电力电子技术第3章-整流电路PPT课件

1、1/131引言整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。 整流电路的分类 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。 按电路结构可分为桥式电路和零式电路。 按交流输入相数分为单相电路和多相电路。 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为单拍电路和双拍电路。 按控制原理可分为相控整流和高频PWM整流（也叫斩控整流）。第1页/共205页2/131 本章首先讨论最基本最常用的几种可控整流电路，分析和研究其工作原理、基本数量关系以及负载性质对整流电路的影响。然后集中分析变压器漏抗对整流电路的影响。对目前应用极其广泛的电容滤波的二极

2、管不控整流电路，本章也详细讨论。在上述分析讨论的基础上，对整流电路的谐波和功率因数进行分析。应用于大功率场合的整流电路有其特点，本章也进行介绍。最后介绍整流电路相位控制的实现。第2页/共205页3/131 学习整流电路的工作原理时，要根据电路中的开关器件通、断状态及交流电源电压波形和负载的性质，分析其输出直流电压、电路中各元器件的电压和电流波形。在重点掌握各种整流电路中波形分析方法的基础上，得到整流输出电压与移相控制角之间的关系。第3页/共205页4/1313.1 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 单相全波可控整流电路 单相桥式半控整流电路第4页/共205页5/13

3、1单相半波可控整流电路wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图3-1 单相半波可控整流电路及波形带电阻负载的工作情况（在工业生产中，很多负载呈现电阻特性，如电阻加热炉，电解、电镀装置等） 变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用u1和u2表示，有效值分别用U1和U2表示，其中U2的大小根据需要的直流输出电压ud的平均值Ud确定。 电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。 在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零，除非特意

4、研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。 第5页/共205页6/131改变触发时刻，ud和id波形随之改变，直流输出电压ud为极性不变 但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流。加之电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路称为单相半波可控整流电路。整流电压ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。基本数量关系 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称为触发延迟角，也称触发角或控制角。 q q：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。 直流输出电压平均值 随着a a增大，U

5、d减小，该电路中VT的a 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，简称相控方式。 单相半波可控整流电路paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222UUttdUUd（3-1）第6页/共205页7/131带阻感负载的工作情况（实际生产中，更常见的负载是既有电阻也有电感，当负载中感抗wLR，则负载主要呈现为电感，称为电感负载，例如电机的励磁绕组） 电感对电流的变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势，其极性是阻止电流变化的，当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电

6、流减小。这使得流过电感的电流不能发生突变，这是阻感负载的特点，也是理解整流电路带阻感负载工作情况的关键之一。第7页/共205页8/131第8页/共205页9/131第9页/共205页10/131单相半波可控整流电路uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+图3-2 带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形 电路分析 晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。 在wt1时刻，即触发角a处 ud=u2。 L的存在使id不能突变，id从0开始增加,这时交流电源一方面供给电阻消耗的能量，另一方面供给电感吸收的磁场能量。 u2由正变负的过零点处

7、，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。此后，电感中储存的能量逐渐释放，一方面供给电阻消耗的能量，另一方面供给变压器二次绕组吸收的能量。 wt2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。 由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。 wt2第10页/共205页11/131单相半波可控整流电路电力电子电路的一种基本分析方法 把器件理想化，将电路简化为分段线性电路。 器件的每种状态组合对应一种线性电路拓扑，器件通断状态变化时，电路拓扑发生改变。 以前述单相半波电路为例 当VT处于断态时，相当 于电路在VT处

8、断开， id=0。当VT处于通态时， 相当于VT短路。两种情 况的等效电路如图3-3所 示。 a)b)VTRLVTRLu2u2图3-3 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处于导通状态第11页/共205页12/131单相半波可控整流电路VTb)RLu2VT处于通态时，如下方程成立： 在VT导通时刻，有wt=a，id=0，这是式（3-2）的初始条件。求解式（3-2）并将初始条件代入可得tURitiLwsin2dd2dd)sin(2)sin(22)(2waawwtZUeZUitLRd式中， ， 。由此式可得出图3-2e所示的id波形。当wt=q+a时，id=0

