电力电子技术件2

电力电子技术件2第1页/共179页2第2章相控整流电路整流电路的分类：按器件组成：不可控、半控、全控按电网、交流电相数：单相、三相、多相按接线方式：半波、全波第2页/共179页3第2章相控整流电路整流电路形式繁杂，重点掌握：电路拓扑控制策略工作原理、波形分析数量关系第3页/共179页4第2章相控整流电路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有源逆变电路2.5电容滤波的不可控整流电路2.6整流电路的谐波和功率因数2.7其他可控整流电路本章小结第4页/共179页52.1单相可控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路2.1.2单相桥式可控整流电路2.1.3单相全波可控整流电路第5页/共179页62.1.1单相半波可控整流电路第6页/共179页72.1.1单相半波可控整流电路1.电阻负载变压器T变换电压隔离交流输入为单相，直流输出电压波形只在交流输入的正半周内出现，故称为单相半波可控整流电路。特点：电压与电流波形相同

第7页/共179页82.1.1单相半波可控整流电路工作过程

0<ωt<α区域

ωt=α时刻

ωt=π时刻

第8页/共179页9重要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a表示,也称触发角或控制角。移相范围使输出电压从最大值到最小值变化的触发延迟角的变化范围导通角晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示。第9页/共179页10数量关系这种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（相控方式）当触发角α=0时，直流输出电压平均值Ud最大，随着触发角α的增大，Ud减少，到α=π时，Ud=0。单相半波可控整流电路的最大移相范围是0~π，相应Ud调节范围为0.45U2~0，θ=π-α

。第10页/共179页11晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源电压的峰值第11页/共179页12变压器二次侧有功功率、视在功率、功率因数

λ是α的函数，α越大，功率因数越低。即使是电阻性负载，由于存在谐波电流，最大功率因数小于1，为0.707。第12页/共179页132.阻感负载第13页/共179页142.阻感负载阻感负载的特点电感对电流变化有抗拒作用，使流过电感的电流不发生突变。第14页/共179页15初始条件：ωt=

a

，id=0。当VT处于通态时，如下方程成立：当ωt=θ+a时，id=0θ>π-α

第15页/共179页16工作过程

0<ωt<α区域

ωt=α时刻id=0

α<ωt<α+θ区域

第16页/共179页17电感元件的一个重要特性：在稳态条件下，电感两端的电压平均值恒等于零。换言之，在一个周期内，电感储存的能量等于释放的能量。

第17页/共179页18负载阻抗角j

、触发角a

、晶闸管导通角θ的关系若j为定值，a越大，在u2正半周L储能越少，维持导电的能力就越弱，θ越小若a为定值，j(L)越大，则L贮能越多，θ越大；且j

越大，在u2负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通的时间，ud中负的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。第18页/共179页19为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管第19页/共179页20当u2过零变负时，VDR导通，ud为零。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，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。续流期间ud为零，ud中不再出现负的部分。第20页/共179页21续流二极管的作用：a.提高整流平均电压Ud。当u2为正时，VD承受反向电压呈关断状态，不起作用。当u2进入负半周时VD导通，负载电流通过VD继续流通，负载上的电压箝位在零电位，ud中负电压消失，使输出平均电压Ud得以提高。b.减轻晶闸管的负担。u2负半周时段。c.消除失控事故。在整流电路中，电感L大而储能大时有可能使晶闸管在整个u2负半周区域都导通，使晶闸管不会关断，造成失控事故。加入续流二极管后，L中的电流通过VD形成通路，晶闸管自然关断。第21页/共179页22数量关系与电阻负载相同移相范围是0~π导通角是π－a第22页/共179页23晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源电压的峰值第23页/共179页24若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有第24页/共179页25单相半波可控整流电路的特点简单，但输出脉动大。交流回路中含有直流分量，造成换流变压器铁芯饱和，设备利用率下降。分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。

第25页/共179页262.1单相可控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路2.1.2单相桥式可控整流电路2.1.3单相全波可控整流电路第26页/共179页272.1.2单相桥式可控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式半控整流电路第27页/共179页28

单相桥式全控整流电路特点：

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。

VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通。第28页/共179页29

第29页/共179页30

1.

