電氣類畢業(yè)設(shè)計(jì)---三相有源逆變器的控制與建模

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文分析了三相有源逆變電路（三相半波和全控橋式有源逆變電路）的工作原理以及控制方法。分析了相控角α的大小以及直流側(cè)負(fù)載情況和變換器的工作狀態(tài)的關(guān)系。采用開環(huán)相控觸發(fā)方式，在Matlab/Simulink下建立了三相全控橋式變換電路的仿真模型，通過調(diào)整其觸發(fā)角（α>90°），并且直流側(cè)接絕對(duì)值大于變換器直流測(cè)輸

2、出平均電壓絕對(duì)值的反電動(dòng)勢(shì)，使之工作在有源逆變的狀態(tài)。通過仿真得到了較為理想的波形結(jié)果，仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：Matlab/Simulink；有源逆變電路；相控</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The paper focuses on the three-phas

3、e active inversion the circuit by the introduction to the electric circuit of active inversion(Three-phase half-wave and full control of active inverter bridge) and analysis concretely the relation of active inverter out

4、put voltage，controlled angle and load characteristics. By using open-loop phase control mode，it establish simulation Model of Three-phase fully-controlled bridge rectifier and active inverter in the environment of Matlab

5、 / Simulink and gain more</p><p>　　Keywords: Matlab / Simulink; Active Inverter Circuit; Phase Control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要..................................

6、.......................................................................I</p><p>　　Abstract........................................................................................................II</p>

7、<p>　　1緒論..............................................................................................................1</p><p>　　1.1 Matlab語(yǔ)言簡(jiǎn)介.........................................................

8、.............................1</p><p>　　1.2 有源逆變電路工作原理..........................................................................1</p><p>　　1.3 控制方法...............................................

9、.................................................2</p><p>　　1.4 三種有源逆變模式單元電路的比較..................................................7</p><p>　　2 有源逆變與相控變流器特性........................................

10、............................9</p><p>　　2.1 有源逆變電路的工作原理.....................................................................9</p><p>　　2.2 三相橋式整流電路................................................

11、................................12</p><p>　　2.3 三相有源逆變電路................................................................................19</p><p>　　2.4 有源逆變的應(yīng)用...................................

12、.................................................28</p><p>　　2.5 小結(jié)........................................................................................................33</p><p>　　3 三相有源逆變電路的

13、仿真.......................................................................34</p><p>　　3.1 三相全控橋式有源逆變電路建模........................................................34</p><p>　　3.2 仿真結(jié)果分析.............

14、...........................................................................37</p><p>　　4 結(jié)論...........................................................................................................39</p&

15、gt;<p>　　參考文獻(xiàn).......................................................................................................40</p><p>　　致謝......................................................................

16、.........................................41</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　在電力電子技術(shù)中，把交流電能變成直流電源的過程稱為整流，而把直流電能變換成交流電能的過程則稱之為逆變，它是整流的逆過程。在逆變電路中，按照負(fù)載性質(zhì)的不同，逆變電路可以分為有源逆變和無(wú)緣逆變。如果把該電路的交流側(cè)接到交

17、流電源上，把直流電能經(jīng)過直—交變換，逆變成與交流電源同頻率的交流電返回到電網(wǎng)中，稱之為有源逆變。相應(yīng)的設(shè)備就稱之為有源逆變器，控制角大于90的相控整流器為常見的有源逆變器[1]。</p><p>　　本文主要對(duì)有源逆變電路進(jìn)行討論，也對(duì)其控制方式進(jìn)行了一定的了解。并應(yīng)用Matlab的可視化仿真工具Simulink對(duì)三相全控橋式有源逆變電路進(jìn)行建模，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，并得出了較為理想的仿真結(jié)果[2]。采用Ma

18、tlab來仿真電力電子技術(shù)課程中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，和傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)比,更直觀更快捷。</p><p>　　1.1 Matlab語(yǔ)言簡(jiǎn)介</p><p>　　Matlab軟件提供的仿真工具箱Simulink是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的仿真軟件，可以根據(jù)用戶的需要方便地為系統(tǒng)建立模型，并且十分直觀，仿真精度高，結(jié)果準(zhǔn)確。特別是PSB（電力系統(tǒng)模塊庫(kù)）中包含了大量的電力電子功能模塊，為我們的仿真提供了極大

19、的便利。</p><p>　　Matlab語(yǔ)言最初是在1980年由美國(guó)的CleVeMoler博士研制的，最初目的是為線性代數(shù)等課程提供一種方便可行的實(shí)驗(yàn)手段。Matlab提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具——Simulink工具箱。在Matlab中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)PSB以Simulink為運(yùn)算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個(gè)子模塊組成:電源模塊庫(kù)、連接模

20、塊庫(kù)、測(cè)量模塊庫(kù)、基本件模塊庫(kù)、電力電子模塊庫(kù)、電機(jī)模塊庫(kù)[3] [5]。在這6個(gè)基本模塊庫(kù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)需要還可以組合出常用的、復(fù)雜的其它模塊添加到所需的模塊庫(kù)中，為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來更多的方便[4]。</p><p>　　1.2 有源逆變電路工作原理</p><p>　　三相全控橋式有源逆變電路實(shí)質(zhì)上是三相全控橋式可控整流電路工作的一個(gè)特定狀態(tài)，三相半波逆變電路原理圖如圖1.1所

21、示。要使整流電路工作于逆變狀態(tài)，是必須有兩個(gè)條件的：</p><p>　　(1)變流器的輸出Ud能夠改變極性。因?yàn)榫чl管的單向?qū)щ娦裕娏鱅d不能改變方向，為了實(shí)現(xiàn)有源逆變，必須去改變Ud的電極性。只要使變流器的控制角α>90°即可[5]。</p><p>　　(2)必須要有外接的直流電源E，并且直流電源E也要可以改變極性，并且|E|>|Ud|。當(dāng)這兩個(gè)條件都滿足的前

22、提下，就可以實(shí)現(xiàn)有源逆變。</p><p>　　圖1.1 三相全控有源逆變電路</p><p><b>　　1.3 控制方法</b></p><p>　　1.3.1 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)</p><p>　　脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用

23、微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 </p><p>　　脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)[6]。 </p>