9、，代入式（3-3）并整理得 22)( LRZwRLtgw1)sin()sin(aqaqtge图3-3 b) VT处于导通状态 (3-2)(3-3)(3-4)式（3-4）为超越方程，可采用迭代法借助计算机求解第12页/共205页13/131单相半波可控整流电路 若 为定值，a a角大，q q越小。 若a a为定值， 越大，q q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。有续流二极管的电路 电路分析 u2正半周时，与没有续流二极管 时的情况是一样的。 当u2过零变负时，VDR导通，ud 为零，此时为负的u2通过VDR向V

10、T 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。 若L足够大，id连续，且id波形接 近一条水平线 。u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp -ap +ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图3-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 第13页/共205页14/131ddVTIIpap2ddVTItdIIpapwppa2)(212ddVDIIRpap2(3-5)(3-6)ddVDItdIIRpapwpapp2)(2122(3-7)(3-8)第14页/共205页15/131 晶闸管触发信号的移相范围

11、为180 ，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，其最大反向电压为 ，亦为u2的峰值。 单相半波可控整流电路的特点是简单，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。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了设备的容量。实际上很少用这种电路。 22U22U第15页/共205页16/131单相桥式全控整流电路NoImageu (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形a)带电阻负载的工作情况 电路分析 闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2 和VT3组成另一对

12、桥臂。 在u2正半周（即a点电位高于b点电位） 若4个晶闸管均不导通，id=0,ud=0,VT1、VT4串联承受电压u2。 在触发角a处给VT1和VT4加触发 脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。 当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。 在u2负半周，仍在触发角a处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。 到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。 VT2和VT3的a=0处为wt=p第16页/共205页17/131 交流电源的正负半波都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波

13、整流。 一周期内，整流电压波形脉动2次，属于双脉波整流电路。 变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。第17页/共205页18/131基本数量关系 晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 和 。 整流电压平均值为： =0时，Ud= Ud0=0.9U2。=180 时，Ud=0。可见，角的移相范围为180 。 向负载输出的直流电流平均值为： 单相桥式全控整流电路222U22Upaaapwwp2cos19 . 02cos122)( dsin21222UUttUUd2cos19 . 02cos12222aapRUR

14、URUIdd(3-9)(3-10)第18页/共205页19/131晶闸管轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流的一半 ： 单相桥式全控整流电路2cos145. 0212aRUIIddVT(3-11)第19页/共205页20/131流过晶闸管的电流有效值为： 变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为 由式（3-12）和（3-13）可见：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。单相桥式全控整流电路papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222RUttRUIVTpapapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIIIVT

15、21(3-12)(3-13)(3-14)为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此要计算电流有效值第20页/共205页21/131单相桥式全控整流电路2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u图3-6 单相桥式全控整流电流带阻感负载时的电路及波形带阻感负载的工作情况 电路分析 在u2正半周期 （假设电路已工作于稳态） 触发角a处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。 负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用。假设负载电感很大，id连续且波形近似为一条水平线，如图3-

16、6d所示。 u2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。 wt=p+a时刻，触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，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，此过程称为换相，亦称换流。 a)b)c)d)e)f)g)h)主意3-6h此处与3-5c的区别第21页/共205页22/131单相桥式全控整流电路基本数量关系 整流电压平均值为： 当a a=0时，Ud0=0.9U2。a a=90 时，Ud=0。晶闸管移相范围为90 。 晶闸管承受的最大正反向电压均为 。 晶闸管导通角q q与a

17、 a无关，均为180 ，其电流平均值和有效值分别为： 和 。 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 a角决定，有效值I2=Id。 apaaapwwpcos9 . 0cos22)( dsin21222dUUttUU22UddVT21IIddVT707. 021III(3-15)第22页/共205页23/131带反电动势负载时的工作情况 当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。 电路分析 |u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。 晶闸管导通之后，ud=u2， ，直至|u2|=E，id即

