第3章整流电路

1、1第第2章章 整流电路整流电路2.1 单相可控整流电路单相可控整流电路 2.2 三相可控整流电路三相可控整流电路 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的影响 2.4 电容滤波的不可控整流电路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整流电路的谐波和功率因数 *2.6 大功率可控整流电路大功率可控整流电路 2.7 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态 *2.8 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 *2.9 相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制 本章小结本章小结2第第2章章 整流电路整流电路引言引言整流电路的分类整流电路的分类：按交流输入相数

2、分为单相电路单相电路和多相电路多相电路。按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种。按电路结构可分为桥式电路桥式电路和零式电路零式电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍单拍电路电路和双拍电路双拍电路。整流电路整流电路： 将交流电变为直流电。32.1 单相可控整流电路单相可控整流电路42.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路图2-1 单相半波可控整流电路及波形1 1）带电阻负载的工作情况）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。电阻负载的特点电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1

3、p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)52.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 晶闸管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相位控制方式，简称相控方式相控方式。 首先，引入两个重要的基本概念： 触发延迟角触发延迟角：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。导通角导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示 。基本数量关系

4、基本数量关系直流输出电压平均值为paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU(2-1)62.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路2) 带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况 图2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形阻感负载的特点阻感负载的特点：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。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +72.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路对单相半波电路的分析可基于上述方

5、法进行：v当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。v当VT处于通态时，相当于VT短路。图2-3 单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态 b)VT处于导通状态 a)b)VTRLVTRLu2u2电力电子电路的一种基本分析方法v通过器件的理想化，将电路简化为分时段线性电路。v器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。82.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路当VT处于通态时，如下方程成立：VTb)RLu2b) VT处于导通状态tURitiLwsin2dd2dd（2-2）)sin()sin(tanjaqjajqe（2-4）v 初始条件： t = ，id=0。求解

6、式（2-2）并将初始条件代入可得v 当 t =+ 时，i d=0，代入式（2-3）并整理得 )sin(2)sin(22)(2djwjaawwtZUeZUitLR（2-3）22)( LRZwRLwjarctan其中 ，92.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路续流二极管续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图2-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 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，此过程通常称为续流续

7、流。 数量关系数量关系(id近似恒为Id）ddVT2IIpap（2-5）d2dVT2)(21ItdIIpapwppa（2-6）ddVDRIIpap2（2-7）d22dVD2)(21RItdIIpapwpapp（2-8）102.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路晶闸管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，造成变压器铁芯直流磁化。实际上很少应用此种电路。 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112.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路1) 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况a)u (i )pwtwtwt000

8、i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图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负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构电路结构单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Controlled Rectifier)122.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路数量关系数量关系paaapwwp2cos19 . 02cos122)(dsin2122

9、2dUUttUU（2-9）a 角的移相范围为180。 向负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：2cos145.0212ddVTaRUII（2-10）2cos19 . 02cos12222ddaapRURURUI(2-11)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4132.1.2 单相桥式全控整流电路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： 由式（2-12）和式（2-13）得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。papapwwppa2sin21

10、2)(d)sin2(21222VTRUttRUI（2-12）papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（2-13）II21VT（2-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4142.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路2）带阻感负载的工作情况）带阻感负载的工作情况 u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图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。

11、 u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。 至t=+a 时刻，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，此过程称换相换相，亦称换流换流。152.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 数量关系数量关系apaaapwwpcos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU（2-15) 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。dVTd1II2VTdd1II0.7

12、07I2 晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22Uu2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4162.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路3） 带反电动势负载时的工作情况图2-7 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形 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， ， 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶闸管关断，此后ud=E 。REuiddb)idOEudwtIdOwtaqd与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度 (

13、停止导电角)停止导电， 212sinUEd（2-16）172.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路当 30 的情况（的情况（图2-14 ） 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。b)c)d)e)f)u2uaubuca =0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)R292.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路aapwwpapapcos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU（2-18）当a=0时，Ud最大，为 。2d0d17.1UUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2

14、321262dapappwwppapUttdUU(2-19)整流电压平均值的计算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，有：302.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的规律03060901201501.17321a/( )Ud/U2图2-15 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312.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 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

15、次相电压的峰值，即RUIdd（2-20）222RM45.2632UUUU（2-21）22UUFM（2-22）322.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2）阻感负载）阻感负载图2-16 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a =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）。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。 阻感负载时的移相范围为90。udiauaubucibiciduacOwtO

16、wtOOwtOOwtawtwt332.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路数量关系数量关系 由于负载电流连续， Ud可由式（2-18）求出，即2U1.17U cosad Ud/U2随a变化曲线03060901201501.17321a/( )Ud/U2图2-15 Ud/U2随a变化关系曲线1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载342.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路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。ddV

