《电力电子技术》(第四版)第2章 整流电路.ppt

1 电力电子技术 第四版 2 第2章整流电路 2 1单相可控整流电路2 2三相可控整流电路2 3变压器漏感对整流电路的影响2 4电容滤波的不可控整流电路2 5整流电路的谐波和功率因数2 6大功率可控整流电路2 7整流电路的有源逆变工作状态2 8晶闸管直流电动机系统2 9相控电路的驱动控制本章小结 3 第2章整流电路 引言 整流电路的分类 按组成的器件可分为不可控 半控 全控三种 按电路结构可分为桥式电路和零式电路 按交流输入相数分为单相电路和多相电路 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向 又分为单拍电路和双拍电路 整流电路 出现最早的电力电子电路 将交流电变为直流电 4 2 1单相可控整流电路 2 1 1单相半波可控整流电路2 1 2单相桥式全控整流电路2 1 3单相全波可控整流电路2 1 4单相桥式半控整流电路 5 2 1 1单相半波可控整流电路 图2 1单相半波可控整流电路及波形 1 带电阻负载的工作情况 变压器T起变换电压和电气隔离的作用 电阻负载的特点 电压与电流成正比 两者波形相同 单相半波可控整流电路 SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier 6 2 1 1单相半波可控整流电路 VT的a移相范围为180 通过控制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 首先 引入两个重要的基本概念 触发延迟角 从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度 用a表示 也称触发角或控制角 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 基本数量关系 直流输出电压平均值为 2 1 7 2 1 1单相半波可控整流电路 2 带阻感负载的工作情况 图2 2带阻感负载的单相半波电路及其波形 阻感负载的特点 电感对电流变化有抗拒作用 使得流过电感的电流不发生突变 讨论负载阻抗角j 触发角a 晶闸管导通角 的关系 8 2 1 1单相半波可控整流电路 对单相半波电路的分析可基于上述方法进行 当VT处于断态时 相当于电路在VT处断开 id 0 当VT处于通态时 相当于VT短路 图2 3单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a VT处于关断状态b VT处于导通状态 电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化 将电路简化为分段线性电路 器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑 9 2 1 1单相半波可控整流电路 当VT处于通态时 如下方程成立 b VT处于导通状态 2 2 2 4 初始条件 t a id 0 求解式 2 2 并将初始条件代入可得 当 t a时 id 0 代入式 2 3 并整理得 10 2 1 1单相半波可控整流电路 续流二极管 图2 4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 当u2过零变负时 VDR导通 ud为零 VT承受反压关断 L储存的能量保证了电流id在L R VDR回路中流通 此过程通常称为续流 数量关系 id近似恒为Id 2 5 2 6 2 7 2 8 11 2 1 1单相半波可控整流电路 VT的a移相范围为180 简单 但输出脉动大 变压器二次侧电流中含直流分量 造成变压器铁芯直流磁化 实际上很少应用此种电路 分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念 单相半波可控整流电路的特点 12 2 1 2单相桥式全控整流电路 1 带电阻负载的工作情况 a 工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂 在u2正半周承受电压u2 得到触发脉冲即导通 当u2过零时关断 VT2和VT3组成另一对桥臂 在u2正半周承受电压 u2 得到触发脉冲即导通 当u2过零时关断 电路结构 单相桥式全控整流电路 SinglePhaseBridgeContrelledRectifier 13 2 1 2单相桥式全控整流电路 数量关系 2 9 a角的移相范围为180 向负载输出的平均电流值为 流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半 即 2 10 2 11 14 2 1 2单相桥式全控整流电路 流过晶闸管的电流有效值 变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等 由式 2 12 和式 2 13 得 不考虑变压器的损耗时 要求变压器的容量S U2I2 2 12 2 13 2 14 15 2 1 2单相桥式全控整流电路 2 带阻感负载的工作情况 u 图2 6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 假设电路已工作于稳态 id的平均值不变 假设负载电感很大 负载电流id连续且波形近似为一水平线 u2过零变负时 晶闸管VT1和VT4并不关断 至 t a时刻 晶闸管VT1和VT4关断 VT2和VT3两管导通 VT2和VT3导通后 VT1和VT4承受反压关断 流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上 此过程称换相 亦称换流 16 2 1 2单相桥式全控整流电路 数量关系 2 15 晶闸管移相范围为90 晶闸管导通角 与a无关 均为180 电流的平均值和有效值 变压器二次侧电流i2的波形为正负各180 的矩形波 其相位由a角决定 有效值I2 Id 晶闸管承受的最大正反向电压均为 17 2 1 2单相桥式全控整流电路 3 带反电动势负载时的工作情况 图2 7单相桥式全控整流电路接反电动势 电阻负载时的电路及波形 在 u2 E时 才有晶闸管承受正电压 有导通的可能 在a角相同时 整流输出电压比电阻负载时大 导通之后 ud u2 直至 u2 E