高速铁路同相供电：方波电压生成

方波电压可以由逆变器生成，常用的方波逆变器有单相方波半桥逆变器、单相全桥方波逆变器和三相半桥方波逆变器[62]。其他结构逆变器都可由这三种基本逆变器扩展而成。

1．由单相半桥逆变器生成方波电压

单相半桥方波逆变器的原理电路如图6.6所示，它由两个功率开关管T1、T2构成的一个桥臂和一个带中点的直流电源组成。图中uf为负载电压，也就是逆变器的输出电压； if为流过负载的电流； uT1、uT2分别为T1、T2功率开关管的驱动电压。当驱动电压uT1、uT2为正时，T1、T2导通；当驱动电压uT1、uT2为零时，T1、T2截止。

假设T1、T2永远是一个导通另一个就截止，功率开关管开通或关断没有延迟和过渡时间，相当于理想开关。那么：

当T1导通、T2关断时，输出电压uf=uao=E/2；

当T1关断、T2导通时，输出电压uf=uao=-E/2。

图6.6　原理电路

因此，在驱动电压uT1、uT2作用下单相半桥方波逆变器的电压电流波形如图6.7所示，其中，图6.7（a）、（b）分别为T1和T2的驱动电压波形；图6.7（c）为逆变器输出电压uf的波形，也即负载电压波形；图6.7（d）、（e）、（f）分别为电阻、电感和阻感负载时的负载电流波形。

图6.7　逆变器的电压电流波形

综上所述，控制开关管T1、T2的驱动脉冲电压uT1、uT2，就可以得到方波输出电压。假设功率开关管T1、T2导通和开断的时间都为半个周期T/2（T为基波信号的周期），那么输出电压可用傅氏级数表示，瞬时电压表达式为

以上讨论只限于理想开关状态，实际的功率开关管并非接到驱动信号就立即开通或关断，开通和关断并都需要一定时间。假定接到开通驱动信号开始到功率开关管完全开通所需要的时间为开通延迟时间tn，从接到关断驱动信号开始到功率开关管完全关断所需要的时间为关断延迟时间tf。当关断延时时间大于开通延时时间时，如果T1正处于关断的过渡时间就立刻驱动T2导通，此时会出现T1还未关断时就使T2开通，引起T1和T2同时导通的“贯穿”短路故障。在实际电路应避免这种现象的发生，一般在T1关断之后和T2开通之前加入一个驱动脉冲封锁时间 Δ t，封锁时间Δt＞tf-tn，通常是把T1、T2驱动脉冲前沿减去一个封锁时间，使功率开关管的开通驱动脉冲晚到来 Δt，从而避免“贯穿”短路故障发生。

图6.8为实际常用的电压型单相半桥方波逆变器电路。与图6.6原理电路的不同之处是采用了两个直流滤波电容串联分压，在这里C1=C2，当C1和C2足够大时，可以认为其上电压基本保持恒定不变，即每个分压电容上的电压都为E/2 。

图6.8　实际半桥逆变器

由第4章分析可知，同相牵引供电系统平衡补偿装置并不输出有功功率，或者说是在一个周期内输入输出有功功率代数和恒等于零。所以逆变器直流侧电源可用电容替代，当电容容量足够大时，可认为电容上的电压恒定不变。

2．由单相全桥方波逆变器生成方波电压

单相全桥方波逆变电路及输出电压波形如图6.9所示。其中，图6.9（a）为原理电路，电容C为分压电容；uT1（ uT4）、uT2（ uT3）、分别为开关管T1（ T4）和T2（ T3）的驱动电压，其波形如图6.9（b）、（c）所示；图6.9（d）为逆变器的输出电压（负载电压）；图6.9（e）为电流流通回路。

图6.9　单相全桥逆变电路及输出电压波形

假定分压电容上的电压恒定不变为E/2（实际电容上电压随充放电而周期波动，当电容足够大，则波动较小，可视为恒定值），开关管可以随时关断和开通不存在延时时间，且T1、T4开通（关断）时，T2、T3关断（开通）。那么：

