第2章整流电路

1、第第2章章 整流电路整流电路第第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：按交流输入相数分为单相电路单相电路和三相电路三相电路。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。 按交流电源的波形分为半波整流半波整流和全波整流全波整流。 按控制原理的不同分为相控整流相控整流和高频高频PWM整流整流。 整流电路整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。2.1 单相整流电路单相整流电路2.1.1 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

2、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)u1u2uVTudidwt1p2 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)2.1.1 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法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路。图2-2 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

3、 b)VT处于导通状态 电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。2.1.1 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 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路波形分析：波形分析：当VT导通时：当VT关断时：VT导通的条件： ，所有正半周 门极对阴极加正向脉冲 : 导通时=0；关断时=u22duu 0dupp) 12(2nnVTuwwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00w

4、wwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTa aq0b)c)d)e)00图2-1 单相半波可控整流电路及波形触发脉冲触发脉冲整流输出整流输出管压降管压降电源电压电源电压2.1.1 2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路根据工作原理，有以下重要概念：根据工作原理，有以下重要概念：控制角控制角： a a 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 a表示,也称触触发角发角或控制角控制角。a a = 180o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 。移相及移相范围：移相及移相范围： 改变a a角的大小称

5、移相， a a角有效移相范围称移相范围。2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路电路参数计算：电路参数计算：)()sin2(21222VTtdRtUIIIwwppa直流输出电压平均值为：直流输出电压平均值为：wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTa aq0b)c)d)e)00图2-1 单相半波可控整流电路及波形触发脉冲触发脉冲整流输出整流输出管压降管压降电源电压电源电压输出电流平均值为：输出电流平均值为：RUIdd)(dRuid输出电流有效值：输出电流有效值：RIP2小结：小结：1）整流电压调节范围：）整流电压调节范围：2）移相范围：）移

6、相范围： 18003）晶闸管承受的最大电压：）晶闸管承受的最大电压：uVT=U222.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路wwwtttuduVTa aq000 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相位控制方式式，简称相控方式相控方式。自然换相点a a =0o 处成为自然换相点2) 带带阻感负载阻感负载的工作情况的工作情况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能发生突变。实际生产中，负载既有电阻也有电感，称为阻感负载。若LR，认为为电感性电感性负载。 图2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形wttwwtwtwu20

7、wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路w电路分析：电路分析： VT承受正压： u2的正半周， 承受正压区间给脉冲即导通， VT阻断状态：id =0, ud =0, uVT =u2 ， VT导通状态：ud =u2 （在 角内） VT导通： ud =u2， uVT =0 。uL的存在使id 不能突变, id 的波形非正弦波，从0开始增加，当u2 由正变负的过零后， id 已经处于下降过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态，由于L的作用使VT到通道负半周。u t2 时刻,电感能量释放完毕, id 降至零,VT

8、关断并立即承受反压。 由于电感的作用使VT导通到负半周，整流电压ud 出现负面积, 平均值Ud下降。2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路w 图2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +wt2pp) 12(2nn2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路当回路电感量L很大时，VT导通的正负面积接近相等。Ud 0。若阻抗角为定值， 角大， 越小。若为定值， 越大， 越大，且平均值Ud 越接近零。为解决上述矛盾，在整流电路的负载两端并联一个二极管，称为续流二极管，用VDR 表示

9、。2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图2-3 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 续流二极管续流二极管当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流。2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路RUIddddVTIIpap2实际使用时，当 ，按 近试计算：其移相范围为1800，其承受的最大正反向电压均为u2 的峰值即 。续流二极管承受的电压为-ud ，其

10、最大反向电压亦为 。电路参数计算电路参数计算(单相半波带阻感负载有续流二极管时）：u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)ddIiddVDRIIpap2ddVTItdIIIpapwppa2)(2122RL w22U22U2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路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。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。 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2.1.2 单相桥

11、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 )pwtwtwt000i2udidb)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 Contrelled Rectifier)2.1.2 单相桥式全控整流电

12、路单相桥式全控整流电路数量关系数量关系（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：（2-11）(2-10)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,42.1.2 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。（2-12）（2-13）（2-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,42.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式

13、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。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=+a 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，此过程称换相换相，亦称换流换流。2.1.2 单相桥式全控整流电路

14、单相桥式全控整流电路 数量关系数量关系（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。晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22U2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,42.1.2 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

15、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 。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，（2-16）b)idOEudwtIdOwtaqd2.1.2 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)R动画演示2.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路（2-18）当a=0时，Ud最大，为 。(2

