电力电子技术---第四章

1、1第四章第四章 交流直流变换技术交流直流变换技术 主讲：李主讲：李 善善 寿寿 电话电话:电邮电邮:2第一节第一节 概述概述一、整流的概念一、整流的概念 整流电路整流电路：交流电交流电变为直流电直流电 按组成的器件可分为不可控（如二极管整流电不可控（如二极管整流电路）、半控（如二极管与晶闸管混合）、全控路）、半控（如二极管与晶闸管混合）、全控（如晶闸管整流电路）（如晶闸管整流电路）三种 按电路结构可分为桥式电路桥式电路和零式电路零式电路 按交流输入相数分为单相电路单相电路和多相电路多相电路 按工作范围分为单象限电路单象限电路和多象限电路多象限电路 按控制方式分为斩控

2、式电路斩控式电路和相控式电路相控式电路3第一节第一节 概述概述二、可控整流电路的基本结构二、可控整流电路的基本结构4第一节第一节 概述概述三、晶闸管的导通条件和自然换流点三、晶闸管的导通条件和自然换流点1、晶闸管的导通条件： 和 同时满足2、自然换流点的认识： 在晶闸管整流电路中，以二极管代替晶闸管，桥路上二极管导通支路更换的时刻就是自然换流点。例：分析典型单相、三相桥式整流电路的自然换流点和自然 整流波形。0AKU0gkI5第一节第一节 概述概述（1）单相半波可控整流电路6第一节第一节 概述概述（2）单相桥式半控整流电路7第一节第一节 概述概述（3）单相桥式全控整流电路8第一节第一节 概述概

3、述（4）三相零式电路9第一节第一节 概述概述3、触发角的定义： 在自然换流点作为晶闸管触发脉冲起始位置，此时定义触发角 。触发角的度量以自然换流点为起点，触发脉冲与自然换流点之间的相位差（即时间差）则称为触发角。010第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析一、理想条件一、理想条件1、理想器件： a) 晶闸管具有理想开关的特性，无惯性和损耗。 b) 变压器具有理想输出特性，无漏抗和内阻。2、理想电源： a) 交流电网容量无穷大，输入电压理想正弦波。 b) 三相电源恒频、恒压、对称，无寄生电感。3、理想负载： a) 滤波电抗L，直流内阻为零。 b) 负载为纯阻性

4、。4、理想运行条件： 电路稳态工作，每一工作循环中各瞬时量的边值相等。11第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析二、二、 =0 时的工作情况时的工作情况1、电路形式：、电路形式： tusinU22a)32sin(U22btu)32sin(U22ctubacTLd负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d112第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析2 2、自然换流点与触发角、自然换流点与触发角 如下图所示，R、S、T、U、V、W点上，相邻两相电压相等，以二极管代替VT1VT6，则在交点的右侧满足以下条件： R

5、U 之间：ua uc ub VT1、VT6 的 UAK 0 符合导通条件 US 之间：ua ub uc VT1、VT2 的 UAK 0 符合导通条件 SV 之间：ub ua uc VT3、VT2 的 UAK 0 符合导通条件 VT 之间：ub uc ua VT3、VT4 的 UAK 0 符合导通条件 TW之间：uc ub ua VT5、VT4 的 UAK 0 符合导通条件 WR之间：uc ua ub VT5、VT6 的 UAK 0 符合导通条件 R、S、T、U、V、W点即为自然换流点。13第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析 以R、S、T、U、V、W表示自

6、然换流点，R、S、T、U、V、W为触发脉冲起始点，由于 =0，两者重合，即R、R；S、S；T、T；U、U ；V 、V；W、 W分别重合。 在自然换流点产生触发脉冲时，触发角=0，按图示其中R点触发脉冲离原点距离为 。 从前面的讨论可以看出，RU 之间施加VT1、VT6的触发脉冲，则VT1、VT6满足导通条件（UAK 0、IGK0），同理，US 之间施加VT1、VT2的触发脉冲则VT1、VT2满足导通条件，其他区段可以同样类推，为了让电路能够正常可控的工作，由此得出控制脉冲应该满足以下规律：614ud1u2ud2u2LudidtOtOtOtOua= 0ubuct1uabuacubcubaucau

