电容滤波的不可控整流电路和大功率可控整流电路河南理工大学电力电子课件（ppt）

好学力行 河南理工大学 明德任责 电力电子技术 河南理工大学电气学院 朱艺锋 Email: Power Electronics Technology 好学力行 河南理工大学 明德任责 第2章 整流电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 内容提要 v2.1 单相整流电路 v2.2 三相整流电路 v2.3 电容滤波的不可控整流电路 v2.4 大功率可控整流电路 v2.5 有源逆变电路 v2.6 整流电路的谐波及功率因数 v2.7 晶闸管-直流电动机系统 v2.8 相控电路的驱动电路 v2.9 PWM整流电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.3 电容滤波的不可控整流电路 .1 电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路 .2 电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.3 电容滤波的不可控整流电路 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。由不可控整流电路提供直流 电源，供后级的逆变器和斩波器等使用。 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。 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.3.1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 图2-24 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 在u2正半周过过零点至wt=0期间间，因u2 ub ，电流才从VT6换至 VT2。此时VT1、VT2同时导通。 每一组中的每一个晶闸管仍按三相半 波的导电规律而各轮流导通。 2.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路 可见，平衡电抗器起到了电势平 衡的作用，补偿了 的电势 差,使得VT1和VT6能够同时导通 。 好学力行 河南理工大学 明德任责 由上述分析可得，并联运行时有： 图2-35 平衡电抗器作用下输 出电压的波形和平衡电抗器 上电压的波形 u ,u u p d1d2 O O 60 360 t1 t t b) a) uaubucuc ua ub ub 2.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 =30、 =60和 =90时输出电压的波形分析 图2-37 当 =30、60、90时， 双反星形电路的输出电压波形 分析输出波形时，可先求出ud1 和ud2波形，然后根据式（3-98 ）做出波形( ud1+ud2 ) / 2。 输出电压波形与三相半波电路 比较，脉动程度减小了，脉动 频率加大一倍，f=300Hz。 电感负载情况下，移相范围是 90。 电阻负载情况下，移相范围为 120。 。 90 = 。 60 = 。 30 = ud ud ud t O tO tO uaubucuc ua ub ubucuc ua ub ubucuc ua ub 2.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为: Ud=1.17 U2 cos 将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得 出以下结论： 三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相 半波并联，且后者需用平衡电抗器。 当U2相等时，双反星形的Ud是三相桥的1/2，而Id是 三相桥的2倍。 两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一 样，ud和id的波形形状一样，均为6脉波。 2.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.4.2 多重化整流电路 概述： 整流装置功率进一步加大时，所产生的谐波、 无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰 ，可采用多重化整流电路。 原理： 按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流 电路进行组合得到。 目标： 移相多重联结减少交流侧输入电流谐波。 好学力行 河南理工大学 明德任责 1) 移相多重联结 图2-38 并联多重联结的12脉波整 流电路 有并联多重联结和串联多 重联结。 可减少输入电流谐波，减 小输出电压中的谐波并提 高纹波频率，因而可减小 平波电抗器。 使用平衡电抗器来平衡2 组整流器的电流。 2个三相桥并联而成的12 脉波整流电路。 2.4.2 多重化整流电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 移相30构成的串联2重联结电路 图2-39 移相30串联2重联结电路 图2-40 移相30串联2重联结 电路电流波形 整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成 相位相差30、大小相等的两组电压。 该电路为12脉波整流电路。 星形 三角形 2.4.2 多重化整流电路 相移60 折算到 原边 叠加: d=a+c 好学力行 河南理工大学 明德任责 iA基波幅值Im1和n次谐波幅值Imn分别如下： 即输入电流谐波次数为12k1，其幅值与次数成反 比而降低。 