第12章 脉宽调制(PWM)逆变器
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3
b g
i VT
2
i VT
i VT
1
i VT
3
图2-47 交流侧电抗对逆变换相过程的影响 如果b <g 时（从图2-47右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸 管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1)不能关断，最终导致逆 变失败。 2-10
2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
2) 确定最小逆变角bmin的依据
n b '1 b '2 b '3 b '4
1 C
(U d 0 cos b I d R )
n 正组变流器
（2-123)
a 增大方向 b 增大方向
Id
反组变流器e
b '增大方向
a1 a2 a3 a4 a =b =
2
a '= b '= 2
a '增大方向
a '4 a '3 a '2
a '1
2-14
2.8.1
工作于整流状态时
ud ua ub uc ud Ud E
整流电路接反电动势 负载时，负载电流断 续，对整流电路和电 动机的工作都很不利。 通常在电枢回路串联 一平波电抗器，保证 整流电流在较大范围 内连续，如图2-48。
idR O
wt
a
id
ic
ia
ib
ic
O
wt
图2-48 三相半波带电动机负载且 加平波电抗器时的电压电流波形
U
晶闸管本身的管压降，它基本上是一恒值。 电流断续工作状态
2-16
系统的两种工作状态：电流连续工作状态
2.8.1
工作于整流状态时
1) 电流连续时电动机的机械特性
在电机学中，已知直流电动机的反电动势为 可根据整流电路电压平衡方程式（2-112），得
E M 1 . 17 U 2 cos a - R I d - U
u2 ua ub uc ua ub uc ua ub uc ua ub
O
wt b=
3
b=
4 u cb uab u ac u bc u ba u ca
b=
6 u cb u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc
u d u ab u ac u bc u ba u ca
逆变时允许采用的最小逆变角b 应等于
bmin=d +g+q′
（2-109）
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。
g —— 换相重叠角
随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。
q′——安全裕量角
主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。值约取为10。
I 2 2 I VT 2 3 I
d
0 . 816 I d
（2-108）
2-8
2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
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。
1) 逆变失败的原因
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。
2U 2 cos Ce
- b q - ) - sin(
(2-125)
Id
3 2U 2 2 Z cos
[cos(
7 6
- b ) - cos(
7 6
- b q )-
Ce 2U 2
qn]
(2-126)
2-21
2.8.2
工作于有源逆变状态时
逆变电流断续时电动机的机械特 性，与整流时十分相似：
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
2-1
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。
w t1 w t2 w t3
O
wt
b=
3
b=
4
b=
6
图2-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形
2-7
2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态
有源逆变状态时各电量的计算：
U d - 2 . 34 U 2 cos b - 1 . 35 U 2 cos b
（2-105）
d
2-13
2.8 晶闸管直流电动机系统· 引言
晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控整流装
臵带直流电动机负载组成的系统。
是电力拖动系统中主要的一种。 是可控整流装臵的主要用途之一。
对该系统的研究包括两个方面：
其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。
其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本
节主要从第二个方面进行分析。
工作于有源逆变状态时
d M d
1) 电流连续时电动机的机械特性
电流连续时的机械特性由 U - E I R 决定的。 E 逆变时由于U -U cos b ， 反接，得
d d0
M
E M - (U d 0 cos b I d R )
（2-122)
因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式
b4 b3 b2
b1
a 1 = b '1 ; a '1 = b 1 a 2 = b '2 ; a '2 = b 2
图2-52 电动机在四象限中的机械特性
2-20
2.8.2
工作于有源逆变状态时
2) 电流断续时电动机的机械特性 可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把a - b代 入式（2-117）、式（2-118）和式（2-119），便可得EM、 n与Id的表达式。三相半波电路为例：
2-11
2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
g —— 换相重叠角的确定：
1) 查阅有关手册 举例如下：
整流电压 整流电流 变压器容量 短路电压比Uk% 220V 800A 240kV。A 5%
g
15~20
2) 参照整流时g 的计算方法
cos a - cos( a g ) Id X
B
2 U 2 sin
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。
2-5
2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态
逆变和整流的区别：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。
a 60 电动机的实际空载反电动势都
是
2U 2 。
E0 ( 2U2)
断续区特性的近似直线
E0' a > 60 时为： 2U 2 cos(a - 3) 。(0.585U2)
