电气工程概论-第三章(修改)

电气工程概论第三章电力电子技术第三章电力电子技术电力电子技术：使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。1974年，美国的W.Newell用倒三角对电力电子技术进行了描述，被全世界普遍接受。都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态（电力电子技术的重要特征）。二者同根同源。与电子学（信息电子学）的关系电气工程概论第三章电力电子技术电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程学科的一个分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。与电力学（电气工程）的关系电气工程概论第三章电力电子技术控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是实现这种接口的有力纽带。电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。与控制理论（自动化技术）的关系电气工程概论第三章电力电子技术电力电子技术特点：弱电控制强电的学科交叉技术；所涉及的学科广泛，包括：基础理论（固体物理、电磁学、电路理论）、专业理论（电力系统、电子学、传热学、系统与控制、电机学及电力传动、通信理论、信号处理、微电子技术）以及专门技术（电磁测量、计算机仿真、CAD）等。传送能量的模拟-数字-模拟转换技术；多学科知识的综合设计技术。电气工程概论第三章电力电子技术第一节功率半导体器件一、概述二、大功率二极管三、晶闸管四、功率场效应晶体管五、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）六、功率模块与功率集成电路七、功率半导体器件的保护第二节电力变换技术一、换流概念和变流器的分类二、相控调压电路(单相交流调压)三、可控整流电路(分单相半波、三相半波及桥式两次讲)四、有源逆变电路五、二组晶闸管整流器反并联可逆电路六、交-交直接变频器(正弦波单相交-交变频)七、单象限直流电压变换电路(直流降压变换)八、二相限直流电压变换器九、四象限直流电压变换器十、直流电压变换器的控制方式(时间比控制方式)十一、逆变电路(电压型单相半桥逆变)十二、逆变器的多重化十三、正弦脉宽调制技术（SPWM技术）电气工程概论第三章电力电子技术第一节功率半导体器件电气工程概论第三章电力电子技术一、概述（一）功率半导体器件的功能图3-1为电力电子装置的示意图，功率输入经功率变换器后输出至负载。功率变换器通常采用电力电子器件作为功率开关，应用不同拓扑组合构成，实现电功率形式的变换（电压或频率等变换）。此外，系统功率可以是双向的，即电功率也可以从输出端送至输入端。电气工程概论3.1功率半导体器件功率半导体器件作为功率开关，其工作特点如下：1）功率半导体器件通常都处于在开关状态。2）设计功率变换器时要考虑器件的散热。功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时，在转换过程中所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗，总称为开关损耗。3）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的功率半导体器件应该是能承受高电压、大电流的器件。电气工程概论3.1功率半导体器件理想的功率半导体器件的特性：1）在阻断状态，能承受高电压；2）在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；3）在开关状态，转换时间短，能承受高的di/dt和du/dt；4）具有全控功能，可以通过电信号来控制器件的通断。电气工程概论3.1功率半导体器件（二）功率半导体器件的发展功率半导体器件的发展经历了以下阶段：大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。1957年第一只晶闸管—也称可控硅(SCR)问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶闸管时代（无自关断能力的半控器件）。20世纪70年代，出现了自关断器件，如门极可关断晶闸管、大功率双极型晶体管、功率场效应晶体管等。20世纪80年代，出现了场控半导体器件，以绝缘栅双极型晶体管为典型代表。现已经出现了第四代电力电子器件——集成功率半导体器件，它将功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上，从而开辟了电力电子器件智能化的方向，具有广阔的应用前景。电气工程概论3.1功率半导体器件图3-2示出了各种功率半导体器件的工作范围电气工程概论3.1功率半导体器件SCR：可控硅整流器（晶闸管）GTO：门极可关断晶闸管BJT：大功率双极型晶体管MCT：MOS控制晶闸管IGBT：绝缘栅极双极型晶体管MOSFET：功率场效应晶体管半控型器件（Thyristor）

——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。如晶闸管及其大部分派生器件全控型器件

——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。GTO，MOSFET，IGBT不可控器件(PowerDiode)

——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。如电力二极管按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：电力半导体器件（三）功率半导体器件的分类电流驱动型

——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。这类电力电子器件称为电流驱动型电力电子器件或电流控制型电力电子器件。如晶闸管，GTO，MCT，IGCT。电压驱动型

——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。这类电力电子器件称为电压驱动型电力电子器件或电压控制型电力电子器件。也称为场控器件或场效应器件。如MOSFET，IGBT

按照驱动电路信号的性质，分为两类：电力半导体器件单极性器件（MOSFET，SIT）

——有一种载流子参与导电。双极性器件（电力二极管，晶闸管，GTO，GTR，SITH，）

——由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件（IGBT，MCT，IGCT）

——由单极性器件和双极性器件集成混合而成的器件

按照载流子参与导电的情况，分为三类：电力半导体器件二、大功率二极管大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路的续流、电压源型逆变电路等场合均得到广泛使用。（一）大功率二极管的结构大功率二极管的内部结构是一个PN结，其符号如图3-3(a)所示。一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式(图3-3(b))，以上则采用平板式(图3-3(c))。电气工程概论3.1功率半导体器件（二）大功率二极管的特性1.大功率二极管的伏安特性二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia

