交流-直流变换电路.ppt

第3章 交流-直流变换电路 3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 3.3 3.3 三相可控整流三相可控整流 3.4 3.4 有源逆变电路有源逆变电路 3.5 3.5 整流电路的性能指标及应用技术整流电路的性能指标及应用技术 本章小结本章小结 1 3.1 概述 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。 2 3.2 单相可控整流电路 3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 3.2.2 3.2.2 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路 3.2.3 3.2.3 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路 3 3.2.1 单相半波可控整流电路 一、电阻性负载 电炉、电焊机及白炽灯等均 属于电阻性负载 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。 工作原理分析 图3-2-1 单相半波可控整流电路 （电阻性负载）及波形 w w w wt T VT R 0 a) u1u2 u VT ud id wt1p 2p t t t u2 ug ud u VT q 0 b) c) d) e) 0 0 4 工作原理分析 在电源电压正半周，晶闸管承受正向电压， 在t=处触发晶闸管，晶闸管开始导通； 负载上的电压等于变压器输出电压u2。在 t=时刻，电源电压过零，晶闸管电流小 于维持电流而关断，负载电流为零。 在电源电压负半周，uAK0，晶闸管承受 反向电压而处于关断状态，负载电流为零， 负载上没有输出电压，直到电源电压u2的 下一周期，直流输出电压ud和负载电流id的 波形相位相同。 通过改变触发角的大小，直流输出电压ud 的波形发生变化，负载上的输出电压平均值 发生变化，显然=180时，Ud=0。由于晶 闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压 ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流， 故称“半波”整流。 3.2.1 单相半波可控整流电路 w w w wt T VT R 0 a) u1u2 uVT ud id wt1p 2p t t t u2 ug ud uVT q 0 b) c) d) e) 0 0 图3-2-1 单相半波可控整流电路 （电阻性负载）及波形 5 首先，引入两个重要的基本概念： 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的电 角度称为导通角，用表示 。 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。 在单相半波可控整流电阻性负载电路中, 移相角的控制范围为:0， 对应的导通角的可变范围是0， 两者关系为 =。 3.2.1 单相半波可控整流电 路 6 2. 基本数量关系 (1) 直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id 3.2.1 单相半波可控整流 电路 n 输出电流平均值Id : n 直流输出电压平均值Ud : 7 (2) 输出电压有效值U与输出电流有效值I 3.2.1 单相半波可控整流 电路 n 输出电流有效值I : n 直流输出电压有效值U : 8 (3) 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效 值 单相半波可控整流电路中，负载、晶闸管和 变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值 相等，即： 3.2.1 单相半波可控整流 电路 9 (4) 功率因数cos 整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率 的比值 式中 P变压器二次侧有功功率，P=UI=I2R S变压器二次侧视在功率，S=U2I2 (5) 晶闸管承受的最大正反向电压UTM 晶闸管承受的最大正反向电压UTM是相电压峰值。 3.2.1 单相半波可控整流电 路 10 例3-1 如图所示单相半波可控整流器，电阻性 负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电 压为50 V，直流输出平均电流为20A。 试计算： (1) 晶闸管的控制角。 (2) 输出电流有效值。 (3) 电路功率因数。 (4) 晶闸管的额定电压和额定电流。 3.2.1 单相半波可控整流电 路 11 解 : (1) 当=90时，输出电流有效值 (3) (2) 则=90 12 (4) 晶闸管电流有效值IT 与输出电流有效值相等，即： （5）晶闸管承受的最高电压： 考虑(23)倍安全裕量，晶闸管的额定电压为 根据计算结果可以选取满足要求的晶闸管。 取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为： 则 13 3.2.1 单相半波可控整流电路 2）电感性负载 电感性负载通常是电机的励 磁线圈和负载串联电抗器等 。 电感性负载的特点：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 。 