主电路电感足够大，可以只考虑电流连续 O 段，完全按线性处理。 当低速轻载时，可改用另一段较陡的特性 来近似处理，等效电阻要大一个数量级。
m
（2-110）
g
根据逆变工作时 a
cos g 1 2U
2
-b
B
，并设 b
，上式可改写成
（2-111）
Id X
sin
m
这样， bmin一般取30~35。
2-12
2.8 晶闸管直流电动机系统
2.8.1 工作于整流状态时
2.8.2 工作于有源逆变状态时 2.8.3 直流可逆电力拖动系统
2-2
2.7.1 逆变的概念
2) 直流发电机—电动机系统电能的流转
电路过程分析。
两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路 电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。
图2-44 直流发电机—电动机之间电能的流转
a）两电动势同极性EG >EM b）两电动势同极性EM >EG c）两电动势反极性，形成短路
Idmin
断续区 连续区
Id
图2-50 电流断续时电动势的特性曲线
2-18
2.8.1
工作于整流状态时
E E0 ( 2U2) E0' (0.585 2) U Idmin 断续区特性的近似直线
电流断续时电动机机械特性 的特点：
电流断续时理想空载转速抬高。 机械特性变软，即负载电流变化
Fra Baidu bibliotek
O
E E0
断续区
连续区
Id
2
1
iVT
wt
1
iVT
Id
2
wt
a)
图2-45 单相全波电路的整流和逆变
电 动 机 输 出 电 功 率
2-4
2.7.1 逆变的概念
从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件
有二：
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。 晶闸管的控制角a > /2，使Ud为负值。
2-3
2.7.1 逆变的概念
3) 逆变产生的条件
单相全波电路代替上述发电机
交 流 电 网 输 出 电 功 率
ud
a
u10
u20
u10 U d>EM
ud
u10
u20
u10
O id=iVT +iVT
1
wt
O id O b)
wt
Ud<EM
id O
2
a
iVT
2
id=iVT +iVT
1
iVT
1
iVT
2
iVT
输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即 I
I VT Id 3 0 . 577 I d
U - E R
每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为：
（2-106）
从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：
Pd R I d E M I d
2
（2-107）
当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值， 表示功率由直流电源输送到交流电源。 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：
b '增大方向 a 增大方向 b 增大方向
Id
理想空载转速上翘很多，机械特 性变软，且呈现非线性。 逆变状态的机械特性是整流状态 的延续。 纵观控制角 a变化时，机械特性得 变化。
2-15
2.8.1
工作于整流状态时
U d E M R I d U
此时，整流电路直流电压的平衡方程为 （2-112）
式中， R
EM
R I d
RB RM
3X B 2
。
为电动机的反电动势 负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括：
– 变压器的电阻压降 I d R B – 电枢电阻压降 I d R M – 由重叠角引起的电压降 3 X B I d ( 2 )
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 > /2时的控制角用- a = b表示，b 称为逆变角。 逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自b =0的 起始点向左方计量。
2-6
2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态
三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的 输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图2-46所示。
sin( EM 2U 2 cos 7 6 1- e
sin( 7 6 e
- q c tan
- b q - ) - sin(
7 6
- b - )e
- q c tan
- q c tan
(2-124)
7 6 - b - )e
- q c tan
n
EM Ce
调节a 角，即可调节电动机的转速。
O a1<a2<a3
d 图2-49 三相半波电流连续时以 电流表示的电动机机械特性
2-17
2.8.1
工作于整流状态时
2) 电流断续时电动机的机械特性
当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不 再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性。
当Id减小至某一定值Id min以后，电流变为断续，这个 E 0是不存在 的，真正的理想空载点远大于此值。 E
晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。
交流电源缺相或突然消失。 换相的裕量角不足，引起换相失败。
2-9
2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
换相重叠角的影响：
当b >g 时，换相结束时，晶 闸管能承受反压而关断。
ud ua ub uc ua ub
O
p
wt b <g wt
a
id O i VT
2
b g b >g
有源逆变电路——交流侧和电网连结。
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5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。既工 作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。
EM Ce n
（2-113）
（2-114） （2-115）
3X Id B (R +R + 2 ) C B M e a1 a2 a3 I
转速与电流的机械特性关系式为
n 1 . 17 U 2 cos a Ce R I d U Ce
n
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。
Id
图2-50 电流断续时电动势的特性曲线 分界线
很小也可引起很大的转速变化。
随着a 的增加，进入断续区的电 流值加大。
a1 a2 a3 a4 a5
断续区 连续区
O
图2-51 考虑电流断续时
