第二章變流器運行1

1、1第二章 變流器運行2ik=ib是逐漸增大的， 而ia=Id-ik是逐漸減小的。當ik增大到等于Id時，ia=0，VT1關斷,換流過程結束。第一節(jié) 換流重疊角變壓器漏感對整流電路的影響 考慮包括變壓器漏感在內的交流側電感的影響，該漏感可用一個集中的電感LB表示。 現(xiàn)以三相半波為例，然后將其結論推廣。VT1換相至VT2的過程：因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時導通，相當于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產生環(huán)流ik。圖2-25 考慮變壓器漏感時的三相半波可控整流電路及波形udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca3第一節(jié) 換流重疊角 換相重

2、疊角換相重疊角換相過程持續(xù)的時間，用電角度g g表示。 換相過程中，整流電壓ud為同時導通的兩個晶閘管所對應的兩個相電壓的平均值。 換相壓降與不考慮變壓器漏感時相比，ud平均值降低的多少。2ddddbakBbkBaduutiLutiLuu（2-30）dB0B6565B6565Bbb6565dbd23d23)(ddd23)(d)dd(23)(d)(3/21IXiLttiLttiLuutuuUIwwwwgaagaagaadkkk（2-31）4第一節(jié) 換流重疊角 換相重疊角g g的計算B2Bab2)65sin(62)(ddLtULuutiwk由上式得：)65sin(26ddB2wwtXUtik進而得

3、出：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2wawwwatXUttXUitk（2-32）（2-33）（2-34）5第一節(jié) 換流重疊角 由上述推導過程，已經求得：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2wawwwatXUttXUitk 當 時， ，于是65gawtdkIig g 隨其它參數變化的規(guī)律： （1） Id越大則g g 越大； （2） XB越大g g 越大； （3） 當a a90 時，a a 越小g g 越大。)cos(cos26B2dgaaXUI（2-35）2dB62)cos(cosUIXgaa（2-36）6第一節(jié) 換流重疊角 變壓器漏抗對各種整

4、流電路的影響變壓器漏抗對各種整流電路的影響 dUdBIXdB2IXdB23IXdB3IXdB2ImX)cos(cosgaa2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIsin22Bd電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路 表2-2 各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計算23U23U注：單相全控橋電路中，環(huán)流ik是從-Id變?yōu)镮d。本表所列通用公式不適用； 三相橋等效為相電壓等于 的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按 代入。23U23U7第一節(jié) 換流重疊角變壓器漏感對整流電路影響的一些結論變壓器漏感對整流電路影響的一些結論:出現(xiàn)換相重疊角g g ，整

5、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。 有時人為串入進線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。換相時晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產生正的du/dt，可能使晶閘管誤導通，為此必須加吸收電路。 換相使電網電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。8第二節(jié) 有源逆變整流電路的有源逆變工作狀態(tài)9一. 逆變的概念1. 什么是逆變什么是逆變？為什么要逆變?yōu)槭裁匆孀儯磕孀儯↖nvertion）把直流電轉變成交流電，整流的逆過程。逆變電路把直流電逆變成交流電的電路。v有源逆變電路交流側和電網連結。 應用：直流可逆調速系統(tǒng)、交流繞線轉子異步電動機串級調速以及高壓直流輸電等。v無

6、源逆變電路變流電路的交流側不與電網聯(lián)接，而直接接到負載，將在第5章介紹。對于可控整流電路，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)，稱為變流電路變流電路。10一. 逆變的概念2. 直流發(fā)電機直流發(fā)電機電動機系統(tǒng)電能的流轉電動機系統(tǒng)電能的流轉圖2-44 直流發(fā)電機電動機之間電能的流轉a）兩電動勢同極性EG EM b）兩電動勢同極性EM EG c）兩電動勢反極性，形成短路 電路過程分析。 兩個電動勢同極性相接時，電流總是從電動勢高的流向低的，回路電阻小，可在兩個電動勢間交換很大的功率。11一. 逆變的概念3. 逆變產生的條件逆變產生的條

7、件單相全波電路代替上述發(fā)電機圖2-45 單相全波電路的整流和逆變a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUd /2，使Ud為負值（見p51圖2-9）。（變流器在其直流側輸出應有一個與整流輸出電壓極性相反的逆變電壓，其平均值小于直流電壓E，吸收電能回送電網。） 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)負值，也不允許直流側出現(xiàn)負極性的電動勢，故不能實現(xiàn)有源逆變。 欲實現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。13二. 逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失敗逆變失?。孀冾嵏玻?逆變時，一旦換相失敗，外接直流電源就會通過晶閘管電路短路短路，或

