晶閘管可控整流有源逆變和諧波分析

晶閘管可控整流有源逆變和諧波分析第1頁/共51頁考慮變壓器漏感時(shí)的三相半波可控整流電路波形第2頁/共51頁電源回路電感對(duì)整流電路影響的一些結(jié)論:出現(xiàn)換相重疊角g

，整流輸出電壓平均值Ud降低整流電路的工作狀態(tài)增多晶閘管的di/dt減小，有利于晶閘管的安全開通

有時(shí)人為串入進(jìn)線電抗器以抑制晶閘管的di/dt換相時(shí)晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導(dǎo)通，為此必須加吸收電路換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。第3頁/共51頁3.6全控整流電路的有源逆變工作狀態(tài)3.6.1逆變的概念3.6.2三相橋式變流器逆變工作狀態(tài)3.6.3逆變失敗與最小逆變角的限制第4頁/共51頁1.逆變—把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，即整流的逆過程。2.逆變電路—把直流電逆變成交流電的電路（逆變器）。

無源逆變——逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載。（變頻器）逆變電路分為有源逆變和無源逆變，區(qū)別在于逆變的交流電是否與電網(wǎng)連接3.6.1逆變的概念第5頁/共51頁

無源逆變——逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載。（變頻器）

有源逆變——交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié),電路將直流電逆變成交流電輸送到電網(wǎng)中去。3.6.1逆變的概念

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。

對(duì)于全控晶閘管整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變狀態(tài)，其電路形式未變，只是電路工作條件改變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路。第6頁/共51頁直流卷揚(yáng)系統(tǒng)(a)提升重物；(b)放下重物2.逆變電路—有源逆變實(shí)例3.6.1逆變的概念第7頁/共51頁3.逆變產(chǎn)生的條件逆變的概念單相全波電路的整流單相全波電路的逆變1第8頁/共51頁逆變產(chǎn)生的條件單相全波電路的整流單相全波電路的整流交流電網(wǎng)輸出電功率電動(dòng)機(jī)輸入電功率第9頁/共51頁逆變產(chǎn)生的條件單相全波電路的逆變單相全波電路的逆變電動(dòng)機(jī)M回饋制動(dòng)

Id方向不變，欲改變電能的輸送方向，只能改變EM極性。為了防止兩電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)，Ud極性也必須反過來，即Ud應(yīng)為負(fù)值，且|EM

|>|Ud

|，才能把電能從直流側(cè)送到交流側(cè),實(shí)現(xiàn)逆變。交流電網(wǎng)輸入電功率電動(dòng)機(jī)輸出電功率第10頁/共51頁逆變產(chǎn)生的條件從上述分析中，可以歸納出產(chǎn)生逆變的條件：⑴外部條件：變流器直流側(cè)應(yīng)有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向一致，其值大于變流器直流平均電壓。⑵內(nèi)部條件：控制角使變流器輸出電壓Ud<0。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。第11頁/共51頁逆變產(chǎn)生的條件逆變和整流的區(qū)別：控制角不同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)。逆變角以a

=p

作為計(jì)量起點(diǎn)，向左計(jì)量到觸發(fā)脈沖前沿為止的電角度，稱為逆變角，用b

表示。

b=p-

逆變角b和控制角a的計(jì)量方向相反。1第12頁/共51頁三相半波共陰極逆變電路及有關(guān)波形(a)整流工作狀態(tài)；(b)逆變工作狀態(tài)三相半波整流逆變電路第13頁/共51頁3.6.2

三相橋式變流器逆變工作狀態(tài)1.主電路2.工作過程及波形分析

三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時(shí)的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖所示。第14頁/共51頁圖2-46三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形第15頁/共51頁三相橋式變流器逆變工作狀態(tài)3.數(shù)量關(guān)系第16頁/共51頁三相橋式變流器逆變工作狀態(tài)3.數(shù)量關(guān)系第17頁/共51頁三相橋式變流器逆變工作狀態(tài)3.數(shù)量關(guān)系第18頁/共51頁3.6.3逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失?。孀冾嵏玻?/p>

變流器為逆變工作狀態(tài)時(shí)，若發(fā)生換相失控，就會(huì)導(dǎo)致外接電動(dòng)勢(shì)通過晶閘管形成短路，或者發(fā)生輸出平均電壓和外接電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)形成短路，這種情況稱為逆變失敗或稱為逆變顛覆。

（1）觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，

如脈沖丟失、脈沖延時(shí)等，致使晶閘管不能正常換相。（2）晶閘管發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通。（3）交流電源缺相或突然消失。（4）換相的裕量角不足，引起換相失敗。逆變失敗的原因第19頁/共51頁單相全波電路的逆變第20頁/共51頁換相重疊角的影響：交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過程的影響逆變失敗與最小逆變角的限制

