电力电子技术课件

2 1 第3章整流电路 3 1单相可控整流电路3 2三相可控整流电路3 3变压器漏感对整流电路的影响3 4电容滤波的不可控整流电路3 5整流电路的谐波和功率因数3 6大功率可控整流电路3 7整流电路的有源逆变工作状态3 8整流电路相位控制的实现本章小结 2 2 第3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 2 3 3 1单相可控整流电路 3 1 1单相半波可控整流电路3 1 2单相桥式全控整流电路3 1 3单相全波可控整流电路3 1 4单相桥式半控整流电路 返回 2 4 1 电路分析前提 2 课本中的标识符号定义3 电路模型 4 不同负载的各类波形分析 5 重要名词的理解掌握 6 相关数值计算 7 元器件选择 8 习题 例题 掌握内容 3 1 1单相半波可控整流电路 返回 2 5 开关器件为理想器件 无开通 关断延时时间 无功率损耗 iA 0 晶闸管关断 iA 0 晶闸管不关断 不考虑变压器漏感在内的交流侧电感 换相过程是瞬时完成的 电源为理想的50HZ正弦波 不考虑变压器的损耗 电路分析前提 3 1 1单相半波可控整流电路 返回 2 6 瞬时值符号u1 一次电压瞬时值 u2 二次电压瞬时值 ud 直流输出电压瞬时值 id 直流输出电流瞬时值 uVT 晶闸管承受的电压瞬时值 iVT 晶闸管流过的电流瞬时值 iVD 二极管流过的电流瞬时值 i2 变压器二次侧电流瞬时值 3 1 1单相半波可控整流电路 课本中的标识符号定义 返回 2 7 有效值符号U1 一次电压有效值 U2 二次电压有效值 U 负载输出电压有效值 I 负载输出电流有效值 IVT 流过晶闸管电流有效值 I2 变压器二次侧电流有效值 IVDR 流过二极管电流有效值 3 1 1单相半波可控整流电路 课本中的标识符号定义 返回 2 8 平均值符号Ud 直流输出电压平均值 Id 直流输出电流平均值 IdVT 流过晶闸管电流平均值 IdVDR 流过二极管电流平均值 3 1 1单相半波可控整流电路 课本中的标识符号定义 返回 2 9 3 1 1单相半波可控整流电路 图3 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 电路模型 波形分析 返回 2 10 3 1 1单相半波可控整流电路 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 基本数量关系 直流输出电压平均值为 3 1 VT的a移相范围为0 180 返回 2 11 a q a 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 触发延迟角或控制角 q 即晶闸管在一个周期内导通的电角度 称导通角 3 1 1单相半波可控整流电路 两个重要的基本概念 返回 2 12 思考以下问题 负载R上流过的电流平均值表达式 负载R上流过的电流有效值表达式 晶闸管上流过的电流有效值表达式 变压器二次侧流过的电流有效值表达式 变压器 电源 供给的有功功率表达式 变压器提供的视在功率表达式 计算这些参数的意义所在 有效值 平均值 3 1 1单相半波可控整流电路 返回 2 13 3 1 1单相半波可控整流电路 2 带阻感负载的工作情况 图3 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 回顾电路阻抗角 电感储能特性 感应电动势 二极管 续流 等知识 返回 2 14 3 1 1单相半波可控整流电路 2 带阻感负载的工作情况 图3 2带阻感负载的单相半波电路及其波形 电路中加接一续流二极管 若 为定值 a越大 在u2正半周L储能越少 维持导电的能力就越弱 越小 分析负载阻抗角 触发角a 晶闸管导通角 的关系 若a为定值 越大 则L贮能越多 越大 在u2负半周L维持晶闸管导通的时间若越接近晶闸管在u2正半周导通的时间 则ud中负的部分越接近正的部分 则平均值Ud越接近零 该电路不好 不实用 需改进电路形式 如何改 返回 2 15 3 1 1单相半波可控整流电路 3 加续流二极管的 图3 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 返回 2 16 3 1 1单相半波可控整流电路 VT的a移相范围为0 180 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 返回 2 17 3 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 返回 2 18 3 1 2单相桥式全控整流电路 数量关系 3 9 a角的移相范围为0 180 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 3 10 3 11 返回 2 19 3 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 3 12 3 13 2 14 返回 2 20 3 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3 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 返回 2 21 3 1 2单相桥式全控整流电路 数量关系 3 15 晶闸管移相范围为0 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 返回 2 22 3 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3 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 返回 2 23 3 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3 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 返回 2 24 3 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 3 17 返回 2 25 3 1 3单相全波可控整流电路 单相全波可控整流与单相桥式全控整流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3 9单相全波可控整流电路及波形 返回 2 26 3 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 即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 返回 2 27 3 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 u d 1 电阻负载情况 单相桥式半控电路与单相桥式全控电路在电阻负载时的工作情况相同 2 阻感负载 无VDR 请同学分析以下波形 ud id ivt ivD i2 返回 易失控 2 28 3 1 4单相桥式半控整流电路 3 阻感负载 有VDR 的情况 图3 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 返回 2 29 3 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 返回 2 30 3 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3 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3 5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形 图3 11单相桥式半控整流电路的另一接法 返回 2 31 3 2三相可控整流电路 3 2 1三相半波可控整流电路3 2 2三相桥式全控整流电路 返回 2 32 3 2三相可控整流电路 引言 交流侧由三相电源供电 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 应用最广的是三相桥式全控整流电路 2 33 3 2三相可控整流电路 引言 对比单相可控整流电路 掌握以下知识 自然换相点定义 a 0 定义 与电源波形参照位置 晶闸管脉冲给出规律 导通角大小分析 脉冲移相范围分析 负载电流连续与断续的临界点 相关参数计算公式 直流电压脉动次数 直流磁化问题 晶闸管额定电压 额定电流求解 负载容量大小考虑 2 34 3 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 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 返回 2 35 3 2 1三相半波可控整流电路 2 36 a 3 2 1三相半波可控整流电路 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 图3 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 动画演示 2 37 3 2 1三相半波可控整流电路 相电压电压波形 线电压电压波形 2 38 3 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3 