1.1電力電子器件的分類

1.2不可控型器件——電力二極管

1.3半控型器件——晶閘管

1.4全控型器件——絕緣柵雙極晶體管1.1電力電子器件的分類電力電子元器件根據不同的方式，可以分為不同的種類。1.按控制程度分類按照電力電子器件被控制電路信號所控制的程度，電力電子元器件分為不可控型器件、半控型器件、全控型器件三種。(1)不可控型器件。不可控的定義為器件的導通和關斷完全由外電路的信號決定，而無法通過控制信號來控制。(2)半控型器件。半控的定義為可以通過控制端的信號來使器件導通，但是卻無法通過控制端的信號使器件關斷，如需關斷器件，則需要調整外部電路施加在器件上的電壓或電流。(3)全控型器件。全控的定義為可以通過控制端口施加的信號來控制器件的導通，也可以通過控制端口的信號使器件關斷。2.按照控制信號的類型分類按照外部控制信號施加在控制端和公共端之間信號的性質，電力電子元器件可以分為電流驅動型電力電子器件和電壓驅動型電力電子器件兩種。通過控制端口注入或抽取電流來控制導通、關斷的電力電子器件稱為電流驅動型，也可稱為電流控制型。典型的電流驅動型器件有晶閘管、門極可關斷晶閘管、電力晶體管等。通過控制端和公共端施加正向或者反向的電壓信號來控制導通、關斷的電力電子器件稱為電壓驅動型，也可稱為電壓控制型或場效應器件。典型的電壓驅動型器件有絕緣柵雙極晶體管、電力場效應晶體管等。1.2不可控型器件——電力二極管1.2.1電力二極管的結構圖1.1所示為電力二極管的電氣圖形符號，有陽極A和陰極K兩個端口。相較于普通信息電子電路二極管，電力二極管雖然也是PN型結構，但有以下幾個不同之處：(1)普通信息電子電路二極管為橫向導電結構，即電流的流通方向和硅片表面平行；電力二極管則為垂直導電結構，即電流的流通方向和硅片表面垂直，如圖1.2所示。

(2)為使電力二極管能夠承受較大的電壓，在P區和N區之間須添加一層低摻雜的N區，如圖1.2所示。由于該低摻雜的區域摻雜濃度接近本征半導體，因此電力二極管的結構也可寫為P-i-N結構。由于N-區摻雜濃度低，不易使得載流子發生遷移，因此可以承受較高的電壓而不被擊穿，承受電壓的高低由該低摻雜區的厚度決定。1.2.2電力二極管的工作原理當電力二極管的兩端施加正向電壓(即正向偏置)，且該正向電壓的取值超過門檻電壓UTO時，流過電力二極管的電流從陽極A端入，從陰極K端出，該電流被稱為正向電流IF，電力二極管兩端的電壓被稱為正向壓降UF。該狀態為電力二極管的正向導通狀態,即電力二極管呈現“低阻態”。當電力二極管兩端施加反向電壓(即反向偏置)時，電力二極管只有從陰極K端到陽極A端的非常小的反向漏電流IRR流過，此時電力二極管處于反向截止狀態，即電力二極管呈現“高阻態”。電力二極管的反向耐壓能力通常較強，但是當施加在電力二極管兩端的反向電壓過大，超過反向擊穿電壓UB時，反向電流會急劇增大，電力二極管的反向偏置工作狀態被破壞，變為反向擊穿狀態。根據上述分析，可得電力二極管的伏安特性曲線，如圖1.3所示。1.2.3電力二極管的主要參數電力二極管主要有如下參數：(1)正向平均電流IF(AV)。該參數為二極管的額定電流參數，定義為電力二極管長期運行在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。(2)正向壓降UF。該參數定義為指定溫度下，電力二極管流過穩定的正向電流IF時二極管兩端的正向電壓，如圖1.3中標注所示。(3)反向重復峰值電壓URRM。該參數定義為對電力二極管能重復施加的反向最高峰值電壓。(4)反向漏電流IRR。該參數定義為電力二極管對應于反向重復峰值電壓URRM時的反向漏電流。(5)最高工作結溫TJM。該參數定義為在電力二極管中PN結不至損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。(6)浪涌電流IFSM。該參數定義為電力二極管能承受的最大的連續一個或幾個工頻周期的過電流。1.3半控型器件——晶閘管1.3.1晶閘管的結構圖1.4所示為晶閘管的電氣圖形符號。晶閘管有三個端口，分別為陽極A、陰極K和門極G，其中門極G為控制端。晶閘管為PNPN的四層結構，如圖1.5(a)所示。在中間截取橫斷面(如圖1.5(b)所示)，可以將晶閘管看為PNP型三極管V1和NPN型三極管V2的組合，且V1的基極和V2的集電極連接在一起(同為N1層)，V1的集電極和V2的基極連接在一起(同為P2層)。雙三極管等效模型如圖1.5(c)所示。1.3.2晶閘管的工作原理晶閘管是半控型器件，通過控制端G的信號可使器件導通，但無法通過控制端G的信號關斷器件。該現象產生的原因與晶閘管的四層結構有關。如圖1.6所示，在晶閘管的陽極A和陰極K兩端施加正向電壓EA，同時向門極G注入電流IG。晶閘管導通需要滿足兩個條件：承受正向電壓和門極有觸發電流。當晶閘管已經導通后，移除門極的觸發電流IG，由于晶閘管內部已經形成上述的正反饋流程，因此晶閘管會繼續保持導通狀態。如果要關斷晶閘管，需要通過外部電路作用。半控型器件晶閘管工作特性總結如下：(1)晶閘管承受反向電壓，無論門極是否有觸發信號，晶閘管都不會導通。(2)晶閘管只有在承受正向電壓、門極有觸發電流兩個條件均滿足時才可導通。(3)一旦晶閘管導通，門極觸發信號對晶閘管不會產生影響，即使移除門極的觸發信號，晶閘管仍舊繼續保持導通狀態。(4)要使晶閘管關斷，需要通過外部電路的作用，使流過晶閘管的電流降低到維持電流以下。1.3.3晶閘管的主要參數晶閘管主要有如下參數：(1)斷態重復峰值電壓UDRM。該參數定義為晶閘管門極G端開路且結溫為額定值時，允許重復加在晶閘管上的正向峰值電壓。國標規定重復頻率為50?Hz，每次持續時間不超過10?ms。(2)反向重復峰值電壓URRM。該參數定義為晶閘管門極G端開路且結溫為額定值時，允許重復加在晶閘管上的反向峰值電壓。(3)額定電壓UN。取斷態重復峰值電壓UDRM和反向重復峰值電壓URRM中較小的值作為晶閘管的額定電壓。(4)通態平均電流IT(AV)。該參數為晶閘管的額定電流參數，定義為在規定的散熱條件和環境溫度(40℃)下，穩定結溫不超過額定結溫，晶閘管導通時允許連續流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。(5)維持電流IH。維持晶閘管繼續導通所必需的最小電流稱為維持電流IH。在晶閘管已經導通的情況下，如果流過晶閘管的正向電流小于維持電流IH，則晶閘管會轉換為關斷狀態。(6)擎住電流IL。晶閘管剛從斷態轉入通態并移除門極G端的觸發信號后，能維持晶閘管導通所需的最小電流稱為擎住電流。擎住電流用于維持晶閘管剛導通時的正反饋環節。對同一晶閘管，擎住電流IL的取值約為維持電流IH的2～4倍。(7)浪涌電流ITSM。該參數定義為由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。1.4全控型器件——絕緣柵雙極晶體管1.4.1絕緣柵雙極晶體管的結構絕緣柵雙極晶體管有三個端口，分別為柵極(G)、集電極(C)、發射極(E)，可以分為P溝道型和N溝道型兩種，典型N溝道絕緣柵雙極晶體管的電氣圖形符號如圖1.7所示。圖1.8所示為絕緣柵雙極晶體管的等效電路圖，從圖中可以看出，絕緣柵雙極晶體管等效為電力場效應晶體管和電力晶體管組合的達林頓結構，其中電力場效應晶體管作為驅動器件，電力晶體管作為主導器件。絕緣柵雙極晶體管綜合二者的優點，柵極G輸入為場控型且開關頻率快、高阻抗(此為電力場效應晶體管的特點)，輸出端口容量大(此為電力晶體管的特性)。1.4.2絕緣柵雙極晶體管的工作方式絕緣柵雙極晶體管的導通、關斷由柵極(G)控制，為使絕緣柵雙極晶體管導通，需要在柵極(G)和發射極(E)之間施加正向電壓uGE，uGE的取值需要超過開啟電壓UGE(th)，同時，集電極(C)和發射極(E)之間的電壓uCE也需為正(即uCE>0?V)才可使絕緣柵雙極晶體管導通；當uGE的電壓為0?V或施加反向電壓時，絕緣柵雙極晶體管關斷。圖1.9所示為絕緣柵雙極晶體管的輸出特性曲線，又稱為伏安特性曲線，它描述的是當柵射極電壓uGE為參考變量時，集電極電流IC和集射極電壓UCE之間的關系。該曲線分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區(這三個區可以對應為電力晶體管的截止區、放大區和飽和區)。絕緣柵雙極晶體管在電力電子電路中工作于開關狀態，即在正向阻斷區和飽和區之間切換。1.4.3絕緣柵雙極晶體管的參數絕緣柵雙極晶體管主要有如下參數：(1)最大集射極電壓UCES：在規定的結溫范圍內，截止狀態下集電極(C)和發射極(E)之間能夠承受的最大電壓。(2)柵極—射極電壓UGES：柵極(G)與發射極(E)之間能夠承受的最大電壓。(3)集電極電流IC：在規定的結溫范圍內，絕緣柵雙極晶體管在飽和導通狀態下，集射極允許持續流通的最大電流。2.1單相半波整流電路

