AC-DC变换及其应用.课件.ppt

1、第第4讲讲 AC/DC变换及其应用变换及其应用一、整流电路拓扑一、整流电路拓扑dudi2uwtp2pdudi2uwtp2pduwtp2pdudi2uwtp2p180 90180180180180TVTRu1u2uVTidudqudwtwtdu单相整流大全单相整流大全二、大功率可控整流电路二、大功率可控整流电路二、大功率可控整流电路引言引言带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：适用于低电压、大电流的场合。多重化整流电路的特点：在采用相同器件时可达到更大的功率。可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电

2、路电路结构的特点电路结构的特点带平衡电抗器的双反星形可控整流电路二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路。二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。与三相桥式电路相比，双反星形电路的输出电流可大一倍。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路绕组的极性相反的目的：消除直流磁通势消除直流磁通势如图可知，虽然两组相电流的瞬时值不同，但是平均电流相等而绕组的极性相反，所以直流安匝互相抵消。 双反星形电路， =0时两组整流电压、电流波形twwtud1uaubuciaud2iaucuaubucOwtOOwtOId12Id16Id12Id16

3、带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路接平衡电抗器的原因：接平衡电抗器的原因：当电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流。两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等。两个星形的中点n1和n2间的电压等于ud1和ud2之差。该电压加在Lp上，产生电流ip，它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流环流或平衡电流平衡电流。为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp值足够大，以便限制环流在负载额定电流的1%2%以内。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路平衡电抗器使得两组三相半波整流电路同时导电的原理分析原理分析： 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形平衡

4、电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况平衡电抗器Lp承担了n1、n2间的电位差，它补偿了ub和ua的电动势差，使得ub和ua两相的晶闸管能同时导电。d1d2puuu)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuu（2-97）（2-98） 时，ubua，VT6导通，此电流在流经LP时，LP上要感应一电动势up，其方向是要阻止电流增大。可导出Lp两端电压、整流输出电压的数学表达式如下：1twwupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub带平衡电抗器的双反星形可控整流电路原理分析原理分析(续续)： 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形平衡电

5、抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况虽然 ，但由于Lp的平衡作用，使得晶闸管VT6和VT1同时导通。 时间推迟至ub与ua的交点时， ub = ua ， 。之后 ub ub ，电流才从VT6换至VT2。此时VT1、VT2同时导电。每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导电。21dduu0puwupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为: Ud=1.17 U2 cos 将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下结论：三相桥为两组三

6、相半波串联，而双反星形为两组三相半波并联，且后者需用平衡电抗器。当U2相等时，双反星形的Ud是三相桥的1/2，而Id是单相桥的2倍。两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，ud和id的波形形状一样。多重化整流电路多重化整流电路概述： 整流装置功率进一步加大时，所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用多重化整流电路。原理： 按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流电路 进行组合得到。目标： 移项多重联结减少交流侧输入电流谐波，串联多重整流电路采用顺序控制可提高功率因数。 多重化整流电路多重化整流电路1) 移相多重联结移相多重联结并联多重联结的12脉波整流电路

7、有并联多重联结和串联多重联结。可减少输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。使用平衡电抗器平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。2个三相桥并联而成的12脉波整流电路脉波整流电路。 多重化整流电路多重化整流电路移相移相30 构成的串联构成的串联2重联结电路重联结电路 移相30串联2重联结电路 移相30串联2重联结电路电流波形整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差30、大小相等的两组电压。该电路为12脉波整流电路。星形三角形0a)b)c)d)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+

8、 )Id323(1+)Id33Id13多重化整流电路多重化整流电路利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开20，可将三组桥构成串联串联3重联结电路重联结电路：整流变压器采用星形三角形组合无法移相20，需采用曲折接法。整流电压ud在每个电源周期内脉动18次，故此电路为18脉脉波整流电路波整流电路。交流侧输入电流谐波更少，为18k1次（k=1, 2, 3），ud的脉动也更小。输入位移因数和功率因数分别为：cosj j1 1=cos =0.9949cos 多重化整流电路多重化整流电路将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联串联4重联结电路重联结电路： 为为24脉波整流电路脉波整流电路。 其交流侧输入

9、电流谐波次为24k1，k=1，2，3。 输入位移因数功率因数分别为：cosj j1 1=cos =0.9971cos 采用多重联结的方法并不能提高位移因数，但可使输入电流谐波大幅减小，从而也可以在一定程度上提高功率因数。多重化整流电路多重化整流电路2) 多重联结电路的顺序控制多重联结电路的顺序控制只对一个桥的 角进行控制，其余各桥的工作状态则根据需要输出的整流电压而定。 或者不工作而使该桥输出直流电压为零。 或者 =0而使该桥输出电压最大。根据所需总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥进行控制，因而被称为顺序控制顺序控制。不能降低输入电流谐波，但是总功率因数可以提高。我国电气机车的整流

