第3章-交交变频技术资料讲解
变频器技术与应用第3章 思考与练习解答
思考与练习1.交-直-交变频器的主电路包括那些组成部分？并说明各部分的作用。
答:交-直-交变频器的主电路由整流电路、中间电路、逆变电路三部分组成。
整流电路：把从电网接入幅值和频率都恒定的交流电压信号，经由整流器转换为直流电压；中间电路：整流器输出电压含有频率为电源频率6倍的纹波，中间电路的滤波电路能减少电压和电流的波动，还可以避免变频器被雷击时二极管被烧坏。
在直流回路中的制动电阻或反馈通道吸收电动机的再生电能，能使电动机快速制动。
逆变电路：能把直流电源逆变成交流电源，驱动电动机实现变速。
2.说明可控整流电路和不可控整流电路的组成和原理有什么区别。
答:不可控整流电路使用的器件为电力二极管，三相桥式整流电路共有6个整流二极管，其中3个二极管、、的阴极连接在一起，称为共阴极组；另外3个二极管、、的阳极连接在一起，称为共阳极组。
在接入电源、、工作期间，每等份时间段内，在共阴极组中二极管阳极电位最高的优先导通，在共阳极组中二极管阴极电位最低的优先导通。
同一时刻每组各一个二极管同时导通，其余四个反向截止。
在自然换相点各二极管换相导通或截止。
在每个周期内，每个二极管导通1/3周期，即导通角为120°，极性始终上正下负，为脉动直流电压。
负载电阻上输出的平均电压为输入相电压的2.34倍，不可改变。
可控整流电路：三相桥式整流电路中的二极管换为晶闸管（又称可控硅），就成为三相桥式全控整流电路。
当闸管阳极和阴极承受正向电压且门极和阴极两端加正向触发电压时才能导通，所以晶闸管可控整流电路输出电压的平均值可随门极控制电压信号的变化连续可调，负载上平均电压的平均值电压可被晶闸管触发延迟角调控。
3.中间电路有哪些形式？并说明各形式的功能。
答: 中间电路有哪些形式有滤波电路、制动电路。
滤波电路分为电压型可以可使直流母线电压基本保持恒定，能有效的减小受负载变动造成的影响；电流型电流基本不受负载的影响。
制动电路：分为动力制动、反馈制动、直流制动三种方式。
交-交变频器和交直交变频器的工作原理_理论说明
交-交变频器和交直交变频器的工作原理理论说明1. 引言1.1 概述交流变频器和交直交变频器作为电力调节装置在现代工业领域具有广泛的应用。
它们通过控制电压和频率来实现对电动机转速的调节，从而满足不同工况下的需求。
本文将深入探讨这两种变频器的工作原理及其理论说明。
1.2 文章结构本文将分为五个部分进行阐述。
第一部分为引言，介绍文章的背景和目标；第二部分将详细阐述交流变频器的工作原理，包括基本原理、输入输出特性以及控制策略；第三部分将重点讲解交直交变频器的工作原理，包括脉宽调制技术、桥式整流器以及逆变器设计；第四部分将通过建立数学模型并进行系统特性分析，展示这些变频器工作原理的模拟与分析过程；最后一部分是结论，总结文章要点并展望这些变频器在未来的研究意义与发展前景。
1.3 目的本文旨在全面了解和揭示交流变频器和交直交变频器的工作原理，并通过数学模型建立与系统特性分析来更好地理解其原理与工作机制。
通过本文的阅读，读者将能够深入了解交流变频器和交直交变频器在工业领域中的应用以及其对电动机的调节控制效果，为相关技术的研究和实践提供有益参考。
这样会清晰重点说明引言部分的内容。
2. 交流变频器的工作原理:2.1 基本原理：交流变频器是一种电力调节设备，用于将固定频率和振幅的交流电转换为可调节频率和振幅的交流电。
其基本原理是通过控制电压和频率来实现对电机转速的调节。
在交流变频器中，主要由三个部分组成：整流器、逆变器和中间直流环节。
整流器将交流电源转换为直流，并通过逆变器将直流电源再次转换为可调节的交流电源。
2.2 输入输出特性：交流变频器通常具有宽输入电压范围和高输出功率因数。
可以接受不同工作条件下的输入，如不同的供应电压、负载波动等，并产生稳定且可调节的输出。
其中，输入特性包括输入相位角、输入功率因数等；输出特性包括额定输出功率、容量因数、效率等。
这些特性决定了交流变频器在工业应用中的适用性以及对于不同负载情况下的响应能力。
晶闸管相控交-交变频技术
