第八讲 整流与有源逆变3

1、电 力 电 子 技 术Power Electronic TechnologPower Electronic Technology y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电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.2 7.2 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abcTRLu2udeLidVT1VT2VT3udiauaubucibiciduacuabuacOtOtOtOtOtOtuVT1合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.2 7.2 变压器漏感对

2、整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响 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 VT1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VT1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=Id-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断,换流过程结束。RabcTLudicibiaLBLBLBikVT1VT2VT3udidtOtOiciaibiciaIduaubuc图2-25 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形合肥工业大学电气工程学

3、院电力电子与电力传动教研组7.2 7.2 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1.换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度表示 换相过程中，整流输出电压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。这导致ud的波形出现一个明显的缺口。同时各相的电流也不是突变的。tiLutiLuuddddbadkBkB2ddabuutiLkB22adbaabuuuuuuRabcTLudicibiaLBikVT1VT2VT3udtOtOiciaibiciaIduaubuciaibic合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.2 7.2 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路

4、的影响 2. 换相压降Ud与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的数值。换相压降相当于阴影部分的面积的平均值，它使得输出的整流电压下降。这块阴影由负载电流Id的换相过程引起。具体计算：阴影面积除以SCR导通的时间。以三相半波为例： dB0kBkBdbd23d23)(ddd23)(d)(3/21dIXiLttiLtuuUI式中XB相当于漏感为LB的变压器每相折算到二次侧的漏抗，可根据变压器的铭牌数据求出。BBLXRabcTLudicibiaLBikVT1VT2VT3udtOtOiciaibiciaIduaubuciaibic合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.2 7.2 变压器

5、漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响3. 换相重叠角的计算（见书上P60,P61）mULIBdsin2coscos2可见， 随其它参数变化的规律：1） Id越大则 越大；2） XB越大 越大；3）当 90时， 越大 越小。 重叠角的产生是由于变压器漏感储存了电磁能量而引起的，Id和XB越大，变压器储存的能量越大。当90时，越大，越小，这是因为越大，相邻相的相电压差值越大，要使得两相重叠导电，势必dik/dt要增大，即能量要释放得快。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.2 7.2 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dUdBIXdB2IXdB23IXdB

6、3IXdB2ImX)cos(cos2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIsin22Bd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 23UmULIBdsin2coscos2dBd2IXmU 表2-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算 注：单相全控桥电路中，环流ik变化较复杂。本表所列通用公式不适用； 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。23U合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.2 7.2 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5.变压器漏感对整流电路影响的一些结论：1）变压器漏感

7、使得电流变化比较缓和，晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通；有时还人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。2）变压器漏感使得换相期间两相相当于短路，若整流装置容量很大，则换相瞬间会使电网电压出现缺口，造成电网波形畸变，成为干扰源，影响本身和电网上其它设备的正常运行。3）出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud降低，电压的脉动系数也增加；4）整流电路的工作状态增多，例如三相半波整流电路VT1-VT2变成VT1-VT1、VT2-VT2三个状态，增添了VT1和VT2同时导通的状态。5）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，须加吸收电路；合肥工业大学电气工程学

8、院电力电子与电力传动教研组7.3 7.3 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路 在交在交直直交变频器、不间断电源、开关电源交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用等应用场合中，大量应用 最常用的是单相桥和三相桥两种接法。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 7.2.1 7.2.1 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. 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a)+RCu1u2i2V

9、D1VD3VD2VD4idiCiRudb)0iud2ti,ud合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 7.2.1 7.2.1 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)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRudb)0iud2ti,ud在t=0时刻，交流电压u2高于电容电压ud，二极管VD1和VD4导通，交流电源开始向电容充电，并为负载提供能量；电容电压逐步升高，当整流桥输出电压低于电容电压时，二极管VD1和VD4关断，此后电容C放电，为负载提供能量，直至二极管VD2和VD3导通；该过程周而复始。负载固定的情况下，电容器C的容量越大，充电和放电所需要的

10、时间越长。空载时，由于电容C储存的电荷无法释放，2d2UU 重载时由于负载电阻值很小，Ud逐渐趋向于0.9U2。显然，电容C的容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压Ud也越高。但是，当电容容量达到一定值以后，再加大电容容量对提高滤波效果已无明显作用。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 7.2.1 7.2.1 电感滤波的单相不可控整流电路电感滤波的单相不可控整流电路 电容滤波电路利用了电容两端电压不能突变的特点，可实现电压平滑。而电感滤波电路则是利用电感两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，当电源提供的电流增大（

11、由电源电压增加引起）时，电感器把能量存储起来；而当电流减小时，电感器把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感有平波作用。 对于负载而言，采用大电容滤波的整流电路相当于直流电压源，而采用大电感滤波的整流电路相当于直流电流源。 合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 7.2.1 7.2.1 复式滤波的单相不可控整流电路复式滤波的单相不可控整流电路 把电容连接在负载并联支路，把电感或电阻连接在串联支路，可以组成复式滤波器，达到更佳的滤波效果。上图是由电感与电容组成的LC滤波器，其滤波效能很高，适用于负载电流较大、要求纹波很小的场合。但是，这种滤波器由于电感体积和重量大（高频时可减小），比较

12、笨重，成本也较高，一般情况下使用的不多。将图中的电感换成电阻，即成为电阻与电容组成的RC滤波器。这种复式滤波器结构简单，能兼起降压、限流作用，滤波效能也较高。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 7.2.1 7.2.1 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 在电容滤波电路中，当电路接入电网时瞬间，电容的充电过程会导致电流浪涌，因此在实际应用时要考虑整流桥的抗浪涌能力。也可采用上图所示的抗浪涌电路，也称作软起电路。在电路刚接入电网时，继电器K常开触头断开，电阻R1起限流作用；等电容电压达到一定值时，控制继电器K动作，将电阻R1短接，避免正常工作时R1消耗能量。合肥

