第2章 電力電子XB和有源

西南交通大學(xué)電力電子技術(shù)Power

Electronics僅內(nèi)部使用

郭小舟T2環(huán)流使T1T3的電流增大、T2T4的電流減小。當(dāng)iT13的電流等于Idu2由于電壓源的電流可以跳變,換西南交通大學(xué)§2-8變壓器漏抗對整流電路的影響1.

變壓器漏抗為零時整流電路換流分析設(shè)電感很大,換流時直流電流保持不變。初始時T2T4導(dǎo)通。在wt=a處觸發(fā)T1T3。設(shè)在一段時間內(nèi)，T1T3T2T4均導(dǎo)流所需時間為零。T1

通，于是形成了兩個短路環(huán)。ikT4

T3

或iT24的電流為零，換流完成。+

-ik2.當(dāng)變壓器漏抗不為零時，交流電源等效為一個理想電壓源與一個電感的串聯(lián)(忽略電阻)。僅內(nèi)部使用

郭小舟dik

dikT1T2u2T3-ik

+T4ik同樣，在a處觸發(fā)T1T3。T1T3T2T4均導(dǎo)通，形成了兩個短路環(huán)并產(chǎn)

dikdwt生環(huán)流如圖。于是有：

u2

=

2L

=

2wL

=

2X

B

dt

dwtu2

=

2U2

sinwtik

=ò

2U22X

B

2U22X

B(-coswt)+Csinwtd(wt)

=邊界條件：wt=a，ik=0，代入上式求C，再回代得(cosa

-coswt)

a

￡wt

￡a

+g

西南交通大學(xué)

2U22X

Bik

=僅內(nèi)部使用

郭小舟2U22X

BòIdId

=

[cosa

-cos(a

+g)]

2X

B

cosa

-cos(a

+g)

=

Id

2U2代入得

或在換流期間，兩組晶閘管同時導(dǎo)通(時間上重疊)，所以g稱換流重疊角。由于在g期間四個開關(guān)都導(dǎo)通ud=0,與無XB的情況相比產(chǎn)生了“換相電壓損失”DUd：2X

B

p西南交通大學(xué)

1p2U2

p2U2

sinwtd(wt)[cosa

-cos(a

+g)]==DUd

=

a+ga

僅內(nèi)部使用

郭小舟這表明XB不為零時，換流不能跳變完成。設(shè)換流所需時間對應(yīng)的角度為g，當(dāng)wt=a+g，ik=Id換流完成：

udiT13

i2ωtωtωtπ+aaggId

=Ud0

-

ReqId2X

B

pUd

=

0.9U2

cosa

-有、無XB時電路的主要波形和代維南等效電路如圖。3.當(dāng)XB不為零時整流電路分析方法(以三相橋?yàn)槔?a.

作出換流等效電路。例如換相前T1T2，換相完成后為T2T3，則在換相中T123均導(dǎo)通。換相前后T2狀態(tài)不變。電路是T1與T3交換。等效電路是：

西南交通大學(xué)

ReqUdo

+Ud

-+-id僅內(nèi)部使用

郭小舟T1T2T3ucuaubikb.根據(jù)換流等效電路寫、解方程設(shè)環(huán)流為ik方向如圖。

dikdwtub

-ua

=

2X

Bub

-ua

=

uba

=

6U2

sinwt

邊界條件：wt=a，ik=0(cosa

-coswt)

a

￡wt

￡a

+g

6U22X

Bik

=設(shè)換流所需時間為g，當(dāng)wt=a+g，ik=Id換流完成：Id2X

B

6U2cosa

-cos(a

+g)

=c.計(jì)算換相電壓損失

西南交通大學(xué)僅內(nèi)部使用

郭小舟ò

a

ubc

-(uac

+ubc)/2d(wt)

=

2p

ò

a

ubad(wt)ò

a

sinwtd(wt)

