因其变压器不存在直流磁势，利 用率高；而且输出电压脉动较小，主回路所需电抗 器的电感量较三相半波小，故应用较广泛。
24
二、晶闸管出现故障 如果晶闸管参数选择不当，例如额定电压选择 裕量不足；或者晶闸管质量本身的问题，使晶闸管 在应该阻断的时候丧失了阻断能力，而应该导通的 时候却无法导通。读者不难从有关波形图上进行分 析，从而将会发现，由于晶闸管出现故障，也将导 致电路的逆变失败．
25
三、交流电源出现异常 从逆变电路电流公式 可看出当电路在有源逆变状态下，如果交流电 源突然断电，或者电源电压过低，上述公式中的 Ud 都将为零或减小，从而使电流 Id 增大以至发生 电路逆变失败
21
输出电流的有效值为 晶闸管流过电流平均值为 晶闸管流过电流有效值为
22
第四节
逆变失败原因分析及逆变角的限制
电路在逆变状态运行时，如果出现晶闸管换流 失败，则变流器输出电压与直流电压将顺向串联并 相互加强，由于回路电阻很小，必将产生很大的短 路电流，以致可能将晶闸管和变压器烧毁，上述事 故称之为逆变失败，或叫做逆变颠覆。 造成逆变失败的原因很多，大致可归纳为下列 几个方面：
18
一、逆变工作原理及波形分析 三相桥式逆变电路结构如图 4.6（a）所示。 如果变流器输出电压 Ud 与直流电机电势 ED的极 性如图所标示（均为上负下正），当电势 ED 略大 于平均电压 Ud，则回路中产生电流 Id 为
19
图 4.6 三相桥式有源逆变电路
第四章：有源逆变
（2）保护措施：装快速熔断器或快速开关；
2020/4/10
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4-25
有源逆变
4、确定最小逆变角 min 的依据
（1）最小逆变角 min = + +
: SCR的关断时间 tq 折合的电角度， 叫恢复阻断角， = tq
: 换相重叠角（约为15~20 ）
: 安全裕量角（一般取10 ）
有源逆变
cos ()cos2xBId
6U2
• 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和 有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计 算原则进行 。
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4-16
有源逆变
二、三相桥式全控有源逆变电路
1、变流器工作于逆变状态（ 2 ）
Ud 0 , E 0 Ud E
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
u20
u10
O
id
id = iV T1+ iV T2
iV T2
iV T1
iV T2
O
t Ud<EM
Id t
电 动 机 输
a)单相全波电路的整流和逆变b)
出
图2-45
电
间图图只值，a能，b逆UMd改且U为电变Md变|可E回正动时ME通馈M|值运>极制过|U，性行在动改d。|并，，，变为π由才且全/了于能2U来波防晶d把～止>进电闸电Eπ两管能行M路之，电的从调工间动才单直节势作。向能流顺，导侧在输向电送逆整出串性到变流联I，交d状，。状I流dU方态侧态d极向,时实，性不现U也变d逆为必，变在负须欲。0反改值～过变，来电π，能/2即的之U输d功率送应方为向负，
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4-25
有源逆变
4、确定最小逆变角 min 的依据
（1）最小逆变角 min = + +
: SCR的关断时间 tq 折合的电角度， 叫恢复阻断角， = tq
: 换相重叠角（约为15~20 ）
: 安全裕量角（一般取10 ）
有源逆变
cos ()cos2xBId
6U2
• 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和 有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计 算原则进行 。
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4-16
有源逆变
二、三相桥式全控有源逆变电路
1、变流器工作于逆变状态（ 2 ）
Ud 0 , E 0 Ud E
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
u20
u10
O
id
id = iV T1+ iV T2
iV T2
iV T1
iV T2
O
t Ud<EM
Id t
电 动 机 输
a)单相全波电路的整流和逆变b)
出
图2-45
电
间图图只值，a能，b逆UMd改且U为电变Md变|可E回正动时ME通馈M|值运>极制过|U，性行在动改d。|并，，，变为π由才且全/了于能2U来波防晶d把～止>进电闸电Eπ两管能行M路之，电的从调工间动才单直节势作。向能流顺，导侧在输向电送逆整出串性到变流联I，交d状，。状I流dU方态侧态d极向,时实，性不现U也变d逆为必，变在负须欲。0反改值～过变，来电π，能/2即的之U输d功率送应方为向负，
电力电子技术——有源逆变电路
当=60，Id=0时，设对应的反电动势为 E0 ，
其值为
E0 Ud 1.17U2 cos60 0.585U2
非线性特性
图4-10 电流断续时电动势的特性曲线
Goback
❖实际上，当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变 为断续，真正的理想空载点远大于此值，因为
此时晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 2U2 。
❖考虑直流等效回路，左侧电源为脉动直流电压
ud波形，最大瞬时值为 2U 2 ，并且由于整流器
