电力电子技术(第二章

1、第二章 整流电路整流-AC变为DC器件角度： 不可控、半控型、全控型 电路结构：桥式和零式电路输入相数：单相和多相电路2.1单相可控整流电路单相半波可控整流电路单相桥式全控整流电路（单相全控桥整流电路）单相全波可控整流电路（单相双半波可控整流电路）单相桥式半控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路一、 纯电阻负载a. 工作原理（波形） 半波和全波的区分！b. 数量关系设：u2=U2sintl 整流输出直流电压平均值Ud=0.45U2l 整流输出电压的有效值U=U2l 负载直流电流的平均值 (=晶闸管电流的平均值)Id=l 负载电流的有效值I(=晶闸管电流的有效值=电源电流有效值I2)l 晶闸管

2、承受的正、反向峰值电压分别为U2l 电源的视在功率S= U2I2l 电路的功率因数cos=导通角c. 举例（自学辅导P-40页）二、 阻抗性负载1. 无续流二极管时电感线圈既是储能元件，又是电流的滤波元件，它使负载电流波形平滑。当t=t1=时，SCR导通，负载电压突变，但电流不能突变；当t1tt2时，id由零增大，到t2时，id到达最大。uL=0,u2=idR=uR 此期间u2向R提供有功功率,同时向L提供磁场能量的无功功率;当t2tt3时，id的减小滞后于u2的减小。R所消耗的能量部分来自u2, 部分来自L释放的能量；当t3tt4时，因uL大于u2,SCR正向受压，仍导通。L所释放的能量部分

3、供给R，部分回馈给u2;当t=t4时，id=0,SCR关断。注意：（1）电感性负载时，计算较为复杂；（2）但纯电感（XL10R）负载时： Ud=0, 负载电流：id=0 0t及2t2 id= U2(cos-cost) t30时，负载电流是断续的。Ud=0.675U21cos（30） 2.导通角当30时,=120; 当15030时，=150-；移相范围为1503.负载电流的平均值Id=4.晶闸管电流的平均值IdVT=Id5.晶闸管电流的有效值IVT 当30时当15030时6.副边相电流的有效值I2=IVT7.晶闸管承受的正、反向峰值电压 VT1 的波形：第一段 VT1 导通期间，uVT1 =0；

4、第二段 VT1 关断后，VT2导通期间，uVT1 uab ；第三段 VT1 关断后，VT3导通期间，uVT1 uac URM=U2 当30时， u正=uauc 当15030时，u正=ua 所以UFM=U2二、阻感（大电感）负载工作原理及波形数量关系：1.整流电压平均值当900时，负载电流是连续的。Ud=1.17U2cos2.导通角=120(Ud不等于零) 3.负载电流的平均值Id= 4.晶闸管电流的平均值IdVT=Id5.晶闸管电流的有效值IVT=6. 副边相电流的有效值I2=IVT7.晶闸管承受的正、反向峰值电压均为U2 (思考：出现正向峰值电压的条件？ 90，t=120时刻)三、阻感（大电

5、感）负载带续流二极管(思考) Ud波形与纯电阻负载一样，负载电流波形与大电感负载一样。数量关系：1.整流电压平均值 当30时，负载电流是连续的。Ud=1.17U2cos当15030时，负载电流是断续的。Ud=0.675U21cos（30） 2. 导通角当30时,=120；当15030时，=150-；移相范围为150 3.负载电流的平均值Id=4.晶闸管电流的平均值IdVT=Id5.晶闸管电流的有效值IVT=6.续流管电流的平均值IdVD=Id（30）7.晶闸管电流的有效值ID=Id（30）8副边相电流的有效值I2=IVT9.晶闸管承受的正、反向峰值电压UFM=U2；URM=U2 10. 续流管

