基于晶闸管的相位可控整流与逆变器.ppt

5.1 简介,5.2 晶闸管电路及其控制,5.3 单相整流器,5.4 三相整流器,5.5 其它的三相整流器,第五章 基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,小结,下 页,返回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,大功率、高电压、大电流的可控开关使交流到直流的可控转换技术变得简单。 晶闸管整流器主要用于三相大功率之中，希望它能够控制交流电网与直流电路之间的潮流。 基于晶闸管的相位可控整流与逆变的变流器中的晶闸管导通或关断取决于工频交流电压的波形和控制输入信号。 可控整流器的直流电流id连续。,5.1 简介,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,换流,电流从一个器件到另一个器件的转换,电路结构及输入电压限制,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.2 晶闸管电路及其控制,5.2.1 晶闸管的基本电路,us(t)处于正半波时,在wt=a之前，线路电流为零。 wt=a瞬间，给晶闸管施加正极性触发脉冲，晶闸管开始导通，使 ud(t)=us(t)。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,正半波期间内，线路电流在wt=p时达到零。 us(t)的负半波期间，线路电流一直为零。wt=2p+a时刻，重复上一周波的导通过程。,只要改变a，就能控制负载电压ud的平均值。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,晶闸管触发导通后，us(t)正半波的其余时间内，晶闸管所承受的电压均为正，电感上的电压为：,电阻上的电压 uR(t)=Ri(t),下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,uR(t)曲线与线路电流成正比 电感电压uL(t)=us(t)-uR(t) 在a到q1期间，uL(t)为正，电流为：,z为积分变量,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,在wt=q1之后，uL(t)变为负值，电流及与uR(t)开始下降。,当线路电流下降到零后，下式积分关系无效。,wt=q2时，面积A1等于A2。 R和L串联负载条件下 ，电压us(t)变为负值后，线路电流仍维持继续导通 。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,wt=q1之前，晶闸管不导通。 wt=q1后的wt=q2时刻触发晶闸管，电感电压为：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,线路电流变量wt为： q3时刻，ud(t)=Ed wt=q4时刻，电流下降到零，A1=A2,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.2.2 晶闸管的门极触发,通过控制晶闸管的触发时刻，即可控制交流电源给负载提供多少功率。,简单的门极触发控制的方块图,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,交流电压正向过零后的某一a角处发出触发脉冲。 当电压处于负半波时，触发信号在交流电压负向过零后的a角处产生。,控制角,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.2.3 Ls0时的晶闸管整流器,单相全桥整流器接线图，直流侧电感可看成是负载的一部分。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,三相全桥整流器接线图，直流侧电感可看成是负载的一部分。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.3 单相整流器,5.3.1 Ls=0和id(t)=Id的理想电路,理想电路,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,自然导通现象,始终保持晶闸管的门极触发电流，晶闸管在自然换流点导通 。,下 页,上 页,返 回,自然导通点wt=0的时刻，晶闸管1和2自然导通。 wt=p时，晶闸管3和4自然导通。,延迟角或触发角或控制角,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,下 页,上 页,返 回,wt=0之前，直流电压ud(t)=-us(t) wt=0之后，晶闸管1和2的电压变为正偏，它们不导通。 到wt=a时，晶闸管1和2导通，晶闸管3和4自然关断。,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,当a0时，Ud由控制角a控制，其表达式为：,令Ud0为图中对应于a=0o、Ls=0时的平均直流输出电压，即：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,a0所带来的电压降为：,电压降DUda等于图中的电压波形与用弧度表示的横坐标之间的面积除以p。,逆变模式,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,整流模式,当a90o时，整流器运行在逆变状态。,整流器的平均功率为：,直流电流为恒定值时，id=I，所以有：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.3.1.1 直流侧电压ud,根据下式得到直流侧电压平均电压分量Uda,ud中的各次谐波幅值可以由傅里叶级数的分解来计算。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.3.1.2 线电流is,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,is为180o方波的数学表达式为：,h=0,各项电流有效值可借助下式计算：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,图中基波电流分量is1的有效值为：,各次谐波电流有效值为：,谐波次数,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,交流有效值等于对应的直流电流: Is =Id,根据上式和 得总谐波畸变率为：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.3.1.3 功率、功率因数、无功功率和视在功率,位移功率因数为：DPF=cosF1=cosa,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,Is =Id DPF=cosF1=cosa,得180o方波电流的功率因数为：,交流侧送到整流器的功率为：,P=Us Is1 cosF1,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,得： P=0.9Us Id cosa,基波分量消耗的无功功率为：,Q1 =Us Is1 sinF1 =0.9Us Id sina,基波电流所产生的视在功率为：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.3.2 Ls的影响,给定控制角a，交流侧电流在晶闸管换流时会存在换流时间g 。