24、<p>　　PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一[7]。</p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制P

25、WM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。 </p><p>　　模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9V，而

26、是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在{0V, 5V}這一集合中取值。 </p><p>　　模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制，如對(duì)汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡(jiǎn)單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變??；流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少

27、，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。 </p><p>　　盡管模擬控制看起來可能直觀而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲

28、很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。 </p><p>　　通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。</p><p>　　PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變

29、為邏輯0或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 </p><p>　　對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。</p><p>　　總之，PWM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工

30、程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。</p><p>　　1.3.2 SPWM</p><p>　　PWM的全稱是Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制），它是通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。廣泛地用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速和閥門控制，比如我們現(xiàn)在的電動(dòng)車電機(jī)調(diào)速就是使用這種方式。 </p><p>　　所謂SPWM，就是在PWM的基礎(chǔ)上改變

31、了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等，比如高級(jí)一些的UPS就是一個(gè)例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領(lǐng)域被廣泛的采用。 </p><p>　　SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法.前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有

32、慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案。</p><p><b>　　(1) 等面積法 </b></p>

33、;<p>　　該方案實(shí)際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過查表的方式生成PWM信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。 </p><p

34、>　　(2) 硬件調(diào)制法 </p><p>　　硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就

35、可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。 </p><p>　　(3) 軟件生成法 </p><p>　　由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。 </p><p>　　(4) 自然采樣法 </p&g

36、t;<p>　　以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較，在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程，計(jì)算繁瑣，難以實(shí)時(shí)控制。 </p><p>　　(5) 規(guī)則采樣法 </p><p>　　規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方

37、法，一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)SPWM法。當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)(或底點(diǎn))位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對(duì)稱的，這種方法稱為對(duì)稱規(guī)則采樣。當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期(此時(shí)為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并

38、不對(duì)稱，這種方法稱為非對(duì)稱規(guī)則采樣。 </p><p>　　規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡(jiǎn)單，便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算，其中非對(duì)稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。 </p><p>　　以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中。 </p><p>　　(6) 低次諧波消去法 </p><p

39、>　　低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法.其原理是對(duì)輸出電壓波形按傅氏級(jí)數(shù)展開，表示為,首先確定基波分量a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0，就可以建立三個(gè)方程，聯(lián)立求解得a1，a2及a3，這樣就可以消去兩個(gè)頻率的諧波。 </p><p>　　該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波，但是，剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大，而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)。該方法同樣只適用于同步

40、調(diào)制方式中。</p><p>　　(7) 梯形波與三角波比較法 </p><p>　　前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如SPWM法，其直流電壓利用率僅為86.6%。因此，為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法--梯形波與三角波比較法。該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)

41、現(xiàn)PWM控制。</p><p>　　由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中含有5次，7次等低次諧波。</p><p>　　1.3.3空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）</p><p>　　空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width

42、Modulation)。SVPWM的主要思想是:以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)三相對(duì)稱電動(dòng)機(jī)定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不同開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成PWM波，以所形成的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫰錅?zhǔn)確磁鏈圓。傳統(tǒng)的SPWM方法從電源的角度出發(fā)，以生成一個(gè)可調(diào)頻調(diào)壓的正弦波電源，而SVPWM方法將逆變系統(tǒng)和異步電機(jī)看作一個(gè)整體來考慮，模型比較簡(jiǎn)單，也便于微處理器的實(shí)時(shí)控制。 </p><p>　　普通的三相全橋

43、是由六個(gè)開關(guān)器件構(gòu)成的三個(gè)半橋. 這六個(gè)開關(guān)器件組合起來（同一個(gè)橋臂的上下半橋的信號(hào)相反）共有8種安全的開關(guān)狀態(tài). 其中000、111（這里是表示三個(gè)上橋臂的開關(guān)狀態(tài)）這兩種開關(guān)狀態(tài)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中都不會(huì)產(chǎn)生有效的電流。因此稱其為零矢量。另外6種開關(guān)狀態(tài)分別是六個(gè)有效矢量。它們將360度的電壓空間分為60度一個(gè)扇區(qū)，共六個(gè)扇區(qū)。利用這六個(gè)基本有效矢量和兩個(gè)零量?？梢院铣?60度內(nèi)的任何矢量[8]。 </p><p>

44、　　當(dāng)要合成某一矢量時(shí)先將這一矢量分解到離它最近的兩個(gè)基本矢量。而后用這兩個(gè)基本矢量矢量去表示。而每個(gè)基本矢量的作用大小就利用作用時(shí)間長(zhǎng)短去代表。 </p><p>　　在變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，矢量方向是連續(xù)變化的，因此我們需要不斷的計(jì)算矢量作用時(shí)間。為了計(jì)算機(jī)處理的方便，在合成時(shí)一般是定時(shí)去計(jì)算（如每0.1ms計(jì)算一次）。這樣我們只要算出在0.1ms內(nèi)兩個(gè)基本矢量作用的時(shí)間就可以了。由于計(jì)算出的兩個(gè)時(shí)間的總合可能并不

45、是0.1ms(比這小)，而那剩下的時(shí)間就按情況插入合適零矢量[9]。 由于在這樣的處量時(shí)，合成的驅(qū)動(dòng)波形和PWM很類似。因此我們還叫它PWM，又因這種PWM是基于電壓空間矢量去合成的，所以就叫它SVPWM了。</p><p>　　需要明白的是，SVPWM本身的產(chǎn)生原理與PWM沒有任何關(guān)系。只是象罷了。SVPWM的合成原理是個(gè)很重要的，它并不只用在SVPWM，在其它一些應(yīng)用中也很有用的。</p>&l

46、t;p>　　本論文將采用傳統(tǒng)的相控控制技術(shù)。</p><p>　　1.4 三種有源逆變模式單元電路的比較</p><p>　　有源逆變器從控制方式上分，主要有三種：相位控制，相移控制以及 PWM 控制。</p><p>　　1.4.1 相位控制</p><p>　　相位控制主要針對(duì)晶閘管變流電路。它可以工作在整流狀態(tài)，也可工作在有源逆變