图3-2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形 14 图3-2-3 带阻感负载(不接续流 管)的 单相半波电路及其波形 1. 无续流二极管时 v工作原理 0：uAK大于零，但门极没有触发 信号，晶闸管处于正向关断状态， 输出电压、电流都等于零。 在t=时，门极有触发信号，晶闸 管被触发导通，负载电压ud= u2。 当t=时，交流电压u2过零，由于 有电感电势的存在，晶闸管的电压 uAK仍大于零，晶闸管会继续导通 ，电感的储能全部释放完后，晶闸 管在u2反压作用下而截止。直到下 一个周期的正半周。 3.2.1 单相半波可控整流 电路 有负面积 15 v数量关系 直流输出电压平均值Ud为 从Ud的波形可以看出，由于电感负载的存在，电源电压由 正到负过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电 压和电流的平均值减小；当大电感负载时输出电压正负面积 趋于相等，输出电压平均值趋于零，则Id也很小。所以，实 际的大电感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。 3.2.1 单相半波可控整流电路 16 2.接续流二极管时 v 工作原理 u20：uAK0。在t=处触 发晶闸管导通， ud= u2续流 二极管VDR承受反向电压而处 于断态。 u20：电感的感应电压使 VDR承受正向电压导通续流， 晶闸管承受反压关断,ud=0。 如果电感足够大，续流二极管 一直导通到下一周期晶闸管导 通，使id连续。 3.2.1 单相半波可控整流电 路 图3-2-4 带阻感负载(接续流管) 的 单相半波电路及其波形 u2 ud id uVT iVT Id Id wt1wt wt wt wt wt wtO O O O O O p- p+ b) c) d) e) f) g) iVD R a) 17 由以上分析可以看出，电感性负载加续流二极管后， 输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可 以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电 流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形 和流过续流二极管的电流波形是矩形波。 对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器 移相范围与单相半波可控整流电路电阻性负载相同为 0180，且有+=180。 3.2.1 单相半波可控整流电路 18 v基本数量关系 (1) 输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id 输出电压平均值Ud 输出电流平均值Id 3.2.1 单相半波可控整流电路 19 (2) 晶闸管的电流平均值IdT与晶闸管的电流有效值 IT 晶闸管的电流平均值IdT ： 晶闸管的电流有效值IT： 3.2.1 单相半波可控整流电路 20 (3) 续流二极管的电流平均值IdD与续流二极管的电 流有效值ID 3.2.1 单相半波可控整流电 路 21 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 简单，但输出脉动大，变压器二次侧简单，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电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流 磁化。磁化。 实际上很少应用此种电路。实际上很少应用此种电路。 分析该电路的主要目的是建立起整流电分析该电路的主要目的是建立起整流电 路的基本概念。路的基本概念。 3.2.1 单相半波可控整流电路 22 3.2.2 单相全控桥式整流电 路 1) 带电阻负载的工作情况a) u (i ) p wt wt wt0 0 0 i2 ud id b) c) d) dd uVT 1,4 图3-2-5 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 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 单相全控桥式整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier) 23 数量关系 1)输出直流电压平均值Ud及有效值U（a 角的移相范围为180 。） 3.2.2 单相全控桥式整流电路 2) 输出直流电流平均值Id 3) 晶闸管电流平均值IdT和有效值IT p wt wt wt0 0 0 i2 ud id b) c) d) dd uVT 1,4 24 3.2.2 单相全控桥式整流电路 5) 功率因数 4)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： 不考虑变压器的损耗时，要 求变压器的容量 S=U2I2。 p wt wt wt0 0 0 i2 ud id b) c) d) dd uVT 1,4 25 3.2.2 单相全控桥式整流电 路 2）带阻感负载的工作情况 u2 O wt O wt O wt ud id i2 b) O wt O wt uVT 1,4 Owt Owt Id Id Id Id Id iVT 2,3 iVT 1,4 图3-2-6 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=+ 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，亦称换流。 