件的单向导电性，回路电流Id的方向是固定的，
只有当反电动势EM等于脉动直流电压ud的最大
峰值时，电流才能完全等于零，否则，只要EM
比ud的最大峰值略小一点，就总是存在断断续
续的电流脉冲。因此 2U2 才是实际的理想空载
no Ke
Goback
2. 电流断续时电动机的机械特性 • 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动
机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减 小，致使电流不再连续，此时电动机的机械特 性也就呈现出非线性。
• 电流断续时电动机机械特性的第一个特点: 当 电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。
❖由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，
变化很小也可引起很大的转速变化。
❖ 设整流控制角一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管 的导通角 120 ，此时ud波形将发生一定的变化，水 平直线E以下的部分作用时间将比电流连续时缩短，负 面积减小，平均面积Ud比电流连续时的计算值升高， 在电流连续的条件下得出的Ud计算公式不再适用。
整流波形
图4-11 考虑电流断续时不同时反电动势的特性曲线
➢整流输出电压ud是脉动的，可分为两部分：直 流分量Ud，和交流分量。交流电流分量的大小 主要取决于直流侧的回路电感，特别是平波电
其值为
E0 Ud 1.17U2 cos60 0.585U2
非线性特性
图4-10 电流断续时电动势的特性曲线
Goback
❖实际上，当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变 为断续，真正的理想空载点远大于此值，因为
此时晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 2U2 。
❖考虑直流等效回路，左侧电源为脉动直流电压
ud波形，最大瞬时值为 2U 2 ，并且由于整流器
件的单向导电性，回路电流Id的方向是固定的，
只有当反电动势EM等于脉动直流电压ud的最大
峰值时，电流才能完全等于零，否则，只要EM
比ud的最大峰值略小一点，就总是存在断断续
续的电流脉冲。因此 2U2 才是实际的理想空载
no Ke
Goback
2. 电流断续时电动机的机械特性 • 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动
机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减 小，致使电流不再连续，此时电动机的机械特 性也就呈现出非线性。
• 电流断续时电动机机械特性的第一个特点: 当 电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。
❖由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，
变化很小也可引起很大的转速变化。
❖ 设整流控制角一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管 的导通角 120 ，此时ud波形将发生一定的变化，水 平直线E以下的部分作用时间将比电流连续时缩短，负 面积减小，平均面积Ud比电流连续时的计算值升高， 在电流连续的条件下得出的Ud计算公式不再适用。
整流波形
图4-11 考虑电流断续时不同时反电动势的特性曲线
➢整流输出电压ud是脉动的，可分为两部分：直 流分量Ud，和交流分量。交流电流分量的大小 主要取决于直流侧的回路电感，特别是平波电
第四章 有源逆变
二、有源逆变的工作原理 在有源逆变时，晶闸管在交流电源的负半周导通 的时间较长，即输出电压Ud波形负面积大于正面积， U d ，直流平均功率的传递方向 0 电压的平均值 是由电动机反送到交流电源。 当工作在整流状态时，为正面积大于负面积，平 均电压 U d 0 ，直流的平均功率的传递方向是交流 电源经变流装置送往直流负载。 因此，对于同一套变流装置，当 90 时，工作 90 90 在整流状态，当 时，工作在逆变状态，当 时， 输出电压平均值为0，电流平均值也为0，交直流两 侧没有能量交换。
（一）两电源间功率的传递 整流和有源逆变的根本区别就是表现在 能量传送方向上的不同，因此，我们在分析 有源逆变电路的工作原理时，正确把握电源 间能量的传递关系至关重要。
R E1 I a E2 E1 R I b E2 E1 R I c E2
结论： （1）电流从电源的正极端流出为输出功率，电流 从电源的正极端流入为吸收功率，其输出或吸收功 率的大小则由电势与电流乘积决定。若其中一个方 向发生改变，则功率的传送方向也随之改变 （2）两电源同极性相接，电流总是从电势高的电 源流向电势低的电源，电流大小则取决于两电势之 差和回路电阻。若回路电阻很小，则很小的电势差， 也足以产生很大的电流，使两电源间交换很大的功 率。 （3）两电源反极性相接时，电势数值相加。若回 路的总电阻很小，则形成短路，应当避免发生这种 情况。
第四章 有源逆变
一、有源逆变的工作原理
整流：交流电 整流器 直流电 用电器 逆变：直流电 逆变器 交流电 用电器 有源逆变：直流电 逆变器 交流电 交流电网， 即将直流电变成和电网同频率的交流电并送到交流 电网去的过程。 无源逆变：直流电 逆变器 交流电（频率可调） 用电器，即将直流电变换成某一频率或频率可调的 交流电直接供给负载使用。
电力电子技术4章 逆变电路
u WN'
c)
O
u UV
Ud
d)
O
t t
负载相电压
uUN uUN' uNN'