47、狀態(tài)。所謂相位控制是指通過控制晶閘管的觸發(fā)角使電路處于有源逆變狀態(tài)，并可控制有源逆變器的直流側(cè)電壓。有源逆變器要想工作在逆變狀態(tài)，需滿足如下條件：</p><p>　　a)直流電動(dòng)勢(shì)極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，且其絕對(duì)值大于變流電路直流側(cè)的平均電壓。</p><p>　　b)晶閘管觸發(fā)角α > π /2，使Ud 為負(fù)值，以防止兩電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)。在Matlab 中對(duì)此電路進(jìn)行仿真，得

48、到輸出電流所示，可以看出A，B，C 三相電流為正負(fù)交替方波，在一周期內(nèi)正負(fù)電流均為120°，各相電流相錯(cuò)120°。對(duì)網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行傅立葉分析可得電流THD=29.57%。晶閘管有源逆變電路輸出電流相位取決于晶閘管的觸發(fā)角，由于晶閘管非自關(guān)斷器件，逆變電路為電網(wǎng)換流，為了避免逆變失敗或逆變顛覆，要求最小逆變角β (β = π ?α )為30°~35°，這個(gè)條件很大的限制了電流的移相范圍。若要使電能以單

49、位功率因數(shù)回饋電網(wǎng)，需使β =0，這在現(xiàn)實(shí)中不可能達(dá)到。</p><p>　　1.4.2 相移控制</p><p>　　相移控制與相位控制原理基本相同，但它是針對(duì)可關(guān)斷器件的控制方式，通過控制開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，便可控制有源逆變器輸出電壓及輸出電流，控制信號(hào)的相位移動(dòng)直接控制著輸出電壓或輸出電流的相位移動(dòng)。相移控制可應(yīng)用于電壓型及電流型有源逆變器中，輸出電壓或輸出電流為方波。</p

50、><p>　?。?）電壓型有源逆變器</p><p>　　三相電壓型相移控制逆變電路，采用120°導(dǎo)通方式。輸出電壓為方波，其相位由開關(guān)器件的控制信號(hào)決定。而輸出電流與逆變器交流側(cè)電壓，電網(wǎng)電壓，網(wǎng)側(cè)電阻，電感都有關(guān)系，不易控制其相位。電流總諧波畸變THD 約為9.2%。</p><p>　?。?）電流型有源逆變器</p><p>　　

51、三相電流型方波逆變電路采用120°導(dǎo)通方式，得到輸出電流波形可見，輸出電流為正負(fù)120°導(dǎo)通的方波，其相位可隨意控制，所以網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可達(dá)1。電流總諧波畸變THD=31.06%。</p><p>　　1.4.3 PWM</p><p>　　三相 PWM 逆變電路用直接電流控制中的滯環(huán)電流控制模式，可任意控制網(wǎng)側(cè)電流的幅值及相位。輸出電流的波形所示，可見輸出電流的正弦度

52、很高，當(dāng)滯環(huán)寬度為1%時(shí)，電流THD=2.21%。采用滯環(huán)PWM 控制雖然電流響應(yīng)速度快，總諧波畸變小， 但開關(guān)頻率高低懸殊，可從幾KHz 到幾十KHz。</p><p>　　2 有源逆變與相控變流器特性</p><p>　　2.1有源逆變電路的工作原理</p><p>　　整流是把交流電變換成直流電供給負(fù)載，那么，能不能反過來，利用相控整流電路把直流電變?yōu)榻涣麟娔?/p>

53、？完全可以。我們把這種整流的逆過程稱為逆變。在許多場(chǎng)合，同一套晶閘管或其他可控電力電子變流電路既可作整流又可作逆變，這種裝置稱為逆變流裝置或變流器。根據(jù)逆變輸出交流電能去向的不同，所有逆變電路又分為有源逆變和無(wú)源逆變兩種，前者以電網(wǎng)為負(fù)載，將逆變輸出的交流電能回送到電網(wǎng)，后者則以用電器為負(fù)載，如交流電機(jī)、電爐等。無(wú)源逆變又稱為變頻器，將在以后講述，本章以晶閘管電路為例討論有源逆變[10] [11]。</p><p&g

54、t;　　2.1.1有源逆變的工作原理</p><p>　　用單項(xiàng)橋式可控整流電路能替代直流發(fā)電機(jī)給直流電動(dòng)機(jī)供電，為使電流連續(xù)而平穩(wěn)，在回路中串接平波電抗器Ld。為便于分析，忽略變壓器漏抗與晶閘管正向壓降等的影響，這樣，一個(gè)由單項(xiàng)橋式可控整流電路供電的晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)就形成了。在正常情況下，有兩種工作狀態(tài)，其電壓波形分別示于圖2.1(a)、（b）中。</p><p><b>

55、;　?。╝）整流狀態(tài)</b></p><p><b>　?。╞）逆變狀態(tài)</b></p><p>　　圖2.1 晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)變流器的兩種工作狀態(tài)</p><p>　?。?）變流器工作于整流狀態(tài)。</p><p>　　在圖2.1（a）中，設(shè)變流器工作于整流狀態(tài)，由單相全控整流電路的分析可知，大電感負(fù)載

56、在整流狀態(tài),控制角α的移相范圍為，Ud為正值，輸出端P點(diǎn)電位高于N點(diǎn)電位，并且Ud應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)E，才能使變流器輸出電能供給電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行。此時(shí)電能由交流電網(wǎng)向直流電源（即直流電動(dòng)機(jī)M的反電勢(shì)E）饋電，回路電流,在整流狀態(tài)下，晶閘管大部分時(shí)間工作于電源電壓的正半周，承受的阻斷電壓主要為反向阻斷電壓，且其正向阻斷時(shí)間對(duì)應(yīng)著晶閘管的控制角α。</p><p>　　（2）變流器工作于逆變狀態(tài)（）。</p&

57、gt;<p>　　在圖2.1（b）中，設(shè)電機(jī)M作發(fā)電機(jī)運(yùn)行（再生制動(dòng)），由于晶閘管元件的單相導(dǎo)電性，回路內(nèi)電流不能反向，從電機(jī)方面來說，只有改變電機(jī)電流的流動(dòng)方向，即改變電機(jī)端電壓的極性。在圖2.1（b）中，反電勢(shì)E的極性已反了過來，實(shí)現(xiàn)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茏骰仞佒苿?dòng)運(yùn)行；在整流電路方面必須有能吸收電能反饋回電網(wǎng)的吸收裝置，也就是說，整流電路直流側(cè)輸出電壓平均值Ud的極性也必須反過來，即N點(diǎn)電位為正，P點(diǎn)電位為負(fù)，且電機(jī)

