2.3-5电容滤波的不可控整流电路和大功率可控整流电路河南理工大学电力电子课件.ppt

好学力行河南理工大学明德任责电力电子技术电力电子技术河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院朱艺锋朱艺锋Email:Email:PowerElectronicsTechnology好学力行河南理工大学明德任责第第2 2章章 整流电路整流电路好学力行河南理工大学明德任责 内容提要内容提要v2.1 单相整流电路单相整流电路v2.2 三相整流电路三相整流电路v2.3 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路v2.4 大功率可控整流电路大功率可控整流电路v2.5 有源逆变电路有源逆变电路v2.6 整流电路的谐波及功率因数整流电路的谐波及功率因数v2.7 晶闸管晶闸管-直流电动机系统直流电动机系统v2.8 相控电路的驱动电路相控电路的驱动电路v2.9 PWM整流电路整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.3电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路2.3.1 电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路2.3.2 电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.3电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路在在交交直直交交变变频频器器、不不间间断断电电源源、开开关关电电源源等等应应用用场场合合中中，大大量量应应用用。由由不不可可控控整整流流电电路路提提供供直直流流电源，供后级的逆变器和斩波器等使用。电源，供后级的逆变器和斩波器等使用。最常用的是最常用的是单相桥单相桥和和三相桥三相桥两种接法。两种接法。由由于于电电路路中中的的电电力力电电子子器器件件采采用用整整流流二二极极管管，故故也也称这类电路为称这类电路为二极管整流电路二极管整流电路。好学力行河南理工大学明德任责2.3.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路常常用用于于小小功功率率单单相相交交流流输输入入的的场场合合，如如目目前前大大量量普普及及的微机、电视机等家电产品中。的微机、电视机等家电产品中。1）工作原理及波形分析工作原理及波形分析图图2-24 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a)电路电路 b)波形波形在在u2正半周正半周过过零点至零点至wt=0期期间间，因，因u2ud，故二极管，故二极管均不均不导导通，通，电电容容C向向R放放电电，提供，提供负载负载所需所需电电流。流。至至wt=0之后，之后，u2将要超将要超过过ud，使得，使得VD1和和VD4开通，开通，ud=u2，交流，交流电电源向源向电电容充容充电电，同，同时时向向负载负载R供供电电。b)0iudq qd dp p2p pw wti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud好学力行河南理工大学明德任责2.3.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路导通角导通角的确定：的确定：b)0iudq qd dp p2p pw wti,udu2过了峰值之后，过了峰值之后，u2和电容电压和电容电压uC都开始下降。都开始下降。VD1和和VD4的关断时刻，从物理意义上讲，就是的关断时刻，从物理意义上讲，就是两个电压下降速度相等的时刻。两个电压下降速度相等的时刻。好学力行河南理工大学明德任责2)主要的数量关系主要的数量关系输出电压平均值输出电压平均值 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iD平均值为：平均值为：ID=Id/2=IR/2 二极管承受的电压二极管承受的电压 空空载时载时，。重重载载时时，Ud逐逐渐渐趋趋近近于于0.9U2，即即趋趋近近于于接接近近电电阻阻负负载载时时的特性。的特性。在在设设计计时时根根据据负负载载的的情情况况选选择择电电容容C值值，使使 ,此此时输时输出出电压为电压为：Ud1.2 U2。2.3.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责感容滤波的二极管整流电路感容滤波的二极管整流电路实际应用为此情况，但分析复杂。实际应用为此情况，但分析复杂。