第2章 XB和有源

1、西南交通大学电力电子技术电力电子技术Power Electronics仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟T2环流使环流使T T1 1T T 3 3的电流增大、的电流增大、T T2 2 T T4 4的的电流减小。当电流减小。当i iT13T13的电流等于的电流等于 I Id du2由于电压源的电流可以跳变由于电压源的电流可以跳变, ,换换西南交通大学2-82-8变压器漏抗对整流电路的影响变压器漏抗对整流电路的影响1. 1. 变压器漏抗为零时整流电路换流分析变压器漏抗为零时整流电路换流分析设电感很大设电感很大, ,换流时直流电流保持不变。初始时换流时直流电流保持不变。初始时T T2 2T T 4

2、4导导通。在通。在 w wt= t= a a处触发处触发T T 1 1T T 3 3。设在一段时间内，设在一段时间内，T T1 1 T T 3 3T T2 2 T T4 4均导均导流所需时间为零。流所需时间为零。T1 通，于是形成了两个短路环。通，于是形成了两个短路环。ikT4 T3 或或i i T24T24的电流为零，换流完成。的电流为零，换流完成。+ -ik2.2.当变压器漏抗不为零时，交流电源等效为一个理想当变压器漏抗不为零时，交流电源等效为一个理想电压源与一个电感的串联电压源与一个电感的串联( (忽略电阻忽略电阻) )。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟dik dikT1T2u2T3-

3、ik+T4ik同样，在同样，在a a处触发处触发T T1 1T T 3 3。T T 1 1T T3 3 T T2 2 T T4 4均导通，形成了两个短路环并产均导通，形成了两个短路环并产dikdwt生环流如图。于是有：生环流如图。于是有：u2 = 2L = 2wL = 2 X Bdt dwtu2 = 2U 2 sin wtik = 2U 22 X B2U 22 X B(- cos wt ) + Csin wtd (wt ) =边界条件：边界条件： w wt= t= a a，i i k k=0=0，代入上式求，代入上式求C C，再回，再回 代得代得(cos a - cos wt ) a wt a

4、 + g西南交通大学2U 22 X Bik =仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟2U 22 X BI dI d = cosa - cos(a + g )2 X Bcos a - cos(a + g ) = I d2U 2代入得代入得或或在换流期间，两组晶闸管同时导通在换流期间，两组晶闸管同时导通( (时间时间 上重叠上重叠) )，所，所以以 g g称换流重叠角。由于在称换流重叠角。由于在g g期间期间 四个开关都导通四个开关都导通 u ud d=0,=0,与无与无X XB B的情况相比产生了的情况相比产生了 “换相换相 电压损失电压损失 ”D DU Ud d：2 X Bp西南交通大学1p2U

5、2p2U 2 sin wtd (wt )cosa - cos(a + g ) =DU d =a +ga仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟这表明这表明 XB不为零时，换流不能不为零时，换流不能 跳变完成。设换流所需跳变完成。设换流所需时间对应的角度为时间对应的角度为g g，当，当 w wt=a a+g g， ik=Id换流完成：换流完成：udiT13i2ttt+a aa ag gg gI d = U d 0 - Req I d2 X BpUd = 0.9U 2 cos a -有、无有、无X XB B时电路的主要波时电路的主要波 形和形和代代 维南等效电路维南等效电路如图。如图。3.3.当当X X

6、B B不为零时整流电路分析方法不为零时整流电路分析方法( (以三相桥为例以三相桥为例) )a. a. 作出换流等效电路。作出换流等效电路。例如换相前例如换相前T T1 1T T 2 2，换相完成后，换相完成后为为T T 2 2T T 3 3，则在换相中，则在换相中T 123T 123均导通。换相前后均导通。换相前后 T 2状态 不变。电路是T1与T 3交换。等效电路是：西南交通大学西南交通大学从电路中知电流从从电路中知电流从 E的的 正流出表示正流出表示 E发出电功；发出电功； Ud的的平均值为负表示平均值为负表示 Ud吸收了电功吸收了电功 ，而交流电流，而交流电流i2滞后滞后 u2的相角大于

7、的相角大于 90度，表明电网吸收电功。从上度，表明电网吸收电功。从上 分析知分析知4.可以实现有源逆变的相控可以实现有源逆变的相控 整流电路整流电路全控电路，没有续流路径的可全控电路，没有续流路径的可 控整流电路控整流电路有源逆变电路是某些相控整流电路的另一种运行方有源逆变电路是某些相控整流电路的另一种运行方式。只要满足条件，它们就用与整流完全相同的过式。只要满足条件，它们就用与整流完全相同的过程实现能量的逆转。所以程实现能量的逆转。所以不必将电路分为整流与有不必将电路分为整流与有源逆变。它们是同一电路，遵循同一规则，有相同源逆变。它们是同一电路，遵循同一规则，有相同的计算式。的计算式。有源逆