id即降至0使得晶闸管关断 此后ud E 18 2 1 2单相桥式全控整流电路 当 d时 触发脉冲到来时 晶闸管承受负电压 不可能导通 图2 7b单相桥式全控整流电路接反电动势 电阻负载时的波形 电流断续 触发脉冲有足够的宽度 保证当wt d时刻有晶闸管开始承受正电压时 触发脉冲仍然存在 这样 相当于触发角被推迟为d 如图2 7b所示id波形所示 电流连续 19 2 1 2单相桥式全控整流电路 负载为直流电动机时 如果出现电流断续 则电动机的机械特性将很软 为了克服此缺点 一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器 这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同 ud的计算公式也一样 为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出 2 17 20 2 1 3单相全波可控整流电路 单相全波可控整流电路 SinglePhaseFullWaveControlledRectifier 又称单相双半波可控整流电路 单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的 变压器不存在直流磁化的问题 图2 9单相全波可控整流电路及波形 21 2 1 3单相全波可控整流电路 单相全波与单相全控桥的区别 单相全波中变压器结构较复杂 材料的消耗多 单相全波只用2个晶闸管 比单相全控桥少2个 相应地 门极驱动电路也少2个 但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍 单相全波导电回路只含1个晶闸管 比单相桥少1个 因而管压降也少1个 从上述后两点考虑 单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用 22 2 1 4单相桥式半控整流电路 电路结构单相全控桥中 每个导电回路中有2个晶闸管 1个晶闸管可以用二极管代替 从而简化整个电路 如此即成为单相桥式半控整流电路 先不考虑VDR u d 图2 10单相桥式半控整流电路 有续流二极管 阻感负载时的电路及波形 电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同 23 2 1 4单相桥式半控整流电路 单相半控桥带阻感负载的情况 图2 10单相桥式半控整流电路 有续流二极管 阻感负载时的电路及波形 在u2正半周 u2经VT1和VD4向负载供电 u2过零变负时 因电感作用电流不再流经变压器二次绕组 而是由VT1和VD2续流 在u2负半周触发角a时刻触发VT3 VT3导通 u2经VT3和VD2向负载供电 u2过零变正时 VD4导通 VD2关断 VT3和VD4续流 ud又为零 24 2 1 4单相桥式半控整流电路 续流二极管的作用 避免可能发生的失控现象 若无续流二极管 则当a突然增大至180 或触发脉冲丢失时 会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况 这使ud成为正弦半波 其平均值保持恒定 称为失控 有续流二极管VDR时 续流过程由VDR完成 避免了失控的现象 续流期间导电回路中只有一个管压降 有利于降低损耗 25 2 1 4单相桥式半控整流电路 单相桥式半控整流电路的另一种接法 相当于把图2 5a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4 这样可以省去续流二极管VDR 续流由VD3和VD4来实现 图2 5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形 图2 11单相桥式半控整流电路的另一接法 26 2 2三相可控整流电路 2 2 1三相半波可控整流电路2 2 2三相桥式全控整流电路 27 2 2三相可控整流电路 引言 交流测由三相电源供电 负载容量较大 或要求直流电压脉动较小 容易滤波 基本的是三相半波可控整流电路 三相桥式全控整流电路应用最广 28 2 2 1三相半波可控整流电路 电路的特点 变压器二次侧接成星形得到零线 而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网 三个晶闸管分别接入a b c三相电源 其阴极连接在一起 共阴极接法 图2 12三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a 0 时的波形 1 电阻负载 自然换相点 二极管换相时刻为自然换相点 是各相晶闸管能触发导通的最早时刻 将其作为计算各晶闸管触发角a的起点 即a 0 a 29 2 2 1三相半波可控整流电路 a 0 时的工作原理分析 变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形 变压器二次绕组电流有直流分量 晶闸管的电压波形 由3段组成 图2 12三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a 0 时的波形 a 30 的波形 图2 13 特点 负载电流处于连续和断续之间的临界状态 a 30 的情况 图2 14 特点 负载电流断续 晶闸管导通角小于120 b c d e f u 2 u a u b u c a 0 O w t 1 w t 2 w t 3 u G O u d O O u ab u ac O i VT 1 u VT 1 w t w t w t w t w t 30 2 2 1三相半波可控整流电路 2 18 当a 0时 Ud最大 为 2 19 整流电压平均值的计算 a 30 时 负载电流连续 有 a 30 时 负载电流断续 晶闸管导通角减小 此时有 31 2 2 1三相半波可控整流电路 Ud U2随a变化的规律如图2 15中的曲线1所示 图2 15三相半波可控整流电路Ud U2随a变化的关系1 电阻负载2 电感负载3 电阻电感负载 32 2 2 1三相半波可控整流电路 负载电流平均值为 晶闸管承受的最大反向电压 为变压器二次线电压峰值 即 晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值 即 2 20 