電力電子技術(shù)課件-第二章 整流電路

第二章整流電路本章所要講述的內(nèi)容單相可控整流電路三相可控整流電路變壓器漏感對(duì)整流電路的影響整流電路的諧波分析有源逆變的基本原理三相有源逆變電路分析和計(jì)算逆變失敗與最小逆變角的限制相控變流裝置的觸發(fā)電路本章重點(diǎn)

單相和三相橋式全控整流電路、有源逆變電路組成和工作原理、不同性質(zhì)負(fù)載下重要物理量的波形分析和數(shù)值計(jì)算。第1頁(yè)2.1概述圖2.1部分常用的整流電路c）d）除c）、d）外a）～e）f）、g）b）、f）c）、d）、e）、g）a）、f）b）、c）、d）、e）、g）整流電路2不同性質(zhì)的負(fù)載對(duì)于整流電路輸出的電壓電流波形有很大影響。負(fù)載的性質(zhì)大致分為以下幾種

電阻性負(fù)載——如電阻加熱爐、電解、電鍍和電焊等。

電感性負(fù)載——各種電機(jī)的勵(lì)磁繞組，經(jīng)電抗器濾波的負(fù)載。

電容性負(fù)載——整流輸出端接大電容濾波的情況。

反電勢(shì)負(fù)載——整流裝置輸出供蓄電池充電或供直流電動(dòng)機(jī)作電源用時(shí)。

實(shí)際上屬于單純的某一種性質(zhì)的負(fù)載是很少的。 確定負(fù)載性質(zhì)必須根據(jù)實(shí)際情況作具體分析。2.1概述32.2單相可控整流電路2.2.1單相橋式全控整流電路1.電阻負(fù)載電路結(jié)構(gòu)及其工作原理圖2.2單相橋式整流帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及工作原理（不可控）aD4D1i22ubTu1D3idRudD2u2

(a)D1RD4u2

(b)u2>04圖2.2單相橋式整流帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及工作原理（不可控）aD4D1i22ubTu1D3idRudD2u2<02.2.1單相橋式全控整流電路u2

(b)D3RD2u2

(a)5u2

(a)VT1RVT4u2

(b)u2>02.2.1單相橋式全控整流電路RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid圖2.3單相橋式全控整流帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及工作原理（全控）6RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid圖2.3單相橋式全控整流帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及工作原理（全控）u2

(b)VT3RVT2u2

(a)u2<02.2.1單相橋式全控整流電路72.2.1單相橋式全控整流電路波形分析圖2.4單相橋式全控整流帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形（ud、id）RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udida)u2>0b)c)d)wtwtwtpaa000i2udiduVT1,4u(i)dd轉(zhuǎn)u2負(fù)半周8圖2.4單相橋式全控整流帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形（ud、id

）RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udida)u2<0轉(zhuǎn)晶閘管電壓2.2.1單相橋式全控整流電路波形分析b)c)d)wtwtwtpaa000i2udiduVT1,4u(i)dd9轉(zhuǎn)u2負(fù)半周b)c)d)wtwtwtpaa000i2udiduVT1,4u(i)dd波形分析圖2.4單相橋式全控整流帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形（uVT1，4）RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udida)u2>02.2.1單相橋式全控整流電路10圖2.4單相橋式全控整流帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形（uVT1，4

）RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udida)u2<0b)c)d)wtwtwtpaa000i2udiduVT1,4u(i)dd轉(zhuǎn)i2波形波形分析2.2.1單相橋式全控整流電路11b)c)d)wtwtwtpaa000i2udiduVT1,4u(i)dd轉(zhuǎn)u2負(fù)半周波形分析圖2.4單相橋式全控整流帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形（

i2

）RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udida)u2>02.2.1單相橋式全控整流電路12圖2.4單相橋式全控整流帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形（

i2

）RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udida)u2<0波形分析2.2.1單相橋式全控整流電路b)c)d)wtwtwtpaa000i2udiduVT1,4u(i)dd13