8、变的实现条件有源逆变的实现条件1)1)必须有外部直流电源其极性与电流一致必须有外部直流电源其极性与电流一致2)2)保证保证 Ud为负或为负或 a a/2/2。 且且|E| |E| Ud| |。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟aI d =以下分析是要说明以下分析是要说明整流与有源整流与有源 ud逆变是同一电路，遵循同一规逆变是同一电路，遵循同一规 iT1则。只要满足条件就则。只要满足条件就 能实现能能实现能量的逆转。量的逆转。i21)单相桥：工作过程已经在上单相桥：工作过程已经在上2 2 t + + a att2 2U 2pcos a = 0.9U 2 cos aU d =1 p +ap边作为

9、例子说明。边作为例子说明。从波形图知电路的计算式与整流完全相同波形。例如从波形图知电路的计算式与整流完全相同波形。例如当当 XB不等于零时它也有换流重叠角不等于零时它也有换流重叠角 g g。在。在 g g期间，输出期间，输出电压为零。也要产生换相电压电压为零。也要产生换相电压 损失。损失。西南交通大学2U 2 sin wtd (wt ) =| E | - | U d |R + + a aa aa a仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟5.5.有源逆变电路分析有源逆变电路分析X B I dI d西南交通大学2)三相半波：设电路已经满足逆变条件。控制角三相半波：设电路已经满足逆变条件。控制角a a/

10、2/2直流电感很大，电流连续平直。直流电感很大，电流连续平直。w wtubw wt1ucw wt2uaw wt3a aa aa aT1T2T3abc+ud-LdR-E+当当 a a=150 =150 ，在，在 w wt t 1 1处触发处触发T T1 1，虽然此，虽然此 时时u ua a为零，但为零，但T T1 1承受正向电压而能导通。承受正向电压而能导通。( (或或u uAK1AK1=u=uacac0)0)E EReqUdo+Ud-+-id2p2 X B2U 2U d = 0.9U 2 cos a -cos a - cos(a + g ) =仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟+a+a西南交通

11、大学32p5p6p62U 2 sin wtd (wt ) = 1.17U 2 cos aU d =仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟在在|E|u|E|ua a | |期间，期间，E E克服克服u ua a驱动电流流动，同时电感储驱动电流流动，同时电感储能。当能。当|E|u |E|u a a| |时，电流有衰减时，电流有衰减 趋势，电感产生感生趋势，电感产生感生电势，或释放储能，电势，或释放储能， 它与它与E E一道驱动电流流动。直到一道驱动电流流动。直到在在 w wt t 2 2处处 T T2 2触发，触发，T T1 1被反被反 压关断压关断 。 ( (或或u uAK1AK1=u =u aba

12、b0)0)其它两相工作过程相同。其它两相工作过程相同。输出电压波形如图。当输出电压波形如图。当 a a在在 /2/2到到 范围内变化时输范围内变化时输出电压总是负面积多于正面积出电压总是负面积多于正面积 ，即平均值为负。，即平均值为负。从变压器副边电流波从变压器副边电流波 形看，电流主要在电压形看，电流主要在电压 波形的波形的 负负半周，表示交流电源吸收了电半周，表示交流电源吸收了电 能。能。三个晶闸管轮流依次三个晶闸管轮流依次 工作工作1/31/3周周 期，与整流时相同。期，与整流时相同。电路的输出：根据波形图可得电路的输出：根据波形图可得| E | - | U d |RI d =I d13

13、IT =I d13I 2 =计算式与整流时完全计算式与整流时完全 相同。同样当相同。同样当X XB B不为零时也存在不为零时也存在换流重叠角，规则也换流重叠角，规则也 与整流时完全一样。与整流时完全一样。有源逆变是有源逆变是整流电路的另一种运行方式，不是一种特殊整流电路的另一种运行方式，不是一种特殊 的电路。的电路。在三相半波电路中当在三相半波电路中当 a a/2时为逆变状态时为逆变状态 (满足逆变条件满足逆变条件 )。西南交通大学uaubuc整流整流逆变逆变中间状态中间状态w wta aa aa a仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学+ud-LdR-E+T1T3T5abcT4T6T

14、2ab ac bc ba cacbiT1iaud仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟3)三相桥式电路：设电路已经满足逆变条件。控制角三相桥式电路：设电路已经满足逆变条件。控制角a a/2/2。直流电感很大，电流连续平直。直流电感很大，电流连续平直。 根据整流电根据整流电路的知识，很容易得到电路的工作波形。图为路的知识，很容易得到电路的工作波形。图为a a=150 =150 时的电路输出。时的电路输出。当当X X B B不为零时，存在换流不为零时，存在换流 重叠角，此时输出重叠角，此时输出 电压为进电压为进入线电压与退出线电压之和的一半。计算入线电压与退出线电压之和的一半。计算 同整流。同整流。a