2.2單相橋式整流電路

2.3單相全波整流電路

2.4單相橋式半控整流電路2.1單相半波整流電路2.1.1單相半波不可控整流電路單相半波不可控整流電路的結構如圖2.1所示，該電路由變壓器T、二極管VD、電阻負載R三部分組成。為方便電路分析，將該電路中的二極管看作理想二極管，即當二極管因承受正向電壓而導通時，二極管阻值取值為0?Ω，當二極管因承受反向電壓而關斷時，二極管阻值取值為無窮大。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態進行分析。如表2.1所示為單相半波不可控整流電路的工作情況，電阻負載兩端電壓ud與二極管兩端電壓uVD的波形如圖2.2所示。2.1.2單相半波可控整流電路(帶電阻負載)單相半波可控整流電路帶電阻負載時的結構如圖2.3所示，該電路由變壓器T、晶閘管VT、電阻負載R三部分組成。該電路圖在結構方面和圖2.1所示的單相半波不可控整流電路的唯一區別是將二極管替換為晶閘管。在分析電路前首先需要掌握晶閘管導通／關斷的特性。晶閘管導通需要滿足兩個條件：晶閘管承受正向電壓，同時門極有觸發脈沖。晶閘管關斷則需要利用外部電路，使得流過晶閘管的電流降低到接近于0的某一數值下(該數值為維持電流IH)。但當負載為阻感負載時，情況有所不同，因為電感會起到使流過晶閘管的電流持續一段時間的作用。本次仿真取晶閘管控制角α?=?90°，需要注意門極觸發脈沖α的定義是從晶閘管開始承受正向陽極電壓起，到施加觸發脈沖止的電角度。舉例說明，如圖2.4(a)所示，如晶閘管承受正向電壓的起始角度為0°，當α?=?90°時，門極觸發脈沖施加在相位90°處。如晶閘管承受正向電壓的起始角度為-180°，當α?=?90°時，門極觸發脈沖施加在相位-90°處，如圖2.4(b)所示，這是判斷晶閘管何時有門極觸發脈沖的重要概念。接下來分析電路工作的具體情況。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態進行分析，控制角α?=?90°。當工作區間位于0°～90°時，變壓器二次側電壓u2位于正半周，晶閘管從0°開始承受正向電壓，但沒有門極觸發脈沖(觸發脈沖在區間相位到達90°時才會施加)，因此晶閘管處于關斷狀態，電路中沒有電流流過，電流id?=?0?A，電阻負載兩端電壓ud為0?V，晶閘管兩端電壓uVT等于u2。當工作區間位于90°～180°時，變壓器二次側電壓u2位于正半周，晶閘管仍舊承受正向電壓，同時在剛到達90°的時候，晶閘管有門極觸發脈沖，因此晶閘管導通，晶閘管兩端電壓uVT等于0?V，變壓器二次側電壓u2完全施加到電阻負載上，電阻負載兩端電壓ud等于u2。流過電阻負載的電流id?=?ud/R?=?u2/R，因此電流id的波形和電壓ud的波形根據電阻R的取值不同，幅值有一定區別。當工作區間位于180°～360°時，變壓器二次側電壓u2位于負半周，晶閘管承受反向電壓，流過晶閘管的電流取值為0?A，此刻晶閘管關斷，電路中沒有電流流過，流過負載的電流id?=?0?A，電阻負載兩端電壓ud為0?V，晶閘管兩端電壓uVT等于u2。根據上述分析，得出如表2.2所示的單相半波可控整流電路帶電阻負載時的工作情況，電阻負載兩端電壓ud與晶閘管兩端電壓uVT的波形如圖2.5所示。前面分析了晶閘管控制角α?=?90°時的波形情況，在電路工作中控制角α可以取其他值，但是α是有一個范圍的，不可隨意取到任意角度，原因如下：上述電路電阻負載上的功率Pd?=?udid，根據上述波形可以推導出當控制角α取0°～180°中的任意角度時，ud和id均為正，因此Pd也為正，表明能量從交流輸入側傳輸至直流負載側，實現整流的能量傳輸。但當控制角α剛好到達180°時，電阻負載上的電壓ud取值變為0(波形為一條平直的為0的直線)，因此輸出功率Pd取值也變為0，沒有電能從交流側傳輸至直流側，無法實現整流功能。綜上可知，單相半波可控整流電路(帶電阻負載)控制角α的移相范圍是0°～180°。根據圖2.5所示的電壓波形圖，可以計算出直流輸出電壓平均值為根據波形圖及計算公式可得，當控制角α取值為0°時，輸出電壓平均值Ud取到最大值0.45U2；而當控制角α取值為180°時，輸出電壓平均值Ud取到最小值0。2.1.3單相半波可控整流電路(帶電阻電感負載)單相半波可控整流電路帶電阻電感負載時的結構如圖2.6所示，由變壓器T、晶閘管VT、電阻電感負載RL三部分組成。該電路和單相半波可控整流電路(帶電阻負載)的唯一區別是在電路中放置了電感，電感的存在會阻止流過晶閘管的電流發生突變，因此會對晶閘管的關斷時刻產生影響。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態進行分析，門極觸發脈沖控制角取值為α?=?90°。在0°～90°的區間(該區間尚未到達90°)內，單相交流電壓u2位于正半周，晶閘管承受正向電壓，但由于尚未施加門極觸發脈沖，因此晶閘管關斷，電路中沒有電流，電阻電感負載兩端電壓ud取值為0?V，輸入的交流電壓u2完全施加在關斷的晶閘管上，晶閘管兩端電壓uVT的取值和u2相等。在90°～180°的區間內，單相交流電壓u2位于正半周，晶閘管仍承受正向電壓，同時在90°的瞬間給予晶閘管門極觸發脈沖信號，晶閘管導通的兩個條件均得到滿足，晶閘管導通，輸入的交流電壓u2施加在電阻電感負載上，因此電阻電感負載兩端電壓ud取值等于u2。由于晶閘管正常導通，在理想情況下相當于一條導通的導線，因此在該區間內，晶閘管兩端電壓uVT的取值為0?V。注意：在該區間內，電感正在吸收能量，有一部分能量被存儲在電感L內。當角度超過180°時，u2位于負半周，但由于電感的存在，晶閘管中繼續有電流流過，晶閘管繼續導通，此刻晶閘管兩端電壓uVT的取值為0?V，電阻電感負載兩端電壓ud取值等于u2。上述工作情況一直持續到電感中的能量全部被釋放，電路中的電流取值為0?A，此刻晶閘管關斷，晶閘管兩端電壓uVT的取值和u2相等，電阻電感負載兩端電壓ud取值為0?V。根據上述分析，電阻電感負載兩端電壓ud與晶閘管兩端電壓uVT的波形如圖2.7所示。2.2單相橋式整流電路2.2.1單相橋式不可控整流電路單相橋式不可控整流電路結構如圖2.8所示，由變壓器T，4個二極管VD1、VD2、VD3、VD4，電阻負載R這幾部分組成。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態進行分析即可。在0°～180°的區間，變壓器二次側電壓u2位于正半周，使得VD1、VD4兩個二極管承受正向電壓導通，電流流向為變壓器二次側(a點)→二極管VD1→電阻負載R→二極管VD4→變壓器二次側(b點)，此刻電阻負載兩端電壓ud取值等于u2，流過負載的電流id取值為正，計算可得id?=?ud/R?=?u2/R。在180°～360°的區間，變壓器二次側電壓u2位于負半周，使得VD2、VD3兩個二極管承受正向電壓導通，電流流向為變壓器二次側(b點)→二極管VD3→電阻負載R→二極管VD2→變壓器二次側(a點)，根據當前電流流向可得，流過電阻負載的電流為自上至下，使得電阻負載兩端電壓的方向與此刻變壓器二次側輸入電壓u2的方向相反，因此電阻負載兩端電壓ud取值等于-u2。根據正方向可知，流過電阻負載的電流方向與正方向一致，因此id取值為正，計算可得id?=?ud/R?=?-u2/R。根據上述分析，得出單相橋式不可控整流電路工作情況如表2.3所示，電阻負載兩端電壓ud的波形如圖2.9所示。