第二章--整流电路

1、1第第2章章 整流电路整流电路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：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。按交流输入相数分为单相电路单相电路和多相电路多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路单拍电路和双拍电路双拍电路。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。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wwwwt0wt1p2 ptttu2 uguduVTaq000 ud u2 u152.1.1 单相半波可控整流电路单

2、相半波可控整流电路触发角触发角, a a导通角导通角：移相范围移相范围： a a 的取值范围相控方式相控方式：改变触发脉冲的相位 分段线性方法分段线性方法：基本方法重要的基本重要的基本概念概念62.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 阻感负载wu20p2 ptug0udiduVTqa+ + +72.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路a)b)VTRLVTRLu2u2基本分析方法器件的理想化，理想开关，开或者关，二者必居其一分段线性电路82.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路)sin(2)sin(22)(2dwaawwtZUeZUitLRpaaapwwp2

3、cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU平均值（积分上下限，周期）一阶电路三要素法VTRLu2有效值（方均根值）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续流二极管增大输出电压平均值阻感负载u2udiduVTiVTIdIdwt1wtp-ap +aiVDR VDR VT u2 ud id102.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波单相半波可控整流可控整流电路的特电路的特点点11单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路pwtwtwt000i2udidaaVT1,4两个桥臂两个桥臂, 电阻负载电阻负载 id ud VT1 VT2

4、VT3 VT4 i212单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路输出（直流）电压平均值，越大越好paawwp2cos19 . 0)( dsin2122UttUUd每个流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半：ddVTII212cos19 . 02aRURUIdd输出（直流）电流平均值 id ud VT1 VT2 VT3 VT4132.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路单个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Id有效值相等：pawwp)(d)sin2(2122ttRUIVTpawwp)()sin2(1222tdtRUII id ud VT1 VT2 V

5、T3 VT4142.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路u2wtud输出电压idOIdIdIdIdIdiVT1,4一个重要假设：负载电感很大，负载电流id恒值换流，或称之为换相输入电压iVT2,3i2uVT1,4 id ud VT1 VT2 VT3 VT4输出电流晶闸管电流变压器二次侧电流i2何时换流，取决于下组触发信号何时到来152.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路输出电压平均值输出电压平均值apaawwpcos9 . 0)(dsin2122dUttUU每个晶闸管移相范围为90。每个晶闸管承受的最大正反向电压均为 22U162.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式

6、全控整流电路在|u2|E时，晶闸管才有导通的可能。至|u2|=E，id即降至0，使得 晶闸管关断，此后ud=E 。，停止导电角idEudwtIdaqd id ud VT1 VT2 VT3 VT4i2E17单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路（反电势负载） d d , 触发脉冲足够宽。uidOEdwtIdOwtqd18单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路变压器不存在直流磁化的问题wtwaudi1t输出电压 udVT1VT2i1uin变压器原边电流 i1输出电流 id输出电流 iduin19单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路dO2udidIdi2IdIdIdIIdawtapapaiV

7、T1iVD4iVT2iVD3iVDR202.1.4 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路无续流二极管换流问题VT1，VD4VT1，VD3VT2，VD3VT2，VD4VT1VT2VD3VD4212.1.4 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路有续流二极管避免失控现象续流过程由VDR完成续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。22单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路的另一种接法单相桥式半控整流电路的另一种接法注意续流回路注意续流回路232.2 三相可控整流电路三相可控整流电路242.2 三相可控整流电路三相可控整流电路引言引言交流测由三相电源供电。交流测由

8、三相电源供电。负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。滤波。基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广整流电路应用最广。252.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路a =0 共阴极接法自然换相点u2uaubuca =0wt1wt2wt3uGudOuabuaciVT1uVT1wtwtwtwtwtuaubucudVT126图图2-13 三相半波可控整流电路，电阻负载，三相半波可控整流电路，电阻负载， a a=30=30 时的波形时的波形a =30u2uaubucwtwtwtwtw