uVN uVN'
uNN'
uWN uWN' uNN '
图4-10电压型三相桥式逆 变电路的电压工作波形
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4.1.2 换流方式分类
换流方式总结：
器 件 换 流 —— 适 用 于 全 控 型 器 件 （ IGBT 、 MOSFET等）。
其余三种方式——针对晶闸管（SCR）。
器件换流和强迫换流——属于自换流（器件、 变流器自身）。
电网换流和负载换流——属于外部换流(电网、 负载电压)。
当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而
Automation
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15/53
优缺点：
结构简单，使用器件较少。
输出交流电压的幅值 Um=±Ud/2。 ，且直流侧需 要两个电容器并联，工作时需 要考虑两个电容电压的均衡， 因而仅使用于小功率逆变电路。
与全桥电路的比较：
比全桥电路少用一半开关器件。
器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。 必须有一个变压器 。
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4.2.2 三相电压型逆变电路
三个单相半桥单元逆变电路可组合成一个三 相逆变电路 应用最广的是三相桥式逆变电路
华南理工2018-电力电子技术-随堂练习
第二章单相整流电路5.(单项选择题) 单相桥式全控整流电路输出直流电压的最大平均值等于整流前交流电压的〔〕倍。
A. 1，B. 0.5，C. 0.45，D. 0.9.参考答案：D6.(单项选择题) 为了让晶闸管可控整流电感性负载电路正常工作，应在电路中接入〔〕。
A. 三极管，B. 续流二极管，C. 保险丝,D. 开关管。
参考答案：B7.(单项选择题) 普通的单相半控桥式整流装置中一共用了〔〕晶闸管。
A. 一只，B. 二只，C. 三只，D. 四只。
参考答案：A8.(单项选择题) α为( )度时，三相半波可控整流电路，电阻性负载输出的电压波形，处于连续和断续的临界状态。
A. 0度B. 60度C. 30度D. 120度参考答案：C9.(单项选择题) 三相半波可控整流电路的自然换相点是( B )A. 交流相电压的过零点；B. 本相相电压与相邻相电压正、负半周的交点处；C. 比三相不控整流电路的自然换相点超前30°；D. 比三相不控整流电路的自然换相点滞后60°。
参考答案：B10.(单项选择题) α为( )度时，三相桥式全控整流电路，带电阻性负载，输出电压波形处于连续和断续的临界状态。
A. 0度B. 60度C. 30度D. 120度参考答案：B11.(单项选择题) 可实现有源逆变的电路为( ) 。
A、三相半波可控整流电路，B、三相半控桥整流桥电路，C、单相全控桥接续流二极管电路，D、单相半控桥整流电路。
参考答案：A12.(单项选择题) 一般可逆电路中的βmin选( ) 合理。
A、30º-35º，B、10º-25º，C、0º-10º，D、0º。
参考答案：A13.(单项选择题) 在有源逆变电路中，逆变角β的移相范围应选( ) 为最好。
A、β=90º∽180º，B、β=35º∽90º，C、β=0º∽90º，D、β=0º∽180º，参考答案：B14.(单项选择题) 电容滤波的单相不可控整流电路中，电阻负载的电阻值越小，输出电压平均值越接近( ) ，为输入电压有效值。
详细逆变电路原理分析
图4.3.2(e)所示是RL负载时直流电源输 入电流的波形。图4.3.2(f)所示是RL负载时 直流电源输入电流的波形。
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图
4.3.3
1、工作过程：
电压型三相桥式逆变电路
电压型三相桥式逆变电路的基 本工作方式为180°导电型，即每个 桥臂的导电角为180°，同一相上下 桥臂交替导电的纵向换流方式，各 相开始导电的时间依次相差120°。 在一个周期内，6个开关管触 发导通的次序为T1→T2 →T3 →T4 →T5→T6 ，依次相隔60°，任一时 刻均有三个管子同时导通，导通的 组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5， T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合 工作60°。
UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply）， 即不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机 逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。主要用于给单台计算机、计 算机网络系统或其它电力电子设备提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正 常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压 器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时， UPS 立即将电池 的直流电能，通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载 维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS 设备通常对电压过大和电压 太低都提供保护。
缺点：
