1、1,第2章 整流电路,2.1 单相可控整流电路2.2 三相可控整流电路 2.3 变压器漏感对整流电路的影响2.4 电容滤波的不可控整流电路2.5 整流电路的谐波和功率因数2.6 大功率可控整流电路2.7 整流电路的有源逆变工作状态2.9 相控电路的驱动控制本章小结,2,整流电路的分类： 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。 按电路结构可分为桥式电路和零式电路。 按交流输入相数分为单相电路和多相电路。 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。,整流电路： 出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。,3,2.1 单相可控整流电路,2.1.1 单相半波可控整流电路2.
2、1.2 单相桥式全控整流电路2.1.3 单相全波可控整流电路2.1.4 单相桥式半控整流电路,4,2.1.1 单相半波可控整流电路 电阻负载,1）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：电压与电流成正比，两者波形相同。,Single Phase Half Wave Controlled Rectifier,5,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，简称相控方式。,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：晶闸管在一个电源周期中处于通态
3、的电角度，用 表示,基本数量关系,直流输出电压平均值为,2.1.1 单相半波可控整流电路 电阻,6,2) 带阻感负载的工作情况,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j、触发角a、晶闸管导通角的关系。(略),2.1.1 单相半波可控整流电路 阻感,7,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，称为续流。,数量关系 (id近似恒为Id）,2.1.1 单相半波可控整流电路 阻感,8,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
4、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,2.1.1 单相半波可控整流电路,9,10,2.1.2 单相桥式全控整流电路,1) 带电阻负载的工作情况,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。,Single Phase Bridge Contrelled Rectifier,id,11,2.1.2 单相桥式全控整流电路,数量关系,a 角的移相范围为180。,向负
5、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：,12,2.1.2 单相桥式全控整流电路,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：,由以上两式得：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。,13,2.1.2 单相桥式全控整流电路,2）带阻感负载的工作情况,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(电感作用仍有电流)。 至t=+a 时刻，VT2和VT3两管施加触发脉冲、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
6、转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。,因为此时VT2、VT3是导通的,14,2.1.2 单相桥式全控整流电路,数量关系,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。,晶闸管承受的最大正反向电压均为 。,15,2.1.2 单相桥式全控整流电路,3） 带反电动势负载时的工作情况,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，id= (ud-E)/R，直至|u2|=E，id即降至0使得晶
7、闸管关断，此后ud=E 。,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，,16,2.1.2 单相桥式全控整流电路,当 d 时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。,触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=d 时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。相当于触发角被推迟为d。,17,2.1.2 单相桥式全控整流电路,负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软 。,为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。,这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。 为保证电流连续所需的电感量L
8、可由下式求出：,18,2.1.3 单相全波可控整流电路,Single Phase Full Wave Controlled Rectifier,单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。 变压器不存在直流磁化的问题。,19,2.1.3 单相全波可控整流电路,单相全波与单相全控桥的区别：,单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。 单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。 单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。,从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应
9、用。,20,2.1.4 单相桥式半控整流电路,电路结构单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。,d,电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。,21,2.1.4 单相桥式半控整流电路,阻感负载,在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。u2过零变负时，电感作用电流续流，VT1继续导通；a点电位低于b点，电流从VD4转移到VD3，不再经过变压器。 在u2负半周触发角a时刻触发VT2，u2经VT2和VD3供电。 u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT2和VD4续流，ud又为零。,
10、22,2.1.4 单相桥式半控整流电路,续流二极管的作用,避免可能发生的失控现象。若无续流二极管，则当a 突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控。 有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。 续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。,23,2.1.4 单相桥式半控整流电路,单相桥式半控整流电路的另一种接法,相当于把图2-5a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。,图2-5 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及