该电路的其他特性如下： 直流输出电压 位移因数 cosj1=cos （单桥时相同） 功率因数 = cosj1 =0.9886cos, 其中为基波因数。 2.4.2 多重化整流电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开20， 可将三组桥构成串联3重联结电路： 整流变压器采用星形三角形组合无法移相20，需采 用特殊接法，如曲折接法和延边三角形接法。 整流电压ud在每个电源周期内脉动18次，故此电路 为18脉波整流电路。 交流侧输入电流谐波更少，为18k1次（k=1, 2, 3 ），ud的脉动也更小。 输入位移因数和功率因数分别为： cosj1=cos ; =0.9949cos 2.4.2 多重化整流电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联4 重联结电路： 为24脉波整流电路。 其交流侧输入电流谐波次为24k1，k=1，2，3 输入位移因数功率因数分别为： cosj1=cos; =0.9971cos 采用多重联结的方法并不能提高位移因数，但可使输 入电流谐波大幅减小，从而也可以在一定程度上提高 功率因数。 2.4.2 多重化整流电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 小 结 重点：1）带平衡电抗器的双反星型整流电路的 电路结构特点（双反星型、Lp）和工 作特性(与三相桥比)； 2）多重化整流电路的构成方法、规律及 优点； 2.4 大功率可控整流电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 补充：单结晶体管触发电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 单结晶体管电路 a) 内部结构 b) 等效电路 c) 电路符号 d) 外形 好学力行 河南理工大学 明德任责 单结晶体管电路 VD导通时，由于电导调制效应，Rb1显著下降。电 流越大，Ue随之下降，表现出负阻特性。P：峰点 电压和电流；V：谷点电压和电流。 好学力行 河南理工大学 明德任责 单结晶体管触发电路 弛张振荡电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 单结晶体管触发电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 单结晶体管触发电路 电振机原理电路 分档控制 好学力行 河南理工大学 明德任责 单结晶体管触发电路 连续控制 好学力行 河南理工大学 明德任责 小 结 重点：1）单结晶体管的特性：发射结电压大于 峰点电压则导通，小于谷点电压则截 止。峰点电压、谷点电压与单结晶体 管的电源电压成正比。 2）单结晶体管弛张振荡触发电路原理： 电容充电电压达到峰点电压时，单结 晶体管导通，电容放电形成脉冲；充 电电流越大，脉冲越早。 单结晶体管触发电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.5 有源逆变电路 2.5.1 逆变的概念 2.5.2 三相桥式有源逆变电路 2.5.3 逆变失败与最小逆变角的限制 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.5.1 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成交流电的电路。 有源逆变电路交流侧和电网连结，能量流向电网。 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、新能源发电并网等。 无源逆变电路交流侧不与电网联接，能量流向负载 ，将在第4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。 好学力行 河南理工大学 明德任责 2) 直流发电机电动机系统电能的流转 图2-41 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 。 能量 能量 + - + - a）EG EM b）EGEM c）形成短路 能量 能量 + - + - + - + - + - + - 电能流向： 电流从正端流出 输出能量 电流从正端流入 吸收能量 2.5.1 逆变的概念 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.5.1 逆变的概念 3) 逆变产生的条件 单相全波电路代替上述发电机 交流电网输 出电功率 电动机输 出电功率 整流： 交流电能直流电能 逆变： 直流电能交流电能 矿井提升机、电梯、 电力机车 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.5.1 逆变的概念 产生有源逆变工作的两个条件： 外部条件：负载中有直流电动势 ，其极性对晶闸管而言为正向电 压。 内部条件：晶闸管的控制角 /2，使变流器直流侧平均电压Ud 为负值，且应使|Ud|略小于外加电 动势 |EM|。 注意：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。故实现有源逆变，只 能采用全控电路。 u10 ud u20u10 O O t t Id id Ud p /2时的控制角用 p- = b 表示 ， b 称为逆变角， 与 b 描述的是同一个 脉冲， 逆变角 b 和控制角 的计量方向相反， 其大小自b =0的起始点向左方计量。 + b =p； 2.5.1 逆变的概念 整流电压： 逆变电压： 注： = 1200 与 b =600 为同一脉 冲： 好学力行 河南理工大学 明德任责 三相桥式电路工作于有源逆变状态。 为了实现逆变： 控制角 p /2，或b90，则电路仍可工作，但电流断续，电压均 值为0。如在负载中加入与晶闸管同向的较大电动势，电 流可以连续，电压均值为负值。即为逆变状态。 