1、第三章 电力牵引变流器第三章 电力牵引变流器主要内容v1、整流电路、整流电路v2、逆变电路、逆变电路v3、斩波电路、斩波电路v4、变频电路、变频电路第三章 电力牵引变流器第一节 整流电路整流电路的分类整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种。按电路结构可分为桥式电路桥式电路和零式电路零式电路。按交流输入相数分为单相电路单相电路和多相电路多相电路。整流电路整流电路是出现最早的电力电子电路，其作用是将交流电变为直流电。第三章 电力牵引变流器v2、相控整流调压的优点：、相控整流调压的优点：v实现牵引电机端压平滑无级调节可以实现牵引电机端压平滑无级调节可以减少调压过程中的
2、电流冲击，使牵引电机减少调压过程中的电流冲击，使牵引电机力矩变化平滑；力矩变化平滑；v无级调压具有快速性，有利于更好地利无级调压具有快速性，有利于更好地利用机车的惯性。用机车的惯性。v采用相控调压，可取消笨重的有触点式采用相控调压，可取消笨重的有触点式调压开关，调压时不必切换主电路，不会调压开关，调压时不必切换主电路，不会有电弧产生。有电弧产生。第三章 电力牵引变流器v3、相控整流调压的缺点：、相控整流调压的缺点：v 交直型整流机车的最大缺点之一是交直型整流机车的最大缺点之一是功率因功率因数较低数较低和和谐波分量较高谐波分量较高。v功率因数低，系统的利用率低，引起电功率因数低，系统的利用率低，
3、引起电网压降，引起无功损耗。网压降，引起无功损耗。电网压降与负载电网压降与负载的无功功率大小成正比。的无功功率大小成正比。v谐波电流对通讯造成干扰，引起继电保谐波电流对通讯造成干扰，引起继电保护误动作。护误动作。 第三章 电力牵引变流器图2-1 单相半波可控整流电路及波形1 1、带电阻负载的工作情况、带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00 一、单相半波可控整流电路一、单相半波可控整流电路(Single Ph
4、ase Half Wave Controlled Rectifier)第三章 电力牵引变流器首先，引入两个重要的基本概念：触发延迟角触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。导通角导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示 。基本数量关系基本数量关系第三章 电力牵引变流器 VT的a 移相范围为180 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式相位控制方式，简称相控方式相控方式。 直流输出电压平均值为直流输出电压平均值为paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUtt
5、dUU(3-1)第三章 电力牵引变流器2、带阻感负载的工作情况、带阻感负载的工作情况 图图2-2 带阻感负载的带阻感负载的 单相半波电路及其波形单相半波电路及其波形阻感负载的特点阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。讨论负载阻抗角讨论负载阻抗角j j、触发角触发角a、晶闸管导通、晶闸管导通角角的关系。的关系。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +第三章 电力牵引变流器对单相半波电路的分析对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：可基于上述方法进行：当当VT处于处于断态断态时，相当时，相当于电路在于电路
6、在VT处断开，处断开，id=0。当当VT处于处于通态通态时，相当时，相当于于VT短路。短路。图2-3 单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态 b)VT处于导通状态 a)b)VTRLVTRLu2u2电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。第三章 电力牵引变流器当当VT处于通态时，如下方程成立：处于通态时，如下方程成立：VTb)RLu2b) VT处于导通状态tURitiLwsin2dd2dd（2-2）)sin()sin(tanjaqjajqe（2-4）初始条件：t= a ，id=0。求解式（2-2）并将初始
7、条件代入可得当t=+a 时，id=0，代入式（2-3）并整理得 )sin(2)sin(22)(2djwjaawwtZUeZUitLR（2-3）22)( LRZwRLwjarctan其中 ，第三章 电力牵引变流器负载阻抗角负载阻抗角j j、触发角、触发角a、晶闸管导通角、晶闸管导通角的关系的关系 若j j为定值，a a 越大，在u u2 2正半周L储能越少，维持导电的能力就越弱，越小 若a a为定值，j j 越大，则L贮能越多，越大；且j j 越大，在u u2 2负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u u2 2正半周导通的时间，u ud d中负的部分越接近正的部分，平均值U Ud d越接
8、近零，输出的直流电流平均值也越小。第三章 电力牵引变流器续流二极管续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图2-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流续流。 数量关系数量关系(id近似恒为Id）ddVT2IIpap（2-5）d2dVT2)(21ItdIIpapwppa（2-6）ddVDRIIpap2（2-7）d22dVD2)(21RItdIIpapwpapp（2-8
9、）第三章 电力牵引变流器VT的a 移相范围为180 。简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。 单相半波可控整流电路的特点单相半波可控整流电路的特点第三章 电力牵引变流器v二、桥式不控整流电路二、桥式不控整流电路第三章 电力牵引变流器第三章 电力牵引变流器第三章 电力牵引变流器v（2）整流输出电压）整流输出电压22020229 . 022sin211222sin222sin2UUttdUtduUntntUntntUudddpppwwpwpppppwpppwdU第三章 电力牵引变流器1) 带电
10、阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况a)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图2-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构电路结构二、单相桥式全控整流电路二、单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)第三章 电力牵引变流器数量关系数量关系paaapwwp2cos19
11、 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU（2-9）a 角的移相范围为180。向负载输出的平均电流值为：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTaRUII（2-10）2cos19 . 02cos12222ddaapRURURUIpwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4第三章 电力牵引变流器流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由式（2-12）和式（2-13）得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。papapwwppa2sin212)(d)sin2(21
12、222VTRUttRUI（2-12）papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（2-13）II21VT（2-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4第三章 电力牵引变流器2、带阻感负载的工作情况、带阻感负载的工作情况 u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图2-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=+a
