(1.3)--电力电子技术整流逆变.ppt

第第2章：相控整流电路章：相控整流电路 v2.1 单相相控整流电路单相相控整流电路 v2.2 三相相控整流电路三相相控整流电路 v2.3 相控整流电路的换相压降相控整流电路的换相压降 v2.4 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态 v2.5 无源逆变无源逆变整流电路；交流转换为直流整流电路；交流转换为直流 按照输入交流电源的相数按照输入交流电源的相数:单相、三相和多相整流电路；单相、三相和多相整流电路；按电路中组成的电力电子器件控制特性按电路中组成的电力电子器件控制特性:不可控、半控整不可控、半控整流电路；流电路；根据整流电路的结构形式根据整流电路的结构形式:半波、全波和桥式整流电路等半波、全波和桥式整流电路等类型。类型。相控整流电路相控整流电路:电压可调；电压可调；二极管整流电路二极管整流电路:电压固定；电压固定；相控整流电路的类型相控整流电路的类型：2.1 单相相控整流电路单相相控整流电路单相相控整流电路可分为:单相半波相控整流电路单相全波相控整流电路单相桥式相控整流电路它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。图图2.1.1 单相半波可控整流单相半波可控整流 1.电阻性负载电阻性负载(1)电路图电路图（2.1.2）a=30 a=60 2.1.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路ttttu2ugud,iduToooou223u2-UdiuTTuTuuR12dd单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路tUwsin22u2=：控制角：控制角(或移相角或移相角)：导通角：导通角返返回回ttttu2ugud,iduToooou223u2-UdiuVTTuTuuR12dd单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路tUwsin22u2=：控制角：控制角(或移相角或移相角)：导通角：导通角返返回回1)工作原理工作原理在电源正半周在电源正半周 ，晶闸管，晶闸管T T承受正向电压，承受正向电压，tttt R的情况下，负载电压波形图中正负面积相近，的情况下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论即不论为何值，为何值，都有，都有 。2.电感性负载（大电感电感性负载（大电感LLR R）l l图图图图2.1.4 2.1.4 L LR R 时不同时不同时不同时不同 时的电流波形时的电流波形时的电流波形时的电流波形l l 大电感负载时输出平均大电感负载时输出平均大电感负载时输出平均大电感负载时输出平均电压为零，解决的办法是在电压为零，解决的办法是在电压为零，解决的办法是在电压为零，解决的办法是在负载两端并联续流二极管负载两端并联续流二极管负载两端并联续流二极管负载两端并联续流二极管D D，如图，如图，如图，如图2.2.5(a)2.2.5(a)所示。所示。所示。所示。l l图图图图2.1.5 2.1.5 大电感负载接续流管的单相大电感负载接续流管的单相大电感负载接续流管的单相大电感负载接续流管的单相l l 半波整流电路及电流电压波形半波整流电路及电流电压波形半波整流电路及电流电压波形半波整流电路及电流电压波形 在电源电压正半周，在电源电压正半周，负载电流由晶闸管导通提负载电流由晶闸管导通提供；供；电源电压负半周时，电源电压负半周时，续流二极管续流二极管D D维持负载电流；维持负载电流；因此负载电流是一个因此负载电流是一个连续且平稳的直流电流。连续且平稳的直流电流。大电感负载时，负载电流大电感负载时，负载电流波形是一条平行于横轴的波形是一条平行于横轴的直线，其值为直线，其值为I Id；晶闸管与续流管承受的最大电压均为晶闸管与续流管承受的最大电压均为 若设若设若设若设 T T和和和和 D D分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，则容易得出晶闸管的电压平均值为则容易得出晶闸管的电压平均值为则容易得出晶闸管的电压平均值为则容易得出晶闸管的电压平均值为流过续流二极管的电流平均值为流过续流二极管的电流平均值为流过续流二极管的电流平均值为流过续流二极管的电流平均值为流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为 v优点：优点：线路简单，调整方便；线路简单，调整方便；v缺点：缺点：（1）输输出出电电压压脉脉动动大大，负负载载电电流流脉脉动动大大（电电阻阻性性负负载载时时）。