间的关系称为伏安特性，如图3-4所示，忽略通态压降和反向漏电流的理想伏安特性如图3-4(b)所示。电气工程概论3.1功率半导体器件2.大功率二极管的开通、关断特性图3-5为大功率二极管的开通过程。大功率二极管的开通过程较短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。电气工程概论3.1功率半导体器件图3-6为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时间必须考虑。电气工程概论3.1功率半导体器件低频整流电路中，一般不考虑大功率二极管的动态过程。在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的应用场合，必须考虑大功率二极管的动态过程。

电气工程概论3.1功率半导体器件常用的二极管有三种:普通二极管（反向恢复时间：2~5μs）快速恢复二极管：反向恢复的电流小且恢复时间很短（200~500ns）肖特基二极管：几乎没有反向恢复时间。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。三、晶闸管(thyristor，或SCR：siliconcontrolledrectifier)晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导地位。（一）晶闸管的结构晶闸管是大功率的半导体器件，结构如图3-7及图3-8所示。电气工程概论3.1功率半导体器件（二）晶闸管的静态特性晶闸管内部结构上有三个PN结。当阳极电源使晶闸管阳极电位高于阴极电位时，晶闸管承受正向阳极电压，反之承受反向阳极电压。当门极控制电源使晶闸管门极电位高于阴极电位时，晶闸管为正向门极电压，反之承受反向门极电压。通过理论分析和实验验证表明：1)只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。2)晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，但必须是一个具有一定宽度和幅度的正向脉冲电压，称之为触发脉冲。3)要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到维持电流(约几十毫安)之下，通常通过降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。电气工程概论3.1功率半导体器件晶闸管的静态特性即阳极伏安特性，表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流ia

之间的关系曲线，如图3-9所示。电气工程概论3.1功率半导体器件

晶闸管的阳极伏安特性可以划分为两个区域，第I象限为正向特性区，第III象限为反向特性区。第I象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。正向阻断状态随着不同的门极电流，Ig大小呈现不同的分支。正向导通状态下的特性与一般二极管的正向特性一样，此时晶闸管流过很大的阳极电流而管子本身只承受约1V左右的管压降，特性曲线靠近并几乎平行于纵轴。晶闸管在第III象限的反向特性与二极管的反向特性类似。电气工程概论3.1功率半导体器件2.动态特性（1）开通特性：晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。（2）关断特性：晶闸管由导通转为截止的过程为关断过程。普通晶闸管的关断时间为几百微秒。电气工程概论3.1功率半导体器件（三）晶闸管的主要参数1.电压参数（1）断态重复峰值电压UDRM门极开路，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称为断态不重复峰值电压UDSM。取断态不重复峰值电压UDSM的90％定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复”表示每秒50次、每次持续时间不大于10ms。电气工程概论3.1功率半导体器件（三）晶闸管的主要参数1.电压参数电气工程概论3.1功率半导体器件（2）反向重复峰值电压URRM门极开路，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称为反向不重复电压URSM。取反向不重复峰值电压URSM的90％为定义为反向重复峰值电压URRM。（3）晶闸管的额定电压UR

取UDRM和URRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上做为晶闸管的额定电压UR。为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值UTM的2~3倍，以作安全余量。（三）晶闸管的主要参数电气工程概论3.1功率半导体器件2.电流参数（1）通态平均电流IT(AV)选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。选用晶闸管的额定电流IT(AV)应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.5~2倍。（2）维持电流IH维持电流IH是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。（3）擎住电流IL晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号时，维持元件导通所需的最小阳极电流称为擎住电流IL。一般擎住电流比维持电流大2～4倍。3.其它参数（1）断态电压临界上升率du/dt在额定结温和门极断路条件下，使元件从断态转入通态的最低电压上升率称为断态电压临界上升率du/dt。实际使用中，必须要求晶闸管断态下阳极电压的上升速度要低于此值。（2）通态电流临界上升率di/dt通态电流临界上升率di/dt是指在规定的条件下，晶闸管由门极进行触发导通时，管子能够承受而不致损坏的通态平均电流的最大上升率。应用时，晶闸管所允许的最大电流上升率要小于这个数值。电气工程概论3.1功率半导体器件（四）晶闸管的派生器件

快速晶闸管(FSI)

双向晶闸管(TRIAC)

逆导晶闸管(RCT)

门极可关断晶闸管(GTO)

光控晶闸管(LTT)（五）晶闸管的驱动1.晶闸管触发电路的基本要求：1）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。2）为使并联晶闸管元件能同时导通，触发电路应能产生强触发脉冲。3）触发脉冲应与电源同步，并满足主电路的移相范围要求。4）隔离输出方式及抗干扰能力。电气工程概论3.1功率半导体器件2常见的触发电路图3-12为常见的触发电路。它由2个晶体管构成放大环节、脉冲变压器以及附属电路构成脉冲输出环节组成。当2个晶体管导通时，脉冲变压器副边向晶闸管的门极和阴极之间输出脉冲。脉冲变压器实现了触发电路和主电路之间的电气隔离。脉冲变压器原边并接的电阻和二极管是为了脉冲变压器释放能量而设的。电气工程概论3.1功率半导体器件四、功率场效应晶体管功率场效应晶体管是一种单极型电压控制半导体元件，开关频率可高达500kHZ，特别适合高频化的电力电子装置，但由于电流容量小、耐压低，一般只适用小功率的电力电子装置。（一）结构与工作原理1.结构功率场效应晶体管一般为N沟道增强型。图3-13给出了具有垂直导电双扩散MOS结构的VD-MOSFET单元的结构图及电路符号。电气工程概论3.1功率半导体器件电气工程概论3.1功率半导体器件2.工作原理功率场效应晶体管的三个极分别为栅极G、漏极D和源极S。当漏极接正电源，源极接负电源，栅源极间的电压为零时，漏源极之间无电流通过。如在栅源极间加一正电压UGS且大于开启电压时，漏极和源极间开始导电。UGS越大，功率场效应晶体管导电能力越强，ID

