电力电子大学教程第3章---整流电路m

1、第第3 3章章 整流电路整流电路S H E N Y A N G U N I V E R S I T Y O F T E C H N O L O G Y第第3章章 整流电路整流电路3.1 单相可控整流电路单相可控整流电路第第3章章 整流电路整流电路引言引言整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。单相桥式单相桥式R负载负载RL负载负载反电势负载反电势负载18001800 90单相半波可控整流电路及波形wt1p2pq(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)(Single Phase

2、Half Wave Controlled Rectifier)一、带电阻负载的工作情况一、带电阻负载的工作情况udugu2uVTwtwtwtwtTVTRu1u2uVTidud两个概念：两个概念：变压器变压器T T起变换电压和电气隔离的作用起变换电压和电气隔离的作用电阻负载特点：电压电流成正比电阻负载特点：电压电流成正比, ,两者波形相同两者波形相同触发角或控制角从晶闸管开始承受正向电压触发角或控制角从晶闸管开始承受正向电压起到施加触发脉冲止的电角度起到施加触发脉冲止的电角度, ,用用 表示表示导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用的电角度，用表

3、示表示两个概念：两个概念： 表示表示-触发角或控制角触发角或控制角 表示表示-导通角导通角 a + =1800 输出电压平均值输出电压平均值:pwwp)(sin2212ttdUUd)cos1 (222pU2cos145. 02U2cos145. 02UVTVT的的a 移相范围为移相范围为180180 通过控制触发脉冲的相位来控制直流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控方式。输出电压大小的方式称为相控方式。 1.电路电路2.工作原理及波形工作原理及波形3.3.基本数量关系基本数量关系3.1.1 3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路带阻感负载的单相半波波形带阻

4、感负载的单相半波波形阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒阻感负载的特点：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。作用，使得流过电感的电流不发生突变。二、二、带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况wt2uwtduwtdiwtVTuwtgu当当VTVT处于断态时处于断态时VTRLu2VTRLu2du1.电路电路2.工作原理及波形工作原理及波形3.3.基本数量关系基本数量关系不要求不要求当当VTVT处于通态时处于通态时0du2uud3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路T T 副边电流有效值副边电流有效值I I2 2与输出电流有效值与输出电流有效值I I相相等：等：2

5、II 周而复始周而复始一、一、 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况电路结构电路结构(Single Phase Bridge Controlled Rectifier)工作原理及波形分析工作原理及波形分析0VTVT1,41,4承受正向电压但无触发信号关断承受正向电压但无触发信号关断, , VTVT2,32,3承受反向电压关断承受反向电压关断 pVTVT1,41,4承受正向电压有触发信号导通，承受正向电压有触发信号导通， VTVT2,32,3承受反向电压关断承受反向电压关断ppVTVT2,32,3承受正向电压无触发信号关断承受正向电压无触发信号关断VTVT1,41,4承受反向电压关断，承受反

6、向电压关断， pp2VTVT2,32,3承受正向电压有触发信号导通承受正向电压有触发信号导通VTVT1,41,4承受反向电压关断，承受反向电压关断， duwt4, 1VTuGuwtdi2uwt2iwtp2p0du2uud0du2uuddi4, 1VTu数量关系数量关系pwwp)(sin212ttdUUd2cos19 . 02URUIdd角的移相范围为角的移相范围为180180 ddVTII21流过晶闸管的电流有效值流过晶闸管的电流有效值VTIpwwp)(d)sin2(2122ttRUIVTppp2sin2122RUpwwp)()sin2(1222tdtRUIIppp2sin212RUII21V

7、T不考虑不考虑T T 的损耗时，要求的损耗时，要求T T 的容量的容量 S S= =U U2 2I I2 23.1.2单相桥式全控单相桥式全控整流电路整流电路二、带阻感负载的工作情况二、带阻感负载的工作情况 单相全控桥单相全控桥 阻感负载阻感负载 duwt4, 1VTuGuwt2uwtdiwtp2pwt4, 1VTiwt2i3 , 2VTiwt假设电路已达稳态，假设电路已达稳态，i id d平均值不变。平均值不变。电感很大，电流电感很大，电流i id d连续且波形近似为水平线连续且波形近似为水平线电路结构电路结构工作原理及波形分析工作原理及波形分析周而复始周而复始2uudpppp2pVTVT1

