第2章 电力电子XB和有源

西南交通大学电力电子技术Power

Electronics仅内部使用

郭小舟T2环流使T1T3的电流增大、T2T4的电流减小。当iT13的电流等于Idu2由于电压源的电流可以跳变,换西南交通大学§2-8变压器漏抗对整流电路的影响1.

变压器漏抗为零时整流电路换流分析设电感很大,换流时直流电流保持不变。初始时T2T4导通。在wt=a处触发T1T3。设在一段时间内，T1T3T2T4均导流所需时间为零。T1

通，于是形成了两个短路环。ikT4

T3

或iT24的电流为零，换流完成。+

-ik2.当变压器漏抗不为零时，交流电源等效为一个理想电压源与一个电感的串联(忽略电阻)。仅内部使用

郭小舟dik

dikT1T2u2T3-ik

+T4ik同样，在a处触发T1T3。T1T3T2T4均导通，形成了两个短路环并产

dikdwt生环流如图。于是有：

u2

=

2L

=

2wL

=

2X

B

dt

dwtu2

=

2U2

sinwtik

=ò

2U22X

B

2U22X

B(-coswt)+Csinwtd(wt)

=边界条件：wt=a，ik=0，代入上式求C，再回代得(cosa

-coswt)

a

£wt

£a

+g

西南交通大学

2U22X

Bik

=仅内部使用

郭小舟2U22X

BòIdId

=

[cosa

-cos(a

+g)]

2X

B

cosa

-cos(a

+g)

=

Id

2U2代入得

或在换流期间，两组晶闸管同时导通(时间上重叠)，所以g称换流重叠角。由于在g期间四个开关都导通ud=0,与无XB的情况相比产生了“换相电压损失”DUd：2X

B

p西南交通大学

1p2U2

p2U2

sinwtd(wt)[cosa

-cos(a

+g)]==DUd

=

a+ga

仅内部使用

郭小舟这表明XB不为零时，换流不能跳变完成。设换流所需时间对应的角度为g，当wt=a+g，ik=Id换流完成：

udiT13

i2ωtωtωtπ+aaggId

=Ud0

-

ReqId2X

B

pUd

=

0.9U2

cosa

-有、无XB时电路的主要波形和代维南等效电路如图。3.当XB不为零时整流电路分析方法(以三相桥为例)a.

作出换流等效电路。例如换相前T1T2，换相完成后为T2T3，则在换相中T123均导通。换相前后T2状态不变。电路是T1与T3交换。等效电路是：

西南交通大学

ReqUdo

+Ud

-+-id仅内部使用

郭小舟T1T2T3ucuaubikb.根据换流等效电路写、解方程设环流为ik方向如图。

dikdwtub

-ua

=

2X

Bub

-ua

=

uba

=

6U2

sinwt

边界条件：wt=a，ik=0(cosa

-coswt)

a

£wt

£a

+g

6U22X

Bik

=设换流所需时间为g，当wt=a+g，ik=Id换流完成：Id2X

B

6U2cosa

-cos(a

+g)

=c.计算换相电压损失

西南交通大学仅内部使用

郭小舟ò

a

ubc

-(uac

+ubc)/2d(wt)

=

2p

ò

a

ubad(wt)ò

a

sinwtd(wt)

=

p

Id西南交通大学换相前输出电压：ud=uac换相后输出电压：ud=ubc-uc-uc

dikdwt

dikdwtT1T3T2ucuaubik

换相中输出电压从a相

ud

=ua

+

X

B看：从b相

ud

=ub

-

X

B看：ud

=

(uac

+ubc)/2

ud=(进入+退出)/2

1p

/33

6U2

a+g

3X

B

2pa+g

3

a+g=两式相加：

DUd

=仅内部使用

郭小舟Id

=Ud0

-ReqId3X

B

pcba=30

°udiT1

iaa

g

ab

ac

bc

ba

cag

输出电压

Ud

=

2.34U2

cosa

-d.主要波形图当变压器漏抗不为零时，电路换相不能瞬时完成；晶闸管的导通时间延长；产生换相电压损失；使电流基波相位滞后并影响电流的波形。并使变压器副边电压畸变关于等效电阻在整流器的代维南等效电路中有Req等效电阻。它只对电压计算等效。只能用来计算直流电压和电流。

