可控硅整流电路分析报告

1、实用标准第2章整流电路主要内容：单相可控整流电路的工作原理、波形分析及计算，续流二极管的作用及有 关波形分析。三相半波整流电路的波形分析及计算。三相全控桥的工作原理、波形分析及 计算。整流变压器原、附边绕组电流有效值及容量计算。带平衡电抗器的双反星性大功率 整流电路工作原理及波形分析。变压器漏抗对整流电路的影响。电路中谐波的产生、组成 及抑制方法。整流电路的谐波和功率因数。整流电路的有源逆变工作原理及实施逆变的条 件，逆变颠覆及防止措施。触发脉冲与主回路电压的同步，移相工作原理。重点：单相可控整流电路的工作原理、波形分析及计算。三相半波整流电路的波形分 析及计算。三相全控桥的工作原理、波形分析

2、及计算。变压器漏抗对整流电路的影响。电 路中谐波的产生、组成及抑制方法。整流电路的谐波和功率因数。整流电路的有源逆变工 作原理及实施逆变的条件，逆变颠覆及防止措施。触发脉冲与主回路电压的同步，移相工 作原理。难点：三相半波整流电路的波形分析及计算。三相全控桥的工作原理、波形分析及计 算。整流电路的有源逆变工作原理及实施逆变的条件，逆变颠覆及防止措施。触发脉冲与 主回路电压的同步，移相工作原理。基本要求：掌握单相各、三相半波、三相全控整流电路在不同性质负载下的工作原理 及波形分析，控制角移相范围，电流有效值、平均值的计算，对相位控制触发脉冲的基本 要求。理解以带平衡电抗器的双反星性电路为代表的大

3、功率整流电路工作原理。掌握变压 器漏抗对整流电路的影响。了解电路中谐波的产生、组成及拟制方法。掌握整流电路的谐 波和功率因数。掌握整流电路的有源逆变工作状态及实施逆变的条件，逆变状态时的能量 分析及其物理概念；掌握三相桥式逆变电路对触发脉冲的要求，逆变颠覆及防止措施。掌 握触发脉冲与主回路电压的同步问题，移相工作原理及移相范围，了解集成触发器的工作 原理及应用。整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电；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，又分为单拍电路和双拍电路。1

4、单相可控整流电路主要内容：单相可控整流电路的工作原理、波形分析及计算，续流二极管的作用及有 关波形分析。重点：单相可控整流电路的工作原理、波形分析及计算。基本要求：掌握单相控整流电路在不同性质负载下的工作原理及波形分析，控制角移 相范围，电流有效值、平均值的计算，对相位控制触发脉冲的基本要求。整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。(1) 单相桥式半波整流电路a、带电阻负载的工作情况Si ngle Phase Half Wave Con trolled Rectifier.变压器T起变换电压和隔离的作用。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同结合图2-1进行工作原理及波形

5、分析。几个概念的解释：Ud为脉动直流，波形只在U2正半周内出现，故称 半波”整流。采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该 电路为单相半波可控整流电路。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。几个重要的基本概念：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：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用B表示。基本数量关系。直流输出电压平均值为：sin dd(ai) = 1(1+ cosa) = 0.45?72 1 +(?)VT的a移相范围为180这种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

6、为相位控制方式，简 称相控方式。直流回路的平均电流为：回路中的电流有效值为：RR 2(2-2)(2-3)文档大全由式2. 2、式2. 3可得流过晶闸管的电流波形系数:IJ2兀 si i2a +4兀(兀一a)Kf(2-4)Id2(1 cos)电源供给的有功功率为：P = |Rr=UI(2-5)其中U为R上的电压有效值:1 2u ： , 一 I 伽2 Sin，t d，t =U电源侧的输入功率为：1 sin 2:- ：-：:4 二2 二S 二 S2 二 U 2 I功率因素为:cos J=12,1 si 2: ：-：S U24二2二(2-6).2当 a =0 时 cos : 2率因素也不为1。这是单相

7、半波电路的缺陷。a越大，cos a越低，a = n。可见，尽管是电阻负载，电源的功例2-1单相半波可控整流电路，电阻负载，由 220V交流电源直接供电。负载要求的 最高平均电压为60V，相应平均电流为20A，试选择晶闸管元件，并计算在最大输出情况 下的功率因数。解：(1)先求出最大输出时的控制角a，根据式(2-1)可得：2Ud200cos-11 =0.21277.80.45U 20.45X220求回路中的电流有效值，根据式(2-4)可得:I 2Kf 2 =2.06I-It =12 =2.06 20 =41.2A(3)求晶闸管两端承受的正、反向峰值电压Um：U m = 2U 2 =311V(4)