8、使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯(lián)順向串聯(lián)，形成很大短路電流短路電流。v觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時、準確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時等，致使晶閘管不能正常換相。v晶閘管發(fā)生故障，該斷時不斷，或該通時不通。v交流電源缺相或突然消失。v換相的裕量角不足，引起換相失敗。1. 逆變失敗的原因逆變失敗的原因14二.逆變失敗與最小逆變角的限制換相重疊角的影響：圖2-47 交流側電抗對逆變換相過程的影響 當b g 時，換相結束時，晶閘管能承受反壓而關斷。 如果b g 時（從圖2-47右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT2）會關斷，而應關斷的晶閘管（VT1)不能關斷，最

9、終導致逆變失敗。 udOOidwtwtuaubucuaubpbgb giVT1iVTiVT3iVTiVT32215二. 逆變失敗與最小逆變角的限制2. 確定確定最小逆變角最小逆變角b bmin的依據的依據逆變時允許采用的最小逆變角b b 應等于b bmin=d d +g g+q q （2-109）d d 晶閘管的關斷時間tq折合的電角度g g 換相重疊角q q安全裕量角tq大的可達200300ms，折算到電角度約45。隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。主要針對脈沖不對稱程度（一般可達5）。值約取為10。16二. 逆變失敗與最小逆變角的限制g g 換相重疊角的確定：1.查閱有關手冊 舉例如下

10、：整流電壓 整流電流變壓器容量短路電壓比Uk%g g220V800A240kV。A5%15202.參照整流時g g 的計算方法mUXIBdgaasin2)cos(cos2（2-110）（2-111）根據逆變工作時 ，并設 ，上式可改寫成bagbmUXIBdgsin21cos2 這樣， b bmin一般取3035。17三. 三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)逆變和整流的區(qū)別逆變和整流的區(qū)別：控制角 a a 不同 0a a /2 時，電路工作在整流狀態(tài)。 /2 a a /2時的控制角用 a a = b b表示，b b 稱為逆變角逆變角。 逆變角b b和控制角a a的計量方向相反，其大小自b =0的起

11、始點向左方計量。18三. 三相橋式電路的有源逆變工作狀態(tài) 三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖2-46所示。圖2-46 三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時的電壓波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb =4b =3b =6b =4b =3b =6wt1wt3wt2動畫演示19三. 三相橋電路的有源逆變工作狀態(tài)有源逆變狀態(tài)時各電量的計算：REUIdv輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式，即bbc

12、os35. 1cos34. 222UUUd（2-105）v每個晶閘管導通2 /3，故流過晶閘管的電流有效值為：ddVTIII577. 03（2-106）v從交流電源送到直流側負載的有功功率為：dMddIEIRP2（2-107）v當逆變工作時，由于EM為負值，故Pd一般為負值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。（2-108）v在三相橋式電路中，變壓器二次側線電流的有效值為：ddVTIIII816.03222202.3 變流器外特性 2.3.1 整流器外特性 2.3.2 有源逆變器外特性21變流器外特性整流器的外特性理想空載電壓：負載端電壓=電源端電壓即：但是：導線阻抗，電壓降隨I變化換流壓降：

13、R2管壓降：（半波*1，橋式*2）電源及導線電阻注：R2：換流重疊角引起電壓的變化的等效電阻注：R2為等效電阻，與R1相位相同（非電感性負載）MdEU U222.3.1 工作于整流狀態(tài)時 此時，整流電路直流電壓的平衡方程為 （2-112） 式中， 。 為電動機的反電動勢 負載平均電流Id所引起的各種電壓降，包括： 變壓器的電阻壓降 電樞電阻壓降 由重疊角引起的電壓降 晶閘管本身的管壓降，它基本上是一恒值。系統(tǒng)的兩種工作狀態(tài)：電流連續(xù)工作狀態(tài) 電流斷續(xù)工作狀態(tài)UIREUdMd23BMBXRRRMEdIRBdRIMdRI)2(3dBIXU23一. 工作于整流狀態(tài)時 轉速與電流的機械特性關系式為 1

14、. 電流連續(xù)時電動機的機械特性電流連續(xù)時電動機的機械特性 在電機學中，已知直流電動機的反電動勢為nCEeM（2-113）可根據整流電路電壓平衡方程式（2-112），得UIRUEdMacos17. 12（2-114）edeCUIRCUnacos17. 12（2-115）圖2-49 三相半波電流連續(xù)時以電流表示的電動機機械特性 其機械特性是一組平行的直線，其斜率由于內阻不一定相同而稍有差異。 調節(jié)a a 角，即可調節(jié)電動機的轉速。Ona1a260a)3cos(22aU 當Id減小至某一定值Id min以后，電流變?yōu)閿嗬m(xù)，這個 是不存在的，真正的理想空載點遠大于此值。0E 圖2-50 電流斷續(xù)時電動

