電力電子變流技術

電力電子變流技術講稿姚河清2002.7.27概述1.電力電子技術的概念PowerElectronics&Conversiontechnolegy1.1電力電子技術：電子技術在大功率方面的應用1.2變流技術：實現(xiàn)電流供流方式的轉換例如：交流---直流、直流---交流、直流---直流、交流---交流2.電力電子變流技術的應用與發(fā)展

2.1電力電子變流技術的應用

例如：·輸變電

·電力拖動（軋鋼、紡織、造紙

等以及其他各種電機的拖動）2.2電力電子變流技術的發(fā)展發(fā)展的動力1）元器件2）控制技術3）變流技術3.本課程的教學計劃3.1教學學時2學分3.2教學內容：整流、調壓、逆變3.3教學目的：1）各種電路的工作原理分析2）各種電路的特點及應用

3）電路設計

第一章晶閘管§1—1晶閘管(Thrystor)的工作原理1.晶閘管分類及應用1.1普通晶閘管；交---直變換為主，用作逆變、調壓、開關等。1.2快速晶閘管；開通與關斷速度快，一般用高頻率的逆變、快速開關、調壓等。1.3雙向晶閘管；可雙向道通、用于交流開關、調壓。1.4其他晶閘管；可關斷晶閘管、特殊門極晶閘管等。2.普通晶閘管的工作原理

2.1結構與等效電路（見圖1—3）

2.2晶閘管的工作狀態(tài)

1）反向截止

2）正向截止

3）正向導通

2.3狀態(tài)轉換

1）正向截止---正向導通（觸發(fā)）條件：A—K加正向電壓，同時G—K加觸發(fā)信號；2）正向導通---截止（關斷）條件：A---K電流為零。

§1--2晶閘管的特性1.晶閘管的靜態(tài)特性1.1V—A特性UDRM—正向斷態(tài)重復電壓（可恢復90%UDSM）UDSM--正向斷態(tài)可恢復電壓URRM–反向斷態(tài)重復電壓（可恢復90%URSM）URSM—反向斷態(tài)可恢復電壓Ub0—反向擊穿電壓IH—正向維持導電電流IG—觸發(fā)電流圖1—42.晶閘管的門極V—A特性IGT—可靠觸發(fā)最小電流UGT—可靠觸發(fā)最低電壓IFGM—門極正向峰值電流UFGM--門極正向峰值電壓電壓過低，電流過小不能觸發(fā)；電壓過高，電流過大可能燒壞。通常要遠小于陽極電壓和陽極電流。使用門極信號應注意：1）有效觸發(fā)（信號的電壓、電流、時間要合適）2）防止干擾3）提高觸發(fā)速度3晶閘管的動態(tài)特性

圖1—6

主要考查參數(shù)

1）開通時間：tgt=td+

tr;

td–延遲時間；

tr--上升時間。

2）關斷時間tg：從A—K間施加反向電壓開始至恢復正向阻斷所需時間。

tg=trr+tgrtrr—反向阻斷恢復時間

tgr—正向阻斷恢復時間通常：tgr要遠大于trr3）動態(tài)損耗：

P損耗=斷態(tài)損耗+通態(tài)損耗+開通損耗+關斷損耗§1—4晶閘管的主要參數(shù)1.電壓定額1.1斷態(tài)重復峰值電壓UDRM工作于正向斷態(tài)，重復頻率50HZ，過電壓連續(xù)時間≤10ms，晶閘管能達到的最高峰值電壓；1.2反向重復峰值電壓URRM=90%URSM（反向不重復峰值電壓）晶閘管額定電壓取值該管的UDRM與USRM中的最小值1.3通態(tài)電壓降UTH

2.電流定額

2.1通態(tài)平均電流IT（AV）---環(huán)境溫度40°；電阻性負載；單相工頻；半波整流；全導通；規(guī)定散熱條件；穩(wěn)定結溫不超過規(guī)定值；允許的最大平均電流。