2.2.2單相橋式全控整流電路(帶電阻負載)單相橋式全控整流電路帶電阻負載時的結構如圖2.10所示，由變壓器T，4個晶閘管VT1、VT2、VT3、VT4，電阻負載R這幾部分組成。分析該電路的關鍵是4個晶閘管分別在何時導通，而晶閘管導通需要滿足兩個條件：晶閘管承受正向電壓，同時門極有觸發脈沖。因此在分析電路前先分析4個晶閘管承受正向電壓的區間，及施加門極觸發脈沖的時刻。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態進行分析即可，選取控制角α?=?90°。單相橋式全控整流電路帶電阻負載時的工作情況如表2.4所示，電阻負載兩端電壓ud的波形如圖2.11所示。流過電阻負載的電流id波形與負載電壓ud波形形狀相同，幅值根據電阻R的取值不同而有所區別。單相橋式全控整流電路(帶電阻負載)的控制角α也有一個取值范圍，分析如下：電阻負載R上的功率Pd?=?udid，根據上述波形可以推導出控制角α取0°～180°中的任意角度時，ud＞0，id＞0，因此可以得出Pd＞0，電能能夠成功地從交流側傳輸至直流側，實現整流。當控制角α剛好到達180°時，電阻負載R上的電壓ud取值變為0，由于id?=?ud/R，此刻電流id取值也為0，因此輸出功率Pd取值變為0，沒有電能從交流側傳輸至直流側，無法實現整流功能，因此單相橋式全控整流電路(帶電阻負載)控制角α的移相范圍是0°～180°。計算可得整流輸出電壓的平均值為向負載輸出的直流電流平均值為2.2.3單相橋式全控整流電路(帶電阻電感負載)單相橋式全控整流電路帶電阻電感負載時的結構如圖2.12所示，由變壓器T，4個晶閘管VT1、VT2、VT3、VT4，電阻電感負載RL組成。本電路控制角選取α?=?90°，因此在第一個周期內晶閘管VT1、VT4的門極觸發脈沖在90°相位上施加，晶閘管VT2、VT3的門極觸發脈沖在270°相位上施加。在第二個周期內晶閘管VT1、VT4的門極觸發脈沖在450°相位上施加，晶閘管VT2、VT3的門極觸發脈沖在630°相位上施加。后續周期施加門極觸發脈沖的情況依此類推。得出當α?=?90°時，單相橋式全控整流電路帶電阻電感負載時的工作情況如表2.5所示。根據上述分析，得出單相橋式全控整流電路帶電阻電感負載的輸出波形如圖2.13所示。由于本次分析的是從電路由關斷到順利導通的過程，因此在0°～90°的工作區間內，輸出電壓ud為0?V，而電路穩定工作后，將不斷重復90°～450°時的波形。假設電感L取值非常大，因此有平波和續流的作用，理想情況下，輸出電流id的波形為正的一條平直的直線。單相橋式全控整流電路(帶電阻電感負載)的控制角α范圍為0°～90°，分析如下：電阻電感負載RL上的功率Pd?=?udid，根據上述波形可以推導出當控制角α?=?90°時，ud?=?0，id＞0，因此可以得出Pd?=?0，電能無法從交流側傳輸至直流側，因此當α?=?90°時便為臨界取值。當α取值為0°～90°中的任意角度時，電阻電感RL上的電壓ud正半周面積大于負半周面積，因此ud＞0，而此刻id也大于0，因此可以得出Pd＞0，電能能夠從交流側傳輸至直流側，從而實現整流。綜上可得控制角α的移相范圍為0°～90°。計算可得整流輸出電壓的平均值為：2.3單相全波整流電路2.3.1單相全波不可控整流電路單相全波不可控整流電路結構如圖2.14所示，電路由帶中心抽頭的變壓器T、二極管VD1和VD2、電阻負載R組成。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態進行分析即可。單相全波不可控整流電路的工作情況如表2.6所示，電阻負載兩端電壓ud的波形如圖2.15所示。流過負載的電流波形id和電壓波形ud形狀一致，但幅值因為電阻R的取值不同而有一定的區別。2.3.2單相全波可控整流電路(帶電阻負載)單相全波可控整流電路(帶電阻負載)結構如圖2.16所示，電路由帶中心抽頭的變壓器T、晶閘管VT1和VT2、電阻負載R組成。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態進行分析即可，晶閘管控制角α取90°。當晶閘管控制角α取90°時，在第一個周期內(0°～360°)對晶閘管VT1而言，0°～180°為承受正向電壓的區間，0°為承受正向電壓的起始時刻，因此VT1的門極觸發脈沖施加在相位90°處；對晶閘管VT2而言，180°～360°為承受正向電壓的區間，180°為承受正向電壓的起始時刻，因此VT2的門極觸發脈沖施加在相位270°處。單相全波可控整流電路(帶電阻負載)的工作情況如表2.7所示，電阻負載兩端電壓ud的波形如圖2.17所示。流過電阻負載的電流id波形和電壓的波形ud形狀一致，但幅值因負載R的取值不同而有一定區別。2.3.3單相全波可控整流電路(帶電阻電感負載)單相全波可控整流電路(帶電阻電感負載)結構如圖2.18所示，電路由帶中心抽頭的變壓器T、晶閘管VT1和VT2、電阻電感負載RL組成?？刂平铅吝x取90°。電阻電感負載兩端電壓ud的波形如圖2.19所示。本次分析的是電路從最原始的關斷狀態至正常工作狀態，因此得到的輸出電壓ud在0°～90°的區間內為0?V，而電路穩定工作后，將不斷重復90°～450°時的波形。2.4單相橋式半控整流電路2.4.1單相橋式半控整流電路(帶電阻負載)單相橋式半控整流電路(帶電阻負載)結構如圖2.20所示，由變壓器T、2個二極管VD2和VD4、2個晶閘管VT1和VT3、電阻負載R組成。本次電路觀測電阻負載R兩端電壓ud的波形。晶閘管VT1和二極管VD4在0°～180°的區間內承受正向電壓，晶閘管VT3和二極管VD2在180°～360°的區間內承受正向電壓。當晶閘管的控制角取值為60°時，由于晶閘管VT1從0°開始承受正向電壓，因此VT1的門極觸發脈沖在相位60°的時刻施加；而由于晶閘管VT3從180°開始承受正向電壓，因此VT3的門極觸發脈沖在相位240°的時刻施加。0°～360°區間內VT1門極觸發脈沖在相位60°到來，VT3門極觸發脈沖在相位240°到來，后續周期不斷重復該施加方式。根據以上分析便可推得各個管子在哪個區間內導通。單相橋式半控整流電路(帶電阻負載)的工作情況如表2.8所示。2.4.2單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負載)單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負載)結構如圖2.21所示，由變壓器T、2個二極管VD2和VD4、2個晶閘管VT1和VT3、電阻電感負載RL組成。本次電路觀測電阻電感負載RL兩端電壓ud的波形，由于電路帶有電感負載，因此會對工作情況產生一定影響。晶閘管VT1和二極管VD4在0°～180°的區間內承受正向電壓，晶閘管VT3和二極管VD2在180°～360°的區間內承受正向電壓。當晶閘管的控制角取值為60°時，VT1的門極觸發脈沖在相位60°的時刻施加，VT3的門極觸發脈沖在相位240°的時刻施加。單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負載)的波形如圖2.22所示。但該電路存在一些問題，例如，如果單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負載)晶閘管VT1的門極觸發脈沖丟失，則會發生一個晶閘管持續導通，而兩個二極管VD2、VD4輪流導通的失控情況，電阻電感負載RL兩端的輸出波形會變為正弦半波，因此為了避免此種情況發生，需要在電阻電感負載RL兩端并聯一個續流二極管。3.1三相半波整流電路

