第3章_晶闸管可控整流有源逆变和谐波分析(4)

1、复习整流电压平均值Ud可根据前述波形及有关计算公式推导得出，但推导繁琐。l空载时(R=)， 。l重载时(R0)，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性。l通常在设计时根据负载的情况选择电容C值2d2UU复习2 2）电流平均值）电流平均值 输出电流平均值输出电流平均值IR为：为： IR = Ud /R Id =IR 二极管电流二极管电流iVD平均值为：平均值为： IVD = Id / 2=IR/ 23）二极管承受的电压 22U2d2UU电力电子电路稳态工作时，一个周期内流过电容的电流平均值为零，电感上的电压平均值为零，即都不做功。 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形考虑变压

2、器漏感时的三相半波可控整流电路波形2222coscosarccos cos66dsdsI xI xUU电源回路电感电源回路电感对整流电路影响的一些结论对整流电路影响的一些结论: :出现换相重叠角 ，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。3.6 全控整流电路的有源逆变工作状态3.6.1 逆变的概念逆变的概念3.6.2 三相桥式变流器逆变工作状态三相桥式变流器逆变工作状态3.

3、6.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制1.逆变把直流电转变成交流电，即整流的逆过程。2.逆变电路把直流电逆变成交流电的电路（逆变器）。无源逆变逆变器的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载。（变频器）逆变电路分为有源逆变和无源逆变，区别在于逆变的交流电是否与电网连接3.6.1 3.6.1 逆变的概念逆变的概念有源逆变交流侧和电网连结,电路将直流电逆变成交流电输送到电网中去。3.6.1 3.6.1 逆变的概念逆变的概念应用：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。 对于全控晶闸管整流电路，满足一定

4、条件就可工作于有源 逆变状态，其电路形式未变，只是电路工作条件改变。 既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路变流电路。直流卷扬系统直流卷扬系统l(a) (a) 提升重物；提升重物； (b) (b) 放下重物放下重物 V1V2V3V4udLdIdMEDRa重物(a)V1V2V3V4udLdIdMEDRa重物(b)nn2.逆变电路有源逆变实例3.6.1 3.6.1 逆变的概念逆变的概念逆变的概念单相全波RLE负载（WLR）,电流连续情况单相全波电路的整流d20.9cosUU单相全波RLE负载（WLR，反电动势负载）,电流连续情况单相全波电路的逆变d20.9cosUUd20.9cosUU单相

5、全波RLE负载（WLR，反电动势负载）,电流连续情况单相全波电路的逆变3.逆变产生的条件逆变产生的条件逆变的概念单相全波电路的整流单相全波电路的逆变d20.9cosUU单相全波电路的整流-dMdUEIR单相全波电路的整流dMUE dMRUE很小 交流电交流电网输出网输出电功率电功率电动机输电动机输入电功率入电功率02dMdUEIR单相全波电路的逆变 dMRUE很小 单相全波电路的逆变电动机电动机M回馈制动回馈制动 Id方向不变，欲改变电能的输送方向，只能改变EM极性。 为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM | |Ud |，才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆

6、变。交流电网输交流电网输入电功率入电功率电动电动机输机输出电出电功率功率2从上述分析中，可以归纳出产生从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件逆变的条件：外部条件：变流器直流侧应有直流电动势，其极性和晶 闸管导通方向一致，其值大于变流器直流平 均电压。内部条件：控制角 使变流器输出电压Ud0。,2半控桥或有续流二极管的电路能否实现有源逆变？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控电路。逆变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角 不同逆变角逆变角以 作为计量起点，向左计量到触发脉冲前沿为止的电角度，称

7、为逆变角逆变角，用b b 表示。 b b 逆变角b b 和控制角 的计量方向相反。三相半波共阴极逆变电路及有关波形三相半波共阴极逆变电路及有关波形(a) (a) 整流工作状态；整流工作状态； (b) (b) 逆变工作状态逆变工作状态 三相半波整流逆变电路三相半波整流逆变电路3.6.2 三相桥式变流器逆变工作状态1.主电路2.工作过程及波形分析 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所示。图图2-46 三相桥式整流电路工作于有三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcuba

8、ucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udtOtOb =4b =3b =6b =4b =3b =6t1t3t2三相桥式变流器逆变工作状态3.数量关系bcos34. 2cos34. 222UUUd输出电压平均值：RUEREUIdDDdd输出电流平均值：逆变工作状态与整流工作状态基本电量关系相同，可以用整流工作状态时的关系式进行计算ddVTII31为：通过晶闸管电流平均值3dVTII为：通过晶闸管电流有效值dII322有效值为：通过变压器次级相电流三相桥式变流器逆变工作状态3.数量关系换为电源，输出电能。表示负载由受电状态

9、转其中，其输出功率为：，负载侧电动势为电源量由负载侧向电网馈送在逆变工作状态下，能, 0, 0DDDdDPEEIPRIP2电路损耗可表示为：表示为逆变工作状态式中，异号，则回馈功率为和网功率减少，由于电路损耗使回馈电, 02PRIEIPPPPPDdDD三相桥式变流器逆变工作状态3.数量关系2,ddddDdddLRiIIIPI EIRU I当 时，可视为 则223IUS 为：交流侧电源的视在功率SP功率因数：3.6.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败（逆变颠覆）逆变失败（逆变颠覆） 变流器为逆变工作状态时，若发生换相失控，就会导致外接电动势通过晶闸管形成短路，或者发

10、生输出平均电压和外接电动势顺向串联形成短路，这种情况称为逆变失败或称为逆变颠覆。 （1）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。 （2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。 （3）交流电源缺相或突然消失。 （4）换相的裕量角不足，引起换相失败。逆变失败的原因逆变失败的原因外接电动势通过晶闸管短路外接电动势通过晶闸管短路单相全波电路的逆变换相重叠角的影响：换相重叠角的影响：交流侧电抗对逆变换相过程的影响逆变失败与最小逆变角的限制 当b b 时，经过换相过程后，a相电压仍高于c相电压，所以换相结束时，能使VT3承受反压而关断。

11、以VT3换相到VT1的过程为例：换相重叠角的影响：换相重叠角的影响：交流侧电抗对逆变换相过程的影响逆变失败与最小逆变角的限制 如果b b 时，换相尚未结束，电路的工作状态到达自然换相点p点之后，c相电压高于a相电压,导通的晶闸管VT1因承受反压而重新关断，使得应关断的晶闸管VT3不能关断而继续导通，且c相电压随着时间的推移越来越高，电动势顺向串联导致逆变失败。 以VT3换相到VT1的过程为例： 综上所述，为了防止逆变失败，不仅逆变角不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。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 b 应等于bmin=d +q d d 晶闸管的关

12、断时间tq折合的电角度 换相重叠角q q安全裕量角tq大的可达200300us，折算到电角度约3.65.4。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，一般取为10。 受电源电路和控制角的影响，约为 1520。 设计逆变电路时，通常取 3035，其触发电路必须对最小逆变角予以限制，保证逆变失败与最小逆变角的限制整流电路的谐波和功率因数 3.7.1 谐波和无功功率分析基础3.7.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析3.7.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析 3.7.4 整流输出电压和电流的谐波分析3.7许多电力电子装置要消耗无功功率，会对公用电

13、网带来不利影响。电力电子装置还会产生谐波，对公用电网产生危害。许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。国家标准（GB/T14549-93）电能质量公用电网谐波从1994年3月1日起开始实施。整流电路的谐波和功率因数3.71、电力电子电路的输出一般是非正弦周期量2、电力电子电路的电网侧输入的正弦电压，非正弦周期电流3、电力电子电路会带来严重谐波和无功问题(即使是纯电阻负载情况下)，是非线性装置。 利用傅里叶展开可将非正弦周期量表示为一系列不同频率的正弦量之和。变流技术中遇到的非正弦周期量通常都满足富氏级数展开的狄氏条件。 )( tf 为非正弦周期函数， q2T 可

14、以用富氏级数展开 )( tf 则 )()(k1kkm0km1kkm0tsin(kCA t)sinkBtcoskAAtf设 3.7.1 谐波和无功功率分析基础02()cos()TkmAf wtkwtd wtTqq02()sin()TkmBf wtkwtd wtTqq22kmkmkmCABkmkkmAtgB时 为基波 1k cossinmmAwtBwt时 为高次谐波 1k cossinkmkmAkwtBkwt其中：qqTtdtfTA00)()(1 3.7.1 谐波和无功功率分析基础为直流分量 0A谐波和无功功率分析基础1. 谐波满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数 基波（fundamental）在