不同a 时反电动势的特性曲线 a 1 < a 2 <a 3 <60，a 5> a 4>60
Id
2-19
2.8.2
b g
i VT
2
i VT
i VT
1
i VT
3
图2-47 交流侧电抗对逆变换相过程的影响 如果b <g 时（从图2-47右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸 管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1)不能关断，最终导致逆 变失败。 2-10
2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
2) 确定最小逆变角bmin的依据
n b '1 b '2 b '3 b '4
1 C
(U d 0 cos b I d R )
n 正组变流器
（2-123)
a 增大方向 b 增大方向
Id
反组变流器e
b '增大方向
a1 a2 a3 a4 a =b =
2
a '= b '= 2
a '增大方向
a '4 a '3 a '2
a '1
2-14
2.8.1
工作于整流状态时
ud ua ub uc ud Ud E
整流电路接反电动势 负载时，负载电流断 续，对整流电路和电 动机的工作都很不利。 通常在电枢回路串联 一平波电抗器，保证 整流电流在较大范围 内连续，如图2-48。
idR O
wt
a
id
ic
ia
ib
ic
O
wt
图2-48 三相半波带电动机负载且 加平波电抗器时的电压电流波形
U
晶闸管本身的管压降，它基本上是一恒值。 电流断续工作状态
2-16
系统的两种工作状态：电流连续工作状态
2.8.1
工作于整流状态时
1) 电流连续时电动机的机械特性
在电机学中，已知直流电动机的反电动势为 可根据整流电路电压平衡方程式（2-112），得
E M 1 . 17 U 2 cos a - R I d - U
u2 ua ub uc ua ub uc ua ub uc ua ub
O
wt b=
3
b=
4 u cb uab u ac u bc u ba u ca
b=
6 u cb u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc
u d u ab u ac u bc u ba u ca
逆变时允许采用的最小逆变角b 应等于
bmin=d +g+q′
（2-109）
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。
g —— 换相重叠角
随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。
q′——安全裕量角
主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。值约取为10。
I 2 2 I VT 2 3 I
d
0 . 816 I d
（2-108）
2-8
2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
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。
1) 逆变失败的原因
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。
2U 2 cos Ce
- b q - ) - sin(
(2-125)
Id
3 2U 2 2 Z cos
[cos(
7 6
- b ) - cos(
7 6
- b q )-
Ce 2U 2
qn]
(2-126)
2-21
2.8.2
工作于有源逆变状态时
逆变电流断续时电动机的机械特 性，与整流时十分相似：
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
2-1
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。
w t1 w t2 w t3
O
wt
b=
3
b=
4
b=
6
图2-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形
2-7
2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态
有源逆变状态时各电量的计算：
U d - 2 . 34 U 2 cos b - 1 . 35 U 2 cos b
（2-105）
d
2-13
2.8 晶闸管直流电动机系统· 引言
晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控整流装
臵带直流电动机负载组成的系统。
是电力拖动系统中主要的一种。 是可控整流装臵的主要用途之一。
对该系统的研究包括两个方面：
其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。
其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本
节主要从第二个方面进行分析。
工作于有源逆变状态时
d M d
1) 电流连续时电动机的机械特性
电流连续时的机械特性由 U - E I R 决定的。 E 逆变时由于U -U cos b ， 反接，得
d d0
M
E M - (U d 0 cos b I d R )
（2-122)
因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式
b4 b3 b2
b1
a 1 = b '1 ; a '1 = b 1 a 2 = b '2 ; a '2 = b 2
图2-52 电动机在四象限中的机械特性
2-20
2.8.2
工作于有源逆变状态时
2) 电流断续时电动机的机械特性 可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把a - b代 入式（2-117）、式（2-118）和式（2-119），便可得EM、 n与Id的表达式。三相半波电路为例：
2-11
2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
g —— 换相重叠角的确定：
1) 查阅有关手册 举例如下：
整流电压 整流电流 变压器容量 短路电压比Uk% 220V 800A 240kV。A 5%
g
15~20
2) 参照整流时g 的计算方法
cos a - cos( a g ) Id X
B
2 U 2 sin
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。
2-5
2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态
逆变和整流的区别：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。
a 60 电动机的实际空载反电动势都
是
2U 2 。
E0 ( 2U2)
断续区特性的近似直线
E0' a > 60 时为： 2U 2 cos(a - 3) 。(0.585U2)
主电路电感足够大，可以只考虑电流连续 O 段，完全按线性处理。 当低速轻载时，可改用另一段较陡的特性 来近似处理，等效电阻要大一个数量级。