电阻负载工作过程

0<ωt<α区域

ωt=α时刻至ωt=π时刻VT1、VT4导通VT2、VT3承受反压阻断ωt=π时刻

π<ωt<π+α区域

ωt=π+α时刻至ωt=2π时刻VT2、VT3导通VT1、VT4承受反压阻断全波电路第30页/共179页31移相范围：

0~π流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即数量关系第31页/共179页32流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流有效值相等：变压器无直流磁化问题晶闸管在工作中可能承受的最大正向电压、反向电压分别为0.5电源电压的峰值、电源电压的峰值第32页/共179页33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。2.阻感负载第33页/共179页34u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。至ωt=π+a

时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4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。第34页/共179页35晶闸管承受的最大正反向电压均为晶闸管导通角θ与a

无关，均为180，平均值和有效值分别为：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。数量关系移相范围：

0~π/2第35页/共179页363.反电动势负载|u2|>E时，晶闸管承受正电压，才有导通的可能。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与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。第36页/共179页37第37页/共179页38数量关系第38页/共179页393.反电动势负载电流断续

id波形在一周期内有部分时间为0的情况电流连续

id波形在一周期内不出现为0的情况

当a

﹤δ

时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不能导通。为使晶闸管可靠导通，触发脉冲需足够的宽度，保证当ωt=δ

时，晶闸管承受正电压，触发脉冲仍然存在，相当于触发角被推迟为δ，即a

=δ

若a

<δ，触发脉冲宽度足够，相当于a

=δ第39页/共179页40

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，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。第40页/共179页412.1.2单相桥式可控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式半控整流电路第41页/共179页42

单相桥式半控整流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）。特点负载电流同时流过两只晶闸管，实际上只要其中一只可控，即可控制电流的导通时刻。

第42页/共179页43

Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR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第43页/共179页44

1.

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。第44页/共179页452.阻感负载Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。

u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。第45页/共179页46

实际使用的电路均接续流二极管，这种电路的基本计算均与单相全波可控整流电路电阻性负载相同。数量关系第46页/共179页47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。第47页/共179页482.1单相可控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路2.1.2单相桥式可控整流电路2.1.3单相全波可控整流电路第48页/共179页49

2.1.3单相全波可控整流电路a)wtwab)udi1OOt单相全波可控整流电路及波形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。第49页/共179页50

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。第50页/共179页51第2章相控整流电路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有源逆变电路2.5电容滤波的不可控整流电路2.6整流电路的谐波和功率因数2.7其他可控整流电路本章小结第51页/共179页52单相可控整流电路简单经济、直流输出波形脉动大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、易滤波时采用。基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路、双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在此基础上进行分析。2.2三相可控整流电路第52页/共179页532.2三相可控整流电路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第53页/共179页542.2.1三相半波可控整流电路第54页/共179页552.2.1三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，其阴极连接在一起为共阴极接法。3个单相半波整流电路第55页/共179页56自然换相点：当把电路中所有的可控元件用不可控元件代替时，各元件的导电转换点，又称为自然换流点。假设将电路中的晶闸管换作二极管，用VD表示，成为三相半波不可控整流电路。一周期中在wt1~wt2期间，

VD1导通，ud=ua

在wt2~wt3期间，

VD2导通，ud=ub

在wt3~wt4期间，

VD3导通，ud=uc1.电阻负载第56页/共179页57二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

=0wt1＝30度

。

单相整流电路第57页/共179页58a

=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：第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为uVT1=0

第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，

uT1=ua-ub=uab，为一段线电压。第3段，在VT3导通期间，

uT1=ua-uc=uac为另一段线电压。第58页/共179页59a=30负载电流处于连续和断续之间的临界状态，各相仍导电120第59页/共179页60a>30负载电流断续，晶闸管导通角小于120

。第60页/共179页61基本数量关系：（1）a≤30时，负载电流连续，有：

当a=0时，Ud最大，为Ud=Ud0=1.17U2（2）a>30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：

当a=150时，Ud=0第61页/共179页62

负载电流平均值为

晶闸管电流平均值为

晶闸管电流有效值为a≤30时，负载电流连续a>30时，负载电流断续第62页/共179页63晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值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。为什么？第63页/共179页642.阻感负载第64页/共179页65特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。a≤30时整流电压波形与电阻负载时相同a>30时u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断——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。阻感负载时的移相范围为902.阻感负载第65页/共179页66数量关系由于负载电流连续，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第66页/共179页67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。第67页/共179页682.2三相可控整流电路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第68页/共179页692.2.2三相桥式全控整流电路第69页/共179页702.2.2三相桥式全控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）导通顺序：晶闸管编号方法

VT1－〉VT2－〉VT3－〉VT4－〉VT5－〉VT6自然换相（三相桥式不可控整流电路）时，每时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。第70页/共179页711.电阻负载

