《相控整流电路》PPT课件.pptVIP

1,2.1 单相可控整流电路 2.2 三相可控整流电路 2.3 变压器漏抗对整流电路的影响 2.4 有源逆变电路 2.5 电容滤波的不控整流电路 2.6 整流电路的谐波与功率因数 2.7 其他可控整流电路简介,第2章 相控整流电路,2.1 单相可控整流电路,2.1.1 引 言 2.1.2 单相半波可控整流电路 2.1.3 单相桥式全控整流电路,3,2.1.1 引 言,（1）整流电路的作用 其作用是将交流电变为直流电，为应用最早的电力电子电路。 （2）整流电路的分类 按使用的功率器件不同可分为不控型、半控型和全控型三种形式。 按交流侧输入相数的不同可分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。 按电路形式不同可分为半波整流电路和全波整流电路。 （3）整流电路的逆运行状态 改变整流电路的外部条件和内部控制，可使能量流向改变，即从直流侧流向交流侧，此时称为有源逆变。,4,2.1.2 单相半波可控整流电路,器件阻断时，正、反向漏电流均为零。 器件导通后，管压降为零。 器件的du/dt、di/dt为无穷大，即满足一定的基本条件时可瞬时开通或关断（不计开通或关断的动态过程）。,（1）分析假设,正向导通,反向阻断,正向导通,反向阻断,正向阻断,电力二极管的理想伏安特性,晶闸管的理想伏安特性,5,电阻负载的特点 负载中的电流与负载上的电压成正比，两者波形相似。 四个重要名词 触发延迟角 从晶闸管开始承受正向电压起，到触发脉冲出现时的电角度，用a 表示，称为触发延迟角，简称触发角或控制角。,2.1.2 单相半波可控整流电路,（2）带电阻负载时的工作情况,6,四个重要名词 导通角 晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用 表示。 移相范围 能使输出电压从最大到最小变化的触发延迟角的变化范围。,2.1.2 单相半波可控整流电路,（2）带电阻负载时的工作情况,7,四个重要名词 相控方式 通过改变触发脉冲的相位，来控制直流输出电压大小的方式，称为相位控制方式，简称相控方式。 相控方式要求移相触发脉冲应与电源电压严格保持同步。,2.1.2 单相半波可控整流电路,（2）带电阻负载时的工作情况,8,数值分析 直流输出电压平均值,2.1.2 单相半波可控整流电路,（2）带电阻负载时的工作情况,显而易见： 当a =0，Ud =Ud0= 0.45U2 ； 当a 增大，Ud 减小； 当a = 时， Ud = 0； 所以a 的移相范围为0180； 直流输出电流平均值与直流输出电压平均值成正比。,9,数值分析 直流输出电压有效值,2.1.2 单相半波可控整流电路,（2）带电阻负载时的工作情况,变压器二次电流（即流过晶闸管电流）的有效值,变压器二次侧功率因数,显而易见： a 越大， 功率因数越低； 当a =0时，功率因数为0.7071。,10,阻感负载的特点 因电感对电流变化的阻碍作用，使得回路电流在器件通断时不能发生突变。 分析中着重注意 负载阻抗角j 、触发角a 、晶闸管导通角 间的关系。,2.1.2 单相半波可控整流电路,（3）阻感负载时的工作情况,单相半波可控整流电路 带阻感负载,11,波形分析 晶闸管导通后的回路方程:,（3）阻感负载时的工作情况,2.1.2 单相半波可控整流电路,当 ：,此时负载电流准备上升,12,波形分析 晶闸管导通后的回路方程:,（3）阻感负载时的工作情况,2.1.2 单相半波可控整流电路,当 ：,此时交流电能转变为电感的磁场储能以及电阻耗能。,13,波形分析 晶闸管导通后的回路方程:,（3）阻感负载时的工作情况,2.1.2 单相半波可控整流电路,当 ：,此时负载电流及电阻压降最大。,14,波形分析 晶闸管导通后的回路方程:,（3）阻感负载时的工作情况,2.1.2 单相半波可控整流电路,当 ：,此时电感的磁场储能提供电阻耗能，并回馈电网。,15,波形分析 晶闸管导通后的回路方程:,（3）阻感负载时的工作情况,2.1.2 单相半波可控整流电路,其中特别是当 ：,此时晶闸管正偏继续导通。,16,波形分析 晶闸管导通后的回路方程:,（3）阻感负载时的工作情况,2.1.2 单相半波可控整流电路,当 ：,此时电感的磁场储能释放完毕，流过晶闸管的电流小于维持电流而关断。,17,关于磁场储能的进一步说明,（3）阻感负载时的工作情况,2.1.2 单相半波可控整流电路,18,输出电压平均值,（3）阻感负载时的工作情况,2.1.2 单相半波可控整流电路,因输出电压波形出现负的面积，故其平均值比纯电阻负载时有所降低。,19,三点结论,（3）阻感负载时的工作情况,2.1.2 单相半波可控整流电路,电感的存在延迟了晶闸管的关断时刻。 导通角的大小与触发角及负载阻抗角的大小有关，其一般规律是：,导通角越大，输出电压平均值越小，此处与纯电阻负载时恰恰相反。,当j 角一定时，a 角越小q 角越大。 当a 角一定时，j 角越大q 角越大。 