2 21 2 22 33 2 2 1三相半波可控整流电路 2 阻感负载 图2 16三相半波可控整流电路 阻感负载时的电路及a 60 时的波形 特点 阻感负载 L值很大 id波形基本平直 a 30 时 整流电压波形与电阻负载时相同 a 30 时 如a 60 时的波形如图2 16所示 u2过零时 VT1不关断 直到VT2的脉冲到来 才换流 ud波形中出现负的部分 id波形有一定的脉动 但为简化分析及定量计算 可将id近似为一条水平线 阻感负载时的移相范围为90 u d i a u a u b u c i b i c i d u ac O w t O w t O O w t O O w t a w t w t 34 2 2 1三相半波可控整流电路 数量关系 由于负载电流连续 Ud可由式 2 18 求出 即 Ud U2与a成余弦关系 如图2 15中的曲线2所示 如果负载中的电感量不是很大 Ud U2与a的关系将介于曲线1和2之间 曲线3给出了这种情况的一个例子 图2 15三相半波可控整流电路Ud U2随a变化的关系1 电阻负载2 电感负载3 电阻电感负载 35 2 2 1三相半波可控整流电路 变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为 晶闸管的额定电流为 晶闸管最大正 反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值 三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量 为此其应用较少 2 23 2 24 2 25 36 2 2 2三相桥式全控整流电路 三相桥是应用最为广泛的整流电路 共阴极组 阴极连接在一起的3个晶闸管 VT1 VT3 VT5 共阳极组 阳极连接在一起的3个晶闸管 VT4 VT6 VT2 图2 17三相桥式全控整流电路原理图 导通顺序 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 37 2 2 2三相桥式全控整流电路 1 带电阻负载时的工作情况 当a 60 时 ud波形均连续 对于电阻负载 id波形与ud波形形状一样 也连续波形图 a 0 图2 18 a 30 图2 19 a 60 图2 20 当a 60 时 ud波形每60 中有一段为零 ud波形不能出现负值波形图 a 90 图2 21 带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120 38 2 2 2三相桥式全控整流电路 晶闸管及输出整流电压的情况如表2 1所示 请参照图2 18 39 2 2 2三相桥式全控整流电路 2 对触发脉冲的要求 按VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6的顺序 相位依次差60 共阴极组VT1 VT3 VT5的脉冲依次差120 共阳极组VT4 VT6 VT2也依次差120 同一相的上下两个桥臂 即VT1与VT4 VT3与VT6 VT5与VT2 脉冲相差180 三相桥式全控整流电路的特点 1 2管同时通形成供电回路 其中共阴极组和共阳极组各1 且不能为同1相器件 40 2 2 2三相桥式全控整流电路 3 ud一周期脉动6次 每次脉动的波形都一样 故该电路为6脉波整流电路 4 需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法 一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发 常用 5 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同 晶闸管承受最大正 反向电压的关系也相同 三相桥式全控整流电路的特点 41 a 60 时 a 0 图2 22 a 30 图2 23 ud波形连续 工作情况与带电阻负载时十分相似 各晶闸管的通断情况输出整流电压ud波形晶闸管承受的电压波形 2 2 2三相桥式全控整流电路 2 阻感负载时的工作情况 主要包括 a 60 时 a 90 图2 24 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同 电阻负载时 ud波形不会出现负的部分 阻感负载时 ud波形会出现负的部分 带阻感负载时 三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90 区别在于 得到的负载电流id波形不同 当电感足够大的时候 id的波形可近似为一条水平线 42 2 2 2三相桥式全控整流电路 3 定量分析 当整流输出电压连续时 即带阻感负载时 或带电阻负载a 60 时 的平均值为 带电阻负载且a 60 时 整流电压平均值为 输出电流平均值为 Id Ud R 2 26 2 27 43 2 2 2三相桥式全控整流电路 当整流变压器为图2 17中所示采用星形接法 带阻感负载时 变压器二次侧电流波形如图2 23中所示 其有效值为 2 28 晶闸管电压 电流等的定量分析与三相半波时一致 接反电势阻感负载时 在负载电流连续的情况下 电路工作情况与电感性负载时相似 电路中各处电压 电流波形均相同 仅在计算Id时有所不同 接反电势阻感负载时的Id为 2 29 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值 44 ik ib是逐渐增大的 而ia Id ik是逐渐减小的 当ik增大到等于Id时 ia 0 VT1关断 换流过程结束 2 3变压器漏感对整流电路的影响 考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响 该漏感可用一个集中的电感LB表示 现以三相半波为例 然后将其结论推广 VT1换相至VT2的过程 因a b两相均有漏感 故ia ib均不能突变 于是VT1和VT2同时导通 相当于将a b两相短路 在两相组成的回路中产生环流ik 图2 25考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形 45 2 3变压器漏感对整流电路的影响 换相重叠角 换相过程持续的时间 用电角度g表示 换相过程中 