第三章 電力牽引變流器

主要內(nèi)容1、整流電路2、逆變電路3、斬波電路4、變頻電路第一節(jié)整流電路整流電路的分類(lèi)：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。整流電路是出現(xiàn)最早的電力電子電路，其作用是將交流電變?yōu)橹绷麟姟?、相控整流調(diào)壓的優(yōu)點(diǎn)：＃實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)端壓平滑無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)．可以減少調(diào)壓過(guò)程中的電流沖擊，使?fàn)恳姍C(jī)力矩變化平滑；＃無(wú)級(jí)調(diào)壓具有快速性，有利于更好地利用機(jī)車(chē)的慣性。＃采用相控調(diào)壓，可取消笨重的有觸點(diǎn)式調(diào)壓開(kāi)關(guān)，調(diào)壓時(shí)不必切換主電路，不會(huì)有電弧產(chǎn)生。3、相控整流調(diào)壓的缺點(diǎn)：交直型整流機(jī)車(chē)的最大缺點(diǎn)之一是功率因數(shù)較低和諧波分量較高。＃功率因數(shù)低，系統(tǒng)的利用率低，引起電網(wǎng)壓降，引起無(wú)功損耗。電網(wǎng)壓降與負(fù)載的無(wú)功功率大小成正比。＃諧波電流對(duì)通訊造成干擾，引起繼電保護(hù)誤動(dòng)作。

圖2-1

單相半波可控整流電路及波形1、帶電阻負(fù)載的工作情況變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用。電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00一、單相半波可控整流電路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)首先，引入兩個(gè)重要的基本概念：觸發(fā)延遲角：從晶閘管開(kāi)始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用a表示,也稱(chēng)觸發(fā)角或控制角。導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度，用θ表示。基本數(shù)量關(guān)系

VT的a移相范圍為180

通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱(chēng)為相位控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)相控方式。

直流輸出電壓平均值為(3-1)2、帶阻感負(fù)載的工作情況

圖2-2

帶阻感負(fù)載的單相半波電路及其波形阻感負(fù)載的特點(diǎn)：電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不發(fā)生突變。討論負(fù)載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導(dǎo)通角θ的關(guān)系。wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++對(duì)單相半波電路的分析可基于上述方法進(jìn)行：當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí)，相當(dāng)于電路在VT處斷開(kāi)，id=0。當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，相當(dāng)于VT短路。圖2-3單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關(guān)斷狀態(tài)b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)電力電子電路的一種基本分析方法通過(guò)器件的理想化，將電路簡(jiǎn)化為分段線性電路。器件的每種狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一種線性電路拓?fù)洹．?dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，如下方程成立：VTb)RLu2b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)（2-2）（2-4）初始條件：ωt=a

，id=0。求解式（2-2）并將初始條件代入可得當(dāng)ωt=θ+a

時(shí)，id=0，代入式（2-3）并整理得

（2-3）其中，負(fù)載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導(dǎo)通角θ的關(guān)系若j為定值，a

越大，在u2正半周L儲(chǔ)能越少，維持導(dǎo)電的能力就越弱，θ越小若a為定值，j

越大，則L貯能越多，θ越大；且j

越大，在u2負(fù)半周L維持晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就越接近晶閘管在u2正半周導(dǎo)通的時(shí)間，ud中負(fù)的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，輸出的直流電流平均值也越小。續(xù)流二極管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)圖2-4

單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形當(dāng)u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零，VT承受反壓關(guān)斷。L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過(guò)程通常稱(chēng)為續(xù)流。

數(shù)量關(guān)系(id近似恒為Id）（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）VT的a移相范圍為180

。簡(jiǎn)單，但輸出脈動(dòng)大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。分析該電路的主要目的建立起整流電路的基本概念。單相半波可控整流電路的特點(diǎn)二、橋式不控整流電路（2）整流輸出電壓1)帶電阻負(fù)載的工作情況a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖2-5

單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形工作原理及波形分析VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷。VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷。電路結(jié)構(gòu)二、單相橋式全控整流電路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)數(shù)量關(guān)系（2-9）a角的移相范圍為180