其物理概念为：储能时间越长或电感量越大，电感线圈储存的磁场能量越多，则释放能量的时间越长。,20,原理分析,（4）阻感负载加续流二极管,2.1.2 单相半波可控整流电路,当u2过零变负时，VD导通使ud为零，VT承受反压而关断。 当电感足够大时，电感中储存的能量保证了电流id在LRVD回路中继续流通，此过程称为续流。 提供续流通路的二极管称为续流二极管。,21,数值分析,（4）阻感负载加续流二极管,2.1.2 单相半波可控整流电路,假设电感足够大，id 近似平直，其值恒为Id 。 流过晶闸管的电流平均值为：,流过续流二极管的电流平均值为：,22,数值分析,（4）阻感负载加续流二极管,2.1.2 单相半波可控整流电路,流过晶闸管的电流有效值为：,流过续流二极管的电流有效值为：,23,数值分析,（4）阻感负载加续流二极管,2.1.2 单相半波可控整流电路,输出直流电压平均值为：,24,（5）单相半波可控整流电路的特点,2.1.2 单相半波可控整流电路,移相范围： 纯电阻负载时为0180。 阻感负载加续流二极管时也为0180。 电路简单，功率器件少，但整流输出电压脉动大。 变压器二次侧电流中含有直流分量，造成变压器铁芯的直流磁化，磁路过饱和后磁导减小，激磁电流增大。 目前此种电路实际应用较少。 分析该电路的主要目的： 建立起整流电路的基本概念（基本术语）。 初步掌握电力电子技术波形分析的基本方法。,25,2.1.3 单相桥式全控整流电路,（1）带电阻负载时的工作情况,工作原理及波形分析 VT1与VT4组成一对，在u2正半周时承受正向电压，触发后即可导通，当u2过零时自然关断。 VT2和VT3组成另一对，在u2负半周时承受正向电压，触发后即可导通，当u2过零时自然关断。,ud,id,26,2.1.3 单相桥式全控整流电路,（1）带电阻负载时的工作情况,数值分析 直流输出电压平均值,显而易见：a 角的移相范围为（0180）。,27,2.1.3 单相桥式全控整流电路,（1）带电阻负载时的工作情况,数值分析 直流输出电流平均值,流过晶闸管电流平均值,28,2.1.3 单相桥式全控整流电路,（1）带电阻负载时的工作情况,数值分析 流过晶闸管电流有效值,变压器二次电流有效值,直流输出电流有效值,29,2.1.3 单相桥式全控整流电路,（1）带电阻负载时的工作情况,数值分析 流过晶闸管电流有效值,变压器二次电流有效值,直流输出电流有效值,请比较 流过晶闸管电流平均值与输出电流平均值： 流过晶闸管电流有效值与输出电流有效值：,30,2.1.3 单相桥式全控整流电路,（2）带阻感负载时的工作情况,工作原理及波形分析 假设电路已工作处于稳定状态。 负载电感足够大，不仅使负载电流连续，而且使其波形近似为一水平线。 VT1和VT4导通后，在u2过零变负时，因电感的作用二者并不能关断，结果使输出电压波形出现负值。,31,2.1.3 单相桥式全控整流电路,（2）带阻感负载时的工作情况,工作原理及波形分析 当t=+a 时，VT2和VT3正偏，触发后二者导通。 VT2和VT3导通后，使得VT1和VT4承受反压而关断。 原来流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3中。 电流转移的过程称为换相，亦称换流。,32,2.1.3 单相桥式全控整流电路,（2）带阻感负载时的工作情况,数值分析 直流输出电压平均值,显而易见：a 角的移相范围为（090）。,晶闸管承受最大正、反向电压为：,uVT1,4,33,2.1.3 单相桥式全控整流电路,（2）带阻感负载时的工作情况,数值分析 晶闸管的导通角与触发角无关，恒为180。 晶闸管电流平均值及有效值,变压器二次电流为正负各180的方波，其相位由a 角决定。且有效值,34,2.1.3 单相桥式全控整流电路,（3）带反电动势负载时的工作情况,工作原理及波形分析 仅在|u2|E 时，才使晶闸管承受正向电压，为导通提供条件。 导通之后，ud=u2，直至|u2|=E，即id降至0，使得晶闸管关断，此后ud=E 。 与纯电阻负载相比，晶闸管提前了 电角度停止导电，故称 称为停止导电角。,35,2.1.3 单相桥式全控整流电路,几点说明 当变压器副边电压一定时，反电动势越高，则停止导电角越大，导通角越小，输出电流波形越瘦高，电流断续越为严重。,（3）带反电动势负载时的工作情况,当触发角小于停止导电角时，触发被推迟，故触发脉冲应有足够的宽度。 加入平波电抗器可使导通角增大，从而改善导电情况。,若电感足够大可使电流连续，则整流电压和负载电流波形与阻感负载时相同，计算公式也完全相同。,36,自学与自测,（1）单相桥式半控整流电路见教材第44页,（2）单相全波可控整流电路见教材第45页,37,自学与自测,（3）自学中需注意的问题 晶闸管与二极管的承压问题 晶闸管反偏承受反压，正偏未导通时承受正压，导通后管压降很小。 二极管反偏承受反压，正偏即导通，管压降很小，比晶闸管少一种状态。 桥式电路晶闸管与二极管的换流问题 晶闸管是在正偏且有触发时换流，在阻感负载横向换流情况下，是靠后导通的管子来关断先导通的管子。 