（2）整整流流变变压压器器次次级级绕绕组组中中存存在在直直流流电电流流分分量量，使使铁铁芯芯磁磁化化，变变压压器器容容量量不不能能充充分分利利用用。若若不不用用变变压压器器，则则交交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗。流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗。v应用：应用：单单相相半半波波可可控控整整流流电电路路只只适适于于小小容容量量、波波形形要要求求不不高高的的场合。场合。3、单相半波可控整流电路特点：、单相半波可控整流电路特点：2.1.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路 1、阻性负载、阻性负载图图2.1.6 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路带电阻性负载的电路与工作波形带电阻性负载的电路与工作波形（的移相范围是的移相范围是0 0180180）当交流电压当交流电压 u u2 2进入正半周时进入正半周时 ，a a端电位高于端电位高于b b端电位端电位 ，两个晶闸管，两个晶闸管 T T1 1T T2 2同时承受正向电压同时承受正向电压 ，如果此时门极无触发信号，如果此时门极无触发信号u ug g ，则两个晶闸管仍处，则两个晶闸管仍处于正相阻断状态，其等效电阻远远大于负载电阻于正相阻断状态，其等效电阻远远大于负载电阻 RdRd，电源电压，电源电压u u2 2将全部加将全部加在在T T1 1和和T T2 2上上 。在在tt时刻时刻 ，给，给T1T1和和T2T2同时加触发脉冲同时加触发脉冲 ，则两个晶闸管立即触发，则两个晶闸管立即触发导通导通 。在在tt时，同时给时，同时给T1T1和和T2T2加触发脉冲使其导通加触发脉冲使其导通 。当由负半周电压过零变正时，当由负半周电压过零变正时，T3T3和和T4T4因电流过零而关断。在此期间因电流过零而关断。在此期间T1T1和和T2T2因承受反压而截止。因承受反压而截止。由以上电路工作原理可知，在交流电源的正、负半周里，由以上电路工作原理可知，在交流电源的正、负半周里，T1、T2和和T3、T4两组晶闸管轮流触发导通，将交流电源变成脉动的直流电。改变触发脉两组晶闸管轮流触发导通，将交流电源变成脉动的直流电。改变触发脉冲出现的时刻，即改变冲出现的时刻，即改变的大小，、的波形和平均值随之改变。的大小，、的波形和平均值随之改变。工作原理分析：工作原理分析：1、阻性负载参数计算：、阻性负载参数计算：3 3）输出电流的平均值和有效值分别为）输出电流的平均值和有效值分别为2 2）整流输出电压的有效值为）整流输出电压的有效值为 即即U Ud d为最小值时，为最小值时，=180=180，UdUd为最大值时为最大值时=0=0，所以单相全控，所以单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，桥式整流电路带电阻性负载时，的移相范围是的移相范围是0 0180180。1 1）整流输出电压的平均值）整流输出电压的平均值 4 4）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即5 5）流过每个晶闸管的电流有效值为）流过每个晶闸管的电流有效值为6 6）晶闸管承受的最大反向电压为）晶闸管承受的最大反向电压为 U U2 2。7 7）在一个周期内每个晶闸管只导通一次，流过晶闸管的电流）在一个周期内每个晶闸管只导通一次，流过晶闸管的电流波形系数为波形系数为 、的移相范围相等，均为的移相范围相等，均为0 0180180；、输出电压平均值、输出电压平均值U Ud是半波整流电路的倍；是半波整流电路的倍；、在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减、在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减 小一半；小一半；、功率因数提高了、功率因数提高了 倍。倍。通过上述数量关系的分析，通过上述数量关系的分析，电阻负载时，电阻负载时，对单相全对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：2大电感负载大电感负载 图图2.1.8 2.1.8 单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与波形图单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与波形图电路控制角的电路控制角的移相范围为移相范围为0 0/2/2工作原理分析：工作原理分析：当交流电压当交流电压 u u2 2进入正半周时进入正半周时 ，两个晶闸管，两个晶闸管 T T1 1、T T2 2同时承受正向同时承受正向压压 。