第2讲ACDC变换及其应用课件

第第2讲讲 AC/DC变换及其应用变换及其应用一、整流电路拓扑一、整流电路拓扑三、整流电路的有源逆变工作状态三、整流电路的有源逆变工作状态二、大功率可控整流电路二、大功率可控整流电路 四、晶闸管直流电动机系统四、晶闸管直流电动机系统五、整流电路的谐波和功率因数五、整流电路的谐波和功率因数整流电路（整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流）把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流电路由变压器、整流主电路主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。变压器组成。20世纪世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。第2讲 AC/DC变换及其应用一、整流电路拓扑三、整流电路1tp2ptp2ptp2ptp2pTVTRu1u2uVTidudqudtt单相整流大全单相整流大全wtp2pwtp2pwtp2pwtp2pTVTRu1u2uV2三相整流电路拓扑三相整流电路拓扑三相整流电路拓扑3第2讲ACDC变换及其应用课件4三相桥式全控电路三相桥式全控电路5二、大功率可控整流电路二、大功率可控整流电路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 可控整流电路可控整流电路可控整流电路可控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多重化整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：带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低电压、大电流大电流的场合。的场合。多重化整流电路的特点：多重化整流电路的特点：采用相同器件时可达到更大的功率。采用相同器件时可达到更大的功率。减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，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。从而减小对供电电网的干扰。引引言言二、大功率可控整流电路带平衡电抗器的双反星形 可控整流电路带62.1 2.1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路电路结构的特点电路结构的特点带平衡电抗器的双反星形可控整流电路二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路。二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。与三相桥式电路相比，双反星形电路的输出电流可大一倍。2.1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路电路结构的特点带平7带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路接平衡电抗器的原因：接平衡电抗器的原因：当电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流。两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等。两个星形的中点n1和n2间的电压等于ud1和ud2之差。该电压加在Lp上，产生电流ip，它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流环流或平衡电流平衡电流。为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp值足够大，以便限制环流在负载额定电流的1%2%以内。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路接平衡电抗器的原因：当电压8带平衡电抗器的双反星形可控整流电路原理分析原理分析：平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况平衡电抗器Lp承担了n1、n2间的电位差，它补偿了ub和ua的电动势差，使得ub和ua两相的晶闸管能同时导电。（2-97）（2-98）时，ubua，VT6导通，此电流在流经LP时，LP上要感应一电动势up，其方向是要阻止电流增大。可导出Lp两端电压、整流输出电压的数学表达式如下：upud1,ud2OO60 360 t1ttb)a)uaubucucuaubub带平衡电抗器的双反星形可控整流电路原理分析：平衡电抗器作用9带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为:Ud=1.17 U2 cos 将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下结论：三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相半波并联，且后者需用平衡电抗器。当U2相等时，双反星形的Ud是三相桥的1/2，而Id是单相桥的2倍。两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，ud和id的波形形状一样。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路整流电压平均值与三相半波整102.2 2.2 多重化整流电路多重化整流电路概述：整流装置功率进一步加大时，所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用多重化整流电路。原理：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。目标：移项多重联结减少交流侧输入电流谐波，串联多重整流电路采用顺序控制可提高功率因数。2.2 多重化整流电路概述：原理：目标：11 多重化整流电路多重化整流电路1)移相多重联结移相多重联结并联多重联结的12脉波整流电路有并联多重联结和串联多重联结。可减少输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。使用平衡电抗器平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。2个三相桥并联而成的12脉波整流电路脉波整流电路。多重化整流电路1)移相多重联结并联多重联结的12脉波整12 多重化整流电路多重化整流电路移相移相30 构成的串联构成的串联2重联结电路重联结电路 移相30串联2重联结电路 移相30串联2重联结电路电流波形变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法，相差30 构成12脉波整流电路。星形三角形0a)b)c)d)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2tttt000Id2333Id33IdId323(1+)Id323(1+)Id33Id13将整流变压器的二次绕组移相将整流变压器的二次绕组移相20，可构成，可构成 串联串联3重联结电路重联结电路将整流变压器的二次绕组移相将整流变压器的二次绕组移相15，可构成，可构成 串联串联4重联结电路重联结电路-24脉波整流电路脉波整流电路 多重化整流电路移相30构成的串联2重联结电路 移相3013三、整流电路的有源逆变工作状态三、整流电路的有源逆变工作状态逆变的概念逆变的概念逆变的概念逆变的概念三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥整流电路的有源逆变工作状态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三、整流电路的有源逆变工作状态逆变的概念14 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？