說明：1）電流導致晶閘管破壞的方式為熱破壞。晶閘

管的允許承載電流（即額定電流IT（AV））是

晶閘管工作在確定的散熱條件下，IT（AV）使

晶閘管發(fā)熱達到規(guī)定結溫。

2）與晶閘管的發(fā)熱量相對應的是電流的有效

值，而額定電流的計量用的是平均值，其他任意條件下選擇晶閘管額定電流的方法：先將任意條件下的電流平均值轉換成有效值（乘波形系數(shù)Kf)，然后將該有效值轉換成規(guī)定條件的平均值。

I/IT（AV）=

=1。57

其他條件下的IT（AV

）的計算方法（見表1—5）

通常對晶閘管額定電流的計算有兩種形式：

1）已知晶閘管的工作電流波形和電路輸出平均電流，

計算需要多大額定電流的晶閘管。

2)已知晶閘管額定電流和工作電路，求電路允許輸出

最大平均電流。

注意：計算額定電流時必須考慮安全系數(shù)。

2.2維持電流；IH

2.3擎住電流；IL

2.4斷態(tài)重復峰值電流IDRM（正向）；IRRM（反向）。也稱為漏電流3.門極定額

3.1門極觸發(fā)電流IGT

3.2門極觸發(fā)電壓UGT

注意：門極定額取最小值，觸發(fā)訊號必須大于該值才能

有效觸發(fā)

4.動態(tài)參數(shù)

4.1斷態(tài)電壓臨界上升速度du/dt

4.2通態(tài)電流臨界上升速度di/dt

5.額定結溫Tjm

§1—5其他相關器件介紹1.二極管1.1普通整流管1.2快速整流管1.3快恢復二極管1.4肖特基二極管2.晶閘管2.1快速晶閘管2.2雙向晶閘管注意：雙向晶閘管的電流定額用有效值表示。2.3逆導晶閘管

2.4多管封裝管第二章單相可控整流§2—1單相半波整流1.電阻性負載2.電感性負載

2.1沒有續(xù)流管（導通角延長）

2.2有續(xù)流管

負載角

負載角越大；導通角延長越長§2—2單相橋式整流1單相全控橋1.1電路結構1.2電阻性負載整流輸出平均電壓和平均電流的計算：（是半波整流的2倍）每只管子承受的工作電流平均值為1/2Id；

每只管子承受的最高工作電壓為：

正向：U2

反向：

交流側電流的有效值：

在電源設計時要參考變壓器的視在功率，即；

S=U2*I2

整流器輸出電壓的有效值：

整流器輸出的有功功率：

電源的功率因數(shù)：

控制角α0306090120150180Ud/U20.90.840.6760.450.2260.060I2/Id1.111.171.331.571.972.82---cosΦ10.9870.8980.7070.4270.170表2—1單相全控橋整流的電壓、電流比及功率因素

與控制角的關系上述這些參數(shù)對整流器的設計是有用的?？刂平窃叫。娫吹墓ぷ餍试礁?，但控制性能變差。在設計時必須綜合考慮1—3電感性負載

由于電感的作用會延長晶閘管的導通時間，根據(jù)負載角

的不同延續(xù)時間不同。

以維持負載電流連續(xù)為前提，晶閘管的道通角為180°，即（α~π+α）則整流輸出電壓的平均值:

α的調節(jié)范圍為0~90°晶閘管承受的最高正、反向電壓為√2U2。如果電感足夠大，輸出電流的脈動可忽約不計，輸出電流為恒定直流，變壓器的輸出電流為對稱方波。即：I2/Id=1每只管子的電流有效值：IT=1/√2Id=0.707Id如果電感較小，電流不連續(xù)則：1—4.反電動勢負載分析