15、勢的特性曲線斷續(xù)區(qū)特性的近似直線斷續(xù)區(qū)連續(xù)區(qū)EE0E0OIdminId(0.585U2)( U2)225一. 工作于整流狀態(tài)時電流斷續(xù)時電動機機械特電流斷續(xù)時電動機機械特性的特點：性的特點：圖2-50 電流斷續(xù)時電動勢的特性曲線 電流斷續(xù)時理想空載轉速抬高。 機械特性變軟，即負載電流變化很小也可引起很大的轉速變化。 隨著a 的增加，進入斷續(xù)區(qū)的電流值加大。斷續(xù)區(qū)特性的近似直線斷續(xù)區(qū)連續(xù)區(qū)EE0E0OIdminId(0.585 U2)( U2)2Oa3a2a1Id分界線斷續(xù)區(qū)連續(xù)區(qū)a5a4E0E圖2-51 考慮電流斷續(xù)時不同a 時反電動勢的特性曲線a a 1 a 2 a 3 a 460 26工作

16、于整流狀態(tài)時整流電路接反電動勢負載時，負載電流斷續(xù)，對整流電路和電動機的工作都很不利。圖2-48 三相半波帶電動機負載且加平波電抗器時的電壓電流波形通常在電樞回路串聯(lián)一平波電抗器，保證整流電流在較大范圍內連續(xù)，如圖2-48。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR272有源逆變器的外特性有源逆變器的外特性 有源逆變器的外特性（電路不變，只是工作狀態(tài)改變）要求：1） 與整流電勢相反。 2）在電路公式中，不考慮符號，而只用絕對值（公式中已考慮符號。負載特性曲線28二. 工作于有源逆變狀態(tài)時1. 電流連續(xù)時電動機的機械特性電流連續(xù)時電動機的機械特性電流連續(xù)時的機械特性由 決

17、定的。 逆變時由于 ， 反接，得 因為EM=Cen，可求得電動機的機械特性方程式RIEUdMdbcos0ddUUME)cos(0RIUEddMb（2-122)cos(10RIUCnddeb（2-123)圖2-52 電動機在四象限中的機械特性正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a =b =2a =b =2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向29二. 工作于有源逆變狀態(tài)時2. 電流斷續(xù)時電動機的機械特性電流斷續(xù)時電動機的機械特性 可沿用整流時電流斷續(xù)的機械特性表達式，把 代入式（2

18、-117）、式（2-118）和式（2-119），便可得EM、n與Id的表達式。三相半波電路為例：baqqbqbtantan21)67sin()67sin(cos2ccMeeUE(2-124)qqbqbtantan2)67sin()67sin(cos2cceeMeeCUCEn(2-125)2)67cos()67cos(cos22322nUCZUIedqqbb(2-126)30二. 工作于有源逆變狀態(tài)時 逆變電流斷續(xù)時電動機的機械特性，與整流時十分相似：圖2-52 電動機在四象限中的機械特性 理想空載轉速上翹很多，機械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性。 逆變狀態(tài)的機械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)。 縱觀控制角 變化

19、時，機械特性得變化。a第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標以正組和反組變流器。正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a =b =2a =b =2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向31第四節(jié) 電路的諧波32第四節(jié) 整流電路的諧波引言 隨著電力電子技術的發(fā)展，其應用日益廣泛，由此帶來的諧波(harmonics)和無功(reactive power)問題日益嚴重，引起了關注。無功的危害：v導致設備容量增加。v使設備和線路

20、的損耗增加。v線路壓降增大，沖擊性負載使電壓劇烈波動。諧波的危害：v降低設備的效率。v影響用電設備的正常工作。v引起電網局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。v導致繼電保護和自動裝置的誤動作。v對通信系統(tǒng)造成干擾。33一. 諧波分析基礎1. 諧波諧波對于非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級數傅里葉級數： n次諧波電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）定義為 %1001IIHRInn%1001IITHDhi正弦波電壓可表示為：)sin(2)(utUtuw 基波（fundamen

21、tal）頻率與工頻相同的分量 諧波諧波頻率為基波頻率大于頻率為基波頻率大于1整數倍的分量整數倍的分量 諧波次數諧波頻率和基波頻率的整數比342. 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析 整流電路的輸出電壓中主要成分為直流，同時包含各種頻率的諧波，這些諧波對于負載的工作是不利的。圖2-33 a =0時，m脈波整流電路的整流電壓波形a a =0 時，m脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析。v整流輸出電壓諧波分析整流輸出電壓諧波分析v整流輸出電流諧波分析整流輸出電流諧波分析v詳見書詳見書P580.80.91圖 2-330.81udwtOmm2mU22352. 整流輸出電壓和電