=

p

Id西南交通大學(xué)換相前輸出電壓：ud=uac換相后輸出電壓：ud=ubc-uc-uc

dikdwt

dikdwtT1T3T2ucuaubik

換相中輸出電壓從a相

ud

=ua

+

X

B看：從b相

ud

=ub

-

X

B看：ud

=

(uac

+ubc)/2

ud=(進(jìn)入+退出)/2

1p

/33

6U2

a+g

3X

B

2pa+g

3

a+g=兩式相加：

DUd

=僅內(nèi)部使用

郭小舟Id

=Ud0

-ReqId3X

B

pcba=30

°udiT1

iaa

g

ab

ac

bc

ba

cag

輸出電壓

Ud

=

2.34U2

cosa

-d.主要波形圖當(dāng)變壓器漏抗不為零時，電路換相不能瞬時完成；晶閘管的導(dǎo)通時間延長；產(chǎn)生換相電壓損失；使電流基波相位滯后并影響電流的波形。并使變壓器副邊電壓畸變關(guān)于等效電阻在整流器的代維南等效電路中有Req等效電阻。它只對電壓計(jì)算等效。只能用來計(jì)算直流電壓和電流。

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郭小舟考察兩個直流電源構(gòu)成的回路。若Ud1大于Ud2，則電能由Ud1發(fā)出，Ud2接收。標(biāo)志是I由Ud1+流出從Ud2-流入。IR+

-Ud2-

++

-Ud1-

+反之若I由Ud2+流出從Ud1-流入則電能由Ud2發(fā)出Ud1接收如果電流方向不能改變，例如整流器，要讓電能從Ud2流入U(xiǎn)d1則必須同時改變兩個電源的極性。

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用

郭小舟

§2-9

整流電路的有源逆變運(yùn)行1.有源逆變的概念逆變是整流的相反過程，即直流到交流的變換。這里源指電網(wǎng)。即電路依靠電網(wǎng)換相，將交流電網(wǎng)當(dāng)作電路的負(fù)載，或者說將能量返回交流電網(wǎng)。2.電路中能量的流向

udidpdωtωtωtπ+a

+-

a

+-為使電源E發(fā)出電功，應(yīng)當(dāng)將其方向倒置，使它與id方向一致;要讓等效的整流電源接收電能，必須使Ud的極性顛倒，并使E>Ud。如何實(shí)現(xiàn)Ud變號？令a>π/2。

西南交通大學(xué)u2T1T4T2

-

T3+idLdR+E-+Ud-

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郭小舟3.有源逆變的實(shí)現(xiàn)條件考查圖示可控整流電路。若id為單位值，則ud也表示了功率值。Pd為正表示負(fù)載從電網(wǎng)吸收能量；負(fù)表示能量從負(fù)載流向電網(wǎng)。在這種情況下直流電源E吸收電能。電能主要由電網(wǎng)流向負(fù)載。T1T4

T2u2

-

T3+idLdR-E++Ud-在正半周wt=a使T1T3導(dǎo)通，起初u2與E正向串聯(lián)，二者均發(fā)出電功，電阻與電感吸收電功。當(dāng)u2過零變負(fù)時，u2與E反向串聯(lián)，u2開始接收電功。在|E|>|u2|時E驅(qū)動id流動，電感儲能。當(dāng)|u2|>|E|后，id有減小的趨勢，電感產(chǎn)生電感電勢。在E和電感電勢的共同驅(qū)動下，id繼續(xù)流動，直到wt=