也就越大。（二）工作特性静态特性1）漏极伏安特性。漏极伏安特性也称输出特性，如图3-14(a)所示，可以分为三个区，分别是可调电阻区I，饱和区II，击穿区III。2）转移特性。漏极电流ID

与栅源电压UGS反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性，如图3-14(b)所示。电气工程概论3.1功率半导体器件2.开关特性图3-15为元件极间电容的等效电路。器件输入电容在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。功率场效应晶体管的开关过程如图3-16所示，其中UP

为驱动电源信号。电气工程概论3.1功率半导体器件五、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）（一）结构与工作原理结构IGBT的结构如图3-19(a)，相当于一个用MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。工作原理IGBT的等效电路如图3-19(b)，图3-19(c)则是IGBT的符号。电气工程概论3.1功率半导体器件（二）工作特性静态特性IGBT的输出特性及转移特性如图3-20所示。输出特性表达了集电极电流IC与集电极-发射极间电压UCE之间的关系。转移特性表示了栅极电压UG对集电极电流IC的控制关系。电气工程概论3.1功率半导体器件2.动态特性IGBT的动态特性即开关特性，如图3-21所示，其开通过程主要由其MOSFET结构决定。电气工程概论3.1功率半导体器件第二节电力变换技术电气工程概论第三章电力电子技术

变流技术在电力电子技术中是最重要的，也是最基本的技术之一，其目标主要是节约能源、提高效率，包括减小变换器的大小和重量，提高它们的效率，降低谐波失真和成本。变流技术可大致分为三代：第一代是应用二极管和晶闸管，采用不控或半控强迫换流技术；第二代主要以应用自关断器件为特征，如功率MOSFET、IGBT等；第三代变换器是以软开关、功率因数校正和消除谐波为特征的。电气工程概论3.2电力变换技术电力变换共有四种类型：交流-直流(AC-DC)变换直流-交流(DC-AC)变换：有源逆变；无源逆变。交流-交流(AC-AC)变换：交流电压控制；交-交变频。

直流-直流(DC-DC)变换电气工程概论3.2电力变换技术一、换流概念和变流器的分类（一）换流概念换流是指电流从一条支路过渡到另一条支路的过程，在换流期间两条支路将短时同时通过电流。在电力电子技术中，完成换流的开关功能是用功率半导体器件来实现的，见图3-29。电流I经开关S1在支路1中流过→接通开关S2，换流开始(假设L足够大)→在uk的作用下，将有一换流电流ik在支路1和2之间流动，使支路1中的电流减小、支路2中的电流增加→当电流i2达到了值I而电流i1变成零时，开关S1打开，换流结束电气工程概论3.2电力变换技术换流正确完成的先决条件是在换流回路中必须有一个正确极性的换流电压存在。如果利用交流电网存在的电压作换流电压，则这样的换流称之为自然换流。有时也可利用负载所产生的交流电压作换流电压，则称之为负载换流。负载换流也属于自然换流。由储能元件提供一个辅助电压作为换流电压，也可以通过提高被关断的电流支路的阻抗（例如采用具有自关断能力的大功率晶体管或可关断晶闸管等元件）来完成换流，这种换流方式称之为强迫换流。电气工程概论3.2电力变换技术1.自然换流在自然换流时，变流器中的电流从支路1过渡到支路2是在电网电压或负载电压的干预下完成的。换流时由于换流回路中电抗的作用，换流不能瞬时完成，在一段时间内这两个要替换的开关器件将同时通以电流，这段时间称为换流重叠时间tu。电气工程概论3.2电力变换技术电气工程概论3.2电力变换技术2.强迫换流所渭强迫换流是指借助于电容性储能元件的帮助，或者通过采用有自关断能力的半导体器件来实现换流。为了能在任意的时间点关断晶闸管中电流，必须采用一个附加的换流支路。图3－31所示为一个典型的电容换流支路。电气工程概论3.2电力变换技术首先主晶闸管VT1、通过电流I，由于外回路中的电感L足够大，此电流在换流过程中认为是不变的。设电容C预先以图3－31（a）中所示极性被充了电，那么在时间t1点时，通过触发辅助晶闸管VT1，主晶闸管中的电流就可能被换流到辅助晶闸管支路中。这是第一个换流过程，将在时间t2