在。在tt时刻时刻 ，触发触发T1T1和和T2T2导通导通 。但由于大电感的存在，但由于大电感的存在，u2过零变负时，电感上的感应电动势使过零变负时，电感上的感应电动势使T1、T2继续导通，直到继续导通，直到T3、T4被触发导通时，被触发导通时，T1、T2 承受反压而关断。输出电压的波形出现了负承受反压而关断。输出电压的波形出现了负值部分。值部分。当交流电压当交流电压 u2u2进入负半周时，晶闸管进入负半周时，晶闸管 T3T3、T4T4同时承受正压，在同时承受正压，在tt时触发时触发T3T3、T4T4使其导通使其导通 ，T1T1、T2 T2 承受反压而关断。在承受反压而关断。在tt22时电压时电压u2u2过过 零，零，T3T3、T4T4因电感中的感应电动势并不断，直因电感中的感应电动势并不断，直到下个周期到下个周期T1T1、T2T2导通时，导通时，T3T3、T4T4加上反压才关断。加上反压才关断。2大电感负载大电感负载参数计算：参数计算：1 1）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为2 2）整流输出电压有效值为）整流输出电压有效值为3 3）晶闸管承受的最大正反向电压为）晶闸管承受的最大正反向电压为 U U2 2。(0(09090)4）在一个周期内每组晶闸管各导通）在一个周期内每组晶闸管各导通180180，两组轮流导通，两组轮流导通，变压器次级中的电流是正负对称的方波，电流的平均值变压器次级中的电流是正负对称的方波，电流的平均值I Id d和和有效值有效值I I相等，其波形系数为。相等，其波形系数为。5 5）在电流连续的情况下晶闸管流过的平均电流和有效电流）在电流连续的情况下晶闸管流过的平均电流和有效电流 单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器次级中电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器次级中电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器的利用率高。变压器的利用率高。在大电感负载情况下，在大电感负载情况下，接近接近/2时，输出电压的平均值接时，输出电压的平均值接近于零，负载上的电压太小。且理想的大电感负载是不存在的，近于零，负载上的电压太小。且理想的大电感负载是不存在的，故实际电流波形不可能是一条直线，而且在故实际电流波形不可能是一条直线，而且在之前，电流就之前，电流就出现断续。电感量越小，电流开始断续的出现断续。电感量越小，电流开始断续的值就越小。值就越小。6）结论：）结论：图图2.1.9 单相全控桥式整流电路带反电势负载电路与波形图单相全控桥式整流电路带反电势负载电路与波形图3反电势负载反电势负载 导导电电角角时时，整整流流电电流流波波形形出出现现断断流流。其其波波形形如如图图5.2.9(c)5.2.9(c)所所示示，图图中中的的为为停停止止导导电电角角。也也就就是是说说与与电电阻阻负负载载时时相比，晶闸管提前了相比，晶闸管提前了电角度停止导电。电角度停止导电。时，若触发脉冲到来，晶闸管因承受负电压不可能导通。时，若触发脉冲到来，晶闸管因承受负电压不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当 时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样就要求时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样就要求触发角触发角。工作原理：工作原理：3 3反电势负载参数计算反电势负载参数计算(2.2.33)l1）整流器输出端直流电压平均值）整流器输出端直流电压平均值 l2）整流电流平均值）整流电流平均值 返返回回2.2 三相相控整流电路三相相控整流电路 三相整流电路分为三相半波、三相桥式整流电路两大三相整流电路分为三相半波、三相桥式整流电路两大类，实际中由于三相相控桥式整流电路具有输出电压脉动小、类，实际中由于三相相控桥式整流电路具有输出电压脉动小、脉动频率高、网侧功率因数高以及动态响应快的特点，因此脉动频率高、网侧功率因数高以及动态响应快的特点，因此它在中、大功率领域中获得了广泛的应用。它在中、大功率领域中获得了广泛的应用。