10、器大多为这种方式。多重化整流电路多重化整流电路 3重晶闸管整流桥顺序控制重晶闸管整流桥顺序控制单相串联3重联结电路及顺序控制时的波形从电流i的波形可以看出，虽然波形并为改善，但其基波分量比电压的滞后少，因而位移因数高，从而提高了总的功率因数。a)db)c)iId2 IduOp +整流电路的有源逆变工作状态 3逆变的概念逆变的概念1) 什么是逆变？为什么要逆变？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

11、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5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，称为变流电路变流电路。 逆变的概念逆变的概念2) 直流发电机直流发电机电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转直流发电机电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性EM EG c）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。逆变的概念逆变的概念3) 逆变产生的条件逆变产生的条件单相全波电路代替上

12、述发电机 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)u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUd /2，使Ud为负值。p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。三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥整流电路的有源逆变工作状态逆变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角 不同 0 p p /2 时，电路工作在整流状态。 p p /2 p p /2时的控制角用pp = b b表示，b b 称为逆变角逆变角。逆变角b b和控

13、制角 的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量。三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥整流电路的有源逆变工作状态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2-46所示。三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb =p4b =p3b =p6b =p4b =p3b =p6wt1wt3wt2三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥整流电路的有源逆变工作状态有源

14、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每个晶闸管导通2p p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577. 03从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：dMddIEIRP2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。在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：ddVTIIII816.03222 4晶闸管直流电动机系统电动机负载时整流电路的工作情况。电动机负载时整流电路的工作情况。由整流电路供电时电动机的工作情况。由整流电路供电时电动机的工作情况。晶闸管直流电动机

15、系统晶闸管直流电动机系统可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。电力拖动系统中的一种，整流的用途之一。电力拖动系统中的一种，整流的用途之一。引言引言研究研究通常在电枢回路串联一平波电通常在电枢回路串联一平波电抗器，保证整流电流在较大范抗器，保证整流电流在较大范围内连续。围内连续。接反电动势负载时接反电动势负载时,负载电流断续负载电流断续,对对整流电路和电动机工作均不利整流电路和电动机工作均不利udOidwtuaubucudOiaibicicwtEUdidR三相半波带电动机负载且三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形加平波电抗器时的电压电流波形

16、工作于整流状态时工作于整流状态时工作于整流状态时UIREUdMdp23BMBXRRR系统的两种工作状态：电流连续工作状态系统的两种工作状态：电流连续工作状态 电流断续工作状态电流断续工作状态晶闸管压降晶闸管压降电枢电阻电枢电阻T电阻电阻电动机反电势电动机反电势 式中式中 整流电路中整流电路中T漏抗漏抗edeCUIRCUncos34. 22三相半波电流连续时以三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性电流表示的电动机机械特性机械特性是一组平行直线机械特性是一组平行直线, ,斜率取决于内阻斜率取决于内阻调节调节 角，即可调节电动机的转速。角，即可调节电动机的转速。Ona1a2a3a3a2a1Id

17、(RB+RM+ )IdCe3XB2p转速与电流的机械特性关系式为转速与电流的机械特性关系式为1) 1) 电流连续电流连续 在电机学中在电机学中nCEeM可根据整流电路电压平衡方程式得可根据整流电路电压平衡方程式得UIRUEdMcos34. 22电流断续时电动势的特性曲线电流断续时理想空载转速抬高。电流断续时理想空载转速抬高。机械特性变软，即负载电流变化很小也可引机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。起很大的转速变化。随着随着 的增加，进入断续区的电流值加大。的增加，进入断续区的电流值加大。断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0OIdminId(0.585 U2)( U2)

18、2Oa3a2a1Id分界线断续区连续区a5a4E0E考虑电流断续时不同 时反电动势的特性曲线 1 a 2 a 3 a 460 工作于整流状态时电流断续时电动机机械特性的特点：电流断续时电动机机械特性的特点：2) 2) 电流断续时电动机的机械特性电流断续时电动机的机械特性负载减小时，平波电抗器中的电感储负载减小时，平波电抗器中的电感储 能减小，使电流不再连续，此机械特能减小，使电流不再连续，此机械特 性也就呈现出非线性。性也就呈现出非线性。bcos0ddUUME)cos(0RIUEddMb)cos(10RIUCnddeb电动机在四象限中的机械特性正组变流器反组变流器n321Id4b2b3b4b1

