新第三章 电力电子技术讲解

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1、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 u图344（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。 u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。 u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 。 344（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： u图344（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

2、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。 344 电气工程概论 3.2 电力变换技术 u图344（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。 344（c） 电气工程概论 3.2 电力变换技术 u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

3、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 u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。 u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 u如图345（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。 u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

4、直流电压 则为上二组输出直流电压之和，则 345（a） 电气工程概论 3.2 电力变换技术 u图345（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345（b）所示的三相桥式全控整流电路。 u将图345（b）再改画一下,可以得到如图345（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。 u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

5、15）推得 345（b） 345（c） 电气工程概论 3.2 电力变换技术 u图346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。 u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。 u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 u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

6、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。 u如图347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。 u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。 u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347表明了一个三相半波可控整流电路在大电感负

7、载时从整流器运行 状态转入到逆变器运行状态的情况。 u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。 u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 u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。 u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 u采用逆变角 表示的输出直流平均电压计算式可表示为 u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。 u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

8、逆。 u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 u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。 u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.

9、2 电力变换技术 u图348（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348（b）是用二组三相桥式全控整流器反并联构成的可逆电路 。 u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 u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。 u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“。 u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 。

10、 u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。 u图349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 u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。 u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。 u可在二组变流器

11、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 u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。 u图350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

12、 电力变换技术 u如图352。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。 u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 u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 u输出频率f2 与输入频率f1 之比为 u如将式（322）中的波顶数n用1，2，3代入，

13、就可计算 出相应可能得到的输出电压频率（表34)。 电气工程概论 3.2 电力变换技术 u如图351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（322）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。 u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。 u图352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 u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（323）中：q为多相系统的相数。 u可以被输出系统的相

14、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 u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。 u可以对梯形波交交变频器的控制方法加以改变。 u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353所示。 电气工程概论 3.2 电力变换技术 u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。 u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，