6、反向峰值电压为U2四、 三相半波可控整流电路的优缺点：优点：只用三个晶闸管，接线简单。缺点：峰值电压较高；副边每相绕组利用率低（1/3周期）副边每相绕组含有直流分量，产生较大的漏磁通, 直流磁化。多用于中等偏小的负荷。2.2.2三相桥式全控整流电路说明三相半波可控整流电路到三相桥式全控整流电路的演变过程： 一、电阻性负载（一） 工作原理（0）在t1t2区间，a相电位最高，b相电位最低，VT1和VT6被触发导通，输出Ud=Uab经60后t2t3区间，a相电位最高，VT1继续导通；t2时刻VT2被触发导通，并使VT6关断，输出Ud=Uac经60后t3t4区间，b相电位最高，t3时刻VT3被触发导通

7、，并使VT1关断; c相电位最低，VT2继续导通；输出Ud=Ubc类推，有如下规律：任一时刻必有二只晶闸管导通，才能形成负载电流，一只在共阳极组，一只在共阴极组。晶闸管导通顺序和输出电压： VT6-VT1VT1VT2VT2VT3 VT3VT4VT4VT5VT5VT6 Uab Uac Ubc Uba Uca Ucb每只晶闸管导通角为120，每隔60有一只晶闸管换流；电路为6脉波整流电路。（二） 对触发脉肿的要求1. 采用单宽脉冲触发：脉冲宽度大于60，一般取80100思考：给出波形图？2. 采用双窄脉冲触发：在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。两个窄脉冲的前沿相差60，脉冲宽

8、度一般取2030思考：给出波形图？（三）.不同时的工作波形1. =30 2. =60 3. =90 注意uVT1 的波形！(四) 数量关系1.整流电压平均值 当60时，负载电流是连续的。Ud=2.34U2cos当12060时，负载电流是断续的。Ud=2.34U21cos（60）2.导通角当60时，=120。当12060时，=2(120-)。 3.负载电流的平均值Id=4.晶闸管电流的平均值IdVT=Id5.晶闸管电流的有效值IVT6.副边相电流的有效值I2=IVT7.晶闸管承受的正、反向峰值电压分别为U2和U2(思考：出现正向峰值电压的条件？ 60，t=450时刻)二电感性负载 （一）不同时的

9、工作波形1.=0 2.=30 3.=60 4.=90由于电感的作用，ud波形可能出现负值部分，而id则是幅值为Id宽度为120的方波；uVT1波形由三段：导通段、uab 、uac ；当=060期间，除电流波形外，其它的波形都类似。移相范围为90。 （二）数量关系1.整流电压平均值Ud=2.34U2cos2.导通角=1203.负载电流的平均值Id= 4.晶闸管电流的平均值IdVT=Id5.晶闸管电流的有效值IVT=6.副边相电流的有效值I2=IVT7.晶闸管承受的正、反向峰值电压均为U2三反电动势负载(略)三相桥式全控整流电路的优缺点:1. 不存在直流磁化，可使变压器容量较小，功率因数较大；2.

10、 绕组利用率高, 最大导电240;3. 电路平稳, 脉动6次, 平波电抗器小一半;4. 允许输出瞬时的负电压, 可以有源逆变。2.3 变压器漏感对整流电路的影响一 换相的物理过程一是电感（变压器的漏感与线路的自感）问题：停止导电的管子电流不是从Id立即降为零；刚开始导电的管子电流也不是从零立即升为Id；二是在换相过程中，有两相间短路问题，使相电压波形出现缺口，对应有换相重叠角。二 换相压降和换相重叠角计算t1时刻VT2被触发导通，之前VT1已导通；由于漏感ia、ib均不能突变，于是VT2、VT1同时导通（a、b两相短路），产生环流iK（实际上晶闸管具有单向导电性，只是相当于在原有电流上叠加一个

11、iK）； 这时，ibiK由0逐渐增大，而iaIdiK逐渐减小。当iK增至Id时，VT1关断，换相结束； 由于 uaudLB ubudLB于是 ud ubudLB输出平均电压Ud的降低量Ud对于重叠角有：Ud0coscos(+)=2Ud 所以 coscos(+) 三相半波：Ud0 coscos(+) 通用表达式：Ud 其中 m晶闸管个数coscos(+)对于单相全波和单相全控桥整流电路 Ud00.9U2对于三相半波可控桥整流电路 Ud01.17U2对于三相全控桥整流电路 Ud02.34U2思考：考虑换相重叠角时，VT1两端的电压波形？见教材P60页或同步练习P37页三 总结1. 出现换相重叠角，