9、tuGuduabuacwt1iVT1uVT1uaca a=30 ：负载电流处于连续和断续之间的临界状态uaubucudVT127三相半波可控整流电路，电阻负载， a a=60时的波形wwttwtwta =60u2uaubucOOOOuGudiVT1uaubucudVT1a a=60 ：负载电流断续,导通角为90 282.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路awwpapapcos17.1)(sin232126562UttdUUd)6cos(1675. 06)(sin22321appapwwpttdUUd整流输出电压平均值（注意积分周期、上限、下限）整流输出电压平均值（注意积分周期、上

10、限、下限）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：292.2.1 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RUIdd222RM45.2632UUUU22UUFM302.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路重要假设：L很大，id波形基本平直。a30时：整流电压与电阻负载时相同。a30时。ua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，但可简化为一条

11、水平线。阻感负载时的移相范围为90。udiauaubucibiciduacaa=60312.2.2 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三相桥是应用最为广泛的整流电路导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6共阳极组共阳极组共阴极组共阴极组编号顺序编号顺序322.2.2 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

12、不能出现负值 波形图： a =90 （ 图221）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是12033图图2-18 三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载a a=0=0 时的波形时的波形wwwwu2ud1ud2uduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubtttta = 0iVT1uVT134三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载a a= 30 = 30 时的波形时的波形wwwwud1ud2a = 30iattttuduabuacuaubucwt1uabuacubcu

13、baucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuVT135三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载a a= = 60 60 时的波形时的波形wwwa = 60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtwt1OtOtuVT136图图2-21 三相桥式全控整流电路带电阻负三相桥式全控整流电路带电阻负载载a a= 90 = 90 时的波形时的波形ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtOwtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT137三相桥

14、式全控整流电路三相桥式全控整流电路时 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 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路（2）对触发脉冲的要求：）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60（为什么？）（为什么？）。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（为什么

15、？）（为什么？）。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（为什么？）（为什么？）。 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个管，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一周期脉动一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉脉波整流电路。波整流电路。（4）需保证同时导通的）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲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一种是双（窄）脉冲双（窄）脉冲触发（常用）触发（

16、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）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。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40三相桥式全控整流电路的触发脉冲三相桥式全控整流电路的触发脉冲宽脉冲宽脉冲 双窄双窄脉冲脉冲 41三相桥式全控整流电路的触发脉冲三相桥式全控整流电路的触发脉冲 三相桥式三相桥式可控整流可控整流电路电路 6个晶闸个晶闸管门极触管门极触发信号发信号 宽脉冲宽脉冲42三相桥式全控整流电路的触发脉冲三相桥式全控整流电路的触发脉冲 三相桥式三相桥式可控整流可控整流电路电路 6个晶闸个晶闸管门极触管门极触

17、发信号发信号 双窄脉冲双窄脉冲43图图2-21 三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载 a a= 90 = 90 时的波形（负载电流断续）时的波形（负载电流断续）宽脉冲宽脉冲 44图图2-21 三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载 a a= 90 = 90 时的波形（负载电流断续）时的波形（负载电流断续）双窄双窄脉冲脉冲 45a60 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

18、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。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。46图图2-22 三相桥式全控整流电路带阻感负三相桥式全控整流电路带阻感负载载a a= 0 = 0 时的波形时的波形ud1u2ud2u2LudidwtOwtOwtOwtOuaa = 0ubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuaciVT147图图2-2

19、3 三相桥式全控整流电路带阻感负三相桥式全控整流电路带阻感负载载a a= 30 = 30 时的波形时的波形ud1a = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacwtOwtOwtOwtOidiawt1uaubuc48图图2-24 三相桥式全控整流电路带阻感负载三相桥式全控整流电路带阻感负载a a= 90 = 90 时的波形时的波形a = 90ud1ud2uacubcubaucaucbuabuacuabuduacuabuacwtOwtOwtOubucuawt1uVT1492.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路3) 定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或

20、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）502.2.2 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2-17中所示采用星形接法，带阻感负载时，变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压器二次侧电流波形如图2-23中所示，其有效值为：中所示，其有效值为：ddddIIIII816.03232)(3221222ppp

21、（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。512.4电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路522.4电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路在交在交直直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用。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

