《电气工程概论》辅导资料十

电气工程概论辅导资料十主题：第二章电力电子技术(第2节)学习时间：2012年12月3日－12月9日内容：我们这周主要学习第二章电力电子技术的第二节电力变换技术简述，学习换流及变流的分类，几种典型的变流技术电路。

第二章电力电子技术第二节电力变换技术变流技术在电力电子技术中是最重要的，也是最基本的技术之一，其目标主要是节约能源、提高效率，包括减小变换器的大小和重量,提高它们的效率，降低谐波失真和成本。

变流技术可大致分为三代：第一代是应用二极管和晶闸管,采用不控或半控强迫换流技术；第二代主要以应用自关断器件为特征；第三代变换器是以软开关、功率因数校正和消除谐波为特征的。

2.2.1换流概念和变流器的分类1．换流概念在电工技术中的换流是指电流从一条支路过渡到另一条支路的过程，在换流期间两条支路将短时同时通过电流。

在电力电子技术中，完成换流过程的开关功能不是用机械开关，而是用功率半导体器件来实现的，换流过程的特点我们用图3-29来说明。

电流I首先经过接通的开关S1在支路1中流过，换流是通过开关S2的接通而开始的。

S2接通后，在换流电压uk 的作用下，将有一换流电流ik在支路1和2之间流动，如果ik的方向正确，此电流将逐步减小支路1中的电流并增加支路2中的电流。

如总回路中电感L足够大的话，则可以认为总电流I在换流过程中保持不变。

在完成了过渡后，也就是电流i2达到了值I且电流i1变成零时，换流过程通过打开开关S1而结束。

由此可知，换流正确完成的先决条件是在换流回路中必须有一个正确极性的换流电压存在。

如果利用交流电网存在的电压作换流电压，则这样的换流称之为自然换流。

有时也可利用负载所产生的交流电压作换流电压，则称之为负载换流。

负载换流也属于自然换流。

由储能元件提供一个辅助电压作为换流电压，也可以通过提高被关断的电流支路的阻抗（例如采用具有自关断能力的大功率晶体管或可关断晶闸管等元件）来完成换流，这种换流方式称之为强迫换流。

（1）自然换流在自然换流时，变流器中的电流从支路1过渡到支路2是在电网电压或负载电压的干预下完成的。

换流时由于换流回路中电抗的作用，换流不能瞬时完成，在一段时间内这两个要替换的开关器件将同时通以电流，这段时间称为换流重叠时间t u 。

用下图所标明的换流回路的符号可以得到换流时所遵守的电压方程为1211112222K K K K di di u L R i u L R i dt dt--=-- 引入换流电压u k 表达式可得2121212211K K K K K di di u u u L L R i R i dt dt=-=-+- 由于大电感L 的作用可以认为换流期间电流i 1和i 2的总和保持不变，即12i i I +=这样用上述方程就可以明确地计算出换流过程的电流曲线。

（2）强迫换流所渭强迫换流是指借助于电容性储能元件的帮助，或者通过采用有自关断能力的半导体器件来实现换流。

为了能在任意的时间点关断晶闸管中电流，必须采用一个附加的换流支路。

图3－31所示为一个典型的电容换流支路。

首先主晶闸管VT1、通过电流I，由于外回路中的电感L足够大，此电流在换流过程中认为是不变的。

设电容C预先以图3－31（a）中所示极性被充了电，那么在时间t1点时，通过触发辅助晶闸管VT1，主晶闸管中的电流就可能被换流到辅助晶闸管支路中。

这是第一个换流过程，将在时间t2 时结束。

之后，换流电容将在恒定电流I的作用下被反向充电直至时间t3 点，此时电流I开始被副支路2所接受。

副支路常常是一个带续流二极管VD2的续流支路。

在时间点t4 电流I全部从辅助支路换流到续流支路上，VT1自动关断，从而完成了第二次换流过程。

当主晶闸管再次导通时，换流电容C可通过附加的电感回路[如图3－31（a）中虚线所示]和主晶闸管构成振荡回路，其上的电压将被回振到主晶闸管下一次被关断所需的电压极性。

2.变流器的功能和分类（1）变流器的基本功能如下：1）整流：将交流电转换成直流电；2）逆变：将直流电变成一定频率和大小的交流电；3）直流电变换（直流斩波调压）：可将某固定大小的直流电变成大小任意可调的另一直流电；4）交流电变换：将大小和频率固定的某交流电变成大小和频率可变的交流电。

（2）按内部工作方式来分类，变流器分成三大类型：1）不出现换流过程的变流器；2）具有自然换流的变流器，其换流电压来自交流电网或负载；3）具有强迫换流的变流器，其换流电压来自于辅助支路。