8、 选择晶闸管：晶闸管通态平均电流，可按下式计算与选择：ItIt(av) = (1.5 2)39.4 52.5A1.57取 1 T (AV) - 50A晶闸管电压定额可按下式计算与选择：Ute (2 3) Um =622 933V取Utn =1 00V可选用KP50-10型晶闸管。(5) 由式(2-6)计算最大输出情况下功率因数：cosI2R= 0.562b带阻感负载的工作情况: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。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，c? _bV-II分段进行分析计算对单相半波电路的分析可基于上述方法

9、进行： 当VT处于断态时，相当于电路在 VT处断开，id=O。 当VT处于通态时，相当于 VT短路。图2-2带阻感负载的单相半波电路及其波形a)b)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处于导通状态为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管与没有续流二极管时的情况 比较，在U2正半周时两者工作情况一样。当U2过零变负时，VDr导通，Ud为零。此时为负的U2通过VDr向VT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。续流期 间Ud为0，Ud中不再出现负的部分。数量关系若近似认为id为一条水平线，恒为

10、Id，则有：( 2-8)单相半波可控整流电路的特点简单， 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在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。实用标准VTa)r.iTRJb)c)d)e)0*严Iver!:图2-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形(2) 单相桥式全控整流电路单相整流电路中应用较多的a带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析见图2-5：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

11、冲即导通，当U2 过零时关断。数量关系:sin Ed(皿)二2近6 1 + COSor _ qtp 1 + cosct(2-9)a角的移相范围为180文档大全实用标准图2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形OS _ 23(7； l + cos 亍2(2-10)(2-11)J丄（警_血昉咕（皿）=E 口(2-12)(2-14)不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为 S=U2l2 。b带阻感负载的工作情况为便于讨论，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，由于电感 的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id,并不关断。至s

12、 t= na时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管 导通。VT2和VT3导通后，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，此过程称换相，亦称换流。(2-15)E 二丄广Q sindfd(-cosr=叫 cosa晶闸管移相范围为90晶闸管承受的最大正反向电压均为. 2U2晶闸管导通角B与a无关，均为180。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b=ldb)图2-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形文档大全C带反电动势负载时的工作情况在|U2|E

13、时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能，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 S停止导 电，S称为停止导电角。R(2-16)a)b)图2-7单相桥式全控整流电路接反电动势一电阻负载时的电路及波形在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。如图2-7b所示id波形在一周期内有部分时 间为0的情况，称为电流断续。与此对应，若 id波形不出现为0的点的情况，称为电流连 续。当触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求 触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=S时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发

14、脉冲仍然存在。 这样，相当于触发角被推迟为负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：-迴L存肿生卄，( 2-17)图2-8单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况(3) 单相全波可控整流电路alb)图2-9单相全波可控整流电路及波形单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。两者的区别：（1）

15、单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多；（2） 单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少 2 个；但是晶闸管承受的最大电压为 ，是单相全控桥的2倍；（3） 单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个 从上述（2）、（ 3）考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。（4）单相桥式半控整流电路匸raTa)3-J iVDAis图2-10单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形1I I: 1 11111J,1iI111 F111I;r*!1 1do单相全控桥中，每个导电回路中有 2个晶闸管，为了对每个导电

16、回路进行控制，只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为 单相桥式半控整流电路（先不考虑 VDr）。半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同，单相半控桥带阻感负载的情况， 假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态。在U2正半周，触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲，U2经VT1和VD4向负载供电U2 过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2, VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由和VD2续流在U2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断，七经VT3和 VD

17、2向负载供电。U2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，Ud又为零续流 二极管的作用。若无续流二极管，则当a突然增大至180。或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续 导通而两个二极管轮流导通的情况，这使 Ud成为正弦半波，即半周期Ud为正弦，另外半周 期Ud为零，其平均值保持恒定，称为失控。有续流二极管VDr时，续流过程由VDr完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续 导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗 单相桥式半控整流电路的另一种接法相当于把图 2-4a中的VT3和VT4换为二极管VD3和图2-11单相桥式半控整流电路的另一接法2