8、,41,4正压导通正压导通,VT,VT2,32,3反压关断反压关断2uudVTVT1,41,4正压导通正压导通,VT,VT2,32,3正压关断正压关断2uudVTVT1,41,4反压关断反压关断,VT,VT2,32,3正压导通正压导通流过流过VTVT1 1, ,4 4的电流迅速转移到的电流迅速转移到VTVT2,32,3上，上，此过程称换相，亦称换流。此过程称换相，亦称换流。数量关系数量关系晶闸管移相范围为晶闸管移相范围为9090 。晶闸管导通角晶闸管导通角与与a无关，均为无关，均为180180 T T 二次电流二次电流i i2 2为正负各为正负各180180 的矩形波的矩形波, ,相位由相位由

9、a角决定角决定, ,有效值有效值I I2 2= =I Id dddVT21IIddVT707.021III承受最大正反向电压均为承受最大正反向电压均为 22Upwwp)(dsin212dttUU电流的平均值和有效值：电流的平均值和有效值：cos9 . 02U 3.1.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路反电动势电阻负载时波形 | |u u2 2|E E 时，有晶闸管承受正电压，有导通可能有晶闸管承受正电压，有导通可能在在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。直至直至|u2|=E，id降至降至0,0,使使晶闸管关断此后晶闸管关断此后ud=E REu

10、idd与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度 停止停止 导电导电, 称为停止导电角，称为停止导电角，212sinUEb)idOEudwtIdOwtq3.1.2 3.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路导通后导通后,ud=u2,触发脉冲有足够的宽度，保证当触发脉冲有足够的宽度，保证当w wt= 时刻有晶闸管开始承受正电压时，时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为为 。 当当 30 时，电流断续时，电流断续晶闸管最大正向电压晶闸管最大正向电压RUIdd2245. 26UUUR

11、M22UUFM电流平均值为电流平均值为晶闸管承受最大反压晶闸管承受最大反压 60电流断续电流断续pwwpppcos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262dpppwwpppUttdUU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：时，负载电流连续，有：a30 时，负载电流断续时，负载电流断续3.2.1 3.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路晶闸管最大正向电压晶闸管最大正向电压RUIdd222RM45.2632UUUU22UUFM负载电流平均值为负载电流平均值为晶

12、闸管承受最大反向电压晶闸管承受最大反向电压cos17.12UUd)6cos(1675. 0pdUa30 时，电流连续时，电流连续a30 时，电流断续时，电流断续晶闸管最大正向电压晶闸管最大正向电压RUIdd2245. 26UUURM22UUFM电流平均值为电流平均值为晶闸管承受最大反压晶闸管承受最大反压2）阻感负载）阻感负载三相半波三相半波,阻感负载阻感负载, =60 a3030 时：时：u ud d波形与电阻负载时相同波形与电阻负载时相同a3030 时：时：u u2 2过零时过零时VTVT1 1不关断，不关断，u ud d波形波形 中有负值，中有负值，i id d波形近似水平线波形近似水平线

13、移相范围为移相范围为9090 udiduacOwtOwtOOwtOOwtwtwt3.2.1 3.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路uaubuciaibiccos17. 12UUUd0dddVT2577. 031IIIIT 二次电流有效值二次电流有效值dVTVT(AV)368. 057. 1III晶闸管的额定电流晶闸管的额定电流2RMFM45. 2UUU最大正、反向电压最大正、反向电压主要缺点主要缺点:其其T二次电流中含有直流分量，因此应用较少二次电流中含有直流分量，因此应用较少特点：特点：L L值很大，值很大，id波形基本平直波形基本平直是应用最为广泛的整流电路是应用最为广泛的整