ud波波形形更更平平直直，电电流流i2的的上上升升段段平平缓缓了了许许多多，这这对于电路的工作是有利的。对于电路的工作是有利的。图图2-27感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a）电路图电路图b）波形）波形2.3.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责感感容容滤滤波波的的二二极极管整流电路管整流电路:a)b)u2udi20d dq qp pw wti2,u2,ud2.3.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路b)0iudq qd dp p2p pw wti,ud好学力行河南理工大学明德任责2.3.2电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路1）基本原理基本原理某一对二极管导通时，某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最输出电压等于交流侧线电压中最大的一个大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规按指数规律下降。律下降。图图2-28 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0dqtpp3t好学力行河南理工大学明德任责 电电流流id 断断续续和和连续连续的的临临界条件界条件wRC=在在轻载时轻载时直流直流侧获侧获得的充得的充电电电电流是断流是断续续的，重的，重载时载时是是连续连续的，的，分界点就是分界点就是R=/wC。由由“电压电压下降速度相等下降速度相等”的原的原则则，可以确定，可以确定临临界条件。界条件。假假设设在在wt+d d=2p p/3的的时时刻刻“速度相等速度相等”恰好恰好发发生，生，则则有有由上式可得由上式可得（2-50）2.3.2电电容容滤滤波的三相不可控整流波的三相不可控整流电电路路好学力行河南理工大学明德任责在在轻载时轻载时直流直流侧获侧获得的充得的充电电电电流是断流是断续续的，重的，重载时载时是是连续连续的，分界点就是的，分界点就是R=/wC。图图2-29电电容容滤滤波的三相波的三相桥桥式整流式整流电电路当路当wRC等于和小于等于和小于 时时的的电电流波形流波形 a）wRC=b）wRCa)b)wtwtwtwtaidaidOOOO2.3.2电电容容滤滤波的三相不可控整流波的三相不可控整流电电路路好学力行河南理工大学明德任责考考虑虑实实际际电电路路中中存存在在的的交交流流侧侧电电感感以以及及为为抑抑制制冲冲击击电流而串联的电感时的工作情况：电流而串联的电感时的工作情况：电电流流波波形形的的前前沿沿平平缓缓了了许许多多，有有利利于于电电路路的的正正常常工工作作。随随着着负负载载的的加加重重，电电流流波波形形与与电电阻阻负负载载时时的交流侧电流波形逐渐接近。的交流侧电流波形逐渐接近。图图2-32 考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形 a）电路原理图）电路原理图 b）轻载时的交流侧电流波形）轻载时的交流侧电流波形 c）重载且滤波电感很大时的交流侧电流波形）重载且滤波电感很大时的交流侧电流波形2.3.2电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责2)主要数量关系主要数量关系（1）输出电压平均值）输出电压平均值Ud在（在（2.34U22.45U2）之间变化）之间变化（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 与单相电路情况一样，电容电流与单相电路情况一样，电容电流iC平均值为零，平均值为零，因此：因此：Id=IR二极管电流平均值为二极管电流平均值为Id的的1/3，即：，即：ID=Id/3=IR/3（3）二极管承受的电压）二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为2.3.2电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责小小 结结 重点：重点：1 1）带电容滤波的二极管整流电路的输出）带电容滤波的二极管整流电路的输出 电压范围；电压范围；2 2）该电路的）该电路的RCRC经验取值范围以及对应经验取值范围以及对应的输出电压；的输出电压；2.3带电容滤波的二极管带电容滤波的二极管整流电路整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.4大功率可控整流电路大功率可控整流电路2.4.12.4.1 带平衡电抗器的双反星形带平衡电抗器的双反星形带平衡电抗器的双反星形带平衡电抗器的双反星形 可可可可控控控控整流整流整流整流电路电路电路电路2.4.22.4.2 多重化整流电路多重化整流电路多重化整流电路多重化整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.4大功率可控整流电路大功率可控整流电路引言引言采用大功率器件、器件串并联、整流电路串并联采用大功率器件、器件串并联、整流电路串并联带带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：适用于适用于低电压、大电流低电压、大电流的的场合，简称双反星型电路。