电力电子技术第五版课件第3章 整流电路3.5-3.6

1、13.5 整流电路的谐波和功率因数23.5 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：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。33.5.1 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（H

2、armonic Ratio for In）表示 （3-57）电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为 （3-58）%1001IIHRInn%1001IITHDhi正弦波电压可表示为：)sin(2)(utUtu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Ih:总谐波电流的有效值43.5.1 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：20cos)(21UItuidP（3-59）视在功率视在功率为电压、电流有效值的乘积

3、，即S=UI （3-60）无功功率无功功率定义为： Q=U I sin （3-61）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（3-62） 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：222QPS（3-63）功率因数是由电压和电流的相位差 决定的：l l =cos （3-64）53.5.1 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。SPl非正弦电路的有功功率 ：P=U I1 cos 1 （3-65）功率因数功率因数为：11

4、111coscoscoslIIUIUISP（3-66） 基波因数基波因数 =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）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。63.5.1 谐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（3-63）给出的： （3-67）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（3-61）定义无功功率，为和式（3-67）区别，采用符号Qf，忽略电压中的谐波时有：Q f =U I 1 sin 1

5、 (3-68）在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率畸变功率D，使得： （3-69）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。73.5.2 带阻感负载时可控整流电路 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3-6g）i2Otd21,3,5,1,3,5,411(sinsin3sin5)3541sin2sinnnniItttIntIntndd（3-72）变压器二次侧电流谐波分析：nIInd22n=1,3,5,（3-73） 电流中仅含奇次谐波。

6、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。 电流基波和各次谐波有效值为：83.5.2 带阻感负载时可控整流电路 交流侧谐波和功率因数分析基波电流有效值为基波电流有效值为 （3-74） i2的有效值的有效值I= Id，结合式（，结合式（3-74）可得）可得基波因数基波因数为为 （3-75）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 ，故故位移因数（基波功率位移因数（基波功率因数）因数）为为 （3-76） 所以，功率因数为所以，功率因数为 d122IIII12 209 .llcos9.0cos22cos111IIlcoscos11（3-77）

7、功率因数计算功率因数计算93.5.2 带阻感负载时可控整流电路 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 =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 （3-78）tud1 = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac tOOtOtOidiat1uaubucd32II （2-78）103.5.2 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流基波和各次谐波有效值分别为

8、,3,2,1,16,66dd1kknInIIIn（3-80）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：955.031II（3-81）位移因数仍为：lcoscos11（3-82）功率因数为：10.955cosll（3-83）113.5.3 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。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，

9、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。LC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。123.5.3 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（RC的减小）

10、，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。133.5.4 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3-35 =0时，m脉波整流电路的整流电压波形 =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电压纹波因数电压纹波因数0.80.91图 2-330.81udtOmm2mU220RudUU143.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析 =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（

11、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。 153.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析 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 角的关系。030120 150 180600.10.20.390n=6n=12n=18/()U2Lcn2图3-36 三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与

12、的关系以n为参变量，n次谐波幅值对 的关系如图3-36所示：当 从0 90 变化时，ud的谐波幅值随 增大而增大， =90 时谐波幅值最大。 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 增大而减小。163.6 大功率可控整流电路173.6 大功率可控整流电路引言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。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。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。183.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路电路结构的特点电路结构的特点图3-37 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路二

13、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。二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。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，双反星形电路的输出电流可大一倍。193.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路绕组的极性相反的目的：消除直流磁通势消除直流磁通势如图可知，虽然两组相电流的瞬时值不同，但是平均电流相等而绕组的极性相反，所以直流安匝互相抵消。图3-38 双反星形电路， =0时两组整流电压、电流波形ttud1uaubuciaud2iaucuaubucOtOOtOId12Id16Id12Id16203.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路接

14、平衡电抗器的原因：接平衡电抗器的原因：两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等。当电压平均值和瞬时值均相等时，负载电流才能平均分配。两个星形的中点n1和n2间的电压等于ud1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，称为环流环流或平衡电流平衡电流。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。213.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路双反星形电路中如不接平衡电抗器，即成为六相六相半波整流电路半波整流电路：只能有一个晶闸管导电，其余五管均阻断，每管最大导通角为60o，平均电流为Id/6。当=0o 时，Ud

15、为1.35U2，比三相半波时的1.17U2略大些。因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，极少采用。平衡电抗器的作用：平衡电抗器的作用：使得两组三相半波整流电路同时导电。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。223.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路平衡电抗器工作原理分析原理分析：图2-37 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图3-40 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况平衡电抗器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ub和ua两相的晶闸管能同时导电。d1d2puuu)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuu（3-

16、97）（3-98） 时，ubua，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：1tupud1,ud2OO60 360 t1ttb)a)uaubucucuaubub233.6.1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3-39 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图3-40 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况虽然 ，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

17、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。21dduu0puupud1,ud2OO60 360 t1ttb)a)uaubucucuaubub243.6.1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3-39 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2-37 a。)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuu（3-98）谐波分析分析详见P75-P76。ud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。

18、直流平均电压为：2017.1UUdu ,uupd1d2OO60 360 t1ttb)a)uaubucucuaubub253.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 =30 、 =60 和和 =90 时输出电压的波形分析时输出电压的波形分析图3-41 当 =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（3-98）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。90。60。30udududtOtOtO

19、uaubucucuaububucucuaububucucuaub263.6.1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 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是三相桥的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。273.6.2 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

20、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： 移相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。283.6.2 多重化整流电路1) 移相多重联结移相多重联结图3-42 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。293.6.2 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3-43 移相30串联2重联结电路 图

21、3-44 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)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2tttt000Id2333Id33IdId323(1+ )Id323(1+)Id33Id13303.6.2 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：)32(34dd1IIIm单桥时为（3-103）（3-104）, 3 , 2 , 1, 112341dkknInImn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 cos 1 1=cos （单桥时相同）功率因数 l l= cos 1 1 =0.9886cos UUdcos266313.6.2 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