假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发角a=0。三相桥式不可控整流电路。二极管导通与关断由外加三相电压决定共阴极组的3个二极管、晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。共阳极组的3个二极管、晶闸管，阴极所接交流电压值最低的一个导通。任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。第71页/共179页72a=0时，各晶闸管均在自然换相点换相共阴极组处于通态的晶闸管对应最大的相电压共阳极组处于通态的晶闸管对应最小的相电压输出整流电压ud为这两个相电压相减输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线双脉冲触发第72页/共179页73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=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb晶闸管及输出整流电压的情况如表所示6个晶闸管导通顺序VT1

－VT2

－VT3

－VT4

－VT5

－VT6第73页/共179页74第74页/共179页75当a≤60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，连续

第75页/共179页76第76页/共179页77三相桥式全控整流电路的特点（1）2个晶闸管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同1相器件（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-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。第77页/共179页78（3）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲宽脉冲触发双脉冲触发（常用）可采用两种方法（4）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。第78页/共179页79（5）当0≤α≤π/3时，电流连续，每个晶闸管导通2π/3；当π/3≤α≤2π/3时，电流断续，每个晶闸管导通小于2π/3。α=π/3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。（6）同三相半波可控整流电路相比，变压器二次侧流过正、负对称的交变电流，不含直流分量，避免直流磁化。

第79页/共179页802．阻感负载第80页/共179页81第81页/共179页82当a≤60时，ud波形均连续，电路的工作情况与电阻负载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区别:负载不同时，同样的整流输出电压加在负载上，得到的负载电流id波形不同，电阻负载时id波形与的ud波形形状一样。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流id的波形可近似为一条水平线。一样第82页/共179页83第83页/共179页84a>60时，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第84页/共179页85当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a

≤60时）的平均值为：以线电压uab过零点作为时间起点。3．定量分析带电阻负载且a

>60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为：Id=Ud/R

第85页/共179页86当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为：

晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与阻感性负载时相似，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：第86页/共179页87第2章相控整流电路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有源逆变电路2.5电容滤波的不可控整流电路2.6整流电路的谐波和功率因数2.7其他可控整流电路本章小结第87页/共179页882.3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，换相过程不能瞬间完成。以三相半波为例，然后将其结论推广。第88页/共179页89VT1换相至VT2的过程：

因a、b两相均有漏感，

ia、ib均不能突变。VT1和VT2同时导通。相当于将a、b两相短路，两相间电压差为ub–ua在两相组成的回路中产生环流ik。

ik=ib逐渐增大，ia=Id-ik逐渐减小。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断，换流过程结束。第89页/共179页90换相压降与换流重叠角的计算:第90页/共179页91换相压降换相导致ud均值降低多少，用△Ud

表示换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度g表示。整流输出电压瞬时值为第91页/共179页92换重叠角g的计算，由上式得进而得出第92页/共179页93当时，ik=Id,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a

≤90时，越小则g越大。第93页/共179页94各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算注：①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；

②三相桥等效为相电压等于√3U2

的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按√3U2

代入。cos

a-cos(a+g)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①②dUDdBIXpdB2IXp2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22BddB23IXpdB3IXpdB2ImXp变压器漏感对各种整流电路的影响第94页/共179页95变压器漏感对整流电路影响的一些结论:

