礦井維修電工技師培訓2

礦井維修電工技師培訓班大家好!第二章：晶閘管變流技術

第一節(jié)：三相橋式全控整流電路第二節(jié)：斬波器第三節(jié)：逆變電路第一節(jié)：三相橋式全控整流電路

可控整流電路從相數(shù)來分，有單相、兩相、三相、六相等多種；從控制方式來分，有半控、全控兩種.一、電阻負載圖2-1為a＝０°它是由三相半波晶閘管共陰極整流電路和三相半波晶閘管共陽極整流電路串聯(lián)組成的。為使6個晶閘管按ＶＴ1→ＶＴ2→ＶＴ3→ＶＴ4→ＶＴ5→ＶＴ6→ＶＴ1…的順序觸發(fā)導通，晶閘管的編號順序為：ＶＴ1和ＶＴ4接Ｕ相，ＶＴ3和ＶＴ6接Ｖ相，ＶＴ5和ＶＴ2接Ｗ相。其中，ＶＴ1、ＶＴ5組成共陰極組，ＶＴ2、ＶＴ4、ＶＴ6組成共陽極組。圖2-1三相橋式全控電阻負載整流電路

圖2－2所示為三相橋式全控電阻負載整流電路在觸發(fā)延遲角a＝０°時的輸出電壓波形和觸發(fā)脈沖順序。觸發(fā)延遲角a＝０°，表示共陰極組和共陽極組的每個晶閘管在各自的自然換相點觸發(fā)換相。在a＝０°的情況下，對共陰極組晶閘管而言，只有陽極電位最高一相的晶閘管在有觸發(fā)脈沖時才能導通；對共陽極組晶閘管而言，只有陰極電位最低一相的晶閘管在有觸發(fā)脈沖時才能導通。

圖2－2三相橋式全控電阻負載整流電路的輸出電壓波形和觸發(fā)脈沖順序（a＝０°）分析三相橋式全控整流電路時，根據(jù)晶閘管的換相情況，把一個交流電周期分成六個相等的期間（即ωt1～ωt2，ωt2～ωt3，ωt3～ωt4，ωt4～ωt5，ωt5～ωt6，ωt6～ωt7，）來討論。當觸發(fā)延遲角a＝０°時，整流電路的六個相等的期間如圖2－2所示。電路的工作過程如下：在ωt1～ωt2期間，Ｕ相電壓最高，Ｖ相電壓最低，若在ＶＴ1、ＶＴ6門極上加上觸發(fā)脈沖，則ＶＴ1、ＶＴ6同時導通，電流的流向為Ｕ相→ＶＴ1→Ｒｄ→ＶＴ6→Ｖ相，負載Ｒｄ上得到Ｕ、Ｖ相線電壓，即ｕd＝ｕｕｖ。在ωt2～ωt3期間，Ｕ相電壓仍保持最高，所以ＶＴ1繼續(xù)導通。由于此時Ｗ相電壓較Ｖ相電壓更低，故觸發(fā)ＶＴ2，則ＶＴ2導通。ＶＴ2導通后，使ＶＴ6承受反向電壓而關斷，電流從ＶＴ6換到ＶＴ2。電流從Ｕ相→ＶＴ1→Ｒｄ→ＶＴ2→Ｗ相，負載Ｒｄ上得到Ｕ、Ｗ相線電壓，即ｕd＝ｕｕw。

依此類推，可分析出電路在ωt4～ωt5（ＶＴ3、ＶＴ4導通）、ωt5～ωt6（ＶＴ4、ＶＴ5導通）、ωt6～ωt7（ＶＴ5、ＶＴ6導通）期間的工作情況，如圖2－2所示。電路在ωt7以后的工作情況將重復上述過程。因此，三相橋式全控整流電路中，晶閘管循環(huán)導通的順序是：ＶＴ6、ＶＴ1→ＶＴ1、ＶＴ2→ＶＴ2、ＶＴ3→ＶＴ3、ＶＴ4→ＶＴ4、ＶＴ5→ＶＴ5、ＶＴ6→ＶＴ6、ＶＴ1…。當觸發(fā)延遲角a＞０°時，每個晶閘管的換相（或稱換流）都不在自然換相點進行，而是從各自然換相點向后移一個a角開始，故整流輸出電壓ｕd的波形與a＝０°時有所不同。當改變a時，輸出電壓的波形隨之發(fā)生變化，其平均值的大小因此跟著改變，從而達到可控整流的目的，如圖2－3所示。當a≤6０°時，ｕd波形是連續(xù)的；a＞6０°時,ｕd波形斷續(xù);觸發(fā)延遲角a的允許變化范圍（即移相相范圍）為0°～120°。圖2－3電阻性負載時輸出電壓波形a）ａ＝60°ｂ）ａ＝90°三相橋式全控整流電路在純電阻性質(zhì)負載時，負載中流過的電流波形與負載上的電壓波形相同。電路中，有關電壓、電流的數(shù)量關系如下：負載兩端的整流輸出電壓平均值為Ｕd為Ｕd＝2.34Ｕ2ＣＯＳa