。向負(fù)載輸出的平均電流值為：流過(guò)晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：（2-10）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4流過(guò)晶閘管的電流有效值：變壓器二次測(cè)電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：由式（2-12）和式（2-13）得：不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量S=U2I2。（2-12）（2-13）（2-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,42、帶阻感負(fù)載的工作情況

u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4圖2-6

單相全控橋帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，晶閘管VT1和VT4并不關(guān)斷。至ωt=π+a時(shí)刻，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(guān)斷，流過(guò)VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過(guò)程稱(chēng)換相，亦稱(chēng)換流。

數(shù)量關(guān)系（2-15）晶閘管移相范圍為90

。晶閘管導(dǎo)通角θ與a無(wú)關(guān)，均為180

。電流的平均值和有效值：變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180

的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。晶閘管承受的最大正反向電壓均為。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,43、帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況圖2-7單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)—電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形在|u2|>E時(shí)，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。在a

角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。導(dǎo)通之后，

ud=u2，，

直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud=E。與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度δ停止導(dǎo)電，δ稱(chēng)為停止導(dǎo)電角，（2-16）b)idOEudwtIdOwtaqd當(dāng)α

<d時(shí)，觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。圖2-7b單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)—電阻負(fù)載時(shí)的波形電流斷續(xù)觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)wt=d時(shí)刻有晶閘管開(kāi)始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為d。如圖2-7b所示id波形所示：電流連續(xù)ub)idOEdwtIdOwtαqd負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)，則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將很軟。為了克服此缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器。這時(shí)整流電壓ud的波形和負(fù)載電流id的波形與阻感負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的波形相同，ud的計(jì)算公式也一樣。為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出：（2-17）圖2-8

單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況twwOud0Eidtpdaq=p單相橋式半控整流電路:電路結(jié)構(gòu)

單相全控橋中，每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，1個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電路。如此即成為單相橋式半控整流電路ud

圖2-10單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形電阻負(fù)載半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時(shí)的工作情況相同。單相半控橋帶阻感負(fù)載的情況

圖2-10單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形在u2正半周，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。

u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。在u2負(fù)半周觸發(fā)角a時(shí)刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，u2經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載供電。u2過(guò)零變正時(shí)，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR續(xù)流二極管的作用：避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。若無(wú)續(xù)流二極管，則當(dāng)a

突然增大至180

或觸發(fā)脈沖丟失時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，其平均值保持恒定【為0.45U2(1+COSα)/2】，稱(chēng)為失控。有續(xù)流二極管VDR時(shí)，續(xù)流過(guò)程由VDR完成，避免了失控的現(xiàn)象。續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，有利于降低損耗。單相橋式半控整流電路的另一種接法相當(dāng)于把圖2-5a中的VT3和VT4換為二極管VD3和VD4，這樣可以省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD3和VD4來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2-5單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形圖2-11單相橋式半控整流電路的另一接法控制段數(shù)越多，在相同的輸出電壓比的情況下，功率因數(shù)越高。段數(shù)多的負(fù)面影響是主電路復(fù)雜，元件數(shù)量越多，控制越復(fù)雜。采用四段半控橋已具有比較好的功率因數(shù)，多于四段控制的經(jīng)濟(jì)意義不大。五、多段橋順序控制目的：改善機(jī)車(chē)的功率因數(shù)，降低諧波干擾。1、二段半控橋式整流電路（6G）第一調(diào)節(jié)區(qū)：ＲＭ２閉鎖（α2=180o），ＲＭ１的T1、T2被觸發(fā)逐漸開(kāi)放，ＲＭ２的D3和Ｄ４續(xù)流，Ud由0～450V調(diào)節(jié)；第二調(diào)節(jié)區(qū)：ＲＭ1滿開(kāi)放（α1=0o