整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值 换相压降 与不考虑变压器漏感时相比 ud平均值降低的多少 2 30 2 31 46 2 3变压器漏感对整流电路的影响 换相重叠角g的计算 由上式得 进而得出 2 32 2 33 2 34 47 2 3变压器漏感对整流电路的影响 由上述推导过程 已经求得 当时 于是 g随其它参数变化的规律 1 Id越大则g越大 2 XB越大g越大 3 当a 90 时 越小g越大 2 35 2 36 48 2 3变压器漏感对整流电路的影响 变压器漏抗对各种整流电路的影响 表2 2各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算 注 单相全控桥电路中 环流ik是从 Id变为Id 本表所列通用公式不适用 三相桥等效为相电压等于的6脉波整流电路 故其m 6 相电压按代入 49 2 3变压器漏感对整流电路的影响 变压器漏感对整流电路影响的一些结论 出现换相重叠角g 整流输出电压平均值Ud降低 整流电路的工作状态增多 晶闸管的di dt减小 有利于晶闸管的安全开通 有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di dt 换相时晶闸管电压出现缺口 产生正的du dt 可能使晶闸管误导通 为此必须加吸收电路 换相使电网电压出现缺口 成为干扰源 50 2 4电容滤波的不可控整流电路 2 4 1电容滤波的单相不可控整流电路2 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 51 2 4电容滤波的不可控整流电路 在交 直 交变频器 不间断电源 开关电源等应用场合中 大量应用 最常用的是单相桥和三相桥两种接法 由于电路中的电力电子器件采用整流二极管 故也称这类电路为二极管整流电路 52 2 4 1电容滤波的单相不可控整流电路 常用于小功率单相交流输入的场合 如目前大量普及的微机 电视机等家电产品中 1 工作原理及波形分析 图2 26电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a 电路b 波形 基本工作过程 在u2正半周过零点至wt 0期间 因u2 ud 故二极管均不导通 电容C向R放电 提供负载所需电流 至wt 0之后 u2将要超过ud 使得VD1和VD4开通 ud u2 交流电源向电容充电 同时向负载R供电 a R C u 1 u 2 i 2 VD 1 VD 3 VD 2 VD 4 i d i C i R u d 53 2 4 1电容滤波的单相不可控整流电路 2 主要的数量关系 输出电压平均值 54 2 4 1电容滤波的单相不可控整流电路 感容滤波的二极管整流电路实际应用为此情况 但分析复杂 ud波形更平直 电流i2的上升段平缓了许多 这对于电路的工作是有利的 图2 29感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a 电路图b 波形 55 2 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 1 基本原理 某一对二极管导通时 输出电压等于交流侧线电压中最大的一个 该线电压既向电容供电 也向负载供电 当没有二极管导通时 由电容向负载放电 ud按指数规律下降 图2 30电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形 56 电流id断续和连续的临界条件wRC 在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的 重载时是连续的 分界点就是R wC 2 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 由 电压下降速度相等 的原则 可以确定临界条件 假设在wt d 2p 3的时刻 速度相等 恰好发生 则有 图2 31电容滤波的三相桥式整流电路当wRC等于和小于时的电流波形a wRC b wRC 由上式可得 2 50 57 2 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况 电流波形的前沿平缓了许多 有利于电路的正常工作 随着负载的加重 电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近 图2 32考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形a 电路原理图b 轻载时的交流侧电流波形c 重载时的交流侧电流波形 58 2 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 2 主要数量关系 1 输出电压平均值Ud在 2 34U2 2 45U2 之间变化 2 电流平均值输出电流平均值IR为 IR Ud R 2 51 与单相电路情况一样 电容电流iC平均值为零 因此 Id IR 2 52 二极管电流平均值为Id的1 3 即 ID Id 3 IR 3 2 53 3 二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值 为 59 2 5整流电路的谐波和功率因数 2 5 1谐波和无功功率分析基础2 5 2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析2 5 3电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析2 5 4整流输出电压和电流的谐波分析 60 2 5整流电路的谐波和功率因数 引言 随着电力电子技术的发展 其应用日益广泛 由此带来的谐波 harmonics 和无功 reactivepower 问题日益严重 引起了关注 无功的危害 导致设备容量增加 使设备和线路的损耗增加 线路压降增大 冲击性负载使电压剧烈波动 谐波的危害 降低设备的效率 影响用电设备的正常工作 引起电网局部的谐振 使谐波放大 加剧危害 导致继电保护和自动装置的误动作 对通信系统造成干扰 61 2 5 1谐波和无功功率分析基础 1 谐波 对于非正弦波电压 满足狄里赫利条件 可分解为傅里叶级数 