（當0°≤a≤60°時，即當電壓和電流波形連續(xù)時）（2－1）Ｕd＝2.34Ｕ2［1＋ＣＯＳ（60°＋a

）］（當60°≤a≤120°時，即當電壓和電流波形斷續(xù)時）（2－2）式中Ｕ2——變壓器二次側(cè)三相交流電的相電壓（有效值）。流過電阻負載的直流電流平均值Ｉｄ為Ｉd＝2.34cosa

（當0°≤a≤60°）（2－3）Ｉd＝2.34［1+cos（60°+a

）］（當60°≤a≤120°）（2－4）流過每個晶閘管的平均電流ＩＴＡＶ為負載電流Ｉｄ的三分之一即

ＩＴＡＶ＝Ｉｄ／3（2－5）每個晶閘管可能承受的最高正、反向電壓ＵTm為三相交流電線電壓的峰值，即ＵTm＝×（

Ｕ2）＝Ｕ2（2－6）二、電感性負載在工業(yè)生產(chǎn)中，三相橋式全控整流電路的負載多數(shù)是電感性負載如電動機的勵磁繞組、電感線圈、濾波電抗器等。三相橋式全控整流電感性負載電路如圖2－4所示。圖2－4三相橋式全控整流電感性負載電路

實際感性負載一般滿足ωＬｄ＞＞Ｒｄ，為大電感負載。圖2－5所示為三相橋式全控整流電路大電感負載在a＝30°、60°、90°時的輸出電壓波形。由圖2－5可見，當0°≤a≤60°時，其工作情況和輸出電壓ud的波形與電阻負載時相同，ud的波形均為正值；當60°＜a＜90°時，由于電感的的自感電動勢的作用，輸出電壓ud的波形出現(xiàn)負值，但ud的波形的正面積大于面積，故平均電壓Ｕｄ較電阻負載時要小，但Ｕｄ仍為正值；當a＝90°時，ud的波形的正負面積相等，故平均電壓Ｕｄ＝0。因此，三相橋式全控整流大電負載電路工作于整流狀態(tài)下，a最大的移相范圍為0°～90°。圖2－5三相橋式全控整流電路的輸出電壓波形（電感性負載）a）ａ＝60°ｂ）ａ＝60°c）ａ＝90°大電感負載時,整流電路的輸出電流ｉd的波形與電阻性負載時不同,當a≤90°時，ｉd的波形近似為一條水平直線。三相橋式全控整流電路在大電感負載時，電壓、電流的數(shù)量關系如下：整流輸出電壓平均值Ｕｄ為Ｕd＝2.34Ｕ2ＣＯＳa