22、也称这类电路为二极管（不控）整流电路。532.4.1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b)0iudqdp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4iCiRud542.4.1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

23、 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,ud552.4.2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)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt562.4.2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考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联考虑实际电路中

24、存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况：的电感时的工作情况：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2-32 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b)c)iaiaOOw tw t572.5 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数582.5 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(harmo

25、nics)和和无功无功(reactive power)问题日益严重，引起了关问题日益严重，引起了关注。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。59狄里赫利条件狄里赫利条件: 在在1829年，狄里赫利得出结论：只有在满足一年，狄里赫利得出结论：只有在满足一定条件时，周期信号才能展开成傅里叶级数。定条件时，周期信号才能展开成傅里叶级数。 一、周期函数分解为傅里叶级数一、周期函数分解为傅里叶级数式中

26、式中T为周期，为周期，k = 0、1、2、3 （k为正整数）为正整数）)()(kTtftf Tp pw w2 （1）函数在一周期内极大值与极小值为有限个。）函数在一周期内极大值与极小值为有限个。（2）函数在一周期内间断点为有限个，）函数在一周期内间断点为有限个，而且，在这些不连续而且，在这些不连续 点上，点上， f(t) 的函数值必须是有限值。的函数值必须是有限值。（3）在一周期内函数绝对值积分为有限值）在一周期内函数绝对值积分为有限值 。 dttfT0)(即即任何满足狄里赫利条件的周期函数任何满足狄里赫利条件的周期函数f(t)可展开成傅里叶级数可展开成傅里叶级数2.5.1谐波和无功功率分析基

27、础谐波和无功功率分析基础60)sin( )sin( )2sin()sin()(1022110kkkkktkcctkctctcctfq qw wq qw wq qw wq qw w sincos )2sin2cos()sincos()(1022110tkbtkaatbtatbtaatfkkkw ww ww ww ww ww w 周期函数傅里叶级数展开式为周期函数傅里叶级数展开式为还可表示成下式还可表示成下式将同频率将同频率 与与 合并，合并，)(tfcossin61kkkkkkcbcaq qq qcossin 或或即即f(t)在一周期内平均值在一周期内平均值求傅里叶系数求傅里叶系数(Fourie

28、r coefficient)的公式：的公式：kkkkkkbabac q qtan22两种表示式中系数间的关系：两种表示式中系数间的关系：kakbkq qkc 2200d)(1d)(1TTTttfTttfTa p pp pw ww wp pw w)(dcos)(1dcos)(20ttktfttktfTaTk p pp pw ww wp pw w)(dsin)(1dsin)(20ttktfttktfTbTk00ac 62)sin( )sin( )2sin()sin()(1022110kKkkktkcctkctctcctfq qw wq qw wq qw wq qw w 直流分量直流分量谐波分量谐波

29、分量基波基波二次谐波二次谐波高次谐波高次谐波(higher harmonic) k 2次的次的谐波谐波奇次谐波奇次谐波(odd harmonic) k为奇为奇次的次的谐波谐波偶次谐波偶次谐波(even harmonic) k为偶为偶次的次的谐波谐波k次谐波次谐波63奇函数，波形对称于原点奇函数，波形对称于原点)sin(sinxx 正弦函数是奇函数正弦函数是奇函数)()(tftf (a)1. 根据函数奇偶性来判断根据函数奇偶性来判断二、二、 波形的对称波形的对称(symmetry)性与傅里叶系数的关系性与傅里叶系数的关系 此类函数的傅里叶级数展开式只包含正弦函数项，不此类函数的傅里叶级数展开式只

30、包含正弦函数项，不包含余弦函数项和常数项。包含余弦函数项和常数项。f(t)0tT-Tf(t)0tT-T64(b) )()(tftf 偶函数，波形对称于纵轴偶函数，波形对称于纵轴。余弦函数是偶函数余弦函数是偶函数)cos(cosxx 此类函数的傅里叶级数展开式只包含余弦函数项，不此类函数的傅里叶级数展开式只包含余弦函数项，不包含正弦函数项，可能有常数项。包含正弦函数项，可能有常数项。f(t)0tT-Tf(t)0tT-T65)2()(Ttftf 半波对称横轴半波对称横轴2. 根据半波对称性质判断根据半波对称性质判断 此类函数的傅里叶级数展开式只包含奇次函数项，不此类函数的傅里叶级数展开式只包含奇次