16、-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，此时有：ap6ap652.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的规律如图2-15中的曲线1所示。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 2-电阻电感负载2.2.1 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次相电压的峰值，即（2-20）（2-21）（2-22）2.2.1 三相半波可控整流电路三相半

17、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时的波形如图2-16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。阻感负载时的移相范围为90。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt动画演示2.2.1 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

18、（2-18）求出，即Ud/U2与a成余弦关系，如图2-15中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，Ud/U2与a的关系将介于曲线1和2之间，曲线3给出了这种情况的一个例子。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 2-电阻电感负载2.2.1 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。（2-23）（2-24）（2-25）小小 结结 重点：重点：1 1）三相半波整流电路不同负载下的分析；

19、）三相半波整流电路不同负载下的分析； 2 2）三相可控整流电路的）三相可控整流电路的 =0=0位置；位置； 3 3）三相半波整流电路的）三相半波整流电路的3 3脉波特点及缺点；脉波特点及缺点； 4 4）该电路的电气量波形绘制及计算。）该电路的电气量波形绘制及计算。思考题：思考题： 三相半波共阳极接法整流电路三相半波共阴极接法三相半波共阴极接法RR三相半波共阳极接法三相半波共阳极接法2.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路共阴极接法： 触发脉冲有公共点；各阳极之间相互要求绝缘。共阳极接法： 触发脉冲没有公共点；各阳极联为一体，可整体散热，螺旋形晶闸管阳极接散热器。 三相半波共阳极接法

20、整流电路apapwwp611672)(sin2321ttdUUdacos17.12U 其他参数计算与共阴极接法相同三相桥式电路的组成：三相半波整流电路*主要特点： 2 为单方向电流，变压器二次有直流磁化。共阴极，脉冲共地；共阳极，散热器一体化。三相半波共阴极接法三相半波共阴极接法RiR三相半波共阳极接法三相半波共阳极接法三相桥式电路的组成：2.2.2 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

21、通顺序： VT1VT2 VT2- VT4 VT5VT6三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路触发工作方式触发工作方式2.2.2 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2-18 ） a =30 （图2-19） a =60 （图2-20）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2-21）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是1202.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路

22、晶闸管及输出整流电压的情况如表2-1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=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 请参照图2-182.2.2 三相桥式全控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-VT2-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V

23、T1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。2.2.2 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特点a60 时时（a =0 图2-22；a =30 图2-23）ud波形连续，工作情

24、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2-24）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。2.2.2 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a60 电阻、阻感负载

25、时，整流电压、电流均连续。整流电压平均值为：输出电流平均值为 ：Id=Ud /R2.2.2 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 a 60， 电阻负载，电流断续； 电感负载，电流连续。2.2.2 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 a 60， 电阻负载时，电流断续，整流电压平均值为：输出电流平均值为 ：Id=Ud /R2.2.2 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 a 60， 电感性负载， 电流连续，与 a60相同 。整流电压平均值为：输出电流平均值为 ：Id=Ud /R2.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全

26、控整流电路当整流变压器副边为 星形接法，带阻感负 载时，变压器二次侧 电流有效值为：（2-28）uduabuacubcubaucaucbuabuacwtOwtOwtOidia2.2.2 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：（2-29）式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。思考题：思考题：如果是阻感负载，如果是阻感负载，ud波形又是怎样的？波形又是怎样的？假设假设a a=0。2.3

27、 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路2.3 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。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。2.3.1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，因u

28、2ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至w 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。b)0iudqdp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud2.3.1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iD平均值为： ID = Id / 2=IR/ 2 二极管承受的电压二极管承受的电压 （2-47）（2-48

29、）（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： Ud1.2 U2。（2-46）2.3.1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为此情况，但分析复杂。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,ud2.3.2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1） 基本

30、原理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。图2-30 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt2.3.2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 电流id 断续和连续的临界条件临界条件w wRC=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= /w wC。由 “电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在 的时刻“速度相等”恰好发生，则有图2-31电容滤波的三相桥式整流电路

31、当w wRC等于和小于 时的电流波形 a）w wRC=b）w wRCua，VT6导通，此电流在流经LP时，LP上要感应一电动势up，其方向是要阻止电流增大。可导出Lp两端电压、整流输出电压的数学表达式如下：wupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路平衡电抗器使得两组三相半波整流电路同时导电的原理分析原理分析：.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路原理分析原理分析(续续)：图2-38 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导

