電力電子技術(shù)-第2章 變流器運行

第2章變流器運行2.1換相重疊角2.2整流電路的有源逆變工作狀態(tài)2.4整流電路的諧波和功率因數(shù)2.5變流裝置的功率因素

1ik=ib是逐漸增大的，而ia=Id-ik是逐漸減小的。當(dāng)ik增大到等于Id時，ia=0，VT1關(guān)斷,換流過程結(jié)束。2.1換流重疊角考慮包括變壓器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，該漏感可用一個集中的電感LB表示?，F(xiàn)以三相半波為例，然后將其結(jié)論推廣。VT1換相至VT2的過程：因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時導(dǎo)通，相當(dāng)于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik。圖2-1

考慮變壓器漏感時的三相半波可控整流電路及波形udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca22.1.1換流重疊角換相重疊角——換相過程持續(xù)的時間，用電角度g表示。換相過程中，整流電壓ud為同時導(dǎo)通的兩個晶閘管所對應(yīng)的兩個相電壓的平均值。換相壓降——與不考慮變壓器漏感時相比，ud平均值降低的多少。（2-1）（2-2）3換相重疊角g的計算由上式得：進(jìn)而得出：（2-3）（2-4）（2-5）4由上述推導(dǎo)過程，已經(jīng)求得：當(dāng)時，，于是g隨其它參數(shù)變化的規(guī)律：（1）

Id越大則g越大；（2）

XB越大g越大；（3）

當(dāng)a≤90時，越小g越大。（2-6）（2-7）5②電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路①

變壓器漏抗對各種整流電路的影響表2-1

各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計算注：①單相全控橋電路中，環(huán)流ik是從-Id變?yōu)镮d。本表所列通用公式不適用；

②三相橋等效為相電壓等于的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按代入。2.1.2其他整流電路的換流重疊角6變壓器漏感對整流電路影響的一些結(jié)論:出現(xiàn)換相重疊角g

，整流輸出電壓平均值Ud降低。整流電路的工作狀態(tài)增多。晶閘管的di/dt

減小，有利于晶閘管的安全開通。有時人為串入進(jìn)線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。換相時晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導(dǎo)通，為此必須加吸收電路。換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。72.2有源逆變2.2.1逆變的概念2.2.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)2.2.3逆變失敗與最小逆變角的限制82.2.1逆變的概念1)什么是逆變？為什么要逆變？逆變（Invertion）——把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過程。逆變電路——把直流電逆變成交流電的電路。有源逆變電路——交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)。應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)串級調(diào)速以及高壓直流輸電等。無源逆變電路——變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，將在第4章介紹。對于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路。92)直流發(fā)電機(jī)—電動機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)圖2-2直流發(fā)電機(jī)—電動機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動勢同極性EG

>EM

b）兩電動勢同極性EM>EG

c）兩電動勢反極性，形成短路電路過程分析。兩個電動勢同極性相接時，電流總是從電動勢高的流向低的，回路電阻小，可在兩個電動勢間交換很大的功率。103)逆變產(chǎn)生的條件單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī)圖2-3

單相全波電路的整流和逆變交流電網(wǎng)輸出電功率電動機(jī)輸出電功率a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUd>EMu10udu20u10OOwtwtIdidUd<EMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT111從上述分析中，可以歸納出產(chǎn)生逆變的條件有二：有直流電動勢，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向一致，其值大于變流器直流側(cè)平均電壓。晶閘管的控制角π>

>/2，使Ud為負(fù)值。半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負(fù)值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動勢，故不能實現(xiàn)有源逆變。欲實現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。12逆變和整流的區(qū)別：控制角不同

0<<p

/2

時，電路工作在整流狀態(tài)。

p

/2<

<

p時，電路工作在逆變狀態(tài)?？裳赜谜鞯霓k法來處理逆變時有關(guān)波形與參數(shù)計算等各項問題。把a(bǔ)>p/2時的控制角用p-

=b表示，b稱為逆變角。逆變角b和控制角a的計量方向相反，其大小自b=0的起始點向左方計量。1314三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖2-4所示。圖2-4三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時的電壓波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt22.2.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)15有源逆變狀態(tài)時各電量的計算：輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式，即（2-8）每個晶閘管導(dǎo)通2p/3，故流過晶閘管的電流有效值為：（2-9）從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為：（2-10）當(dāng)逆變工作時，由于EM為負(fù)值，故Pd一般為負(fù)值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。（2-11）在三相橋式電路中，變壓器二次側(cè)線電流的有效值為：162.2.3逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失?。孀冾嵏玻?/p>

逆變時，換流失敗，使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯(lián)，回路電阻很小，形成很大短路電流，導(dǎo)致晶閘管和變壓器的燒毀。觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時等，致使晶閘管不能正常換相。晶閘管發(fā)生故障，該斷時不斷，或該通時不通。交流電源缺相或突然消失。換相的裕量角不足，引起換相失敗。1)逆變失敗的原因17換相重疊角的影響：圖2-5交流側(cè)電抗對逆變換相過程的影響當(dāng)b>g時，換相結(jié)束時，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。如果b<g時（從圖2-5右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT2）會關(guān)斷，而應(yīng)關(guān)斷的晶閘管（VT1)不能關(guān)斷，最終導(dǎo)致逆變失敗。udOOidwtwtuaubucuaubpbgb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT322182)確定最小逆變角bmin的依據(jù)逆變時允許采用的最小逆變角b應(yīng)等于bmin=d+g+q′