22、流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析a =0時整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：vm脈波整流電壓ud0的諧波次數為mk（k=1，2，3.）次，即m的倍數次；整流電流的諧波由整流電壓的諧波決定，也為mk次。v當m一定時，隨諧波次數增大，諧波幅值迅速減小，表明最低次（m次）諧波是最主要的，其它次數的諧波相對較少；當負載中有電感時，負載電流諧波幅值dn的減小更為迅速。vm增加時，最低次諧波次數增大，且幅值迅速減小，電壓紋波因數迅速下降。 362. 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析a a 不為不為0 時的情況時的情況：v整流電壓諧波的一般表達式十分復雜，下面只說明諧波電壓與

23、a a 角的關系。030120 150 1806090n=6n=12n=18a/()U2Lcn2圖2-34 三相全控橋電流連續(xù)時，以n為參變量的與a a 的關系v以n為參變量，n次諧波幅值對a a 的關系如圖2-34所示： 當a a 從0 90 變化時，ud的諧波幅值隨a a 增大而增大， a a =90 時諧波幅值最大。 a a 從90 180之間電路工作于有源逆變工作狀態(tài)，ud的諧波幅值隨a a 增大而減小。37二. 負載諧波的影響干擾電源，諧波使電源波形變壞（畸變）。使得功率因數下降，損耗上升（電機負載）產生射頻干擾38三. 電源中諧波的影響殃及電網其他用戶，3N-1次

24、諧波產生逆轉矩。3N次諧波產生中線電流（中線過載，變壓器直流磁化）。影響電力系統(tǒng)的正常運行。測量儀表精度下降。39第五節(jié) 功率因數40一. 功率因數的分析基礎2. 功率因數功率因數正弦電路中的情況電路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率：w20cos)(21UItuidP（2-59） 視在功率視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI （2-60） 無功功率無功功率定義為： Q=U I sin （2-61） 功率因數功率因數l 定義為有功功率P和視在功率S的比值：SPl（2-62） 此時無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關系：222QPS（2-63） 功率因數是由電壓和電流的相

25、位差 決定的：l l =cos （2-64）41一. 功率因數的分析基礎 非正弦電路中的情況 有功功率、視在功率、功率因數的定義均和正弦電路相同，功率因數仍由式 定義。 不考慮電壓畸變，研究電壓為正弦波、電流為非正弦波的情況有很大的實際意義。SPlv非正弦電路的有功功率 ：P=U I1 cos 1 （2-65）v功率因數功率因數為：11111coscoscoslIIUIUISP（2-66） 電流畸變因數（基波因數）電流畸變因數（基波因數）n =I1 / I，即基波電流有效值和總電流有效值之比 位移因數位移因數（基波功率因數）cos 1v功率因數由基波電流相移基波電流相移和電流波形畸變電流波形畸

26、變這兩個因素共同決定的。42一. 功率因數的分析基礎v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而權威的定義。 一種簡單的定義是仿照式（2-63）給出的： （2-67）22PSQ 無功功率Q反映了能量的流動和交換，目前被較廣泛的接受。 也可仿照式（2-61）定義無功功率，為和式（2-67）區(qū)別，采用符號Qf，忽略電壓中的諧波時有：Q f =U I 1 sin 1 (2-68）v在非正弦情況下， ，因此引入畸變功率畸變功率D，使得： （2-69）222fQPS2222DQPSfvQ f為由基波電流所產生的無功功率，D是諧波電流產生的無功功率。43二. 可控整流電路交流側功率因數分析1

27、. 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路忽略換相過程和電流脈動，帶阻感負載，直流電感L為足夠大（電流i2的波形見圖2-22）i2OwtdLLL,5,3,1,5,3,12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnItttIiwwwwwdd（2-38）變壓器二次側電流諧波分析：nIInd22n=1,3,5,（2-39） 電流中僅含奇次諧波。 各次諧波有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。44二. 可控整流電路交流側功率因數分析 基波電流有效值為 （2-74） i2的有效值I= Id，結合式（2-74）可得基波因數為 （2-75）電流基波與電壓的相位差就等于控制角a a ，故位移因數為 （2-76） 所以，功率因數為 d122II9 . 0221IIaallcos9.0cos22cos111IIalcoscos11（2-77） 功率因數計算功率因數計算45二. 可控整流電路交流側功率因數分析2.三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路圖2-23 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=30時的波形阻感負載，忽略換相過程和電流脈動，直流電感L為足夠大。以a a =30為例，