18、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。 当a30 当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，此时输出电压和电流均为零。 负载电流断续，各晶闸管导通角小于120。 第47页/共205页48/131 当某相触发脉冲提早出现在对应自然换流点之前而且脉冲很窄时，会出现触发脉冲到来时管子还未承受正压，而当管子开始承受正压时，触发脉冲却已消失，导致此时输出电压为零，使输出电压成为断续的各相间隔导通的缺相波形，这是不允许的。为此，在实际可控整流装置中，脉冲左移时必须有相应的限制措施。第48页/共205页49/1

19、31三相半波可控整流电路基本数量关系当a a继续增大，整流电压将越来越小， a a= 150 时，整流输出电压为零。故电阻负载时a a角的移相范围为0 -150 。 整流电压平均值 a a30 时，负载电流连续，有 当a a=0时，Ud最大，为Ud=Ud0=1.17U2。 a a30 时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有 aapwwpapapcos17.1cos263)(sin2321226562UUttdUUd)6cos(1675.0)6cos(1223)(sin23212262apappwwppapUUttdUUd(3-18)(3-19)此处书中有错第49页/共205页50/131三

20、相半波可控整流电路Ud/U2随a a变化的规律 03060901201501.17321a/( )Ud/U2图3-16 三相半波可控整流电路Ud/U2与a的关系电阻负载电感负载阻感负载第50页/共205页51/131三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 RUIdd22245. 2632UUUURM(3-20)(3-21)第51页/共205页52/131三相半波可控整流电路 所以，晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于变压器二次相电压的峰值即 2222866. 022330sin23UUU22UUFM(3-22)连续时阳极与阴极间最大

21、正向电压：断续时阳极与阴极间最大正向电压：22U220.866 22UU因为：第52页/共205页53/131三相半波可控整流电路阻感负载 电路分析 L值很大，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波，各管导电120 。 a a30 时，整流电压波形与电阻负载时相同。 a a30 时，当u2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。 uuuudiaabcibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwtu图3-17 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电

22、路及a=60时的波形第53页/共205页54/131三相半波可控整流电路基本数量关系 a a的移相范围为90 。 整流电压平均值 Ud/U2与a a的关系 L很大，如曲线2所示。 L不是很大，则当a a30 后，ud中负的部分可能减少，整流电压平均值Ud略为增加，如曲线3 所示。acos17.12dUU03060901201501.17321a/( )Ud/U2图3-16 三相半波可控整流电路Ud/U2与a的关系第54页/共205页55/131三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，即

23、三相半波可控整流电路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。ddVTIIII577. 0312ddAVVTIII368. 057. 1577. 0)(245. 2UUURMFM(3-23)(3-24)(3-25)书中有错第55页/共205页56/131三相桥式全控整流电路原理图 阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。 共阴极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1，VT3，VT5，共阳极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2。 晶闸管的导

24、通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。 图3-18 三相桥式全控整流电路原理图第56页/共205页57/131带电阻负载时的工作情况 电路分析可以采用与分析三相半波可控整流电路时类似的方法，假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就对应于晶闸管a=0时的情况。此时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小（或者说负得最多）的一个导通。这样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。第57页/共205页58/131)270sin(6)210sin(6)150sin(6)

25、90sin(6)30sin(6)30sin(6)240sin(2)120sin(2sin2222222222tUuuutUuuutUuuutUuuutUuuutUuuutUutUutUubccbaccaabbacbbccaacbaabcbawwwwwwwww第58页/共205页59/131a=0时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二次绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud波形时，既可以从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。（以变压器二次侧的中点n为参考点）第59页/共205页60/131从相电压波形看，共阴极组晶闸管导

26、通时，整流输出电压ud1为才三相相电压在正半轴的包络线；共阳极组晶闸管导通时，整流输出电压ud2为3个相电压在负半轴的包络线；总的输出电压ud=ud1 -ud2，是两条包络线的差值，将其对应到线电压波形上即为6个线电压在正半轴的包络线。第60页/共205页61/131直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压的ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为六个线电压在正半轴的包络线。第61页/共205页62/131三相桥式全控整流电路为了说明各晶闸管的工