逆变（Invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。有源逆变与无源逆变区别有源逆变电路交流侧和电网连结。应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。无源逆变电路变流电路的交流侧不接电网，而接负载有源逆变电路-可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变。既工作在整流状态又工作在逆变状态的成为变流电路变流电路。1、逆变的概念1)什么是逆变？为什么要逆变？逆变（Inv152)直流发电机直流发电机电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转直流发电机电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路电路过程分析。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。2)直流发电机电动机系统电能的流转直流发电机电动机之16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 单相全波电路的整流和逆变交流电网输出电功率电动机输出电功率a)b)u10udu20u10OOttIdidUdEMu10udu20u10OOttIdidUd /2，使Ud为负值。半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。什么电路可以实现有源逆变？什么电路可以实现有源逆变？逆变的概念产生逆变的条件有二：有直流电动势，其极性和晶闸管导182 2、三相桥整流电路的有源逆变工作状态、三相桥整流电路的有源逆变工作状态逆变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角 不同 0 p p/2 时，电路工作在整流状态。p p/2 p p/2时的控制角用p-p-=b b表示，b b 称为逆变角逆变角。逆变角b b和控制角 的计量方向相反，其大小自b=0的起始点向左方计量。2、三相桥整流电路的有源逆变工作状态逆变和整流的区别：控制角19 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b g 时，换相结束时，晶时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。闸管能承受反压而关断。若若b g，该通的，该通的VTVT2 2关断关断,应关的应关的VTVT1 1不能关断不能关断,最终导致逆变失败最终导致逆变失败 udOOidttuaubucuaubpbgb giVT1iVTiVT3iVTiVT3223 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换相重叠角的影响：换相重叠角的影响：触发电路工作不可靠，如脉冲丢失、脉冲延时等。触发电路工作不可靠，如脉冲丢失、脉冲延时等。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。交流电源缺相或突然消失。交流电源缺相或突然消失。换相的裕量角不足，引起换相失败。换相的裕量角不足，引起换相失败。1 1）逆变失败的原因）逆变失败的原因逆变时，一旦换相失败，使得逆变时，一旦换相失败，使得U Ud d 0,0,形成极大短路形成极大短路电流电流逆逆变失败变失败（逆变颠覆）（逆变颠覆）交流侧电抗对逆变换相过程的影响当b g 时，换相结束时，20d d 晶闸管的关断时间晶闸管的关断时间t tq q折合的电角度约折合的电角度约4 4 5 5 g g 换相重叠角换相重叠角 15200q q安全裕量角安全裕量角主要针对脉冲不对称程度，其值约取主要针对脉冲不对称程度，其值约取1010 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2)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整流电压整流电流变压器容量短路电压比Uk%g g220V800A240kV。A5%1520参照整流时参照整流时g g 的计算方法的计算方法b bmin一般取一般取29 35 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：d 晶闸管的关断时间tq折合的电角度约45g 213）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：每个晶闸管导通2p p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：3）有源逆变状态时各电量的计算：每个晶闸管导通2p/3，故流22 四、晶闸管直流电动机系统电动机负载时整流电路的工作情况。电动机负载时整流电路的工作情况。由整流电路供电时电动机的工作情况。由整流电路供电时电动机的工作情况。晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。电力拖动系统中的一种，整流的用途之一。电力拖动系统中的一种，整流的用途之一。引言引言研究研究通通常常在在电电枢枢回回路路串串联联一一平平波波电电抗抗器器，保保证证整整流流电电流流在在较较大大范范围内连续。围内连续。接反电动势负载时接反电动势负载时,负载电流断续负载电流断续,对对整流电路和电动机工作均不利整流电路和电动机工作均不利udOidtuaubucudOiaibicictEUdidR三相半波带电动机负载且三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形加平波电抗器时的电压电流波形工作于整流状态时工作于整流状态时 四、晶闸管直流电动机系统电动机负载时整流电路的工作情况。晶23工作于整流状态时系统的两种工作状态：电流连续工作状态系统的两种工作状态：电流连续工作状态 电流断续工作状态电流断续工作状态晶闸管压降晶闸管压降电枢电阻电枢电阻T电阻电阻电动机反电势电动机反电势 式中式中 整流电路中整流电路中T漏抗漏抗三相半波电流连续时以三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性电流表示的电动机机械特性机械特性是一组平行直线机械特性是一组平行直线,斜率取决于内阻斜率取决于内阻调节调节 角，即可调节电动机的转速。角，即可调节电动机的转速。Ona1a2a3a3a2a1Id(RB+RM+)IdCe3XB2p转速与电流的机械特性关系式为转速与电流的机械特性关系式为1)1)电流连续电流连续 在电机学中在电机学中可根据整流电路电压平衡方程式得可根据整流电路电压平衡方程式得工作于整流状态时系统的两种工作状态：电流连续工作状态晶闸管压24电流断续时电动势的特性曲线电流断续时电动势的特性曲线理想空载转速抬高。理想空载转速抬高。机械特性变软机械特性变软随着随着 的增加，进入断续区的电流值加大的增加，进入断续区的电流值加大断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0OIdminId(0.585 U2)(U2)2Oa3a2a1Id分界线断续区连续区a5a4E0E电流断续时不同 时反电动势的特性曲线 1 a 2 a 3 a 460 工作于整流状态时电流断续电流断续 机械特性特点：机械特性特点：2)2)电流断续电流断续负载减小时，电感储能减小负载减小时，电感储能减小电流不再连续，特性呈现出非线性电流不再连续，特性呈现出非线性电流断续时电动势的特性曲线理想空载转速抬高。断续区特性的近似25电动机在四象限中的机械特性正组变流器反组变流器n321Id4b2b3b4b1=b=p2=b=p2b3b2b1b423411=b 1;1=b12=b 2;2=b2 增大方向b 增大方向 增大方向b 增大方向工作于有源逆变状态时1)电流连续时机械特性电流连续时机械特性 因EM=Cen，得机械特性方程：机械特性由 决定逆变时逆变电流断续，与整流时相似：逆变电流断续，与整流时相似：空载转速上翘空载转速上翘,特性变软特性变软,呈非线性呈非线性逆变状态的特性是整流状态的延续逆变状态的特性是整流状态的延续控制角控制角 变化时，机械特性得变化。