58、電勢(shì)E應(yīng)大于Ud，此時(shí)電流值為，電路內(nèi)電能的流向與整流時(shí)相反，電動(dòng)機(jī)輸出電功率，電網(wǎng)則作為伏在吸引電功率，實(shí)現(xiàn)了有源逆變。為了防止過電流，應(yīng)滿足，在恒定勵(lì)磁下，E取決于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而Ud則由調(diào)節(jié)控制角α來實(shí)現(xiàn)。從整流電路的分析可知，在電流連續(xù)條件下，整流電路輸出平均電壓Ud與控制角α的關(guān)系為</p><p>　　。 （2.1）</p><p>

59、;　　由此可見，只要保持電流連續(xù)的條件，控制角α的變化，不但可以改變Ud的大小，而且可以改變Ud的極性，當(dāng)時(shí)，Ud為負(fù)值，正適合于逆變工作的范圍。在逆變工作狀態(tài)下，晶閘管大部分時(shí)間都工作于交流電源的負(fù)半周，承受的阻斷電壓主要為正向阻斷電壓，且其反向阻斷時(shí)間對(duì)應(yīng)著晶閘管的逆變角β（），如圖2.1（b）所示。</p><p>　　2.1.2實(shí)現(xiàn)有源逆變的條件</p><p>　　由上述有源逆變

60、工作狀態(tài)的原理分析可知，實(shí)現(xiàn)有源逆變必須同時(shí)滿足兩個(gè)基本條件：其一是外部條件，即要有一個(gè)能提供逆變能量的直流電源，如上例的電動(dòng)機(jī)電勢(shì)E，這個(gè)直流電勢(shì)是電能從變流器直流側(cè)逆向送回交流電網(wǎng)的源泉，直流電勢(shì)源的極性及大小應(yīng)能實(shí)現(xiàn)電能從直流側(cè)輸出送回變流器；其二是內(nèi)部條件，即變流器在控制角的范圍內(nèi)工作，使變流器輸出的平均電壓Ud的極性與整流狀態(tài)時(shí)相反，大小應(yīng)和直流電勢(shì)源配合，完成反饋直流電能回交流電網(wǎng)的功能[12]。</p>&l

61、t;p>　　從上面的分析可以看出，整流和逆變、交流和直流在晶閘管變換器中互相聯(lián)系著，并在一定條件下可互相轉(zhuǎn)換，同一個(gè)變流器，既可以作整流器，又可以做整流器，又可以做逆變器，其關(guān)鍵是內(nèi)部和外部的條件[13]。逆變電路的工作原理，參量關(guān)系及分析方法等都和整流電路密切相關(guān)，并在很多方面是一致的。</p><p>　　晶閘管整流器有源逆變條件的獲得，必須具體情況進(jìn)行具體分析。例如，在直流拖動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)同一個(gè)變流器從

62、整流狀態(tài)轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，這意味著電動(dòng)機(jī)一定要從電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，要求電動(dòng)機(jī)電樞電勢(shì)E的極性隨之改變。對(duì)于某些生產(chǎn)機(jī)械，如直流卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)中，電勢(shì)E的極性隨重物的“提升”與“下放”自行改變，但在大多數(shù)場(chǎng)合，生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)電機(jī)不會(huì)自動(dòng)改變電樞電勢(shì)的極性，例如電力機(jī)車，在上下坡道行駛時(shí)，因車輪轉(zhuǎn)向不變，在下坡發(fā)電制動(dòng)時(shí)，其電樞電勢(shì)E的極性不能自行改變，為此必須采取其他措施，如可使勵(lì)磁電流反向或反接電樞電路[14]。在可逆拖動(dòng)

63、系統(tǒng)中，通常采用兩套反并聯(lián)的變流器相互切換，如正組整流，電機(jī)正轉(zhuǎn)電動(dòng)，用反組來完成有源逆變實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)制動(dòng)；反組整流，點(diǎn)擊反轉(zhuǎn)電動(dòng)，用正組來完成有源逆變，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)制動(dòng)，等等[15]。</p><p>　　不難分析，半控橋式電路或具有續(xù)流二極管的電路，因?yàn)椴豢赡茌敵鲐?fù)電壓，變流器不能實(shí)現(xiàn)有源逆變，而且也不允許直流側(cè)出現(xiàn)反極性的直流電勢(shì)。</p><p>　　2.2 三相橋式整流電路<

64、/p><p>　　工業(yè)廣泛應(yīng)用的三相橋式全控整流電路，是由兩組三相半波整流電路串聯(lián)而成的，一組三相半波整流電路為共陰極接線，另一組是共陽(yáng)極，如圖2.2（a）所示。如果它們的負(fù)載完全相同且控制角一致，則負(fù)載電流、應(yīng)完全相同，在零線中流過的電流平均值，如果將零線切斷，不影響電路工作，就成為三相橋式全控整流電路，如圖2.2（b）所示。由于共陰極組正半周觸發(fā)導(dǎo)通，經(jīng)變壓器副邊繞組的是正向電流，而共陽(yáng)極組在負(fù)半周觸發(fā)導(dǎo)通，流經(jīng)

65、變壓器副邊繞組的是反相電流；因此在一周期中變壓器繞組中沒有直流磁勢(shì)，而且每相繞組在正負(fù)半周都有電流流過，延長(zhǎng)了變壓器的導(dǎo)電時(shí)間，提高了變壓器繞組的利用率[16] [17]。</p><p>　?。╝）三相半波共陰極組和共陽(yáng)極組串聯(lián)電路 （b）三相橋式整流電路</p><p>　　圖 2.2 三相半波共陰極組和共陽(yáng)極組串聯(lián)構(gòu)成三相橋式整流電路</p>&