27、作情况，将波形中的一个周期等分为六段，每段为60 ，如图3-19所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况表如表3-1所示。时段时段共阴极组中导通的晶闸管共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb表3-1 三相桥式全控整流电路电阻负载a=0时晶闸管工作情况第62页/共205页63/131第63页/共205页64/131第64页/共205页65/131三相桥式全控

28、整流电路 当触发角a a改变时，电路的工作情况将发生变化 a a=30 时，晶闸管起始导通时刻推迟了30 ，组成ud的每一段线电压因此推迟30 ，ud平均值降低，波形见图3-20。 a a=60 时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。a a=60 时ud出现了为零的点，波形见图3-21。 由此可见，a a60 时ud波形是连续的。对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的。当a a60 时 因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值。 a a=90 时的波形见图3-22。 如果a a继续增大至120 ，

29、整流输出电压ud波形将全为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路a a角的移相范围是0 - 120 第65页/共205页66/131第66页/共205页67/131三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路的一些特点 每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。 对触发脉冲的要求 6个晶闸管的脉冲按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，VT

30、5与VT2，脉冲相差180 。第67页/共205页68/131三相桥式全控整流电路整流输出电压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。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲 宽脉冲触发 ：使脉冲宽度大于60 （一般取80 100 ） 双脉冲触发 ：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60 ，脉宽一般为20 30 。 双脉冲触发电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁芯体积做得很大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联

31、不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。 第68页/共205页69/131第69页/共205页70/131 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、反向电压的关系也一样。第70页/共205页71/131三相桥式全控整流电路阻感负载时的工作情况 电路分析 当a a60 时 ud波形连续，电路的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等都一样。 区别在于电流，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的波形在导通段都可近似为一条水平线。 a a=0 时的波形见图3-23，a a=30 时的波

32、形见图3-24。 当a a60 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，而阻感负载时由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。 a a=90 时，ud波形见图3-25， 其正负面积基本相等， ud 平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路a a角的移相范围是0 - 90 。 第71页/共205页72/131三相桥式全控整流电路基本数量关系 带电阻负载时三相桥式全控整流电路a a角的移相范围是0 120 ，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a a角移相范围为0 90 。 整流输出电压平均值 （以线电压的过零点为坐标的零点） 带阻感负载时

33、，或带电阻负载a a60 时 带电阻负载且a a60 时 awwpapapcos34.2)(sin63123232UttdUUd)3cos(134. 2)(sin63232apwwppapUttdUUd(3-26)(3-27)第72页/共205页73/131三相桥式全控整流电路输出电流平均值为Id=Ud/R。当整流变压器为图3-18中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图3-24中所示，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，在负载电感足够大使负载电流连续的情况下，电

34、路工作情况与电感性负载时相同，仅在于计算Id时有所不同，为： 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。 2221222()0.8162333ddddIIIIIppp REUIdd(3-28)(3-29)第73页/共205页74/131三相桥式半控整流电路第74页/共205页75/1313.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感 实际上变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感LB表示，并将其折算到变压器二次侧。 由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。 现以三相半波为例来分析，然后将其结论推广 假设负载中电感很大，负载电流为水平

35、线。 第75页/共205页76/1313.3 变压器漏感对整流电路的影响分析从VT1换相至VT2的过程 在wt1时刻之前VT1导通， wt1时刻触发VT2，因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，两相间电压差为ub-ua，它在两相组成的回路中产生环流ik如图所示。 ik=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。 换相过程持续的时间用电角度表示，称为换相重叠角。 a6pudidwtOwtOiciaibiciaIduaubucawt1时刻 图3-26 考虑变压器漏感时

36、的三相半波可控整流电路及波形 第76页/共205页77/1313.3 变压器漏感对整流电路的影响基本数量关系 换相过程中，整流输出电压瞬时值为 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，即 2ddddbabaduutiLutiLuukBkB(3-30)dBIkBkBkBbbdbdIXdiLtddtdiLtddtdiLuutduuUdpwpwpwpwpapapapapapap2323)(23)()(23)()(3210656565656565(3-31)第77页/共205页78/131ddUUUacos17. 12第78页/共205页79/1313.3 变压器漏感对整流电路的影响

