电力电子技术-第2章 变流器运行

第2章变流器运行2.1换相重叠角2.2整流电路的有源逆变工作状态2.4整流电路的谐波和功率因数2.5变流装置的功率因素

1ik=ib是逐渐增大的，而ia=Id-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断,换流过程结束。2.1换流重叠角考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示。现以三相半波为例，然后将其结论推广。VT1换相至VT2的过程：因a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变。于是VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流ik。图2-1

考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca22.1.1换流重叠角换相重叠角——换相过程持续的时间，用电角度g表示。换相过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。换相压降——与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。（2-1）（2-2）3换相重叠角g的计算由上式得：进而得出：（2-3）（2-4）（2-5）4由上述推导过程，已经求得：当时，，于是g随其它参数变化的规律：（1）

Id越大则g越大；（2）

XB越大g越大；（3）

当a≤90时，越小g越大。（2-6）（2-7）5②电路形式单相全波单相全控桥三相半波三相全控桥m脉波整流电路①

变压器漏抗对各种整流电路的影响表2-1

各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算注：①单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用；

②三相桥等效为相电压等于的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按代入。2.1.2其他整流电路的换流重叠角6变压器漏感对整流电路影响的一些结论:出现换相重叠角g

，整流输出电压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多。晶闸管的di/dt

减小，有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。72.2有源逆变2.2.1逆变的概念2.2.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态2.2.3逆变失败与最小逆变角的限制82.2.1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。逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。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与电网联接，而直接接到负载，将在第4章介绍。对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。92)直流发电机—电动机系统电能的流转图2-2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。103)逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机图2-3

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+iVT12iVT1iVT2iVT111从上述分析中，可以归纳出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π>

>/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。12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。1314三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图2-4所示。图2-4三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt22.2.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态15有源逆变状态时各电量的计算：输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即（2-8）每个晶闸管导通2p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：（2-9）从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：（2-10）当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。（2-11）在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：162.2.3逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败（逆变颠覆）

逆变时，换流失败，使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，回路电阻很小，形成很大短路电流，导致晶闸管和变压器的烧毁。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。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17换相重叠角的影响：图2-5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。如果b<g时（从图2-5右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1)不能关断，最终导致逆变失败。udOOidwtwtuaubucuaubpbgb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT322182)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′

（2-12）d——晶闸管的关断时间tq折合的电角度g——

换相重叠角q′——安全裕量角tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。值约取为10。这样，bmin一般取30~35。192.4整流电路的谐波和功率因数2.4.1谐波和无功功率分析基础2.5.2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析2.5.4整流输出电压和电流的谐波分析202.4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(reactivepower)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。211）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：n次谐波电流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示

（2-15）电流谐波总畸变率THDi（TotalHarmonicdistortion）定义为

（2-16）正弦波电压可表示为：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222）功率因数正弦电路中的情况电路的有功功率就是其平均功率：（2-17）视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI

（2-18）无功功率定义为：Q=UIsinj

（2-19）功率因数l定义为有功功率P和视在功率S的比值：（2-20）此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系：（2-21）功率因数是由电压和电流的相位差j决定的：l=cos

j

（2-22）23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。非正弦电路的有功功率：P=UI1

cosj1（2-23）功率因数为：（2-24）

基波因数——n=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）——cosj

124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（2-21）给出的：（2-25）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。也可仿照式（2-23）定义无功功率，为和式（2-25）区别，采用符号Qf，忽略电压中的谐波时有：Qf=UI1

sinj

1(2-26）在非正弦情况下，，因此引入畸变功率D，使得：Qf为由基波电流所产生的无功功率，D是谐波电流产生的无功功率。252.4.2带阻感负载时整流电路交流侧谐波和功率因数1)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（电流i2的波形见图2-6）i2Owtd（2-27）变压器二次侧电流谐波分析：n=1,3,5,…（2-28）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。26基波电流有效值为

（2-29）

i2的有效值I=Id，结合式（2-29）可得基波因数为

(2-30）电流基波与电压的相位差就等于控制角，故位移因数为（2-31）所以，功率因数为

（2-32）功率因数计算272.4.2三相整流电路交流侧谐波和功率因数2）三相桥式全控整流电路图2-6三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：（2-33）tud1a=30°ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥwtOwOwtOwtOidiawt1uaubuc（2-78）28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（2-34）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。功率因数计算基波因数：（2-35）位移因数仍为：（2-36）功率因数为：（2-37）292.4.4整流输出电压和电流的谐波分析整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。图2-7

a=0时，m脉波整流电路的整流电压波形

=0时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析。整流输出电压谐波分析整流输出电流谐波分析302.4.4整流输出电压和电流的谐波分析

=0时整流电压、电流中的谐波有如下规律：m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk（k=1，2，3...）次，即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，也为mk次。当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低次（m次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速。m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速下降。312.4.4整流输出电压和电流的谐波分析

不为0时的情况：整流电压谐波的一般表达式十分复杂，下面只说明谐波电压与

角的关系。图2-8三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与

的关系以n为参变量，n次谐波幅值对