1）交流电压幅值仅为Ud/2； 2）直流侧需分压电容器； 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要 接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输 出电压中的高次谐波。 应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图
4.3.3
1、工作过程：
电压型三相桥式逆变电路
电压型三相桥式逆变电路的基 本工作方式为180°导电型，即每个 桥臂的导电角为180°，同一相上下 桥臂交替导电的纵向换流方式，各 相开始导电的时间依次相差120°。 在一个周期内，6个开关管触 发导通的次序为T1→T2 →T3 →T4 →T5→T6 ，依次相隔60°，任一时 刻均有三个管子同时导通，导通的 组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5， T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合 工作60°。
UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply）， 即不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机 逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。主要用于给单台计算机、计 算机网络系统或其它电力电子设备提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正 常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压 器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时， UPS 立即将电池 的直流电能，通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载 维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS 设备通常对电压过大和电压 太低都提供保护。
缺点：
1）交流电压幅值仅为Ud/2； 2）直流侧需分压电容器； 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要 接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输 出电压中的高次谐波。 应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；
电力电子技术_王兆安第五版_第4章
➢ 输出相电流波形和负载性质无关，为正负各120° 的矩形波，线电流为阶梯波。
➢ 输出线电压波形和负载性质有关，若有电感，因 电感的作用，每次换相时会产生电压冲击。
（2）串联二极管式晶闸管逆变电路
（串联二极管式晶 闸管逆变电路）
①主要用于中大功率交 流电动机调速系统。 ②电流型三相桥式逆 变电路，输出波形与 全控型器件时一样。
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并电抗个采电限C应谐联压，桥和用压制称振谐波谐臂L负（晶之式振形波、，载呈闸为逆回接在R每换容管容变构路近负桥相性开性电成对正载臂方）通小路并基弦上晶式。时失（联波波产闸，的谐但谐呈。生管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
③各桥臂的晶闸管和 二极管串联使用。
④ 120°导电工作方式
⑤强迫换流方式，电 容C1~C6为换流电容。
重点分析：换流过程（因电容C，强迫换流）
➢电容器充电规律：对共阳极 晶闸管，它与导通晶闸管相 连一端极性为正，另一端为 负，不与导通晶闸管相连的 电容器电压为零
➢等效换流电容概念：分析从 VT1向VT3换流时，C13就是 C3与C5串联后再与C1并联的 等效电容.
※两个重要参数：
触发引前时间 :
t=t+ tb io超前于uo的 时间 :
t = t / 2 + tb
即为功率因数角。
4.3.2 三相电流型逆变电路（桥式）
（1）采用全控型器件GTO
基本工作方式是1200导电方式：每个臂一周期内 导电1200，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通， 为横向换流。
三相电流型逆变输出特性（全控型器件）：
➢ 输出线电压波形和负载性质有关，若有电感，因 电感的作用，每次换相时会产生电压冲击。
（2）串联二极管式晶闸管逆变电路
（串联二极管式晶 闸管逆变电路）
①主要用于中大功率交 流电动机调速系统。 ②电流型三相桥式逆 变电路，输出波形与 全控型器件时一样。
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并电抗个采电限C应谐联压，桥和用压制称振谐波谐臂L负（晶之式振形波、，载呈闸为逆回接在R每换容管容变构路近负桥相性开性电成对正载臂方）通小路并基弦上晶式。时失（联波波产闸，的谐但谐呈。生管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
③各桥臂的晶闸管和 二极管串联使用。
④ 120°导电工作方式
⑤强迫换流方式，电 容C1~C6为换流电容。
重点分析：换流过程（因电容C，强迫换流）
➢电容器充电规律：对共阳极 晶闸管，它与导通晶闸管相 连一端极性为正，另一端为 负，不与导通晶闸管相连的 电容器电压为零
➢等效换流电容概念：分析从 VT1向VT3换流时，C13就是 C3与C5串联后再与C1并联的 等效电容.