7、cbuabuaciVT1 R S T R S T U V W U V R U S V T W R U S V T W15第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析3 3、触发脉冲规律（、触发脉冲规律（ = 0= 0） RS 之间: Ug1 0 VT1 触发 UV 之间: Ug2 0 VT2 触发 S T 之间: Ug3 0 VT3 触发 VW 之间: Ug4 0 VT4 触发 T R 之间: Ug5 0 VT5 触发 WU 之间: Ug6 0 VT6 触发1) 脉冲宽度：每个晶闸管允许导通时间为2) 脉冲起点： =0时，分别在R、S、T、U、V、W自然换流点 0

8、时，依次顺延。3) 相邻序号晶闸管脉冲依次相差60。323216第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析、波形分析、波形分析区间 1：Ug1 0、Ug6 0， ua uc ub，VT1、VT6导通，输出电压uab区间 2：Ug1 0、Ug2 0， ua ub uc ，VT1、VT2导通，输出电压uac区间 3：Ug3 0、Ug2 0， ub ua uc ，VT3、VT2导通，输出电压ubc区间 4：Ug3 0、Ug4 0， ub uc ua ，VT3、VT4导通，输出电压uba区间 5：Ug5 0、Ug4 0， uc ub ua ，VT5、VT4导通，输出电压

9、uca区间 6：Ug5 0、Ug6 0， uc ua ub ，VT5、VT6导通，输出电压ucb特点：1）任一瞬间，上、下桥臂各只有一只管子导通。 2）每一器件导电角度为 。 3）理想状态，负载电流为恒定直流。3217第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析5 5、相关参数计算、相关参数计算1）输出直流电压： 输出波形为周期函数，直流电压为一个周期的平均值，周期 U2为相电压有效值。2）网侧线电流有效值： 以 ia为例，与 a 相相连的器件有VT1、VT4，在RS时间段，VT1导通，电流 Id；在VW时间段，VT4导通，电流 Id； ia电流为周期2，以此循环

10、的周期函数。 2abm26d633d3UUtuUab3dd202a816.032d21IItiIa18第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析 3)网侧线电流基波有效值： 以 a 相电流正、负两个半波的中点为时间零点，按傅立叶级数展开函数有： ia= ( + ) 基波的有效值：I1= = 0.78Id 各次谐波的有效值： In= n = 6k 1 k = 1,2,3, . d32Itsintnnknkksin1) 1(16,.3 , 2, 12/32dId6In19第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析 4）晶闸管电流平均值

11、： 5）晶闸管端压： 以VT1为例： VT1导通时，UVT1 0V, VT3导通时，UVT1 uab , VT5导通时，UVT1 uac , UVT1m = U2为相电压有效值33221d21dd20VT1VT1IItiI26U20第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析三、 = 30 时的工作情况：时的工作情况： 触发脉冲起始时间在自然换流点之后30 时间，即在R、S、T、U、V、W时间处发生脉冲，其余不变，波形如下：波形分析波形分析区间 1：Ug1 0、Ug6 0， RU区间：ua uc ub ，VT1、VT6导通，输 出电压uab，UU区间：虽然ua u

12、b uc，但此时Ug2 =0，只能VT6 继续导通，继续输出电压uab；其他区段的分析也类似。 区间 2：Ug1 0、Ug2 0，U处 ua ub uc ，VT1、VT2导通，输出电压uac区间 3：Ug3 0、Ug2 0，S处 ub ua uc ，VT3、VT2导通，输出电压ubc区间 4：Ug3 0、Ug4 0，V处 ub uc ua ，VT3、VT4导通，输出电压uba区间 5：Ug5 0、Ug4 0，T处 uc ub ua ，VT5、VT4导通，输出电压uca区间 6：Ug5 0、Ug6 0，W处 uc ua ub ，VT5、VT6导通，输出电压ucb21ud1= 30ud2uduab

