電力電子技術(shù)第2章 XB和有源

西南交通大學(xué)電力電子技術(shù)PowerElectronics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)。ikT4T3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dikdikT1T2u2T3-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=2XB

dtdwtu2=2U2sinwtik=ò

2U22XB

2U22XB(-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)

2U22XBik=僅內(nèi)部使用郭小舟2U22XBòIdId=[cosa-cos(a+g)] 2XB

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：2XB

p西南交通大學(xué)

1p2U2

p2U2sinwtd(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-ReqId2XB

pUd=0.9U2cosa-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(以三相橋為例)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)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行方式。只要滿足條件，它們就用與整流完全相同的過程實現(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，有相同的計算式。有源逆變的實現(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òaId=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現(xiàn)能量的逆轉(zhuǎn)。

i21)單相橋：工作過程已經(jīng)在上

2πωtπ+a

ωt ωt22U2

pcosa=0.9U2cosaUd=

1p+ap

邊作為例子說明。從波形圖知電路的計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)2U2sinwtd(wt)=

|E|-|Ud|

Rππ+aaa

僅內(nèi)部使用郭小舟5.有源逆變電路分析XBIdId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?？刂平莂>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

2XB

2U2

Ud=0.9U2cosa-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

62U2sinwtd(wt)=1.17U2cosaUd=

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+T1T3T5abcT4T6T2abacbcbacacbiT1iaud

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)計問題。作重點討論。

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

cwt1abacbcbacacb

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。

西南交通大學(xué)僅內(nèi)部使用郭小舟一般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=ncosfn=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)單相全控橋為簡單和突出重點，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：

411p35 44 2p2pcosf=cosa基波功率因數(shù)功率因數(shù)l=ncosf=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的計算=Id×cosI2(1)a

22)單相半控橋

22

pIdp-a pI2=cosa

2

22p(p-a)=u=I2(1)

I2a

2cosf=cos基波功率因數(shù)功率因數(shù)cos2a

2

22p(p-a)l=ncosf=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=ncosf=cosap3)三相全控橋Id

6pI2(1)=

2I2(1)3 3p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

wtwtaaaucaaa僅內(nèi)部使用郭小舟作業(yè):2.162.172.212.22

西南交通大學(xué)僅內(nèi)部使用郭小舟Req=2XBId=Ud0-EUd=0.9U2cosa-Id+udT1T 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=0.9U2cosa=45(V)d、gUd

pR+Req=Ud0-ReqId=44.5(V)=0.1(W)

=4.55(A)

2XB

pId=0.012XB

2U2cosa-cos(a+g)=g=60.00-60=0.66°

西南交通大學(xué)T4T3

Req

Udo

-

+Ud

-+-E

id僅內(nèi)部使用郭小舟E：E=Ud-IdR=214(V)當(dāng)電機作發(fā)電機運行時，直流電壓是：

Ud=E-IdR=-202(V)

控制角a為：Ud=1.17U2cosa a=138.6°

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用郭小舟例11.三相半波電機負(fù)載。R=0.3歐，Ld極大，Id=20A，Ud=220V，U2=230V。若電機再生制動，電流40A。求控制角a的值。 解當(dāng)電機作電動機運行時，電機的反電勢解Ud0=2.34U2cosa=-257.4(V)=0.3(W)3XB

pReq==13.84(A)E-Ud0

R+ReqId=Id=-261.55(V)Ud=Ud0-3XB

pId2XB

6