时结束。之后，换流电容将在恒定电流I的作用下被反向充电直至时间t3

点，此时电流I开始被副支路2所接受。副支路常常是一个带续流二极管VD2的续流支路。在时间点t4电流I全部从辅助支路换流到续流支路上，VT1自动关断，从而完成了第二次换流过程。当主晶闸管再次导通时，换流电容C可通过附加的电感回路[如图3－31（a）中虚线所示]和主晶闸管构成振荡回路，其上的电压将被回振到主晶闸管下一次被关断所需的电压极性。电气工程概论3.2电力变换技术（二）变流器的功能和分类变流器的基本功能如下：1）整流：将交流电转换成直流电；2）逆变：将直流电变成一定频率和大小的交流电；3）直流电变换（直流斩波调压）：可将某固定大小的直流电变成大小任意可调的另一直流电；4）交流电变换：将大小和频率固定的某交流电变成大小和频率可变的交流电。按内部工作方式来分类，变流器分成三大类型：1）不出现换流过程的变流器；2）具有自然换流的变流器，其换流电压来自交流电网或负载；3）具有强迫换流的变流器，其换流电压来自于辅助支路。电气工程概论3.2电力变换技术图3－32表明了按内部工作方式的变流器分类，对每一类型还给出了有代表性的线路例子。电气工程概论3.2电力变换技术二、相控调压电路（一）单相交流调压图3－33所示为一单相交流调压的基本线路。二个反并联的晶闸管周期性地触发时间点，相对于交流电压u的过零点滞后一个控制角α因此半导体开关阻断了电压曲线上阴影所示部分。在每次晶闸管触发以后，通过负载的电流立刻跳跃到稳态电流瞬时值上，然后按正弦规律流动直至零值，所以输出电流波形是缺了一块的正弦交流电。电气工程概论3.2电力变换技术图3－34表示在不同性质负载时单相交流调压变换器的电流曲线与控制角的关系。在电阻负载时，晶闸管触发以后的电流计算公式为在电阻、电感混合负载时，电流曲线不再是正弦曲线，可以推得电流表达式为其中，φ为电阻、电感混合负载时的负载相位角，控制角α必须大于φ。从以上三式可以进一步计算出单相交流电压变换器的控制特性曲线。图3－35画出了不同负载功率因数cosφ时的控制特性曲线。电气工程概论3.2电力变换技术电气工程概论3.2电力变换技术电气工程概论3.2电力变换技术（二）三相交流调压图3－36所示，将三对反并联的晶闸管分别接至Y型的三相负载就构成了一个典型的三相交流调压电路。电路应满足以下要求：1）为使三相电流形成通路，要求当一相中有正向晶闸管导通时，在它的相邻相必须有反向晶闸管导通；2）为保证电路的启动工作和在小导通角情况下的正常运行，晶闸管应采用双脉冲或宽脉冲触发；3）为保证输出电压对称并有相应的控制范围、要求触发信号必须与交流电源有一致的相序和相位差。电气工程概论3.2电力变换技术电气工程概论3.2电力变换技术电气工程概论3.2电力变换技术三相交流调压电路带电阻和电感混合负载时，即功率因数角φ≠0时，分析工作很复杂。由于输出电压与电流存在相位差，在线电压或相电压过零瞬间，晶闸管的导电并不停止，负载中仍有电流流过。此时晶闸管的导通角θ不仅与控制角α有关，而且还与负载功率因数角φ有关。如果负载是感应电动机，则功率因数角φ还要随电机运行情况的变化而变化，这更使波形分析复杂化。图3-37所示为α＝φ＝40°时的实验波形。相电压、相电流的波形基本上是连续的，并且三相对称，相电流滞后于相电压。在α时刻以后，每隔60°都出现电压波形缺口和电流波形振荡现象，这正好是晶闸管关断时刻。α≠φ时，因为每一相电路的导通均与α、φ有关，很难准确计算。但从实验波形可知，其电流波形还是符合单相电感性负载电路规律的。电气工程概论3.2电力变换技术电气工程概论3.2电力变换技术但三相调压电路形式很多，各有特点，表3-3对常用的三相调压电路列表加以比较。电气工程概论3.2电力变换技术电气工程概论3.2电力变换技术（三）交流调压电路运行时的无功功率和畸变功率图3-38中阴影部分描述了控制角为α时在电阻负载上所出现的电流。电气工程概论3.2电力变换技术电网中出现的电感性的基波无功功率Q1，则基波电流i1

