电力电子技术-第2章变流器运行

1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2ik=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udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca32.1.1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。2ddddbakBbkBaduutiLutiLuu（2-1）dB0B6565B6565Bbb6565dbd23d23)(ddd23)(d)]dd([23)(d)(3/21IXiLttiLttiLuutuuUIwwwwgaagaagaadkkk（2-2）4换相重叠角g的计算B2Bab2)65sin(62)(ddLtULuutiwk由上式得：)65sin(26ddB2wwtXUtik进而得出：)]65cos([cos26)(d)65sin(26B265B2wawwwatXUttXUitk（2-3）（2-4）（2-5）5由上述推导过程，已经求得：)]65cos([cos26)(d)65sin(26B265B2wawwwatXUttXUitk当时，，于是65gawtdkIi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，a越小g越大。)]cos([cos26B2dgaaXUI（2-6）2dB62)cos(cosUIXgaa（2-7）6②dUdBIXdB2IXdB23IXdB3IXdB2ImX)cos(cosgaa2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIsin22Bd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23U23U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。23U23U2.1.2其他整流电路的换流重叠角7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。82.2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92.2.1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。102)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EGEMb）两电动势同极性EMEGc）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。113)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)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUdEMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT112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πa/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。13逆变和整流的区别：控制角a不同0a/2时，电路工作在整流状态。/2a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/2时的控制角用a=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。1415三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=4b=3b=6b=4b=3b=6wt1wt3wt22.2.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态16有源逆变状态时各电量的计算：REUId输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即bbcos35.1cos34.222UUUd（2-8）每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577.03（2-9）从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：dMddIEIRP2（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：ddVTIIII816.03222172.2.3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18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bg时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。如果bg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。udOOidwtwtuaubucuaubpbgbgagbbgiVT1iVTiVT3iVTiVT322192)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。202.4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212.4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。221）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）%1001IIHRInn%1001IITHDhi正弦波电压可表示为：)sin(2)(utUtuw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232）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：w20cos)(21UItuidP（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=UIsin（2-19）功率因数l定义为有功功率P和视在功率S的比值：SPl（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：222QPS（2-21）功率因数是由电压和电流的相位差决定的：l=cos（2-22）24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。SPl非正弦电路的有功功率：P=UI1cos1（2-23）功率因数为：11111coscoscoslnIIUIUISP（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）——cos125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）22PSQ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=UI1sin1(2-26）在非正弦情况下，，因此引入畸变功率D，使得：222fQPS2222DQPSf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。262.4.2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LLL,5,3,1,5,3,12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnItttIiwwdd（2-27）变压器二次侧电流谐波分析：nIInd22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。27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a，故位移因数为（2-31）所以，功率因数为d122IIII12209.aallcos9.0cos22cos111IIalcoscos11（2-32）功率因数计算282.4.2三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a=30为例，此