场合，简称双反星型电路。多重化整流电路的特点：多重化整流电路的特点：在采用相同器件时可达到更大的功率。在采用相同器件时可达到更大的功率。可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰。减小对供电电网的干扰。好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路为为消消除除直直流流磁磁化化，变变压压器器二二次次侧侧为为两两组组匝匝数数相相同同极极性性相相反反的的绕绕阻阻，分分别别接接成成两两组组三三相半波整流电路。相半波整流电路。v电解电镀领域需用低电压大电解电镀领域需用低电压大电流可调直流电源电流可调直流电源.v思考：采用什么样的拓扑？思考：采用什么样的拓扑？单相单相/三相？半波还是全控桥三相？半波还是全控桥？v采用三相半波电路的并联，采用三相半波电路的并联，电压不变，电流增倍。电压不变，电流增倍。好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路两两组组三三相相半半波波整整流流电电路路直直接接并联并联-六相半波整流电路六相半波整流电路。任任何何时时刻刻仅仅有有一一只只管管导导通通，每每管管最最大大的的导导通通角角为为60o。=0o时时，输输出出电电压压波波形形为为6相正弦的包络线相正弦的包络线；Ud=1.35 U2cos 6相相半半波波整整流流电电路路晶晶闸闸管管导导电电时时间间短短，变变压压器器利利用用率率低低，故极少采用。故极少采用。好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路两两组组三三相相半半波波整整流流电电路路直直接接并联并联-六相半波整流电路六相半波整流电路。=0o 由于由于6个晶闸管阴极接在一起，任意时刻，电压高的一相个晶闸管阴极接在一起，任意时刻，电压高的一相导通后，其它导通后，其它5个管子授反向电压不能导通，任意时刻只有个管子授反向电压不能导通，任意时刻只有一个晶闸管工作，并未真正实现并联工作。一个晶闸管工作，并未真正实现并联工作。如何使正反组如何使正反组同时各有一只管子导通，提高输出电流？同时各有一只管子导通，提高输出电流？解决办法：解决办法：加平衡电抗器加平衡电抗器。好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路图图2-33 2-33 带平衡电抗器的带平衡电抗器的双反星形可控整流电路双反星形可控整流电路平平衡衡电电抗抗器器：带带有有中中心心抽抽头头，数数值值一一般般较较大大；接接在在两两个个星星形的中点间形的中点间；平平衡衡电电抗抗器器作作用用：平平衡衡两两组组三三相相半半波波整整流流电电路路瞬瞬时时电电压压，保保证证两两组组三三相相半半波波整整流流电电路路能同时导通，实现能同时导通，实现并联运行并联运行。与与三三相相桥桥式式电电路路相相比比，双双反反星星形形电电路路的的输输出出电电流流可可大大一一倍倍。v双反星型整流电路双反星型整流电路带平衡电抗器带平衡电抗器好学力行河南理工大学明德任责绕组的极性相反的目的：绕组的极性相反的目的：消除直流磁通势消除直流磁通势如图可知，虽然两组相如图可知，虽然两组相电流的瞬时值不同，但电流的瞬时值不同，但是是平均电流相等平均电流相等而而绕组绕组的极性相反的极性相反，所以直流，所以直流安匝互相抵消。安匝互相抵消。i1、i2的的正负半周对称。正负半周对称。图 双反星形电路，=0时两组整流电压、电流波形2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路好学力行河南理工大学明德任责平平衡衡电电抗抗器器使使得得两两组组三三相相半半波波整整流流电电路路同同时时导导电电的的原理分析原理分析：2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路以以VT1和和VT6同时导通为例；在同时导通为例；在wt1处，处，给两管门极同时加触发，给两管门极同时加触发脉冲。控制角脉冲。控制角=0。