n次谐波电流含有率以HRIn HarmonicRatioforIn 表示 2 57 电流谐波总畸变率THDi TotalHarmonicdistortion 定义为 2 58 正弦波电压可表示为 基波 fundamental 频率与工频相同的分量谐波 频率为基波频率大于1整数倍的分量谐波次数 谐波频率和基波频率的整数比 62 2 5 1谐波和无功功率分析基础 2 功率因数 正弦电路中的情况 电路的有功功率就是其平均功率 2 59 视在功率为电压 电流有效值的乘积 即S UI 2 60 无功功率定义为 Q UIsinj 2 61 功率因数l定义为有功功率P和视在功率S的比值 2 62 此时无功功率Q与有功功率P 视在功率S之间有如下关系 2 63 功率因数是由电压和电流的相位差j决定的 l cosj 2 64 63 2 5 1谐波和无功功率分析基础 非正弦电路中的情况 有功功率 视在功率 功率因数的定义均和正弦电路相同 功率因数仍由式定义 不考虑电压畸变 研究电压为正弦波 电流为非正弦波的情况有很大的实际意义 基波因数 n I1 I 即基波电流有效值和总电流有效值之比位移因数 基波功率因数 cosj1 功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定的 64 2 5 1谐波和无功功率分析基础 非正弦电路的无功功率 定义很多 但尚无被广泛接受的科学而权威的定义 一种简单的定义是仿照式 2 63 给出的 2 67 无功功率Q反映了能量的流动和交换 目前被较广泛的接受 也可仿照式 2 61 定义无功功率 为和式 2 67 区别 采用符号Qf 忽略电压中的谐波时有 Qf UI1sinj1 2 68 在非正弦情况下 因此引入畸变功率D 使得 2 69 Qf为由基波电流所产生的无功功率 D是谐波电流产生的无功功率 65 2 5 2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析 1 单相桥式全控整流电路 忽略换相过程和电流脉动 带阻感负载 直流电感L为足够大 电流i2的波形见图2 6 2 72 变压器二次侧电流谐波分析 电流中仅含奇次谐波 各次谐波有效值与谐波次数成反比 且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数 66 2 5 2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析 基波电流有效值为 2 74 i2的有效值I Id 结合式 2 74 可得基波因数为 2 75 电流基波与电压的相位差就等于控制角 故位移因数为 2 76 所以 功率因数为 2 77 功率因数计算 67 2 5 2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析 2 三相桥式全控整流电路 图2 23三相桥式全控整流电路带阻感负载a 30 时的波形 阻感负载 忽略换相过程和电流脉动 直流电感L为足够大 以 30 为例 此时 电流为正负半周各120 的方波 其有效值与直流电流的关系为 2 78 68 2 5 2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析 变压器二次侧电流谐波分析 电流基波和各次谐波有效值分别为 2 80 电流中仅含6k 1 k为正整数 次谐波 各次谐波有效值与谐波次数成反比 且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数 功率因数计算 69 2 5 3电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析 1 单相桥式不可控整流电路实用的单相不可控整流电路采用感容滤波 电容滤波的单相不可控整流电路交流侧谐波组成有如下规律 谐波次数为奇次 谐波次数越高 谐波幅值越小 谐波与基波的关系是不固定的 越大 则谐波越小 关于功率因数的结论如下 位移因数接近1 轻载超前 重载滞后 谐波大小受负载和滤波电感的影响 70 2 5 3电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析 2 三相桥式不可控整流电路实际应用的电容滤波三相不可控整流电路中通常有滤波电感 交流侧谐波组成有如下规律 谐波次数为6k 1次 k 1 2 3 谐波次数越高 谐波幅值越小 谐波与基波的关系是不固定的 关于功率因数的结论如下 位移因数通常是滞后的 但与单相时相比 位移因数更接近1 随负载加重 wRC的减小 总的功率因数提高 同时 随滤波电感加大 总功率因数也提高 71 2 5 4整流输出电压和电流的谐波分析 整流电路的输出电压中主要成分为直流 同时包含各种频率的谐波 这些谐波对于负载的工作是不利的 图2 33a 0 时 m脉波整流电路的整流电压波形 0 时 m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析 整流输出电压谐波分析整流输出电流谐波分析详见书P72 72 2 5 4整流输出电压和电流的谐波分析 0 时整流电压 电流中的谐波有如下规律 m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk k 1 2 3 次 即m的倍数次 整流电流的谐波由整流电压的谐波决定 也为mk次 当m一定时 随谐波次数增大 谐波幅值迅速减小 表明最低次 m次 谐波是最主要的 其它次数的谐波相对较少 当负载中有电感时 负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速 m增加时 最低次谐波次数增大 且幅值迅速减小 电压纹波因数迅速下降 73 2 5 4整流输出电压和电流的谐波分析 不为0 时的情况 整流电压谐波的一般表达式十分复杂 下面只说明谐波电压与 角的关系 图2 34三相全控桥电流连续时 以n为参变量的与 的关系 以n为参变量 n次谐波幅值对 的关系如图2 34所示 当 从0 90 变化时 ud的谐波幅值随 增大而增大 90 时谐波幅值最大 从90 180 之间电路工作于有源逆变工作状态 ud的谐波幅值随 增大而减小 74 2 6大功率可控整流电路 2 6 1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路2 