3.2三相橋式整流電路3.1三相半波整流電路3.1.1三相半波不可控整流電路三相半波不可控整流電路由3個二極管VD1、VD2、VD3，變壓器，電阻負載R構成，如圖3.1所示，變壓器一次側為三角形接法，二次側為星形接法，圖中僅畫出變壓器二次側，二極管的接法為共陰極接法，二極管的陰極連接在一起，在這種情況下，若a、b、c三相電中哪一相電壓最大，則該相所對應的二極管導通。本電路將分析電阻負載R兩端電壓ud，流過電阻負載R的電流id，流過二極管VD1、VD2、VD3的電流iVD1、iVD2、iVD3以及二極管VD1兩端的電壓uVD1的情況。30°～390°之間的波形，后續電路重復該區間的工作狀態及波形，最終得出的電阻負載R兩端電壓ud、流過電阻負載R的電流id、流過二極管VD1的電流iVD1、二極管兩端電壓uVD1的波形如圖3.2所示，圖中所示為電路已經穩定工作一段時間后的波形圖，因此在相位0°～30°之間也有相應波形。與共陰極接法相對應的還有共陽極接法，如圖3.3所示，圖中標注的電壓、電流方向為正方向，并不是電壓和電流實際的工作方向。三個二極管的陽極端連接在一起，此刻，a、b、c三相電中哪一相電壓最小，該相所對應的二極管導通，因為此刻該相的二極管承受正向電壓，另外兩相中的二極管承受反向電壓，處于關斷狀態。三相半波不可控整流電路(共陽極接法)電阻負載上的電壓ud、流過二極管VD1的電流iVD1波形如圖3.4所示。3.1.2三相半波可控整流電路(帶電阻負載)將三相半波不可控整流電路(共陰極接法)中的3個二極管替換為3個晶閘管VT1、VT2、VT3即可得到三相半波可控整流電路(帶電阻負載)，如圖3.5所示。在三相半波不可控整流電路(共陰極接法)中，二極管VD1在30°～150°的區間內承受正向電壓，VD2在150°～270°的區間內承受正向電壓，VD3在270°～390°的區間內承受正向電壓。當將二極管替換為晶閘管時，可推得，晶閘管VT1承受正向電壓的起始時刻是30°，晶閘管VT2承受正向電壓的起始時刻是150°，晶閘管VT3承受正向電壓的起始時刻是270°。因此，當晶閘管控制角α取值為30°時，VT1管的門極觸發脈沖施加在相位60°處，VT2管的門極觸發脈沖施加在相位180°處，VT3管的門極觸發脈沖施加在相位300°處。本次電路分析相位上60°～420°(即一個周期)中電阻負載R兩端電壓ud、流過晶閘管VT1的電流iVT1以及晶閘管VT1兩端的電壓uVT1的波形，控制角α取值為30°。電阻負載R兩端電壓ud、流過晶閘管VT1的電流iVT1波形如圖3.6所示。本次分析的是電路從原始關斷狀態到正常工作狀態，因此0°～60°的區間中無電壓、電流波形顯示。三相半波可控整流電路(帶電阻負載)控制角α取值范圍為0°～150°。當控制角α取值范圍在0°～30°時，整流輸出電壓ud的波形連續；當控制角α取值范圍在30°～150°時，整流輸出電壓ud的波形斷續。因此計算整流輸出電壓平均值分為兩種情況。(1)當α取值范圍在0°～30°時：(2)當α取值范圍在30°～150°時：3.1.3三相半波可控整流電路(帶電阻電感負載)三相半波可控整流電路(帶電阻電感負載)由變壓器、晶閘管、電阻電感負載組成，如圖3.7所示。該電路由于帶電阻電感負載RL，所以工作時輸出的波形和僅僅帶電阻負載時有區別，本次電路將分析一個周期內(90°～450°)，控制角α取值為60°時，電阻電感負載兩端電壓ud的波形情況。VT1、VT2、VT3承受正向電壓的起始時刻分別為30°、150°、270°，因此當α取值為60°時，三個晶閘管的門極觸發脈沖分別施加在90°、210°、330°。三相半波可控整流電路(帶電阻電感負載)輸出的波形如圖3.8所示。本次分析的是電路從原始關斷狀態到正常工作狀態，因此0°～90°的區間中無電壓、電流波形顯示。當晶閘管的控制角α取值為90°時，電阻電感負載兩端電壓ud波形中，正半周的面積和負半周的面積相等，即輸出電壓ud平均值為0?V，因此，可得三相半波可控整流電路(帶電阻電感負載)控制角α的取值范圍為0°～90°。由于該帶電阻電感負載電路工作時，輸出電壓ud的波形一直連續，因此可以計算得出輸出電壓的平均值公式為：3.2三相橋式整流電路3.2.1三相橋式不可控整流電路三相橋式不可控整流電路由變壓器、6個二極管VD1～VD6、電阻負載R組成，如圖3.9所示，圖中僅標出變壓器二次側。在該電路中VD1、VD3、VD5組成共陰極組，這3個二極管的陽極分別接至a相、b相、c相，在運行過程中，哪一相的電壓最大，則該相所對應的二極管導通；VD4、VD6、VD2組成共陽極組，而這3個二極管的陰極分別接至a相、b相、c相，哪一相的電壓最小，哪一相就導通。由圖3.6中三相電的波形u2可得在0°～30°的區間內，c相電壓最大；在30°～150°的區間內，a相電壓最大；在150°～270°的區間內，b相電壓最大；在270°～390°的區間內，c相電壓最大；后續相位區間可繼續判斷觀測哪一相位電壓最大。接著觀察相位電壓最小的區間，在0°～90°的區間內，b相電壓最小；在90°～210°的區間內，c相電壓最?。辉?10°～330°的區間內，a相電壓最??；330°～450°的區間內，b相電壓最小。根據上述分析可以觀測不同區間哪一相電壓最大，哪一相電壓最小，并由此判斷各個二極管的通斷情況，分析電阻負載R兩端的電壓ud、流過VD1的電流iVD1、VD1兩端的電壓uVD1。三相橋式不可控整流電路電阻負載R兩端的電壓ud、流過VD1的電流iVD1、VD1兩端的電壓uVD1的波形如圖3.10所示。3.2.2三相橋式全控整流電路(帶電阻負載)三相橋式全控整流電路(帶電阻負載)由變壓器、6個晶閘管VT1～VT6、電阻負載R構成，如圖3.11所示。二極管VD1在區間30°～150°承受正向電壓、VD2在區間90°～210°承受正向電壓、VD3在區間150°～270°承受正向電壓、VD4在區間210°～330°承受正向電壓、VD5在區間270°～390°承受正向電壓、VD6在區間?-30°～90°承受正向電壓。當將圖3.9中二極管都替換為晶閘管時，便組成三相橋式全控整流電路(帶電阻負載)，由此可以推得晶閘管VT1從30°開始承受正向電壓，VT2從90°開始承受正向電壓，VT3從150°開始承受正向電壓，VT4從210°開始承受正向電壓，VT5從270°開始承受正向電壓，VT6從?-30°開始承受正向電壓。當控制角α的取值為30°時，VT1的脈沖施加時刻為60°、VT2的脈沖施加時刻為120°、VT3的脈沖施加時刻為180°、VT4的脈沖施加時刻為240°、VT5的脈沖施加時刻為300°、VT6的脈沖施加時刻為0°。由以上分析便可得出每個晶閘管導通的區間，該電路將分析電阻負載兩端電壓ud、流過晶閘管VT1的電流iVT1、晶閘管VT1兩端電壓uVT1的波形。共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5的導通情況總結如表3.1所示，后續周期共陰極組重復上述區間內的工作情況。對共陽極組VT2、VT4、VT6而言，控制角的取值為30°時，共陽極組晶閘管VT2、VT4、VT6的導通情況總結如表3.2所示，后續周期共陽極組重復上述區間內的工作情況。根據上述分析，VT1～VT6每個晶閘管導通的區間確定，結合表3.1和表3.2可分析電路中電流的流通情況，得到電阻負載兩端電壓ud、流過晶閘管VT1的電流iVT1、晶閘管VT1兩端電壓uVT1的波形。本次電路分析60°～420°區間內的波形情況(即一個周期)，門極觸發脈沖控制角的取值為30°。三相橋式全控整流電路(帶電阻負載)工作情況如表3.3所示和輸出波形如圖3.12所示。當門極觸發脈沖控制角α取值為120°時，電阻負載兩端電壓ud波形變為0。由此可得，三相橋式全控整流電路(帶電阻負載)控制角α的移相范圍是0°～120°。當控制角α取值范圍在0°～60°時，輸出電壓ud波形連續；當控制角α取值范圍在60°～120°時，輸出電壓ud波形斷續。因此輸出電壓ud的計算方式有兩種。(1)當控制角α取值范圍在0°～60°時：(2)當控制角α取值范圍在60°～120°時：3.2.3三相橋式全控整流電路(帶電阻電感負載)三相橋式全控整流電路(帶電阻電感負載)的結構如圖3.13所示，由變壓器、晶閘管、電阻電感負載組成。該電路中由于存在電感L，起到續流的作用，因此會一定程度上影響晶閘管關斷的時刻，對電路的工作情況造成改變。當控制角的取值小于等于60°時，電阻負載兩端電壓波形ud連續，如果此刻將R負載替換為RL負載，電感L不會起到改變ud波形的作用。因此當α≤60°時，三相橋式全控整流電路帶R負載和RL負載的輸出電壓ud的波形一致；當α＞60°時，電感L起到續流導通的作用，改變ud波形，輸出電壓ud波形如圖3.14所示，出現負半周，圖3.14為控制角取值為90°時的輸出負載電壓、負載電流波形。由上述分析推導可得，當控制角α的取值為90°時，電阻電感負載的電壓ud正半周面積等于負半周面積，輸出電壓平均值為0。因此，三相橋式全控整流電路(帶電阻電感負載)控制角α的移相范圍是0°～90°。當三相橋式全控整流電路帶電阻電感負載時，輸出電壓ud的波形連續，因此輸出電壓平均值的計算公式為：4.1有源逆變電路