66、lt;p>　　2.2.1三相橋式全控整流電路的工作原理及波形</p><p>　　圖2.3為整流變壓器采用D，y接線的三相全控橋整流電路和、大電感負(fù)載時(shí)時(shí)的電壓電流波形。由三相半波電路可知，在共陰極組的自然換流點(diǎn)（即）、、時(shí)刻分別觸發(fā)、、晶閘管，兩組自然換流點(diǎn)對(duì)應(yīng)的自然換流點(diǎn)、、時(shí)刻，分別觸發(fā)、、晶閘管，兩組自然換流點(diǎn)對(duì)應(yīng)相相差，元件各自在本組內(nèi)換流，即, ,每個(gè)管子輪流導(dǎo)通，為了使電流通過負(fù)載與電源形成回

67、路，必須在共陰極組和共陽(yáng)極組中個(gè)有一個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。在期間，a相電壓較正，b相電壓較負(fù)，在觸發(fā)脈沖作用下，、管同時(shí)導(dǎo)通，電流從a相經(jīng)負(fù)載流回b相，負(fù)載上得到線電壓。從開始，a相電壓乃保持電位最高，但c相電壓開始比b更負(fù)，此時(shí)脈沖觸發(fā)，</p><p>　?。╝）三相橋式全控整流電路；（b）晶閘管的觸發(fā)順序；（c）輸出電壓波形；</p><p>　　（d）整流變壓器副邊電流ia、ic及電源

68、電流iA的波形</p><p>　　圖 2.3 三相橋式全控整流電路及時(shí)的電壓電流波形</p><p>　　導(dǎo)通，迫使承受反壓而關(guān)斷，負(fù)載電流從換到，在期間，電流路徑為a相相經(jīng)負(fù)載流回c相，負(fù)載上得到線電壓.在時(shí)刻，由于b相電壓比a相電壓高，故觸發(fā)管，導(dǎo)通后迫使關(guān)斷，電流從換到，在期間、管導(dǎo)通，為b、c相供電，負(fù)載上的到線電壓；期間為b、a相供電，、管導(dǎo)通；期間為c、a相供電，、管導(dǎo)通；期

69、間為c、b相供電，、管導(dǎo)通; 期間為a、b相供電，、管導(dǎo)通。總之，三相橋式全控整流電路中晶閘管導(dǎo)通的順序是61、12、23、34、45、56、61、12…這時(shí)，共陰極組輸出電壓波形是三相電壓正半軸的包絡(luò)線，共陽(yáng)極組輸出是負(fù)半軸的包絡(luò)線，三相橋式全控整流的輸出電壓兩組輸出電壓之和，其大小等值于相電壓波形正負(fù)包絡(luò)線之間的面積；所以波形為三相電壓正半周的包絡(luò)線，每周期脈動(dòng)6次，最低次諧波頻率為電源頻率的6倍，即300Hz。時(shí)，平均直流電壓，為

70、直流輸出電壓的最大值。</p><p>　　、及電源電流的波形如圖2.3（b）中所示，其他兩相電流波形相同，只是相位上依次相差，K為變壓器原副邊的匝數(shù)比，在這里假設(shè)。</p><p>　　（a）輸出電壓波形 （b）輸出電壓波形</p><p>　?。╟）輸出電壓波形 （d）輸出電壓波形</p><

71、;p>　　圖2.4 三相橋式全控整流電路控制角時(shí)輸出電壓電流波形</p><p>　　當(dāng)控制角時(shí)，輸出電壓波形發(fā)生變化，圖2.4(a)、(b)、（c）、(d)分別為、、及時(shí)的波形。從圖2.4中可見，當(dāng)時(shí)，波形均為正值；當(dāng)時(shí)，由于的平均波作用延長(zhǎng)了元件的導(dǎo)通時(shí)間，波形瞬時(shí)值出現(xiàn)負(fù)值，但正面積仍大于負(fù)面積，平均電壓仍為正值；當(dāng)趨于時(shí)，因?yàn)槭亲韪胸?fù)載，接近于0但不會(huì)等于0，可見波形不連續(xù)；后，由于太小，晶閘管無(wú)法

72、導(dǎo)通，圖2.4（d）示出時(shí)不規(guī)則的雜亂波形。</p><p>　　通過以上分析，可歸納以下幾點(diǎn)。</p><p>　?。?）三相橋式全控全控整流電路，對(duì)于共陰極組觸發(fā)脈沖的要求是保證、和依次導(dǎo)通，對(duì)于共陽(yáng)極組觸發(fā)脈沖的要求是保證、和依次導(dǎo)通，晶閘管在本組內(nèi)每換流一次。由于共陰極組與供陽(yáng)極組換流點(diǎn)相差；所以每隔有一次換流，6個(gè)觸發(fā)脈沖的順序是</p><p>　?。?

73、）三相全控橋控制角的起算點(diǎn)（自然換流點(diǎn)）與三相半波相同，為相鄰電壓的交點(diǎn)（包括正向與負(fù)向），在電壓波形上，就是相鄰線電壓的交點(diǎn)；故線電壓的交點(diǎn)也是自然換相點(diǎn)，距離該線電壓波形原點(diǎn)為。</p><p>　?。?）三相橋式全控整流電路在任何時(shí)刻必須由共陰極組合共陽(yáng)極組各一個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成電流回路；因此，三相橋式可控整流電路必須用雙窄脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)，如圖2.5（b）、（c）所示。</p><

74、;p>　?。?）晶閘管兩端電壓波形，其分析方法與三相半波時(shí)一樣，如，晶閘管所承受的電壓波形。</p><p>　　由于橋式電路輸出電壓比三相半波增大一倍；所以在同樣的值時(shí)，三相橋式電路對(duì)于管子的耐壓要求降低了一半，流過晶閘管的電流平均值與三相半波時(shí)完全相同，變壓器副邊繞組每周期各有流過正負(fù)電流，繞組利用率提高，變壓器鐵心不存在直流磁化。</p><p>　　(a) 變壓器副邊三相電壓

75、波形；</p><p>　　(b) 寬脈沖觸發(fā)；（c） 雙窄脈沖觸發(fā)</p><p>　　圖2.5 三相全控橋時(shí)觸發(fā)脈沖的兩種形式</p><p>　　2.2.2 基本電量計(jì)算</p><p>　　當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，三相橋式整流電路不論為何值，負(fù)載上的電壓都是線電壓的一部分；因此三相橋式整流實(shí)質(zhì)上就是三相線電壓的整流，其輸出等值于一周期輸出6脈

