第2讲 AC-DC变换及其应用

第2讲AC/DC变换及其应用一、整流电路拓扑三、整流电路的有源逆变工作状态二、大功率可控整流电路

四、晶闸管直流电动机系统五、整流电路的谐波和功率因数整流电路（rectifyingcircuit）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、整流主电路和滤波器等组成。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、滤波器和变压器组成。20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配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。wtp2pwtp2pwtp2pwtp2pTVTRu1u2uVTidudaqudwtwt单相整流一、整流电路拓扑例1三相整流电路拓扑三相半波可控整流三相桥式可控整流一、整流电路拓扑三相桥式可控整流电路例2选1500V/30A晶闸管6只二、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，减小对供电电网的干扰。多重化整流电路适用于低电压、大电流的场合2.1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。接平衡电抗器的原因：电源电压瞬时值不相等，用Lp平衡电流两个中点n1、n2间的电压等于ud1和ud2之差。加在Lp上，产生电流ip，通过两组星形自成回路，不经负载，称为环流或。为了使两组电流平均分配，Lp值应足够大，以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：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。upud1,ud2OO60°360°t1ttb)a)uaubucuc'ua'ub'ub'整流电压平均值为:

Ud=1.17U2cos

与三相桥式电路比较得：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。

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。

多重化整流电路移相30构成的串联2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)ia1Id180°360°ia2iab2'iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+)Id323(1+)Id33Id13将整流变压器的二次绕组移相20，可构成

串联3重联结电路将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联4重联结电路--24脉波整流电路三、整流电路的有源逆变工作状态逆变的概念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1、逆变的概念1)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。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。逆变的概念3)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)u10udu20u10aOOwtwtIdidUd>EMu10udu20u10OOwtwtIdidUd<EMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1逆变的概念产生逆变的条件有二：有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。晶闸管的控制角

>/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？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：控制角不同

0<<p

/2

时，电路工作在整流状态。

p

/2<

<

p时，电路工作在逆变状态。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。把a>p/2时的控制角用p-

=b表示，b称为逆变角。逆变角b和控制角a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当b>g时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。若b<g，该通的VT2关断,应关的VT1不能关断,最终导致逆变失败udOOidwtwtuaubucuaubpbgb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT3223、逆变失败与最小逆变角的限制换相重叠角的影响：触发电路工作不可靠，如脉冲丢失、脉冲延时等。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。换相的裕量角不足，引起换相失败。1）逆变失败的原因逆变时，一旦换相失败，使得Ud>0,形成极大短路电流—逆变失败（逆变颠覆）d——晶闸管的关断时间tq折合的电角度约4~5g——

换相重叠角15~200q′—安全裕量角主要针对脉冲不对称程度，其值约取10逆变失败与最小逆变角的限制2)确定最小逆变角bmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角b应等于bmin=d+g+q′整流电压整流电流变压器容量短路电压比Uk%g220V800A240kV。A5%15~20参照整流时g的计算方法bmin一般取29~35g——

换相重叠角的确定：查阅有关手册,举例如下：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：

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。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—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。·引言研究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围内连续。接反电动势负载时,负载电流断续,对整流电路和电动机工作均不利udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR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工作于整流状态时工作于整流状态时系统的两种工作状态：电流连续工作状态电流断续工作状态晶闸管压降电枢电阻T电阻电动机反电势

式中整流电路中T漏抗三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性机械特性是一组平行直线,斜率取决于内阻调节a

角，即可调节电动机的转速。Ona1<a2<a3a3a2a1Id(RB+RM+)IdCe3XB2p转速与电流的机械特性关系式为1)电流连续

在电机学中可根据整流电路电压平衡方程式得电流断续时电动势的特性曲线理想空载转速抬高。机械特性变软随着a

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EE0E0'OIdminId(0.585U2)(

U2)2Oa3a2a1Id分界线断续区连续区a5a4E0E电流断续时不同a时反电动势的特性曲线

1<

a2<a3<60，a5>a4>60工作于整流状态时电流断续机械特性特点：2)电流断续负载减小时，电感储能减小电流不再连续，特性呈现出非线性电动机在四象限中的机械特性正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a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

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：空载转速上翘,特性变软,呈非线性逆变状态的特性是整流状态的延续控制角变化时，机械特性得变化。第1、4和3、2象限中特性分属两组变流器，输出的Ud极性相反，故标以正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电力电子技术应用日益广泛，由此带来的谐波(harmonics)和无功(reactivepower)问题日益严重无功的危害：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。1）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：基波（fundamental）+谐波n次谐波电流含有率（HarmonicRatioforIn）

正弦波电压可表示为：电流谐波总畸变率（TotalHarmonicdistortion）

谐波和无功功率分析基础2）功率因数正弦电路中的情况有功功率：视在功率:

S=UI

功率因数l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实际意义无功功率：Q=UIsinj

非正弦电路：P=UI1

cosj1

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（基波功率因数）——cosj1功率因数由基波电流相移和电流波形畸变决定功率因数：谐波和无功功率分析基础P、Q、S定义同正