①控制角α——從晶閘管開(kāi)始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度。

②導(dǎo)通角θ——晶閘管在一個(gè)周期中處于通態(tài)的電角度。

③移相——改變?chǔ)恋拇笮。锤淖冇|發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻。

④移相范圍——輸出電壓平均值大于0所對(duì)應(yīng)的α變化范圍。

⑤換流（換相）——電流從一對(duì)橋臂轉(zhuǎn)換到另外一對(duì)橋臂。

⑥相控變流裝置——通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，這樣的變流裝置簡(jiǎn)稱相控變流裝置。基本概念2.2.1單相橋式全控整流電路14

①整流輸出電壓平均值Ud

2.2.1單相橋式全控整流電路基本數(shù)量關(guān)系b)c)d)wtwtwtpaa000i2udiduVT1,4u(i)dd由上式可知，α角的移相范圍為0o～180o。②輸出電流的平均值Id15

③流過(guò)晶閘管的電流平均值IdT

2.2.1單相橋式全控整流電路b)c)d)wtwtwtpaa000i2udiduVT1,4u(i)dd⑥晶閘管承受的最大反向電壓URM⑤晶閘管承受的最大正向電壓UFM④流過(guò)晶閘管的電流有效值IT

16 ⑦晶閘管的額定電壓b)c)d)wtwtwtpaa000i2udiduVT1,4u(i)dd⑨整流電路的功率因數(shù)⑧晶閘管的額定電流2.2.1單相橋式全控整流電路17

A、電路結(jié)構(gòu)及其工作原理

B、波形分析u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udid圖2.6單相橋式全控整流帶電感性負(fù)載的電路及波形2.2.1單相橋式全控整流電路2.電感性負(fù)載（p48）18①輸出電壓平均值Ud

②輸出電流平均值Id③流過(guò)晶閘管的電流平均值IdT④流過(guò)晶閘管的電流有效值ITu2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,42.2.1單相橋式全控整流電路

由上式可知的移相范圍為0o～90o。晶閘管導(dǎo)通角θ與a無(wú)關(guān)，均為180C、基本數(shù)量關(guān)系19 ⑤晶閘管承受的最大正向電壓UFM ⑥晶閘管承受的最大反向電壓URM ⑦晶閘管的額定電壓UT(AV)

⑧晶閘管的額定電流IT(AV)⑨整流電路的功率因數(shù)u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,42.2.1單相橋式全控整流電路20

A、電路結(jié)構(gòu)

B、波形分析

圖2.7單相橋式全控整流帶反電勢(shì)負(fù)載時(shí)的電路及波形（p48，圖2.7）2.2.1單相橋式全控整流電路3.反電勢(shì)負(fù)載（p48）b)idOEudwtIdOwtaqdTabRa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidE21

C、與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度δ停止導(dǎo)電，δ稱為停止導(dǎo)電角 D、負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)，則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將很軟，為保證電流連續(xù),在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器,所需的電感量L:

2.2.1單相橋式全控整流電路電流斷續(xù)電流連續(xù)222.2.2單相全波可控整流電路單相全波可控整流電路(單相雙半波可控整流電路)圖2-8

單相全波可控整流電路及波形a)wtwab)udi1OOt單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。變壓器不存在直流磁化的問(wèn)題。23單相全波與單相全控橋的區(qū)別：?jiǎn)蜗嗳ㄖ凶儔浩鹘Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材料的消耗多。單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，相應(yīng)地，門極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。單相全波導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，因而管壓降也少1個(gè)。從上述后兩點(diǎn)考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場(chǎng)合應(yīng)用。2.2.2單相全波可控整流電路242.2.3單相橋式半控整流電路電路結(jié)構(gòu)

單相全控橋中，每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，1個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電路。如此即成為單相橋式半控整流電路。半控電路與全控電路在電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況相同。

圖2.9帶電阻負(fù)載的單相橋式半控整流電路TabRu1u2i2VT1VT3VD2VD4udid1.電阻性負(fù)載252.電感性負(fù)載2.2.3單相橋式半控整流電路在u2正半周，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。

圖2.10帶電感性負(fù)載的單相橋式半控整流電路TabRLu1u2i2VT1VT3VD2VD4udidu2過(guò)零變正時(shí)，b點(diǎn)電位低于a點(diǎn)電位，

VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。在u2負(fù)半周觸發(fā)角a時(shí)刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，u2經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載供電。u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。262.2.3單相橋式半控整流電路圖2.11單相橋式半控整流電路電感性負(fù)載帶續(xù)流二極管時(shí)的電路（p50，圖2.10）“失控”問(wèn)題及其解決方法若無(wú)續(xù)流二極管，則當(dāng)a突然增大至180或觸發(fā)脈沖丟失時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，其平均值保持恒定，稱為失控。解決方法——負(fù)載側(cè)并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管VDR，續(xù)流過(guò)程由VDR完成，避免了失控的現(xiàn)象。續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，有利于降低損耗。27

①輸出電壓平均值Ud

②輸出電流平均值Id ③流過(guò)晶閘管和二極管的電流有效值 ④流過(guò)續(xù)流二極管的電流有效值 ⑤變壓器二次繞組電流有效值2.2.3單相橋式半控整流電路基本數(shù)量關(guān)系28電路和波形分析圖2.11單相半波可控整流電路及波形(P43,圖2.1)2.2.4單相半波可控整流電路292.3三相可控整流電路交流側(cè)由三相電源供電。用于負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小的場(chǎng)合。不會(huì)引起電網(wǎng)三相間的不平衡。

最基本的是三相半波可控整流電路，三相橋式全控整流電路應(yīng)用最廣。302.3.1三相半波可控整流電路1.電阻性負(fù)載a)abcTRudidVT2VT1VT3變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。三個(gè)晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起——共陰極接法。電路特點(diǎn)自然換相點(diǎn)二極管換相時(shí)刻為自然換相點(diǎn)，是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角a的起點(diǎn)，即a=0。b)c)d)e)f)u2uaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt圖2.12三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路及α=00的波形（p51，圖2.12）312.3.1三相半波可控整流電路圖2.12三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路及α=00的波形（p51，圖2.12

）a)abcTRudidVT2VT1VT3b)c)d)e)f)u2uaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt波形分析（α=00）變壓器二次側(cè)a相繞組和晶閘管VT1的電流波形，變壓器二次繞組電流有直流分量。晶閘管的電壓波形，由3段組成。32波形分析（α=30o）圖2.13α=300的波形（p52，圖2.13）2.3.1三相半波可控整流電路特點(diǎn)：負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uaca)abcTRudidVT2VT1VT333波形分析（α=600）圖2.14α=600的波形（p52，圖2.14）2.3.1三相半波可控整流電路wwttwtwta=60°u2uaubucOOOOuGudiVT1a)abcTRudidVT2VT1VT3特點(diǎn)：負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120。34①整流電壓平均值Ud

a）α≤300，負(fù)載電流連續(xù)

b）α>300，負(fù)載電流斷續(xù)α的移相范圍:00～1500。②負(fù)載電流平均值Id2.3.1三相半波可控整流電路基本數(shù)量關(guān)系a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uacwwttwtwta=60°u2uaubucOOOOuGudiVT135

③晶閘管承受的最大反向電壓URM④晶閘管承受的最大正向電壓UFM

⑤晶閘管的額定電壓UT(AV)

⑥晶閘管的額定電流IT(AV)2.3.1三相半波可控整流電路a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac36

圖2.15三相半波可控整流電路共陰極接法電感負(fù)載時(shí)的電路及α=600的波形uvwTRLu2udeLidVT1VT2VT32.3.1三相半波可控整流電路2.電感性負(fù)載（p54）特點(diǎn)：阻感負(fù)載，L值很大，id波形基本平直。a≤30時(shí)：整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同。a>30時(shí)（如a=60時(shí)的波形如圖2-16所示）。u2過(guò)零時(shí)，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來(lái)，才換流，——ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分。id波形有一定的脈動(dòng)，但為簡(jiǎn)化分析及定量計(jì)算，可將id近似為一條水平線。阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為0-90。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt37 ①輸出電壓平均值Ud

