电力电子变流技术

1、电力电子变流技术讲 稿姚河清2002.7.27概述1.电力电子技术的概念Power Electronics & Conversion technolegy1.1电力电子技术： 电子技术在大功率方面的应用 1.2变流技术： 实现电流供流方式的转换 例如：交流-直流、直流-交流、直流- 直流、交流-交流2.电力电子变流技术的应用与发展 2.1电力电子变流技术的应用 例如： 输变电 电力拖动（轧钢、纺织、造纸 等以及其他各种电机的拖动） 2.2电力电子变流技术的发展 发展的动力 1）元器件 2）控制技术 3）变流技术3.本课程的教学计划 3.1教学学时 2学分 3.2教学内容：整流、调压、逆

2、变 3.3教学目的：1）各种电路的工作原理分 析 2）各种电路的特点及应用 3）电路设计 第一章晶闸管11晶闸管(Thrystor)的工作原理1.晶闸管分类及应用1.1普通晶闸管；交-直变换为主，用作逆变、调压、开关等。1.2快速晶闸管；开通与关断速度快，一般用高频率的 逆变、快速开关、调压等。1.3双向晶闸管；可双向道通、用于交流开关、调压。1.4其他晶闸管；可关断晶闸管、特殊门极晶闸管等。2.普通晶闸管的工作原理2.1结构与等效电路（见图13）P2P1N1N1P2N2AKGAGKEARPNPNPN图1-3AKG 2.2晶闸管的工作状态 1）反向截止 2）正向截止 3）正向导通 2.3状态转

3、换 1）正向截止-正向导通 （触发） 条件： AK 加正向电压，同时 GK加触发信号； 2）正向导通-截止（关断）条件： A-K电流为零。1-2晶闸管的特性1.晶闸管的静态特性1.1 VA特性 UDRM正向断态重复电压（可恢复90% UDSM） UDSM-正向断态可恢复电压 URRM 反向断态重复电压（可恢复90% URSM） URSM反向断态可恢复电压 Ub0反向击穿电压 IH正向维持导电电流 IG触发电流DRMUU图1-4晶闸管V-A特性曲线IAUAUDSMUIIIUboRRMRSMHDRMRRMIIIG0G1G2正向导通反向击穿图142.晶闸管的门极VA特性图1-3门极V-A特性可靠触发

4、区IFGMIGT0UGUGTUFGMIG低阻曲线高阻曲线 IGT可靠触发最小电流 UGT可靠触发最低电压 IFGM门极正向峰值电流 UFGM-门极正向峰值电压电压过低，电流过小不能触发；电压过高，电流过大可能烧坏。通常要远小于阳极电压和阳极电流。 使用门极信号应注意：使用门极信号应注意： 1）有效触发（信号的电压、电流、时间要合适） 2）防止干扰 3）提高触发速度3 晶闸管的动态特性图16t1tdiAUAKtrrtgrURRMIRM100%90%P功耗开通损耗通态损耗扩展损耗关断损耗过渡损耗ttt 主要考查参数1）开通时间：tgt= td + tr ; td 延迟时间； tr-上升时间。2）关

5、断时间tg：从AK间施加反向电压开始至恢复正 向阻断所需时间。 tg= trr + tgr trr反向阻断恢复时间 tgr正向阻断恢复时间 通常：tgr要远大于 trr3）动态损耗 ： P损耗=断态损耗 + 通态损耗 + 开通损耗+关断损耗14晶闸管的主要参数1.电压定额1.1断态重复峰值电压 UDRM 工作于正向断态，重复频率50HZ，过电压连续时间10ms，晶闸管能达到的最高峰值电压 ；1.2反向重复峰值电压 URRM=90% URSM（反向不重复峰值 电压） 晶闸管额定电压取值该管的UDRM与USRM中的最小值 1.3 通态电压降UTH 2.电流定额2.1 通态平均电流 IT（AV）-环

6、境温度环境温度40；电阻性负载；电阻性负载；单相工频；半波整流；全导通；规定散热条件；稳单相工频；半波整流；全导通；规定散热条件；稳 定结温不定结温不超过规定值；允许的最大平均电流。超过规定值；允许的最大平均电流。说明：1）电流导致晶闸管破坏的方式为热破坏。晶闸 管的允许承载电流（即额定电流IT（AV）是 晶闸管工作在确定的散热条件下，IT（AV）使 晶闸管发热达到规定结温。 2）与晶闸管的发热量相对应的是电流的有效 值，而额定电流的计量用的是平均值，其他任 意条件下选择晶闸管额定电流的方法 ：先将任 意条件下的电流平均值转换成有效值（乘波形 系数Kf )，然后将该有效值转换成规定条件的 平均