12、整流电压平均值降低；2. 整流电路的工作状态增多，如三相桥的工作状态由6种增加至12种；3. 晶闸管的电流变化率减小，有利于晶闸管的安全导通（若di/dt太大，会引起局部过热）；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；5. 换相时使电网电压出现缺口而成为干扰源。2.4 电容滤波的不可控整流电路 在许多应用场合（如交直交变频器、不间断电源、开关电源），大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源。2.4.1电容滤波的单相不可控整流电路 主要用于小功率单相交流输入的场合。一. 定性说明工作原理及波形设电路已稳态，电阻负载:1. 在u2正半周过零点至t=0期间,

13、u2小于ud, 二极管截止, C向R放电, ud下降;至t=0之后, u2将要大于ud, 使VD1和VD4开通, u2=ud 交流电源向C充电, 同时向R供电, i2由0上升为某一值;2. 随后, 在u2达到峰值之前, C充电; 峰值之后, ud 下降, u2下降更快; 当ud =u2后, VD1和VD4关断;3. C开始通过R放电至t=时, ud =u2并u2的绝对值将要大于ud, , VD2和VD3开通; 此后情况与u2的正半周相同.二. 主要的数量关系1.输出电压平均值 R=时, Ud=U2随R减小, Ud趋向于0.9U2选择C使RC(1.52.5)T, Ud=1.2U22.负载电流的平

14、均值 Id=IR= Ud/R3.二极管电流的平均值IVT=0.5Id=0.5IR4.二极管承受的反向峰值电压=U22.4.2电容滤波的三相不可控整流电路一. 定性说明工作原理及波形 当某一对二极管导通时, 输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个, 该线电压既向C又向R供电; 当没有二极管导通时, C向R放电; VD6和VD1是关断的（电流id断续，此时RC）某一时刻，VD6和VD1同时 下一次VD1和VD2同时 开通, 直流侧电压等于uab 或 开通, 直流侧电压等于uac VD1是一直导通的（电流id连续，此时RC）二主要的数量关系1.输出电压平均值 R=时, Ud=U22.45U2随R减

15、小, Ud趋向于2.34U22.负载电流的平均值 Id=IR= Ud/R 3.二极管电流的平均值 IVDId/34. 二极管承受的反向峰值电压=U22.5 整流电路的谐波和功率因数无功功率对公用电网的不利影响:a. 设备容量增加; b.设备和线路的损耗增加; c.使线路压降增大，电压剧烈波动.谐波对公用电网的不利影响:a. 产生附加功率损耗和发热; b. 使自动和保护装置发生误动作;c.产生电气和机械谐振; d. 干扰临近的通信系统.2.5.1 谐波和无功功率分析基础 注：各种传输介质对某个信号影响可以用频率表示1. 谐波周期性非正弦函数（正弦波电压施加于非线性无源元件上时）u(t)的傅里叶级

16、数：u(t)=a0 式中a0= an= bn=基波、谐波n次谐波电流含有率HRIn=100% 电流谐波总畸变率THDn=100%2. 功率因数对于正弦电路:有功功率P=UIcos 视在功率S=UI 无功功率Q=UIsin 功率因数=P/S=cos对于非正弦电路(电压为正弦波, 电流为非正弦波):有功功率P=UI1cos1 视在功率S=UI功率因数=P/S=cos1=cos1 基波因数和位移因数cos12.5.2 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变压器二次侧电流i2Id（sin）基波和各次谐波的有效值为 In n1, 3, 5, 功率因数=P/S=cos1