又可以分解为有功分量i1p和无功分量i1Q，它们的峰值分别是由此可求得基波相位角为除基波无功功率Q1以外，对应于高次谐波电流的作用，还引入了所谓的畸变功率的概念。在正弦形电压和非正弦形电流的情况下，畸变功率的定义为电气工程概论3.2电力变换技术三、可控整流电路（一）单相可控整流在前述的单相交流调压电路中，如去除反并联晶闸管中的反向晶闸管，则反向电压不再能加到负载电阻上（先假设负载为纯电阻负载），这就构成了一个最简单的单相半波可控整流器（图3-39（a））。电气工程概论3.2电力变换技术图3-39（b）所示是单相可控整流电路的电压、电流波形。显然经过晶闸管半波整流后的输出电压ud是一个极性不变的脉动直流电压。电气工程概论3.2电力变换技术1.纯电阻负载时的基本关系（1）输出平均直流电压Ud一般称使输出平均直流电压从最大变至最小时的控制角α变化范围为移相范围，故单相半波可控整流电路的移相范围为180°。电气工程概论3.2电力变换技术（2）直流电流有效值I负载电流平均值为但是，从发热的观点选择晶闸管、熔断器和设计变压器时，必须进行电流有效值计算。将不同的控制角α代入计算Id和I可以看到，电流的有效值比平均值大得多，这是由于整流后得到的是脉动电流的缘故。α越大，波形就畸变得越厉害，则在同样大小的平均电流下，其有效值将越大。电气工程概论3.2电力变换技术（3）功率因数cosφ功率因数表明了整流电路有功功率和视在容量之间的关系。如忽略晶闸管的损耗，电阻负载上的有功功率为其中U′为整流器输出电压Ud的有效值，即可见，可控整流电路即使是电阻负载,其功率因数也不是1。这主要是由于经过可控整流的移相控制，负载上的电压、电流波形发生了畸变，大量的谐波成分减小了有功输出，占据了电路的容量。此时的电路功率因数不仅与负载阻抗角有关，而且和电压、电流畸变的程度有关，这种情况下功率因数的计算较正弦交流电路中有了新的扩展。电气工程概论3.2电力变换技术（4）纹波因数γ纹波因数表示了整流输出单极性的脉动直流电压（或电流）接近理想直流程度的物理量，定义为输出直流电压（或电流）中各次谐波总有效值与输出直流平均值之比，即图3－40中将上述的输出平均直流电压相对值直流电流有效值相对值Ud/U，功率因数cosφ和纹波因数γ与控制角α的关系以曲线形式表示出来。电气工程概论3.2电力变换技术2.带电阻——电感混合负载的单相可控整流整流电路的负载除电阻外常常还带有一定大小的电感，这就是所谓的电阻——电感混合负载。电机的激磁绕组串接有平波电抗器的负载等，均属电阻——电感混合负载。由于电感有反抗电流变化的特性，而使可控整流器的工作特性发生了明显的变化，下面以图3－41来加以说明。电气工程概论3.2电力变换技术从波形上可以看到，由于电感的存在，延长了晶闸管的导通时间，使波形中出现了正、负面积部分，从而减小了输出直流电压平均值。这是电阻,电感负载时可控整流电路工作原理的重要特点。电气工程概论3.2电力变换技术

的大电感负载，。此时，对于不同控制角，电压、电流波形如图3－42所示。

此时电压波形的正、负面积接近相等，平均电压，造成平均直流电流也接近零，负载上将得不到所需功率。电气工程概论3.2电力变换技术单相半波可控整流电路如不采取措施，是不能直接带大电感负载正常工作的。解决的方法是在负载两端并联一续流二极管。如图3－43所示。可见，加了续流二极管后的输出直流电压波形和纯电阻负载时完全相同（图3－43（b）），输出直流电压平均值也相应增大到了电阻负载时的大小。电气工程概论3.2电力变换技术电气工程概论3.2电力变换技术（二）三相可控整流对工业应用来说，为了三相电网负载的平衡，三相可控整流电路得到更多的应用。三相可控整流电路的类型很多，有三相半波（三相零式）、三相桥式全控、三相桥式半控等。三相半波可控整流电路是最基本的组成形式。其余类型都可看作是三相半波电路以不同方式串联或并联组成。电气工程概论3.2电力变换技术1.三相半波可控整流电路图3－44（a）是基本的三相半波可控整流电路，三相变压器的次级绕组为带中线的Y型接法，三个晶闸管阳极分别接至Y型的三相绕组上，阴极接在一起，通过负载接至绕组中点。这种晶闸管阴极接在一起的接法称共阴极接法。在共阴极接法的整流电路中；各晶闸管的阳极电压互不相同。三相半波可控整流电路触发控制角

的起点应是三个相电压的交点。3－44（a）电气工程概论3.2电力变换技术下面分析大电感负载时的工作状况：图3－44（b）是时的电压波形。三个晶闸管将按三相电源的变化规律连续不断地循环工作，每个管子导通1/3周期，输出电压是一个脉动直流电压，一周期内脉动三次。脉动频率是工频的三倍。阴影部分是输出电压波形，与三相电压的包络线相比，输出电压少了

角范围内的一块面积。

3－44电气工程概论3.2电力变换技术图3－44（c）是时的电压波形，由于是大电感负载，电流是连续并近似恒定的。输出电压中出现了负面积部分，但因正面积部分大于负面积部分，故平均电压仍为正值。3－44（c）电气工程概论3.2电力变换技术如上所述可知，不论为多少。输出直流电压的平均值均可取A相电压