3.晶闸管相控AC-AC 变频技术如果适当控制正、反两组晶闸管相控整流器的切换频率，则在负载端可以获得交变的输出电压，这就是晶闸管相控AC-AC 变频器的实现思想、或者说，晶闸管相控AC-AC 变频器，是通过晶闸管对输入电源电压波形的切换来得到所需频率的交流电压输出。
由于晶闸管相控AC-AC 变频器，具有单级功率变换、变换效率高、四象限运行、低频输出波形接近正弦波、接线复杂、受限于电网频率和变频器的脉波数、输出频率较低、网侧功率因数较低、网测电流谐波含量大、频谱复杂等特点，主要应用于500KW 或1000KW 以上的大功率、低转速的交流调速系统以及轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合，不但可用於异步电动机的传动，还可用于同步电动机的传动。
3.1晶闸管相控单相-单相AC-AC 变频器3.1.1电路拓扑两组反并联的可逆整流电路如图3.1所示。
其中，通过改变共阴、阳极双半波整流电路晶闸管的控制角，可分别在输出负载得到上正下负、上负下正大小可变的输出电压。
正组整流器工作、反正被封锁时，负载端输出电压为上正下负；反组整流器工作、正组被封锁时，负载端输出电压为上负下正。
以低于输入电源的频率交替地切换正、反两组整流器的工作状态，在负载端可以获得含有大量谐波的交流输出电压。
tU u A ωsin 22=图3.1 两组反并联的可逆整流电路3.1.2控制原理如果在半周期中使导通工作的晶闸管的控制角α由90︒逐渐减小到零，然后再增大到90︒，则该整流器的输出平均电压就从零增大到最大，然后再减小到零。
因此，只要控制α角在0︒～90︒之间以适当地规律性变化，即可获得按正弦规律变化的平均输出电压。
在实际的交－交变频电路中，常采用“余弦波交截控制法”控制α角的变化以获得平均正弦波的输出。
以控制电压U c 来控制α角的变化，如果控制电压U c 的大小总是正比于控制角α的余弦大小，即αcos cm c U U = （3-1）U cm 为U c 峰值，则输出电压平均值U d 随U c 呈线性变化。
《交交变频器》课件
欢迎来到《交交变频器》PPT课件！在本课程中，我们将深入探讨交交变频器 的各个方面，包括应用领域、工作原理、组成部分和控制方式等。
交交变频器简介
交交变频器是一种用于交流电动机驱动的设备，通过调整输出电压和频率， 实现对电动机转速和负载的精确控制。
变频器的应用领域
工业制造
变频器广泛应用于各种工业制造过程中，如机械制造、纺织、印刷等。
建筑和设施管理
变频器可用于建筑和设施管理领域中的空调、水泵和风机等设备。
能源和环境
变频器可用于风力发电、太阳能发电和污水处理等领域，提高能源利用效率。
变频器的工作原理
磁通调节
变频器通过改变电动机的磁 通量来控制转速和负载。
频率控制
变频器调节输出频率，进而 调整电动机的转速。
PWM调制
变频器使用脉宽调制技术， 将直流电转换为可调输出。
变频器的优点和缺点
优点
• 节能效果显著 • 提高电动机的控制精度 • 减小设备的机械冲击和磨损
缺点
• 设备成本较高 • 对电网产生干扰 • 需要专业技术人员的维护和调试变频器的分类Fra bibliotek按功率分
低压变频器和中高压变频器。
按控制方式分
V/F控制、矢量控制和直接转矩控制。
按应用领域分
工业变频器、家用变频器和专用变频器。
变频器的主要组成部分
1 整流器
2 逆变器
将交流电转换为直流电，提供给逆变器。
将直流电转换为可调输出的交流电。
3 滤波器
4 控制电路
用于减小输出波形的谐波含量，提供更 干净的电源。
接收输入信号，控制变频器的输出频率 和电压。
典型的变频器结构
变频技术概述
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电力电子器件是电力电子技术的物质基础和技术关键，也是变频技术技术 发展的“龙头”。
可以说，电力电子技术起步于晶闸管，普及于GTR，提高于IGBT。新型 电力电子器件的涌现与发展，促进了电力电子电路的结构、控制方式、装置 性能的提高。本章从应用的角度出发，对电力电子器件的种类、性能及应用 等加以介绍。