m
（2-110）
g
根据逆变工作时 a
cos g 1 2U
2
-b
B
，并设 b
，上式可改写成
（2-111）
Id X
sin
m
这样， bmin一般取30~35。
2-12
2.8 晶闸管直流电动机系统
2.8.1 工作于整流状态时
2.8.2 工作于有源逆变状态时 2.8.3 直流可逆电力拖动系统
2-2
2.7.1 逆变的概念
2) 直流发电机—电动机系统电能的流转
电路过程分析。
两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路 电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。
图2-44 直流发电机—电动机之间电能的流转
a）两电动势同极性EG >EM b）两电动势同极性EM >EG c）两电动势反极性，形成短路
Idmin
断续区 连续区
Id
图2-50 电流断续时电动势的特性曲线
2-18
2.8.1
工作于整流状态时
E E0 ( 2U2) E0' (0.585 2) U Idmin 断续区特性的近似直线
电流断续时电动机机械特性 的特点：
电流断续时理想空载转速抬高。 机械特性变软，即负载电流变化
Fra Baidu bibliotek
O
E E0
断续区
连续区
Id
2
1
iVT
wt
1
iVT
Id
2
wt
a)
图2-45 单相全波电路的整流和逆变
电 动 机 输 出 电 功 率
2-4
2.7.1 逆变的概念
从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件
有二：
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。 晶闸管的控制角a > /2，使Ud为负值。
2-3
2.7.1 逆变的概念
3) 逆变产生的条件
单相全波电路代替上述发电机
交 流 电 网 输 出 电 功 率
ud
a
u10
u20
u10 U d>EM
ud
u10
u20
u10
O id=iVT +iVT
1
wt
O id O b)
wt
Ud<EM
id O
2
a
iVT
2
id=iVT +iVT
1
iVT
1
iVT
2
iVT
输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即 I
I VT Id 3 0 . 577 I d
U - E R
每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为：
（2-106）
从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：
Pd R I d E M I d
2
（2-107）
当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值， 表示功率由直流电源输送到交流电源。 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：
b '增大方向 a 增大方向 b 增大方向
Id
理想空载转速上翘很多，机械特 性变软，且呈现非线性。 逆变状态的机械特性是整流状态 的延续。 纵观控制角 a变化时，机械特性得 变化。
2-15
2.8.1
工作于整流状态时
U d E M R I d U
此时，整流电路直流电压的平衡方程为 （2-112）
式中， R
EM
R I d
RB RM
3X B 2
。
为电动机的反电动势 负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括：
– 变压器的电阻压降 I d R B – 电枢电阻压降 I d R M – 由重叠角引起的电压降 3 X B I d ( 2 )
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 > /2时的控制角用- a = b表示，b 称为逆变角。 逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自b =0的 起始点向左方计量。
2-6
2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态
三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的 输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图2-46所示。
sin( EM 2U 2 cos 7 6 1- e
sin( 7 6 e
- q c tan
- b q - ) - sin(
7 6
- b - )e
- q c tan
- q c tan
(2-124)
7 6 - b - )e
- q c tan
n
EM Ce
调节a 角，即可调节电动机的转速。
O a1<a2<a3
d 图2-49 三相半波电流连续时以 电流表示的电动机机械特性
2-17
2.8.1
工作于整流状态时
2) 电流断续时电动机的机械特性
当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不 再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性。
当Id减小至某一定值Id min以后，电流变为断续，这个 E 0是不存在 的，真正的理想空载点远大于此值。 E
晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。
交流电源缺相或突然消失。 换相的裕量角不足，引起换相失败。
2-9
2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
换相重叠角的影响：
当b >g 时，换相结束时，晶 闸管能承受反压而关断。
ud ua ub uc ua ub
O
p
wt b <g wt
a
id O i VT
2
b g b >g
有源逆变电路——交流侧和电网连结。
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5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。既工 作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。
EM Ce n
（2-113）
（2-114） （2-115）
3X Id B (R +R + 2 ) C B M e a1 a2 a3 I
转速与电流的机械特性关系式为
n 1 . 17 U 2 cos a Ce R I d U Ce
n
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。
Id
图2-50 电流断续时电动势的特性曲线 分界线
很小也可引起很大的转速变化。
随着a 的增加，进入断续区的电 流值加大。
a1 a2 a3 a4 a5
断续区 连续区
O
图2-51 考虑电流断续时
不同a 时反电动势的特性曲线 a 1 < a 2 <a 3 <60，a 5> a 4>60
Id
2-19
2.8.2