4.2無源逆變電路4.1有源逆變電路逆變電路的交流側和電網連接時，稱為有源逆變電路。整流電路的作用是將交流電轉換為直流電(即AC→DC)，而逆變電路的作用是將直流電轉換為交流電(即DC→AC)，二者的能量轉換方向相反。因此，當可控整流電路滿足某些特定條件時，可實現能量的反向傳輸，在不改變電路結構的情況下，即可將整流模式轉換為有源逆變模式。以單相橋式全控電路的工作情況為例，分析如何將整流電路切換為有源逆變電路。如圖4.1所示為單相橋式全控電路圖。1.整流工作模式控制角α在0°～90°范圍內。由于電流的流向只有兩種方式，即a點→VT1→RL與直流電機負載→VT4→b點和b點→VT3→RL與直流電機負載→VT2→a點，無論哪種工作方式，電路中電流id流向和圖中標出的正方向一直保持一致，因此流過電阻電感負載的電流id一直保持大于0的狀態，且由于負載中有電感的存在可以起到平波的作用，因此電流為一條正的平直的直線。綜上可以得出負載兩端電壓ud和電流id的波形圖如圖4.2所示。由于本次分析的是電路從原始停止狀態到正常工作狀態，因此0°～45°的相位區間內沒有輸出波形，后續電路正常工作后，將不斷重復45°～405°區間內的波形。此刻，電能從交流側傳輸至直流側，即交流電網通過4個晶閘管整流后，輸出直流電壓ud傳至直流電機負載側使電機運轉，是整流工作模式。由圖4.2可以推廣至控制角α位于0°～90°區間內的任意取值。從輸出功率的角度來看，可以得出該工作在整流模式下的電路的輸出功率Pd?=?udid，根據圖4.2波形可得，輸出電壓ud正半周的面積大于負半周的面積，因此ud＞0，而電流id一直為正，因此可得輸出功率Pd在控制角位于0°～90°范圍內，一直為正。如想實現電能的反向傳輸，即切換到有源逆變工作模式，則輸出功率Pd的取值就需要變為負。2.有源逆變工作模式無論控制角α如何變化，由于晶閘管的單向導電性，電路中的電流流向仍舊只可能有兩種方式，即α點→VT1→RL與直流電機負載→VT4→b點和b點→VT3→RL與直流電機負載→VT2→a點，如果逆著這個方向流通，則電路中的晶閘管會被擊穿，因此無論控制角α取值多少，負載中的電流id方向均與圖中標注的正方向一致，電流id的取值一直為正，假設負載中的電感很大，具有良好的平波作用，可得出流過負載的電流id的波形為一條正的平直的直線。假設此刻直流電機工作在再生制動狀態，即作為發電機運行，由于電流的方向一直為正，如想實現電能的逆向傳輸，只有改變電機的輸出電壓E的極性才可實現，如圖4.3所示。而為了實現電機的再生制動，左側的整流電路必須吸收電機發出的電能反饋給電網，因此整流電路的輸出電壓ud的極性也必須反向，即輸出電壓平均值Ud取值為負才可吸收電機發出的能量，即圖4.3中ud上下標注的上負下正(和圖中正方向相反)。而通過控制角度α位于90°～180°的區間內，便可使得Ud取值為負。以α?=?135°為例，電路的輸出電壓ud和電流id的波形圖如圖4.4所示。由于本次分析的是電路從原始停止狀態到正常工作狀態，因此0°～135°的相位區間內沒有輸出波形，后續電路正常工作后，將不斷重復135°～495°區間內的波形。由圖4.4可以得出當α?=?135°時，單相橋式全控電路輸出電壓ud正半周的面積小于負半周的面積，因此電壓ud取值為負，而電流id一直為正的取值，因此輸出的功率Pd為負，此刻電能傳輸方向和0°＜α＜90°時相反。此控制方式的關鍵便是輸出電壓ud取值為負，推導可得α取90°～180°范圍內的任意值，均可使輸出電壓ud取值為負，即當90°＜α＜180°時電能從直流側傳輸至交流側，電路處于有源逆變模式?？偨Y0°＜α＜90°和90°＜α＜180°的兩種工作方式，可得實現有源逆變的兩個條件：(1)電路中要有能提供逆變能量的直流電源，而且該直流電源的電壓取值必須大于變流器輸出的平均電壓Ud的值。(2)控制角α的取值范圍要在90°～180°內。4.2無源逆變電路圖4.5(a)所示為典型的單相橋式無源逆變電路(帶電阻負載)結構，該逆變電路由直流輸入側(直流電壓取值為Ud)、交流輸出側(電阻負載R)、四個開關器件組成，從圖中可以觀測到交流輸出側連接的是電阻負載，因此稱為無源逆變電路。該電路的功能為將輸入的直流電Ud轉換為負載輸出側的交流電壓uo，電路具體分析如下：在0～t1區間中，閉合開關S1和S4，斷開開關S2和S3，此刻電流從直流輸入側Ud的陽極出發，流經開關S1→電阻負載R→開關S4，最終回到直流輸入側Ud的陰極。此刻a點電壓取值為Ud的正端電壓，b點電壓取值為Ud的負端電壓，根據圖中所標出的正方向，輸出電壓uo在該區間內取值為a點電壓減去b點，即等于Ud。而流過電阻負載的電流io取值等于Ud/R，即電流io的波形形狀與uo相同，只是幅值有區別。在t1～t2區間中，斷開開關S1和S4，閉合開關S2和S3，此刻電路中的電流從直流輸入側Ud的陽極出發，流過開關S3→電阻負載→開關S2，再返回直流輸入側Ud的陰極。此刻a點電壓取值為Ud的負端電壓，b點電壓取值為Ud的正端電壓，根據圖中的正方向，輸出電壓uo在t1～t2區間中取值為a點電壓減去b點，即?-?Ud。流過電阻負載的電流方向和正方向相反，取值為?-Ud/R。最終負載側電壓uo和電流io波形如圖4.5(b)所示，是一個有規律性正負方向變化的交流電，表示該電路成功將直流輸入電Ud轉換為交流電uo，實現了逆變。圖4.6(a)所示為替換負載后的單相橋式無源逆變電路，該逆變電路由直流輸入側Ud、交流輸出側(電阻電感負載)、四個開關S1～S4組成。電路的工作方式和上文中僅帶電阻負載有一定的區別，分析如下：在0～t1區間中，閉合開關S1、S4，而開關S2、S3保持斷開，電流的流向為直流輸入側Ud的陽極→開關S1→電阻電感負載RL→開關S4→直流輸入側Ud的陰極，負載RL上電流流向為從a點流向b點，a點電壓取值等于直流輸入側Ud的陽極電壓，b點電壓取值等于直流輸入側Ud的陰極電壓，根據圖中標注的正方向，可得輸出電壓uo的取值為Ud，由于存在電感，輸出電流io無法迅速跳變，因此從0?A開始慢慢增大。在t1～t2區間中，斷開開關S1、S4，閉合開關S2、S3，由于存在電感儲能，因此此刻電路的負載RL中仍舊保留有從a點流向b點的電流，電路中電流方向為電阻電感負載RL→開關S3→直流輸入側Ud的陽極→直流輸入側Ud的陰極→開關S2，即此刻為電阻電感負載RL向直流輸入側Ud反向充電，電阻電感負載RL處于發出電能的放電狀態，因此流過電阻電感負載的電流io慢慢下降，直至降低為0?A。