17、T2577. 031IIII（2-23）dVTVT(AV)368. 057. 1III（2-24）2RMFM45. 2UUU（2-25）352.2.2 三相桥式全控整流电路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共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）图2-17 三相桥式全控整流电路原理图导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6362.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路1）带电阻负载时的工作情况）带电阻负载时的工作情况当a60 时，ud波形连续，id波形与ud波

18、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）a角的移相范围是120372.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路晶闸管及输出整流电压时 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=ucb382.2.2 三相桥式全控

19、整流电路三相桥式全控整流电路（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与与VT4，VT3与与VT6，VT5与与VT2，脉冲相差180。 三相桥式全控整流电路的特点特点（1）2管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。392.2.2 三相桥式全控整流电路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个晶闸管均有触发脉冲

20、可采用两种方法：宽脉冲触发 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特点40a60 时时（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。 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2.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路2) 阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况主要包括a 60 时（时（ a =90图224） 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。

21、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：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。412.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路3) 定量分析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 /Rawwpapapcos34.2)(sin63123232dUttdUU（2-26）)3cos(134.2)(sin63232dapwwppapUttdUU（2-27）422.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路

22、带阻感负载时，变压器二次侧电流的有效值为：ddddIIIII816.03232)(3221222ppp（2-28）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：REUIdd（2-29）式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。43ik=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。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的影响VT1换相至VT2的过程：因

23、a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变。于是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。图2-25 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca442.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响换相重叠角换相重叠角g g 换相过程持续的时间换相过程中，整流电压ud为 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2ddddbakBbkBaduutiLutiLuu（2-30）dB0B6565B6565Bbb6565dbd23d23)(ddd23)(d)dd(23)(d)(3/

24、21IXiLttiLttiLuutuuUIpwpwpwpwppgapapgapapgapadkkk（2-31）452.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响换相重叠角g g的计算B2Bab2)65sin(62)(ddLtULuutipwk由上式得：)65sin(26ddB2pwwtXUtik进而得出：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2pwawpwwpatXUttXUitk（2-32）（2-33）（2-34）462.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响 当 时， ，于是65pgawtdkIig g 随其它参数变化的规律： （1） I

25、d越大,则g g 越大； （2） XB越大,g g 越大； （3） 当a a90 时，a a 越小g g 越大。)cos(cos26B2dgaaXUI（2-35）2dB62)cos(cosUIXgaa（2-36）472.3 变压器漏感对整流电路的影响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变压器漏抗对各种整流电路的影响 dUdBIXpdB2IXpdB23IXpdB3IXpdB2ImXp)cos(cosgaa2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22Bd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2-2 各种整流电路换相

26、压降和换相重叠角的计算23U23U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。23U23U482.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响:出现换相重叠角g 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 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492.4 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不

27、可控整流电路502.4.1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1） 工作原理及波形分析工作原理及波形分析图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) 波形基本工作过程基本工作过程：在u2正半周过零点至w wt=0期间，电容C向R放电，提供负载所需电流。至w wt=0之后，VD1和VD4开通，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。b)0iudqdp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud512.4.1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) 主要的数量关系主要的数量关系 输出电压平均值输出电

28、压平均值 电流平均值电流平均值 输出电流平均值IR为： IR = Ud /R Id =IR 二极管电流iVD平均值为： IdVD = Id / 2=IR/ 2 二极管承受的电压二极管承受的电压 （2-47）（2-48） （2-49）22U 空载时， 。 重载时，Ud 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 Ud1.2 U22d2UU2/)53(TRC （2-46）522.4.1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 感容滤波的二极管整流电路感容滤波的二极管整流电路实际应用电路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

29、作是有利的。图2-29 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,ud532.5 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数542.5 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数无功的危害：v导致设备容量增加。v使设备和线路的损耗增加。v线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害：v降低设备的效率。v影响用电设备的正常工作。v引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。v导致继电保护和自动装置的误动作。v对通信系统造成干扰。552.5.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础1） 谐波谐波对于非正弦波

30、电压，一般可分解为傅里叶级数傅里叶级数： n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 （2-57） 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic Distortion）定义为 （2-58）%1001IIHRInn%1001IITHDhi正弦波电压可表示为：)sin(2)(utUtujw 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562.5.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础2） 功率因数功率因数正弦电路有功功率有功功率：pjwp20cos)(21UItu

31、idP（2-59） 视在功率：视在功率： S=UI （2-60） 无功功率无功功率定义为： Q=U I sinj j （2-61） 功率因数功率因数l ：SPl（2-62）222QPS（2-63） 功率因数： l l =cos j j （2-64）572.5.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础非正弦电路 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。SPlv有功功率 ： P=U I1 cosj j1 （2-65）v功率因数功率因数为：11111coscoscosjjjlIIUIU