※两个重要参数：
触发引前时间 :
t=t+ tb io超前于uo的 时间 :
t = t / 2 + tb
即为功率因数角。
4.3.2 三相电流型逆变电路（桥式）
（1）采用全控型器件GTO
基本工作方式是1200导电方式：每个臂一周期内 导电1200，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通， 为横向换流。
三相电流型逆变输出特性（全控型器件）：
第4章 逆变电路
本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在 本章集中讲述。
1-10
4.1.2 换流方式分类
1) 器件换流（Device Commutation） （ ）
利用全控型器件的自关断能力进行换流。 在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器 件的电路中的换流方式是器件换流。
2) 电网换流（Line Commutation） （ ）
uo io O
uo a)
io i O i O uVT O iVT iVT
1 4
?t
iVT
2
iVT
3
?t ?t ?t
t1
uVT
1
uVT b)
4
图4-2 负载换流 电路及其工作波形
1-12
4.1.2 换流方式分类
4)强迫换流（Forced Commutation） （ ）
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫 施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流 强迫换流。 强迫换流 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因 电容换流。 此也称为电容换流 电容换流 分类 由换流电路内电容 直接提供换流电压 通过换流电路内的 电容和电感的耦合 来提供换流电压或 换流电流 直接耦合式 强迫换流 电感耦合式 强迫换流
电容器串联，要控制两者电压均衡。
应用： 应用
用于几kW以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电 路的组合。
1-20
4.3 电流型逆变电路
直流电源为电流源的逆 变电路称为电流型逆变 电流型逆变 电路。 电路 电流型逆变电路主要特点 特
(1) 直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。 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。 图4-11 电流型三相桥式逆变电路 (2) 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位
第4章有源逆变电路和PWM整流电路
整流输出电压/电流的计算：
•
3 B I d 3 B I d U d 1.17U 2 cos a 1.17U 2 cos a 2 2
（4-3）
Id=（Ud-E)/R
（4-4）
------Ud为负值 Id为正值（注意代入公式时E为负值）
2.三相全控桥式整流电路
u2 ua ub uc ua ub uc ua ub uc ua ub
2、单相PWM整流器模型及原理分析
PWM整流器的模型电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组 成。其中，交流回路包括交流电动势e以及网侧电感L等；直流回路包括负 载电阻RL及负载电动势eL等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组 成。 不计功率开关管桥路的损耗时，由交、直流侧的功率平衡关系得：
O
wt = = 4
ucb uab uac ub c ub a uca
3
= 6
ucb uab uac ub c ub a uca ucb uab uac ub c
ud uab uac ub c ub a uca
w t1 w t2 w t3
O
wt
=
3
= 4
= 6
3. 逆变产生的条件
1 0 u10 u20 VT2 2 ud iVT u20
2
VT1 iVT
1
L ud ç Ä µ Ü id R + M EM ud Ud>EM u10
1 0
VT1 iVT VT2
1
L ud ç Ä µ Ü iVT
2
id
R M EM +
2 u20
a
u10
u10
u10
O id=iVT +iVT
第四章有源逆变
uc ua 0
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
ωt
α=π/3
α=π/2 β=π/2
α=5π/6
β β=π/6
uT1
(a) uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba
Ud E E Ud Id R R
4–7