26 3.2.2 单相全控桥式整流电 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 。 2 O wt O wt O wt ud id i2 b) O wt O wt uVT 1,4 Owt Owt Id Id Id Id Id iVT 2,3 iVT 1,4 27 电感性负载（接续流二极管）电感性负载（接续流二极管） 为了扩大移相范围，使为了扩大移相范围，使 波形不出现负值且输出电流 波形不出现负值且输出电流 更加平稳，可在负载两端并接续流二极管，如图更加平稳，可在负载两端并接续流二极管，如图3-2-3-2- 7a7a电路所示。电路所示。 接续流管后，接续流管后，的移相范围可扩大到的移相范围可扩大到0 0。在这区在这区 间内变化，只要电感量足够大，输出电流间内变化，只要电感量足够大，输出电流 i id d 就可保持连就可保持连 续且平稳。续且平稳。 在电源电压在电源电压 u u2 2 过零变负时，续流管承受正向电压而导通过零变负时，续流管承受正向电压而导通 ，晶闸管承受反向电压被关断。这样，晶闸管承受反向电压被关断。这样 u ud d 波形与电阻性负波形与电阻性负 载相同载相同，如图，如图3-2-7b3-2-7b所示。负载电流所示。负载电流 i id d 是由晶闸管是由晶闸管VTVT 1 1 和和VTVT 3 3 、VTVT 2 2 和和VTVT 、 、续流管续流管VDVD相继轮流导通而形成的。相继轮流导通而形成的。 u uT T 波形与电阻负载时相同波形与电阻负载时相同。 3.2.2 3.2.2 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路 28 图图3 3-2-7 -2-7 单相全控桥带单相全控桥带阻感负载时的电路及波形阻感负载时的电路及波形 （接续流管（接续流管 ） 接入接入VDVD：扩大移相范围，不扩大移相范围，不 让让u u d d 出现负面积。出现负面积。 移相范围：移相范围：0 0 180 180 u ud d 波形与电阻性负载相同波形与电阻性负载相同 I I d d 由由VT1VT1和和VT3VT3，VT2VT2和和VT4VT4 ，以及以及VDVD轮流导通形成。轮流导通形成。 u uT T 波形与电阻负载时相同。波形与电阻负载时相同。 29 3. 3. 带反电动势负载时的工作情况带反电动势负载时的工作情况 在在| |u u 2 2 |E E时，才有晶闸管承时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。受正电压，有导通的可能。 图3-2-8 单相全控桥式整流电路接反 电动势电阻负载时的电路及波形 3.2.2 3.2.2 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路 电流断续 导通之后，导通之后， u ud d = =u u 2 2 ， 直至直至| |u u 2 2 |=|=E E，i i d d 即降至即降至0,0,使得使得 晶闸管关断，此后晶闸管关断，此后u u d d = =E 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， 在a 角相同时，反电动势整流输出电压比电阻负载时大 。 b) id O E ud wt Id Owt q d 30 3.2.2 单相全控桥式整流电 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可由下式求出： 图3-2-9 单相全控桥式整流电路带反电动势 负载串平波电抗器，电流连续的临界情况 tw wO ud 0 E id t p d q = p 31 为了使电流连续，一般在主电路中直流输出侧串联一个平 波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间 。电感量足够大时，电流波形近似一直线。 3.2.2 单相全控桥式整流 电路 电流连续 有负面积 由于电感存在Ud波形出现负面积，使Ud下降 。 可调范围： 0 90 图3-2-9 单相全控桥式整流电路带反电动势 负载串平波电抗器，电流连续的临界情况 tw wO ud 0 E id t p d q = p 32 3.2.2 单相全控桥式整 流电路 接入VD：扩大移相范围，不让 ud出现负面积。 移相范围：0 180 ud波形与电阻性负载相同 Id由VT1和VT4，V2和VT3，以 及VD轮流导通形成。 图3-2-10 单相全控桥式整流电路， 有反电动势负载串平波电抗器、接续流二极管 33 单相全波可控整流电路 单相全波可控整流电路（Single Phase Full Wave Controlled Rectifier)，又称单相双半波可控整流电路 。 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。 图3-2-11 单相全波可控整流电路及波形 a) wt w b) ud i1 O O t 34 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 压的场合应用。 35 3.2.3 单相半控桥式整流 电路 单相全控桥中，每个导电单相全控桥中，每个导电 回路中有回路中有2 2个晶闸管，为了个晶闸管，为了 对每个导电回路进行控制对每个导电回路进行控制 ，只需，只需1 1个晶闸管就可以了个晶闸管就可以了 ，另，另1 1个晶闸管可以用二极个晶闸管可以用二极 管代替，从而简化整个电管代替，从而简化整个电 路。