变化时，机械特性得变化。第第1 1、4 4和和3 3、2 2象限中特性分属两组变象限中特性分属两组变流器，输出的流器，输出的U Ud d极性相反，故标以正极性相反，故标以正组和反组变流器组和反组变流器电动机在四象限中的机械特性正组变流器反组变流器na3a2a126直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统27五、整流电路的谐波和功率因数五、整流电路的谐波和功率因数随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波(harmonics)和无功(reactive power)问题日益严重，引起了关注。无功的危害：导致设备容量增加。使设备和线路的损耗增加。线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害：降低设备的效率。影响用电设备的正常工作。引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。导致继电保护和自动装置的误动作。对通信系统造成干扰。五、整流电路的谐波和功率因数随着电力电子技术的发展，其应用日28谐波和无功功率分析基础1）谐波谐波对于非正弦波电压，满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数傅里叶级数：n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为 正弦波电压可表示为：基波（fundamental）频率与工频相同的分量谐波频率为基波频率大于1整数倍的分量谐波次数谐波频率和基波频率的整数比谐波和无功功率分析基础1）谐波对于非正弦波电压，满足狄里赫29谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础2）功率因数功率因数正弦电路中的情况电路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率：视在功率视在功率为 S=UI 无功功率无功功率为：Q=U I sinj j 功率因数功率因数l 谐波和无功功率分析基础2）功率因数正弦电路中的情况电路的有30谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础非正弦电路中的情况有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由式 定义。不考虑电压畸变，研究电压为正弦波、电流为非正弦波的情况有很大的实际意义。非正弦电路的有功功率：P=U I1 cosj j1 功率因数功率因数为：基波因数基波因数v=I1/I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数位移因数（基波功率因数）cosj j 1功率因数由基波电流相移基波电流相移和电流波形畸变电流波形畸变决定谐波和无功功率分析基础非正弦电路中的情况有功功率、视在功率、31 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础非正弦电路的无功功率定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。一种简单的定义是仿照式（2-63）给出的：无功功率Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受。谐波和无功功率分析基础非正弦电路的无功功率定义很多，但尚无32带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析1)单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流电感L为足够大（电流i2的波形见图）i2Otd变压器二次侧电流谐波分析：n=1,3,5,电流中仅含奇次谐波。各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析1)单相33带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析基波电流有效值为 i2的有效值I=Id，结合式（2-74）可得基波因数为 电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故位移因数为 所以，功率因数为 功率因数计算功率因数计算带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析基波电流有效34带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析2）三相桥式全控整流电路）三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形阻感负载，忽略换相过程和电流脉动，直流电感L为足够大。以 =30为例，此时，电流为正负半周各120的方波，其有效值与直流电流的关系为：tud1=30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac tOOtOtOidiat1uaubuc（2-78）带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析2）三相桥式35变压器二次侧电流谐波分析：变压器二次侧电流谐波分析：电流基波和各次谐波有效值分别为电流中仅含6k1（k为正整数）次谐波。各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。功率因数计算功率因数计算基波因数：位移因数仍为：功率因数为：（2-83）带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析变压器二次侧电流谐波分析：电流基波和各次谐波有效值分别为电流36电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析1)单相桥式不可控整流电路单相桥式不可控整流电路 实用的单相不可控整流电路采用感容滤波。电容滤波的单相不可控整流电路交流侧谐波组成有如下规律：谐波次数为奇次。谐波次数越高，谐波幅值越小。谐波与基波的关系是不固定的。越大，则谐波越小。关于功率因数的结论如下：位移因数接近1，轻载超前，重载滞后。谐波大小受负载和滤波电感的影响。电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析1)单相37电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析2)三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路 实际应用的电容滤波三相不可控整流电路中通常有滤波电感。交流侧谐波组成有如下规律交流侧谐波组成有如下规律：谐波次数为6k1次，k=1，2，3。谐波次数越高，谐波幅值越小。谐波与基波的关系是不固定的。关于功率因数的结论如下关于功率因数的结论如下：位移因数通常是滞后的,但与单相时相比,位移因数更接近1。随负载加重（RC的减小），总的功率因数提高；同时，随滤波电感加大，总功率因数也提高。电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析2)三相38整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析 整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。=0时，m脉波整流电路的整流电压波形 =0 时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析。整流输出电压谐波分析整流输出电压谐波分析整流输出电流谐波分析整流输出电流谐波分析详见书详见书P72整流输出电压和电流的谐波分析 整流电路的输出电压中主39