但是三相半波相控整流电路是基础，其分析方法对研但是三相半波相控整流电路是基础，其分析方法对研究其他整流电路（包括双反星形相控整流和时而脉波相控整究其他整流电路（包括双反星形相控整流和时而脉波相控整流电路）非常有用，其他电路可看成是它的串联或并联。下流电路）非常有用，其他电路可看成是它的串联或并联。下面着重讨论几种常用电路的工作原理。面着重讨论几种常用电路的工作原理。1 1）在）在t1t2期间，期间，t1时刻触发晶闸管时刻触发晶闸管导通，负载上得到相电压导通，负载上得到相电压uA。2 2）在）在t2t3期间，期间，t2时刻触发时刻触发导通，负载上得到导通，负载上得到B相电压相电压uB，关断关断 。3 3）在）在t3 t4时期间，时期间，t3刻触发刻触发导通，负载上得到相电压导通，负载上得到相电压uC，并关断，并关断。2.2.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 1 1、电阻性负载工作原理分析、电阻性负载工作原理分析图图2.2.1 2.2.1 电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形(=0=0)当当=30=30时，时，u ud、i id波形临界连续。波形临界连续。当当=150=150时，整流输出电压为零。时，整流输出电压为零。在在30时，输出电压和电流波形将不再连续；时，输出电压和电流波形将不再连续；在在电电源源交交流流电电路路中中不不存存在在电电感感情情况况下下，晶晶闸闸管管之之间间的的电电流流转转移移是在瞬间完成的；是在瞬间完成的；负载上的电压波形是相电压的一部分；负载上的电压波形是相电压的一部分；晶闸管处于截止状态时所承受的电压是线电压而不是相电压。晶闸管处于截止状态时所承受的电压是线电压而不是相电压。整流输出电压的脉动频率为整流输出电压的脉动频率为 HZ(脉波数脉波数m=3)。结论：结论：三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路电路图u2OwtuaubucuGOwtuT1OwtudOwtiT1Owt三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30时的波形2 2、电阻性负载数量关系、电阻性负载数量关系 若若A相电源输入相电压相电源输入相电压 ，B、C相相应相相应滞后滞后 则有如下数量关系：则有如下数量关系：式中式中2 2为整流变压器二次侧相电压有效值。为整流变压器二次侧相电压有效值。当当30时，负载电流连续，各相晶闸管每周期时，负载电流连续，各相晶闸管每周期轮流导电轮流导电120，即导通角，即导通角T=120。输出电压平均值为。输出电压平均值为 当当=0时整流输出电压平均值时整流输出电压平均值d最大。增大最大。增大，Ud减小，当减小，当=150时，时，Ud=0。所以带电阻性负载的三相。所以带电阻性负载的三相半波相控整流电路的半波相控整流电路的移相范围为移相范围为0150 当当30时，负载电流断续，时，负载电流断续，输出电压平均值输出电压平均值d为为(4)晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压峰值，晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压峰值，即即 ，最大正向电压为电源相电压，即，最大正向电压为电源相电压，即 。（5 5）负载电流的平均值）负载电流的平均值 流过每个晶闸管的平均电流流过每个晶闸管的平均电流流过每个晶闸管的电流有效值为流过每个晶闸管的电流有效值为3 3、大电感负载、大电感负载(1)(1)在在3030时，时，u ud d的波形与电阻性负载时的波形与电阻性负载时相同。相同。(2)30(2)30时时u ud d波形出现部分负压。波形出现部分负压。(3)(3)尽管尽管3030，由于大电感负载的作用，仍，由于大电感负载的作用，仍然使各相晶闸管导通然使各相晶闸管导通120120，保证了电流的连续。，保证了电流的连续。电路特点：电路特点：大电感负载数量关系大电感负载数量关系:流过每个晶闸管的平均电流与有效电流分别为流过每个晶闸管的平均电流与有效电流分别为 当当=0时时Ud最最大大，当当=90时时，Ud=0。因因此此，大大电电感感负负载时，三相半波整流电路的移相范围为载时，三相半波整流电路的移相范围为090。整流输出电压平均值整流输出电压平均值ud为为4 4）续流二极管在一周期内导通三次，其导通角）续流二极管在一周期内导通三次，其导通角D D=3(=3(3030)。1）ud的波形与纯电阻性负载时一样，的波形与纯电阻性负载时一样，Ud的计算公式也一样。的计算公式也一样。2 2）负载电流）负载电流 i id=i=iT1+i+iT2+i+iT3+i+iD。