电力电子 (2)

1、第3章3.1单相可控整流电路3.2三相可控整流电路3.3变压器漏感对整流电路的影响3.4电容滤波的不可控整流电路3.1单相可控整流电路3.1.1单相半波可控整流电路1.带电阻负载的工作情况图3-1单相半波可控整流电路及波形3.1单相可控整流电路2.带阻感负载的工作情况图3-2带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形3.1单相可控整流电路图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3.1单相可控整流电路图3-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形3.1单相可控整流电路3.1.2单相桥式全控整流电路图3-5单相桥式全控整流电路带电阻负载时的电路及波形

2、3.1单相可控整流电路1.带电阻负载的工作情况2.带阻感负载的工作情况图3-6单相桥式全控整流电路带阻感负载时的电路及波形3.1单相可控整流电路3.带反电动势负载时的工作情况图3-7单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形3.1单相可控整流电路图3-8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3.1单相可控整流电路例-：单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2，L值极大，反电动势E=60V，当=30时，要求：图3-9、和的波形3.1单相可控整流电路 作出ud、id和i2的波形； 求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2； 考虑安全

3、裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解： ud、id和i2的波形如图3-9所示。 整流输出平均电压Ud、电流Id、变压器二次电流有效值I2分别为 晶闸管承受的最大反向电压为3.1.3单相全波可控整流电路3.1单相可控整流电路图3-10单相全波可控整流电路及波形1)单相全波可控整流电路中变压器为二次绕组带中心抽头，结构较复杂。3.1单相可控整流电路2)单相全波可控整流电路中只用两个晶闸管，比单相全控桥式可控整流电路少两个，相应地，晶闸管的门极驱动电路也少两个。3)单相全波可控整流电路中，导电回路只含一个晶闸管，比单相桥少一个，因而管压降也少一个。3.1.4单相桥式半控整流电路图3-11单相桥式

4、半控整流电路，有续流二极管、阻感负载时的电路及波形3.1单相可控整流电路图3-12单相桥式半控整流电路的另一接法3.2三相可控整流电路3.2.1三相半波可控整流电路1.电阻负载图3-13三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及=0时的波形3.2三相可控整流电路图3-14三相半波可控整流电路，电阻负载，=30时的波形3.2三相可控整流电路图3-15三相半波可控整流电路，电阻负载，=60时的波形3.2三相可控整流电路)30时，负载电流连续，有)30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有图3-16三相半波可控整流电路/与的关系1电阻负载2电感负载3电阻电感负载3.2三相可控整流电路图3-

5、17三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及=60时的波形3.2三相可控整流电路2.阻感负载3.2.2三相桥式全控整流电路图3-18三相桥式全控整流电路原理图3.2三相可控整流电路1.带电阻负载时的工作情况图3-19三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的波形3.2三相可控整流电路表3-1三相桥式全控整流电路电阻负载时晶闸管工作情况1)每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。3.2三相可控整流电路2)对触发脉冲的要求：六个晶闸管的脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序，相位依次差60；共阴极组VT1、V

6、T3、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，VT5与VT2，脉冲相差180。3)整流输出电压ud一周期脉动六次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。4)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，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。5)时晶闸管承受的电压波形示于图3-19。3.2三相可控整流电路图3-20三相桥式全控整流电路带电阻负载=30时的波形3.2三相可控整流电路图3-21三相桥式全控整流电路带电阻负载=60时的波形3.2三相可控整流电路图3-22三相桥式全控整流电路带电

7、阻负载=时的波形3.2三相可控整流电路图3-23三相桥式全控整流电路带阻感负载时的波形3.2三相可控整流电路2.阻感负载时的工作情况图3-24三相桥式全控整流电路带阻感负载=30时的波形3.2三相可控整流电路图3-25三相桥式全控整流电路带阻感负载=时的波形3.2三相可控整流电路3.定量分析3.3变压器漏感对整流电路的影响图3-26考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形3.3变压器漏感对整流电路的影响1)Id越大，则越大。2)XB越大，越大。3)当时，越小，越大。表3-2各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算 单相全控桥电路的换相过程中，环流ik是从-Id变为d，本表所列通用公式不适用。

8、 三相桥等效为相电压等于U2的六脉波整流电路，故其m=6，相电压按U2代入。1)出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud降低。3.3变压器漏感对整流电路的影响2)整流电路的工作状态增多，例如三相桥的工作状态由6种增加至12种：(VT1、VT2)(VT1、VT2、VT3)(VT2、VT3)(VT2、VT3、VT4)(VT3、VT4)(VT3、VT4、VT5)(VT4、(VT4、VT5、VT6)(VT5、VT6)(VT5、VT6、VT1)(VT6、VT1)(VT6、VT1、VT2)。3)晶闸管的di/dt减小，有利于晶闸管的安全开通。4)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