有源逆变
四、实现有源逆变的条件
• 有一个直流电源，极性为上 “ ” 下
“ + ”； • 变流器的 2 ，即 Ud 0 • Ud E E 约等于 Ud • 半控电路或具有续流二极管的电路，不能实 现有源逆变，因为： – 不能输出负电压 – E的极性不能为上 “ ” 下 “ + ”；
有源逆变
逆变失败的原因（续）
• 晶闸管发生故障（见左图） • 换相的裕量角不足（见右图） • 交流电源发生异常现象
ud 0 (c) ug 0 ug3 ug1 u g2 u g3 ua ub
ωt 1
uc
ud
ua
ub
uc
ωt
(d)
0
P
ωt
γ
ug
ug3
ug1
u g2
u g3
ωt
0
ωt
4 – 18
有源逆变
(b) 0
θ
R'
ωt
xB
Ld
(c)
ug
ug3 0
γ β
ug5 ug1 ug3
ωt
M E
(d)
《电力电子技术》习题
《电力电子技术》习题第1章 电力电子器件1.1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定? 答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。
导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压U A 决定。
1.2晶闸管的关断条件是什么? 如何实现? 晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流I A 减小，I A 下降到维持电流I H 以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。
进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压U A 决定。
1.3晶闸管的非正常导通方式有哪几种？答：非正常导通方式有：(1) I g =0，阳极电压升高至相当高的数值；(1) 阳极电压上升率du/dt 过高；(3) 结温过高。
1.4请简述晶闸管的关断时间定义。
答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。
即gr rr q t t t +=。
1.5试说明晶闸管有哪些派生器件？答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。
1.6请简述光控晶闸管的有关特征。
答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。
主要用于高压大功率场合。
1.7型号为KP100-3，维持电流I H =4mA 的晶闸管，使用在图题1.7所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)图题1.7答：（a ）因为H A I mA K V I <=Ω=250100，所以不合理。
(b)A V I A 2010200=Ω=, KP100的电流额定值为100Ａ，裕量达５倍，太大了。
（c ）A V I A 1501150=Ω=，大于额定值，所以不合理。
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图4-2 全波电路的整流和逆变
（a）α=45°；β=45°
因Ra阻值很小，其电压也很小，因此Ud≈E。电流Id从Ud 的正端流出，从电动机反电动势E的正端流人，故由交流电源经 变流器输出电功率，直流电动机吸收电功率并将其转换为轴上的 机械功率以提升重物。如在提升运行中突然使晶闸管的控制角α 减小，则Ud增大，瞬时引起电流Id增大，电动机产生的电磁转矩 也增大，因电动机轴上重物产生的阻转矩不变，所以电动机转速 升高，提升加快。随着转速的升高，电动机的反电动势E=Ceφn 也增大，使Id恢复到原来的数值，此时电动机稳定运行在较高转 速。反之α增大，电动机转速减小所以改变晶闸管的控制角.可 以很方便地对电动机进行无级调速，从而改变提升的速度。 • 当α增大到某值如α3值，如图4一3所示，如此时电动机转矩 M1恰好与负载转矩相等，则电动机稳定在n=0处a点。如图4一3中 曲线①，这相当干整流器供电给电阻和电感，仍运行在整流状态。 如α再增大到90°，如图4-3中曲线②，则电动机转矩小于负载 转矩，于是在重物作用下电动机反转，E改变方向，E使Id增加， 最后稳定在b点，此时电动机运行在能耗制动状态，向整流器输 出的平均功率为零。
图4-6 有源逆变环流失败波形
• 二、最小逆变角的确定及限制 • 根据上述各种逆变失败原因的分析，可以总结出这样一条规 律:为了保证逆变能正常工作，除了选用可靠的触发器不丢失脉 冲外，同时对触发脉冲的最小逆变角β min，必须要有严格的限 制。 • 〔一)最小逆变角β min的确定 • 要保证在电压换相点之前完成换相，触发脉冲必须有超前的 电角度，即最小逆变角β min 应根据下面的因素来考虑。