13、工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 7.2.1 7.2.1 倍压整流电路倍压整流电路 世界各国的市电电压（单相电压）并不完全一样，有的单相电压有效值为110V，有的为220V（或230V），如我国的市电电压标准为220V。为适应不同国家的需要，实现两种输入电源的转换，可采用左图所示的倍压整流技术。 两种输入交流电压的转换由开关S来完成。当开关S闭和时，电路在110V交流输入电压下工作。在交流电的正半周，通过VD1，C1上的电压被充电到交流电压的峰值ud/2。而在交流电的负半周，C2上的电压通过VD2也被充电达到交流电压的峰值ud/2，电路输出的直流电压应为C1和C2上充电电压之和，即

14、ud。当开关S打开时，二极管VD1VD4组成了全桥整流电路，对输入的交流220V进行整流，也同样产生数值为ud的直流电压。 S闭和时的电路被称为二倍压整流。还有多倍压整流电路，其基本原理与二倍压整流一样，都是利用二极管的整流和引导作用，将电压分别存储在每一个电容上，然后将电容按同极性相加的原则串联即可。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.2.2 7.2.2 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. 1. 基本原理基本原理a)+abcTiaRCudidiCiRVD4VD6VD1VD3VD5VD2b)Oiaudiduduabuac0t3t图2-30 电容滤波的三

15、相桥式不可控整流电路及其波形合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.2.2 7.2.2 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a)b)c)+abcTiaRCudidiCiRVD4VD6VD1VD3VD5VD2iaiaOOtt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的电感时的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的电感时的工作情况：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

16、形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.2.2 7.2.2 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. 主要数量关系主要数量关系 1）输出电压平均值）输出电压平均值 Ud在（2.34U2 -2.45U2）之间变化 2）电流平均值）电流平均值 输出电流平均值IR为： IR = Ud /R （2-51） 与单相电路情况一样，电容电流iC平均值为零，因此： Id =IR （2-52） 二极管电流平均值为Id的1/3，即： ID = Id / 3=IR/ 3 （2-53） 3）二极管承受的电压）二极管承受的电压 二极管承受的最大反向

17、电压为线电压的峰值，为 。 26U合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.3 7.3 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。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.3 7.3 1.谐波在供电系统中，我们总是希望电压和电流一直保持正弦波

18、形。当正弦波电压施加在线性无源器件电阻、电感和电容上时，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，但仍为同频的正弦波。如果正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就成为非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦波电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦的。非正弦量可分解为傅里叶级数 基波（fundamental）在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量 谐波频率为基波频率整数倍(大于1)的分量，即2,3,4,N次谐波 谐波次数谐波频率和基波频率的整数比 2.功率因数 1) 正弦电路中的功率因数 电路的有功功率P就是其平均功率： 视在功率S为电压、电流有效值的乘积，

19、即S=UI 功率因数是由电压和电流的相位差来决定20cos)(21UItuidP合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.3 7.3 2) 非正弦电路中的功率因数公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况有很大的实际意义。设正弦波电压有效值为U，电流有效值为I，基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和 。这时有功功率为：P=UI1cos 功率因数为： 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（基波功率因数）111111coscoscosIIUIUISP1cos1合肥工业大

20、学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.3 7.3 带阻感负载时带阻感负载时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。将电流i2分解为傅里叶级数，可得： 变压器二次侧电流谐波分析：基波和各次谐波有效值为： n=1,3,5, 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。,5,3,1,5,3,1dd2sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnItttIinIInd22合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.3 7.3 带阻感负载时带阻感负载时 功率因数计算 基波电流

21、有效值为 （2-74） i2的有效值I=Id，基波因数为 电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故位移因数为 功率因数为 d122IIII1220 9 .coscos1cos9 .0cos22coscos111II合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.3 7.3 带阻感负载时带阻感负载时2. 三相桥式全控整流电路阻感负载，忽略换相过程和电流脉动，直流电感L为足够大交流侧电流为正负半周各120的方波，其有效值与直流电流的关系为： 变压器二次侧电流谐波分析： 电流中仅含6k1（k为正整数）次谐波；可见三相桥的优越性。 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

22、数。d32II3 , 2, 11613 , 2, 116dddasin2) 1(sin2sin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknnkkknktnItItnnItItttttIi合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组7.3 7.3 带阻感负载时带阻感负载时 功率因数计算 基波因数为 电流基波与电压的相位差仍为 ，故位移因数仍为 功率因数为 955.031IIcoscos11cos955.0cos3cos111IIcos9 .0cos22coscos111II单相桥式合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组8.3 8.

23、3 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： 移项多重联结减少交流侧输入电流谐波，提高基波因数。串联多重整流电路采用顺序控制可提高位移因数，进而提高功率因数。111coscosII合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组8.3 8.3 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图2-41 移相30串联2重联结电路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。

24、iA基波幅值Im1和n次谐波幅值Imn分别如下：星形三角形d134IIm, 3 , 2 , 1, 112341dkknInImn9886. 021AmII单相桥：0.9三相桥：0.9556脉波整流电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组8.3 8.3 利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开20，可将三组桥构成串串联联3 3重联结电路重联结电路：整流电压u ud d在每个电源周期内脉动18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，为18k1次（k=1, 2, 3），u ud d的脉动也更小。输入位移因数和功率因数分别为：coscosa a =0.9949cos=0.9949cosa a将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联串联4 4重联结电路重联结电路： 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24k1，k=1，2，3。 输入位移因数功率因数分别为：coscosa a =0.9971cos=0.9971cosa a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数。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组8.3 8.3 多重联结电路的顺序控制多重联结电路的顺序控制只对一个桥的 角