（2-12）d——晶閘管的關(guān)斷時間tq折合的電角度g——

換相重疊角q′——安全裕量角tq大的可達(dá)200~300ms，折算到電角度約4~5。隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。主要針對脈沖不對稱程度（一般可達(dá)5）。值約取為10。這樣，bmin一般取30~35。192.4整流電路的諧波和功率因數(shù)2.4.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)2.5.2帶阻感負(fù)載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析2.5.4整流輸出電壓和電流的諧波分析202.4整流電路的諧波和功率因數(shù)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛，由此帶來的諧波(harmonics)和無功(reactivepower)問題日益嚴(yán)重，引起了關(guān)注。無功的危害：導(dǎo)致設(shè)備容量增加。使設(shè)備和線路的損耗增加。線路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動。諧波的危害：降低設(shè)備的效率。影響用電設(shè)備的正常工作。引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作。對通信系統(tǒng)造成干擾。211）諧波對于非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級數(shù)：n次諧波電流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示

（2-15）電流諧波總畸變率THDi（TotalHarmonicdistortion）定義為

（2-16）正弦波電壓可表示為：基波（fundamental）——頻率與工頻相同的分量諧波——頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量諧波次數(shù)——諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比222）功率因數(shù)正弦電路中的情況電路的有功功率就是其平均功率：（2-17）視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI

（2-18）無功功率定義為：Q=UIsinj

（2-19）功率因數(shù)l定義為有功功率P和視在功率S的比值：（2-20）此時無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關(guān)系：（2-21）功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差j決定的：l=cos

j

（2-22）23非正弦電路中的情況有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功率因數(shù)仍由式定義。不考慮電壓畸變，研究電壓為正弦波、電流為非正弦波的情況有很大的實際意義。非正弦電路的有功功率：P=UI1

cosj1（2-23）功率因數(shù)為：（2-24）

基波因數(shù)——n=I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）——cosj

124非正弦電路的無功功率定義很多，但尚無被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義。一種簡單的定義是仿照式（2-21）給出的：（2-25）無功功率Q反映了能量的流動和交換，目前被較廣泛的接受。也可仿照式（2-23）定義無功功率，為和式（2-25）區(qū)別，采用符號Qf，忽略電壓中的諧波時有：Qf=UI1

sinj

1(2-26）在非正弦情況下，，因此引入畸變功率D，使得：Qf為由基波電流所產(chǎn)生的無功功率，D是諧波電流產(chǎn)生的無功功率。252.4.2帶阻感負(fù)載時整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)1)單相橋式全控整流電路忽略換相過程和電流脈動，帶阻感負(fù)載，直流電感L為足夠大（電流i2的波形見圖2-6）i2Owtd（2-27）變壓器二次側(cè)電流諧波分析：n=1,3,5,…（2-28）電流中僅含奇次諧波。各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。26基波電流有效值為

（2-29）

i2的有效值I=Id，結(jié)合式（2-29）可得基波因數(shù)為

(2-30）電流基波與電壓的相位差就等于控制角，故位移因數(shù)為（2-31）所以，功率因數(shù)為

（2-32）功率因數(shù)計算272.4.2三相整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)2）三相橋式全控整流電路圖2-6三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=30時的波形阻感負(fù)載，忽略換相過程和電流脈動，直流電感L為足夠大。以

=30為例，此時，電流為正負(fù)半周各120的方波，其有效值與直流電流的關(guān)系為：（2-33）tud1a=30°ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥwtOwOwtOwtOidiawt1uaubuc（2-78）28變壓器二次側(cè)電流諧波分析：電流基波和各次諧波有效值分別為（2-34）電流中僅含6k1（k為正整數(shù)）次諧波。各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。功率因數(shù)計算基波因數(shù)：（2-35）位移因數(shù)仍為：（2-36）功率因數(shù)為：（2-37）292.4.4整流輸出電壓和電流的諧波分析整流電路的輸出電壓中主要成分為直流，同時包含各種頻率的諧波，這些諧波對于負(fù)載的工作是不利的。圖2-7

a=0時，m脈波整流電路的整流電壓波形

=0時，m脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析。整流輸出電壓諧波分析整流輸出電流諧波分析302.4.4整流輸出電壓和電流的諧波分析

=0時整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：m脈波整流電壓ud0的諧波次數(shù)為mk（k=1，2，3...）次，即m的倍數(shù)次；整流電流的諧波由整流電壓的諧波決定，也為mk次。當(dāng)m一定時，隨諧波次數(shù)增大，諧波幅值迅速減小，表明最低次（m次）諧波是最主要的，其它次數(shù)的諧波相對較少；當(dāng)負(fù)載中有電感時，負(fù)載電流諧波幅值dn的減小更為迅速。m增加時，最低次諧波次數(shù)增大，且幅值迅速減小，電壓紋波因數(shù)迅速下降。312.4.4整流輸出電壓和電流的諧波分析

不為0時的情況：整流電壓諧波的一般表達(dá)式十分復(fù)雜，下面只說明諧波電壓與

角的關(guān)系。圖2-8三相全控橋電流連續(xù)時，以n為參變量的與

的關(guān)系以n為參變量，n次諧波幅值對