5）浪涌电流ITSM
（3） 晶闸管的门极定额
1）门极触发电流IGT：是在室温下，通态电压直流6V时使晶闸管由断态转入 通态所必需的最小门极电流。
2）门极触发电压UGT：是产生门极触发电流所必需的最小门极电压。
（4）动态参数
1）断态临界电压上升率du/dt：是在额定结温和门极开路的情况下，不使从断 态到通态转换的最大电压上升率。如果du/dt过大，会使充电电流足够大，使晶闸 管误导通，此时应采取措施，使其在临界值内。
（4）维持电流IH
（5）门极关断电流IGM 它是GTO从通态转为断态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值。
（6）开通时间ton 开通时间是指延迟时间td 和上升时间tr 之和，即
（7）关断时间toff 关断时间一般指储存时间ts 和下降时间tf 之和，即
（8）断态不重复峰值电压URSM
ton =td+tr toff=ts+tf
（2）电压与电流上升率的限制
限制电压变化率的措施有：
1）装设有整流变压器的变流装置 2）对于没有整流变压器而直接由电网供电的装置，可在交流电源输入端串接
交交变频的工作原理
交交变频的工作原理交流变频技术是现代电力系统的重要组成部分，广泛应用于电力变配电、工业生产和交通运输等领域。
它可以实现电力负载的精确控制和能源的高效利用，为电力系统的稳定运行和优化提供了技术支持。
那么，交流变频的工作原理是什么呢？交流变频是指通过改变电源的频率来改变设备的运行速度的技术。
传统的交流电源的频率通常是固定的，如50Hz或60Hz。
然而，对于一些需要调整运行速度的设备，如电动机或发电机，固定频率电源的速度控制是非常困难的。
这时就需要使用交流变频器，通过调整输出电源的频率来实现设备速度的精确控制。
交流变频器通常由整流器、中间直流母线和逆变器三部分组成。
其工作原理主要分为三个步骤：整流、中间变流和逆变。
首先是整流。
电源输入交流电经过整流器变为直流电，整流器通常由可控硅等器件构成，可以将交流电转换为单向的直流电，保持当前的电流方向，实现正向的功率传输，并将功率以直流形式输送到中间直流母线。
接下来是中间变流。
中间直流母线将直流电输出到逆变器，逆变器将直流电再转换为交流电，输出给设备。
中间变流的过程主要包括了滤波和变压两个步骤。
滤波是为了去除电流中的脉冲成分和谐波成分，使电流波形更加纯净稳定，以减小对其他设备的干扰。
常见的滤波电路包括LCL滤波器和谐波滤波器等。
变压是为了改变输出电压的幅值，使其符合设备的工作要求。
通常采用可变电源的转变方式或逆变变压器来实现，其中逆变变压器是采用高频变压器，通过变换串联在输出端，将电源的电压调节成所需的电压。
最后是逆变。
逆变器将中间直流母线的直流电转换为交流电，并输出给设备。
逆变器一般由IGBT等功率半导体器件构成，通过对输入电压的调制来控制输出电压的频率和幅值。
通过整流、中间变流和逆变三个步骤的协同工作，交流变频器可以实现对输出电压的控制，从而控制设备的运行速度。
具体来说，可以通过调整逆变器的输出频率来改变电机的转速，实现对负载的精确控制。
交流变频技术的应用非常广泛，例如电机调速、空调系统、电力系统的谐波控制和电力负荷的均衡等。
电力电子技术(第二版)第3章答案
第三章交流-交流变换器习题解答3-1. 在交流调压电路中，采用相位控制和通断控制各有什么优缺点？为什么通断控制适用于大惯性负载？答：相位控制：优点：输出电压平滑变化。
缺点：含有较严重的谐波分量通断控制：优点：电路简单，功率因数高。
缺点：输出电压或功率调节不平滑。
由于惯性大的负载没有必要对交流电路的每个周期进行频繁的控制，所以可以采用通断控制。
对时间常数比较小负载的工作产生影响。
3-2. 单相交流调压电路，负载阻抗角为30°，问控制角α的有效移相范围有多大？如为三相交流调压电路，则α的有效移相范围又为多大？答：单相交流调压电路，负载阻抗角为30°，控制角α的有效移相范围是30°-180°；如为三相交流调压电路，α的有效移相范围是30°-150°。
3-3. 一电阻性负载加热炉由单相交流调压电路供电，如α=0°时为输出功率最大值，试求功率为80%，50%时的控制角α。