在一个脉动期（1/3周期）内的平均值来计算。又由于电流连续，积分的上、下限分别是和故有：式中：为变压器副边相电压有效值。晶闸管的电流平均值为晶闸管电流有效值为变压器次级电流有效值和晶闸管电流有效值相同有电气工程概论3.2电力变换技术2.三相桥式全控整流电路上述共阴极接法的三相半波可控整流电路,实际上仅在电源的正半周工作，故称半波整流。将上述三相半波电路中的每个晶闸管改换方向，则三相电路就变成了共阳极接法，晶闸管阴极接至各相绕组上。电气工程概论3.2电力变换技术如图3－45（a）所示，我们将一组共阴极接法和一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串联后给负载供电。共阴极组整流器产生正的输出直流电压，共阳极组整流器由于晶闸管改换了方向将产生负的直流电压，负载上的直流电压则为上二组输出直流电压之和，则3－45（a）电气工程概论3.2电力变换技术图3－45（a）中二组整流器中属同一相的二个晶闸管，一个在电源正半周工作，另一个在负半周工作，故可将这一相的两个变压器副绕组合二为一，就构成了图3－45（b）所示的三相桥式全控整流电路。将图3－45（b）再改画一下,可以得到如图3－45（c）所示的线路形式,就是三相桥式全控整流电路的通常画法。由上述分析可知，三相桥式全控整流电路乃是两个三相半波可控整流电路串联的结果。故在同样的变压器副边电压时，桥式电路的输出平均直流电压将比半波可控整流时大一倍，其表达式可由三相半波可控整流输出电压的式（3－15）推得3－45（b）3－45（c）电气工程概论3.2电力变换技术图3－46是三相桥式全控整流电路在控制角时的输出电压波形，显然三相桥式整流电路输出电压的脉动频率比半波整流大一倍。桥式整流电路变压器副边绕组在正、负半波时分别对二组半波整流器供电，因此副边绕组流过的是对称交流电，所以变压器的利用率比半波整流时好得多。三相桥式全控整流电路是工业应用中最常用的整流电路。电气工程概论3.2电力变换技术四、有源逆变电路从三相半波可控整流电路的输出电压波形图可知，当控制角时，输出电压波形中出现了负值部分，只是正电压部分的面积比负电压部分大，故而输出直流平均电压仍为正值，其值仍可用公式表示，即三相半波可控整流的输出直流电压平均值将按控制角的余弦函数变化。如图3－47所示，在的范围内时，因输出的直流电压平均值为负值，而输出的负载电流由于晶闸管元件的单向导电性仍保持原有方向，故此时的整流器不再是输出电能，而是能量从直流边输入，经过该整流器反送至交流电网上，此时的运行状态称之为逆变器运行状态。因输出的交流电和电网是接在一起的，其频率就是电网频率，且恒定不变，故这种逆变运行亦称有源逆变。由此可见，整流和有源逆变是同一变流器电路的两种不同的运行状态。电气工程概论3.2电力变换技术图3－47表明了一个三相半波可控整流电路在大电感负载时从整流器运行状态转入到逆变器运行状态的情况。在整流器运行期间，作为负载的直流电机将作电动机运行并从交流电网吸取能量。在逆变器运行时,则反之，直流电机将作为发电机运行和将能量输送至电网。电气工程概论3.2电力变换技术三相半波逆变电路就是三相半波可控整流电路的控制角

在范围内的运行方式。输出直流平均电压

的计算方法亦与三相半波可控整流电路带大电感时相同，即有采用逆变角表示的输出直流平均电压计算式可表示为有源逆变常用于直流输电的变流站和直流电动机的调速制动。在直流输电中，一般变流站阀体既可作整流状态运行，又能作逆变状态运行，使电力系统的电能传输可逆。直流电动机调速中用有源逆变可将电动机的动能转换成电能并反馈回电网，实现电动机的迅速制动。所以,有源逆变是可控整流电路的一种有实用意义的特殊工作状态。电气工程概论3.2电力变换技术五、二组晶闸管整流器反并联可逆电路用三相半波可控整流电路给他激直流电动机电枢供电，则电动机能实现二象限运行，即正转电动机运行和正转发电制动运行。晶闸管整流器只允许电流单方向的通过，所以一组晶闸管整流器不能满足直流电机四象限运行的要求。为此，可以用二组晶闸管整流器反并联构成所谓的可逆电路，其中一组整流器为一个方向的电流提供通路，相反方向的电流则流经另一组整流器。电气工程概论3.2电力变换技术图3－48（a）为用二组晶闸管三相半波可控整流器反并联构成可逆电路，图3－48（b）是用二组三相桥式全控整流器反并联构成的可逆电路。通过两组变流器整流、逆变运行状态的配合，就可使电动机在正、反两个转向上作电动机或制动运行，即实现四象限运行。电气工程概论3.2电力变换技术由于两组整流器反并联，如果他们同时工作，则两组晶闸管之间就会构成短路的环路。如环路中有环路电压存在，那将产生很大的只经过两组整流桥而不经过电机的”环流“。环流不做功，但流过变流装置时占用了装置容量，严重时会造成短路事故，烧毁元件，故消除或限制环流是反并联可逆电路的重要研究内容。控制环流最简单、方便的方法是，使任何时间内两组变流器中只有一组投入工作，另一组完全关断，并根据电机所需的运行方式决定投入工作的一组变流器的具体工作状态－整流或逆变。图3－49为逻辑无环流可逆系统的四象限运行，给出了在此种环流控制方式时四象限运行的两组桥的工作状态。电气工程概论3.2电力变换技术无环流可逆调速系统的控制原则是在任何时刻两组变流桥中只允许一组投入工作，另一组必须关闭。实际系统中是采用控制触发脉冲的办法来实现的，即给一组变流器（整流或逆变）发出触发脉冲，而对要关闭的一组封锁脉冲，使触发脉冲不能送到该组变流器的晶间管上。可在二组变流器切换时，首先使原工作的一组变流器处于逆变状态（称为本桥逆变），将回路电感储能反馈回电网，待电流真正下降到零后再加上一定的时间裕量（如10ms），再使原来封锁的一组桥开放并投入工作。这样的操作过程是采用一套逻辑电路控制实现的，故亦称为逻辑控制无环流可逆系统。电气工程概论3.2电力变换技术六、交－交直接变频器（一）交－交直接变频器工作原理前面所述由二组晶闸管整流器反并联组成的可逆电路，其输出电压和电流的方向可以相互无关地任意改变，利用这一特性我们可以构成交－交直接变频器。图3－50为一单相交－交变频器原理图，由两组三相半波可控整流电路反并联构成可逆电路。电气工程概论3.2电力变换技术如图3－52。如两组整流器以一定的频率f2

