第2讲 AC-DC变换及其应用

1、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、

2、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波的励磁调节、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 器和变压器组成。器和变压器组成。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。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 间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。间的匹配以及交流电

3、网与整流电路之间的电隔离。 d u d i 2 u wt p2p d u d i 2 u wt p2p d u wt p 2p d u d i 2 u wt p2p 180 90 180 180 180 180 T VT Ru 1 u2 uVT id ud q u d wt wt d u 单相整流大全单相整流大全 三相整流电路拓扑三相整流电路拓扑 三相桥式全控电路 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：

4、 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 2.1 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。 带平衡

5、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 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

6、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。 d1d2p uuu )( 2 1 2 1 2 1 d2d1pd1pd2d uuUuuuu （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： 1 tw w up ud1,ud2 O O 60 360 wt1 wt t b) a) uaubucuc ua ub ub 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

7、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。 2.2 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

8、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。 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

9、形接法，相差30 构成12脉波整流电路。 星形 三角形 0 a) b) c) d) ia1 Id 180360 ia2 iab2 iA Id iab2 wt wt wt wt 0 0 0 Id 2 3 3 3 Id 3 3 Id Id 3 23 (1+ )Id 3 23 (1+ )Id 3 3 Id 1 3 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 三、整流电路的有源逆变工作状态三、整流电路的

10、有源逆变工作状态 1、逆变的概念逆变的概念 1) 什么是逆变？为什么要逆什么是逆变？为什么要逆变？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。 2) 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

11、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。 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) u10udu20u10 O Owt wt Id id UdEM u10 ud u20u10 O O wt wt Id id Ud /2，使Ud为负值。p 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

12、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？ 2 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pp = 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。 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

13、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 ud O O id wt wt uaubucuaub p b g b g iVT 1 iVTiVT 3 iVTiVT 3 22 3 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

14、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 电流电流逆变失败逆变失败（逆变颠覆）（逆变颠覆） d 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 15200 q q安全裕量角安全裕量角主要针对脉冲不对称程度，主要针对脉冲不对称程度，其其值约取值约取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

15、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 g 220V800A240kV。A5%1520 参照参照整流时整流时g g 的计算方法的计算方法 m U XI Bd p g sin2 )cos(cos 2 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： 3）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： R EU I d bbcos35.

16、 1cos34. 2 22 UUU d 每个晶闸管导通2p p/3，故流过晶闸管的电流有效值为： d d VT I I I577. 0 3 从交流电源送到直流侧负载的有功功率为： dMdd IEIRP 2 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为： ddVT IIII816.0 3 2 2 2 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

17、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 通常在电枢回路串联一平波电通常在电枢回路串联一平波电 抗器，保证整流电流在较大范抗器，保证整流电流在较大范 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 ud O id wt uaubuc ud O iaibicic wt E Ud idR 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 工作于整流状态工作于整流状态时时 工作于整流状态时 UIREU dMd p

18、2 3 B MB X RRR 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 e d e C UIR C U n cos34. 2 2 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。O n a1a2a3 a3 a2 a1 Id (R

19、B+RM+ ) Id Ce 3XB 2p 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nCE eM 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UIRUE dM cos34. 2 2 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 E E0 E0 O Idmin Id (0.585 U2) ( U2) 2 O a3 a2 a1 Id 分界线

20、断续区连续区 a5 a4 E0 E 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 bcos 0dd UU M E )cos( 0 RIUE ddM b )cos( 1 0 RIU C n dd e b 电动机在四象限中的机械特性 正组变流器反组变流器 n 3 2 1 Id 4 b2 b3 b4 b1 =b = p 2 =b = p 2 b3 b2 b1 b4 2 3

21、4 1 1=b 1; 1=b1 2=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： RIEU dMd 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

22、 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 直流可逆电力拖动系统 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 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。 谐波和无功功率分析基础 1）

23、 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 %100 1 I I HRI n n %100 1 I I THD h i 正弦波电压可表示为：)sin(2)( u tUtuw 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

24、功率有功功率就是其平均功率平均功率： p w p 2 0 cos)( 2 1 UItuidP 视在功率视在功率为 S=UI 无功功率无功功率为： Q=U I sin 功率因数功率因数l S P l 222 QPS 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。 S P l 非正弦电路的有功功率 ：P=U I1 cos 1 功率因数功率因数为： 11 111 coscos cos l I I UI UI S P 基波因数基波因

25、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）cos 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： 22 PSQ 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。 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

26、（电流i2的波形见图） i 2 O wt d LL L ,5,3,1,5,3,1 2 sin2sin 14 )5sin 5 1 3sin 3 1 (sin 4 n n n tnItn n I tttIi ww p www p d d 变压器二次侧电流谐波分析： pn I I n d 22 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 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

27、d1 22 II p p I I 1 2 2 09 . p llcos9.0cos 22 cos 1 1 1 I I lcoscos 11 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： d 3 2 II t ud1 = 30 ud2 ud uabuacubcu

28、baucaucbuabuac wtO wO wtO wtO id ia wt1 uaubuc d 3 2 II （2-78） 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 ,3,2,1,16, 6 6 d d1 kknI n I II n p p 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：955.0 3 1 p I I 位移因数仍为：lcoscos 11 功率因数为： p llcos955.0cos 3 cos 1 1 1 I I （2-83） 带

29、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 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。LCw 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)