18、三相可控整流电路主要内容：三相半波整流电路的波形分析及计算。三相全控桥的工作原理、波形分析及计算。重点：三相全控桥的工作原理、波形分析及计算。难点：三相半波整流电路的波形分析及计算。三相全控桥的工作原理、波形分析及计基本要求：掌握三相半波、三相全控整流电路在不同性质负载下的工作原理及波形分 析，控制角移相范围，电流有效值、平均值的计算，对相位控制触发脉冲的基本要求。理 解以带平衡电抗器的双反星性电路为代表的大功率整流电路工作原理。负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时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。（1）三相半波可控整流电路 a电阻负载电路的特点：变压器二次

19、侧接成星形得到 零线，而一次侧接成三角形避免3 次谐波流入电网三个晶闸管分别 接a、b、c三相电源，其阴极连 接在一起共阴极接a =0 寸的工作原理分析假设将电路中的 晶闸管换作二极管，成为三相半 波不可控整流电路。此时，相电 压最大的一个所对应的二极管导 通，并使另两相的二极管承受反 压关断，输出整流电压即为该相 的相电压一周期中，在tlWt2期 间，VD 1 导通，Ud=Ua在 Wt2Wt3 期间，VD2导通，Ud=Ub在Wt3 Wt4期间，VD3导通，Ud=Uc二极 管换相时刻为自然换相点，是各 相晶闸管能触发导通的最早时 刻，将其作为计算各晶闸管触发 角a的起点，即a =0。变压器二次

20、 侧a相绕组和晶闸管VTi的电流b)c)d)e)VTivt3g I 11_0JL IIII图2-12三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a =0。时的波形波形，变压器二次绕组电流有直流分量晶闸管的电压波形，由3段组成:OJ1 OJt5rv.O11 1 /St,ihIVT(2-18)(2) a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有:ood图2-14三相半波可控整流电路，电阻负载,Va =60。时的波形图2-13三相半波可控整a =30。时的波形第1段，VTi导通期间，为 一管压降，可近似为UT1=0第2 段,在VTi关断后，VT2导通期 间，UT1=Ua-Ub=Uab，为一段

21、线电 压第3段，在VT3导通期间， UT1 = Ua-Uc= Uac为另一段线电压增 大a值，将脉冲后移，整流电路 的工作情况相应地发生变 化a=30时的波形负载电流处 于连续和断续之间的临界状 态a30的情况。特点：负载电流断续，晶闸 管导通角小于120。电阻负载时 a角的移相范围为150整流电 压平均值的计算(1) a0时，负载电流连 续，有当a=0时，Ud最大，为S3 叫。(2-18)3 - 2二U21cos(：)=2 二6 0.6751 cos( ) (2-19)6Ud/U2随a变化的规律如图2-15 中的曲线1所示。负载电流平均值为：晶闸管承受的最大反向电压，由图2-13e不难看出为

22、变压器二次线电压峰值，即：心込M込收45乞1.2（2-21）由于晶闸管阴极与零点间的 电压即为整流输出电压ud, 其最小值为零，而晶闸管阳 极与零点间的最高电压等于 变压器二次相电压的峰值， 因此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， 即扎此. （2-22）b阻感负载特点：阻感负载，L 值很大，id波形基本平直：a30 时（如 a=60 时的波形如图2-16所示） U2过零时，VTi不关断， 直到VT2的脉冲到来，才 换流，由VT2导通向负载 供电，同时向VTi施加反 压使其关断 Ud波形中 出现负的部分阻感负载 时的移相范围为90。数量关系：Ud/U2与a成余弦关系， 如

23、图2-15中的曲线2所 示。如果负载中的电感量 不是很大，则当a30。后, Ud中负的部分减少，图2-15三相半波可控整流电路Ud/U2与a的关系图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Ud略为增加，Ud/U2与a 的关系将介于曲线1和2之间。变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为一=(2-23)晶闸管的额定电流为（2-24）晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值IV；( 2-25)图2-16中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）三相桥式全控整流电

24、路应用最为广泛，共阴极组 一一阴极连接在一起的3个晶闸管（VTi, VT3, VT5）共阳 极组一一阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4, VT6, VT2）编号：1、3、5，4、6、2vt4vt6vt2 d2图2-17三相桥式全控整流电路原理图a带电阻负载时的工作情况a =0时的情况假设将电路中的晶闸管换作二极 管进行分析对于共阴极阻的3个 晶闸管，阳极所接交流电压值最 大的一个导通对于共阳极组的 3 个晶闸管，阴极所接交流电压值 最低（或者说负得最多）的导通 任意时刻共阳极组和共阴极组中 各有1个晶闸管处于导通状态 从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，Ud1为相电压的正包络线，共阳极组导通