（0°≤a≤90°）（2－7）負載中直流電流平均值Ｉｄ為Ｉd＝2.34cosa

（0°≤a≤90°）（2－8）流過晶閘管的平均電流ＩＴＡＶ為ＩＴＡＶ＝Ｉｄ／3（2－9）流過晶閘管電流的有效值ＩＴ為ＩＴ＝Ｉd（2－10）應當注意，若大電感負載并接了續(xù)流二極管，由于此續(xù)流二極管的作用，使電路中的晶閘管能夠得到及時關斷，從而使整流輸出電壓ud的波形不再出現(xiàn)負值，因此這種電路輸出電壓平均值Ｕd的計算公式將與電阻負載時相同。三、三相橋式全控整流電路對觸發(fā)脈沖的要求1、三相全控橋電路在任何時刻，共陰極組和共陽極組中必須各有一個晶閘管同時被觸發(fā)導通，才能形成電流通路。2、共陰極組晶閘管和共陽極組晶閘管的組內(nèi)換相間隔為120°，即每組中各晶閘管的觸發(fā)脈沖之間相位差為120°。3、接在同一相上的兩個晶閘管的觸發(fā)脈沖扔相位差為180°。4、共陰極組晶閘管和共陽極組晶閘管的換相點之間相隔60°，即三相全控橋每隔60°就要進行一次換相，因此每隔60°要觸發(fā)一個晶閘管。觸發(fā)脈沖順序是1→2→3→4→5→6→1…依次下去，而相鄰兩個脈沖之間相位差為60°。5、為了保證整流裝置能合閘起動工作及在電流斷續(xù)后能使晶閘管再次導通，必須對共陰極組和共陽極組中應導通的一對晶閘管同時加上觸發(fā)脈沖。為此，三相全控橋一般采用兩種觸發(fā)脈沖：寬觸發(fā)脈沖和雙窄觸發(fā)脈沖，如圖2－6所示。三相橋式全控整流電路輸出電壓脈動小、脈動頻率（6?＝300ＨＺ）高，在輸出相同的直流電壓下，晶閘管承受的最大正、反向電壓較小，變壓器的容量也較小，同時三相電流平衡，適用于大功率、高電壓的負載。但電路中要用6只晶閘管，觸發(fā)電路也較復雜。因此，三相橋式全控整流電路一般用于有源逆變負載或要求可逆調(diào)速的中大量直流電動機負載。對于一般負載，可以采用三相橋式半控整流電路。圖2－6三相全控橋的觸發(fā)脈沖a）寬觸發(fā)脈沖b）雙窄觸發(fā)脈沖

第二節(jié)斬波器

一、斬波器1．斬波器的基本工作原理斬波器是接在直流電源與負載電路之間，用以改變加到負載電路上的直流平均電壓的一種裝置。有時，也稱之為直流-直流變壓器。在晶閘管斬波器中，把晶閘管作為直流開關，通過控制其通斷時間的比值，在負載上便可獲得大小可調(diào)的直流平均電壓Ｕd，如圖2-7所示。圖2-7晶閘管直流斬波器斬波器的輸出電壓平均值Ｕd為Ｕd＝Ｔ（2-11）式中Ｅ—直流電源電壓；Ｔ—斬波器的通斷周期；

—斬波器的導通時間。由上式可知，改變電路導通比/Ｔ，就可以改變斬波形輸出的直流平均電壓。因此，調(diào)節(jié)斬波器輸出電壓平均值的方法有以下三種：1）定頻調(diào)寬法這種方法又稱為脈沖寬度調(diào)制（ＰＷＭ）方式，其特點是保持晶閘管觸發(fā)頻率?不變（即Ｔ不變），通過改變晶閘管的導通時間來改變直流平均電壓，見圖2-8a。2）定寬調(diào)頻法這種方法又稱為脈沖頻率調(diào)制（ＰＦＭ）方式，其特點是保持晶閘管導通的時間不變，通過改變晶閘管觸發(fā)頻率?來改變輸出直流平均電壓，見圖2-8b。3）調(diào)頻調(diào)寬法這種方法又稱為混合調(diào)制，其特點是同時改變晶閘管的觸發(fā)頻率?和導通時間，來改變直流平均電壓，見圖2-8c。