二极管是在电源电压过零正偏时自动换流。 桥式半控电路阻感负载无续流二极管的“失控”现象 当脉冲丢失而出现一只晶闸管与两只二极管轮流导通的情况，解决办法加装续流二极管，在续流二极管导通时晶闸管被关断。,38,2.2 三相可控整流电路,2.2.1 引 言 2.2.2 三相半波可控整流电路 2.2.3 三相桥式全控整流电路,39,2.2.1 引 言,（1）三相整流电路的交流侧由三相交流电源供电。 （2）适于负载容量较大的工业应用场合，其主要优点是输出直流电压值相对于单相整流电路较高，且脉动较小，滤波相对容易。 （3）分析中三相半波可控整流电路是学习基础，而三相桥式全控整流电路在实际应用最为广泛。 （4）为了达到工业实际应用的某种需求，三相整流电路又可派生出不同的接线方式。例如大功率整流电路中的多重化技术（本章最后介绍）。,40,2.2.2 三相半波可控整流电路,电路的特点 变压器二次侧接成星形以便得到中线，而一次侧接成三角形以避免3次谐波流入电网。,（1）纯电阻负载,三只晶闸管的阳极分别与变压器二次a、b、c三相出线相连，而阴极连接在一起后经负载电阻与中线相连，构成所谓共阴极接线 。 分析中首先将晶闸管想象成二极管。 显然二极管应该是阳极电压最高的一相导通，并且另外两只二极管必然截止。,41,2.2.2 三相半波可控整流电路,自然换相点的概念 二极管换相的时刻称为自然换相点。 显然：三相共阴极电路自然换相点是在相电压正半波的交点处且依次互差120。 复习提问：单相整流电路的自然换相点在哪？ 联想：三相半波整流共阴接线与共阳极接线相比，自然换相点有何不同？,（1）纯电阻负载,42,2.2.2 三相半波可控整流电路,自然换相点的概念 将二极管换成晶闸管。 自然换相点则是各相晶闸管能够被触发导通的最早时刻。 故将各相自然换相点作为计算各晶闸管触发角的起点。 即：此时此刻a =0。,（1）纯电阻负载,43,2.2.2 三相半波可控整流电路,a =0时的波形分析 每只晶闸管各导通120，直流输出电压在一个交流电源周期内脉动三次。 流过变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形相同。 变压器二次电流为单向脉动电流，存在直流分量。 晶闸管承受的最大反向电压为线电压的峰值,（1）纯电阻负载,44,2.2.2 三相半波可控整流电路,a =30时的波形分析 三相触发脉冲从各相自然换相点算起依次移相30。 纯电阻负载输出电流波形与输出电压波形相似。 此时导通角为120 。 晶闸管的最大承受反向电压为线电压的峰值。 特点：a =30是负载电流连续或断续的分界点。,（1）纯电阻负载,45,2.2.2 三相半波可控整流电路,a =60时的波形分析 三相触发脉冲从各相自然换相点算起依次移相60。 导通相电压过零晶闸管关断，后续晶闸管虽为正偏但未触发，故输出电压为零。 负载电流间断，称为“断续”。（“连续” 的反义） 晶闸管导通角小于120。,（1）纯电阻负载,晶闸管的最大承压仍为线电压的峰值。 注意：当a =150时，Ud =0，即移相范围为0150。,46,2.2.2 三相半波可控整流电路,数值分析 直流输出电压平均值,（1）纯电阻负载,0 a 30 ，负载电流连续时：,显然：当 a = 0时，Ud最大。,47,2.2.2 三相半波可控整流电路,数值分析 直流输出电压平均值,（1）纯电阻负载,30 a 150 ，负载电流断续时：,直流输出电流平均值,48,2.2.2 三相半波可控整流电路,数值分析 流过晶闸管的电流有效值（即变压器二次电流有效值）,（1）纯电阻负载,晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压的峰值。即：,请同学根据电流波形自己课后完成。 需要注意：一个电源周期内每只晶闸管仅导通一次。,晶闸管承受的最大正向电压为变压器二次相电压的峰值。即：,以a =60作图说明,49,2.2.2 三相半波可控整流电路,（1）纯电阻负载,数值分析,关于晶闸管承受最大正、反向电压的波形分析（以a =60 为例）,50,当a =90，ud的波形正负面积相等。 故阻感负载的移相范围为090。,2.2.2 三相半波可控整流电路,（2）阻感负载,分析中假设：L值足够大，使整流输出电流波形基本平直。 当a30，电感没有释放能量续流的机会，整流电压波形与纯电阻负载时相同。 当a 30（例如a =60 ），ua过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来时才换流，ud波形中出现负的部分。 导通角恒等于120。,51,2.2.2 三相半波可控整流电路,（2）阻感负载,数值分析,因负载电流连续，Ud与电阻负载电流连续时相同，即：,变压器二次电流，即流过晶闸管电流的有效值：,晶闸管的额定电流（未考虑裕度）：,晶闸管最大正反向电压均为变压器二次线电压峰值：,52,2.2.2 三相半波可控整流电路,（3）其它相关问题,阻感负载时加续流二极管仍可提高整流输出电压。 