晶閘管最小觸發(fā)角：

αmin

停止導電角

反電動勢使晶閘管的導通角減小，容易造成電流斷續(xù)。常用的如電機的電樞供電，電流斷續(xù)會有兩方面的不利影響：1）電磁力矩降低。當機械力矩增大時速度會降低。即：機械特性變軟。2）低速運行電流沖擊加大，會引起很大的換相火花。常用解決辦法：串聯(lián)平波電抗器。平波電抗器的設計方法：設計原則：維持最低運行速度穩(wěn)定，額定機械負載工作狀態(tài)下的電流連續(xù)。當一定負載低速運行電流連續(xù)時，電樞電阻很小，為了簡化運算，可忽略。簡化后

求解，得：

該方程即為維持電流連續(xù)的最小電流求解方程。最小連續(xù)電流是觸發(fā)角的函數(shù)。電路等效：回路方程：最小連續(xù)電流的平均值：

2.單相半控橋

2-1.電路原理圖

2-2.電感性負載時有

無續(xù)流二極管的工作

效果分析：

由上式可設計電感。其他整流器可依此方法進行計算。1）無續(xù)流二極管

存在問題：失控現(xiàn)象。

解釋：當觸發(fā)角很小時，如果突然停止觸發(fā)，假設此時是VT1-VD2之間道通，在停止觸發(fā)后，電感的反感電勢續(xù)流維持其道通，U2反向后還可以經(jīng)VT1-VD2續(xù)流，當U2再換到正向時，由于VT1未關斷，不經(jīng)觸發(fā)即可持續(xù)導通，既出現(xiàn)了失控。

2）有續(xù)流二極管

3）另一種半控橋2-3.反電動勢負載：§2—3.單相可控整流的觸發(fā)控制

1.對觸發(fā)控制的要求

1-1同步

1-2.移相能達到所要求的移相工作區(qū)間

1-3.觸發(fā)有效觸發(fā)晶閘管的脈沖（電壓、電流、時間）

2.單結晶體管式觸發(fā)電路

2-1.單結晶體管當Ue＜UA時，二極管反向，只有很小的漏電電流。

當:VD兩端的電壓為零，達到臨界點P，對應的UP為峰點電壓；IP為峰點電流。

當Ue＞Ua時，二極管正向導通，隨電流Ie的增加，電阻

Rb1減小，行成P點至V點的負阻區(qū)，電流急劇增加。V點電壓UV相當于二極管的正向壓降，V點為谷點。

當Ue再次低于UV時，e與b1之間恢復阻斷。

每只單結晶體管的η值不同，較多的在0.75左右。

2-2單結晶體管自激振蕩器

振蕩條件：振蕩頻率：物理意義：1）阻斷狀態(tài)時，UC的充電要能達到UP以上，以使e—b1開通。2）開通狀態(tài)時，UC放電能底于谷點電壓，以使e—b1之間灰復阻斷。2-3單結晶體管式觸發(fā)電路1）輸出與控制電路有共零線：2).輸出與控制電路隔離第三章三相可控整流§3—1三相半波可控整流1。電阻負載1。1電路原理（共陰接法）1.2典型波形α=

0時波形（見上圖）最大導通角：β=2π/3最大移相范圍：π/6~π最小電流連續(xù)觸發(fā)角：α=30°；當α＞30°電流斷續(xù)。半波整流對變壓器工作狀態(tài)的影響：次極繞組通過直流脈動電流。

1.3參數(shù)計算整流輸出平均電壓ud:a)當α≤30°時，各相工作區(qū)π/6+α~5π/6+α

α=0點的確定：自然換相點，ωt=π/6a)當α≤30°時，各相工作區(qū)π/6+α~5π/6+αb)當α＞30°時，各相工作區(qū)π/6+α~π輸出負載電流

平均電流：Id=Ud/R相電流有效值：

1—電阻性負載2—電感負載3—電阻電感負載4—電阻負載時IT/Id上圖反映了隨著α的增大，變壓器的工作效率降低；晶閘管的容量要增大。晶閘管承受的最高反向電壓：URM=√2√3U2（線電壓峰值）；最高正向電壓：UFM=√2U2