解：α＝0时的输出电压最大，为此时负载电流最大，为因此最大输出功率为输出功率为最大输出功率的80%时，有：又由化简得αα4.0π-2=sin2由图解法解得α=60°同理，输出功率为最大输出功率的50%时，有：α=90°3-4. 单相交流调压电路，电源电压220V ，电阻负载R=9Ω,当α=30°时，求：（1）输出电压和负载电流；（2）晶闸管额定电压和额定电流；（3）输出电压波形和晶闸管电压波形。
解：(1)负载上交流电压有效值为负载电流为(2)晶闸管承受的正反向电压最大值是22U ，考虑到2-3倍的安全裕量，晶闸管的额定电压应该为()()V U U TN 933~62223~22==晶闸管流过的电流有效值为 A I I T 17414.12420===考虑到1.5~2倍的安全裕量，晶闸管的额定电流为()()()A I I T AV T 67.21~24.1657.12~5.1==3-5. 如图3-35所示为单相晶闸管交流调压电路，其中V U 2202=，.516.5mH L =，.1Ω=R ，求：（1）触发角的移相范围；（2）负载电流的最大有效值；（3）最大输出功率和功率因数。
第3章-交直交变频技术
PWM变频器的主电路原理图
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3.3 谐振型变频
谐振型变频是利用谐振原理使PWM逆变器的开关元件
在零电压或零电流下进行开关状态转换，即软开关技术。在谐振
型变频中，由于各功率器件的开关损耗近似为零，有效地防止了 电磁干扰，大大提高了器件的工作频率，且减少了装置的体积和 重量。
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3.3.1 谐振直流环节逆变器的基本原理
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2．电压型逆变器及电压调节方式
（1）电压型变频
最简单的电压型变频由可控整流器和电压型逆变器组成，用可控整流 器调压，逆变器调频。
图3-3
无再生制动功能的电压型变频
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为适应再生制动运行，增加附加电路。 方法一：在中间直流电路中设法将再生能量处理掉，即在电容Cd的两端并联 一条由耗能电阻R与功率开关（可以是晶闸管或自关断器件）相串联的电路。适用 于小容量系统。
图3-4
并联耗能电阻的电压型变频器
方法二：在整流电路中设置再生反馈通路—反并联一组逆变桥，使再生 电能返馈到交流电网。该方法可用于大容量系统。
图3-5 反并联逆变桥的电压型变频器
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（2）电压调节方式
一种是采用可控整流器整流，通过对触发脉冲的相位控制直接得到可调 直流电压，见前图3-3。该方式电路简单，但电网侧功率因数低，特别是低电 压时，更为严重。 另一种是采用不控整流器整流，在直流环节增加斩波器，以实现调压。
图3-8
a换相前的状态
三相串联电感式电压型逆变器的换相过程
c 环流及反馈阶段 d负载电流反向阶段
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b换相阶段
换 相 过 程 中 的 电 压 、 电 流 波 形
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3.1.2 交-直-交电流型变频
电压型变频，由于再生制动时必须接入附加电路，使电路复杂，电流型
《变频技术应用》第3章 习题3解答
《变频技术应用》第3章习题3解答1.交-直-交变频器的主电路包括哪些组成部分？说明各部分的作用。
答：交-直-交变频器主电路包括三个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。