优点：线路简单，功率器件少，驱动电路相应较简单。 缺点： 变压器每相绕组仅120有电流通过，其利用率低，且存在直流磁化问题。 整流输出的负载电流须与三相星形中线构成回路，负载较重时需相应加大中线导线的截面。 三相半波可控整流电路也可采用共阳极接线方式，在分析时仅需注意： 只有阴极电压最低一相晶闸管才能被触发导通。 自然换相点在各相电压负半波的交点处。 整流输出电压的波形在横坐标下方。 相关数值计算与共阴极接线方式相同。,53,2.2.3 三相桥式全控整流电路,共阴极组,共阳极组,晶闸管触发导通的顺序,显然：,54,2.2.3 三相桥式全控整流电路,当a60时，ud波形连续，对于电阻负载，id波形与ud波形相似，也为连续。 波形图：a =0，a =30，a =60 。 当a 60时，ud波形每60中有一段为零，但ud波形中不会出现负值。 波形图：a =90。 纯电阻负载时三相桥式全控整流电路的移相范围为0120。,（1）纯电阻负载,55,当a60时，ud波形连续。 对于电阻负载，id 波形与ud 波形相似，也为连续。,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（1）纯电阻负载,56,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（1）纯电阻负载,当a60时，ud波形连续。 对于电阻负载，id 波形与ud 波形相似，也为连续。,57,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（1）纯电阻负载,当a60时，ud波形连续。 对于电阻负载，id 波形与ud 波形相似，也为连续。,58,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（1）纯电阻负载,当a 60时，ud波形每60中有一段为零。 但ud波形中不会出现负值。,显然当a =120时，ud=0。,59,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（2）三相桥式全控整流电路特点,为使电流能在电源与负载之间形成回路，必须使共阴极组和共阳极组中各有一只晶闸管导通。,根据晶闸管的导通条件，其导通规律是：共阴极组阳极电位最高者与共阳极组阴极电位最低者导通。 在一个交流电源周期内，整流输出电压脉动六次，每次脉动的波形都相同，故该电路称为六脉波整流电路。 晶闸管承受的电压波形与三相半波整流电路类似，但晶闸管承受的最高正向电压数值与三相半波整流电路时不同。,60,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（2）三相桥式全控整流电路特点,对触发脉冲的具体要求 按VT1VT2 VT3 VT4 VT5 VT6的顺序，相位依次互差60。,共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲相位依次互差120。 共阳极组VT2、VT6、VT4的脉冲相位也依次互差120。 接于交流电源同一相的上、下两只晶闸管，即VT1与VT4、VT3与VT6以及VT5与VT2，脉冲相位互差180。 为保证需同时导通的两只晶闸管均有触发脉冲，应采用宽脉冲触发，其脉冲宽度大于80；或采用双脉窄冲触发，双窄脉冲前沿相差60，其宽度约为20左右。,61,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（2）三相桥式全控整流电路特点,对触发脉冲的具体要求,双窄脉冲时的情况,62,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（3）阻感负载（假设电感足够大）,当a60时，整流输出电压ud波形连续，工作情况与带纯电阻负载时十分相似。 包括各晶闸管的通断情况、整流输出电压ud波形以及晶闸管承受电压的波形。 区别在于电流波形不同，当电感足够大时负载电流波形可近似认为呈一条水平线，简称电流平直。 波形图：a =0，a =30。 当a 60时，工作情况与电阻负载时不同。 纯电阻负载时，ud的波形不会出现负面积。 而阻感负载时，ud的波形将会出现负面积。 波形图：a =90。,63,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（3）阻感负载,当a60时ud波形连续，工作情况与带纯电阻负载时十分相似。 区别在于负载电流波形不同。 当电感足够大时，负载电流波形可近似认为呈一条水平线。,64,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（3）阻感负载,当a60时ud波形连续，工作情况与带纯电阻负载时十分相似。 区别在于负载电流波形不同。 当电感足够大时，负载电流波形可近似认为呈一条水平线。