西南交通大学仅内部使用

郭小舟考察两个直流电源构成的回路。若Ud1大于Ud2，则电能由Ud1发出，Ud2接收。标志是I由Ud1+流出从Ud2-流入。IR+

-Ud2-

++

-Ud1-

+反之若I由Ud2+流出从Ud1-流入则电能由Ud2发出Ud1接收如果电流方向不能改变，例如整流器，要让电能从Ud2流入Ud1则必须同时改变两个电源的极性。

西南交通大学

仅内部使用

郭小舟

§2-9

整流电路的有源逆变运行1.有源逆变的概念逆变是整流的相反过程，即直流到交流的变换。这里源指电网。即电路依靠电网换相，将交流电网当作电路的负载，或者说将能量返回交流电网。2.电路中能量的流向

udidpdωtωtωtπ+a

+-

a

+-为使电源E发出电功，应当将其方向倒置，使它与id方向一致;要让等效的整流电源接收电能，必须使Ud的极性颠倒，并使E>Ud。如何实现Ud变号？令a>π/2。

西南交通大学u2T1T4T2

-

T3+idLdR+E-+Ud-

仅内部使用

郭小舟3.有源逆变的实现条件考查图示可控整流电路。若id为单位值，则ud也表示了功率值。Pd为正表示负载从电网吸收能量；负表示能量从负载流向电网。在这种情况下直流电源E吸收电能。电能主要由电网流向负载。T1T4

T2u2

-

T3+idLdR-E++Ud-在正半周wt=a使T1T3导通，起初u2与E正向串联，二者均发出电功，电阻与电感吸收电功。当u2过零变负时，u2与E反向串联，u2开始接收电功。在|E|>|u2|时E驱动id流动，电感储能。当|u2|>|E|后，id有减小的趋势，电感产生电感电势。在E和电感电势的共同驱动下，id继续流动，直到wt=

π+

a，T2T4导通T1T3关断。电路在负半周的工作情况与正半周类似。

西南交通大学aπudiT1i2

2π

ωtπ+a

ωt

ωt仅内部使用

郭小舟西南交通大学从电路中知电流从E的正流出表示E发出电功；Ud的平均值为负表示Ud吸收了电功，而交流电流i2滞后u2的相角大于90度，表明电网吸收电功。从上分析知4.可以实现有源逆变的相控整流电路全控电路，没有续流路径的可控整流电路有源逆变电路是某些相控整流电路的另一种运行方式。只要满足条件，它们就用与整流完全相同的过程实现能量的逆转。所以不必将电路分为整流与有源逆变。它们是同一电路，遵循同一规则，有相同的计算式。有源逆变的实现条件1)必须有外部直流电源其极性与电流一致2)保证Ud为负或a>π/2。且|E|>|Ud|。仅内部使用

郭小舟ò

aId

=以下分析是要说明整流与有源

ud逆变是同一电路，遵循同一规

iT1则。只要满足条件就能实现能量的逆转。

i21)单相桥：工作过程已经在上

2π

ωtπ+a

ωt

ωt2

2U2

pcosa

=

0.9U2

cosaUd

=

1

p+ap

边作为例子说明。从波形图知电路的计算式与整流完全相同波形。例如当XB不等于零时它也有换流重叠角g。在g期间，输出电压为零。也要产生换相电压损失。

西南交通大学2U2

sinwtd(wt)

=

|

E

|-|Ud

|

Rπ

π+aa

a

仅内部使用

郭小舟5.有源逆变电路分析X

BIdId西南交通大学2)三相半波：设电路已经满足逆变条件。控制角a>π/2直流电感很大，电流连续平直。wt

ubwt1

ucwt2

uawt3aaaT1T2T3abc+ud-

Ld

R-E+当a=150°，在wt1处触发T1，虽然此时ua为零，但T1承受正向电压而能导通。(或uAK1=uac>0)E

ReqUdo

+Ud

-+-id

2p

2X

B

2U2

Ud

=

0.9U2

cosa

-cosa

-cos(a

+g)