32、ISP（2-66） 基波因数基波因数v=I1 / I 位移因数位移因数（基波功率因数）cosj j 1582.5.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础v非正弦电路的无功功率 简单的定义： （2-67）22PSQ Q f =U I 1 sinj j 1 (2-68）v在非正弦情况下， ，引入畸变功率畸变功率D，得：v （2-69）222fQPS2222DQPSfvQ 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。592.5.2 带阻感负载时可控整流电路带阻感负载时可控整流电路 交流侧谐波和功率因数分析交流侧谐波和功率因数分析1) 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路

33、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i2OwtIdLLL,5,3,1,5,3,12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnItttIiwwpwwwpdd（2-72）变压器二次侧电流谐波分析：pnIInd22n=1,3,5, （2-73） 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。602.5.2 带阻感负载时可控整流电路带阻感负载时可控整流电路 交流侧谐波和功率因数分析交流侧谐波和功率因数分析基波电流有效值为 (2-74） i2的有效值I= Id，可得基波因数为 (2-75）电流基波与电压的相位差

34、就等于控制角a a ，故位移因数为 （2-76） 所以，功率因数为 d122IIppII12 209 .aapjllcos9.0cos22cos111IIajlcoscos11（2-77） 功率因数计算功率因数计算612.5.2 带阻感负载时可控整流电路带阻感负载时可控整流电路 交流侧谐波和功率因数分析交流侧谐波和功率因数分析2）三相桥式全控整流电路）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a a =30为例，此时，电 流 为 正 负 半 周 各120的方波，其有效值为：d32II（2-78）tud1

35、a = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac wtOwOwtOwtOidiawt1uaubucd32II（2-78）622.5.2 带阻感负载时可控整流电路带阻感负载时可控整流电路 交流侧谐波和功率因数分析交流侧谐波和功率因数分析变压器二次侧电流谐波分析：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,3,2,1,16,66dd1kknInIIInpp（2-80） 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。 功率因数计算功率因数计算 基波因数：955.031pII （2-81） 位移因数为

36、：ajlcoscos11 （2-82） 功率因数为：aapjllcos955.0cos3cos111II（2-83）632.5.3 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路 交流侧谐波和功率因数分析交流侧谐波和功率因数分析1) 单相桥式不可控整流电路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：v谐波次数为奇次。v谐波次数越高，谐波幅值越小。v谐波与基波的关系是不固定的。v 越大，则谐波越小。LCw关于功率因数的结论如下：v位移因数接近1，轻载超前，重载滞后。v谐波大小受负载和滤波电感的影响。642.5.3 电容滤波

37、的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路 交流侧谐波和功率因数分析交流侧谐波和功率因数分析2) 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路 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。交流侧谐波组成有如下规律交流侧谐波组成有如下规律：v谐波次数为6k1次，k =1，2，3。v谐波次数越高，谐波幅值越小。v谐波与基波的关系是不固定的。关于功率因数的结论如下关于功率因数的结论如下：v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。v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。652.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流

38、的谐波分析a =0时整流电压、电流中的谐波有如下规律：vm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。v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。vm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。 662.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析a a 不为不为0 时的情况时的情况：v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a a 角的关系。030

39、120 150 1806090n=6n=12n=18a/()U2Lcn2图2-34 v以n为参变量，n次谐波幅值对a a 的关系为： 当a a 从0 90 变化时，ud的谐波幅值随a a 增大而增大， a a =90 时谐波幅值最大。 a a 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a a 增大而减小。672.7 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态682.7.1 逆变的概念逆变的概念1) 什么是逆变？为什么要逆变？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。

40、v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。v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，称为变流电路变流电路。692.7.1 逆变的概念逆变的概念2) 直流发电机直流发电机电动机系统电能的流转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，

41、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。702.7.1 逆变的概念逆变的概念3) 逆变产生的条件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交流电网输出电功率电动机输出电功率a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdid|Ud| /2，使Ud为负值。p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。722.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥整流电路的有源逆变工作状态逆

42、变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角 a a 不同 0a a p p /2 时，电路工作在整流状态。 p p /2 a a p p /2时的控制角用pp a a = b b表示，b b 称为逆变角逆变角。 逆变角b b和控制角a a的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量。732.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥整流电路的有源逆变工作状态图2-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2ud

43、wtOwtOb =p4b =p3b =p6b =p4b =p3b =p6wt1wt3wt2742.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥整流电路的有源逆变工作状态有源逆变状态时各电量的计算：dMdUEIRv输出直流电流的平均值：d22LU2.34U cos1.35Ucos b b（2-105）v流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577. 03（2-106）v从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：dMddIEIRP2（2-107）v当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。（2-108）v在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：ddVTII

44、II816.03222752.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败逆变失败（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顺向串联，形成很大短路电流短路电流。v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。v晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。v交流电源缺相或突然消失。v换相的裕量角不足，引起换相失败。1) 逆变失败的原因逆变失败的原因762.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制换相重叠角的影响：图2