,65,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（3）阻感负载,当a 60时，工作情况与电阻负载时不同。 纯电阻负载时，ud的波形不会出现负面积。 而阻感负载时，ud的波形将会出现负面积。,带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的移相范围为090 。,66,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（4）数值分析,输出电流平均值,当整流输出电压连续时（阻感负载或纯电阻负载a60）时的平均值,电阻负载且a 60时，整流输出电压断续，其平均值,67,2.2.3 三相桥式全控整流电路,（4）数值分析,带阻感负载时变压器二次侧电流有效值,晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 带反电动势阻感负载（电感足够大）,负载电流连续，电路工作情况与阻感负载时相似，电路中各电压、电流 波形均相同。 仅计算整流输出电流时有所不同。 设反电动势幅值为E，则：,68,复习与自测,（1）复习中需注意比较 三相桥式全控整流电路带纯电阻负载与带阻感负载 移相范围。 带电阻负载整流输出电压连续与断续的分界点。 带阻感负载a 60输出电压仍然连续。 典型移相触发角时的输出电压、晶闸管承压、输出电流、流过晶闸管及变压器二次绕组电流的波形。 （2）自测 三相桥式全控整流电路带阻感负载，当VT1脉冲丢失后，输出电压、输出电流以及晶闸管VT1承受电压的波形。,69,2.3 变压器漏抗对整流电路的影响,因变压器存在漏电抗，使换相过程中电流不能突变，从而对整流输出电压波形产生影响。 变压器原、副边漏电抗所对应的漏电感，可以用一个集中参数LB 表示，分析中认为将其归算到变压器的二次侧。,2.3.1 换相期间的波形分析 2.3.2 换相压降与换流重叠角的计算 2.3.3 小结,70,2.3.1 换相期间的波形分析,以三相半波可控整流电路带阻感负载为例，各量正方向规定如图所示。,因整流变压器绕组电阻远小于漏抗，故忽略变压器绕组电阻的影响。 直流侧的负载电感足够大，可使整流输出电流平直。 具体分析a相到b相的换流过程，即电流由VT1换相到VT2的过程。 分析中不计晶闸管导通时的管压降。,（1）分析假设,71,2.3.1 换相期间的波形分析,（2）换相过程,因变压器漏电感的存在，使得ia、ib均不能突变，在VT2 触发导通时VT1 并未立刻关断。,此时VT1与VT2同时导通，即相当于a、b两相短路。 变压器两相绕组感应电势在VT1和VT2的回路中将产生环流 ik ，其规定正方向如图所示。 当认为负载电流平直时，可得：,或：,72,2.3.1 换相期间的波形分析,（2）换相过程,显然，在电流变化的过程中， ik=ib将逐渐增大，而ia=Idib =Idik将逐渐减小。 当ib增大到等于Id时，ia=0，VT1关断，换流过程结束。 换相过程持续时间所对应的电角度称为换相重叠角，用g 表示。,不计换流重叠影响,73,2.3.1 换相期间的波形分析,（3）换相重叠期间的整流输出电压波形,即：,由图可见：此时整流输出电压的平均值，与不计换流重叠时相比有所降低。 二者的差值称为换相压降，用 Ud 表示。,注意,74,2.3.2 换相压降与换流重叠角的计算,（1）换相压降的确定,注意,式中：XB 为变压器归算到二次侧的漏电抗。,考虑换相压降后的整流输出电压,75,2.3.2 换相压降与换流重叠角的计算,（2）换相重叠角的计算,由：,得：,即：,特别是若设：,或：,uba的幅值：,则uba的相位：因为uab 超前ua 30，所以uba 滞后ua 150。,则有：,根据正方向规定： ik= ia= ib,76,2.3.2 换相压降与换流重叠角的计算,（2）换相重叠角的计算,结果得：,特别注意到，当：,即：,则：,时有：,则：,77,2.3.3 小 结,（1）当U2 一定时，Id 越大则 角越大；其物理概念为：电流越大，其增大或减小所需的时间越长。 （2）当U2 一定时，XB 越大则 角越大；其物理概念为：电感越大，时间常数越大。 （3）当U2 一定时且在移相范围之内， 角越大则 角越小；其原因是 越大换向压差越大。 （4）考虑换流重叠角后，整流输出电压有所降低，输出电压波形中谐波含量增加，功率因数相应降低。 （5）整流电路拓扑结构不同，其换流重叠角以及换相压降的计算公式也不相同，详见王兆安教材p61，表22。 （6）换流重叠现象的存在，将影响到有源逆变的安全运行。,78,西安交通大学王兆安主编电力电子技术 第四版 第61页 表2-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,2.3.3 小 结,79,2.4 有源逆变电路,2.4.1 逆变的概念及实现有源逆变的条件 2.4.2 逆变角的定义及其度量方法 2.4.3 三相桥式变流电路工作在有源逆变状态 2.4.4 逆变失败与最小逆变角的限制,80,2.4.1 逆变的概念及实现有源逆变的条件,（1）有关名词,逆变：将直流电转变成交流电的过程称之为逆变。 