大学课件(可做考研参考)：电力电子技术基础—10逆变

➢ 有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同。
➢ 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j 1。这时有功功率为：
工作在逆变状态，b P <p/2（ P >p/2），EM>Udb
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——电动机反向过程
➢第1象限正转，电动机从正组桥取得电能 —— > 先使电动机迅速制动，为此需切换到反组桥工 作在逆变状态，此时电动机进入第2象限作正转 发电运行，随着电动机转速的下降，不断地调
无功功率定义为：
Q=U I sinj
功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值：
l P
S
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：
S2 P2 Q2
功率因数是由电压和电流的相位差j 决定的：l =cos j
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路
——功率因数
➢ 非正弦电路中的情况
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——减小谐波的办法
❖减小控制角 ❖增加整流相数 ❖设置谐波滤波器
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——功率因数
➢ 正弦电路中的情况
电路的有功功率就是其平均功率：
P 1
2p
uid(t) UI cosj
2p 0
视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI
ia
23
p
Id[sint
1 sin 5t
5
1 7
sin 7t
1 sin11t 1 sin13t
11
13
]
23
p
Id
s in t
23
p
Id
n6k 1
(1)k
1 sin nt
n
2I1 sin t (1)k
n6k 1
2In sin nt
k 1,2,3
k 1,2,3
其中
I1
6
p Id
I n
6
np
接的交流电压决定
➢ V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本 就是同步电压由正变负的过零点
➢ V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于 充电时间常数R1C1
+15V TS R
VS R1
VD1 VD2
Q
uts
C1
VD11~VD14
R15 C7 + C6
RP2 R3
220V 36V
R9
R11
VD15
B VD7 TP
VD8 +15V
R14
R18
R13பைடு நூலகம்
VD9
V1
I1c V3
R4
R7 C2
V2 R5
VD4
R6 V4 R17
R8
R2
up
V5
R10
VD6
C5
V7
C3
V6
VD10
VD5
R16 V8
RP1 uco -15V
接封锁信号 X Y -15V
➢输出可为双窄脉冲（适用于有 两个晶闸管同时导通的电路），
l 2 2 cos 0.9 cos p
l 3 cos 0.955cos p
变流器工作于整流状态时，有 功功率为正，且随α角的增大 而减小；而无功功率增大，功 率因数下降。
变流器工作于逆变状态时，有 功功率为副，且随β的增大有 功功率的绝对值减小；无功功 率增大，功率因数下降。
功率因数为基波因数和位移因数的乘积，欲提高功率因数，一 是设法减小高次谐波，二是减小控制角。
第二部分 电力电子器件
第四章 电力电子器件的驱动和保护
South China University of Technology
6
电力电子技术基础 第二部分 电力电子器件
——驱动保护电路概述
➢ 驱动电路——主电路与控制电路之间的接口
➢ 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩 短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效 率、可靠性和安全性都有重要的意义
HRI n
In I1
100 %
➢ 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为
THD i
Ih I1
100 %
I h 为总谐波电流有效值
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——单相桥式全控整流电路谐波分析
阻感负载
i2
4
p
Id (sin t
1 sin 3t
也可为单窄脉冲
➢三个基本环节：脉冲的形成与 放大、锯齿波的形成和脉冲移相、
同步环节。此外，还有强触发和 双窄脉冲形成环节
电力电子技术基础 第二部分 电力电子器件 ——同步环节
1 同步环节
➢ 同步——要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相 同且相位关系确定
➢ 锯齿波是由开关V2管来控制的 ➢ V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所
➢ 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。
电力电子技术基础 ——谐波
Id,
n 6k 1,k 1,2,3,
➢电流中仅含6k1（k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
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——m脉冲整流电路谐波分析
➢ =0时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析
ud0
Ud0
bn
Ie
VD
e
+
Ue
-
+
b2
Rb2
Ub H
Rb1
b1
-
b2
e
b1
UH
Rb1 Rb1 Rb2
Ub
Ub
电力电子技术基础 第二部分 电力电子器件 ——单结晶体管
Ue UP
+
Re
R1
UV
0
IP IV Ie
C
R2
-
VD导通后，电阻Rb1迅速减小
UH
Rb1 Rb1 Rb2
Ub
Ub
电力电子技术基础 第二部分 电力电子器件 ——单结晶体管组成的简易触发电路
第三部分 电力电子变换电路
➢ 满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数
➢ 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 ➢ 谐波次数——谐波频率和基波频率的整数比 ➢ n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示
u
UR U d0
其中：
UR
U
2 n
U
2
U
2 d0
nmk
而： U
m
2p
p
m
p
(
m
2U 2 cost)2 d(t) U 2
sin 2p
1
m
2p
m
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——m脉冲整流电路谐波分析