2.電感性負載加電感是為了減小輸出電流脈動。假設：

加電感后電流脈動很小，

各波形示意如圖：當α=90°時，Ud=0,此時輸出電壓正負半周相等。

α的移相范圍為：0~90°輸出電流為：晶閘管電流的有效值與相電流相等即：I2=IT=Id/√3=0.577Id晶閘管承受的電壓為線電壓峰值，即：UFM=URM=√2√3U2如果電感較小，當α較大時，不能滿足電流連續(xù)要求，則電流斷續(xù)。3.共陽接法

工作原理和共陰接法相同，輸出負電壓三相半波整流存在問題：變壓器次極繞組的電流為直流，很容易造成鐵芯磁飽和?！?-2三相全控橋1.電路工作原理理解方法1：正負兩組三相半波的串聯(lián)

理解方法2：電路工作過程分析三相交流相電壓與線電壓的矢量關系如圖。同步點：自然換相點（即α=0點）當α=0時的工作過程分析：正向輸出組（共陰極組）和反向輸出組（共陽極組）都是自然換相點換相，在一個周期內VT1~VT6輪流道通，可分為6個工作區(qū)，每個工作區(qū)內同時有兩個晶閘管導通。輸出波形：ud為三相相電壓的外包絡線?；蛘呤?相線電壓的上包絡線。要點：1）同時要求兩管導通，共陽極組和共陰極組各

有一個晶閘管導通

2）觸發(fā)要求：寬脈沖觸發(fā)或者雙窄脈沖觸發(fā)

原因：同時兩管導通，當其中一個換相時，

必須對換相管加脈沖，同時沒有換相

的那個晶閘管也要加脈沖觸發(fā)，否則，

當換相管換相時，有可能造成回路電

流斷流，使沒有換相的晶閘管關斷。

寬脈沖的寬度必須大于60°，寬脈沖的發(fā)生

電路比較復雜，通常用雙窄脈沖觸發(fā)較多。

3）晶閘管承受的最高正、反向電壓為線電壓的

峰值。

4）輸出電壓的脈動頻率為相電壓頻率的6倍頻。

脈動電壓幅值為：2.α>0工作原理分析2.1電阻性負載

α=30°分析脈動為：

α=60°臨界斷續(xù)點當0＜α＜60°時：當60°＜α＜120°時：2.2電感性負載

以電流連續(xù)為前提，則每只晶閘管的導通角始終

為120°

移相范圍：0≤α≤90°

流過晶閘管的電流有效值為：

流過晶閘管電流平均值：

當變壓器次極為Y型接法時，相電流有效值：

為三相半波整流的倍，每相的工作時間為三相半波的兩倍。晶閘管最高承壓為線電壓峰值，與三相半波相同?！?-3整流電壓的諧波分析

諧波的概念：周期性非正弦函數(shù)可用付理葉級數(shù)分析。

即：一個非正弦函數(shù)可分解為無窮次正

弦函數(shù)的合成，各次正弦函數(shù)既為該非

正弦函數(shù)的對應次諧波。

研究目的：1）比較各種整流電路的工作效果，選擇合

適的整流形式（通常要提高最低次諧波的

頻率，降低最低次諧波的幅值。

2）正確設計濾波電路。

3）降低高次諧波對變壓器一次側的影響，減

小對電網(wǎng)的影響。1.多相整流電路的一般分析

1.1當α=0時

設：相數(shù)為M，輸出電壓以2π/M周期重復，將一個

周期作付氏變換。

進行付氏變換

付氏變換的一般表達式：

整流輸出電壓波形以縱座標對稱，其函數(shù)為偶函數(shù)，付里葉展開為與余弦函數(shù)，即：式中：

Ud0既為直流輸出平均電壓

bn為n次諧波的幅值，則：

式中:nωt-----角頻率分析式3-25可得到如下結論：1）m相整流電壓只有以m為整數(shù)倍的諧波（如：三相半波整流只有3、6、9……倍頻諧波；2）相數(shù)越多，諧波頻率越高；對應各次諧波的幅值越小。紋波因數(shù):