25、时，Ud2 为相电压的负包络线，Ud=Ud1 - Ud2是两者的差值，为线电压在正半周的包络线直接从线电压 波形看，Ud为线电压中最大的一个，因此 Ud波形为线电压的包络线。三相桥式全控整流电路的特点：（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）对触发脉冲的要求：按 VT1 -VT2-VT3-VT4-VT 5-VT6 的顺序，相位依次差 60。共阴极组VTi、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 VTi与VT4, VT3与VT6, VT5与VT2,脉冲相差180表2-1三相桥式全控整流电

26、路电阻负载a=0时晶闸管工作情况时段共阴极组中导通的晶闸管共阳极组中导通的晶闸管整流输岀电压UdIIIVT1VT1VT6VT2Ua-Ub=UabUa-Uc=UacIIIIVVT3VT3VT2VT4Ub-Uc=UbcUb-Ua=UbaVVIVT5VT5VT4VT6Uc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb(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。zL 10QJtMl! : !1r 11 1 1 1 1ab I 1图2-18三相桥式全控整流电路带电阻负载a =0。时的波形V-V! V ! V； )( ；/I八丨八I /“ir Mat1 /x賈y(4) 需保证同时导通的2

27、个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发另 一种方法是双脉冲触发(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a=30时的工作情况从wt1开始把一周期等分为6段，比波形仍由6段线电压构成， 每一段导通晶闸管的编号等仍符合表 2-1的规律区别在于：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。变压器二次侧电流ia波形的特点：在Vti处于通态的 120期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的Ud波形相同，在VT4处于通态的120。期间，ia 波形的形状也与同时段的Ud波形相同，但为负值。a=60时工作情况Ud波形中每段

28、线电压 的波形继续后移，Ud平均值继续降低。a=60o时Ud出现为零的点。图2-19三相桥式全控整流电路带电阻负载a =30。时的波形小结当a60时，Ud波形每60中有一段为零，Ud波形不能出现负值。带电阻负载时三相桥式全 控整流电路a角的移相范围是120dl儿/VL气11/ZCr/z01 _1/III1v/b1iyu7ff=60臥1O.I0图2-20三相桥式全控整流电路带电阻负载a =60。时的波形41* v u V 如.I X/ I I h Ib阻感负载时的工作情况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

29、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析a60时，整流电压平均值为:(2-27)U = -Csin诚= 2.34% l+cos(- + )7T Jy+fl3输出电流平均值为ld=Ud /R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，变压器二次侧电流波形 如图2-23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：等打=0816/,(2-28)A A爪小代 VV1 VVVV / J / II x 1 /八+ T r T #n!：nLF口L厂1L11110；图2-22三相桥式整流电路带阻感负载，a =30。时的波形晶闸管电压、电流等的

30、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，在负载电感足够大足以使负载电流连续 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)厂_、r _、Mc 产一Ha011% PH加、一*yV- /k、一#Y式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。a = 90 吐杠壯眨叫 一。图2-23三相桥式全控整流电路带阻感负载a =90时的波形3变压器漏感对整流电路的影响主要内容：变压器漏抗对整流电路的影响。电路中谐波的产生、组成及抑制方法。整 流电路的谐波和功率因数。重点：变压器漏抗对整流电路

31、的影响。电路中谐波的产生、组成及抑制方法。难点：无。基本要求：掌握变压器漏抗对整流电路的影响。TbVTLRvt3I I | I % I I c I I S I Iw卅旷r厂图2-24考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感Lb表示以三相半波为例，然后将结论推广Vti换相至VT2的过程:因a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变，于是Vti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。ik=ib是逐渐增大的，而ia=ld-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，ia=O，Vti关断，换流过程结束

32、。换相重叠角 换相过程持续的时间，用电角度 丫表示:换相过程中，整流电压Ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值:(2-30 )2-31)叫訴+心巴Ft%二沖d a d/ b B d/ 2换相压降一一与不考虑变压器漏感时相比，Ud平均值降低的多少:(2-31)换相重叠角丫的计算：理二他-甘J/2妇二血s 宀2L(2-32 )2-31)由上式得:进而得出:(2-33 )2-31 )人二善。co妝+力(2-34 )2-31)当 wt=a+ 丫时，ik=ld，于是cosa-cos(g + /)=(2-35 )2-31)丫随其它参数变化的规律：(1) Id越大则丫越大；(2) Xb越大丫越