整流电路的功能是将交流电转换为直流电；中间电路具有滤波电路或制动作用；逆变电路可将直流电转换为交流电。
2.不可控整流电路和可控整流电路的组成和原理有什么区别？答：不可控整流电路整流元件为二极管，不可控整流电路输出的直流电压不可调节；可控整流电路的整流元件为晶闸管，利用晶闸管的可控导电性可使输出的直流电压大小可以调节。
3.中间电路有哪几种形式？说明各形式的功能。
答：中间电路有滤波电路和制动电路两种形式。
滤波电路是利用电容或电感的储能特性，将整流电路输出的直流电压或电流减少谐波分量趋于稳定；而制动电路一般由制动单元和制动电阻组成，可将电动机的再生能量返送电网或消耗掉，并产生制动作用，使电动机快速停车。
4.对电压型逆变器和电流型逆变器的特点进行比较。
答：电压型逆变器是将整流电路产生的直流电压，通过电容进行滤波后供给逆变电路。
由于采用大电容滤波，故输出电压波形比较平直，在理想情况下可以看成一个内阻为零的电压源，逆变电路输出的电压为矩形波或阶梯波。
电流型逆变器是将整流输出的直流电压采用大电感滤波，因此，直流电流波形比较平直，因而电源内阻很大，对负载来说基本上是一个电流源，逆变电路输出的交流电流是矩形波。
5.说明制动单元电路的原理。
答：制动电路一般接于整流器和逆变器的P、N之间，图中的制动单元包括晶体管V B、二极管VD B和制动电阻R B。
如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于P、R两点上的外接制动电阻R EB。
当电动机制动时，能量经逆变器回馈到直流侧，使直流侧滤波电容上的电压升高，当该值超过设定值时，即自动给V B施加基极信号，使之导通，将R B(R EB)与电容器并联，则存储于电容中的再生能量经R B(R EB)消耗掉。
6.说明图3-15所示全桥逆变电路的工作原理。
交-交变频技术
1.交—交变频器的特点 与交—直—交变频器相比，交—交变频器有以下 优点： （1）因为是直接变换，没有中间环节，且使用电 网换相，提高了变流效率。 （2）和交—直—交电压型逆变器相比，可以方便 地实现四象限工作。 （3）由于其交流输出电压是直接由交流输入电压 波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交 流电源的频率低得多，输出波形较好，低频时输出波 形接近正弦波。
（4）由于变频器按电网电压过零自然换相，故可 采用普通晶闸管。
此外，交—交变频器也存在以下缺点： （1）接线复杂，使用的晶闸管较多。由三相桥式 变流电路组成的三相交—交变频器至少需要36支晶闸 管。
（2）受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出 频率较低，最高输出频率为电网频率的1/3或1/2。
（3）采用相控方式，功率因数较低，特别是在低 速运行时更低，需要适当补偿。
图3-44 三相输入—单相输出交—交变频电路原理图
图3-45 单相交—交变频电路的输出波形
2）三相输入-单相输出交—交变频电路实例
交—交变频器多由三相电网供电，如图3-46所示为由两组三 相半波可控整流电路接成反并联的形式供给单相负载的无环流单 相交—交变频电路，它形式上与三相零式可逆整流电路完全一样。
图3-51 电感性负载时的u相输出波形
方式，每相由反两组晶闸管反并联三相零式和三相桥 式电路组成。它们分别需要18只和36只晶闸管元件。
图3-48 三相零式交—交变频主电路
图3-49 三相桥式交—交变频主电路(公共交流母线进线)
图3-50 三相桥式交—交变频主电路(输出星形联结)
三相桥式交—交变频电路接电感性负载时的u相输 出波形如图3-51所示。
图3-42 单相桥式可控整流电路及其输出波形
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t4~t5 负组变流器工作，正组阻断。但输出电压 U0与I0反向，输出功率为负，故负组工作在逆变状态。
第1段，i<0,u>0,为负组逆变； 第3段，i>0,u>0,为正组整流； 第5段，i过0,为无环流死区；