π+

a，T2T4導(dǎo)通T1T3關(guān)斷。電路在負(fù)半周的工作情況與正半周類似。

西南交通大學(xué)aπudiT1i2

2π

ωtπ+a

ωt

ωt僅內(nèi)部使用

郭小舟西南交通大學(xué)從電路中知電流從E的正流出表示E發(fā)出電功；Ud的平均值為負(fù)表示Ud吸收了電功，而交流電流i2滯后u2的相角大于90度，表明電網(wǎng)吸收電功。從上分析知4.可以實(shí)現(xiàn)有源逆變的相控整流電路全控電路，沒有續(xù)流路徑的可控整流電路有源逆變電路是某些相控整流電路的另一種運(yùn)行方式。只要滿足條件，它們就用與整流完全相同的過程實(shí)現(xiàn)能量的逆轉(zhuǎn)。所以不必將電路分為整流與有源逆變。它們是同一電路，遵循同一規(guī)則，有相同的計(jì)算式。有源逆變的實(shí)現(xiàn)條件1)必須有外部直流電源其極性與電流一致2)保證Ud為負(fù)或a>π/2。且|E|>|Ud|。僅內(nèi)部使用

郭小舟ò

aId

=以下分析是要說明整流與有源

ud逆變是同一電路，遵循同一規(guī)

iT1則。只要滿足條件就能實(shí)現(xiàn)能量的逆轉(zhuǎn)。

i21)單相橋：工作過程已經(jīng)在上

2π

ωtπ+a

ωt

ωt2

2U2

pcosa

=

0.9U2

cosaUd

=

1

p+ap

邊作為例子說明。從波形圖知電路的計(jì)算式與整流完全相同波形。例如當(dāng)XB不等于零時它也有換流重疊角g。在g期間，輸出電壓為零。也要產(chǎn)生換相電壓損失。

西南交通大學(xué)2U2

sinwtd(wt)

=

|

E

|-|Ud

|

Rπ

π+aa

a

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郭小舟5.有源逆變電路分析X

BIdId西南交通大學(xué)2)三相半波：設(shè)電路已經(jīng)滿足逆變條件。控制角a>π/2直流電感很大，電流連續(xù)平直。wt

ubwt1

ucwt2

uawt3aaaT1T2T3abc+ud-

Ld

R-E+當(dāng)a=150°，在wt1處觸發(fā)T1，雖然此時ua為零，但T1承受正向電壓而能導(dǎo)通。(或uAK1=uac>0)E

ReqUdo

+Ud

-+-id

2p

2X

B

2U2

Ud

=

0.9U2

cosa

-cosa

-cos(a

+g)

=僅內(nèi)部使用

郭小舟+aò+a西南交通大學(xué)

32p

5p

6p

62U2

sinwtd(wt)

=1.17U2

cosaUd

=

僅內(nèi)部使用

郭小舟在|E|>|ua|期間，E克服ua驅(qū)動電流流動，同時電感儲能。當(dāng)|E|<|ua|時，電流有衰減趨勢，電感產(chǎn)生感生電勢，或釋放儲能，它與E一道驅(qū)動電流流動。直到在wt2處T2觸發(fā)，T1被反壓關(guān)斷。

(或uAK1=uab<0)其它兩相工作過程相同。輸出電壓波形如圖。當(dāng)a在π/2到π范圍內(nèi)變化時輸出電壓總是負(fù)面積多于正面積，即平均值為負(fù)。從變壓器副邊電流波形看，電流主要在電壓波形的負(fù)半周，表示交流電源吸收了電能。三個晶閘管輪流依次工作1/3周期，與整流時相同。電路的輸出：根據(jù)波形圖可得|

E

|-|Ud

|

RId

=Id1

3IT

=Id1

3I2

=計(jì)算式與整流時完全相同。同樣當(dāng)XB不為零時也存在換流重疊角，規(guī)則也與整流時完全一樣。有源逆變是整流電路的另一種運(yùn)行方式，不是一種特殊的電路。在三相半波電路中當(dāng)a<π/2時為整流狀態(tài)；

a=π/2時為中間狀態(tài)；

a>π/2時為逆變狀態(tài)(滿足逆變條件)。

西南交通大學(xué)uaubuc整流逆變中間狀態(tài)