7、值。 I / I T（AV）= = 1。57IT(AV)=021Imsintdt=Im22IT(AV)IIm2sin210mmIttdII 其他条件下的 IT（AV ）的计算方法（见表15） 通常对晶闸管额定电流的计算有两种形式： 1）已知晶闸管的工作电流波形和电路输出平均电流， 计算需要多大额定电流的晶闸管。 2) 已知晶闸管额定电流和工作电路，求电路允许输出 最大平均电流。 注意：注意：计算额定电流时必须考虑安全系数。2.2 维持电流；I H2.3 擎住电流；I L2.4 断态重复峰值电流IDRM（正向）；IRRM（反向）。也 称为漏电流dfIIk 3.门极定额3.1门极触发电流IGT3.

8、2 门极触发电压UGT注意注意：门极定额取最小值，触发讯号必须大于该值才能门极定额取最小值，触发讯号必须大于该值才能 有效触发有效触发4.动态参数4.1断态电压临界上升速度du/dt4.2通态电流临界上升速度di/dt 5.额定结温Tjm 15其他相关器件介绍1.二极管1.1普通整流管1.2快速整流管1.3快恢复二极管1.4肖特基二极管2.晶闸管2.1快速晶闸管2.2双向晶闸管注意：注意：双向晶闸管的电流定额用有效值表示。双向晶闸管的电流定额用有效值表示。iu2.3逆导晶闸管2.4多管封装管第二章 单相可控整流21单相半波整流1.电阻性负载2cos145. 0sin22122UttdUUdRU

9、Idd/u2uTRudu1idu2t2 2ugttid udtuT2.电感性负载2.1没有续流管（导通角延长）2.2有续流管负载角负载角越大；导通角延长越长Rltg122单相桥式整流1单相全控桥1.1电路结构1.2电阻性负载整流输出平均电压和平均电流的计算：（是半波整流的2倍）u2Rudu1idi2VT1VT4VT3VT2abud idtttut1-4i2图2-4单相挢式全控整流电路，电阻负载的电路及其波形a)b)c)d)2cos1/9 . 02cos19 . 0sin21222RURUIUttdUUddd每只管子承受的工作电流平均值为1/2 Id；每只管子承受的最高工作电压为： 正向： U2

10、 反向：交流侧电流的有效值： 2222U2sin21)sin2(12222RUtdtURI在电源设计时要参考变压器的视在功率，即； S=U2*I2整流器输出电压的有效值：整流器输出的有功功率：电源的功率因数：2sin21)sin2(1222UtdtUU2sin21222UIUIP2sin21cossp控制角 0306090120150180Ud/U20.90.840.676 0.450.226 0.060I2/Id1.111.171.331.571.972.82-cos10.987 0.898 0.707 0.427 0.170表21单相全控桥整流的电压、电流比及功率因素与控制角的关系上述这些

11、参数对整流器的设计是有用的。控制角越小，电源的工作效率越高，但控制性能变差。在设计时必须综合考虑13电感性负载由于电感的作用会延长晶闸管的导通时间，根据负载角的不同延续时间不同。 以维持负载电流连续为前提，晶闸管的道通角为180，即（+）则整流输出电压的平均值: 的调节范围为090晶闸管承受的最高正、反向电压为2U2。如果电感足够大，输出电流的脉动可忽约不计，输出电流为恒定直流，变压器的输出电流为对称方波。即： I2/Id=1每只管子的电流有效值： IT=1/2Id=0.707Idcos9 . 0sin2122UttdUUd如果电感较小，电流不连续则：)cos(cos2sin2122UttdU

12、Udu2Rudu1idi2VT1VT4VT3VT2abL图2-6单相挢式全控整流电路，电感负载的电路及其波形udttIdiT2-3ttttiT1-4i2uT1-414.反电动势负载分析晶闸管最小触发角： min停止导电角u2Rudu1idi2VT1VT4VT3VT2abudtt图2-8单相挢式全控整流电路，反电动势负载的电路及其波形a)b)EEidIdmin2122sinUEtdEtUEUd)sin2(12 反电动势使晶闸管的导通角 减小，容易造成 电流断续。常用的如电机的电枢供电，电流断续会有两方面的不利影响： 1）电磁力矩降低。当机械力矩增大时速度会降低。即：机械特性变软。 2）低速运行电