第2段，i过零,为无环流死区； 第4段，i>0,u<0,为正组逆变； 第6段，i<0,u<0,为负组整流；
第3章 交-交变频技术
主讲内容： 一、单相输出交-交变频电路原理 二、三相输出交-交变频电路接线方式 三、矩形波交-交变频工作原理
教学重点：
一、单相输出交-交变频电路原理 二、三交-交变频组成
一、单相输出交-交变频电路结构及原理
图3-1是单相输出交-交变频电路的原理框图，电路由P（正）组和N（负）组 反并联的晶闸管变流电路构成，两组变流电路接在同一个交流电源，Z为负载
图3-12 输出的电压为矩形波的波形
换相与换组过程 假设电流是连续的，不考虑重叠角。 组触发的触发延迟角为60°
图3-12 电流连续时触发得到的波形
与图3-11所不同的是：当Ua 自然过零时，电感的续流使得Ua 的导通角增加30°。
图3-9 单相输出交-交变频电路输出电压和电流的波形图
输入输出特性
1．输出上限频率 就常用的6脉波三相桥式电路而言，一般认为，输出上限频率不高 于电网频率的1/此其输入电流的相位总是 滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。
交-交变频器的特点
t1~t2 正组变流器工作，负组阻断。且输出电压 U0与I0同向，输出功率为正，故正组工作在整流状态。
t2~t3 正组变流器工作，负组阻断。但输出电压 U0与I0反向，输出功率为负，故正组工作在逆变状态。
t3~t4 负组变流器工作，正组阻断。且输出电压 图3-8 整流与逆变状态波形 U0与I0同向，输出功率为正，故负组工作在整流状态。
图3-1 单相输出交-交变频电路的原理框图
三相半波-单相 交-交变频电路
三相桥式-单 相交-交变频
电路
为了使输出电压的 波形接近正弦波， 可以按正弦规律对 控制角α进行调制， 即可得到如图3-2 所示的波形。
调制方法：在半个 周期内让变流器的 控制角α按正弦规 律从90°逐渐减小 到0°或某个值， 然后再逐渐增大到 90°。
图3-2 三相半波-单相电阻负载输出波形
余弦交点法求交交变频电路触发延迟角α N P π a-racrcc soicn ssoo t(i)nsot)(
图3-2 三相半波-单相电阻负载输出波形
由图3-2可以看出: 输出的电压波形并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成。
图3-3 调制波频率为17Hz三相半波-单相电阻负载输出波形
二、三相输出交-交变频电路接线方式
1、 公共交流母线进线方式
图3-10公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路简图 电源进线公用，故三组单相交-交变频电路的输出端必须隔离。 该电路主要用于中等容量的交流调速系统
2、 输出星形联结方式 图3-11 输出星形联结方式的三相交-交变频电路原理图
三、矩形波交-交变频工作原理
图3-12中，每一相由两个三相零式整流器组成，提供正向电流的是共阴极组①、③、 ⑤；提供反向电流的是共阳极组②、④、⑥。为了限制环流，采用了限环流电感L。
图3-12 三相零式交-交变频电路
假设三相电源电压ua、ub、uc完全对称。当给定一个恒定的触发控制 角α时，例如，α＝90°，得正组①的输出电压波形如图3-12所示。
图3-4 单个周期内输出波形
图3-5 调制波频率为30Hz三相半波-单相电阻负载输出波形
图3-6 单个周期内输出波形
感阻性负载时的相控调制
如果把交-交变频电路理想化，忽略变流电路换相时输出电压的脉动 分量，就可以把电路等效为图3-7所示的正弦波交流电源和二极管的串联。 其中交流电源表示变流电路可输出交流正弦电压，二极管体现变流电路 只允许电流单方向流过。
图3-7 理想化交交变频电路
假设负载阻抗角为ψ ，即电流滞后输 出电压ψ（负载为感性）。两组变流器工作 在直流可逆调速系统中无环流方式。
直流可逆调速系统中无环流方式： 当一组晶闸管工作时，用逻辑电路去封锁另 一组晶闸管的触发脉冲，使它完全阻断，从 而切断环流的通路。 电机正转时，由正组晶闸管供电； 电机反转时，由负组晶闸管供电。