wtaaa僅內(nèi)部使用

郭小舟西南交通大學(xué)+ud-Ld

R-E+T1T3T5abcT4T6T2ab

ac

bc

ba

cacbiT1iaud

僅內(nèi)部使用

郭小舟3)三相橋式電路：設(shè)電路已經(jīng)滿足逆變條件?？刂平莂>π/2。直流電感很大，電流連續(xù)平直。根據(jù)整流電路的知識，很容易得到電路的工作波形。圖為a=150°時的電路輸出。當(dāng)XB不為零時，存在換流重疊角，此時輸出電壓為進(jìn)入線電壓與退出線電壓之和的一半。計(jì)算同整流。

a在三相橋中當(dāng)a<π/2時為整流狀態(tài)；

a=π/2時為中間狀態(tài)；

a>π/2時為逆變狀態(tài)(滿足逆變條件)。6.有源逆變的失敗與控制角的限制在正常情況下，直流電勢E與整流電壓Ud平衡，直流電流Id為限定值。但若因某些原因造成E與Ud順向串聯(lián)或E短路，產(chǎn)生巨大電流，稱逆變失敗或逆變顛覆。

西南交通大學(xué)整流中間狀態(tài)逆變wtaaa僅內(nèi)部使用

郭小舟如圖本該在wt1使T2導(dǎo)通T1關(guān)斷。但T2不通則T1不斷。于是電路不能輸出

Ud，引起逆變失敗。2)控制系統(tǒng)錯誤導(dǎo)致觸發(fā)信號丟失或延遲。前者與1)類似，后者使晶閘管不能正常換相。3)交流電源異常，如缺相，瞬間斷電等。有源逆變依靠交流電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷。沒有交流電壓是不能工作的。4)控制角不適當(dāng)使晶閘管不能關(guān)斷。其中最后一個原因是設(shè)計(jì)問題。作重點(diǎn)討論。

西南交通大學(xué)wtab

cwt1

僅內(nèi)部使用

郭小舟導(dǎo)致逆變失敗或逆變顛覆的原因有：1)晶閘管故障，該通的不通導(dǎo)致該斷的不斷。仍以三相半波電路為例。研究晶閘管兩端的電壓波形可看出，它的關(guān)斷是因它承受了反壓。a增大反壓時間縮短。由于晶閘管關(guān)斷需要一段時間。wtab

a

cwt1ab

ac

bc

ba

cacb

反壓時間太短不能使晶閘管關(guān)

斷或可靠關(guān)斷。

當(dāng)有XB時，會產(chǎn)生換相重疊角

g。必須在g后使晶閘管承受足夠長的反壓。否則不能使晶閘管關(guān)斷。而g與負(fù)載電流有關(guān)。設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮最大電流時的g。此外，電網(wǎng)電壓的波動也會影響g。綜上所述，為保證電路正常工作，不能使a過大。

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郭小舟一般a由下式給出：a

<p

-(g

+d

+q

')

d為晶閘管關(guān)斷時間對應(yīng)的角度，q’為裕量角。

7.有源逆變的應(yīng)用(自學(xué))

1)直流可逆?zhèn)鲃?/p>

2)超高壓直流輸電

3)串級調(diào)速

4)能量回收系統(tǒng)或特殊大功率負(fù)載。

§2-10整流電路的功率因數(shù)與提高(簡介)1.整流電路的功率因數(shù)l

l=有功功率/視在功率

設(shè)電源的原邊電壓為正弦波，電流為非正弦，它可以

分解為與電網(wǎng)同頻率的基波與不同頻的高次諧波。

西南交通大學(xué)僅內(nèi)部使用

郭小舟西南交通大學(xué)當(dāng)基波電流與正弦電壓不同相時，產(chǎn)生有功與無功；而諧波電流與電源電壓作用只產(chǎn)生無功。對正弦交流電路：功率因數(shù)=基波有功功率/基波視在功率對非正弦的整流電路：l=有功功率/視在功率視在功率=電壓有效值*總電流有效值有功功率=電壓有效值*基波電流有效值*cosff是電壓與電流相量間的夾角，稱功率因數(shù)角。所以l=(基波電流有效值/總電流有效值)*cosf=n

cosfn=I(1)/I稱為畸變因數(shù)。即：功率因數(shù)=畸變因數(shù)*位移因數(shù)(基波功率因數(shù))非正弦交流電路的功率因數(shù)由畸變因數(shù)和位移因數(shù)二者的積來決定。僅內(nèi)部使用