定義：

UR---紋波電壓

式中：U--為整流輸出電壓的有效值。

可作為整流輸出電壓的脈動評價，越大，脈動越嚴重。1.2

α＞0分析

an和bn的求解可依P51式3-39和3-40式中：§3-4變壓器漏抗對

整流電路的影響

變壓器的漏感：

電磁藕和的漏磁引起。在變壓器二次側相當

于各相串聯(lián)了一個電感，對整流輸出電壓

電流的影響如圖所示。在換相期間，關斷相

和開通相會存在一個電流衰減和電流遞增的

重疊道通區(qū)：

γ---換相重疊區(qū)γ區(qū)內的電壓為導通兩相電壓的平均值。

漏感越大，γ角越大；

電流越大，γ角越大；

α角越大，角越小。γ影響：1）限制短路峰值電流，減緩電流變化速度。2）導致波形畸變，影響電網(wǎng)。3）α的調節(jié)范圍減小，功率因素降低。通常設計要減小漏感，但漏感也有特殊應用，例如：電焊機?！?-5可控整流電路帶反電勢負載

經(jīng)常應用于帶電機負載，充電器等。

略§3-6大功率可控整流電路1.雙反星型帶平衡電抗器可控整流電路1.1電路原理圖1.2電路原理分析要求：1）各相參數(shù)相同2）兩組三相半波整流并聯(lián)輸出，同時有兩管導通，提高電源的電流輸出。問題：并聯(lián)兩相的瞬時電壓不等，不能保證兩管同時道

通。

解決辦法：加平衡電抗器。

作用原理：兩組三相半波的α=0點都是自然換相點，各自

的工作原理與三相半波整流相同。

在接入平衡電抗器之后，以α=0的工作情況

分析：假設此時V’相已經(jīng)導通，能否實現(xiàn)兩相同時導通的關鍵在于此時，V’相導通的同時，U相是否能觸發(fā)導通。

如圖V’相電流流過平衡電抗器下部繞組，有1/2UP壓降

由于平衡電抗器的自感作用，會得到如圖上‘+’下‘--’的感應電勢UP，只要能滿足：

VT1即可獲得正向導通條件，加上觸發(fā)即可導通。

Ud1和Ud2的電位差由平衡電抗器承擔，即：

輸出電壓：ud=1/2(ud1+ud2)

輸出電流：id=i1+i2

此種工作狀態(tài)一直維持到反相組換相，在反向組的自然

換相點，將有v’相和w’相的換相，各波形如下圖：

α＞0時的波形分析：電源的輸出特性：當α=0時如下圖Lp的電感量與Idmin的關系：

輸出參數(shù)：輸出特點：1）輸出電流大；脈動??；

2）沒有直流磁化問題（和6相半波相比）

3）變壓器二次繞組的電流容量比六相半波整

流大一倍；

4）晶閘管的電流容量提高。

平衡電抗器的應用為不同相位的整流電路提供了并聯(lián)運行的方法，可保持電流分配的平衡。

2.十二相整流電路

略

第四章.有源逆變電路1.逆變的概念交流---直流整流直流---交流逆變逆變交流輸出負載為無源------無源逆變逆變交流輸出負載為同頻交流電源------有源逆變2.有源逆變的發(fā)生條件整流α的調節(jié)范圍確定原則：從α=0到Ud=f(αmax)=0確定的αmax范圍。當α＞αmax時，Ud為負值。但當負載具有反方向直流電源時，負載直流電源可以維持晶閘管導通，此時晶閘管的工作狀態(tài)相當于將負載的直

流