有源逆变：指逆变电路的交流侧与电网相连。 有源逆变典型应用：直流电动机变流器供电回馈制动，交流绕线转子异步电动机串级调速，高压直流输电等。 无源逆变：指逆变电路的交流侧不与电网联接，而直接与用电负荷相联接，具体内容将在第4章中讨论。 对于可控整流电路，在满足一定条件时可工作在有源逆变状态，其电路形式未变，只是电路工作的内部及外部条件发生变化。 变流电路：既可工作在整流状态又可工作在逆变状态的电路，统称为变流电路。,81,2.4.1 逆变的概念及实现有源逆变的条件,（2）电能的传递（以直流发电机电动机系统为例）,当两个电动势同极性对接时，电流总是从高电位流向低电位。 电流从高电位流出一侧发出能量。 电流从高电位流入一侧吸收能量。 而回路中的电阻总是消耗能量。 当两个电动势顺极性串接时，若回路电阻很小，则相当于电源短路，产生的大电流将引起危害。,82,2.4.1 逆变的概念及实现有源逆变的条件,（3）实现有源逆变的条件,以单相全控桥式整流电路代替上述直流发电机为例加以说明。 关键注意：因晶闸管的单向导电性，直流回路电流 Id 的方向不能改变。,电动机运行状态,EM,能量传递方向,83,2.4.1 逆变的概念及实现有源逆变的条件,（3）实现有源逆变的条件,以单相全控桥式整流电路代替上述直流发电机为例加以说明。 关键注意：因晶闸管的单向导电性，直流回路电流 Id的方向不能改变。,回馈制动运行状态,EM,能量传递方向,提问：无EM的移相范围？,注意EM 的极性,84,2.4.1 逆变的概念及实现有源逆变的条件,变流器直流侧必须外接一极性与整流电压相反的直流电动势（其极性与晶闸管导通方向一致）。 此条件可称之为有源逆变的外部条件。 变流器直流侧输出电压的极性与整流时相反，并且其绝对值小于已存在的外接直流电动势。 此条件可称之为有源逆变的内部条件。 可见，变流器由整流转变为有源逆变工作状态，是外因通过内因而起作用。,（3）实现有源逆变的条件,从上述分析中，可以归纳出变流器实现有源逆变的两个条件：,85,2.4.1 逆变的概念及实现有源逆变的条件,实现有源逆变的外部条件十分容易满足。 关键是内部条件怎样满足，即如何使变流器直流侧的电压极性与整流时相反且大小可调，此时直流侧电压又称为逆变电压。 值得强调的是 半控桥或带有续流二极管的整流电路，因其整流电压ud不可能出现负值。 更不允许直流侧出现与整流电压极性相反的外接电动势。 所以此类电路不能实现有源逆变。 换言之：要想实现有源逆变，变流电路只能采取全控型电路且不含续流二极管。,（3）实现有源逆变的条件,86,2.4.2 逆变角的定义及其度量方法,为方便起见，定义：b = p - （取值范围为090)，称为逆变角（又称之为超前角）。,（1）逆变与整流的区别在于 的取值范围不同,当 0 p /2 时，变流电路工作在整流状态。 当p /2 p 时，变流电路工作在有源逆变状态。,（2）逆变角的定义及其度量方法,注意： 角是从各自然换相点向右度量。 而有源逆变时 b 角与 角的度量起点与方向不同，其值是从 = p （即： b = 0 ）为起点向左度量。,87,2.4.3 三相桥式变流电路工作在有源逆变状态,（2）不同逆变角时的输出电压波形,（1）波形分析与整流工作状态相似,（b = 60）,注意EM 的极性,88,2.4.3 三相桥式变流电路工作在有源逆变状态,（2）不同逆变角时的输出电压波形,（1）波形分析与整流工作状态相似,（b = 30）,注意EM 的极性,89,2.4.3 三相桥式变流电路工作在有源逆变状态,（4）有源逆变状态时的相关计算,输出直流电压的平均值,输出直流电流的平均值,每只晶闸管导通2p/3，流过晶闸管的电流有效值为,在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为,相电压有效值,线电压有效值,注意：此时Ud 与 EM 均取负值。,90,2.4.4 逆变失败与最小逆变角的限制,（1）什么是逆变失败（又称逆变颠覆）,在有源逆变工作状态下，一旦出现换相失败，外接直流电源将会通过晶闸管形成短路。 更为严重的是若变流器直流侧平均电压与外加直流电动势变成顺向串联。,由于直流回路总电阻很小，上述两种情况都将形成很大的短路电流。 较大的短路电流对晶闸管的安全构成极大威胁。,91,2.4.4 逆变失败与最小逆变角的限制,触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各只晶闸管分配脉冲，例如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。 晶闸管发生故障，例如该断时不断，或该通时不通。,（2）造成逆变失败的主要原因,交流网侧出现异常，例如交流电源突然断电或缺相。 换相裕量角不足（主要指换相重叠角的影响），引起换相失败进而造成逆变颠覆。