3 3）一周期内晶闸管的导通角）一周期内晶闸管的导通角 T=150=150。5 5）流过晶闸管的平均电流和有效电流分别为）流过晶闸管的平均电流和有效电流分别为6 6）流过续流管的平均电流和有效电流分别为）流过续流管的平均电流和有效电流分别为2.2.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 共阴极组的自然换流点共阴极组的自然换流点(=0(=0),),在在tt1 1、tt、tt时时刻，分别触发刻，分别触发、晶闸管。晶闸管。共阳极组的自然换流点共阳极组的自然换流点(=0(=0),),在在tt、tt、tt时时刻，分别触发刻，分别触发2 2、晶闸管。晶闸管。晶闸管的导通顺序为：晶闸管的导通顺序为：1 12 23 34 45 56 6。1 1、电阻性负载工作原理、电阻性负载工作原理 图图2.2.42.2.4 三相桥式相控整流电路带电阻负载三相桥式相控整流电路带电阻负载 时的情况时的情况2、三相桥式全控整流电路的特点三相桥式全控整流电路的特点 （l l）每个时刻均需）每个时刻均需2 2个不同组的晶闸管同时导通，形个不同组的晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中且不能为同一相的晶闸管；成向负载供电的回路，其中且不能为同一相的晶闸管；（2）对触发脉冲的要求：）对触发脉冲的要求：6个晶闸管的触发脉冲按个晶闸管的触发脉冲按 ug1ug2ug3ug4ug5ug6的顺序（相位依次差的顺序（相位依次差60）分别触发晶闸管分别触发晶闸管123456；共阴极组共阴极组1、3、5的触发脉冲依次相差的触发脉冲依次相差120，共阳极组共阳极组、的触发脉冲也依次差的触发脉冲也依次差 120,同一相的上下两个桥臂，即同一相的上下两个桥臂，即 T1、与、与T4，T3与与 T6，T5与与 T2脉冲相差脉冲相差180；2、三相桥式全控整流电路的特点三相桥式全控整流电路的特点 宽脉冲触发：宽脉冲触发：使脉冲宽度大于使脉冲宽度大于60(一般取一般取80100););双脉冲触发：双脉冲触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差相差60，脉宽一般为，脉宽一般为2030。（3）全控桥触发脉冲类型：）全控桥触发脉冲类型：（4 4）带电阻负载时三相桥式全控整流电路角）带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范的移相范围是围是 120。3、三相桥式全控整流三相桥式全控整流电路电路不同时工作原理不同时工作原理 =30=30时工作波形：时工作波形：图图2.2.5 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 带电阻负载带电阻负载=30=30 时的情况时的情况=60=60时工作波形：时工作波形：图图2.2.6 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 带电阻负载带电阻负载=60=60 时的情况时的情况=90=90时工作波形：时工作波形：图图2.2.7 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 带电阻负载带电阻负载=90=90 时的情况时的情况6 6、大电感负载参数计算、大电感负载参数计算 1）整流输出电压的平均值为）整流输出电压的平均值为（0 09090）2）负载电流平均值为）负载电流平均值为3）流过晶闸管的电流平均值和有效值）流过晶闸管的电流平均值和有效值4）流进变压器次级的电流有效值为流进变压器次级的电流有效值为5）晶闸管承受的最大电压为）晶闸管承受的最大电压为返返回回2.3 相控整流电路的换相压降相控整流电路的换相压降v图图2.3.1 考虑变压器的漏抗后相控整流电路考虑变压器的漏抗后相控整流电路v 的等效电路及输出电压电流的波形的等效电路及输出电压电流的波形 L Ll l为变压器的每相绕组为变压器的每相绕组 折合到二次侧的漏抗折合到二次侧的漏抗 实际工作中，整流变压器存在漏抗，晶闸管之间实际工作中，整流变压器存在漏抗，晶闸管之间的换流不能瞬时完成，会出现参与换流的两个晶闸管的换流不能瞬时完成，会出现参与换流的两个晶闸管同时导通的现象，同时导通的时间对应的电角度称为同时导通的现象，同时导通的时间对应的电角度称为换相重叠角换相重叠角。1 1、换相重叠角、换相重叠角 当当tt时刻触发时刻触发时，相电流不能瞬时上升到时，相电流不能瞬时上升到d d值，相电流不能瞬时下降到零，电流换相需要时间值，相电流不能瞬时下降到零，电流换相需要时间t t，换流重叠角所对应的时间为换流重叠角所对应的时间为t t=/。