电力电子技术第3章b剖析

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1、电力电子技术,第二章：整流电路 （ 第 二 部 分）,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,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：,图3-25 考虑变压器漏感时的 三相半波可控整流

2、电路及波形,线圈所产生的磁力线不能都通过次级线圈，因此产生漏磁的电感称为漏感。,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。,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,换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度表示 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

3、是突变的。,2.3 变压器漏感对整流电路的影响,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）,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),3. 换相重叠角的计算（以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）,3.3 变压器漏感对整流电路的影响,

4、斜率反映出电感LB上的压降,Ik的通式,当 时， ，于是 （3-35） （3-36） 。 可见， 随其它参数变化的规律： （1） Id越大则 越大； （2） XB越大 越大； （3） 当 90时， 越小 越大。,3.3 变压器漏感对整流电路的影响,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：不含单相半波电路; 单相全波时m=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； 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。,3.3 变压器漏感对整流电路的影响,5、变压器漏感对整流电路影响的一些结论：

5、 （1） 出现换相重叠角 ，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,作业,P96-15 三相半波可控整流电路，反电势阻感负载， U2=100V， R=1, L=, LB=1mH, 求当30o, E=50V时Ud,Id与的数值, 并作出ud与ivt1, ivt2波形,

6、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。,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

7、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。,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

8、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（reaction power）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。,3.5.1 谐波和无功功率分析基础,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

9、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。,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

10、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,1）正弦电压,n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 （3-57） 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为 （3-58）,3.5.1 谐波和无功功率分析基础,注：Ih为总谐波电流有效值。,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=U I sin （3-61） 功率因数 定义为有功功率P和视在功率S的比值： （3-6

11、2） 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） 功率因数是由电压和电流的相位差 决定的： =cos （3-64）,3.5.1 谐波和无功功率分析基础,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 1。 这时有功功率为： P=U I1 cos1 功率因数为： （3-66）,3.5.1 谐波和无功功率分析基础,基波因数 =I1 / I，即基波电流有效值和总

12、电流有效值之比 位移因数（基波功率因数）cos 1 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。,3.5.1 谐波和无功功率分析基础,也可仿照式（3-61）定义无功功率，为和式（3-67）区别，采用符号Qf，忽略电压中的谐波时有：Q f =U I 1 sin 1 在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率D，使得： （3-69） 比较式（3-67）和（3-69），可得： （3-70） 忽略电压谐波时 （3-71） 这种情况下

13、，Q f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。,(3-68）,3.5.1 谐波和无功功率分析基础,3.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,Single-phase bridge fully-controlled rectifier,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）,1. 单相桥式全控整流电路,解,所给函数满足狄里赫利充分条件(只有有限个第一类间断点).,为周期的矩形脉冲的波形,将其展开为傅里叶级数.,以,函数图象为,所求函数的傅氏展开式为,1. 单相桥式全控整流电路 电流i2分解为傅里叶级数，可得： （3-7

14、2） 变压器二次侧电流谐波分析： 基波和各次谐波有效值为： n=1,3,5, （3-73） 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。,3.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,功率因数计算 基波电流有效值为 （3-74） i2的有效值I= Id，结合式（3-74）可得基波因数为 （3-75） 电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故位移因数为 （3-76） 所以，功率因数为,（3-77）,3.5.2 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. 三相桥式全控整流电路 阻感负载，忽略换相过程和电流脉动，直流电感L为

15、足够大 以 =30为例，交流侧电压和电流波形如图2-20中的ua和ia波形所示。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： （3-78）,3.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,3.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,电流基波和各次谐波有效值分别为 （3-80） 电流中仅含6k1（k为正整数）次谐波；可见三相桥的优越性。 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。,变压器二次侧电流谐波分析： （3-79）,功率因数计算 由式（2-78）和（2-80）可得基波因数为 （3-81） 电流基波与电压的相位差仍为 ，故位移因数仍为 （3-82） 功率因数为 （3-83）,3.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,3.5.4 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3-33 =0时，m脉波整流电路的整流电