当T1、T4开通、T2、T3关断时，电流回路如图6.9（e）回路1（虚线）所示，输出电压uf=uab=E ；当T1、T4关断、T2、T3开通时，电流回路如图6.9（e）回路2（实线）所示，输出电压uf=uab=-E 。

所以逆变器的输出电压波形如图6.9（d）所示，由于在一个周期内每个开关管导通和关断时间正好为180°，一个周期内输出电压uf=uab=E和uf=uab=-E各为180°，所以称为180° 固定方波电压。用傅氏级数分解，则输出电压可表示为

可见，在直流电源电压不变时，全桥逆变器输出电压比半桥增加2倍；当负载也不变时，全桥逆变器输出功率是半桥的4倍。

180° 固定方波电压的基波幅值和谐波含量是固定的，无法满足对谐波含量要求苛刻和幅值必须可调的场合。适当调整四个开关的导通和关断时间，可以得到幅值可调、谐波含量小的输出电压。为了分析方便应用叠加原理，图6.9（a）所示的单相全桥方波逆变器的输出电压可以视为是由T1、T2和T3、T4构成的两个单相半桥逆变器输出电压的叠加。仍假定开关管可以随时关断和开通且不存在延时时间，并假定T3、T4构成的半桥输出电压ubo比T1、T2构成的半桥输出电压uao滞后180 °+φ角，即

所以，输出电压uab为

(www.xing528.com)

逆变器输出电压波形如图6.10所示。由于θ=180°-φ，因此n次谐波电压的幅值和式（6.7）可分别表示为

图6.10　方波逆变器调压模式

根据式（6.7）、式（6.8）和式（6.9）可得以下结论：

（1）输出电压uab的幅值与φ（或脉冲宽度θ）有关，因此，调节φ 角（或脉冲宽度θ）可以调整输出电压基波和谐波的幅值。

（2）调节φ 角（或脉冲宽度θ）可消除某一次及其奇次倍谐波，只要满足，就能消除n次及n的奇次倍谐波。

（3）调节φ 角（或脉冲宽度θ）可以提高基波电压的幅值和减小谐波电压的含量，从而改善输出电压波形的质量。

3．由三相半桥方波逆变器生成三相方波电压

三相半桥方波逆变器原理电路如图6.11所示。它由三个半桥逆变器组成，逆变器的输出电压相当于三个半桥逆变器输出电压的叠加。假定每个半桥上下两个开关管工作状态互补，即一个导通另一个就必然关断，导通与关断不存在延时。

图6.11　三相半桥方波逆变器原理电路

如此一来，由T1、T2构成的半桥其输出电压uao的波形如图6.12所示。由于T1、T2导通或关断的时间各为180°，所以输出电压uao的波形是幅值为E/2的180° 固定方波。

为了产生彼此互差120° 的三相输出电压，让T3比T1延迟120° 电角度开通（同样T4比T2延迟120° 电角度开通）。那么T3、T4构成的半桥其输出电压ubo是比uao滞后120° 的180° 固定方波，如图6.12所示。

同样T5比T3延迟120° 电角度开通（ T6比T4延迟120° 电角度开通），那么T5、T6构成的半桥其输出电压uco的波形将比ubo滞后120°，如图6.12所示。

线电压为相电压之差，即

根据式（6.10），可计算得uab、ubc、uca，其波形如图6.12所示。

假设三相负载完全对称，对o′列写节点电压方程整理可得

由于

图6.12　三相半桥电压波形

所以

根据式（6.13）可得uo′o的波形如图6.12所示。再根据式（6.12）可得uao′、ubo′、uco′，其波形如图6.12所示。

线电压uab和相电压uao′的傅里叶级数式为

从式中可以看出，线电压和相电压中只有奇次谐波。由于没有3次谐波及其倍数次谐波的流通通路，所以输出电压中不含3次谐波及其倍数次谐波。