37、换相重叠角 由式（3-30）得出： 由上式得： 进而得出： 当 时， ，于是 B2Bab2)65(sin62)(ddLtULuutikpw2Bd65sin ()d26kiUttXpww2256BB6655sin()d()coscos()2626tkUUitttXXwpappwwaw65pawtdIik)cos(cos26B2daaXUI2dB62)cos(cosUIXaa(3-32)(3-33)(3-34)(3-35)(3-36)第79页/共205页80/1313.3 变压器漏感对整流电路的影响 随其它参数变化的规律： Id越大则 越大； XB越大 越大； 当a a90 时，a a越小 越大。

38、其它整流电路的分析结果 电路形式电路形式单相全波单相全波单相全控桥单相全控桥三相半波三相半波三相全控桥三相全控桥m脉波整流电路脉波整流电路 dU)cos(cosaadBIXpdB2IXpdB23IXpdB3IXpdB2ImXp2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22Bd注：单相全控桥电路中，XB在一周期的两次换相中都起作用，等效为m=4； 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。23U23U表3-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算 第80页/共205页81/1313.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电

39、路影响的一些结论: 出现换相重叠角 ，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，有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。 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。第81页/共205页82/1313.3 变压器漏感对整流电路的影响例：三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5，L=，U2=220V，XB=0.3，求Ud、Id、IVD、I2和 的值并作出ud、iVD和i2的波形。解：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路a a0时的情况

40、。 Ud2.34U2cosa aUd Ud3XBIdp p IdUdR 解方程组得： Ud2.34U2cosa a（13XB/p pR）486.9（V） Id97.38（A） 又 =2 U2 即得出 =0.892 换流重叠角 26.93 二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为 IVD Id56.22（A） I2a Id79.51（A） ud、iVD1和i2a的波形如图3-27所示。acos)cos(aBdXI6cos3231书中有错第82页/共205页83/1313.4 电容滤波的不可控整流电路 电容滤波的单相不可控整流电路 电容滤波的三相不可控整流电路 第83页/共205页84/1313

41、.4 电容滤波的不可控整流电路引言交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，供后级的逆变器、斩波器等使用。前面介绍的各种可控整流电路形式，只要将其中的晶闸管换为二极管，就是不可控整流电路最常用的是单相桥式和三相桥式两种接法。 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。第84页/共205页85/131电容滤波的单相不可控整流电路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 和w wRC 分别是电流id断续和连续的条件。 通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重，因此在轻载时直流侧获得

42、的充电电流是断续的，重载时是连续的。 32=+t)-32( - tRC1232=+t2t)(d32sin6d)(d)+tsin(6dpwpwwpwwpwqweUtU333a)b)wtwtwtwtaidaidOOOO图3-33电容滤波的三相桥式整流电路当wRC等于和小于时 的电流波形a）wRC= b）wRC时，交流侧电流和电压波形如图3-32所示，其中可仿照单相电路的方法。确定之后，即可推导出交流侧线电流ai的表达式，在此基础上可对交流侧电流进行谐波分析。第96页/共205页97/131电容滤波的三相不可控整流电路b)c)iaiaOOw tw t考虑电感 实际电路中存在交流侧电感以及为抑制冲击电

43、流而串联的电感。 有电感时，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。 图3-34 考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形a）电路原理图 b）轻载时的交流侧电流波形 c）重载时的交流侧电流波形第97页/共205页98/131电容滤波的三相不可控整流电路主要数量关系 输出电压平均值 3220222222216sin() ()6sin()()36 6111sin()sin()cos()2226 61111sin() 1 () sin()cos()2221 ()1 ()6 61sin() 1 () cos()sin(2tR

44、CdUUtdtUedtUR CUR CR CR CR CUR Cwqpqwqwwqwpqqwqpwqwqqpwwqwqp2222211)sin()cos()226 611sin() 1 () sin()()226 61sin()1 ()2UR CUR Cqqqqwqqpqwp第98页/共205页99/131主要数量关系 输出电压平均值 Ud在（2.34U2 2.45U2）之间变化。 电流平均值 输出电流平均值IR为： IR=Ud/R 电容电流iC平均值为零，因此： Id=IR 二极管电流平均值为Id的1/3，即 ID=Id/3=IR/3 二极管承受的电压 为线电压的峰值，为 。电容滤波的三相不