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公式与整流时一样。由于逆变运行时α>90°，cosα计算不 太方便，于是引入逆变角β，令α=π-β，用电度表表示时为 α=180°-β，所以
• 逆变角β时的触发脉冲位置可从α=π（180°）时刻前移（左移） β角来确定。
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通过上面的分析，可以总结有源逆变的工作原理为以下两点： • (1)在有源逆变时，一周期内晶闸管导通的时间中，直流侧负电 压的时间长，即电压波形负面积大于正面积(Ud<0)，所以直流平 均功率的传递方向是由电动机返送到交流电源;而整流时则相反， 为正面积大于负面积(Ud>0)，直流平均功率的传递方向是交流电 源经变流器送到直流负载。所以同一套变流装置当α<90° (β>90°)时可工作在整流状态;当 β<90°(α>90°)时工作于 逆变状态，当β=α=90°时，交直流侧无直流能量交换(交流能 量还有交换)。与整流时一样，为了保持逆Leabharlann 电流连续，逆变电 路都串接大电抗。
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第二节
三相有源逆变电路
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单相全控桥式电路工作在有源逆变的工作情况与单相全波时基本情况 相同，而在实际生产中最为常见的有源逆变电路有三相半波与三相全控桥有 源逆变电路。 • 一、 三相半波有源逆变电路 • 图4-4（a）所示为三相半波有源逆变主电路图，电动机电动势E的极性具 备有源逆变的条件，当β <90°， 时，可以实现有源逆变。变流器直 流侧电压计算公式为
• （2）实现有源逆变的条件有以下两个: • 1）直流侧必须外接与直流电流Id同方向的直流E，其数值要稍大 于Ud，才能提供逆变能量。 • 2)变流器必须工作在β<90°(α>90°)区域，使Ud<0，才能把直 流功率逆变为交流功率返送电网。 • 以上两个条件，缺一不可。由于半控桥式晶闸管电路或有续流二 极管的电路，不可能输出负电压，也不允许直流接上反极性的直 流电源，故不能实现有源逆变。
第四章 有源逆变电路
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在实际应用中，有些场合需要将交流电变为直流电，这 就是前面研究的整流电路，即:交流电——整流器——直流电— —用电器，这个过程称为整流。 • 而有些场合则需要将直流电变成交流电，即:直流电—— 逆 变器——交流电——用电器(电网)。这个过程称为逆变。 • 在一定条件下，一套晶闸管电路既可作整流也可作逆变，这 种装置称为变流装置或变流器。
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二、三相全控桥有源逆变电路 • 三相全控桥逆变电路工作与整流时一样，要求每隔60°依次 触发管子导通120°，触发脉冲必须是窄双脉冲或宽脉冲，
• 第三节逆变失败与最小逆变角的限制
• 一．逆变失败的原因（逆变失败也称为逆变颠覆） • 1、晶闸管工作在有源逆变状态时，当发生晶闸管损坏、 触发脉冲丢失或快熔烧断时，就会出现逆变失败。 • 2、一种经常导致逆变失败的原因是逆变电路工作时逆变 角β 太小·由于整流变压器存在漏抗因而存在换相重叠角γ ，当 β <γ 时，如图4一6中的放大部分所示，正常工作时在ω t1时刻 触发VT2管VT 1关断，VT2导通，完成VT1到VT2的换相。由于β 角 太小，在过ω t2时刻(对应β =0°)换流还未结束，此时U相电压 uU已大于V相电压uV，使VT1管仍承受正压而继续导通，VT2管导 通短时间后又受反压关断，相当于Ug2脉冲丢失，而造成逆变失 败。
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图4-3 整流逆变时的机械特性
(二)重物下放，变流器工作于逆变状态 • 为了使重物能匀速下降，直流电动机必须作发电制动运行。 在直流发电机电动机系统中，由于电流的流向不受限制，所以功 率反方向传递十分方便。但对于晶闸管电路，由于元件具有单向 导电性，电流方向不能改变。因此要改变功率的传递方向，只有 改变电压的极性。由于重物由提升改变为下放，电动机的转速与 电动势E已变为上负下正。为了不使E与Ud顺向串联形成短路，变 流器直流侧电压Ua也必须反过来，变成上负下正 • 为什么在这种情况下变流器直流侧Ua会变为负值呢?原来在可 控整流时，电流Id只能由直流电压Ud产生，ud的波形必须正面积 大于负面积，才能使平均电压Ud大于0，产生Id现在的情况与整 流不同，在变流器直流侧存在与 同方向的电动势E，当控制角α 增大到大于90°时，尽管品闸管的阳极电位处于交流电压大部分 为负半周的时刻，但由于E的作用，晶闸管仍能承受正压而导通。 因此，只要E在数值上大于Ud.变流器在触发脉冲作用下，晶闸管 仍能轮流导通180°，维持Id流通。波形如图4一2 (b)所示，ud 波形由于负面积大于正面积，平均电压Ud小于0。这种状态，在 Ud与E在规定正方向不变时.直流电流为