,92,2.4.4 逆变失败与最小逆变角的限制,（3）逆变失败的原因分析,脉冲丢失或延迟（以b = 30且不计换相重叠角为例） 例1：假如当 a 相脉冲丢失，在电势EM 的作用下，VT3 继续导通，Ud 为正后与EM 串联形成短路。 例2：假如当 a 相脉冲延迟，c 相电压高于 a 相电压后，使VT1 反偏不能开通，而VT3 继续导通，结果与脉冲丢失情况相同。,93,2.4.4 逆变失败与最小逆变角的限制,交流电源消失 此时虽无变压器电势，但在电势 EM 的作用下，触发脉冲到来时晶闸管也能开通，可能产生大电流烧毁晶闸管。,换相重叠角的影响 换流重叠期间，ud 仍为换流两相电压和的一半。 注意：与不计换相重叠角相比，Ud 的绝对值有所增加。其换相“压升” U 的计算方法与整流时完全相同。,（3）逆变失败的原因分析,94,2.4.4 逆变失败与最小逆变角的限制,换相重叠角的影响 角的大小与交流侧电感及直流侧电流大小有关。 若 b ，换相还未结束，工作点已到图中P点。 特别注意：P点之后 b 相电压高于c 相电压。 已触发导通的 VT3 因承受反压而重新关断，本应关断的VT2 因电流不断而继续导通。 结果将逆变电压推高变正，导致逆变失败。,（3）逆变失败的原因分析,P点,95,2.4.4 逆变失败与最小逆变角的限制,有源逆变时允许采用的最小逆变角 bmin 应等于： bmin= d + g + q 式中：d 为晶闸管关断时间 toff 所对应的电角度，一般晶闸管关断时间约为200300微秒，折算成电角度约为45。 g 为换相重叠角，其数值与电路具体形式、直流电流大小以及变压器漏抗大小有关。 q为安全裕量角，主要考虑各相脉冲不对称等的影响，工程上一般约取10左右。,（4）确定最小逆变角bmin的依据,96,2.5 电容滤波的不控整流电路,（1）大量应用于交直交变频器、不间断电源、开关电源等场合。 （2）最为常用的是单相桥式与三相桥式两种接线方式。 （3）由于电路中的电力电子器件采用的是不可控的整流二极管，故此类电路又被称为二极管整流电路。 （4）电容的作用是为了减小直流输出电压的脉动，达到滤波效果。 （5）分析中仍认为电路工作已进入稳态。,2.5.1 概述,97,2.5 电容滤波的不控整流电路,（1）在u2正半周过零点直至w t = 0 期间，因u2 0，u2 ud，VD1 和VD4 同时导通后，结果使ud = u2，交流电源既向电容 C 充电，又向负载电阻 R 供电。,2.5.2 要点说明,98,2.5 电容滤波的不控整流电路,2.5.2 要点说明,（3）当w t = q ，电源电压等于电容电压，二极管关断。 （4）若是三相桥式整流电路，图中的u2 应为相应的线电压。 （5） 角和 角的大小与RC 的取值有关，一般装置中电容C 是固定的，故以负载电阻R 的变化影响为主。,99,2.5 电容滤波的不控整流电路,2.5.2 要点说明,（6）输出电压平均值与负荷轻重（放电时间常数）有关： 单相桥式电路为（0.9 1.414）U2 三相桥式电路为（2.342.449）U2 （7）输出电压数值随负荷变化规律为“重低轻高”。即电阻小（电流大）电压低，电阻大（电流小）电压高。 （8）因一个周期内流过电容的电流平均值为零，故 负载电流的平均值为：,100,2.5 电容滤波的不控整流电路,2.5.2 要点说明,（9）有关整流输出电流 id 的波形：单相桥式电路输出电流断续；三相桥式电路输出电流断续连续的临界条件是：,（10）二极管电流平均值及其承受最大反向电压分别为：,101,2.5 电容滤波的不控整流电路,2.5.2 要点说明,（11）当整流输出串有电感时，则构成所谓“感容滤波”；电感的存在使电流波形变的平缓，特别是在电流的上升段。显然，加入电感后对改善交流侧的谐波及功率因数十分有益。,0,q,d,p,2,p,w,t,i,u,d,2,102,2.6 整流电路的谐波与功率因数,2.6.1 谐波和功率因数的分析基础 2.6.2 谐波和无功功率对电网的影响 2.6.3 整流电路交流侧电流谐波与功 率因数分析 2.6.4 整流电路直流侧的谐波分析,103,2.6.1 谐波和功率因数的分析基础,分析基础傅里叶级数 连续傅里叶变换,（1）谐波,离散化处理： 有限离散傅里叶变换（DFT） 快速离散傅里叶变换（FFT）,应用中充分考虑波形的对称性可使分析得以简化。,104,2.6.1 谐波和功率因数的分析基础,相关名词 n次谐波电压（或电流）含有率,（1）谐波,总谐波电压（或电流）有效值,电压（或电流）总谐波畸变率,105,2.6.1 谐波和功率因数的分析基础,基本概念 定义：变流装置的功率因数是指其交流侧的平均功率与视在功率之比。 平均功率的产生：只有相同频率的电压与电流相互作用才能产生平均功率，正弦电路中的平均功率即为有功功率。 分析假设：一般公用电网中的电压波形畸变很小，所以工程分析中通常认为电压波形正弦，而电流波形非正弦。