76、波、相電壓為的六相半波整流電路。因此可以直接從線電壓入手，計(jì)算直流輸出電壓在范圍內(nèi)的平均值即可。</p><p>　　（1）整流電壓的計(jì)算</p><p><b>　　1）電阻性負(fù)載</b></p><p>　　設(shè)，根據(jù)電流連續(xù)是否，對(duì)輸出平均電壓份兩中情況進(jìn)行計(jì)算，如圖2.6（a）、(b)所示。</p><p>　?。?/p>

77、a）時(shí)的輸出電壓波形</p><p>　　（b） 時(shí)輸出電壓波形</p><p>　　圖 2.6 三相全控整流電路電阻性負(fù)載輸出電壓電流波形</p><p>　　當(dāng)時(shí)，電流連續(xù)，輸出電壓波形也是連續(xù)的，其平均值為</p><p>　　， （2.2）</p><p>　　式中，——線電壓有效值。&l

78、t;/p><p>　　當(dāng)時(shí)，電流出現(xiàn)斷續(xù)。當(dāng)時(shí)，、中的電流已經(jīng)下降到0，但由于脈沖未來到，不能導(dǎo)通，、自行關(guān)斷，此時(shí)電路中所有的原件均處于阻斷狀態(tài)，整流橋從電網(wǎng)斷開，負(fù)載電流，輸出電壓。設(shè)斷流角為，則這種情況一直延續(xù)到，之后因觸你發(fā)脈沖的到來，開始導(dǎo)通，重新導(dǎo)通，整流橋重新進(jìn)入工作狀態(tài)，直流平均電壓值為</p><p><b>　　（2.3）</b></p>

79、<p>　　當(dāng)時(shí)，，所以電阻負(fù)載的移相范圍是。</p><p><b>　　2）電感性負(fù)載</b></p><p>　　如果平波電抗足夠大，電流連續(xù)，晶閘管的導(dǎo)通角就總是；因此的那個(gè)控制角為時(shí)，整流輸出的直流電壓平均值為</p><p><b>　　（2.4）</b></p><p>　

80、　圖2.7 三相橋式全控整流電路輸出平均電壓與控制角的關(guān)系</p><p>　　與控制角的關(guān)系如圖2.7中曲線所示。在區(qū)間及時(shí)，其工作狀態(tài)即為本章講的整流工作狀態(tài)；區(qū)間及，稱為有源逆變工作狀態(tài)。可見，大電感負(fù)載工作于整流狀態(tài)下，移相范圍為。</p><p>　?。?）變壓器副邊繞組每相電流有效值的計(jì)算</p><p>　?。?）在三相橋式全控整流電路中，變壓器副邊繞

81、組每相電流有效值的計(jì)算，</p><p>　　只要參見圖3.21（d）中的電流的波形，便可知；因此</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　其值比三相半波時(shí)高倍，說明了繞組的利用率提高了。由于變壓器副邊繞組中電流沒有直流分量；所以原、副邊繞組電壓波形相同。這樣，根據(jù)變壓器原、副邊安匝相等的原則，可以求出原邊繞組的電流

82、。計(jì)算變壓器容量，很顯然，結(jié)果必然是。</p><p>　　2.3三相有源逆變電路</p><p>　　2.3.1三相半波逆變電路的工作原理</p><p>　?。?）三相半波整流電路的工作原理</p><p>　　掌握了三相半波整流電路和上述逆變的基本概念后，三相半波逆變電路的工作原理就不難理解了。</p><p>

83、　?。╝）整流工作狀態(tài)輸出電壓波形 （b）逆變工作狀態(tài)輸出電壓波形</p><p>　　圖2.8 三相半波電路的整流與逆變</p><p>　　圖2.8（a）為三相半波電機(jī)負(fù)載電路，負(fù)載回路接有大電感，電流連續(xù)當(dāng)時(shí)，依次觸發(fā)晶閘管,輸出電壓波形如圖2.8中所示，當(dāng)α在范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，不論輸出電壓的瞬時(shí)值ud在整個(gè)周期內(nèi)全部為正，或有正有負(fù)，皆因正面積總是大于負(fù)面積，

84、平均值Ud總為正值，且Ud應(yīng)略大于E，電流id從Ud正端流出，從E的正端流入，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，吸收電能，這就是三相半波電路的整流工作狀態(tài)。</p><p>　　對(duì)于逆變狀態(tài)（），選取和整流狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的條件進(jìn)行分析。假定此時(shí)電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)的極性已反接，在ωt1時(shí)刻，對(duì)a相來說，即在α=150o時(shí)觸發(fā)晶閘管T1,雖然此時(shí)ua=0，但晶閘管T1因承受正向直流電壓E而導(dǎo)通，變流器輸出ua。盡管此后ua變?yōu)樨?fù)值，由于電勢(shì)

85、E的存在，，且電抗器釋放電能，和直流電勢(shì)E一起向電網(wǎng)饋送電能，T1繼續(xù)導(dǎo)通。因?yàn)橛辛顺掷m(xù)的電流電勢(shì)和極大的電感Ld,主回路電流始終連續(xù)，T1連續(xù)導(dǎo)電120o，直到ωt3時(shí)刻，由于，T2承受正向電壓，觸發(fā)晶閘管T2成功，T1同時(shí)因承受反壓而關(guān)斷，變流器輸出ub，晶閘管T2連續(xù)導(dǎo)通120o后，觸發(fā)T3使其導(dǎo)通，變流器輸出c相電壓…，可見逆變電路也是利用交流電源換流的。</p><p>　?。╝） 輸出電壓波形；

86、（b） 晶閘管T1兩端電壓波形</p><p>　　圖2.9 三相半波電路輸出電壓及晶閘管T1兩端電壓波形</p><p>　　在圖2.8（b）中，當(dāng)α在范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸出電壓的瞬時(shí)值ud在整個(gè)周期內(nèi)也是有正有負(fù)或全部為負(fù)，但這時(shí)負(fù)面積總是大于正面積，故輸出電壓平均值Ud為負(fù)，電動(dòng)機(jī)的電視E應(yīng)稍大于Ud，。主回路內(nèi)的電流id方向沒有變，但是它從E的正極流出，從Ud的正端流入，所以電能倒送。