13、uacubcubaucaucbuabuactOtOtOtOidiat1uaubuc R R S S T T U U V V W W R U S V T W22第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析三、 = 60 时的工作情况：时的工作情况： 触发脉冲起始时间在自然换流点之后60 时间，即在R、S、T、U、V、W时间处发生脉冲，其余不变，波形分析如下：区间 1：Ug1 0、Ug6 0，ua ub uc，由于Ug2 0，VT2不能导通，因此VT1、VT6满足导通条件而导通，输出电压uab。 区间 2：Ug1 0、Ug2 0，ub ua uc ，由于Ug2 0触发

14、脉冲的初始时刻存 在VT6导通， ， ，VT2承受正向电压，满足导通条件，当Ug2 0后，VT2导通，拉低 ，使VT6承受反压关断，VT6向VT2换流，最终结果VT1、VT2导通，输出电压uac，其他区间分析类似。 区间 3：Ug3 0、Ug2 0， ub uc ua ，VT3、VT2导通，输出电压ubc区间 4：Ug3 0、Ug4 0， uc ub ua ，VT3、VT4导通，输出电压uba区间 5：Ug5 0、Ug4 0， uc ua ub ，VT5、VT4导通，输出电压uca区间 6：Ug5 0、Ug6 0， ua uc ub ，VT5、VT6导通，输出电压ucbbd2= uu0bcVT

15、2 uucd2uu23 W R U S V T W= 60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtt1OtOtuVT124第二节第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析理想条件下三相桥式整流电路分析四、输出平均电压变化规律四、输出平均电压变化规律 当 0时， U2为相电压有效值 90 0 时， Ud 0，整流状态 180 90时， Ud 60时，电压有过零现象，而电流不能反向，导致晶闸管关断，下面示出 = 90时电流连续与不连续两种状态的波形作为比较。00060bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d10602

16、6ud1ud2uduaubucuaubtOtOtOtOtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1 R R S S T T W U U V V W 纯阻负载 = 90的波形27= 90ud1ud2uacubcubaucaucbuabuacuabuduacuabuactOtOtOubucuat1uVT1 R S T W U V W R U S V T W 负载电流连续时 = 90的波形28第三节第三节 负载性质对整流电路性能的影响负载性质对整流电路性能的影响从上图可以看出：1、电流断续时，每个器件实际导通两次（门极脉冲宽度足够），总的 导通时间小于120。2、

17、纯电阻负载的触发脉冲移相角范围在：0 12 0。3、由于不存在输出电压过零，纯阻负载输出电压均值高于电感负载。29第三节第三节 负载性质对整流电路性能的影响负载性质对整流电路性能的影响二、感性负载（二、感性负载（0 Ld ） 时的工作情况时的工作情况1、电流连续状态 三相整流电路简图如下，感性负载电流连续时，局部波形如图：30第三节第三节 负载性质对整流电路性能的影响负载性质对整流电路性能的影响31第三节第三节 负载性质对整流电路性能的影响负载性质对整流电路性能的影响1）1 ud，id 增长，ud随电流同步增长，电感储能，在2 时两者相等，1时刻VT4、VT6换流。2）2 3区间： ud ud

18、，id 衰减，ud随电流同步衰减，电感释能，在3 时ud达到过零点。3） 3 4区间： ud 0，故ud 0，id 继续衰减，电感释能，整流电路吸收能量。4） 4时刻（ VT1、VT5换流， VT1、VT6 导通）： ud = uab ud， id、 ud、 ud再次开始上面的循环。 从上面的分析可以看出，电感为有限值时，负载电流出现脉动，但电流仍然保持连续，器件导通角仍然为2/3，输出平均电压规律仍然满足：cos2.342dUU 32第三节第三节 负载性质对整流电路性能的影响负载性质对整流电路性能的影响2、负载电流断续的情况 在到达换流点之前，当电感储能不足以维持电流的连续时，id 出现断续