,5.3.2.1 对直流输出电压的影响,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,直流输出电压ud(t)=0，电感电压uLs(t)=us(t)，即:,对上式两边同乘以d(wt)，并在整个换流期间进行积分，由此可得：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,对 进行积分,将结果代入下式：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,二极管整流器,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,Ls的引入产生一个附加的平均电压降DUdg，它与面积Ag成正比：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,当存在线路电感Ls时，根据,导出单相桥式晶闸管整流电路的输出电压为：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,已知图中，交流电的额定电压为230V，工作频率为50Hz，线路电感Ls上的压降为额定电压的5%，线路的传输容量S=5kVA、控制角a=30o、有功消耗为3kW。试计算在额定输入电压下的换流重叠角g和Ud各为多少？,解,根据已知条件，求得线路电流的额定值为：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,系统等效阻抗的模数为：Zb=Us /Is=10.58W 线路的等效电感为：Ls=0.05Zb /w=1.684mH,根据式,整流器吸收的有功功率为：,将已知条件代入上式中得：,Id=17.196A,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,将Id=17.196A分别代入,解得： g = 5.9o Ud = 173.47V,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.3.2.2 线路电流is,is的基波电流分量从下式得到：,根据以上两式及,可得：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.3.3 Ls0的晶闸管整流计算,5.3.3.1 电流连续,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,如果电流id是连续的，则直流电压ud的平均值为：,Id.min：id的最小值，大约位于wt=a的位置。 电路的基尔霍夫电压方程为：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,直流电压的平均值为：,在稳态运行条件下,根据式 ，通过控制角a来控制整流器输出的平均直流电压Ud，以及由此产生的Id，进而达到控制负载功率的目的。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,设图中的单相晶闸管整流器由240V、50Hz的交流电作为电源。已知Ls=1.4mH，控制角a=45o，Ld=9mH，Ed=145V，rd=0。试采用PSpice仿真软件绘出ud(t)和is(t)的波形，并计算Is1、Is、DPF、PF和THD的值各为多少？,解,用SCR子电路描述晶闸管，由电压控制的开关模拟晶闸管，用0V的电压源监测开关的电流。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,当门极有脉冲或有门极电流时，晶闸管处于导通状态。关于程序的详细情况，在调用这个子程序之前，先要设置门极脉冲的延时以及门极电压。,Is1=59.68A Is=60.1A DPF=0.576 PF=0.572 THD=12.3%,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.3.3.2 电流的断续,Ed=180V时的有关波形，Ed的值越大，直流电流Id的平均值越小。,Ls=1.4mH，a=45o，Ld=9mH，Ed=145V，rd=0,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,当a为某一固定值时，若Id逐渐减小，直至达到某一临界电流值时，电压Ud快速上升。,为了维持Ud的稳定，轻载时，Id较小时，必须增加控制角a。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.3.4 单相桥式整流器的逆变运行,晶闸管整流器在逆变模式下运行时要求直流电压Ud的值为负值，因此，功率只能由直流侧向交流侧流动。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,当控制角a位于90oa180o时，直流电压的平均值为负值,其值通过下式计算：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,整流器的输出功率Pd (=UdId)为负值。在交流侧，F190o，Pac=UdIs1cosF1也为负值。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,整流器的逆变模式首先要求直流侧必须有一个电源来维持逆变模式的运行。,整流器在逆变模式下，功率流向交流侧。,其次，整流器的交流侧必须有一个交流电源，它要能够完成线路电流从一对晶闸管转移到另一对晶闸管的换流。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,如果Ld的值足够大，可将id看成是恒定直流。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,由于Ld上电压降的平均值为零，此时整流器的直流输出电压为：,如果电流Id发生变化，则上式中的Id要在wt=a时用瞬时值id表示。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,在逆变模式运行下，整流器中任一晶闸管上的电压波形 。,封锁角：s =180o(a+g) 在封锁角s对应的时间段内，晶闸管上的电压为负值，超过这个角度之后，电压又变为正值。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,要在图中实现逆变运行，就要使控制角a足够大。,逐渐减小a，可得到期望的Id或Pd。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.3.5 交流电压的波形,晶闸管整流器会对运行线路产生干扰。对线路电压而言，它会产生电压跌落和电压畸变。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.4.1 理想的三相整流器,5.4 三相整流器,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,如果对三相整流器中所有的晶闸管都施加连续的触发脉冲，则该整流电路相当于二极管整流器。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,理想条件下(a=0、Ls=0)，各相电压和a相电流的波形如图所示。,平均直流电压为：,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,在wt=a之前，T5一直保持导通，因Ls=0，在wt=a时刻，电流瞬间转换到T1。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,所有晶闸管的控制角取相同的控制角a，晶闸管可顺序触发导通。 