33、大；(3) 当a 90时，a越小丫越大。表2-2各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算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FTJT?r* imsw - coK*r)几広菩反几sm 变压器漏抗对各种整流电路的影响注：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,相电压按代入变压器漏 感对整流电路影响的一些结论。(1) 出现换相重叠角Y整流输出电压平均值Ud降低。(2) 整流电路的工作状态增多(3) 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/dto(4

34、) 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。(5) 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。5整流电路的谐波和功率因数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(harm onics)和无功(reactive power)问题日益严重，弓I起了关注。无功的危害：a导致设备容量增加。b使设备和线路的损耗增加。c线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害：a降低设备的效率。b影响用电设备的正常工作。c引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。d导致继电保护和自动装置的误动作。e对通信系统造成干扰(1)谐波和无功功率分析基础正弦波电压可

35、表示为：u (t) = V2u sin( co t + 口)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：基波(fun dame ntal)频率与工频相同的分量谐波一一频率为基波频率大于1整数倍的分量谐波次数一一谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电流含有率以HRIn (Harmonic Ratio for ln)表示 HRI n =100%11电流谐波总畸变率 THDi (Total Harmonic distortion)定义为IhTHDi h 100%11在正弦电路中，电路的 有功功率就是其平均功率：视在功率为电压、电流有效值的乘积，即2S=UIP =f uidt)=UI co

36、s无功功率定义为：Q=Ulsin功率因数2一。少 定义为有功功率P和视在功率S的比值: 此时无功功率=Qp与有功功率P、视在功率S之间有如下关系：功率因数是由电压和电流 的相位差决定的：，二cos在非正弦电路中，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: 流有效值之比二S二UIU=ucosco阴I功率因数：基波因数:n =l/l，即基波电流有效值和总电位移因数(基波功率因数)：COS!功率因数由基波电流相移 和电流波形畸变 这两个因素共 同决定的。非正弦电路的无功功率:Q

37、S2 - P2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。忽略电压中的谐波时有:Qf =U11 sin 1在非正弦情况下，S2=P2，q2因此引入畸变功率D，使得：Qf为由基波电流所产生的s2 = P2+q2 +D2无功功率，D是谐波电流产生的无功功率。 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析a、单相桥式全控整流电路忽略换相过程和电流脉动，在阻感负载且电感 L足够大时电流i2的波形见下图。41 i4,i2 = Id(sin cot+-sin3cot+ sin +L) n3(2-36)41Idsin n t= 2I nsin n t鳥 n 4,3,5, L nn,3,5,L2

38、、21 d其中：In-n =1,3,5,n兀由变压器二次侧电流谐波分析可知：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。基波 电流有效值为：i2 的有效胚ll=l d，结合上式可得基波因数为：0.9兀I兀电流基波与电压的相位差就等于控制角a，故位移因数为 cos 1 = cos 工:0.9 cos j所以，功率因数为：b、三相桥式全控整流电路osIH以a =30为例，在阻感负载时，忽略换相过程和电流脉动，且直流电感L为足够大。此时，电流为正负半周各120的方波，如下图所示，其有效值与直流电流的关系为：Udi2IdUd2鼻仁訂止;惡;更1! Z!爲O

39、TiI * I I I * iiid2丿31 d3 图 2-25二 i w桥式 全控整流电路O带阻感负载a =30。时的波形由变压器二次侧电流谐波分析可知，电流基波和各次谐波有效值I =渔|1 二 dI =五1n 二n = 6k _1,k = 1,2,3,分别为：电流中仅含6k （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。基波cos= ：Q955cos：（3）电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析a单相桥式不可控整流电路实用的单相不可控整流电路常采用感容滤波。 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

40、数越高，谐波幅值越小。谐波与基波的关系是不固定的。 , LC越大，则谐波越小。电容滤波的单相不可控整流电路的功率因数具有如下结论：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。b、三相桥式不可控整流电路常用的电容滤波三相不可控整流电路中通常都带有滤波电感。其交流侧谐波组成有如 下规律:谐波次数为6k 1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。电路的功率因数有如下结论：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整流电路的输出电压中主要。a、a =0寸,压和电流的0皆波对于负载的工作是不利的随负载加重（wRC的减小），总的

41、功率因数提高；同时，随滤波电感加大，总功 率因数也提高。（4）整流输出 成分为直流，同时包含各种频率的谐波,这些谐皆波 m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析lo如图2-26，当a=0时，m脉波整流电路时整流电压整流电流中的谐波有如下规律：m脉波整流电压Udo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。当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