31、函数项，不包含偶次函数项，没有常数项。包含偶次函数项，没有常数项。f(t)0tT-T)2(Ttf 3. 平移纵轴平移纵轴(改变时间起点），可以改变函数的奇偶性，但不改变时间起点），可以改变函数的奇偶性，但不能改变半波对称性质。能改变半波对称性质。)(tftT0-T662.5.1谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础1） 谐波对于非正弦波电压，满足狄里赫利条件狄里赫利条件，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）

32、%1001IIHRInn%1001IITHDhi正弦波电压可表示为：)sin(2)(utUtuw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672.5.1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：pwp20cos)(21UItuidP（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 sin （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：SPl（2-62）

33、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：222QPS（2-63）功率因数是由电压和电流的相位差 决定的：l l =cos （2-64）682.5.1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中的情况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。SPl非正弦电路的有功功率 ：P=U I1 cos 1 （2-65）功率因数功率因数为：11111coscoscoslIIUIUISP（2-66） 基波因数基波因数n =I1 / I，即基波电流有效值基波电流有效

34、值和总电流有效值总电流有效值之比 位移因数位移因数（基波功率因数基波功率因数）cos 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。692.5.1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的无功功率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）22PSQ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 sin 1 (2-68）在非正弦情况下， ，因此

35、引入畸变功率畸变功率D，使得： （2-69）222fQPS2222DQPSfQ 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。702.5.2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（电流i2的波形见图2-6）i2OwtdLLL,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

36、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。712.5.2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，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，功率因数为所以，功率因数为d122IIppII12 209 .aapllcos9.0cos22cos111IIalcoscos11（2-77） 功率因数计算功率因数计算722.5.2带阻感负载时可控整流电路带阻感负载时可控整流电路

37、 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：d32II（2-78）tud1a = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac wtOwOwtOwtOidiawt1uaubucd32II （2-78）732.5.3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（一般性了解）（一般性了解）

38、1) 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。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。LCw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。742.7整流电路的有源逆变工作状整流电路的有源逆变工作状态态752.7.1逆变的概念逆变的概念1) 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（能量回馈能量回馈）。 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场合。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。762.7.1逆变的概念逆变的概念2) 直流发电机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（旋转机组变流装置，旋转机组变流装置，G-M系统系统）。两个电动势

40、同极性相接时，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。772.7.1逆变的概念逆变的概念3) 逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机（静止式变流装置静止式变流装置）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(?)。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（为什么？）。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。792.7.2三相桥整流电路的有源逆

41、变工作状态三相桥整流电路的有源逆变工作状态逆变和整流的区别：控制角控制角a不同不同 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。802.7.2三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三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图形及晶闸管两端电压波形如图2-46所示。所示。图2-46 三相桥式整流

42、电路工作于有源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb =p4b =p3b =p6b =p4b =p3b =p6wt1wt3wt2812.7.2三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：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/3，故流过晶闸管的电流有效值

43、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：ddVTIIII816.03222822.7.3逆变失败与最小逆变角的逆变失败与最小逆变角的限制限制逆变失败（逆变颠覆）（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、准确地给各晶闸管分配脉冲，如

44、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832.7.3逆变失败与最小逆变角的逆变失败与最小逆变角的限制限制换相重叠角的影响：换相重叠角的影响：图2-47 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 giVT1iVTiVT3iVTiVT322842.8 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统852.8 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统（系统概念）（系统概念）有系统信号反馈有系统信号反馈为闭环控制为闭环控制无