當(dāng)b>g

時(shí)，經(jīng)過換相過程后，a相電壓仍高于c相電壓，所以換相結(jié)束時(shí)，能使VT3承受反壓而關(guān)斷。以VT3換相到VT1的過程為例：第21頁/共51頁換相重疊角的影響：交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過程的影響逆變失敗與最小逆變角的限制

如果b<g

時(shí)，換相尚未結(jié)束，電路的工作狀態(tài)到達(dá)自然換相點(diǎn)p點(diǎn)之后，c相電壓高于a相電壓,導(dǎo)通的晶閘管VT1因承受反壓而重新關(guān)斷，使得應(yīng)關(guān)斷的晶閘管VT3不能關(guān)斷而繼續(xù)導(dǎo)通，且c相電壓隨著時(shí)間的推移越來越高，電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)導(dǎo)致逆變失敗。

以VT3換相到VT1的過程為例：

綜上所述，為了防止逆變失敗，不僅逆變角不能等于零，而且不能太小，必須限制在某一允許的最小角度內(nèi)。第22頁/共51頁確定最小逆變角bmin的依據(jù)逆變時(shí)允許采用的最小逆變角b應(yīng)等于bmin=d+g+q′

d——晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq折合的電角度g——

換相重疊角q′——安全裕量角tq大的可達(dá)200~300us，折算到電角度約3.6~5.4。隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。主要針對(duì)脈沖不對(duì)稱程度，一般取為10。g受電源電路和控制角的影響，約為

15~20。

設(shè)計(jì)逆變電路時(shí)，通常取bmin

＝30~35，其觸發(fā)電路必須對(duì)最小逆變角予以限制，保證b＞bmin逆變失敗與最小逆變角的限制第23頁/共51頁整流電路的諧波和功率因數(shù)

3.7.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)

3.7.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析

3.7.3電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析

3.7.4整流輸出電壓和電流的諧波分析3.7第24頁/共51頁許多電力電子裝置要消耗無功功率，會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)帶來不利影響。電力電子裝置還會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害。許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，或由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-93）《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》從1994年3月1日起開始實(shí)施。整流電路的諧波和功率因數(shù)3.7第25頁/共51頁第26頁/共51頁利用傅里葉展開可將非正弦周期量表示為一系列不同頻率的正弦量之和。變流技術(shù)中遇到的非正弦周期量通常都滿足富氏級(jí)數(shù)展開的狄氏條件。

為非正弦周期函數(shù)，

可以用富氏級(jí)數(shù)展開則

設(shè)

3.7.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)第27頁/共51頁時(shí)

為基波

時(shí)為高次諧波

其中：

3.7.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)第28頁/共51頁諧波和無功功率分析基礎(chǔ)1.諧波滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級(jí)數(shù)基波（fundamental）——在傅里葉級(jí)數(shù)中，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n次諧波電流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示

電流諧波總畸變率THDi（TotalHarmonicdistortion）定義為

3.7.1

I1：基波電流有效值In

：n次諧波電流有效值Ih：總諧波電流有效值第29頁/共51頁2.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：

視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即

S=UI

無功功率定義為：Q=UIsinj

功率因數(shù)定義為有功功率P和視在功率S的比值：此時(shí)無功功率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=cosj

3.7.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)第30頁/共51頁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。公用電網(wǎng)中，通常電壓的波形畸變很小，而電流波形的畸變可能很大。因此，不考慮電壓畸變，研究電壓波形為正弦波、電流波形為非正弦波的情況有很大的實(shí)際意義。諧波和無功功率分析基礎(chǔ)

3.7.1第31頁/共51頁非正弦周期電流電路的有功功率

定義：線性電路通過非正弦周期電流時(shí)，其平均功率可定義為一個(gè)周期內(nèi)其瞬時(shí)功率的平均值。

則

式中：設(shè)

非正弦周期電流電路的有功功率第32頁/共51頁1、sinx、cosx、sin2x、cos2x、sin3x、cos3x……sinnx、cosnx……

任何兩個(gè)不同函數(shù)的乘積在一個(gè)周期上的積分為0。首先介紹正交原理,對(duì)于三角函數(shù)系

非正弦周期電流線性電路的有功功率第33頁/共51頁

非正弦周期電流線性電路的平均功率為k次諧波電壓與電流間的相位差。

根據(jù)正交定理代入后展開求解：

式中：分別為k次諧波電壓與電流的有效值當(dāng)電壓中只含有基波分量時(shí)，電路的平均功率為：式中：為基波電流有效值為電源電壓與基波電流間的相位差第34頁/共51頁非正弦電路的有功功率