好学力行河南理工大学明德任责图2-36 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路在在wt1处，给两管门极同时加触处，给两管门极同时加触发脉冲。控制角发脉冲。控制角=0。等效电路。等效电路如右。如右。由于由于，VT6先导通，先导通，形成负载电流，此电流在形成负载电流，此电流在Lp上上感应一电动势，左负右正，其值感应一电动势，左负右正，其值设为设为up/2，同时在，同时在另一侧感应出另一侧感应出up/2，极性如图。极性如图。两管两管VT1和和VT6共阴极，现以中共阴极，现以中心抽头为参考点，分析两管的阳心抽头为参考点，分析两管的阳极电位。极电位。好学力行河南理工大学明德任责图2-36 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况时时间间推推迟迟至至ub与与ua的的交交点点时时，ub=ua，。之之后后ubub，电电流流才才从从VT6换换至至VT2。此时。此时VT1、VT2同时导通。同时导通。每每一一组组中中的的每每一一个个晶晶闸闸管管仍仍按按三三相相半半波的导电规律而各轮流导通。波的导电规律而各轮流导通。2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路可见，平衡电抗器起到了电势平可见，平衡电抗器起到了电势平衡的作用，补偿了衡的作用，补偿了的电势的电势差差,使得使得VT1和和VT6能够同时导通。能够同时导通。好学力行河南理工大学明德任责由上述分析可得，并联运行时有：由上述分析可得，并联运行时有：图图2-35 平衡电抗器作用下输平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形上电压的波形u,uupd1d2OO60 360 t1ttb)a)uaubucucuaubub2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路好学力行河南理工大学明德任责 =30、=60 和和 =90 时时输输出出电电压压的的波波形形分分析析图图2-37当当 =30、60、90 时，时，双反星形电路的输出电压波形双反星形电路的输出电压波形分分析析输输出出波波形形时时，可可先先求求出出ud1和和ud2波波形形，然然后后根根据据式式（3-98）做出波形）做出波形(ud1+ud2)/2。输输出出电电压压波波形形与与三三相相半半波波电电路路比比较较，脉脉动动程程度度减减小小了了，脉脉动动频率加大一倍频率加大一倍，f=300Hz。电电感感负负载载情情况况下下，移移相相范范围围是是90。电电阻阻负负载载情情况况下下，移移相相范范围围为为120。9090=。6060=。3030=udududw wtOw wtOw wtOuaubucucuaububucucuaububucucuaub2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路好学力行河南理工大学明德任责整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为:Ud=1.17 U2cos 将将双双反反星星形形电电路路与与三三相相桥桥式式电电路路进进行行比比较较可可得得出以下结论：出以下结论：三相桥为两组三相半波三相桥为两组三相半波串联串联，而双反星形为两组三相，而双反星形为两组三相半波半波并联并联，且后者需用平衡电抗器。，且后者需用平衡电抗器。当当U2相等时，双反星形的相等时，双反星形的Ud是三相桥的是三相桥的1/2，而，而Id是是三相桥的三相桥的2倍。倍。两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，样，ud和和id的的波形形状一样，均为波形形状一样，均为6脉波脉波。2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.4.2多重化整流电路多重化整流电路概述：概述：整整流流装装置置功功率率进进一一步步加加大大时时，所所产产生生的的谐谐波波、无无功功功功率率等等对对电电网网的的干干扰扰也也随随之之加加大大，为为减减轻轻干干扰扰，可采用可采用多重化整流电路多重化整流电路。原理：原理：按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流电路进行组合得到。电路进行组合得到。目标：目标：移相多重联结移相多重联结减少交流侧输入电流谐波。减少交流侧输入电流谐波。好学力行河南理工大学明德任责1)移相多重联结移相多重联结图图2-38 并联多重联结的并联多重联结的12脉波整脉波整流电路流电路有有并联多重联结并联多重联结和和串联多串联多重联结重联结。