14、流电路共 阴 极共 阴 极组组共 阳 极共 阳 极组组三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路3.2.2 3.2.2 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 6060 ，u ud d波形连续波形连续, ,i id d与与u ud d波形波形 形状一样形状一样 6060 ，u ud d波形不连续波形不连续三相桥三相桥R 负载负载, , 移相范围是移相范围是120120 Rid=00时波形？时波形？=300时波形？时波形？=600时波形？时波形？=900时波形？时波形？ 三相桥式全控整流电路的特点三相桥式全控整流电路的特点（1 1）2 2管同时通

15、形成供电回路，其中共阴极组管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各和共阳极组各1 1。（2 2）对触发脉冲的要求：）对触发脉冲的要求：按VTVT1 1-VT-VT2 2-VT-VT3 3-VT-VT4 4-VT-VT5 5-VT-VT6 6的顺序，相位依次差的顺序，相位依次差6060 VTVT1 1、VTVT3 3、VTVT5 5的脉冲依次差的脉冲依次差120120 ，共阳极组，共阳极组VTVT4 4、VTVT6 6、VTVT2 2也依次差也依次差120120 同一相的上下桥臂，即同一相的上下桥臂，即VTVT1 1与与VTVT4 4，VTVT3 3与与VTVT6 6，VTVT5 5与与V

16、TVT2 2，脉冲相差脉冲相差180180 3.2.2 3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路（3 3）u ud d一周期脉动一周期脉动6 6次，又称次，又称6 6脉波整流电路。脉波整流电路。（4 4）需保证同时导通的）需保证同时导通的2 2个晶闸管均有脉冲个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：可采用两种方法： 60600 0的宽脉冲触发；或双窄脉冲触发（常用）的宽脉冲触发；或双窄脉冲触发（常用） (5(5）管子承受的电压同三相半波，最大正、反向电压也同。）管子承受的电压同三相半波，最大正、反向电压也同。=00时波形？时波形？=300时波形？时波形？=600时波形？时波形？=900时波

17、形？时波形？a60 时时（ =0 ； =30 ）ud连续，情况与连续，情况与R 负载时相似负载时相似2) 阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况 60 时时（ =90）u ud d波形会出现负值波形会出现负值区别：区别：i id d波形不同。电感足够大时波形不同。电感足够大时, ,i id d近似水平线近似水平线。3.2.2 3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 移相范围移相范围:90:90 3) 定量分析定量分析当电压波形连续时（即当电压波形连续时（即RL负载时，或负载时，或R 负载负载 6060 时）：时）： 带带R R负载且负载且 6060 时，整流电压平均值为：时，整

18、流电压平均值为：电流平均值电流平均值 ：Id=Ud /Rcos34.22UUd)3cos(134. 22pUUd=00时波形？时波形？=300时波形？时波形？=900时波形？时波形？ddddIIIII816.03232)(3221222ppp晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。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。电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同。仅在计算仅在计算I Id d时有所不同，接反电势阻

19、感负载时的时有所不同，接反电势阻感负载时的I Id d为：为：REUIdd式中式中R R和和E E分别分别为负载中的电阻值和反电动势的值。为负载中的电阻值和反电动势的值。3.2.2 3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路当整流变压器为图当整流变压器为图2-172-17中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二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次侧电流波形如图2-232-23中所示，其有效值为：中所示，其有效值为：i ik k= =i ib b渐增，渐增，i ia a= =I Id d- -i ik k渐小渐小当当i ik k到到I Id d时，时，i ia

20、 a=0=0，VTVT1 1关断关断, ,换流结束换流结束3.3 3.3 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VTVT1 1换至换至VTVT2 2的过程：的过程：因因a a、b b相均有漏感，相均有漏感，i ia a、i ib b均不突变。均不突变。VTVT1 1、VTVT2 2同时通，相当于同时通，相当于a a、b b两相短路，在两两相短路，在两相组成的回路中产生环流相组成的回路中产生环流i ik k。udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuc变压器存在漏感，可用一个集中的电感变压器存在漏感，可用一个集中的电感L LB B表示。表示。三相半波三相半波换相重叠角