42、迅速下降。b、a不为0。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角的关系。以n为参变量，n次谐波幅值对a的关系如图2-27所示：90当a从090变化时，ud的谐波幅值随| a增大而增大,a =90时谐波幅值最大。a从 的谐波幅值随a增大而减小0.1120 150 180L 0.20306090:/( n=12n=18180。之间电路工作于有源逆变工作状态n=6图2-27三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与:-的关系6大功率可控整流电路（1）带平衡电抗器的双反星形可控整流电路在电解电镀等工业中，常用到低电压大电流（例如几十伏，几千至几万安）可调直流电源。图2-28为带平

43、衡电抗器的双反星形可控整流电路。其变压器二次侧为两组匝数相 同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路。变压器二次侧两绕组的极性相反可消除 铁芯的直流磁化，设置电感量为 Lp的平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时 导电。与三相桥式电路相比，在采用相同晶闸管的条件下，双反星形电路的输出电流可大 一倍。i* a图2-28带平衡电抗器的双反星形可控整流电路L -齐T图2-29双反星形电路，a=0时两组整流电压、电流波形平衡电抗器的作用：两个直流电源并联时，只有当电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流，双反星形电路中，两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等，两个星形的中点n1和n2间的电压等

44、于Udi和Ud2之差。该电压加在Lp上，产生电流 ip,它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流，考虑到ip后，每组三相半波承担的电流分别为。为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp值足够大，以便限制环流在负载额定电流的1%2%以内。叫妬叫址城叫ubb)八O360图2-30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%L viIO*,I/i/XI世双反星形电路中如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路，只能有一个晶闸管导电，其余五管均阻断，每管最大导通角60，平均电流ld/6。当a =0寸，Ud为1.35U2,比三相半波时的1.17U2略大些。六相半波整流电路因晶闸

45、管导电时间短，变压器利用率 低，极少采用。双反星形电路与六相半波电路的区别就在于有无平衡电抗器，对平衡电抗器作用的理 解是掌握双反星形电路原理的关键。由于平衡电抗器的作用使得两组三相半波整流电路同时导电的，平衡电抗器Lp承担了 n1、n2间的电位差，它补偿了 Ub和ua的电动势差，使得两相的晶闸管能同时导电 将图2-29中Ud1和Ud2的波形用傅氏级数展开，可得当 a =0。时的Ud1、Ud2,即实用标准(2-37)(2-38) CUaitrf13540图2-32当a =30 60 90时，双反星形电路的输出电压波形: II + CDS 3创-CUs；I加 43540迥乙1+ - cos3(r

46、f - 60)- cos6( - 6(F) + cos9(Em b)两电动势同极性Em Eg c)两电动势反极性，形成短路a)b)图2-34单相全波电路的整流和逆变a、直流发电机一电动机系统电能的流转图2-33a M电动，EgEm，电流Id从G流向M , M吸收电功率；图2-33b回馈制动 状态，M作发电运转，此时，EmEg，电流反向，从M流向G,故M输出电功率，G则 吸收电功率，M轴上输入的机械能转变为电能反送给 G;图2-33C两电动势顺向串联， 向电阻R供电，G和M均输出功率，由于R 一般都很小，实际上形成短路，在工作中 必须严防这类事故发生。b、逆变产生的条件用单相全波电路代替上述发电

47、机，如图 2-34a，M电动运行，全波电路工作在整流状 态，a在0 /2间，Ud为正值，并且Ud Em，才能输出Id,交流电网输出电功率，电动 机则输入电功率。图2-34b表示在回馈制动时，由于晶闸管的单向导电性，Id方向不变， 欲改变电能的输送方向，只能改变 Em极性。为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须 反过来，即Ud应为负值，且|Em| |Ud I,才能把电能从直流侧送到交流侧，实现逆变。 电能的流向与整流时相反，M输出电功率，电网吸收电功率。Ud可通过改变a来进行调 节，逆变状态时Ud为负值，逆变时a在n /2间。由此而可知产生逆变的条件是：有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致

48、，其值大于变流器直流侧平均电压；晶闸管的控制角a n/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。- *0 二乡J #=车-3=百图2-35三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压(2) 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 a不同0 a n时，电路工作在整流状态 n /2 a n /2时的控制角用B表示，B称为逆变角，而逆变角B和控制角a的计量方向相反，其大小自B=0 的起始点向左方计量。三相桥式电路工作于有源逆变状态时的波形如图2-35所示。有源逆变状态时各电量的计算：Ud= -2