45、-47 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 giVT1iVTiVT3iVTiVT322772.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制2) 确定确定最小逆变角最小逆变角b bmin的依据的依据逆变时允许采用的最小逆变角b b 应等于b bmin=d d +g g+q q （2-109）d d 晶闸管的关断时间tq折合的电角度g g 换相重叠角q q安全裕量角tq大的可达2003

46、00ms，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）。一般取为10。782.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制g g 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%g g220V800A240kV。A5%1520参照整流时g g 的计算方法mUXIBdpgaasin2)cos(cos2（2-110）（2-111）根据逆变工作时 ，并设 ，上式可改写成bpagbmUXIBdpgsin21cos2 b bmin一般取3035。792.9 相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制802.

47、9 相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制引言引言相控电路：相控电路：晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。采用晶闸管相控方式时的交流电力变换电路和交交变频电路（第4章）。 相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制 为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。 晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。 大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。812.9.1 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同

48、时导通的电路），也可为单窄脉冲。三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。图2-54 同步信号为锯齿波的触发电路822.9.1 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路1) 脉冲形成环节脉冲形成环节 V4、V5 脉冲形成 V7、V8 脉冲放大 控制电压uco加在V4基极上图2-54 同步信号为锯齿波的触发电路220 V36V+BTP+15 VAVS+15 V-15 V-15 VX Y接封锁信号RQutsVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1uco

49、upC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15VD11VD14 脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。 电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。832.9.1 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路2) 锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。恒流源电路方案恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成 V1、VS、RP2和R3为一恒流源电

50、路图2-54 同步信号为锯齿波的触发电路842.9.1 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路3) 同步环节同步环节同步同步要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关V2管来控制的。 V2开关的频率就是锯齿波的频率锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定。 V2由导通变截止期间产生锯齿波锯齿波起点锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。 V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度锯齿波的宽度取决于充电时间常数R1C1。852.9.1 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路4) 双窄脉冲形成环节双窄脉冲形成环节 内双脉冲电路 V5、V6构

51、成“或”门 当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。 只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。 第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角a a 产生。 隔60 的第二个脉冲是由滞后60 相位的后一相触发单元产生（通过通过V6）。三相桥式全控整流电路的情况(自学)862.9.2 集成触发器集成触发器v可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。v晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。KJ004 分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大 几个环节。图2-56 KJ004电路原理图1112161151413943578R23

52、+15 V+15 V+15 VRP1R24R2R20RP4R5R1R3R4R6R7R8R12R10R11R14R19R13R25R26R27R28R20R22R16R17R21R18R15V3V2V1V18V19V20V4V5V6V12V13V14V15V16V9V10V11V8V7V17VS5VS1VS2VS3VS4VS6VS7VS8VS9VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7C1C2ubucous872.9.2 集成触发器集成触发器完整的三相全控桥触发电路完整的三相全控桥触发电路 3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。 usa12

53、34567111091413128161512345671110914131281615KJ004KJ004-15 V+15 V12345671110914131281615KJ004RP6RP3(1 6 脚为 6路单脉冲输入)12345671110914131281615KJ 041(1510 脚为 6路双脉冲输出)至 VT1usbuscupucoR19R13R20R14R21R15R9R3R6R18R8R2R5R17R7R1R4R16R10R11R12C7C4C1C8C5C2C9C6C3RP4RP1RP5RP2至 VT2至 VT3至 VT4至 VT5至 VT6图2-57 三相全控桥整流电路

54、的集成触发电路 882.9.2 集成触发器集成触发器模拟与数字触发电路以上触发电路为模拟模拟的，优点：结构简单、可靠； 缺点：易受电网电压影响，触发脉冲不对称度较高， 可达34，精度低。数字数字触发电路：脉冲对称度很好，如基于8位单片机的数字触发器精度可达0.7 1.5 。 KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门。 也有厂家生产了将图2-57全部电路集成的集成块，但目前应用还不多。892.9.3 触发电路的定相触发电路的定相 触发电路的定相触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。 措施：措施：同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致。触

55、发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。图2-58 三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图Owtwt1wt2uaubucu2ua-902.9.3 触发电路的定相触发电路的定相变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结。D,y 11D,y 5-11TRTSuAuBuCuaubuc- usa- usb- usc- usa- usb- uscUcUsc-UsaUbUsb-Usc-UsbUaUsaUAB 图2-59 同步变压器和整流变压器的接法及矢量图912.9.3 触发电路的定相触发电路的定相表2-4 三相全控桥各晶闸管的同步电压（采用图2-59变压器接法时）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ua-uc+ub-ua+uc-ub同步电压-usa+usc-usb+usa-usc+usb 为防止电网