21、换相重叠角g g 换相过程持续的时间换相过程持续的时间换相过程中，整流电压换相过程中，整流电压u ud d为同时导通的两个为同时导通的两个 晶闸管所对应的两相电压的平均值。晶闸管所对应的两相电压的平均值。2ddddbakBbkBaduutiLutiLuu换相过程中，换相过程中，u ud d平均值降低平均值降低dB0B6565B6565Bbb6565dbd23d23)(ddd23)(d)dd(23)(d)(3/21IXiLttiLttiLuutuuUIpwpwpwpwppgppgppgpdkkkdBd23IXUp换相重叠换相重叠角角g g的计算的计算B2Bab2)65sin(62)(ddLtUL

22、uutipwk由上式得：)65sin(26ddB2pwwtXUtik进而得出：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2pwwpwwptXUttXUitk3.3 3.3 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由上述推导过程，已经求得：由上述推导过程，已经求得：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2pwwpwwptXUttXUitk 当 时， ，于是65pgwtdkIi)cos(cos26B2dgXUI2dB62)cos(cosUIXg2dB62)cos(cosUIXgg g 随其它参数变化的规律：随其它参数变化的规律：3.3 3.3 变压器

23、漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响 dUdBIXpdB2IXpdB23IXpdB3IXpdB2ImXp)cos(cosg2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22Bd电路形式电路形式单相单相全波全波单相全单相全控桥控桥三相三相半波半波三相全三相全控桥控桥m m脉波脉波整流电路整流电路 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算23U23U注：注：单相全控桥电路中，环流单相全控桥电路中，环流ik是从是从-Id变为变为Id。本表所本表所列通用公式不适用列通用公式不适用； 三相桥等效为相电压等于三相桥等效为相电压等

24、于 的的6 6脉波整流电路，脉波整流电路，故其故其m=6，相电压按相电压按 代入。代入。23U23U（1） Id越大则g g 越大；（2） XB越大g g 越大；（3） 当 90 时， 越小g g 越大出现换相重叠角出现换相重叠角g g ，整流输出电压平均值整流输出电压平均值U Ud d降低。降低。整流电路的工作状态增多。整流电路的工作状态增多。晶闸管晶闸管的的d di/i/d dt t 减小，有利于晶闸管的安全开通。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有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的d di/i/d dt t。换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的换相时晶闸管

25、电压出现缺口，产生正的d du/u/d dt t，可能可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。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。换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。3.3 3.3 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影响的一些结论变压器漏感对整流电路影响的一些结论:3.4 3.4 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路最常用的是单相桥和三相桥两种接法。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。称这类电路

26、为二极管整流电路。在交在交直直交变频器、不间断电源、开关电源等场合中交变频器、不间断电源、开关电源等场合中,大量应用大量应用.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 1） 工作原理及波形分析工作原理及波形分析基本工作过程：基本工作过程：b)0iudqp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud2)2)主要的数量关系主要的数量关系Ud1.2 U22d2UU空载时，空载时， 重载时，重载时，Ud逐渐趋近于逐渐趋近于0.9U22/)53(TRC 当满足当满足 时时 电流平均值电流平均值 输出电流平均值：输出电流平均值： Id

27、= Ud /R 二极管电流二极管电流iD平均值：平均值： ID = Id / 222U 二极管承受的电压二极管承受的电压 .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a)b)u2udi20qpwti2,u2,ud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。实际应用为此情况，但分析复杂。u ud d波形更平直，电流波形更平直，电流i i2 2的上升段平缓了许多，对于电路工作有利的上升段平缓了许多，对于电路工作有利感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形某一对二极管导通时，输出电压等于

28、交流侧线电压中最大的一个，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。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，当没有二极管导通时，由电容向负载放电，u ud d按指数规律下降。按指数规律下降。a)b)Oiaudiduduabuac0qwtpp3wt电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形.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32=+t)-32( - tRC1232=+t2t)(d32sin6d)(d)+tsin(6dpwpwwpwwp

29、wqweUtU 电流电流id 断续和连续的断续和连续的临界条件临界条件w wRC=33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，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，分界点就是分界点就是R= /w wC。3由由 “ “电压下降速度相等电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设的原则，可以确定临界条件。假设在在wt+d =2p/3的时刻的时刻“速度相等速度相等”恰好发生，则有恰好发生，则有电容滤波的三相桥式整流电路当电容滤波的三相桥式整流电路当w wRC等于和小于等于和小于 时的电流波形时的电流波形 a）w wRC=b）w wRC333由上式可得由上式可得（2-