圖2-8直流斬波器輸出電壓波形a）定頻調(diào)寬ｂ）定寬調(diào)頻c）調(diào)頻調(diào)寬晶閘管斬波器作為一種直流調(diào)壓裝置，常用于直流電動機的調(diào)壓調(diào)速。目前，斬波器已廣泛應用于電力牽引方面，如地鐵、電力機車、城市電車、蓄電池電動車等。晶閘管斬波器，主要有采用普通晶閘管的逆阻型斬波器和采用逆導型晶閘管的逆導型斬波器兩種。下面僅介紹逆阻型斬波器。2．逆阻型斬波器圖2-9所示為用于蓄電池電動車輛的逆阻型斬波器的主電路，它是由ＶＴ1主晶閘管、ＶＴ2副晶閘管、ＶＴ3換流晶閘管、換流電容Ｃ和電感Ｌ1、Ｌ2組成。Ｍ為串勵式直流電動機，Ｌ3為電動機的串勵繞組，ＶＤ為續(xù)流二極管。斬波器的工作過程如下：圖2-9逆阻型斬波器及其工作過程1）主電路接通蓄電池后，給副晶閘管ＶＴ2加上觸發(fā)脈沖Ｕｇ2，使之導通，電源對換流電容Ｃ充電，ＵＣ逐漸上升，其極性如圖2-9a所示。當ＵＣ上升接近電源電壓Ｅ，而充電電流小于ＶＴ2的維持電流時，ＶＴ2便自行關斷。2）由觸發(fā)電路按一定的周期Ｔ，同時輸出輸出uｇ１、uｇ2，分別觸發(fā)導通ＶＴ1、ＶＴ3，并起動內(nèi)部延時電路（其延時時間可調(diào)節(jié)）。ＶＴ1、ＶＴ3導通后，電動機Ｍ得電，起動運轉(zhuǎn)。同時，電容Ｃ通過導通的ＶＴ1、ＶＴ3與Ｌ1組成振蕩回路，電容Ｃ便通過此回路釋放其儲能，形成振蕩電流。振蕩電流使電容Ｃ在放電結束后又被反向充電。經(jīng)過約半個振蕩周期，此振蕩電流趨于零時，ＶＴ3便自行關斷，而ＶＴ1依然繼續(xù)導通，此時，電容Ｃ上電壓ＵＣ的極性如圖2-9b所示。3）觸發(fā)電路在輸出uｇ１、uｇ3后，經(jīng)過一段時間的延時，又輸出uｇ2，使ＶＴ2觸發(fā)導通。電容上的電壓ＵＣ，通過ＶＴ2使ＶＴ1承受反向電壓而關斷，如圖2-9c所示。負載電流通過ＶＴ2對電容Ｃ重新充電，充電完畢時，ＶＴ2又關斷。ＶＴ2關斷后，電動機Ｍ由二極管ＶＤ續(xù)流。此時，電容上電壓ＵＣ的極性又如圖2-9a所示，為下一個工作周期作好了準備。然后，再重復上述2）、3）的過程。由上述分析可知，ＶＴ1是按一定的周期Ｔ進行通斷工作的，即斬波器輸出電壓的周期是固定的。而從ＶＴ1觸發(fā)導通到ＶＴ2觸發(fā)導通（ＶＴ1關斷）這段時間，就是斬波器輸出電壓的脈寬，它是由觸發(fā)電路中的延時電路來決定的，因此調(diào)節(jié)觸發(fā)延時時間，即可改變脈寬。脈寬越大，電動機的工作電壓越高，轉(zhuǎn)速也越高；反之，脈寬越小，電壓就越低，轉(zhuǎn)速也就越低。為使電動機升到最高速，可將ＶＴ２的觸發(fā)脈沖uｇ2短接，使ＶＴ2無法導通而ＶＴ1始終導通，則電動機在全電壓下以最高速運轉(zhuǎn)。因此，該逆阻型斬波器為定頻調(diào)寬式斬波器。二、交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓器是接在交流電源與負載之間的調(diào)壓裝置。晶閘管交流調(diào)壓器，可以通過控制晶閘管的通斷，方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。在交流調(diào)壓器中，晶閘管元件一般為反并聯(lián)的兩只普通晶閘管或雙向晶閘管，并常采用以下兩種控制方式。1）通斷控制所謂通斷控制，是把晶閘管作為開關，在設定的周期內(nèi)，將負載與交流電源接通幾個周波，然后再斷開幾個周波，通過改變晶閘管在設定周期內(nèi)通斷時間的比值，來實現(xiàn)交流調(diào)壓或調(diào)功率。在設定周期內(nèi)晶閘管導通的周波數(shù)越多，輸出電壓有效值越大，反之則越小。這種控制方式一般采用過零觸發(fā)，即在交流電源電壓為零時觸發(fā)晶閘管導通，因此輸出電壓為間斷的數(shù)個完整的正弦波，這種調(diào)壓器也稱為調(diào)功器或周波控制器。它突出的優(yōu)點是克服了通常移相觸發(fā)產(chǎn)生的諧波干擾，缺點是輸出電壓或功率調(diào)節(jié)不平滑，故適用于有較大時間常數(shù)的負載，如電熱負載等。但這種控制方式不適用于調(diào)光電路，調(diào)光時會出現(xiàn)光照閃爍現(xiàn)象；這種控制方式不適用于電動機調(diào)速電路，調(diào)速時會使電動機上電壓變化劇烈，致使轉(zhuǎn)速脈動較大。2）相位控制晶閘管在交流調(diào)壓器中的相位控制，類似于在可控整流電路中的相位控制。在電源電壓的每一個周期中（包括正、負半周），控制晶閘管的觸發(fā)相位，實現(xiàn)交流調(diào)壓或調(diào)功率。這種控制方式的優(yōu)點是電路簡單、使用方便，而且輸出電壓調(diào)節(jié)較為精確，用于電動機降壓調(diào)速時調(diào)速精度較高，快速性好，低速時轉(zhuǎn)速脈動??；其缺點是輸出電壓波形為缺角正弦波形，存在高次諧波，造成電源污染，易對其它電氣設備生產(chǎn)干擾。實用交流調(diào)壓器較多采用相位控制方式。圖2-10所示為相位控制的雙向晶閘管單相交流調(diào)壓電路。圖中，Ｒ2、Ｃ2阻容電路，用來給Ｃ1增加了一個充電電路，以保證在觸發(fā)延遲角ａ較大時，雙向觸發(fā)二極管能被Ｃ1上的充電電壓擊穿，使雙向晶閘管可靠導通，從而增大調(diào)壓范圍。圖2-10單相交流調(diào)壓器a）電路b）負載電壓uL波形當晶閘管交流調(diào)壓器接電感負載或通過變壓器接電阻負載時，必須防止由于調(diào)壓器正、負半周工作不對稱，造成輸出交流電壓中出現(xiàn)直流分量引起的過電流，而損壞設備。在對電感負載進行交流調(diào)壓時，當控制角a調(diào)小到等于負載功率因數(shù)角時，晶閘管就工作于全導通，若觸發(fā)脈沖采用的是窄脈沖，當進一步減小a時，就會造成晶閘管工作不對稱，這是必須避免的。因此，交流調(diào)壓器電路通常都采用寬脈沖觸發(fā)。