32、电的情况虽然 ，但由于Lp的平衡作用，使得晶闸管VT6和VT1同时导通。 时间推迟至ub与ua的交点时， ub = ua ， 。 之后 ub ub ，电流才从VT6换至VT2。此时VT1、VT2同时导电。 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。.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路由上述分析以可得：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平衡电抗器中点作为整流电压输出的负端，其输出的整流电压瞬时值为两组三相半波整流电压瞬时值的平均值。波形如图2-35 a。谐波分析ud中的谐波分量比直流分量要小得多，

33、且最低次谐波为六次谐波。直流平均电压为：2017.1UUd2.4.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路a a =30 、 a a =60 和和a a =90 时输出电压的波形分析时输出电压的波形分析图2-39 当a a =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（2-98）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。90a。60a。30audududwtOw

34、tOwtOuaubucucuaububucucuaububucucuaub2.4.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路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 a a 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是单相桥的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。2.4.2 多重化整流电路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

35、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： 提高功率、提高功率因数（减少电流谐波）。2.4.2 多重化整流电路多重化整流电路移相多重联结移相多重联结图2-40 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脉波整流电路脉波整流电路。2.4.2 多重化整流电路多重化整流电路移相移相30 构成的串联构成的串联2重联结电路重联结电路图2-4

36、1 移相30串联2重联结电路 图2-42 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0a)b)c)d)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+ )Id323(1+)Id33Id132.4.2 多重化整流电路多重化整流电路iA基波幅值Im1和n次谐波幅值Imn分别如下：（2-103）（2-104）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 cosj j1 1=c

37、osa a （单桥时相同）功率因数 l l=n n cosj j1 1 =0.9886cosa aUUdcos266p2.4.2 多重化整流电路多重化整流电路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串联3重联结电路重联结电路：整流变压器采用星形三角形组合无法移相20，需采用曲折接法。整流电压ud在每个电源周期内脉动18次，故此电路为18脉脉波整流电路波整流电路。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：cosj j1 1=cosa a l l=0.9949cosa a2.4.2 多重化整流电路多重化整流电路

38、将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联串联4重联结电路重联结电路： 为为24脉波整流电路脉波整流电路。 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：cosj j1 1=cosa al l=0.9971cosa a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。2.5 有源逆变电路有源逆变电路2.5.1 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。有源逆变电路交流侧和电网连

39、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。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。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。2.5.1 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，电流总是从电动势高的流向低的，回路电

40、阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。2.5.1 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)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUd /2，使Ud为负值。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。逆变和整流的区别：逆变和整流的区别：控制角控制角 a a 不同不同 0a a p p /2 时，电路工作在整流状态。时，电路工

41、作在整流状态。 p p /2 a a p p /2时的控制角用时的控制角用 pp a a = b b 表示，表示， b b 称为称为逆变角逆变角， a a 与与 b b 描述的是描述的是同一个同一个脉冲脉冲， 逆变角逆变角 b b 和控制角和控制角 a a 的计量方向相反，的计量方向相反，其大小自其大小自b b =0的起始点的起始点向左方向左方计量。计量。 a a b b =p p；2.5.1 2.5.1 逆变的概念逆变的概念00cos(120 )cos(60 ) 02cos0.9cosddUUUaa02cos0.9cosddUUUbb 整流电压：整流电压：逆变电压：逆变电压：注：注：a a

42、= 1200 与与 b b =600 为同一脉为同一脉冲：冲：三相桥式电路工作于有源逆变状态。三相桥式电路工作于有源逆变状态。为了实现逆变：为了实现逆变： 控制角控制角a a p p /2，或，或bp bp /2， Ud为上负下正，即为上负下正，即Ud90，则电路仍可工作，但电流断续，电压，则电路仍可工作，但电流断续，电压均值为均值为0。如在负载中加入与晶闸管同向的较大电动势，。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。电流可以连续，电压均值为负值。即为逆变状态。2.5.2 三相桥式有源逆变电路三相桥式有源逆变电路三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆

43、变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图2-46所示。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uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb =p4b =p3b =p6b =p4b =p3b =p6wt1wt3wt22.5.2 三相桥式有源逆变电路三相桥式有源逆变电路有源逆变状态时各电量的计算：REUId输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即bbcos35. 1cos34. 222UUUd（2-105）每个晶闸管导通2p p/

44、3，故流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577. 03（2-106）从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：dMddIEIRP2（2-107）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。（2-108）在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：ddVTIIII816.032222.5.3 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。触发电路工作不可靠，不能适时、准确地