=仅内部使用

郭小舟+aò+a西南交通大学

32p

5p

6p

62U2

sinwtd(wt)

=1.17U2

cosaUd

=

仅内部使用

郭小舟在|E|>|ua|期间，E克服ua驱动电流流动，同时电感储能。当|E|<|ua|时，电流有衰减趋势，电感产生感生电势，或释放储能，它与E一道驱动电流流动。直到在wt2处T2触发，T1被反压关断。

(或uAK1=uab<0)其它两相工作过程相同。输出电压波形如图。当a在π/2到π范围内变化时输出电压总是负面积多于正面积，即平均值为负。从变压器副边电流波形看，电流主要在电压波形的负半周，表示交流电源吸收了电能。三个晶闸管轮流依次工作1/3周期，与整流时相同。电路的输出：根据波形图可得|

E

|-|Ud

|

RId

=Id1

3IT

=Id1

3I2

=计算式与整流时完全相同。同样当XB不为零时也存在换流重叠角，规则也与整流时完全一样。有源逆变是整流电路的另一种运行方式，不是一种特殊的电路。在三相半波电路中当a<π/2时为整流状态；

a=π/2时为中间状态；

a>π/2时为逆变状态(满足逆变条件)。

西南交通大学uaubuc整流逆变中间状态

wtaaa仅内部使用

郭小舟西南交通大学+ud-Ld

R-E+T1T3T5abcT4T6T2ab

ac

bc

ba

cacbiT1iaud

仅内部使用

郭小舟3)三相桥式电路：设电路已经满足逆变条件。控制角a>π/2。直流电感很大，电流连续平直。根据整流电路的知识，很容易得到电路的工作波形。图为a=150°时的电路输出。当XB不为零时，存在换流重叠角，此时输出电压为进入线电压与退出线电压之和的一半。计算同整流。

a在三相桥中当a<π/2时为整流状态；

a=π/2时为中间状态；

a>π/2时为逆变状态(满足逆变条件)。6.有源逆变的失败与控制角的限制在正常情况下，直流电势E与整流电压Ud平衡，直流电流Id为限定值。但若因某些原因造成E与Ud顺向串联或E短路，产生巨大电流，称逆变失败或逆变颠覆。

西南交通大学整流中间状态逆变wtaaa仅内部使用

郭小舟如图本该在wt1使T2导通T1关断。但T2不通则T1不断。于是电路不能输出

Ud，引起逆变失败。2)控制系统错误导致触发信号丢失或延迟。前者与1)类似，后者使晶闸管不能正常换相。3)交流电源异常，如缺相，瞬间断电等。有源逆变依靠交流电网实现晶闸管的导通与关断。没有交流电压是不能工作的。4)控制角不适当使晶闸管不能关断。其中最后一个原因是设计问题。作重点讨论。

西南交通大学wtab

cwt1

仅内部使用

郭小舟导致逆变失败或逆变颠覆的原因有：1)晶闸管故障，该通的不通导致该断的不断。仍以三相半波电路为例。研究晶闸管两端的电压波形可看出，它的关断是因它承受了反压。a增大反压时间缩短。由于晶闸管关断需要一段时间。wtab

a

cwt1ab

ac

bc

ba

cacb

反压时间太短不能使晶闸管关

断或可靠关断。

当有XB时，会产生换相重叠角

g。必须在g后使晶闸管承受足够长的反压。否则不能使晶闸管关断。而g与负载电流有关。设计时应考虑最大电流时的g。此外，电网电压的波动也会影响g。综上所述，为保证电路正常工作，不能使a过大。

西南交通大学仅内部使用

郭小舟一般a由下式给出：a

<p

-(g

+d

+q

')

d为晶闸管关断时间对应的角度，q’为裕量角。

7.有源逆变的应用(自学)