1)出现换相重叠角g

，整流输出电压平均值Ud降低。2)整流电路的工作状态增多。3)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。4)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。5)换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。第95页/共179页96第2章相控整流电路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有源逆变电路2.5电容滤波的不可控整流电路2.6整流电路的谐波和功率因数2.7其他可控整流电路本章小结第96页/共179页97逆变——将直流电转变成交流电，整流的逆过程逆变电路——将直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路——交流侧和电网联接。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——交流侧不与电网联接，而直接接到负载。基本概念2.4有源逆变电路第97页/共179页98对于可控整流电路，满足一定条件就可以工作于有源逆变状态，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、变流器。基本概念第98页/共179页99变流器工作于整流状态——能量由交流侧传递至直流侧工作于有源逆变状态——能量由直流侧传递至交流侧对于可控整流电路，有源逆变可以看作它的一种工作状态。在什么条件下可控整流电路将进入有源逆变工作状态？有源逆变产生的条件第99页/共179页1002.4有源逆变电路2.4.1有源逆变产生的条件2.4.2三相桥式有源逆变电路2.4.3逆变失败与最小逆变角的限制第100页/共179页1012.4.1有源逆变产生的条件直流发电机—电动机系统电能的流转第101页/共179页1022.4.1有源逆变产生的条件直流发电机—电动机系统电能的流转直流发电机—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，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。第102页/共179页103如果将EG看作是整流电路的输出电压Ud，EM是蓄电池或处于发电运行状态的直流电动机电势，则EG（Ud）>EM相当于整流状态，EM>EG（Ud）相当于逆变状态。但晶闸管具有单向导电性，电流方向不能改变，欲改变能量传送方向，只能改变EM极性，为防止两电源反极性连接形成电源间短路故障，Ud的极性也必须同时反向，即将Ud、EG均反向后再串接，且满足Ud<EM，则电流方向不变，但电能反送。第103页/共179页104从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有二：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。直流侧应有直流电动势，提供逆变能量，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α>π/2，Ud<0，使Ud为负值。第104页/共179页1052.4有源逆变电路2.4.1有源逆变产生的条件2.4.2三相桥式有源逆变电路2.4.3逆变失败与最小逆变角的限制第105页/共179页1062.4.2三相桥式有源逆变电路第106页/共179页1072.4.2三相桥式有源逆变电路逆变和整流的区别：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。可沿用处理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、超前角。逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自起始点向左方计量。第107页/共179页108三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形如图所示。uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt2第108页/共179页109有源逆变状态时各电量的计算：输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即每个晶闸管导通2p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：第109页/共179页1102.4有源逆变电路2.4.1有源逆变产生的条件2.4.2三相桥式有源逆变电路2.4.3逆变失败与最小逆变角的限制第110页/共179页1112.4.3逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败（逆变颠覆）

逆变时，一旦换相失败，使变流器的输出平均电压成为正值，和直流电动势顺向串联，形成很大的短路电流。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，应该阻断时不具备阻断能力，或应该导通时不能导通。换相的裕量角不足，引起换相失败。交流电源异常。1)逆变失败的原因第111页/共179页112换相重叠角的影响：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，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<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT322第112页/共179页113udOOidwtwtuaubucuaubb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT322第113页/共179页1142.4.3逆变失败与最小逆变角的限制2)最小逆变角β确定的方法逆变时允许采用的最小逆变角b应等于bmin=d+g+q′d——晶闸管的关断时间tq折合的电角度g——

换相重叠角q′——安全裕量角tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。值约取为10。第114页/共179页115g——

换相重叠角的确定：查阅有关手册举例如下：整流电压整流电流变压器容量短路电压比Uk%g220V800A240kV。A5%15~20参照整流时g的计算方法根据逆变工作时，并设，上式可改写成bmin一般取30~35。第115页/共179页116第2章相控整流电路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有源逆变电路2.5电容滤波的不可控整流电路2.6整流电路的谐波和功率因数2.7其他可控整流电路本章小结第116页/共179页1172.5电容滤波的不可控整流电路在实际的工业应用中，还经常使用不可控整流电路经电容滤波，以抑制电压的脉动，以达到滤波的目的。广泛应用到交－直－交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合。在前述的各种可控整流电路，只要将其中的晶闸管换为整流二极管，就是不可控整流电路。最常用的是单相桥和三相桥两种接法。第117页/共179页1182.5电容滤波的不可控整流电路2.5.1

电容滤波的单相半波不可控整流电路2.5.2

电容滤波的单相桥式不可控整流电路2.5.3

电容滤波的三相桥式不可控整流电路2.5.4

感容滤波的二极管整流电路第118页/共179页119电容C并联于负载R的两端，ud＝uC。在没有并入电容C之前，整流二极管在u2的正半周导通，负半周截止。并入电容之后，则当u2由零逐渐增大至电容电压时，二极管D导通，除有一电流id流向负载以外还有一电流iC向电容C充电，充电电压uC的极性为上正下负。当u2＜uc时，D因反偏而截止；当u2＞uc时，D又导通。2.5.1电容滤波的单相半波不可控整流电路电容滤波的单相半波不可控整流电路及波形第119页/共179页1202.5电容滤波的不可控整流电路2.5.1

电容滤波的单相半波不可控整流电路2.5.2

电容滤波的单相桥式不可控整流电路2.5.3

电容滤波的三相桥式不可控整流电路2.5.4

感容滤波的二极管整流电路第120页/共179页1212.5.2电容滤波的单相桥式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。第121页/共179页1221）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u2<ud，故二极管均不导通，电容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。图2-26

电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a)电路

b)波形b)0iudqdp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud第122页/共179页1232)主要的数量关系

