电力电子技术第3章b

电力电子技术第二章：整流电路（第二部分）第2页3.3变压器漏感对整流电路的影响3.4电容滤波的不可控整流电路3.5整流电路的谐波和功率因数3.6大功率可控整流电路3.7整流电路的有源逆变工作状态3.8晶闸管直流电动机系统3.9相控电路的驱动控制本章小结第三章整流电路第3页3.3变压器漏感对整流电路的影响考虑包括变压器漏感(也称为漏抗)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。在许多情况下，LB不能忽略，它使得电流换相过程不能瞬时完成。1、以三相半波电路为例：VT1换相至VT2的过程：RabcTLudicibiaLBLBLBikVT1VT2VT3udidtOtOiciaibiciaIduaubuc图3-25考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形第4页3.3变压器漏感对整流电路的影响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。ik=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。RabcTLudicibiaLBLBLBikVT1VT2VT3udidtOtOiciaibiciaIduaubuc图3-25考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形第5页换相重叠角γ——换相过程持续的时间，用电角度γ表示换相过程中，整流输出电压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。这导致ud的波形出现一个明显的缺口。同时各相的电流也不是突变的。tiLutiLuuddddbadkBkB2.3变压器漏感对整流电路的影响2ddabuutiLkB22adbaabuuuuuu-+-+-++-第6页3.3变压器漏感对整流电路的影响2.换相压降△Ud——与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。换相压降相当于阴影部分的面积的平均值，它使得输出的整流电压下降。这块阴影由负载电流Id的换相过程引起。具体计算：阴影面积除以SCR导通的时间。以三相半波为例：（3-31）dB0BBdbd23d23)(ddd23)(d)(3/21IXiLttiLtuuUIdkk式中XB相当于漏感为LB的变压器每相折算到二次侧的漏抗，可根据变压器的铭牌数据求出。（具体算法参看P55)BBLXRabcTLudicibiaLBLBLBikVT1VT2VT3udidtOtOiciaibiciaIduaubuc第7页3.换相重叠角γ的计算（以α＝0，即自然换相点做为时间坐标的零点）（3-32）由上式得：（3-33）进而得出：（3-34）B2Bab2sin62)(ddLtULuutiktXUtisin26ddB2k)]cos([cos26)(dsin26B2B2tXUttXUitk3.3变压器漏感对整流电路的影响斜率反映出电感LB上的压降Ik的通式第8页当时，，于是（3-35）（3-36）。可见，γ随其它参数变化的规律：（1）Id越大则γ越大；（2）XB越大γ越大；（3）当≤90时，越小γ越大。tdkIi)]cos([cos26B2dXUI2dB62)cos(cosUIX3.3变压器漏感对整流电路的影响第9页4、变压器漏抗对各种整流电路的影响表2-2各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算注：①不含单相半波电路;单相全波时m=2;②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；③三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。dUdBIXdB2IXdB23IXdB3IXdB2ImX)cos(cos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①②23U23U3.3变压器漏感对整流电路的影响第10页5、变压器漏感对整流电路影响的一些结论：（1）出现换相重叠角γ，整流输出电压平均值Ud降低，电压的脉动系数也增加；（2）整流电路的工作状态增多；（3）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；（4）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；（5）换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。3.3变压器漏感对整流电路的影响第11页作业P96-5三相半波可控整流电路，反电势阻感负载，U2=100V，R=1Ω,L=∞,LB=1mH,求当α＝30o,E=50V时Ud,Id与γ的数值,并作出ud与ivt1,ivt2波形第12页整流电路定量计算可控整流电路电流始终断续,且导通角θ随ΩL/R变化,不固定,因此积分区间不固定,不能给出统一公式a)u1TVTR=0Lu2uVTudidu)sin(2)sin(22)(2dtZUeZUitLR22)(LRZRLarctan•其中)cos1(2)90sin(2)90sin(290,0)1(222tZUtZUZUid202ttttug0udid0b)c)d)e)++1.单相半波可控整流电路带电感性负载,L=20mH,U2=100V,计算负载电流平均值Id,并画出ud，id在α=0o和α=60o的波形本题R=0,L=20mHZ=ωL=6.28Ω;=90o)(51.22U2)(dtcos1U221I2202dALtL）－（则a)u1TVTR=0Lu2uVTudidu20t12ttttug0ud0id0qb)c)d)e)++)sin(2)sin(22)(2dtZUeZUitLR22)(LRZRLarctan•其中3532222)(7.13)()cos21(221)cos21(2)90sin(2)9060sin(290,60)2(AtdtLUItZUtZUZUidd第15页Key:①因L无限大，Ud=0.9U2cosα=99VId=Ud/R=19.8AI2=Id=19.8A②晶闸管正常工作时所承受的峰值电压为考虑安全裕量，则其额定电压UTN=(2～3)=(2～3)311V流过晶闸管的电流有效值为IVT=Id/=14A考虑安全裕量，则其额定电流IT(AV)=(1.5～2)IVT/1.57=(1.5～2)8.9A晶闸管的电流平均值IdVT=Id/2=9.9A≠IT(AV)例:单相桥式全控整流电路带阻感性负载，U2=220V，R=5Ω，L足够大，α=60o时，①求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2;②考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。