30、50）a)b)wtwtwtwtaidaidOOOO.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.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b)c)iaiaOOw tw t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。加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。重载时轻载时(1)(1) U Ud d在（2.34U2 2.45U2）之间变化(2) (2) 输出电流平均值输出电流平均值I IR R为：为：I

31、IR R = = U Ud d / /R R(3)(3)与单相电路情况一样，电容电流与单相电路情况一样，电容电流i iC C平均值为零，因此：平均值为零，因此： I Id d =I =IR R 二极管电流平均值为二极管电流平均值为I Id d的的1/31/3，即：，即：I ID D = I = Id d / / 3 3=I=IR R/ / 3 3（4 4）二极管承受的最大反向电压）二极管承受的最大反向电压 26U3.5 3.5 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数3.5 3.5 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数引言引言无功的危害：无功的危害：导致设备容量增加。导致设

32、备容量增加。使设备和线路的损耗增加。使设备和线路的损耗增加。线路压降增大，冲击性负载线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。使电压剧烈波动。谐波的危害：谐波的危害：降低设备的效率。降低设备的效率。影响用电设备的正常工作。影响用电设备的正常工作。引起电网局部的谐振，使谐引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。波放大，加剧危害。导致继电保护和自动装置的导致继电保护和自动装置的误动作。误动作。对通信系统造成干扰。对通信系统造成干扰。随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波谐波(harmonics(harmonics) )和和无功无功(

33、 (reactive powerreactive power) )问题日益严重，引起了关注问题日益严重，引起了关注3.5.1 3.5.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础1 1）谐波）谐波非正弦波电压，满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数：非正弦波电压，满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数：%1001IIHRInn%1001IITHDhi正弦波电压：)sin(2)(utUtuw基波基波（fundamentalfundamental）频率为频率为w w谐波谐波频率为频率为2 2w w（2 2次谐波）次谐波）、3 3w w（3 3次谐波）次谐波）n n次谐波电流含有率次谐波电流含有率H

34、RIHRIn n（Harmonic Ratio for Harmonic Ratio for I In n）电流谐波总畸变率电流谐波总畸变率THDTHDi i（Total Harmonic distortionTotal Harmonic distortion）正弦电路中pwp20cos)(21UItuidP视在功率：视在功率：S=UI 无功功率：无功功率：Q=U I sin SP222QPS功率因数功率因数有功功率有功功率P P、Q Q的定义与正弦电路相同，功率因数的定义与正弦电路相同，功率因数不考虑电压畸变，研究电压为正弦波、电流为非正弦波的情况不考虑电压畸变，研究电压为正弦波、电流为非正

35、弦波的情况SP非正弦电路的有功功率非正弦电路的有功功率 ：P=U I1 cos 1功率因数功率因数为：11111coscoscosIIUIUISP 基波因数基波因数n =I1 / I，即基波电流与总电流有效值之比即基波电流与总电流有效值之比 位移因数（基波功率因数）位移因数（基波功率因数）cos 1功率因数取决于基波电流相移和电流波形畸变。功率因数取决于基波电流相移和电流波形畸变。3.5.1 3.5.1 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非正弦电路中电路中3.5.2 3.5.2 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

36、) 单相桥式全控整流电路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，直流忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流电感电感L为足够大（电流为足够大（电流i2的波形见图的波形见图2-6）i2Ow wtdLLL,5,3,1,5,3,12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnItttIiwwpwwwpdd变压器二次侧电流谐波分析：变压器二次侧电流谐波分析：pnIInd22n=1,3,5, 电流中仅含奇次谐波。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。比值为谐波

37、次数的倒数。d122IIppII12 209 .pcos9.0cos22cos111IIcoscos11 功率因数计算功率因数计算基波电流有效值为基波电流有效值为i2的有效值的有效值I= Id，结合上式得基波因数为：结合上式得基波因数为：电流基波与电压的相位差就等于控制角电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故位移因数为故位移因数为所以，功率因数为所以，功率因数为3.5.2 3.5.2 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阻感负载，忽略换相过程和电阻感负载，忽略换相过程和电流脉动，直流电