13、流冲击加大，会引起很大的换相火花。 常用解决办法：串联平波电抗器。 平波电抗器的设计方法： 设计原则：维持最低运行速度稳定，额定机械负载工作状态下的电流连续。udidLREEtURidtdiLd)sin(22 当一定负载低速运行电流连续时，电枢电阻很小，为了简化运算，可忽略。简化后求解，得：cos2)cos(cos2)(2ttLUtid 该方程即为维持电流连续的最小电流求解方程。最小连续电流是触发角的函数。电路等效： 回路方程：最小连续电流的平均值：2. 单相半控桥2-1.电路原理图2-2.电感性负载时有无续流二极管的工作效果分析：02minsin22)(1LUtdtiIdd 由上式可设计电感

14、。 其他整流器可依此方法进行计算。u2u1i2VT1VD4VT3VD2abRudidVDR1）无续流二极管 存在问题：失控现象。 解释：当触发角很小时，如果突然停止触发，假设此 时是VT1-VD2之间道通，在停止触发后，电感的反感电势续流维持其道通，U2反向后还可以经VT1-VD2续流，当U2再换到正向时，由于VT1未关断，不经触发即可持续导通，既出现了失控。2）有续流二极管3）另一种半控桥u2u1i2VT1VD4VT2VD3abRudid2-3.反电动势负载：23.单相可控整流的触发控制1.对触发控制的要求1-1同步1-2.移相 能达到所要求的移相工作区间1-3.触发 有效触发晶闸管的脉冲（

15、电压、电流、时间）2.单结晶体管式触发电路2-1.单结晶体管b1b2eUeUpUvPIpIvvIe(a)符号（C）特性曲线b1b2eIeRb1Rb2EeEbbs(b)试验电路AVD当UeUA时，二极管反向，只有很小的漏电电流。当:bbbbbbbAEERRRUUe211 VD两端的电压为零，达到临界点P，对应的UP为峰点电压；IP为峰点电流。 当UeUa时，二极管正向导通，随电流Ie的增加，电阻Rb1减小，行成P点至V点的负阻区，电流急剧增加。 V点电压UV相当于二极管的正向压降，V点为谷点。 当Ue再次低于UV时，e与b1之间恢复阻断。 每只单结晶体管的值不同，较多的在0.75左右。2-2单结

16、晶体管自激振荡器ReR2EcR1u0(a)(b)Ucu0UpUvvVppIUEIUEeR振荡条件：)11ln(R11eCTf振荡频率：物理意义：1）阻断状态时，UC的充电要能达到UP 以上，以使eb1开通。 2）开通状态时，UC放电能底于谷点电 压，以使eb1之间灰复阻断。2-3单结晶体管式触发电路1）输出与控制电路有共零线：2).输出与控制电路隔离u1u2uzvsRRCb1b2ecsVT1VT3VD2VD4Rttttusuzucub1ud0000第三章 三相可控整流31 三相半波可控整流1。电阻负载1。1电路原理 （共阴接法）AUBCWVUT3UT2UT1Rudid0tuwv00tt0tug

17、udiT10tuT11.2典型波形 = 0时波形 （见上图） 最大导通角：=2/3 最大移相范围： /6 最小电流连续触发角： =30 ；当 30电流断续。 半波整流对变压器工作状态的影响：次极绕组通过直流脉动 电流。 1.3参数计算 整流输出平均电压ud: a) 当 30 时，各相工作区/6+ 5/6+ =0点的确定：自然换相点，t=/6cos17. 1sin232122656UttdUUda) 当 30 时，各相工作区/6+ 5/6+ b) 当 30 时，各相工作区/6+ )6cos(1 675. 0sin2321226UttdUUd输出负载电流平均电流：Id=Ud/R相电流有效值：656