9、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。3.3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、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0时的情况。图3-27、和的波形3.4电容滤波的不可控整流电路谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1)和2)二项的危害大大增加，甚至引起严重事故。3.5整流电路的谐波和功率因数1)无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2)无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备

10、和线路的损耗增加。3)无功功率使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。1)谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。3.5整流电路的谐波和功率因数2)谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3)谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1)和2)二项的危害大大增加，甚至引起严重事故。4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。3.5整流电路的谐波和功率因数5

11、)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。3.5.1谐波和无功功率分析基础1.谐波2.功率因数3.5.2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2.三相桥式全控整流电路3.5整流电路的谐波和功率因数3.5.3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1)谐波次数为奇次。2)谐波次数越高，谐波幅值越小。3)与带阻感负载的单相全控桥整流电路相比，谐波与基波的关系是不固定的，RC越大，则谐波越大，而基波越小。4)越大，则谐波越小，这是因为串联电感L抑制冲击电流从而抑制了交流电

12、流的畸变。3.5整流电路的谐波和功率因数1)除在很小时位移因数是超前的以外，通常位移因数是滞后的，并且随负载加重(RC减小)，滞后的角度增大而位移因数减小；随着增大，滞后的角度也增大因而位移因数也减小。2)基波因数随着C的增大而减小，随的增大而增大，设置电感在一定程度上确实起到了抑制电流冲击引起的畸变的作用。2.三相桥式不可控整流电路1)谐波次数为6k1次，k=1，2，3，。2)谐波次数越高，谐波幅值越小。3.5整流电路的谐波和功率因数3)谐波与基波的关系是不固定的，负载越轻(RC越大)，则谐波越大，基波越小；滤波电感越大(越大)，则谐波越小，而基波越大。1)位移因数通常是滞后的，但与单相时相

13、比，位移因数更接近1。2)随负载加重(RC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。3.5.4整流输出电压和电流的谐波分析3.5整流电路的谐波和功率因数图3-35时，m脉波整流电路的整流电压波形3.5整流电路的谐波和功率因数表3-3不同脉波数m时的电压纹波因数值1)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。3.5整流电路的谐波和功率因数图3-36三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与的关系3.5整流电路的谐波和功率因数2)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

14、最主要的，其他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。3)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。3.6大功率可控整流电路3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路图3-37带平衡电抗器的双反星形可控整流电路3.6大功率可控整流电路图3-38双反星形电路，时两组整流电压、电流波形3.6大功率可控整流电路图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3.6大功率可控整流电路图3-40平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况3.6大功率可控整流电路图3-41当=30、时，双反星形电路的输出电压波形3.6大功率可控整流

15、电路1)三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两组三相半波电路并联，且后者需用平衡电抗器。2)当变压器二次电压有效值U2相等时，双反星形电路的整流电压平均值Ud是三相桥式电路的1/2，而整流电流平均值Id是三相桥式电路的两倍。3)在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压ud和整流电流id的波形形状一样。3.6.2多重化整流电路1.移相多重联结3.6大功率可控整流电路图3-42并联多重联结的12脉波整流电路3.6大功率可控整流电路图3-43移相30串联2重联结电路3.6大功率可控整流电路图3-44移相30串联2重联结电路的输入电流波形3.6大功率可控整流电路

16、2.多重联结电路的顺序控制图3-45单相串联3重联结电路及顺序控制时的波形3.7整流电路的有源逆变工作状态3.7.1逆变的概念1.什么是逆变？为什么要逆变？2.直流发电机-电动机系统电能的流转图3-46直流发电机-电动机之间电能的流转a)两电动势同极性b)两电动势同极性c)两电动势反极性，形成短路3.逆变产生的条件3.7整流电路的有源逆变工作状态图3-47单相全波电路的整流和逆变3.7整流电路的有源逆变工作状态1)要有直流电动势，其极性需和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。2)要求晶闸管的控制角，使Ud为负值。3.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态图3-48三相桥式整

17、流电路工作于有源逆变状态时的电压波形3.7整流电路的有源逆变工作状态3.7.3逆变失败与最小逆变角的限制1.逆变失败的原因1)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，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相，使交流电源电压和直流电动势顺向串联，形成短路。2)晶闸管发生故障，在应该阻断期间，器件失去阻断能力，或在应该导通时，器件不能导通，造成逆变失败。3.7整流电路的有源逆变工作状态3)在逆变工作时，交流电源发生缺相或突然消失，由于直流电动势EM的存在，晶闸管仍可导通，此时变流器的交流侧由于失去了同直流电动势极性相反的交流电压，因此直流电动势将通过晶闸管使电路短路。4)换相

18、的裕量角不足，引起换相失败，应考虑变压器漏抗引起重叠角对逆变电路换相的影响，如图3-49所示。图3-49交流侧电抗对逆变换相过程的影响3.7整流电路的有源逆变工作状态2.确定最小逆变角min的依据3.8整流电路相位控制的实现3.8.1同步信号为锯齿波的触发电路1.脉冲形成环节图3-50同步信号为锯齿波的触发电路3.8整流电路相位控制的实现图3-51同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形3.8整流电路相位控制的实现2.锯齿波的形成和脉冲移相环节3.同步环节4.双窄脉冲形成环节3.8.2集成触发器图3-52KJ004电路原理图3.8整流电路相位控制的实现图3-53三相全控桥整流电路的集成触发电路3.