17、= cos0.9cos（电流有效值I= Id, 1=并说明）2.三相桥式全控整流电路变压器二次侧a相电流iaId（sin）基波和各次谐波的有效值为I1 In n6k1, k1,2,3 功率因数=P/S=cos1= cos0.955cos（电流有效值I= Id, 1=并说明）3.整流输出电压和电流的谐波分析（结论）m脉波整流电压和电流的谐波次数均为mk；最低次（m次）谐波是主要的，其它次数的谐波相对较少；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。4.谐波抑制对策改进电力电子装置，减少注入电网的谐波，如增加整流相数法；交流侧并联LC无源滤波器（利用LC电路的串联谐振，抑制

18、向电网注入的谐波电流）；电力有源滤波器（PAF）补偿法等。2.6 大功率可控整流电路1. 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路主要用于低电压、大电流的场合，如电解电镀行业；2. 多重化整流电路具有：采用相同器件可达到更大的功率，减少谐波、提高功率因数。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路（电路图可参见自学辅导P75页）一、 工作原理设Lp0，晶闸管二极管，电路就变为通常的六相半波整流电路：任何瞬时只有相电压最大的该相元件导通，各导通60，导通顺序为： VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6输出直流电压ud为六个相电压（ua、ua、ub、ub、uc、uc）波头的包络线，Ud1.35U2分析平

19、衡电抗器的作用，两组同时导电的原理：a. 任意时刻t1（见教材P74页图2-37）ua及ub大于0，且ub大于ua，若Lp0则只有b相可触发导通；当Lp0，Lp的两端电位差会补偿ua和ub间的电压差，而使ua和ub相晶闸管能同时导通；b. 由于t1时ub大于ua，VT6导通，并在Lp上感应up（左正右负）；t1t2（t2对应 ub与ua的交点）期间除ub外，ua 最高。因up作用会使uaupub（相对于n2），则VT1亦受正向压降导通。即Lp的作用下，使VT1、VT6同时导通；c. t2后，ubua（相对于n1），VT1、VT6仍维持共同导通；d. 至t3（t3对应 ub与uc的交点）后，uc

20、 ub, 触发下电流从VT6换至VT2；e. 每隔60有一个晶闸管换相；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电120。二数量关系（电感负载）1.整流电压平均值 Ud 1.17U2cos(两组三相半波并联) 电感负载 移相范围902. 导通角=1203. 晶闸管电流的平均值IV1AR=(1/3)(Id/2)= Id/64. 晶闸管电流的有效值IV1= I2=(Id/2)/= 0.289 Id5. 晶闸管承受的正、反向峰值电压 与三相半波一样6. 平衡电抗器的计算 平衡电抗器两端电压Up只含交流成分（ud1-ud2）, 且是电源频率的三倍，其幅值为U2 。其电感量可从规定的最小负

21、载电流Idmin算出：最大环流是最小负载电流的一半，而这环流就是平衡电抗器的激磁电流。Xp 3LP =LP =(H)三 优缺点（与三相桥式比）1. 三相桥式是两组三相半波串联，而双反星形电路是两组三相半波并联，且后者需平衡电抗器；2. 当U2相等时，双反星形电路整流电压平均值是三相桥式的一半，而整流电流平均值是三相桥式的2倍；3. 晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，整流电压和整流电流波形形状一样。2.7 整流电路的有源逆变工作状态2.7.1 逆变的概念1. 逆变；有源逆变；无源逆变；变流电路注意：逆变是整流的逆过程，但并不是简单的一种重复，往往要增加新的内容。（举例）加法：自然数加自然数仍

22、是自然数 减法是加法的逆过程：自然数减自然数不一定是自然数2. 直流发电机电动机系统电能的流转三种情形：两电动势同极性EG EM两电动势同极性EM EG两电动势反极性，形成短路。电动势与电流同方向：电流从正端流出3.有源逆变产生的条件（充分必要） 以单相全波电路代替发电机G，给电动机M供电当M作电动机运行时，电路工作于整流状态；当M作发电回馈制动运行时，电路工作于逆变状态；a. 外部条件：要有一个能提供逆变能量的直流电动势，极性与晶闸管的导通方向一致，其值大于Ud；同时选取适当的L值；b. 内部条件：要有一个变流装置，控制角90，且逆变角应有适当的取值，即Ud应略小于E.举例：判断下列电路能否