好学力行 河南理工大学 明德任责 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。 图2-45 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形 2.5.2 三相桥式有源逆变电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 有源逆变状态时各电量的计算： 输出直流电流的平均值： 式中变量均取绝对值 。 每个晶闸管导通2p/3，故流过晶闸管的电流有效值为： 直流回路中功率平衡关系为： 当逆变工作时，直流电源逆变送到电网的功率为UdId 。 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为： 2.5.2 三相桥式有源逆变电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.5.3 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，外接直流电源就会通 过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和 直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。 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) 逆变失败的原因 形成短路 2.5.3 逆变失败与最小逆变角的限制 输出正弦波，均值为0 ，短路电流大。 好学力行 河南理工大学 明德任责 整流变压器漏抗（漏感）对变流电路的影响 u d id t O t O g iciaibiciaId uaubuc 变压器漏感用LB表示，可限 制di/dt，有利于开关管的工 作。同时，在换相时，要关断 的相和要开通的相的电流均不 能突变，因此存在一个两相同 时导通的换相过程。 换相重叠角换相过程持 续的时间，用电角度表示。 好学力行 河南理工大学 明德任责 整流变压器漏抗（漏感）对变流电路的影响 u d id t O t O g iciaibiciaId uaubuc 换相过程中，输出电压计算 ： 如VT1向VT2换相时，两相 同时导通。 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。如图。 好学力行 河南理工大学 明德任责 v综上，由于变压器漏抗的存在： 1）使得换相有一个重叠过程； 2）在此期间输出电压ud波形为相邻两相电压的算术平均值 ，换流重叠角使ud的正面积减小而负面积增大，因此 在a90（逆变）时，会使平均面积Ud增加 Ud（即负的幅值增大）。 3）可限制di/dt，有利于开关管的工作。 4）使电路中的电压波形出现缺口，从而引入了更多的谐波 和干扰。 好学力行 河南理工大学 明德任责 换相重叠角对逆变的影响： 图2-46 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 如果某一个脉冲丢失， 不能触发后相来关断前项 ，造成前相继续导通到正半 周，从而形成短路逆变 失败 2.5.3 逆变失败与最小逆变角的限制 好学力行 河南理工大学 明德任责 v采用精确可靠的触发电路； v使用性能良好的晶闸管； v保证交流电源的质量； v留出充足的换相裕量角。 2) 防止逆变失败的措施 2.5.3 逆变失败与最小逆变角的限制 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.5.3 逆变失败与最小逆变角的限制 2) 确定最小逆变角bmin的依据 逆变时允许采用的最小逆变角b 应等于 bmin=d +g +q （2-72） 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200300ms，折算到电角度约45。 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），约取10 。 2.5.3 逆变失败与最小逆变角的限制 好学力行 河南理工大学 明德任责 g 换相重叠角的确定： 1)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%g 220V800A240kV。A5%1520 2) 参照整流时g 的计算方法 （2-73） （2-74） 根据逆变工作时 ，并设 ，上式可改写成 这样， bmin一般取3035。 2.5.3 逆变失败与最小逆变角的限制 好学力行 河南理工大学 明德任责 小 结 重点：1、有源逆变的概念及应用： 2、有源逆变的2个条件； 3、有源逆变电路的波形分析； 4、有源逆变的逆变失败原因及预防 措施； 5、最小逆变角的选择； 6、变压器漏感对变流电路的影响。 2.5 有源逆变电路 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.6 整流电路的谐波和功率因数 .1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础 .2 带阻感负载时可控整流电路交流侧带阻感负载时可控整流电路交流侧 谐波谐波 和功率因数分析和功率因数分析 .3 电容滤波的不可控整流电路交流侧电容滤波的不可控整流电路交流侧 谐波谐波 和功率因数分析和功率因数分析 .4 整流侧输出整流侧输出电压和电流的谐波分析电压和电流的谐波分析 好学力行 河南理工大学 明德任责 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) 问题日益严重，引起了关注。 谐波的危害： 额外发热，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。 谐波标准；按谐波量收取电费。 