45、系统信号反无系统信号反馈为开环控制馈为开环控制功率输出功率输出触发（驱动）触发（驱动）控制信号控制信号强电环节强电环节弱电控制强电弱电控制强电小功率控制大功率小功率控制大功率本节内容本节内容电力电子变换装置电力电子变换装置电路系统基本构成电路系统基本构成框图（闭环）框图（闭环）晶闸管晶闸管-直流电动机直流电动机系统框图（开环）系统框图（开环）862.8 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统引言引言晶闸管直流电动机系统晶闸管可控整流装置带直流电晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统动机负载组成的系统。是电力拖动系统中主要的一种（目前以交流拖动为主）。是可控整流装置的主要用途之一。 对该

46、系统的研究包括两个方面：其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本节主要从第二个方面进行分析。872.8.1晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 工作于整流状态工作于整流状态整流电路接反电动势负载时，整流电路接反电动势负载时，负载电流断续，对整流电路和负载电流断续，对整流电路和电动机的工作都很不利。电动机的工作都很不利。在实际应用中要尽量避免出现在实际应用中要尽量避免出现负载电流断续的工作情况。负载电流断续的工作情况。图2-48 三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形通常在电枢回路串联一平平波电抗器波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续

47、，如图2-48。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR882.8.1 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 工作于整流状态工作于整流状态此时，整流电路直流电压的平衡方程为此时，整流电路直流电压的平衡方程为（2-112）式中，式中，。 为电动机的反电动势 负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括： 变压器的电阻压降 电枢电阻压降 由重叠角引起的电压降 晶闸管本身的管压降，它基本上是一恒值。系统的两种工作状态：系统的两种工作状态：电流连续工作状态电流连续工作状态电流断续工作状态电流断续工作状态UIREUdMdp23BMBXRRRMEdIRBdRIMdRI)2(3pd

48、BIXU平波电抗器平波电抗器呢？呢？892.8.1 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 工作于整流状态工作于整流状态转速与电流的转速与电流的机械特性关系式为关系式为1) 电流连续时电动机的机械特性电流连续时电动机的机械特性 在电机学中，已知直流电动机的反电动势为nCEeM（2-113）可根据整流电路电压平衡方程式（2-112），得UIRUEdMacos17. 12（2-114）edeCUIRCUnacos17. 12（2-115）图2-49 三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性其机械特性是一组平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。调节a a 角，即可调节电动机的转速。O

49、na1a260a)3cos(22paU当Id减小至某一定值Id min以后，电流变为断续，这个 是不存在的，真正的理想空载点远大于此值。0E 图2-50 电流断续时电动势的特性曲线断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0OIdminId(0.585U2)( U2)2（?）912.8.1 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 工作于整流状态工作于整流状态电流断续时电动机机械特性的特点（定性分析）：图2-50 电流断续时电动势的特性曲线电流断续时理想空载转速升高。机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。随着a 的增加，进入断续区的电流值加大（为什么（为什么?）。为保证在最小负

50、载电流Imin时电流波形连续，主回路电感量：断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0OIdminId(0.585U2)( U2)2Oa3a2a1Id分界线断续区连续区a5a4E0E图2-51 考虑电流断续时不同a 时反电动势的特性曲线a a 1 a 2 a 3 a 460 92v 对于三相半波整流：对于三相半波整流：v 对于三相桥式整流：对于三相桥式整流：Imin为电动机的空载电流，一般取电动机额定电流的为电动机的空载电流，一般取电动机额定电流的5%10%)(.46. 1min2mHIULd)(.693. 0min2mHIULd932.8.2 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 工作于

51、有源逆变状态工作于有源逆变状态1) 电流连续时电动机的机械特性（电动机为发电状态）电流连续时的机械特性由 决定的。 逆变时由于 ， 反接，得 因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式RIEUdMdbcos0ddUUME)cos(0RIUEddMb（2-122)cos(10RIUCnddeb（2-123)图2-52 电动机在四象限中的机械特性正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a =b =p2a =b =p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向942.8.2 晶闸管直流电动

52、机系统晶闸管直流电动机系统 工作于有源逆变状态工作于有源逆变状态2) 电流断续时电动机的机械特性逆变电流断续时电动机的机械特性，与逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似整流时十分相似：理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性。逆变状态的机械特性是整流状态的延续。影响电动机的理想空载转速n0)6sin(220pbeCUn（可以从波形上分析出上述公式）952.8.3直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统图2-53 两组变流器的反并联可逆线路图2-53a与b是两组反并联的可逆电路a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线c对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况正组和反组变流器的