1)直流可逆传动

2)超高压直流输电

3)串级调速

4)能量回收系统或特殊大功率负载。

§2-10整流电路的功率因数与提高(简介)1.整流电路的功率因数l

l=有功功率/视在功率

设电源的原边电压为正弦波，电流为非正弦，它可以

分解为与电网同频率的基波与不同频的高次谐波。

西南交通大学仅内部使用

郭小舟西南交通大学当基波电流与正弦电压不同相时，产生有功与无功；而谐波电流与电源电压作用只产生无功。对正弦交流电路：功率因数=基波有功功率/基波视在功率对非正弦的整流电路：l=有功功率/视在功率视在功率=电压有效值*总电流有效值有功功率=电压有效值*基波电流有效值*cosff是电压与电流相量间的夹角，称功率因数角。所以l=(基波电流有效值/总电流有效值)*cosf=n

cosfn=I(1)/I称为畸变因数。即：功率因数=畸变因数*位移因数(基波功率因数)非正弦交流电路的功率因数由畸变因数和位移因数二者的积来决定。仅内部使用

郭小舟西南交通大学1)单相全控桥为简单和突出重点，假设XB=0，电路是大电感负载。将变压器副边电流进行付氏级数展开：

4

11p

3

5

44

2p

2pcosf

=

cosa基波功率因数功率因数l=n

cosf

=0.9cosa表明功率因数只与a有关。a越大功率因数越小。其畸变因数是常数。πaudi2

0

ωt

ωt2ππ+aa

仅内部使用

郭小舟2.整流电路的功率因数l的计算=Id

×cosI2(1)a

22)单相半控桥

2

2

pIdp

-a

pI2

=cosa

2

2

2p(p

-a)=u

=I2(1)

I2a

2cosf

=

cos基波功率因数功率因数cos2

a

2

2

2p(p

-a)l

=n

cosf

=表明在a小于60度时单相半控桥的功率因数比全控桥高。这就是很多场合都采用它的原因之一。

西南交通大学0π2πud

i2π+

aa

ωtωt仅内部使用

郭小舟I2

=Idu

==I2l

=n

cosf

=cosap3)三相全控桥Id

6pI2(1)

=

2

I2(1)

3

3

p功率因数基波功率因数

cosf

=

cosa

33.提高整流电路功率因数的措施(自学)从整流电路功率因数的概念知，要提高功率因数应当从改善波形因数和相位移因数两方面着手。1)由于(在a小于60度时)半控桥的功率因数高于全控桥，所以可以用半控桥的运行方式控制全控桥。2)采用扇形控制以消除相位移，提高功率因数。3)采用SPWM控制技术，在以后的章节中要学到。

西南交通大学uaub

wtwtaaa

ucaaa仅内部使用

郭小舟作业:

2.162.17

2.212.22

西南交通大学仅内部使用

郭小舟Req

=2X

BId

=Ud0

-

EUd

=

0.9U2

cosa

-Id+udT1

T

u22

idRLd例10.图中R=1欧，LB=0.5mH，U2=100V，Ld极大，a=60°，E=40V，求U解

Id和

。0

=

0.9U2

cosa

=

45(V)d、

g

Ud

pR+

Req=Ud0

-ReqId

=

44.5(V)=

0.1(W)

=

4.55(A)

2X

B

pId

=

0.012X

B

2U2cosa

-cos(a

+g)

=g

=

60.00-60

=

0.66°

西南交通大学T4

T3

Req

Udo

-

+Ud

-+-E

id仅内部使用

郭小舟E：E

=Ud

-

IdR

=

214(V)当电机作发电机运行时，直流电压是：

Ud

=

E

-IdR

=

-202(V)

控制角a为：

Ud

=1.17U2

cosa

a

=138.6°

西南交通大学

仅内部使用

郭小舟例11.三相半波电机负载。R=0.3欧，Ld极大，Id=20A，Ud=220V