在功率較大的場合，一般采用三相交流調(diào)壓。三相交流調(diào)壓電路常用的接線方式如圖2-11所示。圖2-11a所示為有中性線的星形三相交流調(diào)壓電路，由于中性線上有較大的三次諧波電流通過，對線路和電網(wǎng)都帶來不利影響，故在應用上受到一定的限制；圖2-11三相交流調(diào)壓電路a）星形帶中性線b）晶閘管與負載接成內(nèi)三角形c）三相三線交流調(diào)壓電路圖2-11ｂ所示為晶閘管與負載接成內(nèi)三角形的三相交流調(diào)壓電路，由于晶閘管串接在三角形內(nèi)部，在同樣的線電流情況下晶閘管的電流定額可降低，并且只在三角形內(nèi)部存在三次諧波環(huán)流，而線電

流中則不存在三次諧波分量，故對電網(wǎng)的影響較小，因而適用于電流場合；圖2-11c所示的三相三線交流調(diào)壓電路，負載可接成星形也可以接成三角形，輸出電流中諧波分量較小，由于沒有中性線，每相電流必須和另一相構成回路，因此這種電路與三相橋式全控整流電路一樣，晶閘管的觸發(fā)脈沖應采用寬脈沖或雙窄脈沖。第三節(jié)逆變電路

逆變是整流的逆向過程，即把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。晶閘管逆變電路可以分為二大類：第一類稱為有源逆變，它將直流電逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的交流電并反送到交流電網(wǎng)去，其工作過程為直流電→逆變器→交流電→交流電網(wǎng)；第二類稱為無源逆變，它將直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負載使用，其工作過程為直流電→逆變器→交流電→用電器。

一、有源逆變在某些場合，同一套晶閘管電路在一定條件下，即可工作于整流狀態(tài)，又可工作于逆變狀態(tài)，這種裝置稱為變流裝置或變流器。若變流器逆變出的交流電被反送回交流電網(wǎng)，即為有源逆變。有源逆變可用于直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)和高壓直流輸電等方面。1．有源逆變的工作原理下面以直流拖動的起重機為例，說明有源逆變的工作原理。