6 2多重化整流电路 75 2 6大功率可控整流电路 引言 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点 适用于低电压 大电流的场合 多重化整流电路的特点 在采用相同器件时可达到更大的功率 可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数 从而减小对供电电网的干扰 76 2 6 1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 电路结构的特点 图2 35带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻 分别接成两组三相半波电路 二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化 平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电 与三相桥式电路相比 双反星形电路的输出电流可大一倍 77 2 6 1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 绕组的极性相反的目的 消除直流磁通势如图可知 虽然两组相电流的瞬时值不同 但是平均电流相等而绕组的极性相反 所以直流安匝互相抵消 图2 36双反星形电路 0 时两组整流电压 电流波形 78 2 6 1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 接平衡电抗器的原因 当电压平均值和瞬时值均相等时 才能使负载均流 两组整流电压平均值相等 但瞬时值不等 两个星形的中点n1和n2间的电压等于ud1和ud2之差 该电压加在Lp上 产生电流ip 它通过两组星形自成回路 不流到负载中去 称为环流或平衡电流 为了使两组电流尽可能平均分配 一般使Lp值足够大 以便限制环流在负载额定电流的1 2 以内 79 2 6 1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 双反星形电路中如不接平衡电抗器 即成为六相半波整流电路 只能有一个晶闸管导电 其余五管均阻断 每管最大导通角为60o 平均电流为Id 6 当 0o时 Ud为1 35U2 比三相半波时的1 17U2略大些 因晶闸管导电时间短 变压器利用率低 极少采用 平衡电抗器的作用 使得两组三相半波整流电路同时导电 对平衡电抗器作用的理解是掌握双反星形电路原理的关键 80 2 6 1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 平衡电抗器使得两组三相半波整流电路同时导电的原理分析 图2 37平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形 图2 38平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况 平衡电抗器Lp承担了n1 n2间的电位差 它补偿了ub 和ua的电动势差 使得ub 和ua两相的晶闸管能同时导电 时 ub ua VT6导通 此电流在流经LP时 LP上要感应一电动势up 其方向是要阻止电流增大 可导出Lp两端电压 整流输出电压的数学表达式如下 81 2 6 1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 原理分析 续 图2 37平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形 图2 38平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况 虽然 但由于Lp的平衡作用 使得晶闸管VT6和VT1同时导通 时间推迟至ub 与ua的交点时 ub ua 之后ub ub 电流才从VT6换至VT2 此时VT1 VT2同时导电 每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导电 82 2 6 1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 由上述分析以可得 图2 37平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形 平衡电抗器中点作为整流电压输出的负端 其输出的整流电压瞬时值为两组三相半波整流电压瞬时值的平均值 波形如图2 37a 2 98 谐波分析 分析详见P75 P76 ud中的谐波分量比直流分量要小得多 且最低次谐波为六次谐波 直流平均电压为 u u 83 2 6 1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 30 60 和 90 时输出电压的波形分析 图2 39当 30 60 90 时 双反星形电路的输出电压波形 分析输出波形时 可先求出ud1和ud2波形 然后根据式 2 98 做出波形 ud1 ud2 2 输出电压波形与三相半波电路比较 脉动程度减小了 脉动频率加大一倍 f 300Hz 电感负载情况下 移相范围是90 电阻负载情况下 移相范围为120 84 2 6 1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 整流电压平均值与三相半波整流电路的相等 为 Ud 1 17U2cos 将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下结论 三相桥为两组三相半波串联 而双反星形为两组三相半波并联 且后者需用平衡电抗器 当U2相等时 双反星形的Ud是三相桥的1 2 而Id是单相桥的2倍 两种电路中 晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样 ud和id的波形形状一样 85 2 6 2多重化整流电路 概述 整流装置功率进一步加大时 所产生的谐波 无功功率等对电网的干扰也随之加大 为减轻干扰 可采用多重化整流电路 原理 按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流电路进行组合得到 