19、现象，如下图(图2-9d ) ： u：称为断流角； 0：为晶闸管的导通角33第三节第三节 负载性质对整流电路性能的影响负载性质对整流电路性能的影响在 t0时，ud = 在+ 0 t0+ u时， ud = 0输出电压平均值：Ud = = 2.34U2(cos( + ) cos( + + 0)可以看出，电流断续角与输出电压之间存在函数关系，具体计算可以用微分方程借助边界条件来确定（不作要求）。)3sin(62tUtudd333334第四节第四节 换流过程及其对整流电路性能的影响换流过程及其对整流电路性能的影响一、实际电路与理想状态的区别一、实际电路与理想状态的区别1、变压器输出存在漏抗2、线路传输

20、存在寄生电感3、晶闸管的开通与关断都需要一定的时间，因此，存在换流过程和叠流时间。二、实际电路的换流过程分析二、实际电路的换流过程分析1、假设：整流电路具有大电感，换流期中叠流时间 tr tq ) 。 换流过程图示如下（以VT1、VT3换流为例）（图2-4）：35第四节 换流过程及其对整流电路性能的影响36第四节第四节 换流过程及其对整流电路性能的影响换流过程及其对整流电路性能的影响1) 初始状态(-时) VT1、VT2导通，ud = uAC，iVT1() = Id， iVT3() = 0， uVT1 () 0， uVT3 () = uBA () 0注意：此图与前面的整流波形分析图的区别，此处

21、坐标以uBA= 为基准设置，此处为VT3的触发控制角（S点处于UBA=0的时刻）。2) 换流过程(+ 时段) Ug3 0， VT3导通，由于uba () 0，有ub ua，导致iVT1减小， iVT3增加， 形成环流 i。 假定：La = Lb=Lk 有 tU sin62tiLtUukBAdd2sin62)cos(cosmtIikLUI262m37第四节第四节 换流过程及其对整流电路性能的影响换流过程及其对整流电路性能的影响由于id = Id 恒定，id 0，交流电路状态P点视为开路换流角： 由 当 从上分析可以看出，换流角大小与触发角度有相关性。3) 换流结束（ +以后） VT1关断，VT3

22、开通，电路进入稳态工作。 iiVT3)cos(cosm3tIiVTtdVT3Ii)/arccos(cosmdIIiIidVT1)+(21=BOAOpouuu38第四节第四节 换流过程及其对整流电路性能的影响换流过程及其对整流电路性能的影响三、换流过程的影响三、换流过程的影响1、可靠换流的条件 安全开通：Lk 限制 可靠关断： 反压时间 2、对输出的影响 1）输出波形变化 如下图所示，换流期内有三个器件导通，非换流期是两个器件导通。 以S处换流为例，VT3触发，VT1、VT3换流，换流期P点输出电压按 前面分析应为： mVT)dd(ddtitiqtt39第四节第四节 换流过程及其对整流电路性能的

23、影响换流过程及其对整流电路性能的影响 P点为上组桥公共点 N点为下组桥公共点 O点为电源中点 换流期后电压波形恢复正常，其余各点的情况类似。)+(21=BOAOPOuuu)+(21=-)+(21=-=BCACCOBOAONOPOduuuuuuuu40第四节 换流过程及其对整流电路性能的影响41第四节第四节 换流过程及其对整流电路性能的影响换流过程及其对整流电路性能的影响2）输出电压的变化 以U 点的波形为例计算输出电压变化，U点相位为 ，U点相位为 。 换流期内（ ）： 换流期后（ ）： 输出电压平均值： 22tUuuuusin22323)(212AACABd22t652t)6sin(62AC

24、dtUuu2cos)2cos(63d32652ddUtuU42第四节第四节 换流过程及其对整流电路性能的影响换流过程及其对整流电路性能的影响由于 可以得出：换流导致输出直流电压下降，相当于增加电源的输出内阻Rd0。3、对阀侧电压影响 根据图2-2的参考量表示，对于A相而言，在换流期内有： VT1、VT3换流或VT4、VT6换流：uLa= uAB/2 ua = uA- uLa=-uC/2 VT1、VT5换流或VT2、VT4换流：uLa= uAC/2 ua = uA- uLa=-uB/2 其余正常。 )/arccos(cosmdIIdd0d0dk2dcos3cos63IRUILUU43第四节第四节