如此即成为单相桥式路。如此即成为单相桥式 半控整流电路（先不考虑半控整流电路（先不考虑 VDVD R R ）。）。 半控电路与全控电路在电半控电路与全控电路在电 阻负载时的工作情况相同阻负载时的工作情况相同 。 图3-2-12 单相桥式半控整流电路， 有续流二极管，阻感负载时 的电路及波形 36 vv 单相半控桥带阻感负载的情况单相半控桥带阻感负载的情况 假设负载中电感很大，且电路已工作假设负载中电感很大，且电路已工作 于稳态于稳态 在在u u 2 2 正半周，触发角正半周，触发角a a处给晶处给晶 闸管闸管VTVT 1 1 加触发脉冲，加触发脉冲，u u 2 2 经经VTVT 1 1 和和 VDVD 4 4 向负载供电。向负载供电。 u u 2 2 过零变负时，因电感作用过零变负时，因电感作用 使电流连续，使电流连续，VTVT 1 1 继续导通。但因继续导通。但因 a a点电位低于点电位低于b b点电位，使得电流点电位，使得电流 从从VDVD 4 4 转移至转移至VDVD 2 2 ，VDVD 4 4 关断，电关断，电 流不再流经变压器二次绕组，而流不再流经变压器二次绕组，而 是由是由VTVT 1 1 和和VDVD 2 2 续流。续流。 在在u u 2 2 负半周触发角负半周触发角a a 时刻触时刻触 发发VTVT 3 3 ，VTVT 3 3 导通，则向导通，则向VTVT 1 1 加反加反 压使之关断，压使之关断，u u 2 2 经经VTVT 3 3 和和VDVD 2 2 向负向负 载供电。载供电。u u 2 2 过零变正时，过零变正时，VDVD 4 4 导通导通 ，VDVD 2 2 关断。关断。VTVT 3 3 和和VDVD 4 4 续流，续流，u u d d 又为零。又为零。 图3-2-12 单相桥式半控整流电路， 有续流二极管，阻感负载时 的电路及波形 3.2.3 单相半控桥式整 流电路 37 续流二极管的作用续流二极管的作用 若无续流二极管，则当若无续流二极管，则当a a 突然增大至突然增大至180180 或触发脉冲或触发脉冲 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，这使通的情况，这使 u ud d 成为正弦半波，即半周期成为正弦半波，即半周期 u ud d 为正弦，另为正弦，另 外半周期外半周期 u ud d 为零，其平均值保持恒定，称为为零，其平均值保持恒定，称为失控失控。（见。（见图图 3-2-133-2-13） 有续流二极管有续流二极管VDVD R R 时，续流过程由时，续流过程由VDVD R R 完成，晶闸管完成，晶闸管 关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象 。 续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损 耗。耗。 3.2.3 单相桥式可控整 流电路 38 图3-2-13 单相半控桥电感性负载不接续流二极管的 情况分析 返回 39 3.2.3 单相半控桥式整流电 路 单相半控桥式整流电路的另一种接 法 把图3-5a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3-2-14 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形 图3-2-15 单相桥式半控整 流电路的另一接法 40 3.3 三相可控整流电路引 言 v交流测由三相电源供电。 v负载容量较大，或要求直流电压脉动较小 、容易滤波。 v基本的是三相半波可控整流电路，三相全 控桥式整流电路应用最广 。 41 3.3 三相可控整流电路 3.3.1 3.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 3.3.2 3.3.2 三相全控桥式整流电路三相全控桥式整流电路 3.3.3 3.3.3 变压器漏感对整流电路的影变压器漏感对整流电路的影 响响 42 3.3.1 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 。 图3-3-1 三相半波可控整流电路共阴极接 法电阻负载时的电路及a =0时的波形 1、电阻负载 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。 b) c) d) e) f) u2 R id uaubuc =0 O wt1wt2wt3 uG O ud O O u ab u ac O i VT 1 u VT 1 wt wt wt wt wt a) 43 3.3.1 三相半波可控整流电 路 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，变压器二次绕 组电流有直流分量。 晶闸管的电压波形，由3段组成 。 图3-3-1 三相半波可控整流电路共 阴极接法电阻负载时的电路及a =0时的波形 =30的波形（图3-3-2） 特点：负载电流处于连续和断 续之间的临界状态。 30的情况（图3-3-3 ） 特点：负载电流断续，晶闸管 导通角小于120 。 b) c) d) e) f) u2 uaubuc =0 O wt1wt2wt3 uG O ud O O uabuac O iVT 1 uVT 1 wt wt wt wt wt a) R 44 图3-3-2 三相半波可控整流电路，电 阻负载， a=30时的波形 =30u2 uaubuc Owt Owt Owt O wt Owt uG ud uabuac wt1 iVT 1 uVT 1 uac =30时的特点 ：负载电流处于 连续和断续之间 的临界状态。 