郭小舟西南交通大學(xué)1)單相全控橋?yàn)楹唵魏屯怀鲋攸c(diǎn)，假設(shè)XB=0，電路是大電感負(fù)載。將變壓器副邊電流進(jìn)行付氏級數(shù)展開：

4

11p

3

5

44

2p

2pcosf

=

cosa基波功率因數(shù)功率因數(shù)l=n

cosf

=0.9cosa表明功率因數(shù)只與a有關(guān)。a越大功率因數(shù)越小。其畸變因數(shù)是常數(shù)。πaudi2

0

ωt

ωt2ππ+aa

僅內(nèi)部使用

郭小舟2.整流電路的功率因數(shù)l的計(jì)算=Id

×cosI2(1)a

22)單相半控橋

2

2

pIdp

-a

pI2

=cosa

2

2

2p(p

-a)=u

=I2(1)

I2a

2cosf

=

cos基波功率因數(shù)功率因數(shù)cos2

a

2

2

2p(p

-a)l

=n

cosf

=表明在a小于60度時單相半控橋的功率因數(shù)比全控橋高。這就是很多場合都采用它的原因之一。

西南交通大學(xué)0π2πud

i2π+

aa

ωtωt僅內(nèi)部使用

郭小舟I2

=Idu

==I2l

=n

cosf

=cosap3)三相全控橋Id

6pI2(1)

=

2

I2(1)

3

3

p功率因數(shù)基波功率因數(shù)

cosf

=

cosa

33.提高整流電路功率因數(shù)的措施(自學(xué))從整流電路功率因數(shù)的概念知，要提高功率因數(shù)應(yīng)當(dāng)從改善波形因數(shù)和相位移因數(shù)兩方面著手。1)由于(在a小于60度時)半控橋的功率因數(shù)高于全控橋，所以可以用半控橋的運(yùn)行方式控制全控橋。2)采用扇形控制以消除相位移，提高功率因數(shù)。3)采用SPWM控制技術(shù)，在以后的章節(jié)中要學(xué)到。

西南交通大學(xué)uaub

wtwtaaa

ucaaa僅內(nèi)部使用

郭小舟作業(yè):

2.162.17

2.212.22

西南交通大學(xué)僅內(nèi)部使用

郭小舟Req

=2X

BId

=Ud0

-

EUd

=

0.9U2

cosa

-Id+udT1

T

u22

idRLd例10.圖中R=1歐，LB=0.5mH，U2=100V，Ld極大，a=60°，E=40V，求U解

Id和

。0

=

0.9U2

cosa

=

45(V)d、

g

Ud

pR+

Req=Ud0

-ReqId

=

44.5(V)=

0.1(W)

=

4.55(A)

2X

B

pId

=

0.012X

B

2U2cosa

-cos(a

+g)

=g

=

60.00-60

=

0.66°

西南交通大學(xué)T4

T3

Req

Udo

-

+Ud

-+-E

id僅內(nèi)部使用

郭小舟E：E

=Ud

-

IdR

=

214(V)當(dāng)電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，直流電壓是：

Ud

=

E

-IdR

=

-202(V)

控制角a為：

Ud

=1.17U2

cosa

a

=138.6°

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用

郭小舟例11.三相半波電機(jī)負(fù)載。R=0.3歐，Ld極大，Id=20A，Ud=220V