,（2）功率因数,106,2.6.1 谐波和功率因数的分析基础,功率因数的组成,（2）功率因数,设：U 正弦电压有效值（基波） I 畸变电流有效值（含有谐波） I1 基波电流有效值 1 基波电压与基波电流间的相位差,则：,其中：cos 1 基波功率因数，又称位移因数。 I1 / I = 基波因数，又称电流波形畸变因数。,107,2.6.2 谐波和无功功率对电网的影响,谐波损耗降低电力设备的运行效率。 影响电气设备正常工作，如温升、振动、噪音增加。 引起电网局部的谐振，使某次谐波放大，危害加剧。 导致电力系统继电保护和自化动装置的误动作。 影响电气测量的准确度。 高次谐波的射频辐射对通信系统造成干扰。 造成变流装置本身工作失常，例如同步信号失准。,随着电力电子技术的发展及应用的日益广泛，由此而带来的谐波和无功问题日趋严重，引起了人们极大的关注。,（1）谐波的危害,108,2.6.2 谐波和无功功率对电网的影响,在有功功率一定的情况下，无功功率将使视在功率相应增大，导致设备的容量增加。 视在功率增大导致电流增大，结果导致电气设备和输电线路的损耗增加。 视在功率增大导致电流增大，结果导致输电线路压降增大，影响供电质量。 特别是冲击性的无功快速变化时，将使电网电压发生剧烈波动，影响同一线路上的其他电器正常工作。,（2）无功的危害,109,2.6.2 谐波和无功功率对电网的影响,GB12325-1990 电能质量 供电电压允许偏差 GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波 GB/T 15543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度 GB/T 15945-1995 电能质量 电力系统允许频率偏差 GB12326-2000 电能质量 电压波动和闪变 GB/T 18481-2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压,（3）有关电能质量的国家标准,110,2.6.3 整流电路交流侧电流谐波与功率因数分析,不计换流重叠角，新取电流纵坐标并考虑波形的对称性,（1）单相桥式全控整流电路带阻感负载,基波电流 i21,注意基波电压与电流间的相位差,基波电流幅值,111,2.6.3 整流电路交流侧电流谐波与功率因数分析,（1）单相桥式全控整流电路带阻感负载,得：,则：,基波因数：,位移因数：,112,2.6.3 整流电路交流侧电流谐波与功率因数分析,不计换流重叠角，新取电流纵坐标并考虑波形的对称性,（2）三相桥式全控整流电路带阻感负载,同时注意基波电压与电流间的相位差,113,2.6.3 整流电路交流侧电流谐波与功率因数分析,（2）三相桥式全控整流电路带阻感负载,114,2.6.3 整流电路交流侧电流谐波与功率因数分析,（2）三相桥式全控整流电路带阻感负载,得：,则：,基波因数：,位移因数：,115,局部特写,2.6.4 整流电路直流侧的谐波分析,以三相半波可控整流电路 = 0时为例（脉波数m=3）,（1）整流输出电压谐波分析,116,2.6.4 整流电路直流侧的谐波分析,（1）整流输出电压谐波分析,为描述整流电压中所含谐波的总体情况，定义电压纹波因数,其中：Ud 为整流输出电压平均值（谐波分析中的直流分量） UR 为整流输出电压谐波分量的有效值，且：,再其中： U 为整流输出电压总的有效值，当三相半波可控整流电路 = 0时，其大小为：,117,2.6.4 整流电路直流侧的谐波分析,（1）整流输出电压谐波分析,所以三相半波可控整流 = 0时的电压纹波因数为：,教材第69页表2-2 给出了不同脉波数m时的电压纹波因数值,118,2.6.4 整流电路直流侧的谐波分析,（2）整流输出电流谐波分析,负载电流为：,再其中：若无反电势负载，则 n为次谐波电压的幅值,输出电流的平均值,n次谐波电流的幅值,n次谐波电流滞后电压的角度,其中：,119,2.6.4 整流电路直流侧的谐波分析,（3）一般性结论,m脉波整流输出电压中的谐波次数为mk（k=1，2，3.）次；整流输出电流的谐波次数取决于整流输出电压的谐波次数，也为mk次。 当脉波数一定时，随着谐波次数增大，谐波的幅值迅速减小，这表明最低次（即m次）谐波的影响是最主要的，其它次数的谐波的影响相对较小。 当负载中含有电感时，负载电流谐波分量的幅值减小的更为迅速。（原因在于电抗与频率成正比） 当脉波数增加后，最低次谐波次数相应增大，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速减小（见教材表2-2）。,120,2.7 其他可控整流电路,2.7.1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,2.7.2 多重化整流电路,采用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的目的是： 用于低电压、大电流的场合。 例如电化学工业中的电解、电镀等行业。,采用多重化整