输出电压平均值

电流平均值

输出电流平均值IR为：IR=Ud/R

Id=IR

二极管电流iD平均值为：ID=Id/2=IR/2

二极管承受的电压

（2-47）（2-48）（2-49）空载时，。重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性。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：Ud≈1.2U2。（2-46）第123页/共179页1242.5电容滤波的不可控整流电路2.5.1

电容滤波的单相半波不可控整流电路2.5.2

电容滤波的单相桥式不可控整流电路2.5.3

电容滤波的三相桥式不可控整流电路2.5.4

感容滤波的二极管整流电路第124页/共179页1252.5.3电容滤波的三相桥式不可控整流电路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按指数规律下降。电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt第125页/共179页126

电流id

断续和连续的临界条件wRC=由“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在wt+d=2p/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有由上式可得（2-50）第126页/共179页127在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=/wC。在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=/wC。电容滤波的三相桥式电路时的波形第127页/共179页1282)基本数量关系（1）输出电压平均值

Ud在（2.34U2~2.45U2）之间变化（2）电流平均值

输出电流平均值IR为：IR=Ud/R

（2-51）与单相电路情况一样，电容电流iC平均值为零，因此：Id=IR

（2-52）二极管电流平均值为Id的1/3，即：ID=Id/3=IR/3

（2-53）

（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。

第128页/共179页1292.5电容滤波的不可控整流电路2.5.1

电容滤波的单相半波不可控整流电路2.5.2

电容滤波的单相桥式不可控整流电路2.5.3

电容滤波的三相桥式不可控整流电路2.5.4

感容滤波的二极管整流电路第129页/共179页1302.5.4感容滤波的二极管整流电路感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a）电路图b）波形a)b)u2udi20dqpwti2,u2,ud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形逐渐接近。第130页/共179页131考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形

a）电路图

b）轻载时的交流侧电流波形

c）重载时的交流侧电流波形b)c)iaiaOOtt第131页/共179页132第2章相控整流电路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

有源逆变电路2.5电容滤波的不可控整流电路2.6整流电路的谐波和功率因数2.7其他可控整流电路

本章小结第132页/共179页133整流电路整流输出电压是脉动的直流电压，整流输出电流波形对于大电感负载是平直的，但对于电阻、小电感负载仍然是脉动的。同时，交流电源的电流波形，即整流变压器二次侧电流波形是畸变的、非正弦的。这些的波形可以通过谐波和功率因数进行分析，首先介绍谐波和功率因数的相关概念。2.6整流电路的谐波与功率因数第133页/共179页1342.6整流电路的谐波与功率因数2.6.1谐波和无功功率分析的基础2.6.2谐波和功率因数对电网的影响2.6.3整流电路交流侧谐波与功率因数分析（带阻感负载时可控）2.6.4整流电路直流测谐波分析第134页/共179页1352.6.1谐波和无功功率分析的基础1.谐波正弦波电压式中ω=2πf=2π/T

正弦波电压施加在线性电路上时，电流为正弦波。正弦波电压施加在非线性电路上时，电流变为非正弦波。非正弦电流在电网阻抗上产生压降，使电压波形也变为非正弦波。非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为T=2π/ω的非正弦电压u(ωt)或非正弦电流i(ωt),满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数，第135页/共179页136式中n=1,2,3,…或式中，cn

、jn

、an和bn的关系为第136页/共179页137基波在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量谐波频率为基波频率整数倍（大于1）的分量谐波次数谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电压含有率以HRUn（HarmonicRatioforUn）表示

电压谐波总畸变率THDu（TotalHarmonicdistortion）定义为第137页/共179页138n次谐波电流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示