45、可控整流电路(3-51)(3-52)(3-53)26U第99页/共205页100/1313.5 整流电路的谐波和功率因数谐波和无功功率分析基础带阻感负载时可控整流电路交流侧谐 波和功率因数分析电容滤波的不可控整流电路交流侧谐 波和功率因数分析整流输出电压和电流的谐波分析 第100页/共205页101/1313.5 整流电路的谐波和功率因数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 产生附

46、加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率。 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。 第101页/共205页102/131 由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，世界上许多国家都发布了限制电网谐波都会造成很大的危害，世界上许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。世界各国所的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。世界各国所制定的谐波标准大都比较接近。在国际上，各个国际组织如国制定的谐波标

47、准大都比较接近。在国际上，各个国际组织如国际电气电子工程协会（际电气电子工程协会（IEEE）、国际电工委员会（）、国际电工委员会（IEC）和国）和国际大电网会议（际大电网会议（CIGRE）纷纷推出了各自建议的标准，其中较）纷纷推出了各自建议的标准，其中较有影响的是有影响的是IEEE519-1992和和IEC555-2。我国由技术监督局于。我国由技术监督局于1993年发布了国家标准（年发布了国家标准（GB/T14549-1993）电能质量电能质量 公用电网谐波公用电网谐波，并从，并从1994年年3月月1日开始实施。日开始实施。第102页/共205页103/131谐波 正弦波电压可表示为 式中U为

48、电压有效值； u为初相角；w w为角频率，w w=2p pf=2p p/T；f为频率； T为周期。 满足狄里赫利条件的非正弦电压u(w wt)分解为如下形式的傅里叶级数 谐波和无功功率分析基础)sin(2)(utUtuwutaan tbn tnnn()(cossin)www01式中pwwp200)(d)(21ttuapwwwp20)(dcos)(1ttntuanpwwwp20)(dsin)(1ttntubnn=1, 2, 3(3-54)(3-55)第103页/共205页104/131谐波和无功功率分析基础或utacntnnn()sin()ww01式中，cn、n和an、bn的关系为cabnnn2

49、2nnnarctg ab(/)acnnnsinbcnnncos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。 第n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 HRIIInn1100(%)电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）分别定义为（Ih为总谐波电流有效值） (%)1001IITHDhi(3-56)(3-57)(3-58)22hnnII第104页/共205页105/131谐波和无功功率分析基础功率因数 正弦电路 有功功率就是其平均

50、功率： pwp20cos)(21IUtiduP式中U、I分别为电压和电流的有效值，为电流滞后于电压的相位差。视在功率为： S=UI 无功功率为： Q=UIsin 功率因数为： SP无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间的关系： 222QPS在正弦电路中，功率因数是由电压和电流的相位差决定的，其值为：=cos (3-59)(3-60)(3-61)(3-62)(3-63)(3-64)第105页/共205页106/13122PSQ11cosUIP 非正弦电路 有功功率为功率因数为：式中I1为基波电流有效值，1为基波电流与电压的相位差。11111coscoscosIIUIUISP式中，=I1/I，即基

51、波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数，而cos1称为位移因数或基波功率因数。 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。 一般简单定义为（反映了能量的流动和交换）： 仿照式（2-61）定义为： 畸变功率D为：22222nnfIUQPSD(3-65)(3-66)(3-67)(3-68)(3-71)11sinIUQf谐波电流和电网电压不会产生有功在非正弦电路中，有功率功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同。由谐波电流产生的无功功率第106页/共205页107/131带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析单相桥式全控整流电路 忽略换相过程和电流脉动，电流波形如