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3 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3 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 返回 2 39 3 2 1三相半波可控整流电路 3 18 当a 0时 Ud最大 为 3 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 返回 2 40 3 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 3 20 3 21 3 22 返回 2 41 思考 在电阻性负载三相半波可控整流电路中 如果窄脉冲出现过早 即在自然换相点之前 会出现什么现象 画出负载电压波形 a 2 42 3 2 1三相半波可控整流电路 2 阻感负载 图3 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3 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 动画演示 返回 2 43 3 2 1三相半波可控整流电路 相电压电压波形 线电压电压波形 2 44 3 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 3 18 求出 即 Ud U2与a成余弦关系 如图3 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3 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 返回 2 45 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 3 23 3 24 3 25 返回 2 46 3 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3 17三相桥式全控整流电路原理图 导通顺序 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 返回 2 47 3 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3 18 a 30 图3 19 a 60 图3 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3 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 动画演示 返回 2 48 3 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3 1所示 请参照图3 18 返回 2 49 3 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 返回 2 50 3 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 返回 2 51 a 60 时 a 0 图3 22 a 30 图3 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 3 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3 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 动画演示 返回 2 52 3 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 3 26 3 27 返回 2 53 3 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 3 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 3 29 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值 返回 2 54 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 3 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3 25考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形 返回 2 55 3 3变压器漏感对整流电路的影响 换相重叠角g 换相过程持续的时间 用电角度g表示 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 1 定性分析可得以下结论 返回 2 56 3 3变压器漏感对整流电路的影响 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 3 30 3 31 2 定量分析可得以上结论 略 返回 2 57 3 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 3 32 3 33 3 34 返回 2 58 3 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 3 35 3 36 返回 2 59 3 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3 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 返回 2 60 3 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 返回 2 61 3 4电容滤波的不可控整流电路 3 4 1电容滤波的单相不可控整流电路3 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 返回 2 62 3 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 2 63 3 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 工作原理及波形分析 图3 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 a 返回 2 64 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3 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 返回 2 65 3 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 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3 30电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形 返回 2 66 3 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 R XC的值与负载电流断续和连续的关系 Ud的值 图3 30电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形 返回 2 67 3 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 图3 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 返回 2 68 思考问题 注意 可控整流电路不宜在直流侧接大电容滤波 问 1 请分析以上原因 2 可控整流电路如何考虑滤波问题 2 69 补充知识 整流电路 器 基本的性能指标 1 电压谐波系数或纹波系数RF 2 电压脉动系数Sn 3 输入电流总畸变率THD 4 输入功率因数PF 2 70 3 5整流电路的谐波和功率因数 了解 3 5 1谐波和无功功率分析基础3 5 2可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析3 5 3不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析3 5 4整流电路直流侧电压和电流的谐波分析 返回 2 71 3 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 返回 2 72 3 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 3 57 电流谐波总畸变率THDi TotalHarmonicdistortion 定义为 3 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 返回 2 73 3 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 3 59 视在功率为电压 电流有效值的乘积 即S UI 3 60 无功功率定义为 Q UIsinj 3 61 