87、就變壓器副邊繞組來看，在晶閘管導(dǎo)通時(shí)，電流和交流電源極性相反的時(shí)間總是多于極性相同的時(shí)間，這說明交流電源總的來說是吸收電能的。由于晶閘管T1，T2，T3輪流依次導(dǎo)通，從而把直流電能變?yōu)榻涣麟娔?，通過整流橋回饋到電網(wǎng)。在變流器中，交流電源與直流電源之間交換的有功功率，當(dāng)整流時(shí)，表示電網(wǎng)輸出功率；逆變時(shí)，表示向電網(wǎng)輸入功率。因此整流和逆變的概念也是對(duì)平均值而言的，功率平均值為負(fù)的逆變工作狀態(tài)，存在著功率瞬時(shí)值為正的某些工作區(qū)間。</p

88、><p>　　和整流工作狀態(tài)一樣，晶閘管兩端承受電壓的波形由三段組成，每段各占1/3周期，即T1導(dǎo)通段，，波形僅為管壓降約1V左右，在工程中常近似為0；T1阻斷，T2導(dǎo)通，；T1阻斷，T3導(dǎo)通，。</p><p>　　圖4.3中分別繪出控制角α為π/3、π/2和5π/6時(shí)輸出電壓ud的波形，以及晶閘管T1兩端的波形?？梢钥闯觯谡鳡顟B(tài)，晶閘管阻斷時(shí)主要承受反向電壓，而逆變工作時(shí)，晶閘管在阻斷

89、狀態(tài)主要承受正向電壓。晶閘管承受的最大正反向電壓均為，即變壓器副邊線電壓的峰值。</p><p>　?。?）逆變角β及逆變電壓的計(jì)算</p><p>　　三相半波電路在整流和逆變范圍內(nèi)，只要電流連續(xù)，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角都是2π/3；故不論控制角α為何值，直流側(cè)輸出電壓平均值和α的關(guān)系都為：</p><p><b>　?。?.6）</b><

90、/p><p>　　為分析和計(jì)算方便起見，電路進(jìn)入逆變狀態(tài)時(shí)，通常使用逆變角β表示，規(guī)定β角計(jì)算的起始點(diǎn)為控制角α=π處，計(jì)算方法為自α=π（β=0）的起始點(diǎn)向左方計(jì)量；因此控制角和逆變角的關(guān)系是α+β=π，或β=π-α。逆變角也稱作引前觸發(fā)角，即相對(duì)于換相電壓由正變負(fù)的過零點(diǎn)或α=π點(diǎn)的提前量。</p><p>　　逆變工作時(shí)，逆變器直流側(cè)電壓計(jì)算公式亦可表示為</p><

91、p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　當(dāng)β=π/2時(shí)，Ud=0，當(dāng)β值從π/2減小時(shí)，Ud變?yōu)樨?fù)值，隨著β的減小，Ud的絕對(duì)值逐漸增大，當(dāng)β=0時(shí)，Ud絕對(duì)值最大?？梢?，逆變時(shí)變流器控制角α在之間變化，對(duì)應(yīng)的逆變角β則在之間變化。</p><p>　　若考慮xB，就存在換流重疊角γ，在γ期間，和整流電路一樣，ud值也等于參與換相的兩相鄰相電壓的

92、平均值；因此換流過程的存在使直流輸出電壓平均值更負(fù)一些，即增加了途中一塊陰影面積，逆變器的輸出電壓為：</p><p><b>　　（2.8）</b></p><p>　　因此考慮換流過程的影響，在整流和逆變兩個(gè)范圍內(nèi)，全控變流器的控制特性如圖2.10所示。</p><p>　?。╝） 輸出電壓波形； （b）全控變流器的控制特性</p&

93、gt;<p>　　圖2.10 重疊角對(duì)輸出電壓的影響</p><p>　　（3）三相半波逆變電路觸發(fā)脈沖的特點(diǎn)</p><p>　　在逆變電路中，觸發(fā)脈沖對(duì)晶閘管之間換相的控制作用比整流電路顯得更為重要。見圖2.11，整流工作時(shí)，以晶閘管T3的換相為例，設(shè)，在ωt1時(shí)刻應(yīng)觸發(fā)晶閘</p><p>　　圖 2.11 晶閘管T1的換相</p>

94、<p>　　管T1，而此時(shí)a相電壓最高，即使T1、T2同時(shí)接受觸發(fā)脈沖，電路也能按交流相電壓之間的電位高低進(jìn)行換相，負(fù)載電流也肯定會(huì)從T3轉(zhuǎn)換到T1，以后便是換到T2，符合電路正常工作的換相次序。但在逆變工作時(shí)，若β=π/3，a相電通，在ωt2時(shí)，b相和c相電壓均為正值且相等，都比a相電壓高，若此時(shí)T1、T2、T3仍同時(shí)接受脈沖，則不能保證一定會(huì)按電路正常工作需要，由T1換相到T2，即由T1換到T2只能由觸發(fā)脈沖進(jìn)行控制，使

95、之依照規(guī)定的換相順序觸發(fā)相應(yīng)得晶閘管導(dǎo)通。還有，整流工況若丟失了脈沖，晶閘管不再被觸發(fā)而阻斷，整個(gè)系統(tǒng)斷電，不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，但在逆變工況丟失了脈沖則會(huì)形成危險(xiǎn)的短路故障；因此，對(duì)逆變電路觸發(fā)裝置的可靠性也提出了更高的要求[18]。</p><p>　　2.3.2三相橋式全控有源逆變電路</p><p>　　在分析三相橋式全控有源逆變電路之前先對(duì)三相橋式全控整流電路的工作原理進(jìn)行較為詳細(xì)的分析

96、，以便更好的研究三相全控有源逆變電路的工作原理。</p><p>　　圖2.12為三相橋式有源逆變電路在α=5/6π時(shí)的電路中各點(diǎn)的波形。</p><p>　　電網(wǎng)線電壓分布、逆變輸出波形的元件門極脈沖分別如圖2.12（b）、（c），門極脈沖只畫出了UG1、UG2、UG3，按定義，UG1從自然轉(zhuǎn)換點(diǎn)R后移5/6π，在實(shí)際轉(zhuǎn)換點(diǎn)上出現(xiàn)，余類推。</p><p>　　在