11、波形,24,2.2 三相可控整流电路,2.2.1 三相半波可控整流电路 2.2.2 三相桥式全控整流电路,25,2.2 三相可控整流电路引言,交流测由三相电源供电。 负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。 基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广 。,26,2.2.1 三相半波可控整流电路,电路的特点： 变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。 三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法 。,1）电阻负载,R,移相范围150,27,a = 0时的工作原理分析,变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次
12、绕组电流有直流分量。 晶闸管电压波形由3段组成。,2.2.1 三相半波可控整流电路,自然换相点：,二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a =0。,28,a = 30的波形,负载电流处于连续和断续之间的临界状态。,29,a 30的波形,负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。,a = 60,30,当a=0时，Ud最大，为 。,整流电压平均值的计算,a30时，负载电流连续，有：,a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,2.2.1 三相半波可控整流电路,31,Ud/U2 随 a 变化的规律如图2-15中的曲线1所示。,图2-
13、15 三相半波可控整流电路Ud/U2随 a 变化的关系 1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载,2.2.1 三相半波可控整流电路,32,负载电流平均值为,晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即,晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值（a=60 时），即,2.2.1 三相半波可控整流电路,33,2）阻感负载,特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。 a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。 a30时（a=60时的波形）。 ua过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流（ud波形中出现负的部分）。 id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id
14、近似为一条水平线。,移相范围90,2.2.1 三相半波可控整流电路,34,数量关系,由于负载电流连续， 可求出Ud 为：,Ud/U2与a 成余弦关系，如图2-15中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，Ud/U2与a 的关系将介于曲线1和2之间，如曲线3。,2.2.1 三相半波可控整流电路,三相半波可控整流电路Ud/U2随 a 变化的关系：1电阻负载2电感负载 3电阻电感负载,35,变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为:,晶闸管的额定电流为:,晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值:,三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。,2.2.1 三相半波可
15、控整流电路,36,2.2.2 三相桥式全控整流电路,三相桥是应用最为广泛的整流电路,共阴极组：135,共阳极组：462,图2-17 三相桥式 全控整流电路原理图,导通顺序：123456,37,1）电阻负载： 移相范围120,当a60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续波形图： a =0 （图218 ）a =30 （图219）a =60 （图220） 当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值波形图： a =90 （ 图221）,2.2.2 三相桥式全控整流电路,38,图2-18 三相桥式全控整流电路带电阻负载a = 0时的波形,39,图2-19
16、 三相桥式全控整流电路带电阻负载a = 30 时的波形,40,图2-20 三相桥式全控整流电路带电阻负载a = 60 时的波形,41,图2-21 三相桥式全控整流电路带电阻负载a = 90 时的波形,42,晶闸管及输出整流电压的情况如表21所示,2.2.2 三相桥式全控整流电路,变压器 a b c 共阴极组 1 3 5 共阴极组 4 6 2,请参照图218,43,（2）对触发脉冲的要求： 按1-2-3-4-5-6的顺序，相位依次差60。 共阴极组1、3、5的脉冲依次差120，共阳极组4、6、2也依次差120。 同一相的上下两个桥臂，即14，36，52，脉冲相差180。,三相桥式全控整流电路的特
17、点,（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。,2.2.2 三相桥式全控整流电路,44,电阻性负载 触发角=0,相电 压波 形,负载 电压 波形,触发 脉冲 时序,SCR 导通 顺序,45,三相桥式全控整流电路触发方式,按管子同时导通的顺序成对地施加触发脉冲,基本脉冲,添补脉冲,2.2.2 三相桥式全控整流电路,46,（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。,2.2.2 三相桥式全控整流电路,（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。 （4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲 可采用
18、两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）,47,a60时（a =0 图222；a =30 图223） ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。包括： 各晶闸管的通断情况 输出整流电压ud波形 晶闸管承受的电压波形,2) 阻感负载 移相范围90,区别在于：得到的负载电流id波形不同。当电感足够大的时候， id的波形可近似为一条水平线。,2.2.2 三相桥式全控整流电路,48,图2-22 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 0 时的波形,0,49,图2-23 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 30 时的波形,50,2) 阻感负载 移相范围90,a 60时（ a =90图224）
19、阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。阻感负载时，ud波形会出现负的部分。 带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90 。,2.2.2 三相桥式全控整流电路,51,图2-24 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 90 时的波形,52,3) 定量分析,当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为：,带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为 ：Id=Ud /R,2.2.2 三相桥式全控整流电路,53,当整流变压器为图2-17中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-23中所示，其有效