23、实现有源逆变？ 单相半波可控整流电路（不能，因电流断续或不能关断） 单相全控桥式整流电路 单相半控桥式整流电路（不能，因电流短路，使Ud无法流入交流电网） 三相半波可控整流电路 带续流二极管的三相半波可控整流电路（不能） 三相全控桥式整流电路2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态一 工作原理二 数量关系 逆变角（以点开始计量，计量方向相反）输出直流电压平均值Ud=2.34U2cos2.34U2cos（大于90）输出直流电流的平均值Id=输出直流电流的有效值IId 晶闸管电流的平均值IdVT=Id晶闸管电流的有效值IVT=晶闸管承受的正、反向峰值电压均为U2二次侧电流的有效值I2=IVT逆变

24、器的功率因数cos=(一般小于0)三 晶闸管两端电压波形分析三相桥整流电路（电流连续）的工作特点： 每个晶闸管的导通时间均为120，且每间隔60按VT1 、VT2 、VT3 、VT4 、VT5、VT6 顺序依次换相； 若分别讨论共阳极组或共阴极组的三个晶闸管，则每个周期每隔120有一次换相，一个周期内三个晶闸管轮流导通一次，导通角均为120； 每个管子两端的电压波形和三相半波电路完全相同，由三段组成（每段占周期）：一段为导通段，其波形为管压降（几乎与横轴重合）；另两段为阻断时波形，分别为该管和相邻两相之间的线电压； 整流工作下，晶闸管阻断时主要承受反向电压，而逆变时主要承受正向电压。晶闸管承受

25、的正、反向峰值电压均为U2； 用tq表示逆变状态下晶闸管允许关断的时间。注意：只有在这段时间内晶闸管才允许从导通状态下关断。随着的减小，tq也将愈来愈小。若0，则tq0，晶闸管将无法得到关断时间所需的反压，就会造成逆变失败。（见自学辅导P97页）2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制对于逆变电路，不正常换相逆变失败“逆变颠覆”1. 逆变失败的原因 触发电路工作不可靠，造成脉冲丢失或延迟，以致使晶闸管工作不正常；举例说明：（见自学辅导P99页） 晶闸管出现故障（该阻断时不能关断或该导通时不能导通）。例如，若晶闸管的断态重复峰值电压裕量的不足，则有可能应该阻断期间虽未触发，却自行误导通。如图在t1

26、之前，晶体管V3承受正向电压为Ed与uc之和，在较小时，这一正向电压较高；若因为V3与的电压裕量不足而误导通，则达到t1时刻，本应该由V1换相到V2，但此时由于V3已经导通，V2却因承受反向电压而无法导通，故逆变失败。 交流电源：交流电源的突然停电或缺相，会直流电动势通过晶闸管短路，或者会因原来导通的晶闸管使Ud进入导通的正半周（缺相），造成逆变失败。 换相时间不够 交流侧电感作用产生的换相重叠角对有源逆变电路的换相过程会造成不利影响，也会导致换相失败。如图，当V2换相时，如果，越过换相重叠角后，uc仍高于ub，那么V2因承受反向电压关断，换相顺利结束；但如果换相裕量角不足，即时未越过重叠角，

27、则电路进入0点之后，ub将高于uc，此时应该导通的V3因承受反向电压而重新关断，而应关断的V2却仍承受正向电压继续导通，造成逆变失败。2. 确定最小逆变角min的依据 最小逆变角min，一般取3035范围晶闸管关断时间折合的电角度，约为45；换相重叠角，一般为1520范围；安全裕量，一般取10。2.8 晶闸管直流电动机系统(自学)2.9 相控电路的驱动控制相控电路的概念：控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小的电路。两种触发电路：同步信号为锯齿波和同步信号为正弦波的触发电路，前者驱动功率大。2.9.1同步信号为锯齿波的触发电路电路的组成：脉冲形成与放大环节、锯齿波的形成和脉冲移相控制环节、同步