可减少输入电流谐波，减可减少输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小高纹波频率，因而可减小平波电抗器。平波电抗器。使用使用平衡电抗器平衡电抗器来平衡来平衡2组整流器的电流。组整流器的电流。2个三相桥并联而成的个三相桥并联而成的12脉波整流电路脉波整流电路。2.4.2多重化整流电路多重化整流电路好学力行河南理工大学明德任责v移相移相30 构成的串联构成的串联2重联结电路重联结电路图图2-39 移相移相30 串联串联2重联结电路重联结电路图图2-40 移相移相30 串联串联2重联重联结电路电流波形结电路电流波形整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差相位相差30、大小相等的两组电压。、大小相等的两组电压。该电路为该电路为12脉波整流电路。脉波整流电路。星形星形三角形三角形2.4.2多重化整流电路多重化整流电路相移相移60折算到折算到原边原边叠加叠加:d=a+c好学力行河南理工大学明德任责viA基波幅值基波幅值Im1和和n次谐波幅值次谐波幅值Imn分别如下：分别如下：即即输输入入电电流流谐谐波波次次数数为为12k1，其其幅幅值值与与次次数数成成反反比而降低。比而降低。该电路的其他特性如下：该电路的其他特性如下：直流输出电压直流输出电压 位移因数位移因数 cosj j1 1=cos （单桥时相同）（单桥时相同）功率因数功率因数 =cosj j1 1 =0.9886cos,其中其中 为基波因数。为基波因数。2.4.2多重化整流电路多重化整流电路好学力行河南理工大学明德任责利利用用变变压压器器二二次次绕绕阻阻接接法法的的不不同同，互互相相错错开开20，可将三组桥构成，可将三组桥构成串联串联3重联结电路重联结电路：整整流流变变压压器器采采用用星星形形三三角角形形组组合合无无法法移移相相20，需需采用特殊接法，如采用特殊接法，如曲折接法和延边三角形接法曲折接法和延边三角形接法。整整流流电电压压ud在在每每个个电电源源周周期期内内脉脉动动18次次，故故此此电电路路为为18脉波整流电路脉波整流电路。交交流流侧侧输输入入电电流流谐谐波波更更少少，为为18k1次次（k=1,2,3），），ud的脉动也更小。的脉动也更小。输入位移因数和功率因数分别为：输入位移因数和功率因数分别为：cosj j1 1=cos ;=0.9949cos 2.4.2多重化整流电路多重化整流电路好学力行河南理工大学明德任责将将整整流流变变压压器器的的二二次次绕绕组组移移相相15，可可构构成成串串联联4重联结电路重联结电路：为为24脉波整流电路脉波整流电路。其交流侧输入电流谐波次为其交流侧输入电流谐波次为24k1，k=1，2，3 输入位移因数功率因数分别为：输入位移因数功率因数分别为：cosj j1 1=cos;=0.9971cos 采采用用多多重重联联结结的的方方法法并并不不能能提提高高位位移移因因数数，但但可可使使输输入入电电流流谐谐波波大大幅幅减减小小，从从而而也也可可以以在在一一定定程程度度上上提提高高功率因数。功率因数。2.4.2多重化整流电路多重化整流电路好学力行河南理工大学明德任责小小 结结 重点：重点：1 1）带平衡电抗器的双反星型整流电路的）带平衡电抗器的双反星型整流电路的电路结构特点（双反星型、电路结构特点（双反星型、LpLp）和工）和工作特性作特性(与三相桥比与三相桥比)；2 2）多重化整流电路的构成方法、规律及）多重化整流电路的构成方法、规律及优点；优点；2.4大功率可控整流电路大功率可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责补充：单结晶体管触发电路补充：单结晶体管触发电路好学力行河南理工大学明德任责单结晶体管电路单结晶体管电路a)内部结构内部结构b)等效电路等效电路c)电路符号电路符号d)外形外形好学力行河南理工大学明德任责单结晶体管电路单结晶体管电路VD导通时，由于电导调制效应，导通时，由于电导调制效应，Rb1显著下降。电显著下降。电流越大，流越大，Ue随之下降，表现出负阻特性。随之下降，表现出负阻特性。P：峰点：峰点电压和电流；电压和电流；V：谷点电压和电流。：谷点电压和电流。好学力行河南理工大学明德任责单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路弛张振荡电路弛张振荡电路好学力行河南理工大学明德任责单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路好学力行河南理工大学明德任责单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路电振机原理电路电振机原理电路分档控制分档控制好学力行河南理工大学明德任责单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路连续控制连续控制好学力行河南理工大学明德任责小小 结结 重点：重点：1 1）单结晶体管的特性：发射结电压大于）单结晶体管的特性：发射结电压大于 峰点电压则导通，小于谷点电压则截峰点电压则导通，小于谷点电压则截止。