由上式，a的移相范圍00～900。

②輸出電流平均值Id

③I2即晶閘管電流的有效值IT ④晶閘管電流的平均值IdT2.3.1三相半波可控整流電路基本數(shù)量關(guān)系udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt38 ⑤晶閘管最大正反向電壓 ⑥晶閘管的額定電流 ⑦晶閘管的額定電壓 ⑧三相整流電路的功率因數(shù)2.3.1三相半波可控整流電路udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt39圖2.16三相橋式全控整流電路(p54，圖2.17)2.3.2三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載共陰極組——陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽(yáng)極組——陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）導(dǎo)通順序：

VT1－VT2－VT3－

VT4－VT5－VT6－VT1電路40工作原理12.3.2三相橋式全控整流電路u2wu2uaucubOta=0°wt1圖2.17三相橋式全控整流電路工作原理(p54，圖2.17)41工作原理2wu2uaucubwt1Ota=0°2.3.2三相橋式全控整流電路圖2.17三相橋式全控整流電路工作原理(p54，圖2.17)42工作原理3wu2uaucubwt1Ota=0°2.3.2三相橋式全控整流電路圖2.17三相橋式全控整流電路工作原理(p54，圖2.17)43工作原理4wu2uaucubwt1Ota=0°2.3.2三相橋式全控整流電路圖2.17三相橋式全控整流電路工作原理(p54，圖2.17)44工作原理5wu2uaucubwt1Ota=0°2.3.2三相橋式全控整流電路圖2.17三相橋式全控整流電路工作原理(p54，圖2.17)45工作原理6uuuwu2acbwt1Ota=0°2.3.2三相橋式全控整流電路圖2.17三相橋式全控整流電路工作原理(p54，圖2.17)462.3.2三相橋式全控整流電路波形分析1（α=00）電阻負(fù)載wwwwu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OtOtOtOta=0°iVT1uVT1圖2.18

三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載α=0o時(shí)的波形47波形分析2（α=300）2.3.2三相橋式全控整流電路wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1圖2.19三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載α=30o時(shí)的波形482.3.2三相橋式全控整流電路波形分析3（α=600）wwwa=60°ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtwt1OtOtuVT1圖2.20三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載α=60o時(shí)的波形49波形分析1（α=00）2.3.2三相橋式全控整流電路cbawwu2u2LuduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuuuwt1OtOta=0°ud波形圖2.21三相橋式全控整流電路電感性負(fù)載α=00時(shí)的波形（p55，圖2.18）電感負(fù)載50wwuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacOtOtiT1uT1波形分析1（α=00）2.3.2三相橋式全控整流電路idwtOcbawu2uuuwt1Ota=0°id、iT1、uT1波形ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ圖2.21三相橋式全控整流電路電感性負(fù)載α=00時(shí)的波形（p55，圖2.18）51cba波形分析2（α=300）wu2ⅠⅡⅢⅣⅤⅥuuuwt1Ot2.3.2三相橋式全控整流電路wtuduabuacubcubaucaucbuabuacwtOidwtOa=30°iT1wtOwtOud、id、iT1波形圖2.22三相橋式全控整流電路電感性負(fù)載α=300時(shí)的波形（p56，圖2.19）52cba波形分析2（α=300）wu2ⅠⅡⅢⅣⅤⅥuuuwt1Ot2.3.2三相橋式全控整流電路wtuT1abacbcbacacbabacwtOi2wtOa=30°uT1

、i2波形iT1iT4圖2.22三相橋式全控整流電路電感性負(fù)載α=300時(shí)的波形（p56，圖2.19）53圖2.23三相橋式全控整流電路電感性負(fù)載α=600時(shí)的波形（p57，圖2.20）波形分析3（α=600）cbawu2ⅠⅡⅢⅣⅤⅥuuuwt1OtwtuduabuacubcubaucaucbuabuacwtOidwtOa=60°iT1wtO2.3.2三相橋式全控整流電路54波形分析3（α=600）cbawu2ⅠⅡⅢⅣⅤⅥuuuwt1OtwtuabuacubcubaucaucbuabuacwtOOa=60°i2wtO2.3.2三相橋式全控整流電路uT1iT4iT1圖2.23三相橋式全控整流電路電感性負(fù)載α=600時(shí)的波形（p57，圖2.20）55觸發(fā)脈沖分析圖2.24三相橋式全控整流電路的觸發(fā)脈沖（p58，圖2.17）2.3.2三相橋式全控整流電路