2.6 整流电路的谐波和功率因数 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.6.1 谐波和无功功率分析基础 1） 谐波(以电压为例分析，适用于电流情况) 对于非正弦波电压，当满足狄里赫利条件时，可 分解为傅里叶级数。（傅里叶为法国人） 正弦波电压可表示为 ： 狄里赫利条件： 对周期为T的函数f(x)，若满足 1. 在定义区间上， f(x)须绝对可积； 2. 在任一有限区间中， f(x)只能取有限个极值点 ； 3. 在任何有限区间上， f(x)只能有有限个第一类 间断点。 则可分解为傅里叶级数，且该级数收敛。 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.6.1 谐波和无功功率分析基础 傅里叶级数： 直流分量 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.6.1 谐波和无功功率分析基础 n次谐谐波电电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 电电流谐谐波总总畸变变率THDi（Total Harmonic distortion)为为: 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； 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.6.1 谐波和无功功率分析基础 好学力行 河南理工大学 明德任责 2） 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： 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=U I sinj 功率因数 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： =cos j 2.6.1 谐波和无功功率分析基础 好学力行 河南理工大学 明德任责 非正弦电路中的情况 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 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。（整流电路多为非线性电路。） 非正弦电路的有功功率 ：P=U I1 cosj1 （2-76） 功率因数为： （2-77） 基波因数 =I1 / I，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 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。 2.6.1 谐波和无功功率分析基础 好学力行 河南理工大学 明德任责 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） i 2 O t d （3-72） 变压器二次侧电流谐波分析，基波和谐波有效值： n=1,3,5, （3-73） 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。 2.6.2 阻感负载可控整流电路交流侧谐波分析 好学力行 河南理工大学 明德任责 基波电流有效值为 （2-80） i2的有效值I= Id，结合式（3-74）可得基波因数为 （2-81） 电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故位移因数为 （2-82） 所以，功率因数为 （2-83） 功率因数计算 2.6.2 阻感负载可控整流电路交流侧谐波分析 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.6.2 阻感负载可控整流电路交流侧谐波分析 单相全控桥整流的交流侧电流波形、基波分量及相位关系 好学力行 河南理工大学 明德任责 2）三相桥式全控整流电路 图3-23 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： （3-78） t ud1 = 30 ud2 ud uabuacubcubau caucb uabuac tO O tO tO id ia t1 uaubuc （2-78） 2.6.2 阻感负载可控整流电路交流侧谐波分析 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.6.2 阻感负载可控整流电路交流侧谐波分析 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 （2-85） 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：（2-86） 位移因数仍为：（2-87） 功率因数为：（2-88 ） 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.6.2 阻感负载可控整流电路交流侧谐波分析 三相全控桥整流的交流侧电流波形、基波分量及相位关系 好学力行 河南理工大学 明德任责 1) 单相桥式不可控整流电路 实用的单相不可控整流电路采用感容滤波。电流波形的傅里叶解析 式复杂，直接给出结论。 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。 谐波与基波的关系不固定,受负载轻重影响。负载越轻，则电 流畸变越严重，谐波越大。 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（表现为容性负载），重载滞后。 功率因数大小受负载和滤波电感影响。重载大电感时值较大 。 2.6.3 不可控整流电路交流侧谐波分析 好学力行 河南理工大学 明德任责 2.6.3 不可控整流电路交流侧谐波分析 2) 三相桥式不可控整流电路 实际应用的电容滤波三相不