而在該區間內，a點電壓取值等于直流輸入側Ud的陰極電壓，b點電壓取值為直流輸入側Ud的陽極電壓，根據正方向，電阻電感負載兩端電壓等于a點電壓減去b點電壓，即?-?Ud。在t2～t3區間中，繼續保持斷開開關S1、S4，閉合開關S2、S3的狀態，此刻由于電感中的電能在上一個區間全部被放完，因此在本區間中電感中無儲能，電流的流向切換為直流輸入側Ud的陽極→開關S3→電阻電感負載RL→開關S2→直流輸入側Ud的陰極，流過電阻電感負載的電流io方向與正方向相反，因此取值為負，而且此刻為直流輸入側Ud向電阻電感負載RL傳輸電能，因此流過電阻電感負載的電流io在負半周從0?A開始慢慢增大。在該區間內，a點電壓取值等于直流輸入側Ud的陰極電壓，b點電壓取值為直流輸入側Ud的陽極電壓，根據正方向，電阻電感負載兩端電壓等于a點電壓減去b點電壓，即?-Ud。在t3～t4區間中，斷開開關S2、S3，閉合開關S1、S4，由于在上一個區間中電阻電感負載儲存了能量，因此電感中會維持一個從b點流向a點的電流，在本區間中電流的流向為電阻電感負載RL→開關S1→直流輸入側Ud的陽極→直流輸入側Ud的陰極→開關S4，此時電阻電感負載RL在向直流輸入側Ud反向充電，因此RL中的電流在負半周慢慢降低直至0?A。在該區間中，a點電壓取值為直流輸入側Ud的陽極電壓，b點電壓取值為直流輸入側Ud的陰極電壓，根據正方向，電阻電感負載兩端電壓等于a點電壓減去b點電壓，即Ud。最終負載側電壓uo和電流io波形如圖4.6(b)所示。無源逆變電路又可以分為電壓型和電流型。電壓型逆變電路主要有3個特點：(1)直流側為電壓源，或并聯有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。(2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。(3)當交流側為電阻電感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。電流型逆變電路主要有3個特點：(1)直流側串聯有大電感，相當于電流源。直流側電流基本無脈動，直流回路呈現高阻抗。(2)電路中開關器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側輸出的電流為矩形波，并且與負載的阻抗角無關。而交流側輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。(3)當交流側為電阻電感負載時需要提供無功功率，直流側電感起緩沖無功能量的作用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關器件反并聯二極管。4.2.1電壓型單相半橋逆變電路圖4.7所示為電壓型單相半橋逆變電路，屬于無源逆變電路，電路由2個參數一致的電容、2個絕緣柵雙極型晶體管V1和V2、2個二極管VD1和VD2、電阻電感負載RL組成，該電路的作用是將輸入側的直流電Ud轉換為輸出負載RL側的交流電。在正式分析電路前，需要注意以下幾點：由于兩個電容的參數一致，因此兩個電容的連接點b點便是輸入側直流電源Ud的中點，可以推出a點電壓為Ud，b點電壓為Ud/2，c點電壓為0?V，標出這幾個點的電壓便于后續判斷電阻電感負載RL側的輸出電壓。在電路正常工作時，絕緣柵雙極型晶體管V1和V2不能同時施加導通信號，否則V1和V2同時導通，會導致輸入側直流電源Ud短路，因此V1、V2的導通信號必須是互補的。同時，為了方便判斷電阻電感負載RL側輸出電壓的正負情況，規定負載RL側電壓、電流的正方向均為從右側流向左側。將電路分為4個區間來分析，分別是t1～t2區間、t2～t3區間、t3～t4區間、t4～t5區間，在這幾個區間內通過控制絕緣柵雙極型晶體管V1和V2的通斷，將輸入側的直流電壓Ud轉換為輸出負載側的交流電壓uo。電壓型單相半橋逆變電路的工作情況分析可總結至表4.1中。圖4.8所示是電壓型單相半橋逆變電路穩定工作后的波形圖，可見t1～t2區間、t2～t3區間、t3～t4區間、t4～t5區間中，輸出負載RL側的交流電壓uo和電流io的波形。半橋逆變電路的優點是使用的器件少，只需要使用2個絕緣柵雙極型晶體管V1、V2以及2個二極管VD1、VD2，但在電路工作時需要保持2個電容器電壓均衡，同時電阻電感負載RL兩端電壓uo的幅值僅為Ud/2，輸入直流電源電壓利用率偏低，適用于小功率逆變器。4.2.2電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路的結構如圖4.9所示，屬于無源逆變。在該電路中，絕緣柵雙極型晶體管V1、V4組成一個橋臂，V2、V3組成另外一個橋臂，V1和V2不能同時導通，否則會造成輸入側直流電壓源短路，同理V3和V4也不能同時導通。為便于判斷輸出電阻電感負載RL側電壓的正負情況，本電路中規定負載RL側電壓、電流的正方向均為從左側向右側。電壓型單相全橋逆變電路的工作情況分析可總結至表4.2中。圖4.10所示是電壓型單相全橋逆變電路穩定工作后的波形圖，可見t1～t2區間、t2～t3區間、t3～t4區間、t4～t5區間中，輸出負載RL側的交流電壓uo和電流io的波形。4.2.3電壓型單相全橋逆變電路移相調壓電壓型單相全橋逆變電路移相調壓電路的結構如圖4.11所示，屬于無源逆變，該電路和電壓型單相全橋逆變電路一致，但在控制4個絕緣柵雙極型晶體管通斷的時間上有所區別，該電路的作用是將輸入側的直流電Ud轉換為輸出負載RL側的交流電uo，且能夠通過移相調壓方式調節該輸出交流電壓uo的取值。在移相調壓的電路中，V1和V4的導通時刻有一定的相位差，V2和V3的導通時刻也有一定的相位差，且為保證輸出電壓、電流波形規律，這兩組管的相位差相等。需要注意的是，在設置相位差的時候，V1和V2不能同時導通，V3和V4也不能同時導通，否則會造成直流輸入側Ud短路。為便于判斷輸出電阻電感負載RL側電壓的正負情況，本電路中規定負載RL側電壓、電流的正方向均為從左側向右側。電壓型單相全橋逆變電路移相調壓的工作情況分析可總結至表4.3中。由以上分析可得，在t0～t1區間、t1～t2區間、t2～t3區間、t3～t4區間、t4～t5區間、t5～t6區間中負載RL側的電壓uo、電流io的波形如圖4.12所示。5.1降壓斬波電路