），ＲＭ２逐漸開(kāi)放，Ud由450～900V調(diào)節(jié)；第二階段：2、三段不等分橋式整流電路工作原理:XAx2a2x1a1ud2udo1/41/41/23、四段經(jīng)濟(jì)橋式整流電路第一階段：控制T1T2。第二階段：滿開(kāi)放T1T2,控制T3T4。第三階段：滿開(kāi)放T5T6,控制T1T2。第四階段：滿開(kāi)放T1T2、T5T6，控制T3T4。XAx2a2x1a1ud2udo1/41/41/2這種控制方式在第二階段向第三階段轉(zhuǎn)換的過(guò)程中采用開(kāi)關(guān)式跳躍。由于整流器的負(fù)載是感性負(fù)載，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中必然會(huì)引起操作電壓，加之邏輯轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，使系統(tǒng)的可靠性大大降低。故后期的SS4改機(jī)車(chē)均采用三段不等分半控調(diào)壓整流電路。SS8、SS9當(dāng)開(kāi)關(guān)橋轉(zhuǎn)換失敗后可自動(dòng)進(jìn)入三段不等分橋控制方式。結(jié)論：有級(jí)調(diào)速分有級(jí)調(diào)壓調(diào)速和有級(jí)弱磁調(diào)節(jié)速兩種；無(wú)級(jí)調(diào)速也分為無(wú)級(jí)調(diào)壓和無(wú)級(jí)弱磁兩種。二者比較：

無(wú)級(jí)調(diào)速可實(shí)現(xiàn)牽引電流和牽引力的連續(xù)調(diào)節(jié)；有級(jí)調(diào)速在級(jí)間變換時(shí)有電流沖擊和機(jī)械沖擊。三、整流電路的諧波和功率因數(shù)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛，由此帶來(lái)的諧波(harmonics)和無(wú)功(reactivepower)問(wèn)題日益嚴(yán)重，引起了關(guān)注。無(wú)功的危害：導(dǎo)致設(shè)備容量增加。使設(shè)備和線路的損耗增加。線路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動(dòng)。諧波的危害：降低設(shè)備的效率。影響用電設(shè)備的正常工作。引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。對(duì)通信系統(tǒng)造成干擾。1、諧波和無(wú)功功率分析基礎(chǔ)對(duì)于非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級(jí)數(shù)：正弦波電壓可表示為：n次諧波電流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示（2-57）電流諧波總畸變率THDi（TotalHarmonicdistortion）定義為（2-58）基波（fundamental）——頻率與工頻相同的分量諧波——頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量諧波次數(shù)——諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比2）功率因數(shù)正弦電路中的情況電路的有功功率就是其平均功率：（2-59）視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI

（2-60）無(wú)功功率定義為：Q=UIsinj

（2-61）功率因數(shù)l定義為有功功率P和視在功率S的比值：（2-62）

此時(shí)無(wú)功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關(guān)系：（2-63）功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差j決定的：l=cos

j（2-64）非正弦電路中的情況有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功率因數(shù)仍由式定義。不考慮電壓畸變，研究電壓為正弦波、電流為非正弦波的情況有很大的實(shí)際意義。非正弦電路的有功功率：P=UI1

cosj1（2-65）功率因數(shù)為：（2-66）

基波因數(shù)——(鈕）v=I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）——cosj

1功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變這兩個(gè)因素共同決定的。非正弦電路的無(wú)功功率定義很多，但尚無(wú)被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義。一種簡(jiǎn)單的定義是仿照式（2-63）給出的：（2-67）無(wú)功功率Q反映了能量的流動(dòng)和交換，目前被較廣泛的接受。也可仿照式（2-61）定義無(wú)功功率，為和式（2-67）區(qū)別，采用符號(hào)Qf，忽略電壓中的諧波時(shí)有：Qf=UI1

sinj

1(2-68）在非正弦情況下，，因此引入畸變功率D，使得：（2-69）Qf為由基波電流所產(chǎn)生的無(wú)功功率，D是諧波電流產(chǎn)生的無(wú)功功率。1、不控整流電路的功率因數(shù)uwtwtii1uiid假設(shè)：L=∞，整流電流平直，不考慮換向重疊角γ，則電流i為方波。對(duì)輸入電流進(jìn)行傅利葉分解，可得：由于輸入電流正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)，所以其直流分量為零。即根據(jù)假設(shè)，變壓器原邊繞組流過(guò)的方波電流與電網(wǎng)電壓同相位?？梢?jiàn)不控整流電路的功率因數(shù)較高，達(dá)到0.9。相移系數(shù)電流畸變系數(shù)功率因數(shù)諧波系數(shù)2、全控整流電路的功率因數(shù)idiuT1T3T2T4+Ud-i1iwtwtuIdwtudαφ假設(shè)：L=∞，整流電流平直，不考慮換向重疊角γ，則電流i為方波。電流與電壓不同相，電流滯后電壓一個(gè)角度，此角度為電路的控制角α。根據(jù)電壓的波形，可以計(jì)算出整流電壓的平均值:Ud0