在重叠角期间，。在重叠角期间，、同时导通，产生一个虚拟电流同时导通，产生一个虚拟电流I Ik k2 2、工作过程、工作过程而整流输出电压为而整流输出电压为由图可知由图可知图中的阴影面积大小为：图中的阴影面积大小为：v图图2.3.1 考虑变压器的漏抗后考虑变压器的漏抗后相控整流电路的等效电路相控整流电路的等效电路1 1）换相压降）换相压降U U 3 3、参数计算、参数计算上式中上式中 是变压器每相漏感折合到二次则的漏电抗。是变压器每相漏感折合到二次则的漏电抗。在图在图2.5.1(a)所示的三相半波可控整流电所示的三相半波可控整流电路中，整流输出电压为路中，整流输出电压为3相波形组合（即相波形组合（即一周期内换相一周期内换相3次），每个周期次），每个周期内有内有3个阴影面积，这些阴影面积之和个阴影面积，这些阴影面积之和3S除以周期除以周期2，即为换相重叠角期间输出，即为换相重叠角期间输出平均电压的减少量，称为换相压降平均电压的减少量，称为换相压降U。换相压降换相压降U正比于负载电流正比于负载电流d d，它相当于整流电源增加了一项等，它相当于整流电源增加了一项等 效电阻效电阻 ，但这个等效内阻并不消耗有功功率。，但这个等效内阻并不消耗有功功率。v上式表明，当上式表明，当L Ll l或或I Id d增大时，增大时，将增大；当将增大；当增大时，增大时，减小。必须指出，如果在负载两端并联续流二极管，减小。必须指出，如果在负载两端并联续流二极管，将不会出现换流重叠的现象，因为换流过程被续流二极将不会出现换流重叠的现象，因为换流过程被续流二极管的存在所改变。管的存在所改变。2 2、换相重叠角、换相重叠角表表2.3.1 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算返返回回2.4 有源逆变工作状态有源逆变工作状态2.4.12.4.1逆变器性能指标与分类逆变器性能指标与分类 1 1）定义：）定义：将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去。的交流电反送到电网去。2 2）应用：）应用：直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。输电和太阳能发电等方面。1 1）定义：）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将直逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载2 2）应用：）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。1 1、有源逆变、有源逆变:2 2、无源逆变、无源逆变：逆变器的性能指标逆变器的性能指标 （1 1）谐波系数）谐波系数HFHF：谐波分量有效值同基波分量有致值：谐波分量有效值同基波分量有致值之比。之比。（2 2）总谐波系数：总谐波系数表征了一个实际波形）总谐波系数：总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。同其基波的接近程度。（5 5）电磁干扰（）电磁干扰（EMIEMI）和电磁兼容性（）和电磁兼容性（EMCEMC）（3 3）逆变效率）逆变效率（4 4）单位重量的输出功率）单位重量的输出功率:衡量逆变器输出率密度的衡量逆变器输出率密度的指标。指标。逆变电路的分类逆变电路的分类 电压型：电压型：输人端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器输人端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。将直流电压变换成交流电压。电流型：电流型：输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。将输入的直流电流变换为交流电流输出。（1 1）、根据输入直流电源特点分类）、根据输入直流电源特点分类 半桥式逆变电路；半桥式逆变电路；全桥式逆变电路；全桥式逆变电路；推换式逆变电路；推换式逆变电路；其他形式：如单管晶体管逆变电路。其他形式：如单管晶体管逆变电路。（2 2）、根据电路的结构特点分类）、根据电路的结构特点分类（3 3）根据换流方式分类）根据换流方式分类（4 4）根据负载特点分类）根据负载特点分类 非谐振式逆变电路非谐振式逆变电路 谐振式逆变电路谐振式逆变电路 负载换流型逆变电路；负载换流型逆变电路；脉冲换流型逆变电路；脉冲换流型逆变电路；自换流型逆变电路。自换流型逆变电路。