a) R 45 图3-3-3 三相半波可控整流电路，电 阻负载， a=60时的波形 w w t t wt wt =60 u2 uaubuc O O O O uG ud iVT 1 30时的特点 ：负载电流断续 ，晶闸管导通角 小于120 。 移相范围： 0 150 a) R 46 3.3.1 三相半波可控整流电 路 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 ： uuu O 2 =30u abc wt u O d uuu O 2 =60u abc wt ud 47 负载电流平均值为 流过晶闸管的电流平均值为 晶闸管承受的最大电压，为变压器二次 线电压峰值，即 3.3.1 三相半波可控整 流电路 48 3.3.1 三相半波可控整流电 路 2、阻感负载 图3-3-4 三相半波可控整流电路，阻 感负载时的电路及 =60时的波形 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（如a=60时的 波形如图3-3-4所示）。 u2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近似为一条水平线 。 ud ia uaubuc ib ic id u ac O wt O wt O O wt O Owt wt wt 49 3.3.1 三相半波可控整流电 路 2、阻感负载 图3-3-4 三相半波可控整流电路，阻 感负载时的电路及 =60时的波形 阻感负载特点：晶闸 管导通角均为120， 与控制角无关； 移相范围为90 ； 晶闸管电流波形近似 为方波。 ud ia uaubuc ib ic id u ac O wt O wt O O wt O Owt wt wt 50 51 各电量计算 (1) 输出电压平均值 ud (2）负载电流平均值 (3）流过晶闸管的电流平均值IdT、有效值IT 以及承 受的最高电压UTM分别为 3.3.1 三相半波可控整流电 路 52 图3-3-5 三相半波可控整流电路，阻感负 载(不接续流管)时的波形 3、大电感负载接续流二极管 为了扩大移相范围并使负载电流id 平 稳，可在电感负载两端并接续流二 极管，由于续流管的作用，ud波形 已不出现负值，与电阻性负载ud波 形相同。 3.3.1 三相半波可控整流电 路 接入VD 图3-3-6 三相半波可控整流电路，阻感负 载(接续流管)时的波形 53 3、大电感负载接续流二极 管 在030区间，电源 电压均为正值，ud波形连续， 续流管不起作用； 当30150区间，电 源电压出现过零变负时，续流 管及时导通为负载电流提供续 流回路，晶闸管承受反向电源 相电压而关断。这样ud波形断 续但不出现负值。续流管VD 起作用时，晶闸管与续流管的 导通角分别为： 3.3.1 三相半波可控整流电 路 54 v各电量计算 (1) 负载电压平均值Ud和电流平均值Id 1) 030时 2) 30150时 3)负载电流 Id=Ud/Rd 3.3.1 三相半波可控整 流电路 55 （2）晶闸管电流平均值IdT、有效值IT 及晶闸管承受的最 高电压值UTM 1）030时 2) 30150时 （3）续流管平均电流IdD、有效值ID及承受的最高电压 UDM (30150) 3.3.1 3.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 56 3.3.2 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 共阴极组阴 极连接在一起的3 个晶闸管（VT1 ，VT3，VT5） 共阳极组阳 极连接在一起的3 个晶闸管（VT4 ，VT6，VT2） 图3-3-7 三相桥式全控整流 电路原理图 导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6 阳极电压最大的导通 阴极电压最低的导通 57 3.3.2 三相桥式全控整流电 路 1、带电阻负载时的工作情况 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3-3-8 ） a =30 （图3-3-9） a =60 （图3-3-10） 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3-3-11） 带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范 围是120 58 图3-3-8 三相桥式全控整流电路带电 阻负载 a=0时的波形 w w w w u2 ud1 ud2 u2L ud uabuac uabuacubcubaucaucbuabuac uabuacubcubaucaucbuabuac uaucub wt1 Ot Ot Ot Ot = 0 iVT 1 uVT 1 ud波形连续，对 于电阻负载，id波 形与ud波形形状一 样，也连续 每管工作120 ， 每间隔60 有一管 换流。 