周期性地轮流工作，则负载上将得到频率为f2的交变电压，也就是实现了将频率为f1的交流电压变换成频率为f2的交流电。这种变换没有用直流中间回路，而是通过电网电压的直接切换来实现的，故称为交－交直接变频。上述的交－交直接变频器的输出电压是按三相电网的各相电压波顶部分曲线而变化的，所以称它为梯形波交－交变频器。电气工程概论3.2电力变换技术梯形波变频器输出电压的周期T2

由每半周中电压波顶的数目n来确定，输出电压周期T2的计算式为输出频率f2

与输入频率f1

之比为如将式（3－22）中的波顶数n用1，2，3…代入，就可计算出相应可能得到的输出电压频率（表3－4)。电气工程概论3.2电力变换技术如图3－51所示的工作方式，每一次都在电源相电压的相交点被切换，则仅能得到一些间断的按式（3－22）计算的输出频率f2亦称这样的变频器为频率固定关系的变频器。如果使几组反并联可逆电路以一定的相位差同时工作，那就可能构成多相输出系统。图3－52是三相交－交变频器，每相由二组三相半波可控整流器反并联组成。电气工程概论3.2电力变换技术为了保证多相系统的对称性，对上述有频率固定关系的变频器，只有当输出电压每个周期T2

中的等效波顶数式（3－23）中：q为多相系统的相数。可以被输出系统的相数q整除，才能给出对称多相系统。电气工程概论3.2电力变换技术（二）正弦波交－交变频器在大型交流电机变频调速系统中，为了减少电流中的谐波分量对电机产生的不良影响，诸如转矩脉动、振动噪声和附加损耗的增加等等，往往希望采用正弦波输出的交－交变频器。可以对梯形波交－交变频器的控制方法加以改变。在正弦波交－交变频器中，可以不断地改变整流桥的移相控角，这就意味着输出电压的平均值随而变化。适当控制

的变化规律，就有可能使输出电压的平均值按正弦规律变化。如图3－53所示。电气工程概论3.2电力变换技术为说明各组整流器工作状态的变化，可忽略输出电压、电流中的高次谐波，负载为电感性负载，负载电压和电流的波形如图3－54所示，其中为负载功率因数角。交－交变频器是两组可控整流器反并联可逆电路的特殊运行结果，因此它也有反并联可逆电路的环流问题，需要采取和前述一样的措施来消除环流，这里不再赘述。电气工程概论3.2电力变换技术七、单象限直流电压变换电路以上所述各类变流器，由于主开关元件上施加的都是交流电，流过的电流都有自然过零的特点，所以都采用晶闸管作开关元件。本小节开始所介绍的各类变流器，工作电源都是直流电源，元件电流并无自然过零的特点，故开关元件的切换只能通过一些强迫换流措施（采用晶闸管）或采用具有自关断能力的开关元件来实现。由于强迫换流需要较大的换流电容器、辅助晶闸管等，造成了线路的复杂化，成本提高。所以，以下所介绍的各类变流器线路以采用具有自关断能力的开关元件为主。电气工程概论3.2电力变换技术（一）直流降压变换电路用具有强迫换流的半导体开关可以在任意的时间点接通或关断一个直流回路。如果用一定的开关频率周期性地接通和关断它，并且任意地改变导通和关断时间的比例，显然就有可能控制（调节）从直流电源送至负载的功率。这样的变换电路人们称之为直流电压变换电路，一般称为直流斩波器。图3－55所示为一个直流降压变换电路的基本线路和相应的电压－电流波形曲线。电气工程概论3.2电力变换技术周期性工作的半导体开关的导通比定义为式中：Ta为开关的关断时间，Te为开关的导通时间。负载上的平均直流电压

可以由导通比

和电源电压来计算，公式如下电源输出的电流是矩形的脉动电流，其平均值可以由导通比

和负载电流

来计算，即式（3－25）、式（3－26）称为直流电压变换器的变比方程，类似于变压器的变比方程。电气工程概论3.2电力变换技术实际上，由于负载边的平波电感不可能无限大，所以实际的负载电流不可能是完全平滑的直线。如图3－56所示，期间，在电源电压

作用下，负载电流

将按指数规律上升；在时，电源电压被切除，负载电流将接指数规律衰减。所以，稳态时的负载电流是周期性的脉动电流。电气工程概论3.2电力变换技术下面我们深入分析此时的负载电流的波动情况，图3－56（a）中负载是反电动势为E的直流电动机。电流的波动范围为为表示电流波动的相对大小，我们定义电流波动率为由此可以计算出一个直流降压变换器的输出电流的波动程度。电流波动范围为