15、傅里叶级数中，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 n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为 %1001IIHRInn%1001IITHDhi 3.7.1 I1：基波电流有效值：基波电流有效值In ：n次谐波电流有效值次谐波电流有效值Ih：总谐波电流有效值总谐波电流有效值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： 视在功率为电压、电流有效值的乘积，即 S=UI 无功功率定义为： Q=UIsin 功

16、率因数定义为有功功率P和视在功率S的比值： 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： 功率因数是由电压和电流的相位差 决定的： =cos 20cos)(21UItuidPSP222QPS 3.7.1 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。 公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况有很大的实际意义。谐波和无功功率分析基础 3.7.1 SP非正弦周期电流电路的有功功率非正弦周期电流电路的有功功率 定义：电路通过非正弦周

17、期电流时，其平均功 率可定义为一个周期内其瞬时功率的平均值。 () ()pu wt i wt则 01() () ()Tu wt i wt d wtTPqq1()sin()dkmkuku wtUUkwt式中：1()sin()dkmkiki wtIIkwt设 非正弦周期电流电路的有功功率1、sinx、cosx、sin2x、cos2x、sin3x、cos3xsinnx、cosnx 任何两个不同函数的乘积在一个周期上的积分为0。0cos0(1,2,3.)Tnxdxnq0sin0(1,2,3.)Tnxdxnq0sincos0( ,1,2,3.;)Tkxnxdxk nknq0sinsin0( ,1,2,3

18、.;)Tkxnxdxk nknq0coscos0( ,1,2,3.;)Tkxnxdxk nknq首先介绍正交原理,对于三角函数系 非正弦周期电流线性电路的有功功率 非正弦周期电流线性电路的平均功率为k次谐波电压与电流间的相位差。 根据正交定理代入后展开求解： 11cosddkkkddkkkPU IU IU IP式中：kUkI分别为k次谐波电压与电流的有效值kikuk当电压tUtusin2)(中只含有基波分量时，电路的平均功率为：111cosUIPP式中：1I1为基波电流有效值为电源电压与基波电流间的相位差谐波和无功功率分析基础非正弦电路的有功功率 设设正弦波电压正弦波电压有效值为有效值为U，畸

19、变电流畸变电流有效值为有效值为I，基波电流基波电流有效值有效值及与电压的相位差分别为及与电压的相位差分别为I1 1和和 1 1。 这时有功功率为：这时有功功率为：P=U I1 1 cos 1 1 功率因数为：功率因数为： 基波因数基波因数n n = =I I1 1 / I/ I，即基波电流有效值和总电流有效值之比即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数位移因数（基波功率因数）（基波功率因数）cos 1 1可见，功率因数由可见，功率因数由基波电流相移基波电流相移和和电流波形畸变电流波形畸变这两个因素共同决这两个因素共同决定的。定的。 11111coscoscosnIIUIUISP 3.7.1

20、 2212nnIII非正弦电路的无功功率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正弦电路给出的：一种简单的定义是仿照正弦电路给出的： 这样定义的无功功率这样定义的无功功率Q Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受，但该定义接受，但该定义对无功功率的描述很粗糙对无功功率的描述很粗糙。22PSQ谐波和无功功率分析基础 3.7.1 仿照正弦Q=UIsin 定义无功功率方式，采用符号Q Qf f，忽略电压中的谐波时有： Q f =U I 1 sin 1 在非正弦情况下

21、， ，因此引入畸变功率D，使得： 这样则有： 忽略电压谐波时 这种情况下，Q f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。222fQPS2222DQPSf222DQQf22222fnnDSPQUI谐波和无功功率分析基础 3.7.1 谐波（谐波（harmonicsharmonics）对电网的危害：）对电网的危害：l使电网中元件产生附加的使电网中元件产生附加的谐波损耗谐波损耗，降低发电、输电及，降低发电、输电及用电效率用电效率l谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、动、噪声和过

22、热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短l谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，使谐波谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，使谐波放大，使上述两项的危害增加，引起严重事故放大，使上述两项的危害增加，引起严重事故l谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，使电能计量谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，使电能计量混乱。混乱。l谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作工作谐

23、波和无功功率分析基础 3.7.1 无功功率（无功功率（reactive powerreactive power）对电网的影响：）对电网的影响：l无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加；增加；l无功功率增加，会使总电流增加，从而使得设备和线路的无功功率增加，会使总电流增加，从而使得设备和线路的损耗增加；损耗增加；l无功功率使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧无功功率使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。烈波动。谐波和无功功率分析基础 3.7.1 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