圖2-12三相半波變流器的整流和逆變a）整流狀態(tài)（0°＜a＜90°）b）逆變狀態(tài)（0°＜β＜90°）晶閘管變流裝置如圖2-12所示，用于為起重機的直流電動機供電。圖2-12中，平波電抗器Ｌd，用于使負載電流連續(xù)并減小諧波的影響?，F(xiàn)以起重機提升和下放重物兩種工作狀態(tài)來分析變流器的工作情況。（1）提升重物時，變流器工作在整流狀態(tài)，如；如圖2-12a所示。觸發(fā)延遲角a的移相范圍為0°～90°，三相半波可控整流器的輸出電壓Ｕd為：Ｕd＝1.17Ｕ2ＣＯＳa。電動機工作在電動運行時，變流器必須輸出直流功率，故其輸出電壓Ｕd大于負載的直流電動勢Ｅd（即電樞電動勢Ｅa），即Ｕd＞Ｅd，此時電流Ｉd＝（Ｕd－Ｅd）/Ｒ，因回路電阻Ｒ很小，故Ｕd≈Ｅd。設Ｔ為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，ＴＬ為負載轉(zhuǎn)矩，電動機的調(diào)速過程為：升速時，應減小觸發(fā)延遲角a↓→Ｕd↑→Ｉd↑→Ｔ↑→n↑→Ｅd（Ｅa）↑→Ｉd↓→Ｔ↓直到Ｔ＝ＴＬ，電機便以較高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。反之，增大觸發(fā)延遲角a，即可進行降速過程。（2）下放重物時，變流器工作在逆變狀態(tài)，如圖2-12b所示。為了使重物能勻速下降，電動機必須發(fā)電制動運行。，由于下放重物時，電機反轉(zhuǎn),故Ｅd的極性改變。若變流器仍處于整流狀態(tài)(0＜a＜90），則Ｅd和Ｕd為順向串聯(lián)，兩者都輸出功率，電流Ｉd＝（Ｅd＋Ｕd）/Ｒ，由于回路電阻Ｒ很小，故電流Ｉd很大，相當于短路。因此Ｕd的極性必須改變，即Ｕd應為負值。

為使Ｕd為負值，應增大觸發(fā)延遲角a，使a＞90°。在下降重物帶動下，電機反轉(zhuǎn)并逐漸加速，其反電動勢Ｅa（Ｅd）也其陽極電位處于交流電壓負半周期間的導通時間能夠大于正半周期間的導通時間，使得ｕd波形的負面積大于正面積，故平均電壓Ｕd＜０，故此時Ｕd的實際極性與整流狀態(tài)時的極性相反，為上負下正。而回路電流Ｉd＝（Ｅd－Ｕd）/Ｒ，且其方向仍然保持原來整流狀態(tài)時的方向。因此，Ｅd是產(chǎn)生Ｉd的電源，即電動機作發(fā)電機運行，向外部輸出電功率，而Ｕd卻起著反電動勢的作用，這說明電網(wǎng)通過變流器吸收電功率，所以變流器工作于有源逆變狀態(tài)。由于電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)，故當制動力矩增大到與重物產(chǎn)生的機械力矩相等時，重物便保持勻速下降。因此，當ａ在90°～180°范圍內(nèi)變化時，可以方便地改變下放重物的速度。為便于分析逆變電路，通常用觸發(fā)超前角β來代替觸發(fā)延遲角a，并規(guī)定a＋β＝180°或β＝180°－a。這樣，變流器逆變工作時，a為90°～180°，即β

為90°～0°。在逆變電流Ｉd連續(xù)的情況下，上述變流器直流側(cè)輸出電壓Ｕd為Ｕd＝1.17Ｕ2ＣＯＳa＝1.17Ｕ2ＣＯＳ（180°－β）＝1.17Ｕ2ＣＯＳβ

（2-12）當β＝90°時，Ｕd＝０；當β＜90°時，Ｕd為負值，且隨β的減小，Ｕd的絕對值逐漸增大；當β＝0°時，Ｕd的絕對值最大。通過以上分析可知，實現(xiàn)有源逆變的條件是：

1）變流器直流側(cè)的負載，不僅要有大電感而且還要有直流電源Ｅd，并要求電源電動勢Ｅd的極性必須與晶閘管導電電流方向一致且其值要稍大于變流器直流側(cè)的輸出平均電壓Ｕd，即︱Ｅd︱＞︱Ｕd︱。2）變流器必須工作在β＝90°（a＞90）區(qū)域，使變流器直流側(cè)輸出的直流平均電壓Ｕd為負值。上述兩個條件必須同時具備才能實現(xiàn)有源逆變。半控橋式晶閘管電路或有續(xù)流二極管的電路，因它們不能輸出負電壓，也不允許直流側(cè)接上反極性的直流電源，故不能實現(xiàn)有源逆變。