20、值为：,晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 接反电势阻感负载时，在负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同。 仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：,式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。,2.2.2 三相桥式全控整流电路,54,ik=ib逐渐增大，ia=Id-ik。 当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断,换流过程结束。,2.3 变压器漏感对整流电路的影响,考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示。 现以三相半波为例,结论推广。,VT1换相至VT2的过程：,因为漏感，ia、i
21、b不能突变。VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流ik。,55,2.3 变压器漏感对整流电路的影响,换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度 g 表示。 换相过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。,换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少（阴影部分）。,（*）,56,2.3 变压器漏感对整流电路的影响,换相重叠角 g 的计算（由*式）,由上式得：,进而得出：,57,2.3 变压器漏感对整流电路的影响,当 时， ，于是,g 随其它参数变化的规律：（1） Id越大则g 越大；（2） XB越大g 越大；（3） 当a90时
22、， 越小g 越大。,58,2.3 变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏抗对各种整流电路的影响,表2-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,注：单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用；三相桥等效为相电压等于 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按 代入。,59,2.3 变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏感对整流电路影响的一些结论:,出现换相重叠角g ，整流输出电压平均值Ud降低。 整流电路的工作状态增多。 晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。 有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使
23、晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。,60,2.4 电容滤波的不可控整流电路,2.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路 2.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路,在交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用。,最常用的是单相桥和三相桥两种接法。 由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为二极管整流电路。,61,2.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路,常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中。,1） 工作原理及波形分析,基本工作过程：,在u2正半周过零点至wt=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，电
24、容C向R放电，提供负载所需电流。,至wt=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。,62,2.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路,2) 主要的数量关系,输出电压平均值,空载时：放电时间常数无穷大，输出电压最大 。重载时：R很小，电容放电很快，几乎失去存储作用，随负载增加Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载的特性。,在设计时根据负载的情况选择电容C值，使 , 此时输出电压为： Ud1.2 U2。,63,2.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路,2) 主要的数量关系,二极管承受的电压,电流平均值 输出电流平均值IR为： IR
25、= Ud /R 由于流经电容的电流在一个周期内的平均值为零，即IC=0 ，所以 Id =IR二极管电流iD平均值为： ID = Id / 2=IR/ 2,64,2.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路,感容滤波的二极管整流电路 实际应用为此情况，但分析复杂。为了抑制电流冲击，在直流侧串入较小的电感，组成 LC 滤波。 ud波形更平直，电流i2的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的。,65,2.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路,1） 基本原理,某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。 当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数
26、规律下降。,图2-30 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形,a),b),O,ia,ud,id,ud,uab,uac,d,q,wt,wt,ubc,uba,uca,p,p/3,66,电流id 断续和连续的临界条件：,2.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路,轻载（ ）时直流侧获得的充电电流是断续的， 重载（ ）时连续的，分界点就是：,轻载和重载的概念是从电流的角度考虑的,67,2.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路,考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况： 电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。 随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波
27、形逐渐接近。,68,2.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路,2) 主要数量关系,（2）电流平均值 跟单相电路一样： Id = IR = Ud / R 二极管电流平均值为Id的1/3，即：ID = Id / 3=IR/ 3,（3）二极管承受的电压 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为 。,（1）输出电压平均值 空载时输出电压最大， ，随负载增加而减小，至 进入 id 断续后，输出电压为线电压包络线，其平均值为,69,2.5 整流电路的谐波和功率因数,2.5.1 谐波和无功功率分析基础 2.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析 2.5.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧
28、谐波和功率因数分析 2.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析,70,2.5 整流电路的谐波和功率因数引言,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。,71,2.5.1 谐波和无功功率分析基础,1） 谐波,对于非正弦波电压，满足狄里赫利条件，分
29、解为傅里叶级数,正弦波电压可表示为：,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,72,2.5.1 谐波和无功功率分析基础,2） 谐波的产生 用傅立叶分析原理，能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。 在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。 在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了
30、，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等。功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。 奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。,73,增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益:由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。 影响继电保护和自动装置的工作可靠性：特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，
31、容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。 对用电设备的危害：电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器；此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响。 影响电网的质量：电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，从而降低电网电压，浪费电网的容量,3) 谐波的危害,74,75,2） 功率因数,正弦电路中的情况,功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值：,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：,2.5.1 谐波和无功功率分析基础,76,非正弦电路
32、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 l=P/S 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。,非正弦电路的有功功率 ：P=U I1 cosj1,基波因数：n =I1 / I，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,功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定的。,2.5.1 谐波和无功功率分析基础,功率因数：,77,非正弦电路的无功功率,一种简单的定义：,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。,忽略电压中的谐波时，还可定义为： Q f =U I 1 sinj
33、1 在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率D，使得：,2.5.1 谐波和无功功率分析基础,Q f为由基波电流所产生的无功功率，D是谐波电流产生的无功功率。,78,2.5.2 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,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）,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。,79,功率因数计算,2.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故位移因数为,i2的有效值I= Id
34、，结合上式可得基波因数为,所以，功率因数为,基波电流有效值为,80,2）三相桥式全控整流电路,图2-23 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：,2.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,81,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,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。,功率因数计算,基波因数：,位移因数：,功率因数：,2.5.2 带阻感
35、负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,n=6k1,k=1,2,3,82,2.5.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,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： 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。,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。,1) 单相桥式不可控整流电路,83,2) 三相桥式不可控整流电路,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
36、基波的关系是不固定的。,关于功率因数的结论如下： 位移因数通常是滞后的,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。,2.5.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,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。,84,2.5.4 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。,图2-33 a =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 整流输出电流
37、谐波分析 详见书P72,85, =0时整流电压、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。,2.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析,86, 不为0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。,以n为参变量，n次谐波幅值对 的关系