25、 换流过程及其对整流电路性能的影响换流过程及其对整流电路性能的影响4、对器件端压的影响（VT1为例）1）器件导通： uVT1 02）非叠流阻断期： uVT1= uAB VT3导通 uVT1= uAC VT5导通3）叠流阻断期： uVT1= 3uA/2 VT3、VT4、VT5导通 uVT1= -3uC/2 VT4、VT5、VT6导通 uVT1= -3uB/2 VT2、VT3、VT4导通4445第五节第五节 有源逆变电路有源逆变电路一、一、 逆变电路的类别逆变电路的类别逆变（逆变（invertion）：把直流电转变成交流电。有源逆变：有源逆变：交流侧和电网连结，逆变时可把直流电逆变为50Hz的交流

26、电。无源逆变：无源逆变：变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载（如交流电 机、电炉等）。二、逆变电路的条件二、逆变电路的条件 1、半控式电路： 由于输出电压和电流极性无法反向，功率流向恒定，不具有逆变功能。2、全控式电路： 电流流向恒定，输出电压极性可以反向，功率可以双向流动，具有逆变功能，如下图。46第五节第五节 有源逆变电路有源逆变电路47第五节第五节 有源逆变电路有源逆变电路三、逆变电路正常工作的条件三、逆变电路正常工作的条件1、Ud 90时，Ud0，uVT1= uAC0，VT1、VT5换流，uVT1 0，输出电压： 3、（1+）S 之间， VT1、VT6导通， ud = uAB，

27、 uVT1 0 其余分析相同，从图中分析可以看出，最大逆变触发角=180)+(21=cbabduuu65=49第五节 有源逆变电路50第五节第五节 有源逆变电路有源逆变电路五、逆变电路特点五、逆变电路特点1、逆变和整流的控制角 不同。 0 /2 时，电路工作在整流状态 /2 0、Id 0 ，电能从电网流向负载 逆变输出 Ud 0 ，电能从负载流向电网3、可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题 UUcos0ddREUIddd51第五节第五节 有源逆变电路有源逆变电路六、逆变颠覆现象六、逆变颠覆现象1、逆变颠覆（逆变失败）： 逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短

28、路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流可以造成器件和变压器损坏。2、逆变颠覆的原因 ：（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉 冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相，使交流电源电压和 负载直流电势顺向串联，形成短路。52第五节第五节 有源逆变电路有源逆变电路（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通，造成逆变失败。（3）交流电源缺相或突然消失，由于负载直流电势的存在，晶闸管仍可 以导通，此时由于变流器的交流侧失去了同负载直流电势极性相反 的交流电压，负载直流电势将通过晶闸管短路。（4）反压角太小， ，器件反压时间不足，不能恢复

29、阻断能力， 引起相失败。qtt53第五节第五节 有源逆变电路有源逆变电路3、逆变颠覆现象分析（ 状态）1） 时，VT1、VT2导通， ，uVT3 = uba 0 ，ug3 延迟。 2） 时， ug3出现， uVT3= uba0，VT3导通， uVT1= uab0 ，VT1、VT3换流。3） ， VT1、VT3换流期，iVT1下降，iVT3 增长， VT1、VT3 同时导通，输出电压 。4） ，VT1关断，VT3导通，输出电压 ，uVT1= uab0 ，由于 ， VT1再次导通。qtt3tacduu 3t43tBCduu )(21bcacduuu54t5tqtt 54第五节第五节 有源逆变电路有源逆变电路6） ，VT1、VT3再次换流， 此时由于uab0 ，VT3承受反压，导致换流结束后VT3关断，VT1、 VT2导通。7） 时刻， ug4出现， uVT4= uca0， VT4开始导通，负载电源短路。 VT2、VT4开始换流。8） ， VT2、VT4换流期， uVT2= uac0 ，iVT2下降，iVT4 增长，导致换流结束后VT2关断，VT1、 VT4导通。9） ，