输出电压为：,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,则有：,将上式带入到式 中，同时考虑式 的关系，最后可得：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,在不同控制角a下的直流电压波形如图所示，对应的平均功率为：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.4.1.1 直流侧电压,图中平均直流电压为： Uda=1.35ULLcosa ud中的交流纹波频率是交流电源频率的六倍，各次谐波分量可通过傅里叶级数的分析得到。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.4.1.2 输入线电流,三相交流输入的线电流有ia、ib和ic，它们都是幅值为Id的矩形波。 上图中的a相电流ia的波形与下图中的波形相比偏移了a角度。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,若将uan(t)的正向过零点定义为时间坐标的原点，则将a相电流波形用傅里叶级数展开后可得：,谐波次数为： h=6n1 (n=1,2) 基波电流的有效值为： Is1=0.78Id 谐波分量的有效值与谐波次数成反比，即 Ish=Is1 /h (h=6n1),下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,相电流的有效值为：,因Ls=0、id(t)=Id，由上式和Ish=Is1 /h可得：,is的电流总谐波畸变率为： THD%=31.08%,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.4.1.3 有功、无功和功率因数,如Ls=0、F1=a，则DPF=cosF1=cosa,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,DPF=cosj1,DPF=cosF1=cosa,THD%=31.08%,可得：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,线电流随控制角a的变化,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.4.2 Ls的影响,三相晶闸管整流电路中线路电感的最小感抗值为电源等效基波电抗的5%，即:,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,在wt=a之前，电流在晶闸管T5和晶闸管T6中导通， 在wt=a时，电流开始从晶闸管T5向晶闸管T1换流。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,在晶闸管T1的自然换流点之后，uan比ucn越来越大。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,在换流期间，a相电流ia由零逐渐向Id增加，c相电流ic由Id逐渐减小到零。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,电流ia的完整波形,换流期间awta+g 内有：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,假定电流ia在awta+g期间由零逐渐增加到Id，根据上式和 的关系可得：,换流使直流输出电压降低的电压-弧度面积为：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,上式的面积除以p/3即为减少的平均直流电压。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,换流期间内a、c两相短路，因此有：,同理,将上两式相加后即得：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,设在换流期间ia+ic=Id为恒定值，因此，一个电流的增加量与另一个电流的减少量一定相等，即：,式 可简化为：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,uPn在换流期间的波形如图所示,和,得：,合并,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,假设,可得：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,整理后得：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.4.2.1 线电流is,图中的ia波形大致为梯形波，在这种近似条件下有：,位移功率因数为：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,存在Ls时的谐波电流标幺值,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,存在Ls时的谐波电流标幺值,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,典型谐波限值和理想条件的谐波限值,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.4.3 实际的三相桥式整流电路,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,解,仿真得到的波形如图所示，其他的结果分别为：Is1=22.0A，Is =22.94A，DPF=0.928，PF=0.89和THD=29.24%。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,当控制角a一定时，只要图中所示电路的直流平均电流减小到一定程度，则电流就会变得不连续。,随着Ed的增加，Id将不断减小。为了稳定Ud，在Id较小时，须增大控制角a。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.4.4 三相桥式整流电路的逆变运行,假定整流电路直流侧电流源具有恒定的幅值Id。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,控制角90oa180o时的电压、电流波形。,根据下式可知，当90oa180o时，Ud的平均值为负值。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,在恒定直流电压下晶闸管整流器的逆变运行,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,图中晶闸管的封锁角度s =180o-a-g大于晶闸管的关断角度wtq。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,5.4.5 交流侧电压波形,吸收电路,三相桥式整流电路,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,在每个换流期间，三相电压中就有两相电压都会经过自身线路的Ls发生断路。,5.4.5.1 线电压的电压跌落,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,每次电压跌落所形成的面积应该是图中面积Ag的两倍 。,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,根据式 得知，电压跌落对应的面积An为：,An=2wLsId (伏特弧度),根据下式计算电压跌落的宽度g ：,如果g较小，可近似将跌落深度H写为：,下 页,上 页,返 回,第五章基于晶闸管的相位可控整流与逆变运行,由式 An=2w