53、切换（简称正反桥切换正反桥切换）这里介绍的是一种电机电枢电流反向系统，此外还有励磁反向。962.8.3直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论：连接的可逆电路的相关概念和结论：环流环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。正向运行时由正组变流器供电；反向运行时，则由反组变流器供电（是由晶闸管的单向导电性决定的）。根据对环流的处理方法，反并联可逆电路又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流（ ）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。电动机都可四象限运行四象限运行。可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变

54、。ba972.8.3直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。实现电动机的回馈制动。abab 配合控制的有环流可逆系统对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证a=b b 的配合控制关系 。假设正组为整流，反组为逆变，即有a Pb b N N ，Uda aP=Udb bN，且极性相抵，两组变流器之间没有直流环流。但两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流。串入环流电抗器LC限制环流。982.8.3直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统逻辑无环流可逆系统工程上使用较广泛，不

55、需设置环流电抗器。只有一组桥投入工作（另一组关断），两组桥之间不存在环流。两组桥之间的切换两组桥之间的切换过程：首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理使主回路电流变为零，使原导通晶闸管恢复阻断能力。随后再开通原封锁着的晶闸管，使其触发导通。 这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程由逻辑单元控制，称为逻辑控制无环流逻辑控制无环流系统。直流可逆电力拖动系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统”（运动控制系统直流调速部分）中进一步分析讨论。992.9相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制1002.9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： 晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a a的大

56、小即控制触发控制触发脉冲起始相位脉冲起始相位来控制输出电压大小。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（模拟模拟电路控制方案电路控制方案）。101三相桥式全控整流电路的触发脉冲三相桥式全控整流电路的触发脉冲宽脉冲宽脉冲 双窄双窄脉冲脉冲 102三相桥式全控整流电路的触发脉冲三相桥式全控整流电路的触发脉冲 三相桥式三相桥式可控整流可控整流电路电路 6个晶闸个晶闸管门极触管门

57、极触发信号发信号 宽脉冲宽脉冲103三相桥式全控整流电路的触发脉冲三相桥式全控整流电路的触发脉冲 三相桥式三相桥式可控整流可控整流电路电路 6个晶闸个晶闸管门极触管门极触发信号发信号 双窄脉冲双窄脉冲1042.9.1同步信号为锯齿波的触发同步信号为锯齿波的触发电路电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。也可为单窄脉冲。三个基本环节：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。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。图图2-54 同步信号为锯齿波的触发电路

58、同步信号为锯齿波的触发电路1052.9.1同步信号为锯齿波的触发同步信号为锯齿波的触发电路电路1) 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V4的基极控制信号有三个: 锯齿波、uP、uCO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RQutsVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ucoupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8

59、VD15VD11VD14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。1062.9.1同步信号为锯齿波的触发同步信号为锯齿波的触发电路电路2) 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。V2周期性导通与截止，ue3为周期性的锯齿波，锯齿波的 宽度由V2截止时间决定，锯齿波斜率由电位器RP2决定。 V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路图图2-54 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1072.9.1同步信号为锯齿波

60、的触发同步信号为锯齿波的触发电路电路3) 脉冲移相v ub4 = ue3 + uco + upv up为一负电压，叠加到V4的基极，使锯齿波与横坐标有一交点，V4在交点处由截止转为导通，此时正好为产生脉冲的时刻。v 改变up可以改变脉冲的初始相位，一般将交点放在锯齿波的中点上，即=900。v 移相控制电压uco，当uCO0时，锯齿波上移，相当于交点前移，脉冲相位前移， 900。v 移相控制电压uco，当uCO0时，锯齿波上移，相当于交点后移，脉冲相位后移， 900。v 对可逆系统，脉冲移相范围为1800，锯齿波宽度一般为24001082.9.1同步信号为锯齿波的触发同步信号为锯齿波的触发电路电