2、逆變失敗與觸發(fā)超前角的限制（1）逆變失敗變流器在整流或逆變運行時，如果換相過程不能按正常規(guī)律進行，稱為換相失敗。在晶閘管變流器工作于整流狀態(tài)時，換相失敗造成的后果不太嚴重。但在逆變狀態(tài)時，如果出現(xiàn)換相失敗，將使電源瞬時電壓與負載的直流電動勢Ｅd順向串聯(lián)，在晶閘管與負載的回路中產(chǎn)生很大的電流，造成管子的損壞，這種情況稱為逆變失敗或逆變顛覆，如圖2-13所示。圖2-13三相半波電路逆變失敗的波形造成逆變失敗的原因有：1）觸發(fā)電路工作不可靠,造成脈沖丟失、脈沖延遲等,見圖2-13a、b。2）晶閘管發(fā)生故障，失去正常的通斷能力，見圖2-13c。3）交流電源發(fā)生異?，F(xiàn)象，如斷電、缺相或電壓過低。4）換相的裕量角不足，晶閘管不能可靠關斷。在電流換相時，由于電路電感的影響，電流不能突變，而是有一個變化過程。如電流從Ｕ相轉(zhuǎn)換到Ｖ相時，Ｕ相電流從Ｉd逐漸減小到零，而Ｖ相電流則從零逐漸增大到Ｉd，這個過程稱為換相過程。換相過程中存在一段兩只晶閘管共同導通的時間，這段時間如用電角度表示，稱為換相重疊角。如果觸發(fā)超前角β小于換相重疊角，則會造成逆變失敗。（2）觸發(fā)超前角的限制為了保證逆變電路能正常工作，除了要求交流電源、觸發(fā)電路必須可靠工作外，同時對觸發(fā)脈沖的最小觸發(fā)超前角βmin，必須要有嚴格的限制。最小觸發(fā)超前角可由下式確定βmin＝δ＋γ＋θ′（2-13）式中δ——晶閘管的關斷時間tq折合的電角度；

θ′——安全裕量角。通常，可取βmin＝30°。變流器在逆變運行時，必須保證β≥βmin，因此在觸發(fā)電路中，常常附加一套保護電路，使觸發(fā)脈沖移相時，觸發(fā)超前角β不進入βmin區(qū)內(nèi)。通常，可取βmin＝30°。變流器在逆變運行時，必須保證β≥βmin，因此在觸發(fā)電路中，常常附加一套保護電路，使觸發(fā)脈沖移相時，觸發(fā)超前角β不進入βmin區(qū)內(nèi)。

二、無源逆變1．無源逆變的工作原理逆變器的工作原理如圖2-14所示。當ＶＴ1和ＶＴ4觸發(fā)導通（ＶＴ2、ＶＴ3關斷）時，直流電源通過ＶＴ1和ＶＴ4，向負載供電，負載上電流的方向如圖2-14a所示。當ＶＴ2和ＶＴ3觸發(fā)導通（ＶＴ1、ＶＴ4關斷）時，直流電源通過ＶＴ2和ＶＴ3，向負載供電，電流反向流過負載，如圖2-14b所示。按一定的頻率，不斷地輪流切換兩組晶閘管，便將電源的直流電逆變成負載上的交流電，負載上的電壓波形如圖2-14c所示。若改變兩組晶閘管的切換頻率，便可改變交流電的頻率。圖2-14無源逆變的工作原理