目标 移项多重联结减少交流侧输入电流谐波 串联多重整流电路采用顺序控制可提高功率因数 86 2 6 2多重化整流电路 1 移相多重联结 图2 40并联多重联结的12脉波整流电路 有并联多重联结和串联多重联结 可减少输入电流谐波 减小输出电压中的谐波并提高纹波频率 因而可减小平波电抗器 使用平衡电抗器来平衡2组整流器的电流 2个三相桥并联而成的12脉波整流电路 87 2 6 2多重化整流电路 移相30 构成的串联2重联结电路 图2 41移相30 串联2重联结电路 图2 42移相30 串联2重联结电路电流波形 整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差30 大小相等的两组电压 该电路为12脉波整流电路 星形 三角形 88 2 6 2多重化整流电路 iA基波幅值Im1和n次谐波幅值Imn分别如下 2 103 2 104 即输入电流谐波次数为12k 1 其幅值与次数成反比而降低 该电路的其他特性如下 直流输出电压位移因数cosj1 cosa 单桥时相同 功率因数l ncosj1 0 9886cosa 89 2 6 2多重化整流电路 利用变压器二次绕阻接法的不同 互相错开20 可将三组桥构成串联3重联结电路 整流变压器采用星形三角形组合无法移相20 需采用曲折接法 整流电压ud在每个电源周期内脉动18次 故此电路为18脉波整流电路 交流侧输入电流谐波更少 为18k 1次 k 1 2 3 ud的脉动也更小 输入位移因数和功率因数分别为 cosj1 cosa 0 9949cosa 90 2 6 2多重化整流电路 将整流变压器的二次绕组移相15 可构成串联4重联结电路 为24脉波整流电路 其交流侧输入电流谐波次为24k 1 k 1 2 3 输入位移因数功率因数分别为 cosj1 cosa 0 9971cosa 采用多重联结的方法并不能提高位移因数 但可使输入电流谐波大幅减小 从而也可以在一定程度上提高功率因数 91 2 6 2多重化整流电路 2 多重联结电路的顺序控制 只对一个桥的 角进行控制 其余各桥的工作状态则根据需要输出的整流电压而定 或者不工作而使该桥输出直流电压为零 或者 0而使该桥输出电压最大 根据所需总直流输出电压从低到高的变化 按顺序依次对各桥进行控制 因而被称为顺序控制 不能降低输入电流谐波 但是总功率因数可以提高 我国电气机车的整流器大多为这种方式 92 2 6 2多重化整流电路 3重晶闸管整流桥顺序控制 图2 43单相串联3重联结电路及顺序控制时的波形 控制过程可详见教材P78 从电流i的波形可以看出 虽然波形并为改善 但其基波分量比电压的滞后少 因而位移因数高 从而提高了总的功率因数 a 93 2 7整流电路的有源逆变工作状态 2 7 1逆变的概念2 7 2三相桥整流电路的有源逆变工作状态2 7 3逆变失败与最小逆变角的限制 94 2 7 1逆变的概念 1 什么是逆变 为什么要逆变 逆变 Invertion 把直流电转变成交流电 整流的逆过程 逆变电路 把直流电逆变成交流电的电路 有源逆变电路 交流侧和电网连结 应用 直流可逆调速系统 交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等 无源逆变电路 变流电路的交流侧不与电网联接 而直接接到负载 将在第5章介绍 对于可控整流电路 满足一定条件就可工作于有源逆变 其电路形式未变 只是电路工作条件转变 既工作在整流状态又工作在逆变状态 称为变流电路 95 2 7 1逆变的概念 2 直流发电机 电动机系统电能的流转 图2 44直流发电机 电动机之间电能的流转a 两电动势同极性EG EMb 两电动势同极性EM EGc 两电动势反极性 形成短路 电路过程分析 两个电动势同极性相接时 电流总是从电动势高的流向低的 回路电阻小 可在两个电动势间交换很大的功率 96 2 7 1逆变的概念 3 逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机 图2 45单相全波电路的整流和逆变 交流电网输出电功率 电动机输出电功率 a b u 10 u d u 20 u 10 a O O w t w t I d i d U d E M u 10 u d u 20 u 10 O O w t w t I d i d U d E M a i VT 1 i VT 2 i VT 2 i d i VT i VT 1 2 i d i VT i VT 1 2 i VT 1 i VT 2 i VT 1 97 2 7 1逆变的概念 从上述分析中 可以归纳出产生逆变的条件有二 有直流电动势 其极性和晶闸管导通方向一致 其值大于变流器直流侧平均电压 晶闸管的控制角 2 使Ud为负值 半控桥或有续流二极管的电路 因其整流电压ud不能出现负值 也不允许直流侧出现负极性的电动势 故不能实现有源逆变 欲实现有源逆变 只能采用全控电路 98 2 7 2三相桥整流电路的有源逆变工作状态 逆变和整流的区别 控制角 不同 0 p 2时 电路工作在整流状态 p 2 p时 电路工作在逆变状态 可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题 把a p 2时的控制角用p b表示 b称为逆变角 逆变角b和控制角a的计量方向相反 其大小自b 0的起始点向左方计量 99 2 7 2三相桥整流电路的有源逆变工作状态 三相桥式电路工作于有源逆变状态 不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图2 46所示 图2 46三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形 100 2 7 2三相桥整流电路的有源逆变工作状态 有源逆变状态时各电量的计算 输出直流电流的平均值亦可用整流的公式 即 2 105 当逆变工作时 由于EM为负值 故Pd一般为负值 表示功率由直流电源输送到交流电源 101 2 7 3逆变失败与最小逆变角的限制 逆变失败 逆变颠覆 逆变时 一旦换相失败 外接直流电源就会通过晶闸管电路短路 或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联 形成很大短路电流 触发电路工作不可靠 不能适时 