38、感流脉动，直流电感L L为足够大。为足够大。以以 =30为例，此时，电流为为例，此时，电流为正负半周各正负半周各120120 的方波，其有的方波，其有效值与直流电流的关系为：效值与直流电流的关系为：d32IItud1 = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac wtOwOwtOwtOidiawt1uaubucd32II （2-78）3.5.2 3.5.2 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电流基波和各次谐波有效值分别为,3,2,

39、1,16,66dd1kknInIIInpp电流中仅含电流中仅含6 6k k 1 1（k k为正整数）次谐波。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。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位移因数仍为：coscos11功率因数为：pcos955.0cos3cos111II3.5.2 3.5.2 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.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

40、流侧谐波和功率因数分析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：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。谐波次数为奇次。谐波次数越高，谐波幅值越小。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。谐波与基波的关系是不固定的。 越大，则谐波越小。越大，则谐波越小。LCw关于功率因数的结论如下：关于功率因数的结论如下：位移因数接近位移因数接近1 1，轻载超前，重载滞后。，轻载超前，重载滞后。谐波大小受负载和滤波电感的影响。谐波大小受负载和滤波电感的影响。1) 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

41、控整流电路采用感容滤波实用的单相不可控整流电路采用感容滤波交流侧谐波组成有如下规律：交流侧谐波组成有如下规律：谐波次数为谐波次数为6 6k k1 1次，次，k k =1=1，2 2，3 3。谐波次数越高，谐波幅值越小。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。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位移因数通常是滞后的, ,但与单相时相比但与单相时相比, ,位移因数更接近位移因数更接近1 1。随负载加重（随负载加重（w wRCRC的减小），总的功率因数提高；同时，随的减小），总的功率因数提高；同时，随滤波电感加大，总功率因数

42、也提高。滤波电感加大，总功率因数也提高。.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) 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。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。.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 =0 时，时，m脉波整流电脉波整流电路的整流电压波形路的整流电压波形 =0=0 时，时，m m脉波整流电路的整脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析。流电压和整流电流的谐波分析。整流输出电压

43、谐波分析整流输出电压谐波分析整流输出电流谐波整流输出电流谐波0.80.91图 2-330.81udwtOpmpm2pmU22整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种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。频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。 =0 时整流电压、电流中的谐波有如下规律时整流电压、电流中的谐波有如下规律：m脉波整流电压脉波整流电压ud0的谐波次数为的谐波次数为mk（k=1，2，3.）次，即次，即m的倍数次；的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，也为，也为mk次。次。当当m一

44、定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低最低次（次（m m次）谐波是最主要的次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载，其它次数的谐波相对较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值中有电感时，负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速。的减小更为迅速。m m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波增加时，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。因数迅速下降。 .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.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

45、030120 150 1806090n=6n=12n=18/()U2Lcn2 三相全控桥电流连续时，以三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与为参变量的与 的关系的关系以以n n为参变量，为参变量，n n次谐波幅值对次谐波幅值对 的的关系如关系如图图2-342-34所示：所示：当当 从从0 0 90 90 变化时，变化时，u ud d的谐波的谐波幅值随幅值随 增大而增大，增大而增大， =90=90 时谐波幅值最大。时谐波幅值最大。 从从9090 180 180 之间电路工作于之间电路工作于有源逆变工作状态，有源逆变工作状态，u ud d的谐波幅的谐波幅值随值随 增大而减小。增大

46、而减小。 不为不为0 0 时的情况：时的情况：整流电压谐波一般表达式十分复杂整流电压谐波一般表达式十分复杂, ,下面只说明谐波电压与下面只说明谐波电压与 角的关系。角的关系。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：适用于低电压、大电流的场合。适用于低电压、大电流的场合。多重化整流电路的特点：多重化整流电路的特点：在采用相同器件时可达到更大的功率。在采用相同器件时可达到更大的功率。可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰电网的干扰3.6 大功率可控整流电路大功率可控整流电