15、 a在三相桥中当在三相桥中当a a/2时为逆时为逆 变状态变状态 (满足逆变条件满足逆变条件 )。6.6.有源逆变的失败与有源逆变的失败与 控制角的限制控制角的限制在正常情况下，直流电势在正常情况下，直流电势E E与整流电压与整流电压U U d d平衡，直流电平衡，直流电流流I I d d为限定值。但若因某些原因造成为限定值。但若因某些原因造成E E与与U U d d顺向串联或顺向串联或E E短路，产生巨大电流，称逆变短路，产生巨大电流，称逆变 失败或逆变颠覆。失败或逆变颠覆。西南交通大学整流整流中间状态中间状态逆变逆变w wta aa aa a仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟如图本该在如图

16、本该在 w wt t 1 1使使T T 2 2导通导通T T1 1关断。关断。 但但T T2 2不通不通 则则T T1 1不不断。于是电路不能输出断。于是电路不能输出U U d d，引，引 起逆变失败。起逆变失败。2)2)控制系统错误导致控制系统错误导致 触发信号丢失或延迟。前者与触发信号丢失或延迟。前者与1)1)类似，后者使晶闸管不能正常换相。类似，后者使晶闸管不能正常换相。3)3)交流电源异常，如缺相，瞬间断电等。有源逆变依交流电源异常，如缺相，瞬间断电等。有源逆变依靠交流电网实现晶闸管的导通与关断。没有交流电压靠交流电网实现晶闸管的导通与关断。没有交流电压是不能工作的。是不能工作的。4)

17、4)控制角不适当使晶闸管不能关断。其中最后一个控制角不适当使晶闸管不能关断。其中最后一个 原原因是设计问题。作重点讨论。因是设计问题。作重点讨论。西南交通大学w wtabcw wt1仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟导致逆变失败或逆变导致逆变失败或逆变 颠覆的原因有：颠覆的原因有：1)1)晶闸管故障，该通的不通导致该断的不晶闸管故障，该通的不通导致该断的不 断。断。仍以三相半波电路为例。研究仍以三相半波电路为例。研究晶闸管两端的电压波形可看晶闸管两端的电压波形可看出，它出，它 的关断是因它承受了反的关断是因它承受了反压。压。 a a增大反压时间缩短。由增大反压时间缩短。由于晶闸管关断需要一段时

18、间。于晶闸管关断需要一段时间。w wtaba acw wt1ab ac bc ba cacb反压时间太短不能使晶闸管关反压时间太短不能使晶闸管关断或可靠关断。断或可靠关断。当有当有X XB B时，会产生换相重叠角时，会产生换相重叠角g g。必须在。必须在 g g后使晶闸管承受足后使晶闸管承受足够长的反压。否则不够长的反压。否则不 能使晶闸管关断。而能使晶闸管关断。而g g与负载电流与负载电流有关。设计时应考虑最大电流时的有关。设计时应考虑最大电流时的g g。此外，电网电压。此外，电网电压的波动也会影响的波动也会影响g g。综上所述，为保证电路正常工作，不能使综上所述，为保证电路正常工作，不能使

19、 a a过大。过大。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟一般一般 a a由下式给出由下式给出 ：a p - (g + d + q )d d为晶闸管关断时间对应为晶闸管关断时间对应 的角度，的角度，q q为裕量角。为裕量角。7.7.有源逆变的应用有源逆变的应用( (自学自学) )1)1)直流可逆传动直流可逆传动2)2)超高压直流输电超高压直流输电3)3)串级调速串级调速4)4)能量回收系统或特殊大功率能量回收系统或特殊大功率 负载。负载。2-10整流电路的功率因数与提高整流电路的功率因数与提高(简介简介)1.1.整流电路的功率因数整流电路的功率因数 l ll l= = 有功功率有功功率

20、/ /视在功率视在功率设电源的原边电压为正弦波，电流为非正弦，它可以设电源的原边电压为正弦波，电流为非正弦，它可以分解为与电网同频率分解为与电网同频率 的基波与不同频的高次谐波。的基波与不同频的高次谐波。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学当基波电流与正弦电压不同相时，产生有功与无功；当基波电流与正弦电压不同相时，产生有功与无功；而谐波电流与电源电压作用只产生无功。而谐波电流与电源电压作用只产生无功。对正弦交流电路：对正弦交流电路：功率因数功率因数= =基波有基波有 功功率功功率/ /基波视在功率基波视在功率对非正弦的整流电路：对非正弦的整流电路：l l= = 有功功率有