峰点电压、谷点电压与单结晶体止。峰点电压、谷点电压与单结晶体管的电源电压成正比。管的电源电压成正比。2 2）单结晶体管弛张振荡触发电路原理：）单结晶体管弛张振荡触发电路原理：电容充电电压达到峰点电压时，单结电容充电电压达到峰点电压时，单结晶体管导通，电容放电形成脉冲；充晶体管导通，电容放电形成脉冲；充电电流越大，脉冲越早。电电流越大，脉冲越早。单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路好学力行河南理工大学明德任责2.5有源逆变电路有源逆变电路2.5.1逆变的概念逆变的概念2.5.2三相桥式有源逆变电路三相桥式有源逆变电路2.5.3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好学力行河南理工大学明德任责2.5.1 2.5.1 逆变的概念逆变的概念1)什么是逆变？为什么要逆变？什么是逆变？为什么要逆变？逆逆变变（InvertionInvertion）把把直直流流电电转转变变成成交交流流电电，整整流流的的逆逆过程过程。逆变电路逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变有源逆变电路电路交流侧和电网连结，能量流向电网。交流侧和电网连结，能量流向电网。应应用用：直直流流可可逆逆调调速速系系统统、交交流流绕绕线线转转子子异异步步电电动动机机串级调速以及高压直流输电、新能源发电并网等。串级调速以及高压直流输电、新能源发电并网等。无无源源逆逆变变电电路路交交流流侧侧不不与与电电网网联联接接，能能量量流流向向负负载载，将在第将在第4 4章介绍章介绍。对对于于可可控控整整流流电电路路，满满足足一一定定条条件件就就可可工工作作于于有有源源逆逆变变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。其电路形式未变，只是电路工作条件转变。好学力行河南理工大学明德任责2)直流发电机直流发电机电动机系统电动机系统电能的流转电能的流转图图2-41直流发电机直流发电机电动机之间电能的流转电动机之间电能的流转a）两电动势同极性）两电动势同极性EG EMb）两电动势同极性）两电动势同极性EMEG c）两电动势反极性，形成短路）两电动势反极性，形成短路电路过程分析。电路过程分析。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。能量能量 能量能量 +-+-a）EG EMb）EGEMc）形成短路形成短路能量能量能量能量+-+-+-+-+-+-电能流向：电能流向：电流从正端流出电流从正端流出输出能量输出能量电流从正端流入电流从正端流入吸收能量吸收能量2.5.1 2.5.1 逆变的概念逆变的概念好学力行河南理工大学明德任责2.5.1 2.5.1 逆变的概念逆变的概念3)逆变产生的条件逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机单相全波电路代替上述发电机交流电网输交流电网输出电功率出电功率电动机输电动机输出电功率出电功率整流：整流：交流电能交流电能直流电能直流电能逆变：逆变：直流电能直流电能交交流电能流电能矿井提升机、电梯、矿井提升机、电梯、电力机车电力机车好学力行河南理工大学明德任责2.5.1 2.5.1 逆变的概念逆变的概念产生有源逆变工作的两个条件：产生有源逆变工作的两个条件：外外部部条条件件：负负载载中中有有直直流流电电动动势势，其极性对晶闸管而言为正向电压。其极性对晶闸管而言为正向电压。内内部部条条件件：晶晶闸闸管管的的控控制制角角 /2，使使变变流流器器直直流流侧侧平平均均电电压压UdUd为为负负值值，且且应应使使|Ud|略略小小于于外外加加电电动势动势|EM|。注注意意：半半控控桥桥或或有有续续流流二二极极管管的的电电路路，因因其其整整流流电电压压u ud d不不能能出出现现负负值值，也也不不允允许许直直流流侧侧出出现现负负极极性性的的电电动动势势，故故不不能能实实现现有有源源逆逆变变。故故实实现现有有源源逆逆变变，只只能采用能采用全控全控电路。电路。u10udu20u10OOttIdidUdEMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12好学力行河南理工大学明德任责注注意意：半半控控桥桥或或有有续续流流二二极极管管的的电电路路，因因其其整整流流电电压压u ud d不不能能出出现现负负值值，也也不不允允许许直直流流侧侧出出现现负负极极性性的的电电动动势势，故故不不能能实实现现有有源源逆逆变变。