图3－32表明了按内部工作方式的变流器分类，对每一类型还给出了有代表性的线路例子。

2.2.2几种典型的变流技术电路1.相控调压电路（1）单相交流调压图3－33所示为一单相交流调压的基本线路。

二个反并联的晶闸管周期性地触发时间点，相对于交流电压u的过零点滞后一个控制角α因此半导体开关阻断了电压曲线上阴影所示部分。

在每次晶闸管触发以后，通过负载的电流立刻跳跃到稳态电流瞬时值上，然后按正弦规律流动直至零值，所以输出电流波形是缺了一块的正弦交流电。

改变晶闸管的控制角α，就可以在负载两端得到大小可调的交流电压。

（2）三相交流调压图示为α=0时导通情况。

有规律的改变六个晶闸管的控制角α，就可以在三个负载电阻R上得到大小可调的三相交流电压。

相交流调压电路带电阻和电感混合负载时，即功率因数角φ≠0时，分析工作很复杂。

由于输出电压与电流存在相位差，在线电压或相电压过零瞬间，晶闸管的导电并不停止，负载中仍有电流流过。

此时晶闸管的导通角θ不仅与控制角α有关，而且还与负载功率因数角φ有关。

如果负载是感应电动机，则功率因数角φ还要随电机运行情况的变化而变化，这更使波形分析复杂化。

图3-37所示为α＝φ＝40°时的实验波形。

相电压、相电流的波形基本上是连续的，并且三相对称，相电流滞后于相电压。

在α时刻以后，每隔60°都出现电压波形缺口和电流波形振荡现象，这正好是晶闸管关断时刻。

α≠φ时，因为每一相电路的导通均与α、φ有关，很难准确计算。

但从实验波形可知，其电流波形还是符合单相电感性负载电路规律的。

2.可控整流（1）单相可控整流（纯阻电流）在前述的单相交流调压电路中，如去除反并联晶闸管中的反向晶闸管，则反向电压不再能加到负载电阻上（先假设负载为纯电阻负载），这就构成了一个最简单的单相半波可控整流器（图3-39（a ））。

图3-39（b ）所示是单相可控整流电路的电压、电流波形。

显然经过晶闸管半波整流后的输出电压d U 是一个极性不变的脉动直流电压。

其中，21cos 0.452d U U α+=。

改变晶闸管的控制角α即可在负载两端得到大小可调的直流电压，平均值为d U 。

（2）三相半波可控整流（L 为滤波电感）上图（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。

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。

三相半波可控整流电路触发控制角α的起点应是三个相电压的交点。

图（b ）是α=30°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α角范围内的一块面积。

其中 21.17cos d U U α=，即有规律地改变三个晶闸管的控制角α，就可以在负载两端得到一个大小可调的直流电压平均值d U 。

（3）三相桥式全控整流电路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推得，22.34cos d U U α=。

有规律地改变六个晶闸管的控制角α，就可在负载两端得到一个大小可调的直流电压的平均值d U 。

3.有源逆变电路如图3－47所示，α在90°—180°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。

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。

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。

图3－47表明了一个三相半波可控整流电路在大电感负载时从整流器运行状态转入到逆变器运行状态的情况。

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。

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。

4.无源逆变电路（电压型单相半桥逆变电路）单相半桥逆变器的主电路结构如上图所示。

可控开关元件的控制电压ug1和ug2为180℃的方波，重复频率为f ，并互差180℃电角度。

如负载是纯电阻负载，则电流具有与电压相同的波形。

如负载是电感性负载，则负载电流将按指数曲线规律交变,同时负载电流的变化将滞后于电压的变化。

在－个工作循环中，逆变电路存在两种电流换流：（1）臂内换流。

臂内换流指电流在同一导电臂内元件间的转移。

这种换流产生于电流过零时刻，电流的转移只涉及导电臂内元件的更迭，并不改变导电回路，物理过程简单,称自然换流。

（2）臂间换流。

臂间换流指电流在导电臂间转移。

这时的换流称为强迫换流，即必须强迫使退出导通的元件中电流下降为零，并使之关断，而将负载电流转移到二极管VD中。

两个开关器件以f的频率轮流导通，则在负载R上得到频率为f的交流电流i0和电压u。

5.变频器（单相交-交）图3－50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。

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。

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。

6.直流降压变换电路（直流斩波器）用具有强迫换流的半导体开关可以在任意的时间点接通或关断一个直流回路。

如果用一定的开关频率周期性地接通和关断它，并且任意地改变导通和关断时间的比例，显然就有可能控制（调节）从直流电源送至负载的功率。

这样的变换电路人们称之为直流电压变换电路，一般称为直流斩波器。

图3－55所示为一个直流降压变换电路的基本线路和相应的电压－电流波形曲线。