19、 =b =p2 =b =p2b3b2b1b423411=b 1; 1=b12=b 2; 2=b2 增大方向b 增大方向 增大方向b 增大方向工作于有源逆变状态时1) 电流连续时机械特性电流连续时机械特性 因EM=Cen，得机械特性方程：RIEUdMd机械特性由 决定逆变时逆变电流断续，与整流时相似：逆变电流断续，与整流时相似：空载转速上翘空载转速上翘, ,特性变软特性变软, ,呈非线性呈非线性逆变状态的特性是整流状态的延续逆变状态的特性是整流状态的延续控制角控制角 变化时，机械特性得变化。变化时，机械特性得变化。第第1 1、4 4和和3 3、2 2象限中特性分属两组变象限中特性分属两组变流器，

20、输出的流器，输出的U Ud d极性相反，故标以正极性相反，故标以正组和反组变流器组和反组变流器直流可逆电力拖动系统 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数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(reactive power)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。谐波和无功功率分析基础1） 谐波

21、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傅里叶级数：n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为 %1001IIHRInn%1001IITHDhi正弦波电压可表示为：)sin(2)(utUtujw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谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础2） 功率因数功率因数正弦电路中的情况电路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率：pjwp20cos

22、)(21UItuidP视在功率视在功率为 S=UI 无功功率无功功率为： Q=U I sinj j 功率因数功率因数 SP222QPS谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础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非正弦电路的有功功率 ：P=U I1 cosj j1 功率因数功率因数为：11111coscoscosjjjIIUIUISP 基波因数基波因数v =I1 / I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数位移因数（基波功率因数）cosj j 1功率因数

23、由基波电流相移基波电流相移和电流波形畸变电流波形畸变决定 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础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（2-63）给出的： 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。带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析1) 单相桥式全控整流电路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）i2OwtdLLL,5,3,1,5,3,12sin2sin14)5sin513sin31(sin4n

24、nntnItnnItttIiwwpwwwpdd（2-72）变压器二次侧电流谐波分析：pnIInd22n=1,3,5,（2-73） 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。带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析基波电流有效值为 i2的有效值I= Id，结合式（2-74）可得基波因数为 电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故位移因数为 所以，功率因数为 d122IIppII12 209 .pjcos9.0cos22cos111IIjcoscos11 功率因数计算功率因数计算带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析带阻感负载时可

25、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）三相桥式全控整流电路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 =30为例，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：d32IItud1 = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac wtOwOwtOwtOidiawt1uaubucd32II （2-78）变压器二次侧电流谐波分析：变压器二次侧电流谐波分析：电流基波和各次谐波有效值分别为,3,2,1,16,66dd1kknInIIInpp（2-80）电流中仅含6k1（k

26、为正整数）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。功率因数计算功率因数计算基波因数：955.031pII（2-81）位移因数仍为：jcoscos11（2-82）功率因数为：pjcos955.0cos3cos111II（2-83）带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析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容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析1) 单相桥式不可控整流电路单相桥式不可控整流电路 实用的单相不可控整流电路采用感容滤波。电容滤波的单相不可控整流电路交流侧谐波组成有如下规律

27、：谐波次数为奇次。谐波次数越高，谐波幅值越小。谐波与基波的关系是不固定的。 越大，则谐波越小。LCw关于功率因数的结论如下：位移因数接近1，轻载超前，重载滞后。谐波大小受负载和滤波电感的影响。电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析2) 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路 实际应用的电容滤波三相不可控整流电路中通常有滤波电感。交流侧谐波组成有如下规律交流侧谐波组成有如下规律：谐波次数为6k1次，k =1，2，3。谐波次数越高，谐波幅值越小。谐波与基波的关系是不固定的。关于功率因数的结论如下关于功率因数的结论如下：位移因数通常是滞

28、后的,但与单相时相比,位移因数更接近1。随负载加重（wRC的减小），总的功率因数提高；同时，随滤波电感加大，总功率因数也提高。整流输出电压和电流的谐波分析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。 =0时，m脉波整流电路的整流电压波形 =0 时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析。整流输出电压谐波分析整流输出电压谐波分析整流输出电流谐波分析整流输出电流谐波分析详见书详见书P720.80.91图 2-330.81udwtOpmpm2pmU22整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析 =0时整

29、流电压、电流中的谐波有如下规律：m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk（k=1，2，3.）次，即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，也为mk次。当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低次（m次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速。m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速下降。 整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析 不为不为0 时的情况时的情况：整流电压谐波的一般表达式十分复杂，下面只说明谐波电压与 角的关系。030120 150 180600.10.20.390n=6n=12n=18/()U2Lcn2图2-34 三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与 的关系以n为参变量，n次谐波幅值对 的关系如图2-34所示：当 从0 90 变化时，ud的谐波幅值随 增大而增大， =90 时谐波幅值最大。 从90 180之间电路工作于有源逆变工作状态，ud的谐波幅值随 增大而减小。