逆变电路用途逆变电路用途 1 1、可以做成变频变压电源（、可以做成变频变压电源（VVVFVVVF），主要用于交流），主要用于交流电动机调速。电动机调速。2 2、可以做成恒频恒压电源（、可以做成恒频恒压电源（CVCFCVCF），其典型代表为），其典型代表为不间断电源（不间断电源（UPSUPS）、航空机载电源、机车照明，通信等）、航空机载电源、机车照明，通信等辅助电源也要用辅助电源也要用CVCFCVCF电源。电源。3 3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。高频电源等。逆变器的用途十分广泛：逆变器的用途十分广泛：返返回回2.4.2 2.4.2 逆变电路工作原理逆变电路工作原理 开关开关T1、T4闭合，闭合，T2、T3断开：断开：u0=Ud；开开关关T1、T4断断开开，T2、T3闭闭合合：u0=Ud;当当以以频频率率fS交交替替切切换换开开关关T1、T4和和T2、T3时时，则则 在在 电电 阻阻 R上上 获获 得得 如如 图图4.2.4(b)所所示示的的交交变变电电压压波波形形，其其周周期期Ts=1/fS，这这样样，就就将将直直流流电电压压E变变成成了了交交流流电电压压uo。uo含含有有各各次次谐谐波波，如如果果想想得得到到正正弦弦波波电电压压，则则可可通通过过滤滤波波器器滤滤波波获得。获得。单相桥式逆变电路工作原理单相桥式逆变电路工作原理1、主要功能、主要功能:图图4.2.1(a)中主电路开关中主电路开关T1T4，它实际是各种半导体开关器件的，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（断晶闸管（GTO）、功率晶体管（）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（）、绝缘栅晶体管（IGBT）。）。将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。2、工作原理、工作原理：返返回回2.4.3 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理 单相全波整流电路的逆变工作状态单相全波整流电路的逆变工作状态 l单相全波整流电路的整流工作状态单相全波整流电路的整流工作状态 动动画画 （1）一一定定要要有有直直流流电电动动势势源源，其其极极性性必必须须与与晶晶闸闸管管的的导导通通方方向向一一致致，其其值值应应稍稍大大于于变变流流器器直直流流侧侧的的平平均电压。均电压。1、有源逆变的条件：、有源逆变的条件：（2）变流器必须工作在）变流器必须工作在 的区域内，使的区域内，使Ud0。v 因因为为Ra阻阻值值很很小小,其其两两端端电电压压也也很很小小，因因此此，UdE，此此时时电电流流Id从电动机反电势从电动机反电势E的正端注入，直流电机吸收功率。的正端注入，直流电机吸收功率。v 如如果果在在电电机机运运动动过过程程中中使使控控制制角角减减小小，则则Ud增增大大，Id瞬瞬时时值值也随之增大，电动机电磁转矩增大，所以电动机转速提高。也随之增大，电动机电磁转矩增大，所以电动机转速提高。v 随随着着转转速速升升高高，E增增大大，Id随随之之减减小小，最最后后恢恢复复到到原原来来的的数数值值，此此时时电电机机稳稳定定运运行行在在较较高高转转速速状状态态。反反之之，如如果果使使角角增增大大，电电动动机机转转速速减减小小。所所以以，改改变变晶晶闸闸管管的的控控制制角角，可可以以很很方方便便地地对对电电动动机机进进行无级调速。行无级调速。全波整流电路工作在整流状态全波整流电路工作在整流状态 当移相控制角当移相控制角在在0范围内变化时，单相全波整流电路直流范围内变化时，单相全波整流电路直流侧输出电压侧输出电压Ud 0，如图，如图2.6.1所示，电动机所示，电动机M作电机运行。整流器作电机运行。整流器输出功率，电机吸收功率，电流值为输出功率，电机吸收功率，电流值为：式中式中E为电机的反电动势，为电机的反电动势，Ra为电机绕组电阻。为电机绕组电阻。全波整流电路工作在逆变状态全波整流电路工作在逆变状态l整流电路的控制角整流电路的控制角必须在必须在 范围内变化。此时，电流范围内变化。此时，电流I Id d为：为：由由于于晶晶闸闸管管单单向向导导电电性性，Id方方向向仍仍然然保保持持不不变变。如如果果|E|Ud|，则则Id0。电电动动势势的的极极性性改改变变了了，而而电电流流的的方方向向未未变变，因因此此，功功率率的的传传递递关关系系便便发发生生了了变变化化，电电动动机机处处于于发发电电机机状状态态，发发出出直直流流功功率率，整整流流电电路路将将直直流流功功率率逆逆变变为为50Hz的的交交流流电电返返送到电网，这就是有源逆变工作状态。送到电网，这就是有源逆变工作状态。