5.2升壓斬波電路

5.3升降壓斬波電路

5.4Cuk斬波電路

5.5Zeta斬波電路

5.6

Sepic斬波電路

5.7多相多重斬波電路5.1降壓斬波電路降壓斬波電路的結構如圖5.1所示，該電路由輸入側直流電壓源Ｅ、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管Ｖ、續流二極管VD、電阻電感負載RL組成?？刂圃撾娐穼ǖ年P鍵器件為絕緣柵雙極型晶體管，將該器件看作理想元器件，即關斷的時候器件阻值為無窮大，導通的時候器件阻值為0?Ω，將絕緣柵雙極型晶體管導通的區間標注為ton，關斷的區間標注為toff，一個周期看作T?=?ton?+?toff。在第一個周期內，當絕緣柵雙極型晶體管導通時，二極管VD承受反向電壓處于關斷狀態，電路中電流的流向為輸入側直流電壓源E的正極→絕緣柵雙極型晶體管→電阻電感負載RL→輸入側直流電壓源的負極，電阻電感負載RL兩端的電壓等于輸入側直流電壓源的電壓，即uo?=?E。當絕緣柵雙極型晶體管關斷時，電阻電感負載中的電感發出能量，起到阻止電流突變的作用，電流流通方向為電阻電感負載RL→二極管VD→電阻電感負載RL，即二極管VD起到續流的作用，此刻電阻電感負載RL兩端的電壓uo?=?0?V。根據上述分析，可以得出降壓斬波電路的輸出電壓波形如圖5.2所示。根據波形圖可計算得出輸出電壓uo的平均值為其中，α為占空比，α?=?ton?/?T。5.2升壓斬波電路升壓斬波電路的結構如圖5.3所示，該電路由輸入側直流電壓源E、電感L、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管V、二極管VD、電容C、電阻R組成。將絕緣柵雙極型晶體管導通的區間標注為ton，關斷的區間標注為toff，一個周期看作T?=?ton?+?toff。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期的狀態進行分析，且電感L、電容C的取值很大。當絕緣柵雙極型晶體管處于導通狀態時，電流有兩路，第一路電流流向為輸入側直流電壓源E正極→電感L→絕緣柵雙極型晶體管→輸入側直流電壓源E負極，電壓源E向電感L充電，由于電感取值較大，可以將流過電感L的電流看作基本無波動的恒定取值I1，在該區間內電感L吸收的電能為P1?=?EI1ton。第二路電流流向為電容C→電阻R的回路，由于電容C取值較大，可將負載輸出電壓看作恒定值Uo。當絕緣柵雙極型晶體管處于關斷狀態時，電流的流向為輸入側直流電壓源E正極→電感L→二極管VD→電容C、電阻R→輸入側直流電壓源E負極，此刻輸入側直流電壓源E和電感L發出能量，由于電感L取值較大，電路中的電流仍可取為先前的電流值I1，在該區間內電感L所放出的能量P2?=?(Uo?-?E)I1toff，由于電容C取值較大，負載輸出電壓仍為恒定值Uo。根據上述分析，可以得出升壓斬波電路的輸出電壓波形如圖5.4所示。根據一個周期內電感L吸收和放出的能量相等的原理(P1?=?P2)，可計算得出輸出電壓uo的平均值為5.3升降壓斬波電路升降壓斬波電路的功能是，在滿足某一條件下可以實現升壓功能，在滿足另一條件下可以實現降壓功能，具體條件將在下文中進行介紹。升降壓斬波電路由以下幾個部分組成：輸入側直流電壓源E、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管V、電感L、二極管VD、電容C、電阻R。電路結構如圖5.5所示，圖中電阻電容RC儲存的電壓方向為上負下正(即負載電壓和電源電壓的方向相反)，該電路又稱為反極性斬波電路。在分析該電路的工作原理時，將絕緣柵雙極型晶體管導通的區間標注為ton，關斷的區間標注為toff，一個周期為兩者之和。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需分析一個周期的工作狀態，且電感L、電容C的取值很大。本次電路觀測圖5.5中標注的i1和i2的波形情況。當絕緣柵雙極型晶體管導通時，即在ton的區間內，電路中的電流流向為：輸入側直流電壓源E正極→絕緣柵雙極型晶體管→電感L→輸入側直流電壓源E負極。此刻電感L正在吸收能量，假定L的取值較大，此刻電路中的電流i1可以看為一個恒定的數值，假定為I，在波形圖中即可在ton的區間內將i1波形畫為一條直線，而此刻i2的取值為0?A。當絕緣柵雙極型晶體管關斷時，即在toff的區間內，電路中的電流流向為：電感L→電容C、電阻R→二極管VD→電感L。根據該通路可得到此刻i1的取值為0?A，而由于電感取值較大，阻止電流突變，因此電路中的電流可看成和剛才的電流一致，取值為I，因此在波形圖中可在toff的區間內將i1畫為0?A，i2畫為取值等于I的一條直線。根據上述分析，可得升降壓斬波電路的輸出電流波形如圖5.6所示。根據穩態時電感L在一個周期內兩端電壓對時間的積分為0，推導可得升降壓斬波電路的輸出電壓公式為其中，占空比α?=?ton/T，當α的取值在0～0.5時，可計算得出Uo＜E，此刻電路實現降壓功能；當α的取值在0.5～1時，可計算得出Uo＞E，此刻電路實現升壓功能。所以該電路被稱為升降壓斬波電路，只需要調整占空比α的取值，便可選擇實現升壓或者降壓的功能。5.4Cuk斬波電路Cuk斬波電路的結構如圖5.7所示，由以下幾個部分組成：輸入側直流電壓源E、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管V、電感L1和L2、二極管VD、電容C、電阻負載R。電容儲存能量的電壓方向為左正右負。當絕緣柵雙極型晶體管處于導通狀態時，電流的流向有兩條通路，分別為：輸入側直流電壓源E正極→電感L1→絕緣柵雙極型晶體管V→輸入側直流電壓源E負極；電容C→絕緣柵雙極型晶體管V→電阻R→電感L2。當絕緣柵雙極型晶體管處于關斷狀態時，電流也有兩條通路，分別為：輸入側直流電壓源E正極→電感L1→電容C→二極管VD→輸入側直流電壓源E負極；電感L2→二極管VD→電阻R。根據穩態時電容C的電流在一周期內平均值為0，推導可得Cuk斬波電路的輸出電壓公式為5.5Zeta斬波電路Zeta斬波電路的結構如圖5.8所示，該電路由輸入側直流電壓源E、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管V、2個電感L1和L2、二極管VD、2個電容C1和C2、電阻負載R組成。當絕緣柵雙極型晶體管處于導通狀態時，電流有兩個通路，分別為：輸入側直流電壓源E經過絕緣柵雙極型晶體管向電感L1供電；輸入側直流電壓源E、電容C1經過電感L2向電容C2和電阻負載R供電。當絕緣柵雙極型晶體管處于關斷狀態時，電流也有兩個通路，分別為：電感L1通過二極管VD向電容C1供電；電感L2經過二極管VD續流。推導可得Zeta斬波電路的輸出電壓公式為5.6Sepic斬波電路Sepic斬波電路的結構如圖5.9所示，該電路由輸入側直流電壓源E、2個電感L1和L2、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管V、二極管VD、2個電容C1和C2、電阻負載R組成。當絕緣柵雙極型晶體管處于導通狀態時，電流有兩個通路，流向為：輸入側直流電壓源E正極→電感L1→絕緣柵雙極型晶體管V→直流電壓源E負極；電容C1→絕緣柵雙極型晶體管V→電感L2。當絕緣柵雙極型晶體管處于關斷狀態時，電流也有兩個通路，流向為：輸入側直流電壓源E正極→電感L1→電容C1→二極管VD→電容C2、電阻R→直流電壓源E負極；電感L2→二極管VD→電容C2、電阻R。推導可得Sepic斬波電路的輸出電壓公式為5.7多相多重斬波電路多相多重斬波電路是將幾個相同的基本斬波電路通過一定方式組合而成的。如圖5.10所示，E、V1、VD1、L1、R；E、V2、VD2、L2、R；E、V3、VD3、L3、R分別為3個降壓斬波電路，將其組合便可構成三相三重斬波電路。為輸出規律的電流波形，在一個周期內V1、V2、V3的導通相位依次相差1/3個周期，例如一個周期為360°，則V1在0°時開始給導通信號，V2在120°時開始給導通信號，V3在240°時開始給導通信號。由于V1、V2、V3為絕緣柵雙極型晶體管，屬于全控型器件，因此可以通過其柵極G端控制通斷。流過電阻R的電流io為電流i1、i2、i3之和，電流i1、i2、i3的脈動互相抵消，因此得到的電流io脈動幅度會平緩很多。6.1