故故实实现现有有源源逆逆变变，只只能采用能采用全控全控电路。电路。假设可出现负值，进行分析假设可出现负值，进行分析2.5.1 2.5.1 逆变的概念逆变的概念好学力行河南理工大学明德任责逆变和整流的区别：逆变和整流的区别：控制角控制角 不同不同 0 p p/2 时，电路工作在整流状态。时，电路工作在整流状态。p p/2 p p/2时的控制角用时的控制角用 p-p-=b b 表示，表示，b b 称称为为逆逆变变角角，与与 b b 描描述述的的是是同同一一个个脉冲脉冲，逆逆变变角角 b b 和和控控制制角角 的的计计量量方方向向相相反反，其大小自其大小自b b=0的起始点的起始点向左方向左方计量。计量。+b+b=p p；2.5.1 2.5.1 逆变的概念逆变的概念整流电压：整流电压：逆变电压：逆变电压：注：注：=1200 与与 b b=600 为同一脉为同一脉冲：冲：好学力行河南理工大学明德任责v三相桥式电路工作于有源逆变状态。三相桥式电路工作于有源逆变状态。为了实现逆变：为了实现逆变：控控制制角角 p p/2，或或bp bp/2，Ud为上负下正，即为上负下正，即Ud90，则电路仍可工作，但电流断续，电压均，则电路仍可工作，但电流断续，电压均值为值为0。如在负载中加入与晶闸管同向的较大电动势，电。如在负载中加入与晶闸管同向的较大电动势，电流可以连续，电压均值为负值。即为逆变状态。流可以连续，电压均值为负值。即为逆变状态。好学力行河南理工大学明德任责v三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的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如图所示。输出电压波形如图所示。图图2-45三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形 2.5.2 2.5.2 三相桥式有源逆变电路三相桥式有源逆变电路好学力行河南理工大学明德任责v有源逆变状态时各电量的计算：有源逆变状态时各电量的计算：输出直流电流的平均值：输出直流电流的平均值：式中变量均取绝对值。式中变量均取绝对值。每个晶闸管导通每个晶闸管导通2 2p p/3/3，故流过晶闸管的电流有效值为：，故流过晶闸管的电流有效值为：直流直流回路中功率平衡关系为：回路中功率平衡关系为：当逆变工作时，当逆变工作时，直流电源直流电源逆变送到电网的功率为逆变送到电网的功率为U Ud dI Id d。在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：2.5.2 2.5.2 三相桥式有源逆变电路三相桥式有源逆变电路好学力行河南理工大学明德任责2.5.3 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）逆变时，一旦逆变时，一旦换相失败换相失败，外接直流电源就会通，外接直流电源就会通过晶闸管电路过晶闸管电路短路短路，或使变流器的输出平均电压和或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成直流电动势变成顺向串联顺向串联，形成很大形成很大短路电流短路电流。触发电路触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各工作不可靠，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，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。致使晶闸管不能正常换相。晶闸管晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通；发生故障，该断时不断，或该通时不通；交流电源交流电源缺相或突然消失。缺相或突然消失。换相的裕量角换相的裕量角不足，引起换相失败。不足，引起换相失败。1)逆变失败的原因逆变失败的原因形成短路形成短路2.5.3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输出正弦波，均值为输出正弦波，均值为0，短路电流大。，短路电流大。好学力行河南理工大学明德任责整流变压器漏抗（漏感）对变流电路的影响整流变压器漏抗（漏感）对变流电路的影响udidtOtOgiciaibiciaIduaubuca变变压压器器漏漏感感用用LB表表示示，可可限限制制di/dt，有有利利于于开开关关管管的的工工作作。