45、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) 逆变失败的原因逆变失败的原因 采用精确可靠的触发电路；采用精确可靠的触发电路； 使用性能良好的晶闸管；使用性能良好的晶闸管； 保证交流电源的质量；保证交流电源的质量； 留出充足的换相裕量角。留出充足的换相裕量角。2.5.3 2.5.3 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) 防止逆变失败的措施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逆变失败与最小逆变角的限制换相重叠角的影响：图2-47 交流

46、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（从图2-47右下角的波形中可清楚地看到），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 giVT1iVTiVT3iVTiVT3222.5.3 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

47、 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）。值约取为10。2.5.3 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：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 g220V800A240kV。A5%15202) 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这样， b bmin一般取3035。2.6

48、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 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数引言引言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)和无功(reactive power)问题日益严重，引起了关注。无功的危害：导致设备容量增加。使设备和线路的损耗增加。线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害：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。2.6.1 2.6.1 谐波与功率因数的关系谐波与功率因数的关系可控整流电路有功功率：可控整流电路有功功率：

49、 对于电网来说，电压畸变率很小，而电流畸变率较大，所以一般认为电压为正弦。 电路的有功功率电路的有功功率: (不同频率的电压电流不做功） I1 基波电流有效值； 基波电流有效值与电压的相位差。2.6.1 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电压，满足狄里赫利条件，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）正弦波电压可表示为：)sin(2)(utUtujw基波（fundamental）频

50、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2.6.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础2.6.1 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中的情况电路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率：（2-59）视在功率视在功率为电压、电流有效值的乘积，即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 定义为有功功率P和视在功率S的比值：（2-62） 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：（2-63）功率因数是由电压和电流的相位差j 决定

51、的：l l =cos j j （2-64）2.6.1 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。非正弦电路的有功功率 ：P=U I1 cosj j1 （2-65）功率因数功率因数为：（2-66） 基波因数基波因数n =I1 / I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数位移因数（基波功率因数）cosj j 1功率因数由基波电流相移基波电流相移和电流波形畸变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谐

52、波和无功功率分析基础非正弦电路的无功功率定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。一种简单的定义是仿照式（2-63）给出的： （2-67）无功功率Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受。也可仿照式（2-61）定义无功功率，为和式（2-67）区别，采用符号Qf，忽略电压中的谐波时有：Q f =U I 1 sinj j 1 (2-68）在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率畸变功率D，使得： （2-69）Q 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。2.6.2 整流电路交流侧谐波和功率因数分析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单相桥式全控整流电路忽

53、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2-6）i2Owtd（2-72）变压器二次侧电流谐波分析：n=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。2.6.2 整流电路交流侧谐波和功率因数分析整流电路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，结合式（2-74）可得基波因数为 （2-75）电流基波与电压的相位差就等于控制角a a ，故位移因数为 （2-76） 所以，功率因数为 （2-77） 功率因数计算功率因数计算2.6.2 整流电路交流侧谐波和功率因数分

54、析整流电路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，其有效值与直流电流的关系为：（2-78）tud1a = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac wtOwOwtOwtOidiawt1uaubuc（2-78）au1ai120dIa30aia302.6.2 整流电路交流侧谐波和功率因数分析整流电路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

55、波分析：电流基波和各次谐波有效值分别为（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：（2-81）位移因数仍为：（2-82）功率因数为：（2-83）2.6.3 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：谐波次数为奇次。谐波次数越高，谐波幅值越小。谐波与基波的关系是不固定的。 越大，则谐波越小。

56、关于功率因数的结论如下：位移因数接近1，轻载超前，重载滞后。谐波大小受负载和滤波电感的影响。2.6.3 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：谐波次数为6k1次，k =1，2，3。谐波次数越高，谐波幅值越小。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：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。随负载加重（wRC的减小），总的功率因数提高；

57、同时，随滤波电感加大，总功率因数也提高。2.6.4 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 整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。图2-33 a =0时，m脉波整流电路的整流电压波形a a =0 时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析。整流输出电压谐波分析整流输出电压谐波分析整流输出电流谐波分析整流输出电流谐波分析详见书详见书P740.80.91图 2-330.81udwtOpmpm2pmU222.6.4 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 =0时整流电压、电流中的谐波有如下规律：m脉波整

58、流电压ud0的谐波次数为mk（k=1，2，2.）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。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。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。 2.6.4 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：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。图2-34 三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与a a 的关系以n为参变量，n

59、次谐波幅值对a a 的关系如图2-34所示：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。2.8 相控电路的驱动电路相控电路的驱动电路2.8 相控电路的驱动电路相控电路的驱动电路引言引言相控电路：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

60、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。2.8 相控电路的驱动电路相控电路的驱动电路引言使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口2.