22U22U2第16页3.5整流电路的谐波和功率因数许多电力电子装置要消耗无功功率，会对公用电网带来不利影响：电力电子装置还会产生谐波，对公用电网产生危害；许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。国家标准（GB/T14549-93）《电能质量公用电网谐波》从1994年3月1日起开始实施。第17页3.5整流电路的谐波和功率因数谐波（harmonics）对电网的危害：谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以致损坏；谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1）和2）两项的危害大大增加，甚至引起严重事故；谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确；谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。第18页3.5整流电路的谐波和功率因数无功及功率因数：许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的“无功”并不是“无用”的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已.在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。无功功率（reactionpower）对电网的影响：无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加；无功功率增加，会使总电流增加，从而使得设备和线路的损耗增加；无功功率使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。第19页3.5.1谐波和无功功率分析基础1.谐波在供电系统中，我们总是希望电压和电流一直保持正弦波形。当正弦波电压施加在线性无源器件电阻、电感和电容上时，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，但仍为同频的正弦波。如果正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就成为非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦波电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦的。第20页2）非正弦电压一般满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数狄里赫利条件：周期函数在一个周期内连续或只有有限个第一类间断点(当从左或右趋向于这个间断点时，函数有有限的左极限和右极限)，并且至多只有有限个极值点。基波（fundamental）——在傅里叶级数中，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，即2,3,4,…N次谐波谐波次数——谐波频率和基波频率的整数比3.5.1谐波和无功功率分析基础)sin(2)(utUtu1）正弦电压第21页n次谐波电流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示（3-57）电流谐波总畸变率THDi（TotalHarmonicdistortion）定义为（3-58）%1001IIHRInn%1001IITHDhi3.5.1谐波和无功功率分析基础注：Ih为总谐波电流有效值。第22页2.功率因数1)正弦电路中的情况电路的有功功率P就是其平均功率：（3-59）视在功率S为电压、电流有效值的乘积，即S=UI（3-60）无功功率Q定义为：Q=UIsinφ（3-61）功率因数λ定义为有功功率P和视在功率S的比值：（3-62）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：（3-63）功率因数λ是由电压和电流的相位差φ决定的：λ=cosφ（3-64）20cos)(21UItuidPSP222QPS3.5.1谐波和无功功率分析基础第23页2)非正弦电路中的情况公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况有很大的实际意义。设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为I，基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和φ1。这时有功功率为：P=UI1cosφ1功率因数为：（3-66）11111coscoscosIIUIUISP3.5.1谐波和无功功率分析基础第24页基波因数——ν=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）——cosφ1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（3-63）给出的：（3-67）这样定义的无功功率Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受，但该定义对无功功率的描述很粗糙。22PSQ3.5.1谐波和无功功率分析基础第25页也可仿照式（3-61）定义无功