功率因数l定义为有功功率P和视在功率S的比值 3 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 3 63 功率因数是由电压和电流的相位差j决定的 l cosj 3 64 返回 2 74 3 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 返回 2 75 3 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 3 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 返回 2 76 2 5 2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波分析 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 3 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 返回 2 77 2 5 2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波分析 功率因数为 3 77 功率因数计算 返回 2 78 2 5 2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波分析 2 三相桥式全控整流电路 图3 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 返回 2 79 2 5 2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波分析 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 3 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 返回 2 80 2 5 3电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波分析 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 返回 2 81 2 5 3电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波分析 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 返回 2 82 3 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3 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 返回 2 83 3 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 返回 2 84 3 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3 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 返回 2 85 3 6大功率可控整流电路 不讲 3 6 1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路3 6 2多重化整流电路 返回 2 86 3 7整流电路的有源逆变工作状态 3 7 1逆变的概念3 7 2三相桥整流电路的有源逆变工作状态3 7 3逆变失败与最小逆变角的限制 返回 2 87 3 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 逆变电路的交流侧和电网连结 应用 直流可逆调速系统 交流异步电动机串级调速以及高压直流输电等 无源逆变电路 逆变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 满足一定条件可工作于有源逆变状态 其电路形式未变 只是电路工作条件转变 返回 2 88 3 7 1逆变的概念 2 直流发电机 电动机系统电能的流转 图3 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 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 若回路电阻小 可在两个电动势间交换很大的功率 从 P UI0发出功率 来分析能量的流转方向 返回 2 89 3 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3 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 返回 2 90 3 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 思考 什么样的电路可能工作于有源逆变状态呢 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 返回 2 91 3 7 2三相桥整流电路的有源逆变工作状态 逆变和整流的控制 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 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 思考 逆变状态的波形分析 相关参数计算工作如何开展 返回 2 92 3 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3 46三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形 返回 2 93 3 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 3 105 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 返回 2 94 3 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 返回 2 95 3 7 3逆变失败与最小逆变角的限制 换相重叠角的影响 图3 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3 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 返回 2 96 3 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 3 109 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 最小逆变角一般约取值为30 35 返回 2 97 3 8相控电路的驱动控制 同步信号为锯齿波的触发电路分析 2 98 3 8相控电路的驱动控制 引言 相控电路 晶闸管可控整流电路 通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小 采用晶闸管相控方式时的交流电力变换电路和交交变频电路 第6章 相控电路的驱动控制为保证相控电路正常工作 很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲 晶闸管相控电路 习惯称为触发电路 大 中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路 其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多 返回 2 99 3 8 1同步信号为锯齿波的触发电路 图2 54同步信号为锯齿波的触发电路 2 100 1 脉冲形成和放大环节 2 101 2 锯齿波的形成和脉冲移相环节 2 102 3 同步环节 2 103 3 8 1同步信号为锯齿波的触发电路 同步环节 同步 要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定 锯齿波是由开关V2管来控制的 V2开关的频率就是锯齿波的频率 由同步变压器所接的交流电压决定 V2由导通变截止期间产生锯齿波 锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点 V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度 取决于充电时间常数R1C1 2 104 3 8 1同步信号为锯齿波的触发电路 双窄脉冲形成环节 内双脉冲电路V5 V6构成 或 门当V5 V6都导通时 V7 V8都截止 没有脉冲输出 只要V5 V6有一个截止 都会使V7 V8导通 有脉冲输出 第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角 产生 隔60 的第二个脉冲是由滞后60 相位的后一相触发单元产生 通过V6 2 105 3 8 2集成触发器 图3 52KJ004电路原理图 集成电路可靠性高 技术性能好 体积小 功耗低 调试方便 已逐步取代分立式电路 KJ004 与分立元件的锯齿波移相触发电路相似 分为同步 锯齿波形成 移相 脉冲形成 脉冲分选及脉冲放大几个环节 2 106 3 8 2集成触发器 图3 53