對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。56觸發(fā)脈沖分析需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)，一種是雙窄脈沖觸發(fā)（常用）2.3.2三相橋式全控整流電路57

①輸出電壓平均值Ud（連續(xù)時(shí)）

②帶電阻負(fù)載且α>600時(shí)，整流電壓平均值Ud

③輸出電流平均值Id

④如果是反電勢(shì)負(fù)載帶平波電抗器，則輸出電流Id2.3.2三相橋式全控整流電路基本數(shù)量關(guān)系58 ⑤流過(guò)晶閘管的電流值有效值IT

⑥晶閘管承受的最大正向電壓⑦晶閘管承受的最大反向電壓

⑧晶閘管的額定電壓2.3.2三相橋式全控整流電路基本數(shù)量關(guān)系59工作原理小結(jié)表2－1晶閘管及輸出整流電壓的情況時(shí)段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb2.3.2三相橋式全控整流電路60三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)（1）2管同時(shí)導(dǎo)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各1，且不能為同1相器件。工作原理小結(jié)（2）ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。2.3.2三相橋式全控整流電路612.4變壓器漏感對(duì)整流電路的影響考慮包括變壓器漏感（包含源邊和副邊漏感）在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，該漏感可用一個(gè)集中的電感LB表示。LRabcTLudicibiaBLBLBikVT1VT2VT3ik=ib是逐漸增大的ia=Id-ik是逐漸減小的當(dāng)ik增大到等于Id時(shí)，ia=0，VT1關(guān)斷,換流過(guò)程結(jié)束。VT1換相至VT2的過(guò)程：因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik?？紤]變壓器漏抗時(shí)的三相半波可控整流電路及波形（p60，圖2.25）udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubucaωt1622.4.1換相過(guò)程中的輸出電壓兩個(gè)概念換相壓降 ——與不考慮變壓器漏感時(shí)相比，ud平均值降低的多少。換相重疊角g ——換相過(guò)程所對(duì)應(yīng)的電角度，用g表示。換相壓降的計(jì)算γ角的計(jì)算632.5諧波和無(wú)功功率分析2.5.1諧波分析目的隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛，由此帶來(lái)的無(wú)功(reactivepower)

和諧波(harmonics)問(wèn)題日益嚴(yán)重，引起了關(guān)注。在電力電子裝置接入電網(wǎng)前，必須進(jìn)行諧波分析，弄清楚諧波分布和注入電網(wǎng)的諧波值，以便制定諧波治理方案，使電力電子裝置能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的允許值。諧波的定義非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級(jí)數(shù)：正弦波電壓可表示為：基波（fundamental）——頻率與工頻相同的分量諧波——頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量諧波次數(shù)——諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比642.5.2幾個(gè)重要的物理概念（1）n次諧波電流含有率HRIn（2）電流諧波總畸變率THDi（3）電壓紋波因數(shù)γum23612∞γu/%48.218.274.180.9940表1不同脈波數(shù)m時(shí)的電壓紋波因數(shù)值In——第n次諧波電流有效值，I1——基波電流有效值Ih——總諧波電流有效值UR——ud0中諧波分量有效值65m脈波整流電壓ud0的諧波次數(shù)為mk(k=1,2,3,…)次，即m的整數(shù)倍次。當(dāng)m一定時(shí)，隨著諧波次數(shù)的增加，諧波幅值迅速減小。各次諧波幅值與α角的關(guān)系如圖2.26所示。圖2.26三相全控橋電流連續(xù)時(shí)n次諧波幅值與α的關(guān)系（p73，圖2.34）2.5.3諧波分析幾個(gè)重要結(jié)論662.5.4無(wú)功功率分析功率因數(shù)正弦電路中的情況電路的有功功率就是其平均功率：視在功率——電壓、電流有效值的乘積，即S=UI