為α=0時(shí)的整流電壓平均值，也是整流電路的最大輸出電壓平均值。對(duì)輸入電流進(jìn)行傅利葉分解，可得：由于輸入電流正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)，所以其直流分量為零。即i1iwtIdαπ+α2π+α同理：可見(jiàn)，輸入電流只存在奇數(shù)次諧波,不存在偶數(shù)次諧波。（2-72）變壓器二次側(cè)電流諧波分析：n=1,3,5,…（2-73）電流中僅含奇次諧波。各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)?；娏饔行е禐?/p>

（2-74）

i2的有效值I=Id，結(jié)合式（2-74）可得基波因數(shù)為

電流基波與電壓的相位差就等于控制角

，故位移因數(shù)為（2-76）所以，功率因數(shù)為

（2-77）功率因數(shù)計(jì)算根據(jù)以上推導(dǎo)，可得：n次諧波的移相角可見(jiàn)，基波電流滯后于電源電壓，基波電流相位角等于控制角。全控整流電路的參數(shù):3、半控整流電路的功率因數(shù)uiidudwtIduwtwtii1假設(shè)：L=∞，整流電流平直，不考慮換向重疊角γ，則電流i為方波。與全控橋的分析方法一樣，對(duì)半控橋輸入電流進(jìn)行傅利葉分解，可得：由于輸入電流正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)，所以其直流分量為零。即Idwti可見(jiàn)，電流基波滯后電源電壓的角度是α/2。不控整流橋功率因數(shù)恒定為0.9，較高；全控橋功率因數(shù)與Ud/Ud0成正比，即與cosa成正比，在控制角a較小時(shí)，功率因數(shù)較大，在控制角a較大時(shí)，功率因數(shù)較??；半控橋介于不控與全控之間，比全控橋功率因數(shù)高，諧波含量較低。小結(jié)Ud/Ud0PF不控橋半控橋全控橋結(jié)論：半控橋的功率因數(shù)值在相同的輸出電壓情況下比全控橋高。這也是交-直傳動(dòng)機(jī)車(chē)采用半控整流橋的原因。調(diào)壓在滿壓附近PF超過(guò)0.9，這是因?yàn)棣耍?.9。但當(dāng)輸出電壓小于0.5Udo功率因數(shù)很小，故可采用多段橋調(diào)壓以提高低壓區(qū)的功率因數(shù)。實(shí)際電路中采用的功率因數(shù)補(bǔ)償方法：1、采用多段橋2、采用功率因數(shù)補(bǔ)償器連接：跨接在機(jī)車(chē)主變壓器二次側(cè)繞組的兩端。種類(lèi)：（RC效果差，且電容沖擊電流大，故少采用）作用原理：在基波網(wǎng)壓的作用下，對(duì)基波呈容性，提供容性無(wú)功電流，減少相控機(jī)車(chē)滯后的負(fù)載電流，從而提高機(jī)車(chē)的功率因數(shù)。也減少了干擾電流。第二節(jié)逆變電路逆變的概念

逆變——與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速以及高壓直流輸電等。交流側(cè)接負(fù)載，為無(wú)源逆變。對(duì)于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱(chēng)為變流電路。逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變主要應(yīng)用：各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。1、直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)圖2-44直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EG

>EM

b）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EM>EG

c）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)同極性相接時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢(shì)高的流向低的，回路電阻小，可在兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)間交換很大的功率。一、有源逆變2、逆變產(chǎn)生的條件單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī)圖2-45

單相全波電路的整流和逆變交流電網(wǎng)輸出電功率電動(dòng)機(jī)輸出電功率a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUd>EMu10udu20u10OOwtwtIdiddaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1從上述分析中，可以歸納出產(chǎn)生逆變的條件有二：有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向一致，其值大于變流器直流側(cè)平均電壓。晶閘管的控制角

>/2，使Ud為負(fù)值。半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負(fù)值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動(dòng)勢(shì)，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。逆變和整流的區(qū)別：控制角