設(shè)正弦波電壓有效值為U，畸變電流有效值為I，基波電流有效值及與電壓的相位差分別為I1和j

1。這時(shí)有功功率為：P=UI1

cosj

1

功率因數(shù)為：

基波因數(shù)——n

=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)）——cosj

1可見，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。諧波和無功功率分析基礎(chǔ)

3.7.1第35頁/共51頁非正弦電路的無功功率定義很多，但尚無被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義一種簡(jiǎn)單的定義是仿照正弦電路給出的：

這樣定義的無功功率Q反映了能量的流動(dòng)和交換，目前被較廣泛的接受，但該定義對(duì)無功功率的描述很粗糙。諧波和無功功率分析基礎(chǔ)

3.7.1第36頁/共51頁仿照正弦Q=UIsinj

定義無功功率方式，采用符號(hào)Qf，忽略電壓中的諧波時(shí)有：Qf=UI1

sinj

1

在非正弦情況下，，因此引入畸變功率D，使得：這樣則有：

忽略電壓諧波時(shí)

這種情況下，Qf為由基波電流所產(chǎn)生的無功功率，D是諧波電流產(chǎn)生的無功功率。諧波和無功功率分析基礎(chǔ)

3.7.1第37頁/共51頁諧波（harmonics）對(duì)電網(wǎng)的危害：使電網(wǎng)中元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電效率諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、使絕緣老化、壽命縮短諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，使諧波放大，使上述兩項(xiàng)的危害增加，引起嚴(yán)重事故諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，使電能計(jì)量混亂。諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作諧波和無功功率分析基礎(chǔ)

3.7.1第38頁/共51頁無功功率（reactivepower）對(duì)電網(wǎng)的影響：無功功率會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加；無功功率增加，會(huì)使總電流增加，從而使得設(shè)備和線路的損耗增加；無功功率使線路壓降增大，沖擊性無功負(fù)載還會(huì)使電壓劇烈波動(dòng)。諧波和無功功率分析基礎(chǔ)

3.7.1第39頁/共51頁帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析1.單相橋式全控整流電路

忽略換相過程和電流脈動(dòng)，帶阻感負(fù)載，直流電感L為足夠大

變壓器二次側(cè)電流基波諧波分析：

n=1,3,5,…電流中僅含奇次諧波各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)3.7.2第40頁/共51頁功率因數(shù)計(jì)算i2的有效值為I=Id，結(jié)合式可得基波因數(shù)為

電流基波與電壓的相位差就等于控制角，故位移所以，功率因數(shù)為

帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析3.7.2第41頁/共51頁帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析三相橋式全控整流電路阻感負(fù)載，忽略換相過程和電流脈動(dòng)，直流電感L為足夠大以

=30為例，電流為正負(fù)半周各120的方波，其有效值與直流電流的關(guān)系為

3.7.2第42頁/共51頁變壓器二次側(cè)電流諧波分析：

電流基波和各次諧波有效值分別為

電流中僅含6k1（k為正整數(shù)）次諧波各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析3.7.2（2-80）（2-79）第43頁/共51頁功率因數(shù)計(jì)算由上式可得基波因數(shù)為

電流基波與電壓的相位差仍為，故位移因數(shù)仍為

功率因數(shù)為

帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析3.7.2第44頁/共51頁電容濾波的不可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析3.7.31.單相橋式不可控整流電路

實(shí)用的單相不可控整流電路采用感容濾波，由于數(shù)學(xué)表達(dá)式十分復(fù)雜，直接給出有關(guān)的結(jié)論。交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：

（1）諧波次數(shù)為奇次；（2）諧波次數(shù)越高，諧波幅值越?。唬?）與帶阻感負(fù)載的單相全控橋整流電路相比，諧波與基波的關(guān)系是不固定的，wRC越大，則諧波越大，而基波越小。這是因?yàn)椋瑆RC越大，意味著負(fù)載越輕，二極管的導(dǎo)通角越小，則交流側(cè)電流波形的底部就越窄，波形畸變也越嚴(yán)重。（4）

越大，則諧波越小，這是因?yàn)榇?lián)電感L抑制沖擊電流從而抑制了交流電流的畸變。第45頁/共51頁關(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下：

（1）通常位移因數(shù)是滯后的，并且隨負(fù)載加重（wRC

減小）滯后的角度增大，隨濾波電感加大滯后的角度也增大。（2）由于諧波的大小受負(fù)載大?。╳RC）的影響，隨

wRC增大，諧波增大，而基波減小，也就使基波因數(shù)減小，使得總的功率因數(shù)降低。同時(shí)，諧波受濾波電感的影響，濾波電感越大，諧波越小，基波因數(shù)越大，總功率因數(shù)越大。電容濾波的不可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析3.7.3第46頁/共51頁2.三相橋式不可控整流電路實(shí)際應(yīng)用的電容濾波三相不可控整流電路中通常有濾波電感。交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：