38、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。,2.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析,图2-34 三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与 的关系,87,2.6 大功率可控整流电路,2.6.1 带平衡电抗器的双反星形 可控整流电路 2.6.2 多重化整流电路（略）,88,2.6 大功率可控整流电路引言,带平衡电抗器的双反星形可控整流电路特点： 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
39、率因数，从而减小对供电电网的干扰。,89,2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,电路结构的特点,图2-35 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。,90,绕组的极性相反的目的：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。,图2-36 双反星形电路， =0时两组整流电压、电流波形,2.6.1带平衡电抗器的双反星形
40、可控整流电路,91,双反星形电路中如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路：,只能有一个晶闸管导电，其余五管均阻断，每管最大导通角为60o，平均电流为Id/6。 当=0o 时，Ud为1.35U2，比三相半波时的1.17U2略大些。 因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，极少采用。,平衡电抗器的作用： 使得两组三相半波整流电路同时导电。 对平衡电抗器作用的理解是掌握双反星形电路原理的关键。,2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,92,平衡电抗器的工作原理,没有平衡电抗器时等效于六相半波整流。每个时刻只有一个管子导通，利用率低。 在t1+ t1时刻，Ua相电压最高，U-b相次高。此时UP=U
41、a，没有平衡电抗器时UM=UN，VT6阴极电位比阳极电位高，即使触发它也不能导通。,欲使VT6与VT1同时导通，只有设法将N点电位相对于M点提高Ua-U-b，此时VT6的阳极电位与VT1的阳极电位相等，这样就可以实现VT6与VT1同时导通了。,wt1+dt1,wt1+dt2,2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,93,为了提高N点的电位，实现两个晶闸管的同时导通，在六相半波可控整流电路中引入了平衡电抗器LB。将LB接到M点与N点之间。,在t1+时刻，Ua最高，VH1导通，电流通过LB的MO流至负载，在MO上产生的感应电动势极性是右正左负，UOM与Ua极性相反，使VH1的阳极电位降低了u
42、OM；由于O点是LB的中心抽头，故ON与MO的感应电动势相等且极性一致，即uON=uOM，这样就提高了N点电位，而且uON与ub极性相同，将VH6的阳极电位提高了uON，从而使VH6能与VH1同时导通。,无平衡电抗器 有平衡电抗器 有无平衡电抗器的比较,P,P,2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,94,当ua过了其峰值之后至t2之前，反极性组中uc高于ub，于是VH2导通而VH6关断，该阶段VH1又与VH2同时导通。过了t2，u-c电压最高，VH2继续导通且该支路电流较大，于是LB的感应电动势极性变反，提高M点和VH1阳极的电位，降低N点和VH2阳极的电位，使二者阳极电位趋于相等，因
43、而VH1能继续导通。直到过了u-c的峰值之后，正极性组中ub电压最高，于是VH3导通而VH1关断，VH3和VH2同时导通。导电顺序可依此类推。,P,2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,95,反极性组的整流电压,带平衡电抗器双反星形整流器波形（0）,正极性组的整流电压,输出电压 波形,晶闸管导通次序,平衡电抗器两端电压,uMN=uMPuNP,96,由上述分析可知：,带平衡电抗器双反星形整流电路，相当于正极性和反极性两组三相半波可控整流电路的并联。各组输出电压波形是各相电压的包络线。每个晶闸管的最大导通角为120，输出电流 id 同时由两个晶闸管和两个变压器二次绕组供给，提高了其利用率。
44、每个晶闸管只负担1/6的 Id (导通的两个管子并联，图2-36)，适用于输出大电流的场合。,任何瞬时，正、反极性组均有一支电路导通工作，输出电压瞬时值等于两个半桥瞬时值的平均值。即：,根据相电压波形可求出ud的波形，每周有六个波峰。由于该电路相当于两组三相半波可控整流电路的并联，所以整流电压平均值与三相半波可控整流电路的相等。,2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,97,若负载电流小于临界电流（约为额定负载电流的2%5%），而达不到LB铁心中建立上述三角波电压所需磁通的励磁电流时，则LB上的电压达不到所要求值，这样将不能维持两组三相半波电路并联工作。在极限情况下，负载电流为LB已失去
45、作用，电路工作于六相半波整流状态。其输出的电压平均值也就升高至1.35U2，即为空载电压值。,平衡电抗器的电感量可由下式决定：,平衡电抗器是维持两组三相半波电路互不干扰各自正常工作所必须的。LB的两端应承受的电压uMN=uMPuNP。当0时，其波形频率为电网的三倍，近似于三角形波，其幅值为相电压幅值的1/2倍。,2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,98,30时整流电压波形,60时整流电压波形,99,90时整流电压波形,100,与其它可控整流电路相比，该电路具有以下特点：,它相当于两组三相可控半波整流电路并联，晶闸管导通角为120； 有六个晶闸管，触发电路比三相半控桥式整流电路的要复杂
46、，比三相全控桥式整流电路的简单； 整流电压波形为每个周波六个波峰，脉动程度比三相半控桥式电路的小，要求输出电感的电感量及体积都较小。 需用平衡电抗器，为保证电路能正常工作，其铁心不能饱和。要求两组整流电路的参数（主要是变压器的匝数和漏感）应对称。,2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,101,2.7 整流电路的有源逆变工作状态,2.7.1 逆变的概念 2.7.2 三相桥整流电路的有源逆变工作状态 2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制,102,2.7.1 逆变的概念,1) 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
47、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。,103,2) 直流发电机电动机系统电能的流转,图2-44 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
48、小，可在两个电动势间交换很大的功率。,2.7.1 逆变的概念,104,3) 逆变产生的条件 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,2.7.1 逆变的概念,电动机输出电功率,105,从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有二：,直流电动势为负，其值大于Ud。 晶闸管的控制角a p/2，使Ud为负值。,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。,2.7.1 逆变的概念,106,2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态,逆变和整流的区别：控制角 不同,0 p /2 时，电路工作在整流状态。p /2 p 时，电路工作在逆变状态。,可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题。 把a p /2时的控制角用p- = b表示，b 称为逆变角。 逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量。,