不同

0<

<p

/2

時(shí)，電路工作在整流狀態(tài)。

p

/2<

<

p時(shí)，電路工作在逆變狀態(tài)。可沿用整流的辦法來(lái)處理逆變時(shí)有關(guān)波形與參數(shù)計(jì)算等各項(xiàng)問(wèn)題。把a(bǔ)>p/2時(shí)的控制角用p-

=b表示，b稱(chēng)為逆變角。逆變角b和控制角a的計(jì)量方向相反，其大小自b=0的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。3、逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失?。孀冾嵏玻?/p>

逆變時(shí)，一旦換相失敗，外接直流電源就會(huì)通過(guò)晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動(dòng)勢(shì)變成順向串聯(lián)，形成很大短路電流。觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時(shí)等，致使晶閘管不能正常換相。晶閘管發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通。交流電源缺相或突然消失。換相的裕量角不足，引起換相失敗。1)逆變失敗的原因換相重疊角的影響：圖2-47交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響當(dāng)b>g時(shí)，換相結(jié)束時(shí)，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。如果b<g時(shí)（從圖2-47右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT1）會(huì)關(guān)斷，而應(yīng)關(guān)斷的晶閘管（VT3)不能關(guān)斷，最終導(dǎo)致逆變失敗。udOOidwtwtuaubucuaubpbgb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT3222)確定最小逆變角bmin的依據(jù)逆變時(shí)允許采用的最小逆變角b應(yīng)等于bmin=d+g+q′

（2-109）d——晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq折合的電角度g——

換相重疊角q′——安全裕量角tq大的可達(dá)200~300ms，折算到電角度約4

~5

。隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。主要針對(duì)脈沖不對(duì)稱(chēng)程度（一般可達(dá)5

）。值約取為10

。g——

換相重疊角的確定：查閱有關(guān)手冊(cè)舉例如下：整流電壓整流電流變壓器容量短路電壓比Uk%g220V800A240kV。A5%15

~20

參照整流時(shí)g的計(jì)算方法（2-110）（2-111）根據(jù)逆變工作時(shí)，并設(shè)，上式可改寫(xiě)成這樣，bmin一般取30

~35

。以單相橋式逆變電路為例說(shuō)明最基本的工作原理二、無(wú)源逆變電路的基本工作原理圖5-1逆變電路及其波形舉例負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。S1、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)。直流電交流電逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖5-1逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同。換流——電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱(chēng)為換相。開(kāi)通：適當(dāng)?shù)拈T(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件開(kāi)通。關(guān)斷：全控型器件可通過(guò)門(mén)極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。1、電壓型逆變電路1）逆變電路的分類(lèi)——根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變電路——又稱(chēng)為電壓源型逆變電路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電流型逆變電路——又稱(chēng)為電流源型逆變電路CurrentSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電流源2）電壓型逆變電路的特點(diǎn)圖5-5

電壓型全橋逆變電路

(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)。

(2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。

(3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。（1）半橋逆變電路u圖5－6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理V1和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2。V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱(chēng)為反饋二極管,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱(chēng)續(xù)流二極管。優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，使用器件少。缺點(diǎn)：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用：用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合。2)全橋逆變電路共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通180°。輸出電壓合電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。Um=Ud改變輸出交流電壓的有效值只能通過(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。阻感負(fù)載時(shí)，還可采用移相得方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓－移相調(diào)壓。V3的基極信號(hào)比V1落后q

（0＜q

＜180°）。輸出電壓是正負(fù)各為q的脈沖。改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。3、三相電壓型逆變電路三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路圖5-9三相電壓型橋式逆變電路VT1VT2VT3VT4VT5VT60°觸發(fā)導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通60°導(dǎo)通觸發(fā)導(dǎo)通導(dǎo)通120°導(dǎo)通導(dǎo)通觸發(fā)導(dǎo)通180°導(dǎo)通導(dǎo)通觸發(fā)導(dǎo)通240°導(dǎo)通導(dǎo)通觸發(fā)導(dǎo)通300°導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通基本工作方式——180°導(dǎo)電方式圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形每橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度差120°。任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱(chēng)為縱向換流。圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形波形分析負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N'的電壓：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2。負(fù)載線電壓負(fù)載相電壓圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓

負(fù)載三相對(duì)稱(chēng)時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是

負(fù)載已知時(shí)，可由uUN波形求出iU波形。一相上下兩橋臂間的換流過(guò)程和半橋電路相似。橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60°脈動(dòng)一次，直流電壓基本無(wú)脈動(dòng)，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)。防止同一相上下兩橋臂的開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通”4、交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)主電路1）、電壓型四象限脈沖變流器（二點(diǎn)式）該電路有12種工作狀態(tài),這些工作狀態(tài)在工作時(shí)并不是按順序出現(xiàn)的。第一階段:VD1、VT3導(dǎo)通Us1=0,iF為正,不斷增加。電路處于電源短接狀態(tài)。第2階段:VD1、VD4導(dǎo)通Us1=Ud,iF為正,不斷減少,整流狀態(tài)。第三階段:VT2、VT3導(dǎo)通電容和電源串聯(lián)向電感充電.Us1=-Ud,iF為正,數(shù)值不斷增加，電路處于逆變狀態(tài)。第四階段:導(dǎo)通VD2，VT4電感向電源放電.Us1=0,iF為負(fù),數(shù)值不斷減少，電路處于電源短接狀態(tài)。第五階段：導(dǎo)通VT1、VT4電容向電源和電感充電.Us1=Ud,iF為負(fù),數(shù)值不斷增加，電路處于逆變狀態(tài)。第六階段：VD2、VD3導(dǎo)通電感向電源和負(fù)載放電.Us1=-Ud,iF為負(fù),數(shù)值不斷減少，電路處于整流狀態(tài)。第七階段：VT2、VD4導(dǎo)通電感向電源放電.Us1=0,iF為正,數(shù)值不斷減少，電路處于電源短接狀態(tài)。第八階段:VT2、VT3導(dǎo)通電容和電源串聯(lián)向電感充電.Us1=-Ud,iF為正,數(shù)值不斷增加，電路處于逆變狀態(tài)。第9階段:VD1、VD4導(dǎo)通Us1=Ud,iF為正,不斷減少,整流狀態(tài).第十階段:導(dǎo)通VT1、VD3電感向電源放電.Us1=0,iF為負(fù),數(shù)值不斷減少，電路處于電源短接狀態(tài)。第11階段：VD2、VD3導(dǎo)通電感和電源向負(fù)載放電.Us1=-Ud,iF為負(fù),數(shù)值不斷減少，電路處于整流狀態(tài)。第12階段：導(dǎo)通VT1、VT4電容和電源串聯(lián)向電感充電.Us1=Ud,iF為負(fù),數(shù)值不斷增加，電路處于逆變狀態(tài)。第三節(jié)直流斬波電路直流斬波電路（DCChopper）將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電也稱(chēng)為直流--直流變換器（DC/DCConverter）一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡话ㄖ绷鳌涣鳌绷?/p>

直流斬波電路的種類(lèi)

6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路復(fù)合斬波電路——不同基本斬波電路組合多相多重?cái)夭娐贰嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合基本斬波電路重點(diǎn)介紹最基本的兩種基本電路

---降壓斬波電路

---升壓斬波電路3.1電路結(jié)構(gòu)全控型器件

若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負(fù)載出現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì)典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載。

一、

降壓斬波電路（BuckChopper)工作原理c)

電流斷續(xù)時(shí)的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時(shí)的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)

電路圖圖3-1

降壓斬波電路得原理圖及波形t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時(shí)控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。3.1.1數(shù)量關(guān)系電流連續(xù)負(fù)載電壓平均值：（3-1）（3-2）ton——V通的時(shí)間toff——V斷的時(shí)間a--導(dǎo)通占空比

電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。負(fù)載電流平均值：斬波電路三種控制方式T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）。ton不變，變T—頻率調(diào)制。ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型。此種方式應(yīng)用最多電力電子電路的實(shí)質(zhì)上是分時(shí)段線性電路的思想?；凇胺侄尉€性”的思想，對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析。分V處于通態(tài)和處于斷態(tài)初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)同樣可以從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo)

由于L為無(wú)窮大，故負(fù)載電流維持為Io不變電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為在整個(gè)周期T中，負(fù)載消耗的能量為輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等。I1為電源電流的平均值

負(fù)載電流斷續(xù)的情況：輸出電壓不僅與占空比有關(guān)，還與反電勢(shì)大小有關(guān)。

（3-1