19、8整流电路相位控制的实现3.8.3触发电路的定相图3-54三相全控桥中主电路电压与同步电压关系示意图3.8整流电路相位控制的实现图3-55同步变压器和整流变压器的接法及矢量图3.8整流电路相位控制的实现表3-4三相全控桥各晶闸管的同步电压(采用图3-5变压器接法时)表3-5三相桥各晶闸管的同步电压(有R-C滤波滞后)图3-56整流变压器接法3.8整流电路相位控制的实现例-：三相全控桥，电动机负载，要求可逆，整流变压器的接法是Dy5，采用NPN锯齿波触发器，并附有滞后30的R-C滤波器，试决定晶闸管的同步电压和同步变压器的联结形式。解：整流变压器接法如图3-56所示。图3-57同步电压相量图及同

20、步变压器连接图a)同步电压相量图b)同步变压器连接形式3.8整流电路相位控制的实现表3-6同步电压的选取1)可控整流电路，重点掌握：电力电子电路作为分段线性电路进行分析的基本思想、单相全控桥式整流电路的原理与计算、三相全控桥式整流电路的原理分析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响。2)电容滤波的不可控整流电路的工作情况，重点了解其工作特点。3)与整流电路相关的一些问题，包括：3.8整流电路相位控制的实现 变压器漏抗对整流电路的影响，重点建立换相压降、重叠角等概念，并掌握相关的计算，熟悉漏抗对整流电路工作情况的影响。 整流电路的谐波和功率因数分析，重点掌握谐波的概念、各种整流电路产生谐波情况

21、的定性分析、功率因数分析的特点、各种整流电路的功率因数分析。4)相控整流电路和二极管整流电路的谐波和无功功率分析，主要掌握对其交流输入侧的分析，及直流侧电压的谐波分析。3.8整流电路相位控制的实现5)大功率可控整流电路的接线形式及特点，熟悉双反星形可控整流电路的工作情况，建立整流电路多重化的概念。6)可控整流电路的有源逆变工作状态，重点掌握产生有源逆变的条件，三相可控整流电路有源逆变工作状态的分析计算，逆变失败及最小逆变角的限制等。7)用于晶闸管可控整流电路等相控电路的相位控制，即触发电路。1.单相半波可控整流电路对电感负载供电，L=20mH，U2=100V，求当和时的负载电流Id，并画出ud

22、与id波形。3.8整流电路相位控制的实现2.图3-为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，问该变压器还有直流磁化问题吗？试说明：晶闸管承受的最大正反向电压为。.单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2，L值极大，当=30时，要求： 画出ud、id和i2的波形； 求整流输出平均电压Ud、电流Id以及变压器二次电流有效值I2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。3.8整流电路相位控制的实现.单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周期内承受的电压波形。.单相桥式全控整流电路，U2=200V，负载中R=2，L值极大，反电动势E=100V，当=45时，要求： 画出

23、ud、id和i2的波形； 求整流输出平均电压Ud、电流Id以及变压器二次电流有效值I2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。3.8整流电路相位控制的实现.晶闸管串联的单相半控桥(桥中VT1、VT2为晶闸管)电路如图3-所示，U2=100V，电阻电感负载，R=2，L值很大，当=60时求流过器件电流的有效值，并画出ud、id、iT、iVD的波形。.在三相半波整流电路中，如果a相的触发脉冲消失，试画出在电阻性负载和电感性负载下整流电压ud的波形。图3-58变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图3.8整流电路相位控制的实现.三相半波整流电路，可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法，每段

24、的电动势相同，其分段布置及其矢量如图3-5所示，此时线圈的绕组增加了一些，铜的用料约增加10%，问变压器铁心是否被直流磁化，为什么？9.三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相的自然换相点是同一点吗？如果不是，它们在相位上差多少度？3.8整流电路相位控制的实现10.有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是，那么共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是a相，在相位上差多少度？.三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L值极大，当=60时，要求： 画出ud、id和的波形； 计算Ud、Id、IdVT和IT。3.8整流电路相位控制的实现2.在三相桥式全控整流电路中，电阻性负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压ud波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？.三相桥式全控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L值极大，当=60时，要求： 画出ud、id和的波形； 计算Ud、Id、IdVT和IT。.单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1，L=，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，当=60时求Ud、Id与的数值