97、區(qū)間，電路有T5、T6導(dǎo)通，，。當(dāng)時(shí)，，T1、T5重疊導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓,經(jīng)過重疊角γ后，電路轉(zhuǎn)為T1、T6導(dǎo)通，。同理可分析其他區(qū)間，并得出以下結(jié)論。</p><p>　?。?）和整流狀態(tài)相同，在非重疊期，電路僅有兩支元件在工作，上下組各一支；而在重疊期，電路則有三支元件處于導(dǎo)通狀態(tài)，每隔π/3，電路中出現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換。</p><p>　?。?）和整流工作狀態(tài)不同的是，各元件主要在線電壓的

98、負(fù)半波導(dǎo)通，故三相橋式整流電路的輸出端電壓ud的瞬時(shí)值大部分為負(fù)，其平均值必然小于0.</p><p>　　如圖2.12（b）所示，考慮變壓器漏抗時(shí)，三相全控橋（）時(shí)逆變器輸出電壓的波形和不考慮重疊的情況相比，增大了圖2.12中涂有陰影的一塊面積，根據(jù)前面的分析，它必然使逆變輸出平均電壓的絕對(duì)值增大。的計(jì)算方法和整流電路完全一樣，因此考慮變壓器漏抗時(shí)，逆變器輸出電壓為：</p><p>&

99、lt;b>　　（2.9）</b></p><p>　　在三項(xiàng)逆變電路中，其他的電量，如負(fù)載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計(jì)算等，均可按照整流電路的計(jì)算原則進(jìn)行，在此不多述。</p><p>　?。╝）三相橋式有源逆變電路</p><p>　?。╝） 電網(wǎng)線電壓及逆變輸出波形； （b） 元件門極脈沖； （c） 晶閘管電流波形<

100、;/p><p>　　圖 2.12 考慮變壓器漏抗逆變輸出電壓波形</p><p>　　2.3.3有源逆變失敗的原因與控制角的限制</p><p>　?。?）逆變失敗的短路故障狀態(tài)</p><p>　　逆變運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換相失敗，使整流電路由逆變工作狀態(tài)進(jìn)入整流工作狀態(tài)，Ud又重新變成正值，使輸出平均電壓和直流電勢(shì)變成順向串聯(lián)，外接的直流電源通

101、過晶閘管電路形成短路，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。這是一種事故狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)避免。</p><p>　　（2）逆變失敗的原因</p><p>　　造成逆變失敗的原因很多，大致可歸納為4類，今以三相半波逆變電路為例加以說明。</p><p>　　1）觸發(fā)電路不能適時(shí)地、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延遲等，致使晶閘管工作失常。如圖2.13（a）所示，

102、當(dāng)a相晶閘管T1導(dǎo)通到ωt1時(shí)刻觸發(fā)脈沖ug2遺漏觸發(fā)T2管，電流換到b相，如果在ωt2時(shí)刻觸發(fā)脈沖ug2遺漏，T1管不受反壓關(guān)不斷，a相晶閘管T1將繼續(xù)導(dǎo)通到正半周，使電源瞬時(shí)電壓與直流電勢(shì)順向串聯(lián)，形成短路。圖2.13（b）表明脈沖延遲的情況，ug2延遲到ωt2時(shí)刻才出現(xiàn)，此時(shí)a相電壓ua已大于b相電壓，晶閘管T2承受反向電壓不能被觸發(fā)導(dǎo)通，晶閘管T1也不能關(guān)斷，相當(dāng)于ug2遺漏，形成短路。</p><p>

103、　　2）晶閘管發(fā)生故障，在應(yīng)該阻斷期間，元件失去阻斷能力，或在應(yīng)該導(dǎo)通時(shí)間，元件不能導(dǎo)通，如圖2.13（c）所示。在ωt1時(shí)刻之前，由于T3承受的正向電壓等于E和uc之和，特別是當(dāng)逆變角β較小時(shí)，這一正向電壓較高，若T3的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓裕量不足，到達(dá)ωt1時(shí)刻，本該由T1換相到T2，但卻因?yàn)門3的誤導(dǎo)通，使T2承受反壓而無(wú)法導(dǎo)通，造成逆變失敗。</p><p>　　3）換相的裕量角不足。存在重疊角會(huì)給逆變工作帶

104、來不利的后果，如以T1和T2的換相過程分析，當(dāng)逆變電路工作在時(shí)，經(jīng)過換相過程后，b相電壓ub仍高于a相電壓ua；所以換相結(jié)束后，能使T1承受反壓而關(guān)斷。如果換相的裕量角不足，即當(dāng)時(shí)，從圖2.13（d）的 中可清楚地看到，當(dāng)換相尚未結(jié)束時(shí)，電路的工作狀態(tài)到達(dá)P點(diǎn)之后，a相電壓ua將高于b相電壓ub，晶閘管T2則將承受反向電壓而重新關(guān)斷，而應(yīng)該關(guān)斷的T1卻還承受著正電壓而繼續(xù)導(dǎo)通，且a相電壓隨著時(shí)間的推遲愈來愈高，致使逆變失敗。</p

105、><p>　　（a） 觸發(fā)脈沖丟失</p><p><b>　?。╞） 脈沖延遲</b></p><p>　　（c） 晶閘管正向阻斷能力不足</p><p>　?。╠）換相裕量角不足</p><p>　　圖 2.13 三相半波電路逆變失敗的原因及波形分析</p><p>　　4

106、）交流電源發(fā)生異?，F(xiàn)象。在逆變運(yùn)行時(shí)，可能出現(xiàn)交流電源突然斷電、缺相或電壓過低等現(xiàn)象；但由于直流電勢(shì)E的存在，晶閘管仍可觸發(fā)導(dǎo)通，使變流器側(cè)出現(xiàn)逆變電壓為0或太低，不能與直流電勢(shì)匹配，形成晶閘管電路被短接。</p><p>　　由此可見，為了保證逆變電路的正常工作，必須選用可靠的觸發(fā)器，正確選擇晶閘管的參數(shù)，并且采取必要的措施，減小電路中du/dt和di/dt的影響，以免發(fā)生誤導(dǎo)通。為了防止意外事故，與整流電路一