47、路双反星形电路，双反星形电路， =0=0 twwtud1uaubuciaud2iaucuaubucOwtOOwtOId12Id16Id12Id.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两副绕组匝数相同极性相反，接成两组三相半波电路。两副绕组匝数相同极性相反，接成两组三相半波电路。副绕组极性相反可消除铁芯的直流磁化。副绕组极性相反可消除铁芯的直流磁化。平衡电抗器保证两组电路能同时导电。平衡电抗器保证两组电路能同时导电。与三相桥相比，输出电流可大一倍。与三相桥相比，输出电流可大一倍。为使电流平均分配，一般为使电流平均分配，一般L Lp p足够大，足

48、够大，以便限制环流在以便限制环流在I Id d 的的1%1%2%2%以内。以内。d1d2puuu)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuuwupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub环流电流环流电流i ip p，通过两组星形自成回路通过两组星形自成回路3.6.1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

49、图值为两组三相半波整流电压瞬时值的平均值。波形如图2-37 a2-37 a。)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuu谐波分析谐波分析分析详见分析详见P75-P76P75-P76。u ud d中的谐波分量比直流分量要小得中的谐波分量比直流分量要小得多，且最低次谐波为六次谐波多，且最低次谐波为六次谐波直流平均电压为：直流平均电压为：2017.1UUdu ,uwupd1d2OO60 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 当当 =30=30 、6060 、9090 时，双反星时，双反

50、星形电路的输出电压波形形电路的输出电压波形 先求出先求出u ud1d1和和u ud2d2波形，然后作出波形波形，然后作出波形( ( u ud1d1+ +u ud2 d2 ) / 2) / 2输出电压波形与三相半波电路比较，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，脉动程度减小了，脉动频率加大一倍，f f=300Hz=300Hz。电感负载情况下，移相范围是电感负载情况下，移相范围是9090 。电阻负载情况下，移相范围为电阻负载情况下，移相范围为120120 。90。60。30udududwtOwtOwtOuaubucucuaububucucuaububucucuaub3.

51、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 =30=30 、 =60=60 和和 =90=90 时输出电压的波形分析时输出电压的波形分析双反星形电路与三相桥式电路比较：双反星形电路与三相桥式电路比较：三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相半波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。并联，且后者需用平衡电抗器。当当U U2 2相等时，双反星形的相等时，双反星形的U Ud d是三相桥的是三相桥的1/21/2，而，而I Id d是单相桥是单相桥的的2 2倍。倍。两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，两

52、种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，u ud d和和i id d的波形形状一样。的波形形状一样。.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 3.6.2 3.6.2 多重化整流电路多重化整流电路原理：按规律将两个或更多相同结构的整流电路进行组合原理：按规律将两个或更多相同结构的整流电路进行组合目标：移项多重联结减少交流侧输入电流谐波，串联多重目标：移项多重联结减少交流侧输入电流谐波，串联多重整流电路采用顺序控制可提高功率因数

53、。整流电路采用顺序控制可提高功率因数。1) 移相多重联结移相多重联结有并联多重联结和串联多重联结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，因电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。而可减小平波电抗器。使用平衡电抗器来平衡使用平衡电抗器来平衡2 2组整流器组整流器的电流。的电流。2 2个三相桥并联而成的个三相桥并联而成的1212脉波整流脉波整流电路。电路。移相移相3030 串联串联2 2重联结电路重联结电路T T 二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差3030 、大小

54、相等的两组电压。大小相等的两组电压。该电路为该电路为1212脉波整流电路。脉波整流电路。0a)b)c)d)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+ )Id323(1+)Id33Id133.6.2 3.6.2 多重化整流电路多重化整流电路移相移相3030 构成的串联构成的串联2 2重联结电路重联结电路)32(34dd1IIImpp单桥时为, 3 , 2 , 1, 112341dkknInImnp即输入电流谐波次数为即输入电流谐波次数为1212k k1 1，其幅值与次数成反比而降低。其幅值与次数成反比而降低。该电路的其他特性