逆逆变变时时，电电流流Id的的大大小小取取决决于于E与与Ud，而而E由由电电机机的的转转速速决决定定，Ud可以调节控制角改变其大小。为了防止过电流，同样应满足可以调节控制角改变其大小。为了防止过电流，同样应满足E Ud的条件。的条件。在在逆逆变变工工作作状状态态下下，虽虽然然控控制制角角在在 间间变变化化，晶晶闸闸管管的的阳阳极极电电位位大大部部分分处处于于交交流流电电压压的的负负半半周周期期，但但由由于于有有外外接接直直流流电电动动势势E的存在，使晶闸管仍能承受正向电压导通。的存在，使晶闸管仍能承受正向电压导通。三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路 图图2.5.3 三相半波有源逆变电路及其波形三相半波有源逆变电路及其波形 图图2.6.4（a）为为三三相相半半波波整整流流器器带带电电动动机机负负载载时时的的电电路路,并并假假设设负载电流连续。负载电流连续。当当在在 范范围围内内变变化化时时，变变流流器器输输出出电电压压的的瞬瞬时时值值在在整整个个周周期期内内虽虽然然有有正正有有负负或或者者全全部部为为负负，但但负负的的面面积积总总是是大大于于正正的的面面积积，故故输输出出电电压压的的平平均均值值Ud为为负负值值。电电机机E的的极极性性具具备备有有源源逆逆变变的的条件。条件。当当在范围在范围 内变化且内变化且 EUd时，可以实现有源逆变。时，可以实现有源逆变。1 1、工作原理、工作原理 2 2、参数计算、参数计算 变变流流器器逆逆变变时时，直直流流测测电电压压计计算算公公式式与与整整流流时时一一样样。当当电电流流连续时，连续时，有：有：式中式中U2为相电压的有效值。为相电压的有效值。由于逆变时由于逆变时90，故，故cos计算不大方便，于是引入逆变角计算不大方便，于是引入逆变角，令令=-，则（，则（2.6.3）改写成：）改写成：逆变角为逆变角为的触发脉冲位置从的触发脉冲位置从=的时刻左移的时刻左移角来确定。角来确定。三相桥式有源逆变电路三相桥式有源逆变电路 1 1、工作原理、工作原理 式中：式中：U2为逆变电路输入相电压，为逆变电路输入相电压，U2L为逆变电路输入线电压。为逆变电路输入线电压。三相全控桥式整流电路用作有源逆变时，就成了三三相全控桥式整流电路用作有源逆变时，就成了三相桥式逆变电路。相桥式逆变电路。三相桥式逆变电路的工作与三相桥式整流电路一样，三相桥式逆变电路的工作与三相桥式整流电路一样，要求每隔要求每隔60依次触发晶闸管，电流连续时，每个管子导通依次触发晶闸管，电流连续时，每个管子导通120，触发脉冲必须是双窄脉冲或者是宽脉冲。，触发脉冲必须是双窄脉冲或者是宽脉冲。直流侧电压计算公式为：直流侧电压计算公式为：或或（2.5.5）（2.5.6）2.4.4有源逆变最小逆变角有源逆变最小逆变角min的限制的限制 如如果果逆逆变变角角小小于于换换流流重重叠叠角角，即即时时，从从图图2.6.5所所示示的的波波形形中中可可清清楚楚看看到到，换换流流还还未未结结束束，电电路路的的工工作作状状态态到到达达uA与与uB交交点点P，从从P点点之之后后，uA将将高高于于uB，晶晶闸闸管管T2承承受受反反压压而而重重新新关关断断，而而应应该该关关断断的的T1却承受正压而继续导通，从而造成逆变失败。却承受正压而继续导通，从而造成逆变失败。因此，为了防止逆变失败，不仅逆变角因此，为了防止逆变失败，不仅逆变角不能等于零，而且不能太小，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。必须限制在某一允许的最小角度内。1 1、逆变失败、逆变失败2 2、最小逆变角、最小逆变角minmin的选取的选取（1）换换相相重重叠叠角角随随电电路路形形式式、工工作作电电流流的的大大小小不不同同而不同，一般选取为而不同，一般选取为15o25o电角度。电角度。（2）晶晶闸闸管管关关断断时时间间tq所所对对应应的的电电角角度度。一一般般tq 大大的可达的可达200300s，折算电角度，折算电角度为为4o5o。（3）安安全全裕裕量量角角。考考虑虑到到脉脉冲冲调调整整时时不不对对称称、电电网网波波动动等等因因素素影影响响，还还必必须须留留有有一一个个安安全全裕裕量量角角，一一般般选取选取为为10o。综上所述，最小逆变角综上所述，最小逆变角min 为：为：设设计计有有源源逆逆变变电电路路时时，必必须须保保证证大大于于min，因因此此，常常在在触触发发电电路路中中附附加加一一保保护护环环节节，保保证证控控制制脉脉冲冲不不进进入入min区域内。区域内。返返回回 它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和它由两个导电臂构成，每个导电