52、图3-6所示，将其分解为傅里叶级数，可得 ,5, 3, 1,5, 3, 12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnnddtnItnnItttIiwwpwwwp其中基波和各次谐波有效值为 pnIIdn22n=1,3,5, 可见，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。 图3-6 i2的波形(3-72)(3-73)此处书中坐标轴位置有错第107页/共205页108/131功率因数 基波电流有效值为IId12 2pi2的有效值I=Id，可得基波因数为 pII12 209 .电流基波与电压的相位差就等于控制角a，故位移因数为 aco

53、scos11功率因数为aapcos9 . 0cos22cos111II(3-74)(3-75)(3-76)(3-77)第108页/共205页109/131图3-24 ia的波形三相桥式全控整流电路 以a=30为例，电流有效值为 dII32电流波形分解为傅立叶级数 3 , 2, 11613 , 2, 116asin2) 1(sin2sin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknnkkknkdddtnItItnnItItttttIiwwwpwpwwwwwp(3-78)(3-79)此处书中坐标轴位置有错第109页/共205页110/131带阻感

54、负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析由式（3-79）可得电流基波和各次谐波有效值分别为, 3 , 2 , 1, 16,661kknInIIIdndpp结论：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。 功率因数基波因数为955. 031pII电流基波与电压的相位差仍为a，故位移因数仍为 acoscos11功率因数为aapcos955. 0cos3cos111II(3-80)(3-81)(3-82)(3-83)第110页/共205页111/131电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析单相桥式不可控整流电路 实用的单相

55、不可控整流电路带电容滤波时，通常串联滤波电感抑制冲击电流，或因电网侧有电感而具有相同作用。这种电路可统一看作感容滤波电路，其典型的交流侧电流波形如图3-31所示，可对该电流进行傅里叶分解，但所得数学表达式十分复杂，直接给出有关结论。 a)b)u2udi20qpwti2,u2,ud图3-31第111页/共205页112/131 越大，意味着负载越轻，二极管的导通角度越小，则交流电流波形的底部就越窄，波形畸变也就越严重。电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析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，

56、 越大则谐波越大，而基波越小。 越大，则谐波越小。LCwRCwRCw串联电感L抑制了冲击电流从而抑制了交流电流的畸变第112页/共205页113/131关于功率因素的结论如下：此处书中有错第113页/共205页114/131三相桥式不可控整流电路 有滤波电感。 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： 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（w 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。第114页/共205页115/131

57、 详细分析请参考王兆安等编著的谐波抑制与无功补偿P84-P100第115页/共205页116/131整流输出电压和电流的谐波分析图3-35 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是周期性的非正弦函数，其中主要成分为直流，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。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 整流电压表达式为tUudwcos220(3-84)第116页/共205页117/131整流输出电压和电流的谐波分析对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出：tnnkUtnbUumkndmknnddwpwcos1cos21cos2000式中，k=1，2

58、，3；且：mmUUdppsin220021cos2dnUnkbp电压纹波因数 0dRuUU其中2022dmknnRUUUU(3-85)(3-86)(3-87)(3-88)(3-89)第117页/共205页118/131整流输出电压和电流的谐波分析m23612 u（%） 48.218.274.180.9940mmUtdtUmUmmppwwppp22sin1)()cos2(2222将上述式（3-89）、（3-90）和（3-86）代入（3-88）得 12222012sinsin24sinRudmmmmUmUmpppppp表3-3 不同脉波数m时的电压纹波因数值(3-90)(3-91)第118页/共2

59、05页119/131整流输出电压和电流的谐波分析负载电流的傅里叶级数 )cos(nmknnddtndIiw上式中： REUIdd022)(LnRbzbdnnnnwRLnnw1tan(3-92)(3-93)(3-94)(3-95)第119页/共205页120/131整流输出电压和电流的谐波分析a a=0 时整流电压、电流中的谐波有如下规律： m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。 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

60、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。 第120页/共205页121/131整流输出电压和电流的谐波分析 a a不为0 时的情况 整流电压分解为傅里叶级数为： 以n为参变量，n次谐波幅值对a a的关系如图3-36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。 )cos(6nknnddtncUuqw030120 150 1806090n=6n=12n=18a/()U2Lcn