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• 逆变电路又分为有源逆变与无源逆变电路。 • 有源逆变过程：直流电——逆变器——交流电——交流电网，这 种将直流电变成和电网同频率的交流电并返送到交流电网去的过 程称为有源逆变。 • 无源逆变过程为:直流电——逆变器——交流电（频率可调）— —用电器，这种将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电直 接供给负载应用的过程称为无源逆变。 • 有源逆变在生产上应用很多，如直流电动机的可逆调速、绕 线转子型异步电动机的串级调速、高压直流输电等。本章主要研 究有源逆变。
• 第一节 有源逆变电路
• 一、直流发电机一电动机系统功率的传递
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图4一1所示为直流发电机——电动机系统。电机励磁回路均 未画出，控制发电机G电动势的大小与方向可实现直流电动机M的 四象限的运行。
图4-1 直流发电机-电动机的功率传递
• 由上面的讨论，可归纳出如下几点: • (1)两个电源同极性相连时，电流从电动势高的电源正极流 向电动势低的电源正极，电流大小由两个电动势之差与回路的总 电阻决定。如果回路电阻很小，那么很小的电动势差也可以产生 足够大的电流，使两个电源之间交换很大的功率。 • (2)电流从电源的正端流出，则该电源输出功率;从电源的正 端流入，则该电源吸收功率。 • (3)两个电源反极性相连时，回路电流由两电动势之和与回 路的总电阻决定，这时两个电源都输出功率，功率消耗在电阻上， 如电阻很小，电流很大，相当于短路。
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• 由于Ud与E的实际方向与规定的正方向相反，故
• E是产生Id的电动势，而Ud却起着反电动势的作用，功率传递关 系是：电动机由重物下降带动，发出直流电功率，变流器将直流 电功率逆变为50Hz交流电反送到电网，这就是有源逆变工作状态。 • 由于逆变时电流Id方向未变(也不可能变)，电动机产生的电 磁转矩的方向也不变，但电动机转向反了，所以电磁转矩变成制 动转矩，防止重物下落加速。当卷扬机下放重物时。 • 可调节α到大于90°的某值，同时电磁抱闸通电松开，这时电动 机在重物下降的带动下反转并逐渐加速，产生的电动势E也逐渐 增大。当电动机加速到一定转速使E>Ud时，回路中有电流Id流过， 电动机产生制动转矩。当制动转矩增大到与重物产生的机械转矩 相等时，重物保持匀速下降。因此当控制角α在90°~180°范围 内变化时，可以很方便地改变卷扬机重物下降的速度。 • 由图4一2 (b)中波形可见，变流器在逆变时的直流电压可由 积分求得，有
• 二、有源逆变的工作原理 • 用晶闸管整流电路替代直流发电机，由单相全波可控整流电路 供电的直流电动机带动卷扬机，并串接大电感。为便于分析忽略 变压器漏抗与晶闸管正向压降，Ld, Rd分别为电路总电感与总电 阻，现以卷扬机提升与下降重物两种工作情况为例来进行分析。 • (一)重物提升，变流器工作于整流状态 • 由单相全波整流的分析可知，大电感负载在整流状态时 Ud=0. 9U2 cosα，控制角α的移相范围为0°~90°，电路状态 与波形如图4-2 (a)所示.图中Ud与E的箭头方向为规定的正方向， 电压箭头为高电位到低电位，电动势则相反，是由低到高，而两 端正负号表示Ud与E的实际正负端。电动机工作在电动状态Ud>E， 变流器才能输出直流功率.电流值Id为
• （1）换相重叠角γ 。由于整流变压器存在漏抗，因而晶闸管在换相时存在换 相重叠角γ ，如图4-6所示。在γ 期间，两晶闸管都导通，也就是在此期间晶 闸管换相尚未成功。如果β <γ ，则在ω t2，β =0°处换相没有结束，一直延 至ω t3时刻，此时uU>uV，即VT1晶闸管管不断，VT2管不能导通，逆变失败。 γ 随电路形式、工作电流大小的不同而不同，一般考虑γ 为15°~25°电角度。 • (2)晶闸管关断时间 所对应的电角度δ 0。晶闸管本身由通态到关断也需要一 定的时间，这由管子自身的参数决定。一般tq需200~300μ s，对应的电角度 为3.6°~5.4°。 • (3)安全裕量角θ 。由于触发器各元件的工作状态〔例如受温度影响)会发生 变化，使触发脉冲的间隔出现间隔不均匀现象，即触发脉冲不对称现象。这 样就可能出现间隔距离大的那相触发脉冲延迟后，造成晶闸管不能顺利换相。 再考虑到电源电压波动、波形畸变与温度等影响，还必须留一个安全裕量角， 一般取θ 为10°左右。 • 综上所述，最小逆变角为