13、时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相换相，亦称换流换流。第三章 电力牵引变流器 数量关系数量关系apaaapwwpcos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU（2-15）晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。ddT21IIddT707. 021III晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22U2OwtOwtOwtudidi2
14、b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4第三章 电力牵引变流器3、 带反电动势负载时的工作情况图2-7 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形 在|u2|E时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。导通之后， ud=u2， ， 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶闸管关断，此后ud=E 。REuidd与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电， 称为停止导电角，212sinUE（2-16）b)idOEudwtIdOwtaq第三章 电力牵引变流器当 EM b）两电动势同极性EM EG c）两
15、电动势反极性，形成短路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。一、有源逆变一、有源逆变第三章 电力牵引变流器2、 逆变产生的条件逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机单相全波电路代替上述发电机图2-45 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)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdiddaiVT1iVT2iVT2id=iVT +iVT12id=iVT +iVT12iVT1iVT2iVT1dMUE第三章 电力牵引变流器从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有二
16、：从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有二：有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。晶闸管的控制角a /2，使Ud为负值。p半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负不能出现负值，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。极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用欲实现有源逆变，只能采用全控全控电路。电路。第三章 电力牵引变流器逆变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角 a a 不同 0a a p p /2 时，电路工作在整流状态。 p p /2 a a p
17、p /2时的控制角用pp a a = b b表示，b b 称为逆变角逆变角。逆变角b b和控制角a a的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量。第三章 电力牵引变流器3、 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败逆变失败（逆变颠覆） 逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联顺向串联，形成很大短路电流短路电流。触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。交流电源缺相或突然消失。换相的裕量角不足，引起换相失败。1) 逆变失败
18、的原因逆变失败的原因第三章 电力牵引变流器换相重叠角的影响：图2-47 交流侧电抗对逆变换相过程的影响当b g 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。如果b g 时（从图2-47右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT1）会关断，而应关断的晶闸管（VT3)不能关断，最终导致逆变失败。 udOOidwtwtuaubucuaubpbgb 1，输出电压高于电源电压，故为升升压压斩波电路。升压比；升压比的倒数记作b ，即。 b和a的关系：因此，式（3-21）可表示为 off/tT1baEEUab111oTtoffb（3-23）（3-22）第三章 电力牵引变流器电压升高得原因：电感电压升高得原
19、因：电感L储能使储能使电压泵升电压泵升的作的作用电容用电容C可将输出电压可将输出电压保持保持住住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 ： 。 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。oo1IUEI 输出电流的平均值输出电流的平均值Io为：为：RERUIb1oo(3-25)电源电流的平均值电源电流的平均值Io为：为：REIEUI211boo(3-26)第三章 电力牵引变流器 三、升降压斩波电路三、升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 电路结构第三章 电力牵引变流器基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图3-4 升降压斩波电
20、路及其波形a）电路图 b）波形V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。动态演示。第三章 电力牵引变流器3.1.3第三章 电力牵引变流器数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即Ttu0L0d（3-39）所以输出电压为：EEtTtEttUaa1ononoffono（3-41）V处于通态uL = EV处于断态uL = - uooffoontUtE（3-40）第三章 电力牵引变流器图3-4b中给出了电源电流i1和负
21、载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：offon21ttII（3-42）由上式得：11onoff21IIttIaa（3-43） 结论当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。2o1IUEI （3-44）otb)oti1i2tontoffILIL第三章 电力牵引变流器四、四、 Cuk斩波电路斩波电路V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点
22、之间交替切换。图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路a） 电路图 b） 等效电路第三章 电力牵引变流器同理：数量关系Tti0C0d（3-45）V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得：off1on2tItI（3-46）aa1onononoff12ttTttII（3-46）EEtTtEttUaa1ononoffono（3-48）第三章 电力牵引变流器 优点优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很 小，有利于对输入、输出进行滤波。第三章 电力牵引变流器休休 息息 一一 下下