18、22)sin2(2130tdRtUIT622)sin2(2130tdRtUIT1电阻性负载2电感负载3电阻电感负载4电阻负载时IT/Id06030901201500.40.81.2IT/Idud/U21.171234三相半波可控整流Ud/U2与 的关系 上图反映了随着的增大，变压器的工作效率降低；晶闸管的容量要增大。 晶闸管承受的最高反向电压 ：URM=23U2（线电压峰值）； 最高正向电压 ：UFM= 2U2AUBCWVUT3UT2UT1RudidLeL2.电感性负载加电感是为了减小输出电流脉动。假设： 加电感后电流脉动很小，各波形示意如图：0tuwv0tudiu0tug0t0t0tiwiv

19、UT1tcos17. 1sin22322656UttdUUd当=90时，Ud=0,此时输出电压正负半周相等。 的移相范围为：090 输出电流为：晶闸管电流的有效值与相电流相等 即： I2=IT=Id/3=0.577Id晶闸管承受的电压为线电压峰值，即： UFM=URM=23U2如果电感较小，当较大时，不能满足电流连续要求，则电流断续。RUdId3.共阳接法 工作原理和共阴接法相同，输出负电压三相半波整流存在问题： 变压器次极绕组的电流为直流，很容易造成铁芯磁饱和。3-2三相全控桥1.电路工作原理RudidABCUT1UT3UT5UWVUT4UT6UT2eLLUAUBUCUABUBCUCA0tu

20、uvuvwuwu00u2udit1uT1uuwuvuuwv理解方法1：正负两组三相半波的串联 cos34. 2cos17. 1*2Ud理解方法2：电路工作过程分析三相交流相电压与线电压的矢量关系如图。同步点：自然换相点（即=0点）当=0时的工作过程分析： 正向输出组（共阴极组）和反向输出组（共阳极组） 都是自然换相点换相，在一个周期内VT1VT6轮流道通，可分为6个工作区，每个工作区内同时有两个晶闸管导通。输出波形：ud为三相相电压的外包络线。或者是6相线电压的上包络线。要点：要点：1）同时要求两管导通，共阳极组和共阴极组各 有一个晶闸管导通 2）触发要求：宽脉冲触发或者双窄脉冲触发 原因：同

21、时两管导通，当其中一个换相时， 必须对换相管加脉冲，同时没有换相 的那个晶闸管也要加脉冲触发，否则， 当换相管换相时，有可能造成回路电 流断流 ，使没有换相的晶闸管关断。 宽脉冲的宽度必须大于60，宽脉冲的发生 电路比较复杂，通常用双窄脉冲触发较多。 3）晶闸管承受的最高正、反向电压为线电压的 峰值。 4）输出电压的脉动频率为相电压频率的6倍频。 脉动电压幅值为：)211 (22lU2.0工作原理分析2.1电阻性负载 =30分析脉动为：0tuuvuvwuwu0u2uduuwuvuuwvUTllUU2222)30sin1 (2 =60临界断续点0tuuvuvwuwu0u2uduuwuvuuwvU

22、T1当 060时：cos34. 2cos35. 122UUUld 当 60 120时：)60cos(1 34. 2)60cos(1 35. 122UUUld2.2电感性负载 以电流连续为前提，则每只晶闸管的导通角始终 为120 移相范围：0 90流过晶闸管的电流有效值为：cos35. 1sin623122323ldUttdUUdddTIIII577. 0332212流过晶闸管电流平均值电流平均值：当变压器次极为Y型接法时，相电流有效值相电流有效值：dTAVTIII368. 057. 1)(ddIII816. 0322 为三相半波整流的 倍，每相的工作时间为三相 半波的两倍。 晶闸管最高承压为线

23、电压峰值，与三相半波相同。2 3-3整流电压的谐波分析谐波的概念：谐波的概念：周期性非正弦函数可用付理叶级数分析。 即：一个非正弦函数可分解为无穷次正 弦 函数的合成，各次正弦函数既为该非 正弦函数的对应次谐波。研究目的：研究目的：1）比较各种整流电路的工作效果，选择合 适的整流形式（通常要提高最低次谐波的 频率，降低最低次谐波的幅值。 2）正确设计滤波电路。 3）降低高次谐波对变压器一次侧的影响，减 小对电网的影响。1.多相整流电路的一般分析1.1当 = 0时 设：相数为M，输出电压以 2/M周期重复，将一个 周期作付氏变换。Udmmm22tUudcos220进行付氏变换付氏变换的一般表达式