由此可见，电流波动范围与直流降压变换器的工作频率有关，频率f越高，T越小，电流波动范围就越小。其次，在同样的工作频率下，不同导通比时的电流波动范围有所不同。由图3－57还可看出，如负载平均电流I2过小，随着电流的衰减，将出现电流间断现象，这在直流降压变换器设计时必须考虑到。上述的直流降压变换器因其输出电压和电流都是单方向的，能量只能从电源向负载单向传递，故亦称为能量正向传递的单象限直流降压变换器。电气工程概论3.2电力变换技术电气工程概论3.2电力变换技术（二）能量反向传递的直流降压变换器图3－55所示电路只能使能量从直流电源向负载传送。图3－58（a）所示电路就使需要能量从负载向电源反向传递。图3－58（b）表示了电感Ld足够大的理想情况下的电压－电流波形曲线。这种直流降压变换器也属单象限变换器，可用于直流电动机的电网反馈制动，直至很低的转速。上述两种直流降压变换器中，半导体开关S和二极管VD仅仅是在线路中的位置有所不同,故用一套半导体开关S和二极管VD,通过改变它的连接方法,就能使直流电动机从电动机运行状态变为再生制动状态.反之，得到直流电动机的二象限运行。电气工程概论3.2电力变换技术（三）直流升压变换电路以上所述的直流电压变换电路，其输出平均电压U2av低于电源电压U1，故属于降压变换电路。直流电压变换电路也可用来提升电压。图3－59（a）所示即为一种直流升压变换电路的原理图，图3－59（b）为半导体开关4导通时的等效电路，图为3－59（b）关断时的等效电路。图3－59（a）原理图（b）S导通时的等效电路（c）S关断时的等效电路电气工程概论3.2电力变换技术图3－59（d）所示是电流iL连续时电路中电压－电流波形。图3－59（e）为电流iL间断时的波形。图3－59（d）电流iL连续时波形（e）为电流iL间断时的波形电气工程概论3.2电力变换技术假定在电流连续时，不计iL的脉动，则在S导通期间由电源输入到电感L的能量为在S关断期间，电感释放至负载的能量为根据能量平衡关系，可得由于，故，即直流电压变换器可提供比电源电压更高的输出直流电压，所以称其为直流升压变换器。电气工程概论3.2电力变换技术八、二象限直流电压变换器（一）输出电流可反向的二象限直流电压变换器前面提到过，通过换接直流降压变换器中半导体开关S和二极管VD，可以使电动机运行状态转入再生制动状态。在另外一些场合，人们常希望能从电动机运行状态平稳地过渡到再生制动状态，显然简单地换接S和VD不能满足要求。为此，我们可以将图3－55和图3－58的电路结合起来构成一个二象限直流电压变换器（图3－60）电气工程概论3.2电力变换技术变流器的工作象限可用式（3－25）给出的平均输出电压大小来判断，公式为如，负载电流平均值，则净能量是由电源传送给电枢回路，电机工作于第一象限；如，，则净能量反馈回电源,电机工作于第二象限。电气工程概论3.2电力变换技术（二）输出电压可反向的二象限直流电压变换器上述二象限直流电压变换器输出的负载平均电流大小和极性都可改变，因而可以作为直流电动机电枢的控制电源。如果直流电机（或同步电机）的磁场电流大小要求能快速变化，而方向并不翻转，则上述二象限直流电压变换器就不适用，为此可采用图3－61（a）所示的输出电流方向不变的二象限直流电压变换器。电气工程概论3.2电力变换技术图3－61（a）电路的工作情况可借助于图3－62（a）和图3－62（b）中所示波形来理解。按ta的大小，该电压变换器可分成两种不同的工作状态：一种是，二个半导体开关有重叠的导通部分；另一种是，任何瞬间最多只一个开关导通。两种状况都可能出现电流断续，图3－62所示为电流连续的状况。电气工程概论3.2电力变换技术1.稳态时，这类工作方式必须有。如果，负载电流将达到恒定值如，输出电压和电流都始终为零。在时，输出电流i2是波动的单向电流，可按前面的分析方法解回路方程，从而求得波动时的最大值Ia和最小值I0，而输出电压u2则是矩形的脉动电压。由图3－61（b）的分析可见，稳态时的输出电压和电流的平均值U2av和I2

都为正，第一象限的工作状态,能量从电源送向负载。2.稳态时，这类工作方式必须有。如，负载将被连续短路，在E的作用下，负载电流将达到稳态最大值，即如，两个开关都始终关断，则输出电流i2和电压u2都为零。在该状态工作时，负载电流平均值I2

为正，负载电压的平均值U2av为负值，故属于第四象限的运行状态。电气工程概论3.2电力变换技术九、四象限直流电压变换器两个二象限直流电压变换器组合在一起可以得到如图3－63所示的四象限直流电压变换器，它能在U2av和I2图中所有四个象限工作。四象限直流电压变换器可以在两个方向上传递能量，其输出电压和电流的极性可以相互无关地任意改变，因而原则上它能完成直流变交流的无源逆变器的作用，这也是我们下面要叙述的逆变器的基本单元电路。电气工程概论3.2电力变换技术十、直流电压变换器的控制方式如前所述，在直流电压变换器电路中，是通过改变半导体开关的导通和关断时间比例（即改变导通比）来连续地控制电源和负载之间功率传递的。按不同用途，有不同的导通比控制方式，下面分别加以叙述。（一）时间比控制方式在图3－55所示的直流降压变换器电路中有关系式其中称为导通比。改变导通与关断时间的比例

即可连续调节输出平均直流电压的大小，这种控制方式叫时间比控制方式。一般来说，用直流电压变换器控制直流电路都是时间比控制，但改变导通比又有以下三种不同的方法。（1）定频调宽控制（2）定宽调频控制（3）调频调宽混合控制电气工程概论3.2电力变换技术目前定频调宽的时间比控制方式用得最普遍。在直流脉冲宽度调制PWM技术中，一般就是用定频调宽法来产生