28、环节、双脉冲形成与强触发环节。所有晶体管工作于开关状态。1. 脉冲形成与放大环节脉冲形成：晶体管V4、V5； 脉冲放大：晶体管V7、V8。 当控制电压Uco0时，V4截止 晶体管V5、V6饱和导通，UC513.7V，晶体管V7、V8截止，无脉冲输出； 同时15V、R9、V5发射极、VD10、15V组成通路对电容C3充电至近30V（左正右负）； 当控制电压Uco0.7V时，V4导通A点电位突降至1V，Ub5也突降至27.3V（因电容两端电压不能突变），V5截止、V7和V8饱和导通，有脉冲输出（上升沿）； 同时电容C3经15V、R11、VD4、V4发射极放电和反向充电，Ub5逐渐升至13.3V时V

29、5重新导通，V7、V8截止，无脉冲输出（下降沿）；小结： 脉冲前沿由V4导通时刻确定，即由Ue3、Uco、Up发射极共同决定； 脉冲宽度由V5（或V6）截止持续时间决定，即与反向充电时间常数R11C3有关。 2. 锯齿波的形成和脉冲移相控制环节 锯齿波同步移相的原理是利用受正弦同步信号电压控制的锯齿波电压作为同步电压，再与直流控制电压Uco和直流偏移电压Up组成并联控制，进行电流叠加，去控制晶体管V4的截止与饱和导通来实现的。锯齿波电压的形成由恒流源电路方案实现，即由V1、V2、V3、和C2等组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。 当V2截止时，恒流源电流Ic1对电容C2充电，即：

30、Uc1Ub3 Ic1 t （V3的基极电压按线性增长）调节RP2可改变锯齿波的斜率。 当V2导通时，电容C2通过R4（200）迅速放电，Ub3形成单个锯齿波电压。当V2周期性地导通和关断时，Ub3及Ue3形成一锯齿波电压。射极跟随器V3的作用：减小锯齿波电压与直流控制电压Uco、直流偏移电压Up之间的影响。 锯齿波电压、直流控制电压Uco、直流偏移电压Up共同确定：V4由截止到导通的转折点M（注意：V4导通后Ub4钳位为0.7V）。 Up用于确定Uco0时输出脉冲的初始相位，一般使M点移至锯齿波电压（2400）的中央1200处；初始相位定在对应90； 当Up固定值时（一般为负值），改变Uco可

31、改变M点的时刻，即改变了脉冲产生的时刻，脉冲被相移；如Uco为正值，M点就向前移（整流），如Uco为负值，M点就向后移（逆变）。3. 同步环节同步（触发电路与主电路）的概念：要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。同步环节的组成：同步变压器TS和晶体管V2同步的实现：触发脉冲的频率锯齿波的频率晶体管V2的频率TS的二次电压的频率主电路的频率同步环节的工作原理：已知uTS=Asin(t+) 当uTS处于负半周下降段，电容C1经VD1迅速充电（下正上负），Q点电位R 点电位小于0，V2截止；当uTS处于负半周上升段，15V经R1对电容C1先放电后反向充电，Q点电压上升速度比uTS波形

32、慢，VD1截止；和组成锯齿波的上升段； 当Q点电压上升至1.4V时，V2导通，对应锯齿波的另一部分；直至TS二次电压的下一负半周到来，开始下一个锯齿波周期；锯齿波的宽度由充电时间常数R1C1决定（充电至1.4V）。4. 双脉冲形成与强触发环节内双脉冲电路每个触发单元的一个周期内输出两个间隔600的脉冲的电路。 晶体管V5、V6构成一个“与非”门：即V7V81（都导通）时，V7、V8截止，无脉冲输出； V7或V80（任一截止）时，V7、V8都导通，有脉冲输出； 只要用适当的信号来控制V5或V6的截止（前后间隔60），就可产生符合要求的双脉冲；第一个脉冲由本相触发单元Uco对应的控制角所产生；第二个脉冲由滞后60的后一相触发单元引发所产生，在后一相触发单元产生其第一个脉冲时刻将其信号引至本相触发单元V6的基极，使V6