同同时时，在在换换相相时时，要要关关断断的的相相和和要要开开通通的的相相的的电电流流均均不不能能突突变变，因因此此存存在在一一个个两两相相同同时导通的换相过程。时导通的换相过程。换换相相重重叠叠角角换换相相过过程程持持续的时间，用电角度续的时间，用电角度表示。表示。好学力行河南理工大学明德任责整流变压器漏抗（漏感）对变流电路的影响整流变压器漏抗（漏感）对变流电路的影响udidtOtOgiciaibiciaIduaubuca换相过程中，输出电压计算：换相过程中，输出电压计算：如如VT1向向VT2换相时，两相换相时，两相同时导通。同时导通。换换相相过过程程中中，整整流流电电压压ud为为同同时时导导通通的的两两个个晶晶闸闸管管所所对对应应的的两个相电压的平均值两个相电压的平均值。如图。如图。好学力行河南理工大学明德任责v综上，综上，由于由于变压器漏抗的变压器漏抗的存在存在：1）使得使得换相有一个重叠换相有一个重叠过程过程；2）在此在此期间输出电压期间输出电压ud波形为相邻两相电压的波形为相邻两相电压的算术平均值算术平均值，换流重叠角换流重叠角 使使ud的正面积减小而负面积增大，的正面积减小而负面积增大，因此因此 在在a90（逆变）时，（逆变）时，会使平均面积会使平均面积Ud增加增加 Ud（即负的（即负的幅值增大幅值增大）。3）可限制）可限制di/dt，有利于开关管的工作，有利于开关管的工作。4）使电路中的电压波形出现缺口，从而引入了更多的）使电路中的电压波形出现缺口，从而引入了更多的谐波谐波和和干扰。干扰。好学力行河南理工大学明德任责换相重叠角对逆变的影响：换相重叠角对逆变的影响：图图2-46 交流侧电抗对逆变换相过程的影响交流侧电抗对逆变换相过程的影响当当b b g g 时，换相结束时，时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。晶闸管能承受反压而关断。如果如果b b g g 时（从图时（从图2-46右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（管（VT1）会关断，而应关断的晶闸管（）会关断，而应关断的晶闸管（VT3)不能关断，最终导致逆不能关断，最终导致逆变失败。变失败。udOOidw wtw wtuaubucuaubpb bg gb b g giVT1iVTiVT3iVTiVT322如果某一个脉冲丢失，如果某一个脉冲丢失，不能触发后相来关断前项，不能触发后相来关断前项，造成前相继续导通到正半周，造成前相继续导通到正半周，从而形成短路从而形成短路逆变失败逆变失败2.5.3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好学力行河南理工大学明德任责v采用精确可靠的触发电路；采用精确可靠的触发电路；v使用性能良好的晶闸管；使用性能良好的晶闸管；v保证交流电源的质量；保证交流电源的质量；v留出充足的换相裕量角。留出充足的换相裕量角。2)防止逆变失败的措施防止逆变失败的措施2.5.3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好学力行河南理工大学明德任责2.5.3 逆变失败与最小逆变角的限制2)确定最小逆变角确定最小逆变角b bmin的依据的依据逆变时允许采用的最小逆变角逆变时允许采用的最小逆变角b b 应等于应等于b bmin=d d+g g+q q（2-72）d d 晶闸管的关断时间晶闸管的关断时间tq折合的电角度折合的电角度g g 换相重叠角换相重叠角q q安全裕量角安全裕量角 tq大的可达大的可达200300ms，折算到电角度约，折算到电角度约4 5。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。主要针对主要针对脉冲不对称程度（一般可达脉冲不对称程度（一般可达5），），约取约取10。2.5.3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好学力行河南理工大学明德任责g g 换相重叠角的确定：换相重叠角的确定：1)查阅有关手册查阅有关手册举例如下：举例如下：整流电压整流电流变压器容量短路电压比Uk%g g220V800A240kV。A5%15202)参照整流时参照整流时g g 的计算方法的计算方法（2-73）（2-74）根据逆变工作时根据逆变工作时，并设，并设，上式可改写成，上式可改写成这样，这样，b bmin一般取一般取30 35。2.5.3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好学力行河南理工大学明德任责小小 结结 重点：重点：1 1、有源、有源逆变的概念及应用：逆变的概念及应用：2 2、有源逆变的、有源逆变的2 2个条件；个条件；3 3、有源逆变电路的波形分析；