59 图3-3-9 三相桥式全控整流电路带电 阻负载a= 30 时的波形 w w w w ud1 ud2 = 30 ia Ot Ot Ot Ot ud uabuac uaubuc wt1 uabuacubcubaucaucbuabuac uabuacubcubaucaucbuabuac uVT 1 60 图3-3-10 三相桥式全控整流电路带 电阻负载a= 60 时的波形 w w w = 60 ud1 ud2 ud uacuac uab uabuacubcubaucaucbuabuac ua ubuc O t wt1 O t O t uVT 1 61 图3-3-11 三相桥式全控整流电路带 电阻负载a= 90 时的波形 ud1 ud2 ud uaubucuaub wtO wtO wtO wtO wtO ia id uabuacubcubaucaucbuabuacubcuba iVT 1 ud波形每60 中有一段为 零，ud波形 不出现负值。 62 3.3.2 三相桥式全控整流电 路 晶闸管及输出整流电压的情况如表3-3-1所示 时 段IIIIIIIVVVI 共阴极组中导通 的晶闸管 VT1VT1VT3VT3VT5VT5 共阳极组中导通 的晶闸管 VT6VT2VT2VT4VT4VT6 整流输出电压udua-ub =uab ua-uc =uac ub-uc =ubc ub-ua =uba uc-ua =uca uc-ub =ucb 63 3.3.2 三相桥式全控整流电 路 （2）对触发脉冲的要求： 按VT1-VT3-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差 60。 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳 极组VT4、VT6、VT2也依次差120。 同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6 ，VT5与VT2，脉冲相差180。 三相桥式全控整流电路的特点 （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。 64 3.3.2 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 可采用两种方法：一种是宽脉冲触发 一种是双脉冲触发（常用） (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。 三相桥式全控整流电路的特点 65 a60时（a =0 图3-3-12；a =30 图3-3-13） ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。 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 3.3.2 三相桥式全控整流电 路 2、 阻感负载时的工作情况 主要 包括 a 60时（ a =90图3-3-14） 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 。 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。 66 图3-3-12 三相桥式全控整流电路 带阻感负载a= 0 时的波形 ud1 u2 ud2 u2L ud id wtO wtO wtO wtO ua = 0 ubuc wt1 uabuacubcubaucaucbuabuac iVT 1 67 图3-3-13 三相桥式全控整流电路 带阻感负载a= 30 时的波形 ud1 = 30 ud2 ud uabuacubcubaucaucbuabuac wtO wtO wtO wtO id ia wt1 uaubuc 68 图3-3-14 三相桥式全控整流电路带 阻感负载a= 90 时的波形 = 90 u d1 u d2 u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u ab ud u ac u ab u ac wtO wtO wtO ubucua wt1 u VT 1 69 3.3.2 三相桥式全控整流电 路 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 70 ik=ib是逐渐增大的， 而ia=Id-ik是逐渐减小的。 当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1 关断,换流过程结束。 3.3.3 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，然后将其结论推广。 VT1换相至VT3的过程： 因a、b两相均有漏感，故ia、 ib均不能突变。于是VT1和VT3 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。 图3-3-15 考虑变压器漏感时的 三相半波可控整流电路及波形 ud id wtO wtO g iciaibiciaId uaubuc VT1 VT3 VT5 71 3.3.3 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。 ud id wtO wtO g iciaibiciaId uaubuc 72 3.3.3 变压器漏感对整流电路的 影响 换相重叠角g的计 算 由上式得： 进而得出： 73 3.3.3 变压器漏感对整流电路的 影响 由上述推导过程，已经求得 ： 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90时， 越小g 越大。 74 3.3.3 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 电路形式 单相 全波 单相全 控桥 三相 半波 三相全 控桥 m脉波 整流电路 表3-3-2 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。 