电流谐波总畸变率THDi（TotalHarmonicdistortion）定义为

第138页/共179页139正弦电路的有功功率就是其平均功率

视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI无功功率定义为

Q=UIsinj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

功率因数是由电压和电流的相位差j决定的l=cos

j

2.功率因数第139页/共179页140

在非正弦电路中，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，但电流波形的畸变可能很大，因此研究电压波形为正弦波，电流波形为非正弦波有实际意义。第140页/共179页141设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为I，基波电流有效值为I1、基波电流与电压的相位差为j1，这时有功功率为同频率产生平均功率功率因数为式中，ν=I1/I,基波电流有效值和总电流有效值之比，为基波因数、畸变因数cosj1为位移因数（基波功率因数）第141页/共179页142第2章相控整流电路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有源逆变电路2.5电容滤波的不可控整流电路2.6整流电路的谐波和功率因数2.7其他可控整流电路本章小结第142页/共179页1432.6整流电路的谐波与功率因数2.6.1谐波和无功功率分析的基础2.6.2谐波和功率因数对电网的影响2.6.3整流电路交流侧谐波与功率因数分析（带阻感负载时可控）2.6.4整流电路直流测谐波分析第143页/共179页1442.6.2谐波和功率因数对电网的影响电力电子装置产生谐波，对公用电网产生危害：使供电电源电压和电流波形畸变。供电电源电压和电流波形不但影响电网的其他用户，也会祸及电力电子装置本身，例如同步电压畸变将使触发角不稳定，导致整流波形不规则。增大负载和线路的电流，占用电源的容量，使电网中的元件产生附加损耗，功率因数下降，效率降低。

谐波对电动机不产生负载转矩，引起附加谐波损耗与发热，缩短设备使用寿命。对临近的通信系统产生干扰。由于开关过程的快速性等因素，在高电压大电流下，在一定范围内将产生电磁干扰，影响通信设备的正常工作。并联在电源上用于补偿功率因数的电容器过热。因为电容器的高频阻抗低，很容易通过大量的谐波电流，造成高次谐波电流放大，严重的谐波过载会损坏电容器。可能产生谐波谐振过电压使谐波放大，引起电缆击穿事故。谐波的负序特性容易使继电保护和自动装置等敏感元件误动作。使测量仪表的精度降低。大量的3次谐波和3的倍数次谐波流过中性线，会使线路中线过载。第144页/共179页145电力电子装置消耗无功功率，会对公用电网带来不利影响：导致视在功率的增加，从而增加了电源的容量。使总电流增加，从而使线路的损耗增加。冲击性无功负载会使电网电压剧烈波动。提高功率因数的途径主要有：选择合适的输入电压，在满足控制和调节范围的情况下尽可能减小控制角a。增加整流相数，改善交流电流的波形，减少谐波成分。设置补偿电容器和滤波器。采用高功率因数的整流电路，如PWM整流电路。第145页/共179页1462.6整流电路的谐波与功率因数2.6.1谐波和无功功率分析的基础2.6.2谐波和功率因数对电网的影响2.6.3整流电路交流侧谐波与功率因数分析（带阻感负载时可控）2.6.4整流电路直流测谐波分析第146页/共179页1472.6.3整流电路交流侧谐波与功率因数分析1.单相桥式全控整流电路第147页/共179页148忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流电感L为足够大时变压器二次电流波形近似为理想方波，正负半周180度1.单相桥式全控整流电路第148页/共179页149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。基波电流有效值为i2的有效值I=Id，基波因数为

n=1,3,5,…变压器二次侧电流谐波分析与功率因数计算其中基波和各次谐波有效值为第149页/共179页150电流基波与电压的相位差等于控制角，故位移因数为功率因数为第150页/共179页1512.三相桥式全控整流电路第151页/共179页152三相桥式全控整流电路第152页/共179页1532.三相桥式全控整流电路

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，交流侧电流波形为正负半周各120的方波，其有效值与直流电流的关系为第153页/共179页1542.三相桥式全控整流电路将电流波形分解为傅里叶级数，则有第154页/共179页155电流基波和各次谐波有效值分别为基波因数位移因数功率因数为第155页/共179页1562.6整流电路的谐波与功率因数2.6.1谐波和无功功率分析的基础2.6.2谐波和功率因数对电网的影响2.6.3整流电路交流侧谐波与功率因数分析（带阻感负载时可控）2.6.4整流电路直流测谐波分析第156页/共179页1572.6.4整流电路直流测谐波分析a=0时，m脉波整流电路的整流电压波形整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含高次谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。当

=0时，整流电压的表达式为

整流输出电压谐波分析第157页/共179页158第158页/共179页159当

=0时，整流电压的表达式为第159页/共179页160式中，k=1，2，3，…

且

电压纹波系数为ud谐波分量有效值与平均值之比其中第160页/共179页161整流电压有效值U为第161页/共179页162不同脉波数m时的电压纹波因数值m23612∞gu（%）48.218.274.180.9940

整流输出电流谐波分析负载电流的傅里叶级数可由整流电压的傅里叶级数求得

大电感负载，电流输出电流恒定，仅含直流分量第162页/共179页163当负载为R、L和反电动势E串联时，上式中

n次谐波电流的幅值dn为

n次谐波电流的滞后角为

RLnnwjarctan=第163页/共179页164