准确地给各晶闸管分配脉冲 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 该断时不断 或该通时不通 交流电源缺相或突然消失 换相的裕量角不足 引起换相失败 1 逆变失败的原因 102 2 7 3逆变失败与最小逆变角的限制 换相重叠角的影响 图2 47交流侧电抗对逆变换相过程的影响 当b g时 换相结束时 晶闸管能承受反压而关断 如果b g时 从图2 47右下角的波形中可清楚地看到 该通的晶闸管 VT2 会关断 而应关断的晶闸管 VT1 不能关断 最终导致逆变失败 103 2 7 3逆变失败与最小逆变角的限制 2 确定最小逆变角bmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角b应等于bmin d g q 2 109 d 晶闸管的关断时间tq折合的电角度 g 换相重叠角 q 安全裕量角 tq大的可达200 300ms 折算到电角度约4 5 随直流平均电流和换相电抗的增加而增大 主要针对脉冲不对称程度 一般可达5 值约取为10 104 2 7 3逆变失败与最小逆变角的限制 g 换相重叠角的确定 查阅有关手册举例如下 参照整流时g的计算方法 2 110 这样 bmin一般取30 35 105 2 8晶闸管直流电动机系统 2 8 1工作于整流状态时2 8 2工作于有源逆变状态时2 8 3直流可逆电力拖动系统 106 2 8晶闸管直流电动机系统 引言 晶闸管直流电动机系统 晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统 是电力拖动系统中主要的一种 是可控整流装置的主要用途之一 对该系统的研究包括两个方面 其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况 其二是由整流电路供电时电动机的工作情况 本节主要从第二个方面进行分析 107 2 8 1工作于整流状态时 整流电路接反电动势负载时 负载电流断续 对整流电路和电动机的工作都很不利 图2 48三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形 通常在电枢回路串联一平波电抗器 保证整流电流在较大范围内连续 如图2 48 108 2 8 1工作于整流状态时 此时 整流电路直流电压的平衡方程为 2 112 式中 为电动机的反电动势负载平均电流Id所引起的各种电压降 包括 变压器的电阻压降电枢电阻压降由重叠角引起的电压降晶闸管本身的管压降 它基本上是一恒值 系统的两种工作状态 电流连续工作状态电流断续工作状态 109 2 8 1工作于整流状态时 转速与电流的机械特性关系式为 1 电流连续时电动机的机械特性 在电机学中 已知直流电动机的反电动势为 2 113 可根据整流电路电压平衡方程式 2 112 得 2 114 2 115 图2 49三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性 其机械特性是一组平行的直线 其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异 调节a角 即可调节电动机的转速 110 2 8 1工作于整流状态时 2 电流断续时电动机的机械特性当负载减小时 平波电抗器中的电感储能减小 致使电流不再连续 此时其机械特性也就呈现出非线性 电动机的实际空载反电动势都是 时为 主电路电感足够大 可以只考虑电流连续段 完全按线性处理 当低速轻载时 可改用另一段较陡的特性来近似处理 等效电阻要大一个数量级 当Id减小至某一定值Idmin以后 电流变为断续 这个是不存在的 真正的理想空载点远大于此值 111 2 8 1工作于整流状态时 电流断续时电动机机械特性的特点 图2 50电流断续时电动势的特性曲线 电流断续时理想空载转速抬高 机械特性变软 即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化 随着a的增加 进入断续区的电流值加大 图2 51考虑电流断续时不同a时反电动势的特性曲线 1a4 60 112 2 8 2工作于有源逆变状态时 1 电流连续时电动机的机械特性 电流连续时的机械特性由决定的 逆变时由于 反接 得因为EM Cen 可求得电动机的机械特性方程式 2 122 2 123 图2 52电动机在四象限中的机械特性 113 2 8 2工作于有源逆变状态时 2 电流断续时电动机的机械特性 可沿用整流时电流断续的机械特性表达式 把代入式 2 117 式 2 118 和式 2 119 便可得EM n与Id的表达式 三相半波电路为例 2 124 2 125 2 126 114 2 8 2工作于有源逆变状态时 逆变电流断续时电动机的机械特性 与整流时十分相似 图2 52电动机在四象限中的机械特性 理想空载转速上翘很多 机械特性变软 且呈现非线性 逆变状态的机械特性是整流状态的延续 纵观控制角变化时 机械特性得变化 第1 4象限中和第3 2象限中的特性是分别属于两组变流器的 它们输出整流电压的极性彼此相反 故分别标以正组和反组变流器 115 2 8 3直流可逆电力拖动系统 图2 53两组变流器的反并联可逆线路 图2 53a与b是两组反并联的可逆电路 a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线c对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况 116 2 8 3直流可逆电力拖动系统 两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论 环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流 正向运行时由正组变流器供电 反向运行时 则由反组变流器供电 根据对环流的处理方法 反并联可逆电路又可分为不同的控制方案 如配合控制有环流 可控环流 逻辑控制无环流和错位控制无环流等 电动机都可四象限运行 可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态 整流或逆变 117 2 8 3直流可逆电力拖动系统 直流可逆拖动系统 除能方便地实现正反转外 还