24、流电路 忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流电感，直流电感L为足够大为足够大 变压器二次侧电流基波谐波分析：变压器二次侧电流基波谐波分析： n=1,3,5,电流中仅含奇次谐波电流中仅含奇次谐波各次各次谐波有效值与谐波次数成反比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，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数数的倒数,5,3,1,5,3,1dd2sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnItttIinIInd223.7.2功率因数计算功率因数计算 i2的有效值为的有效值为I= Id，结合式可得基波因数为，结合式可得基

25、波因数为 电流基波与电压的相位差就等于控制角电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故位移故位移所以，功率因数为所以，功率因数为 d122IInII12 209 .ncos9.0cos22cos111IIcoscos11带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析3.7.2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析l三相桥式全控整流电路阻感负载，忽略换相过程和电阻感负载，忽略换相过程和电流脉动，直流电感流脉动，直流电感L为足够大为足够大以以 =30 为例，电流为正负半为例，电流为正负半周各周各120 的方波，其有效值的方波，其有效值与直流电流的关系为与直流电流的关系为 d32II3.7

26、.2变压器二次侧电流谐波分析：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电流基波和各次谐波有效值分别为 电流中仅含电流中仅含6k 1（k为正整数）次谐波为正整数）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为谐波次数的倒数3 , 2 , 11613 , 2 , 116dddasin2) 1(sin2sin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknnkkknktnItItnnItItttttIi,3 ,2, 1, 16,66dd1kknInII

27、In带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析3.7.2（2-80）（2-79）功率因数计算功率因数计算 由上式可得基波因数为由上式可得基波因数为 电流基波与电压的相位差仍为电流基波与电压的相位差仍为 ，故位移因数仍为故位移因数仍为 功率因数为功率因数为 955. 031nIIcoscos11ncos955. 0cos3cos111II带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析3.7.2d32II电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析3.7.3LC1. 单相桥式不可控整流电路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，由于数学表达式十实用的单相不可控整流

28、电路采用感容滤波，由于数学表达式十分复杂，直接给出有关的结论。分复杂，直接给出有关的结论。交流侧谐波组成有如下规律：交流侧谐波组成有如下规律： （1）谐波次数为奇次；谐波次数为奇次； （2）谐波次数越高，谐波幅值越小；）谐波次数越高，谐波幅值越小； （3）与带阻感负载的单相全控桥整流电路相比，）与带阻感负载的单相全控桥整流电路相比，谐波与基波的谐波与基波的关系是不固定的，关系是不固定的， RC越大，则谐波越大，而基波越小。越大，则谐波越大，而基波越小。这是因这是因为，为， RC越大，意味着负载越轻，二极管的导通角越小，则交流越大，意味着负载越轻，二极管的导通角越小，则交流侧电流波形的底部就越窄

29、，波形畸变也越严重。侧电流波形的底部就越窄，波形畸变也越严重。 （4） 越大，则谐波越小，这是因为串联电感越大，则谐波越小，这是因为串联电感L抑制冲击抑制冲击电流从而抑制了交流电流的畸变。电流从而抑制了交流电流的畸变。关于功率因数的结论如下：关于功率因数的结论如下： （1）通常位移因数是滞后的，并且随负载加重（）通常位移因数是滞后的，并且随负载加重（ RC 减小）滞后的角度增大，随滤波电感加大滞后的减小）滞后的角度增大，随滤波电感加大滞后的 角度也增大。角度也增大。 （2）由于谐波的大小受负载大小（）由于谐波的大小受负载大小（ RC）的影响，随）的影响，随 RC增大，谐波增大，而基波减小，也就

30、使基波增大，谐波增大，而基波减小，也就使基波 因数减小，使得总的功率因数降低。同时，谐波因数减小，使得总的功率因数降低。同时，谐波 受滤波电感的影响，滤波电感越大，谐波越小，受滤波电感的影响，滤波电感越大，谐波越小， 基波因数越大，总功率因数越大。基波因数越大，总功率因数越大。电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析3.7.32. 三相桥式不可控整流电路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。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：交流侧谐波组成有如下规律： （1）谐波次数为）谐波次数为6k1次，次，k =1，2，3； （2）谐波次数越高，谐波幅值越小；）谐波次数越高，谐波幅值越小； （3）谐波与基波的关系是不固定的