無(wú)功功率——Q=UIsinj

功率因數(shù)l

——有功功率P和視在功率S的比值：此時(shí)無(wú)功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關(guān)系：功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差j決定的：l=cos

j

67非正弦電路中的情況有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功率因數(shù)仍由式定義。非正弦電路的有功功率：P=UI1

cosj1功率因數(shù)為：

基波因數(shù)——ν

=I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比

位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）——cosφ

1功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變這兩個(gè)因素共同決定的。2.5.4無(wú)功功率分析68非正弦電路的無(wú)功功率定義很多，但尚無(wú)被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義。一種簡(jiǎn)單的定義：

無(wú)功功率Q反映了能量的流動(dòng)和交換，目前被較廣泛地接受。也可采用符號(hào)Qf，忽略電壓中的諧波時(shí)有：Qf=UI1

sinφ

1在非正弦情況下，，因此引入畸變功率D，使得：Qf為由基波電流所產(chǎn)生的無(wú)功功率，D是諧波電流產(chǎn)生的無(wú)功功率。2.5.4無(wú)功功率分析69逆變、有源逆變的基本概念有源逆變產(chǎn)生的基本條件

有源逆變電路的分析方法逆變失敗和最小逆變角2.7有源逆變電路70逆變（Invertion）——將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能，是整流的逆過(guò)程。逆變電路——把直流電能逆變成交流電能的電路。有源逆變——將直流變?yōu)榻涣髦?，輸出端與交流電網(wǎng)相連。

應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速以及高壓直流輸電等。

無(wú)源逆變

——將直流變?yōu)榻涣髦螅敵龆伺c負(fù)載相連(第5章內(nèi)容)。2.7.1基本概念對(duì)于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路。2.7有源逆變電路712.7.2

有源逆變電路的應(yīng)用直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖2.29兩組變流器的反并聯(lián)可逆電路及工作狀態(tài)（p89,圖2.53）第一象限：正轉(zhuǎn)，電動(dòng)運(yùn)行，正組工作在整流狀態(tài)，α＜90o第二象限：正轉(zhuǎn)，發(fā)電運(yùn)行，反組工作在逆變狀態(tài)，β＜90o第三象限：反轉(zhuǎn)，電動(dòng)運(yùn)行，反組工作在整流狀態(tài)，α＜90o第四象限：反轉(zhuǎn)，發(fā)電運(yùn)行，反組工作在逆變狀態(tài)，β＜90o72直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)圖2.30直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EG

>EM

b）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EM>EG

c）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路電路過(guò)程分析。兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)同極性相接時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢(shì)高的流向低的，回路電阻小，可在兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)間交換很大的功率。2.7.3有源逆變的基本原理73用單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī)有源逆變產(chǎn)生的條件a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUd>EMu10udu20u10OOwtwtIdidUd<EMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1圖2.31單相全波電路的整流和逆變運(yùn)行過(guò)程（p81）ωt1ωt1ωt2ωt3ωt2ωt4電動(dòng)機(jī)M電動(dòng)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)M發(fā)電回饋制動(dòng)運(yùn)行2.7.3有源逆變的基本原理74（1）外部條件——有直流電動(dòng)勢(shì)源，其極性必須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)平均電壓。（2）內(nèi)部條件——要求晶閘管的控制角α＞π/2，使Ud為負(fù)值。（3）充分條件——直流回路中有足夠大的電感，保證有源逆變連續(xù)進(jìn)行。從上述分析中，可以歸納出產(chǎn)生逆變的條件：半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負(fù)值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動(dòng)勢(shì)，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。2.7.3有源逆變的基本原理思考：半控橋或有續(xù)流二極管的電路能不能實(shí)現(xiàn)有源逆變？75逆變和整流的區(qū)別：控制角不同

以自然換相點(diǎn)作為計(jì)量的起始點(diǎn)，并以此向右計(jì)量。0<<p

/2時(shí)，電路工作在整流狀態(tài)。

p

/2<

<

p時(shí)，電路工作在逆變狀態(tài)?？裳赜谜鞯霓k法來(lái)處理逆變時(shí)有關(guān)波形與參數(shù)計(jì)算等各項(xiàng)問(wèn)題。把a(bǔ)>p/2時(shí)的控制角用p-