單相交流調壓電路(帶電阻負載)

6.2單相交流調壓電路(帶電阻電感負載)6.1單相交流調壓電路(帶電阻負載)單相交流調壓電路(帶電阻負載)結構如圖6.1所示，由交流電壓源u1、反向并聯的晶閘管VT1和VT2、電阻負載R組成。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需分析一個周期的工作情況(即0°～360°)，觀測電阻負載兩端輸出電壓uo、流過電阻負載R的電流io及并聯晶閘管兩端電壓uVT的波形，本電路控制角α的取值為90°。由圖形連接方式可知晶閘管VT1在0°～180°的區間內承受正向電壓，晶閘管VT2在180°～360°的區間內承受正向電壓，因此，當晶閘管的控制角α取值為90°時，VT1的門極觸發脈沖在相位90°的時候施加，VT2的門極觸發脈沖在270°的時候施加。由此便可確定2個晶閘管在何區間導通。單相交流調壓電路(帶電阻負載)的工作情況如表6.1所示。單相交流調壓電路(帶電阻負載)電阻負載兩端輸出電壓uo、流過電阻負載R的電流io、晶閘管兩端電壓uVT的波形如圖6.2所示。當單相交流調壓電路穩定工作后，將不斷重復圖6.2所示的波形。6.2單相交流調壓電路(帶電阻電感負載)單相交流調壓電路(帶電阻電感負載)結構如圖6.3所示，由交流電壓源u1、反向并聯的晶閘管VT1和VT2、電阻電感負載RL組成。本電路分析0°～360°的工作情況，即觀測一個周期中電阻電感負載兩端輸出電壓uo、流過電阻電感負載RL電流io及并聯晶閘管兩端電壓uVT的波形，本電路門極觸發脈沖控制角α的取值為90°。在該電路中，0°～180°內晶閘管VT1承受正向電壓，180°～360°內晶閘管VT2承受正向電壓，當控制角α取值為90°時，VT1的門極觸發脈沖在相位90°施加，VT2的門極觸發脈沖在270°施加。該電路與6.1節帶電阻負載的單相交流調壓電路的不同之處是負載由電阻R變為電阻電感RL，由于電感的存在會使得流過晶閘管的電流無法突變為0?A，延后晶閘管關斷的時刻。單相交流調壓電路(帶電阻電感負載)的工作情況如表6.2所示。單相交流調壓電路(帶電阻電感負載)電阻電感負載兩端輸出電壓uo、流過電阻電感負載RL的電流io、晶閘管兩端電壓uVT的波形如圖6.4所示。7.1單閉環直流調速系統

7.2雙閉環直流調速系統7.1單閉環直流調速系統如圖7.1所示，單閉環直流調速系統主要由以下幾個部分組成：給定電壓電路、轉速調節器ASR、觸發電路CF、三相整流橋電路、電機主回路、轉速檢測電路、反饋電路。在圖7.1中可以觀測到只有一個轉速反饋環節，故該電路被稱為單閉環直流調速系統。7.1.1單閉環直流調速系統的正反饋與負反饋模式參考自動控制原理，閉環反饋控制系統按照反饋信號處理方式，可以分為正反饋工作模式和負反饋工作模式兩種。正反饋的定義是，將輸出量與輸入量采用相加的比較方式，而后通過反饋回路回饋至輸入端口，從而影響控制系統；負反饋采用將輸出量與輸入量作差的方式，將作差得到的信號回饋至輸入端口，從而影響控制系統。在單閉環直流調速系統中，只有采用負反饋的工作模式才可消除轉速偏差，如果控制方式采用正反饋模式，則會導致電機轉速不斷上升最終發生失控的現象。1.正反饋工作模式當控制系統采用電機轉速反饋電壓Un和給定電壓

“相加”的正反饋模式時，系統輸入端的輸入電壓為

。當控制系統中的電機由于外界干擾導致轉速n增大，電機反饋電壓Un隨之增大，導致系統輸入端電壓

增大，下一環節的轉速調節器ASR的輸出電壓Uct增大，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud繼而增大，使得轉速n進一步增大，而電機轉速n增大通過反饋回路又使得電機反饋電壓Un隨之增大，而后系統輸入端電壓ΔU又繼續增大，進入一個和剛才敘述過程重復的正反饋循環，電機的轉速在該過程中不斷增加，最終導致失控現象的發生，該反饋過程為：2.負反饋工作模式為了克服上述正反饋的缺點，控制系統需要采用負反饋，負反饋模式下給定電壓

和轉速反饋電壓Un“相減”，系統輸入端的輸入電壓為

。考慮給定電壓

對系統的影響，轉速閉環調速系統中電機的轉速大小受轉速給定電壓

控制，當給定電壓取值為零時，電機停止運轉；當給定電壓

增大時，電機轉速隨之增大；當給定電壓

減小時，電機轉速隨之降低。以提高轉速的控制系統為例，系統原理分析為：當給定電壓

增大時，會使得系統輸入端的輸入電壓

增大，而后轉速調節器ASR的輸出電壓Uct增大，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud隨之增大，最終使得轉速n上升，在有靜差的系統中，

趨向于一個穩定的值，轉速在增加一定取值之后趨于穩定?？紤]轉速變化對系統的影響，當系統受到外界的擾動，電機轉速n下降時，電機轉速反饋電壓Un隨之減小，導致系統輸入端電壓

增大，轉速調節器ASR的輸出電壓Uct增大，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud繼而增大，使得轉速n增大，而轉速n的增大會使得由于外界負載變化擾動而降低的電機轉速恢復到一個正常區間，該過程為通過這一調節可抑制轉速的下降，雖然不能做到完全阻止轉速下降，但同開環控制系統相比，轉速的下降程度會大大降低，從而保持了轉速的相對穩定。7.1.2單閉環直流調速系統的靜特性上文對單閉環直流調速系統的負反饋工作模式進行了介紹，為更進一步了解系統的工作原理，本節將分析單閉環直流調速系統的靜特性。單閉環直流調速系統處于穩定工作狀態時，電機轉速n與電樞電流Id(或轉矩)之間的關系稱為閉環調速系統的靜特性。圖7.2為圖7.1轉換而成的穩態結構圖。其中，Kp為轉速調節器模塊中的運算放大器放大系數，Ks為功放整流模塊系數，Id為電樞電流，R為電樞電阻，Ce為額定磁通下的電動勢系數，α為轉速反饋系數。由穩態結構圖可得如下計算公式：綜合上述四個公式可以得出系統的靜特性方程為其中，K稱為系統的開環放大系數，計算公式為由電機拖動原理可知開環電機調速系統中轉速的公式為單閉環直流調速系統的轉速公式即式(7-1)的靜特性方程為由此可得開環系統計算公式的斜率為

，單閉環直流調速系統計算公式的斜率為

，可見單閉環直流調速系統的斜率比開環系統的斜率小得多，為了更加直觀地觀測二者的區別，圖7.3中使用式(7-1)、式(7-2)繪制了開環系統的機械特性曲線和閉環系統的靜特性曲線，兩者都表示電機轉速n與電樞電流Id(或轉矩)之間的關系，只是開環系統用機械特性表示二者關系，閉環系統用靜特性表示二者關系。需要注意的是，閉環系統的靜特性表示的是電機轉速n與電樞電流Id(或轉矩)的靜態關系，是經過閉環系統調節后的結果，在每條機械特性曲線上對應一個相應的工作點，是一種靜態的關系，靜特性無法體現一個系統動態的工作過程。如圖7.3所示，Ud1、Ud2、Ud3、Ud4線段是不同電樞電壓下的開環機械特性曲線，當電壓取值為Ud1而電樞電流取值為Id1時，電機位于線段Ud1的A點上，