24、：mknmknnnddtnbtnaUucossin00整流输出电压波形以纵座标对称，其函数为偶函数，付里叶展开为与余弦函数，即：式中： mknnddtnbUucos00mmUttdUmUmmdsin2cos21220Ud0既为直流输出平均电压bn为n次谐波的幅值，则：式中: nt-角频率1cos2coscos21202nkUttdntUmbdmmn253cos1cos21 200tnnkUumkndd分析式3-25可得到如下结论：1）m相整流电压只有以m为整数倍的谐波（如：三相半 波整流只有3、6、9倍频谐波；2）相数越多，谐波频率越高；对应各次谐波的幅值越小。纹波因数 : 定义： UR-纹波

25、电压式中：U-为整流输出电压的有效值。u0dRuUU21202212)()(dnRUUUUu 可作为整流输出电压的脉动评价， 越大，脉动越严重。u1.2 0分析 an和bn的求解可依P51式3-39和3-400sinsin212ttdntUmamnmknnnddtncUu)cos(00)cos(00nmknnnddtndIi 式中：nnnbatg1-移相角Rlntgn1-负载角 3-4变压器漏抗对 整流电路的影响 变压器的漏感： 电磁藕和的漏磁引起。在变压器二次侧相当 于各相串联了一个电感，对整流输出电压 电流的影响如图所示。在换相期间，关断相 和开通相会存在一个电流衰减和电流递增的 重叠道通

26、区： -换相重叠区uvwLRVT1VT2VT3iuiviwikTiuiviwiwuditt 区内的电压为导通两相电压的平均值。漏感越大，角越大；电流越大， 角越大；角越大， 角越小。影响：1）限制短路峰值电流，减缓电流变化速度。 2）导致波形畸变，影响电网。 3）的调节范围减小，功率因素降低。通常设计要减小漏感，但漏感也有特殊应用，例如：电焊机。3-5可控整流电路带反电势负载经常应用于带电机负载，充电器等。略3-6大功率可控整流电路1.双反星型带平衡电抗器可控整流电路1.1电路原理图1.2电路原理分析要求： 1）各相参数相同 2）两组三相半波整流并联输出，同时有两管导通， 提高电 源的电流输出

27、。问题：并联两相的瞬时电压不等，不能保证两管同时道 通。TLpVT2VT6vwVT1VT3uvVT5VT4RLuduwipi1i2id解决办法：加平衡电抗器。作用原理：两组三相半波的 =0点都是自然换相点，各自 的工作原理与三相半波整流相同。 在接入平衡电抗器之后，以=0的工作情况 分析：LudVuipi1i2Lp0+-+-1/2upVT6RidVT11/2upud1ud2 假设此时V相已经导通，能否实现两相同时导通的关键在于此时，V相导通的同时，U相是否能触发导通。 如图V相电流流过平衡电抗器下部绕组，有1/2UP压降由于平衡电抗器的自感作用，会得到如图上+下-的感应电势UP，只要能满足：V

28、T1即可获得正向导通条件，加上触发即可导通。Ud1和Ud2的电位差由平衡电抗器承担，即：vpuuuupdpduuuu212121 输出电压：ud=1/2(ud1+ud2) 输出电流：id=i1+i2 此种工作状态一直维持到反相组换相，在反向组的自然换相点，将有v相和w相的换相，各波形如下图：ududuvwuvwtupt0时的波形分析：时的波形分析：ududuvwuvwto30ududuvwuvwto60ududuvwuvwto90电源的输出特性：当电源的输出特性：当=0时如下图时如下图1.35U21.17U2UdIdminIdLp的电感量与Idmin的关系：输出参数：min232dpIULco

29、s17. 12UUdddTIIII289. 03212输出特点：输出特点：1）输出电流大；脉动小； 2）没有直流磁化问题（和6相半波相比） 3）变压器二次绕组的电流容量比六相半波整 流大一倍； 4）晶闸管的电流容量提高。 平衡电抗器的应用为不同相位的整流电路提供了并联运行的方法，可保持电流分配的平衡。2.十二相整流电路 略第四章.有源逆变电路1.逆变的概念 交流-直流 整流 直流-交流 逆变 逆变交流输出负载为无源-无源逆变 逆变交流输出负载为同频交流电源-有源逆变2.有源逆变的发生条件 整流的调节范围确定原则： 从=0 到 Ud=f (max)=0 确定的max范围。 当max时， Ud为负值。 但当负载具有反方向直流电源时，负载直流电