➢ =0时整流电压、电流中的谐波有如下规律： （1）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； （2）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； （3） 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。
➢电流驱动型和电压驱动型
4.1 晶闸管的触发电路
电力电子技术基础 第二部分 电力电子器件 ——相控电路以及驱动要求
➢ 相控电路：
➢ 晶闸管可控整流电路，通过控制触发角的大小即
控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小 ➢ 采用晶闸管相控方式时的交流交流电力变换电路和
交交变频电路（第7章） ➢ 相控电路的驱动控制
3
1 sin 5t
5
)
4
p
Id
n 1, 3, 5,
1 n
s in
n t
2In
n 1, 3, 5,
s in
nt
其中
In
2 2Id
np
n=1,3,5,…
➢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
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——三相桥式全控整流电路谐波分析
节续b增，大使b，之即由小 变p大2直，至反b组桥p将2（转n入=0整）流，状如态继
下工作 ——> 电动机开始反转进入第3象限的电 动运行
直流可逆电力拖动系统，将在后继课《电力拖动自动控制系 统》或者《运动控制系统》中进一步分析讨论
3.5 变流电路的谐波和功率因数
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——电力电子装置对电网的影响
工表作示在整整流流，状p态表，示正 组p <）p/2，EM<Uda(下标中有
➢第2象限，正转，电动机作发电运行，反组桥
工EM作>U在db逆(下变标状中态有，bb表N<示p/2逆（变，N N>p表/2）示，反组）
➢第3象限，反转，电动机作电动运行，反组桥
工作在整流状态， N <p/2，EM<Uda
➢第4象限，反转，电动机作发电运行，正组桥
P=U I1 cosj1
功率因数为：
l
P S
UI1 cosj1
UI
I1 I
cosj1
cosj1
➢基波因数(电流畸变因数)——即基波电流有效值 和总电流有效值之比
➢位移因数（基波功率因数）——cosj 1
I1
I
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——功率因数
阻感负载
单相桥式全控整流电路 三相桥式全控整流电路
nmk
cosnt
U
d0
1
nmk
2 coskp
n2 1
c osnt
式中，k=1，2，3…；且： Ud0
2U 2
m
p
sin
p
m
bn
2 coskp
n2 1
U d0
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——m脉冲整流电路谐波分析
因为数了描u为述u整d0中流谐电波压分ud量0中有所效含值谐U波R与的整总流体电情压况平，均定值义U电d0压之纹比波：
电力电子技术基础 第二部分 电力电子器件 ——驱动保护电路概述
➢ 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的 电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离
➢ 光隔离一般采用光耦合器 ➢ 磁隔离的元件通常是脉冲变压器
ID
IC E
R
R1
R
Uin
Uout
E
R1
R
E R1
a) 光耦合器的类b) 型及接法 c) a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型
➢ 对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在 驱动电路中，或通过驱动电路实现
➢ 驱动电路的基本任务： ➢ 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求， 转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间， 可以使其开通或关断的信号 ➢ 对半控型器件只需提供开通控制信号 ➢ 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要 提供关断控制信号
2. 锯齿波的形成和脉冲
移相环节
➢ 电路组成
➢ 锯齿波电压形成的方 案较多，如采用自举 式电路、恒流源电路 等
South China University of Technology
Fundamentals of Power Electronics Technology
电力电子技术基础
3.4 直流可逆电力拖动系统
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——直流可逆拖动系统
➢有很多生产机械，要求拖动电机能正反向运行， 即可逆拖动，因此需要采用四象限运行的双变流 器为其供电。
两套变流装置反并联 连接的可逆电路：三 相全控桥接线。
➢电动机正向运行时由正组变流器供电；反 向运行时，则由反组变流器供电
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——四象限运行工作情况
电力电子技术基础 第三部分 电力电子变换电路 ——四象限运行工作情况
➢第1象限：正转，电动机作电动运行，正组桥
UC
UP
UV
0
t
UG
0
U UP IP
Re
U
UV IV
f 1
1
T
1
ReCLn(1 )
电力电子技术基础 第二部分 电力电子器件 ——同步信号为锯齿波的触发电路
+15V TS R
VS R1
VD1 VD2
Q
uts
C1
VD11~VD14
R15 C7 + C6
RP2 R3
220V 36V
R9
R11
R12
A C3
R12
A C3
VD15
B VD7 TP
VD8 +15V
R14
R18
R13
VD9
V1
I1c V3
R4
R7 C2
V2 R5
VD4
R6 V4 R17
R8
R2
up
V5
R10
VD6
C5
V7
C3
V6
VD10
VD5
R16 V8
RP1
接封锁信号
uco -15V
X Y -15V
电力电子技术基础 第二部分 电力电子器件 ——锯齿波形成和脉冲移相
➢ 为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保
证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸
管施加有效的触发脉冲。对于相控电路这样使用晶 闸管的场合，也习惯称为触发控制，相应的电路习 惯称为触发电路。
电力电子技术基础 第二部分 电力电子器件 ——单结晶体管
单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有一 个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状 的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。 在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。