21、功功率/ /视在功率视在功率视在功率视在功率= =电压有效值电压有效值* *总电流有效值总电流有效值有功功率有功功率 = =电压有效值电压有效值* *基波电流有效值基波电流有效值* *cos cos f ff f是电压与电流相量间的夹角，是电压与电流相量间的夹角， 称功率因数称功率因数 角。角。所以所以l l=(=(基波电流有效值基波电流有效值/ /总总 电流有效值电流有效值 ) )* *cos cos f f= = n n cos cos f fn n=I=I(1) (1) /I/I称为畸变因数。称为畸变因数。即：功率因数即：功率因数= =畸变因数畸变因数* *位位 移因数移因数( (基波基

22、波 功率因数功率因数) )非正弦交流电路的功率因数由畸变因数和位非正弦交流电路的功率因数由畸变因数和位 移因数二移因数二者的积来决定。者的积来决定。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学1)1)单相全控桥单相全控桥为简单和突出重点，为简单和突出重点， 假设假设X XB B=0=0，电路是大电感负载。电路是大电感负载。 将变压器副将变压器副边电流进行付氏级数展开：边电流进行付氏级数展开：4 1 1p 3 54 42p 2pcos f = cos a基波功率因数基波功率因数功率因数功率因数 l l= = n n cos cos f f =0.9cos =0.9cos a a表明功率因数只与

23、表明功率因数只与 a a有关有关 。a a越越 大功率因数越小。其大功率因数越小。其畸变因数是常数。畸变因数是常数。a audi20tt2+a aa a仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟2.2.整流电路的功率因数整流电路的功率因数 l l的的 计算计算=I d cosI 2 (1)a22)2)单相半控桥单相半控桥2 2pI dp - apI 2 =cosa22 2p (p - a )=u =I 2(1)I 2a2cos f = cos基波功率因数基波功率因数功率因数功率因数cos2 a22 2p (p - a )l = n cos f =表明在表明在a a小于小于6060度时度时 单相单相 半

24、控桥半控桥 的功率因数的功率因数 比全控比全控 桥桥高。这就是很多场合都采用它高。这就是很多场合都采用它 的原因之一。的原因之一。西南交通大学02udi2+ a aa att仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟I 2 =I du =I 2l = n cos f =cos ap3)3)三相全控桥三相全控桥I d6pI 2 (1) =2 I 2(1) 33 p功率因数功率因数基波功率因数基波功率因数 cos f = cos a33.3.提高整流电路功率因数的措施提高整流电路功率因数的措施( (自学自学) )从整流电路功率因数的概念知，要提高功率从整流电路功率因数的概念知，要提高功率 因数应当因数应当

25、从改善波形因数和相位移因数两方面着手从改善波形因数和相位移因数两方面着手 。1)1)由于由于( (在在a a小于小于6060度时度时 ) )半控桥的半控桥的 功率因数高于全控功率因数高于全控桥，所以可以用半控桥的运行方式控制全控桥。桥，所以可以用半控桥的运行方式控制全控桥。2)2)采用扇形控制以消除相位移，提高功率采用扇形控制以消除相位移，提高功率 因数。因数。3)3)采用采用SPWMSPWM控制技术，在以后的章节中要控制技术，在以后的章节中要 学到。学到。西南交通大学uaubw wtw wta aa aa a uca aa aa a仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟作业作业: 2.162.1

26、7 2.212.22西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟Req =2 X BI d =U d 0 - EU d = 0.9U 2 cos a -I d+udT1 Tu22idRLd例例10.10.图中图中R=1R=1欧，欧，L LB B =0.5mH=0.5mH，U U 2 2=100V=100V，L Ld d极大，极大，a a=60 =60 ， E=40VE=40V， 求求U U解解 I I d d和和 。0 = 0.9U 2 cos a = 45(V)d d、 g gU dpR + Req= U d 0 - Req I d = 44.5(V )= 0.1(W)= 4.55( A)

27、2 X BpI d = 0.012 X B2U 2cos a - cos(a + g ) =g = 60.00 - 60 = 0.66西南交通大学T4 T3ReqUdo-+Ud-+-Eid仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟E E：E = U d - I d R = 214(V )当电机作发电机运行时，直流电压是：当电机作发电机运行时，直流电压是：U d = E - I d R = -202(V )控制角控制角a a为：为： U d = 1.17U 2 cos aa = 138.6西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟例例11.11.三相半波电机负载。三相半波电机负载。R=0.3R=0.3欧欧 ，L Ld d极大，极大，I I d d=20A=20A，U U d d=220V=220V，U U2 2 =230V=230V。若。若 电机再生制动，电流电机再生制动，电流40A40A。求控制角。求控制角 a a的值。的值。解解 当电机作电动当电机作电动 机运行时，电机的反电势机运行时，电机的反电势解解U d 0 = 2.34U 2 cos a