55、如下：该电路的其他特性如下：直流输出电压直流输出电压 位移因数位移因数 cos 1 1=cos （单桥时相同）单桥时相同）功率因数功率因数 = cos 1 1 =0.9886cos UUdcos266p3.6.2 3.6.2 多重化整流电路多重化整流电路iA基波幅值基波幅值Im1和和n次谐波幅值次谐波幅值Imn分别如下：分别如下：整流变压器采用星形三角形组合无法移相整流变压器采用星形三角形组合无法移相2020 ，需采用曲折接法。，需采用曲折接法。u ud d在每个电源周期内脉动在每个电源周期内脉动1818次，故此电路为次，故此电路为1818脉波整流电路。脉波整流电路。交流侧输入电流谐波更少交流

56、侧输入电流谐波更少, ,为为1818k k1 1次次( (k k=1,2,3=1,2,3),),u ud d的脉动也更小的脉动也更小输入位移因数和功率因数分别为：输入位移因数和功率因数分别为： cos 1 1=cos =0.9949cos 3.6.2 3.6.2 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，互相错开利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开2020 ，可将三组桥构成串联可将三组桥构成串联3 3重联结电路：重联结电路：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

57、数。大幅减小，从而也可以在一定程度上提高功率因数。 为为2424脉波整流电路。脉波整流电路。 其交流侧输入电流谐波次为其交流侧输入电流谐波次为2424k k1 1，k k=1=1，2 2，3 3。 输入位移因数功率因数分别为：输入位移因数功率因数分别为：cos 1 1=cos =0.9971cos 将整流变压器的二次绕组移相将整流变压器的二次绕组移相1515 ，可构成串联，可构成串联4 4重联结电路：重联结电路：3.6.2 3.6.2 多重化整流电路多重化整流电路只对一个桥的只对一个桥的 角进行控制，其余各桥的工作状态则根据需要角进行控制，其余各桥的工作状态则根据需要输出的整流电压而定。输出的

58、整流电压而定。 或者不工作而使该桥输出直流电压为零。或者不工作而使该桥输出直流电压为零。 或者或者 =0=0而使该桥输出电压最大。而使该桥输出电压最大。根据所需总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥根据所需总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥进行控制，因而被称为顺序控制。进行控制，因而被称为顺序控制。不能降低输入电流谐波，但是总功率因数可以提高。不能降低输入电流谐波，但是总功率因数可以提高。我国电气机车的整流器大多为这种方式。我国电气机车的整流器大多为这种方式。2) 2) 多重联结电路的顺序控制多重联结电路的顺序控制 单相串联单相串联3 3重联结电路及顺序控制时的波形重联结电

59、路及顺序控制时的波形控制过程可详见教材控制过程可详见教材P78P78。从电流从电流i i的波形可以看出，虽然波形并为改善，但其基波分量比电压的波形可以看出，虽然波形并为改善，但其基波分量比电压的滞后少，因而位移因数高，从而提高了总的功率因数。的滞后少，因而位移因数高，从而提高了总的功率因数。a)db)c)iId2 IduOp +3.6.2 3.6.2 多重化整流电路多重化整流电路 3 3重晶闸管整流桥顺序控制重晶闸管整流桥顺序控制逆变（逆变（InvertionInvertion）: DCAC (: DCAC (整流的逆过程整流的逆过程) ).1 逆变的概念逆变的概念1) 1)

60、什么是逆变？为什么要逆变？什么是逆变？为什么要逆变？3.7 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 0 p p /2 时，电路工作在整流状态。时，电路工作在整流状态。 p p /2 EG 反极性反极性形成短形成短路路同极性同极性EG EM交交流流电电网网输输出出电电功功率率电电动动机机输输出出电电功功率率3.7.1 3.7.1 逆变的概念逆变的概念3) 3) 逆变产生的条件逆变产生的条件有直流电动势有直流电动势E，极性与晶闸管导通方向一致，且幅值极性与晶闸管导通方向一致，且幅值E Ud控制角控制角 /2，使使U Ud d为负值。为负值。逆变条件逆变条件半控桥或有续流二极管的电路，