由逆變器工作原理可知，逆變器正常工作的關鍵在于換流，即按時把導通的晶閘管關斷，并使電流換到規(guī)定的晶閘管上去。由于逆變器中的晶閘管工作在直流電中，不會自行關斷，故為使晶閘管由導通轉(zhuǎn)為關斷，通常采用在陽極與陰極之間施加一定時間反向電壓的方法。逆變器常用的的流方法有兩種。（1）負載諧振式換流利用負載回路的諧振特性來實現(xiàn)晶閘管換流。當負載電路中的電阻、電感和電容形成振蕩時，其振蕩電流具有自動過零的特性，只要負載電流超前電壓的時間大于晶閘管的關斷時間，就能使晶閘管自然關斷，從而實現(xiàn)電流換流。目前，我國生產(chǎn)的晶閘管中頻電源等裝置常采用這種換流方法。（2）強迫換流（脈沖換流）在電路中設置電感、電容等元件，構成換流回路。換流前換流電容預先儲存一定的電能，換流時觸發(fā)另一只晶閘管導通，形成一個電容放電回路。利用換流電容的放電，使換流回路產(chǎn)生一個脈沖，迫使原先導通的晶閘管承受反向脈沖電壓而關斷。逆變器根據(jù)其直流電源的濾波方式可分為電壓型和電流型兩種。電壓型逆變器，其直流電源由電容濾波，可近似看成恒壓源；其輸出的交流電壓為矩形波，輸出的交流電流在電動機負載進近似為正弦波；其抑制浪涌電壓能力強，頻率可向上或向下調(diào)節(jié)，效率高，適用天不經(jīng)常起動、制動和反轉(zhuǎn)的托動裝置。電流型逆變器，其直流電源由電感濾波，可近似看面恒流源；其輸出的交流電流近似為矩形波，輸出的交流電壓在電動機負載時近似為正弦波；其抑制過電流能力強，適用于經(jīng)常要求起動、制動與反轉(zhuǎn)的拖動裝置。2．并聯(lián)諧振式逆變器這種逆變器較多地用于中頻感應加熱爐的電源。其換流電容與負載并聯(lián)，其換流方式是基于并聯(lián)諧振的原理。圖2-15并聯(lián)逆變器及其工作過程（1）主電路組成圖2-15所示為電流型并聯(lián)諧振式逆變器的主電路。其直流電源是由三相工頻交流電經(jīng)可控整流后獲得，故Ｕd為連續(xù)可調(diào)。濾波電抗器Ｌd可使輸出的直流電流保持連續(xù)與穩(wěn)定，并可限制中頻電流進入工頻電網(wǎng)，起到交流隔離作用。逆變橋的每一個橋臂由一個晶閘管和一個限流電抗串聯(lián)組成，晶閘管ＶＴ1～ＶＴ4為快速型晶閘管，限流電抗器Ｌ1～Ｌ4用于限制電流上升率di/dt不超過晶閘管允許的數(shù)值。負載回路由感應線圈（Ｌ）和補償電容Ｃ并聯(lián)組成。感應線圈是中頻感應加熱爐的主要部件，通入中頻大電流時可產(chǎn)生中頻交變磁場，利用渦流和磁滯效應來使加熱爐中的金屬加熱或熔化。補償電容Ｃ用于補償負載的功率因數(shù)，同時用于逆變器的換流。（2）逆變器的工作原理當ＶＴ1、ＶＴ4定導通時，電流ia的路徑如圖2-15a所示。當觸發(fā)ＶＴ2、ＶＴ３時，經(jīng)過短暫的換流階段，ＶＴ2、ＶＴ３穩(wěn)定導通，而ＶＴ1、ＶＴ4關斷，電流ia的路徑如圖2-15c所示。一段時間后，再觸發(fā)ＶＴ1、ＶＴ4，經(jīng)過短暫的換流階段，ＶＴ1、ＶＴ4穩(wěn)定導通，而ＶＴ2、ＶＴ3關斷，電流ia的路徑又如圖2-15a所示。因此，流過負載的電流ia為交流電流。在輸出交流電的一個周期內(nèi)，逆變器有兩個穩(wěn)定的導通階段和兩個短暫的換流階段。在大電感Ｌd的恒流作用下，負載電流ia近似為交流矩形波。為獲得較高的功率因數(shù)和效率，晶閘管交替觸發(fā)的頻率與負載回路的諧振頻率接近，故負載電路工作在諧振狀態(tài)，對外加交流矩形波電流的基波分量呈現(xiàn)高阻抗，而對其它的高次諧波分量呈現(xiàn)低阻抗，因此負載上的電壓主要為基波正弦電壓。并聯(lián)逆變器的電壓、電流波形如圖2-16所示。

（3）逆變器的換流過程分析在輸出交流電的一個周期內(nèi)，逆變器有兩次換流過程。下面根據(jù)圖2-16所示的電壓、電流波形，分析逆變器的換流過程。在t1時刻，ＶＴ1、ＶＴ4已穩(wěn)定導通，負載電流ia＝Ｉd，近似為恒流。在t2時刻，負載兩端電壓ｕa（即電容Ｃ的電壓）的極性已為左正右負，如圖2-15a所示。此刻，觸發(fā)ＶＴ2、ＶＴ3導通，換流階段開始，換流