75 3.3.3 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。 76 3.4 晶闸管的有源逆变工作 状态 一、有源逆变的概念 二、有源逆变电路的工作原理 三、有源逆变失败 77 一、 有源逆变的概念 逆变：把直流电变成交流电的过程。 逆变 UPS 3.4 晶闸管的有源逆变工作状 态 78 1.逆变分 类 DC AC 有源逆变 无源逆变 AC DC AC 直流电 交流电 电网 直流电 交流电 负载 逆变类型 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。 79 2. 电源间能量的流转关系 UdM 可用两个电源相连来反映问题 80 2.电源间能量的流转关系 Ud: 施能 E: 受能 R：耗能 整流短路 有源逆变 反极性相连， 相当于两个电 源串联短路， 应避免 Ud :受能 E : 施能 R：耗能 Ud E R + _ + _ I Ud E R + _ + _ I Ud E R + _ + _ I 81 3. 有源逆变产生的条件 Q掷向1： 90，整流工 作。 Ud上正下负，电动机作 电动运行，反电势E上正下负。 Q快速掷向2：若 90， Ud下正上负，反电势E上正下 负，两电源顺极性相连，相当 于短路事故 。 Q掷向2：应使 90， Ud 极性为上正下负，且使 UdE 。此时电动机供 给能量，运行在发电状态，晶 闸管装置吸收能量送回电网。 逆变角 =180 图3-4-1 单相桥式电路 的整流和逆变原理 82 实现有源逆变的条件可归纳如下： 1) 变流装置的直流侧必须外接有电压极性与晶闸管导 通方向一致的直流电源E，且E的数值要大于Ud 2) 变流器必须工作在 90（ 90)区间，使 Ud 0，才能将直流功率逆变为交流功率返送电网 3)为了保证变流装置回路中的电流连续，逆变电路中 一定要串接大电抗 3、有源逆变产生的条件 注意： 单相半控桥或有续流二极管的电路，不能实现有源逆变。 83 二、有源逆变电路的工作原理 1. 单相有源逆变电路（以单相全控桥接电动机负载为例 ） 整 流 逆 变 图3-4-1 单相桥式电路的整流和逆变原理 84 2. 三相有源逆变电路（三相半波接电动机负载） Ud = -1.17U2cos 图3-4-2 三相半波有源逆变电路原理 85 图3-4-3 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态 时不同逆变角的电压波形 3. 三相有源逆变电路（三相全控桥电 路） 86 1.逆变失败 变流器工作在有源逆变状态时，若出现输出电 压平均值与直流电源E顺极性串联，两个电源共 同输出电能，无电能回送电网，此时会形成很 大的短路电流流过晶闸管和负载，造成事故。 这种现象称为逆变失败，或称为逆变颠覆。 三、逆变失败与最小逆变角 限制 87 2.造成逆变失败的原因： (1) 触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各晶闸 管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。 (2) 晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能 导通。 (3) 交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突 然消失而造成逆变失败。 (4) 换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏 抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响 。往往需限制最小逆变角。 88 换相重叠角的影响 ： 图3-4-4 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 iVT 1 iVTiVT 3 iVTiVT 3 22 89 3. 防止逆变失败的措施 采用优良可靠的触发单元 检查电源情况，排除电源故障 选择质量好、规格合适的晶闸管 在控制电路上采取措施，保证逆变角不 超出规定的范围 90 最小逆变角确定的方法 最小逆变角的大小要考虑以下因素： (1) 换相重叠角（ 1525） (2) 晶闸管关断时间 tq 所对应的电角度：约 4 6 (3) 安全裕量角：一般取为10左右 综上所述，最小逆变角为： 3.4 晶闸管的有源逆变工作状态 91 3.5 整流电路的性能指标及应用 技术 一、整流电路对电网的影响 二、整流电路的谐波分析 三、整流电路的性能指标 92 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。 无功功率会导致视在功率增大，从而使设备容量增大；无功功 率增加，造成设备和线路损耗增加；使线路压降增大，冲击性无功 电流还会使电压剧烈波动。 电力电子装置会产生谐波，对公用电网产生危害。 谐波损耗将降低发电、输电和用电设备的效率；谐波影响电网 上其它电气设备的正常工作 。如造成电动机机械振动、噪声和过热 ，使变压器局部过热，电缆、电容器设备过热等；谐波会引起电网 局部的串联和并联谐振，从而使谐波放大。谐波会导致继电保护和 自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确；谐波对通信系统 产生干扰。 许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，