=b表示，b稱為逆變角。逆變角b和控制角a的計(jì)量方向相反，其大小自b=0的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。2.7.3有源逆變的基本原理76電路結(jié)構(gòu)、波形分析及基本數(shù)量關(guān)系圖2.32三相橋構(gòu)成的有源逆變電路

cab2.7.4

三相有源逆變電路77圖2.33

三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形(p82)uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacucaubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt22.7.4

三相有源逆變電路78每個(gè)晶閘管導(dǎo)通2p/3，故流過(guò)晶閘管的電流有效值為：從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為：當(dāng)逆變工作時(shí)，由于EM為負(fù)值，故Pd一般為負(fù)值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。在三相橋式電路中，變壓器二次側(cè)線電流的有效值為：2.7.4

三相有源逆變電路792.7.5逆變失敗與最小逆變角（一）逆變失?。孀冾嵏玻┑母拍钅孀儠r(shí)，一旦換相失敗，外接直流電源就會(huì)通過(guò)晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動(dòng)勢(shì)變成順向串聯(lián)，形成很大短路電流。（二）逆變失敗的原因（1）觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)地、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延遲等，致使晶閘管不能正常換相，使交流電源電壓和直流電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)，形成短路。u10udu20u10OOwtwtIdidUd<EMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12ωt1ωt2ωt3ωt480（2）晶閘管發(fā)生故障，在應(yīng)該阻斷期間，器件失去阻斷能力，或在應(yīng)該導(dǎo)通時(shí)間，器件不能導(dǎo)通，造成逆變失敗。（3）在逆變工作時(shí)，交流電源發(fā)生缺相或突然消失，由于直流電動(dòng)勢(shì)EM的存在，晶閘管仍可導(dǎo)通，此時(shí)變流器的交流側(cè)由于失去了同直流電動(dòng)勢(shì)極性相反的交流電壓，因此直流電動(dòng)勢(shì)將經(jīng)過(guò)晶閘管電路而短路。2.7.5逆變失敗與最小逆變角（4）由于存在重疊角γ，換相裕量角不足，引起換相失敗。812.7.5逆變失敗與最小逆變角換相重疊角的影響：當(dāng)b>g時(shí)，換相結(jié)束時(shí)，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。如果b<g，該通的晶閘管（VT1）會(huì)關(guān)斷，而應(yīng)關(guān)斷的晶閘管（VT3)不能關(guān)斷，最終導(dǎo)致逆變失敗。圖2.34交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響udOOidwtwtuaubucuaubpbg

<gagb

>giVT1iVTiVT3iVTiVT322

結(jié)論：為了防止逆變失敗，逆變角β不能太小，其最小值必須加以限制。abc82（三）最小逆變角β確定的依據(jù)（1）逆變時(shí)允許采用的最小βmin角應(yīng)等于

式中，δ為晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq折合的電角度,γ

為換相重疊角,θ’為安全裕量角。晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq可達(dá)200～300μs，折算成電角度δ約為4°～5°。而重疊角γ是隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。θ’一般取10o。2.7.5逆變失敗與最小逆變角832.8相控變流裝置的觸發(fā)電路晶閘管相控裝置對(duì)觸發(fā)電路的要求圖2.35常見(jiàn)的觸發(fā)脈沖波形（1）觸發(fā)脈沖必須有足夠的功率，保證在允許的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，對(duì)所有合格的元件都能可靠觸發(fā)。（2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度，以保證晶閘管可靠導(dǎo)通。（3）觸發(fā)脈沖的前沿應(yīng)盡量陡些。（4）觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能夠根據(jù)控制信號(hào)的要求在規(guī)定的范圍內(nèi)移動(dòng)。（5）觸發(fā)脈沖與晶閘管主回路電源電壓必須同步。（6）觸發(fā)電路與晶閘管主回路之間有必要的電氣隔離。

作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。84晶閘管變流裝置觸發(fā)電路簡(jiǎn)介（1）主要有3種類型

A、由分