西安交大电力电子-第3章

1、3-1第第3章章 整流电路整流电路3-2第第3章章 整流电路整流电路引言引言整流电路的分类整流电路的分类：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。3-33.1 单相可控整流电路单相可控整流电路3-43.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路图3-1 单相半波可控整流电路及波形1 1）带电阻负载的工作情况）带电阻负载的工作情况

2、变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)3-53.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 VT的a 移相范围为180 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为相位控制方式相位控制方式，简称相控方式相控方式。 首先，引入两个重要的基本概念：触发延迟角触发延迟角：从晶闸管开始承受

3、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。导通角导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示 。基本数量关系基本数量关系直流输出电压平均值为paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU(3-1)3-63.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路2) 带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况 图3-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形阻感负载的特点阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。wttwwtwtwu20wt1p2

4、ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +3-73.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路。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 a)b)VTRLVTRLu2u2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。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。3-83.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路当VT处于通态时，如下方程成立：VTb)RLu2b) VT

5、处于导通状态tURitiLwsin2dd2dd（3-2）)sin()sin(tanjaqjajqe（3-4）初始条件：t= a ，id=0。求解式（3-2）并将初始条件代入可得当t=+a 时，id=0，代入式（3-3）并整理得 )sin(2)sin(22)(2djwjaawwtZUeZUitLR（3-3）22)( LRZwRLwjarctan其中 ，3-93.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路续流二极管续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图3-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及

6、波形 当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。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。 数量关系数量关系(id近似恒为Id）ddVT2IIpap（3-5）d2dVT2)(21ItdIIpapwppa（3-6）ddVDRIIpap2（3-7）d22dVD2)(21RItdIIpapwpapp（3-8）3-103.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路VT的a 移相范围为180 。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建立起整流电路的基本概念。 单相半波

7、可控整流电路的特点单相半波可控整流电路的特点3-113.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路1) 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况a)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析工作原理及波形分析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，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构电路结构单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge C

8、ontrolled Rectifier)3-123.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路数量关系数量关系paaapwwp2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU（3-9）a 角的移相范围为180。向负载输出的平均电流值为：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTaRUII（3-10）2cos19 . 02cos12222ddaapRURURUI(3-11)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,43-133.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路流过晶闸管的电流有效值：变压器

9、二次侧电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由式（3-12）和式（3-13）得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（3-12）papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（3-13）II21VT（3-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,43-143.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路2）带阻感负载的工作情况）带阻感负载的工作情况 u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdId

10、IdIdiVT2,3iVT1,4图3-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 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，晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=+a 时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相换相，亦称换流换流。3-153.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 数量关系数量关系apaaapwwpcos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU（3-15）晶闸管移

11、相范围为90。晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：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I2=Id。ddT21IIddT707. 021III晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22U2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,43-163.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路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 在|u2|E时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。在a 角相同时，整流输出电压比电阻负

12、载时大。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 。REuidd与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电， 称为停止导电角，212sinUE（3-16）b)idOEudwtIdOwtaq3-173.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路当 30 的情况（的情况（图3-14 ） 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。b)c)d)e)f)u2uaubuca =0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)R动画演示3-293.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路aapww

13、papapcos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU（3-18）当a=0时，Ud最大，为 。2d0d17.1UUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262dapappwwppapUttdUU(3-19)整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算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：3-303.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的规律如图3-15中的曲线1所示。03060901201501.17321a/( )Ud/U2图3-15 三相半波可控整流电

14、路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电阻电感负载 3-电感负载3-313.2.1 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 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RUIdd（3-20）222RM45.2632UUUU（3-21）22UUFM（3-22）3-323.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2）阻感负载）阻感负载图3-16 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a =60时的波形特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。a30时（如a

15、=60时的波形如图3-16所示）。u2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，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为90。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt动画演示3-333.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路数量关系数量关系由于负载电流连续， Ud可由式（3-18）求出，即acos17. 12UUUd0dUd/U2与a a成余弦关系，如图3-15中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，Ud/U2与a的关系将介于曲线1和2之间，曲线3给出了这种

16、情况的一个例子。03060901201501.17321a/( )Ud/U2图3-15 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电阻电感负载3电感负载 3-343.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为晶闸管的额定电流为晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值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。ddVT2577. 031IIII（3-23）dVTVT(AV)368. 057. 1III（3-24）2RMFM45. 2UUU（3-25）3-353.2.2 三相桥式全控整流

17、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共阴极组共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）图3-17 三相桥式全控整流电路原理图导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT63-363.2.2 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）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3-18 ） a =30 （图3-19） a =60 （图3-20）当a60 时，ud波形每60中有一段

18、为零，ud波形不能出现负值 波形图： a =90 （ 图3-21）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是1203-373.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路晶闸管及输出整流电压的情况如表3-1所示时 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=ucb 请参照图3-183-383.2.2 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：按VT1-

19、VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。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。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。 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，且不能为同1相器件。3-393.2.2 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6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发 一种是双脉冲触发（常用） (5

20、）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。 三相桥式全控整流电路的特点特点3-40a60 时时（a =0 图3-22；a =30 图3-23）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3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路2) 阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况主要包括a 60 时（时（ a =90图3-24）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

21、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。3-413.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路3) 定量分析定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载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（3-26）)3cos(134.2)(sin63232dapwwppapUttdUU（3-27）3-423.2.2 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3-17中所示采用

22、星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图3-23中所示，其有效值为：ddddIIIII816.03232)(3221222ppp（3-28）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（3-29）式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。3-43ik=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。3.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流

23、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。现以三相半波为例，然后将其结论推广。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。图3-25 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca3-443.3 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换相重叠换相重叠角角换相过程持续的时间，用电角度g g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。换相

24、压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。2ddddbakBbkBaduutiLutiLuu（3-30）dB0B6565B6565Bbb6565dbd23d23)(ddd23)(d)dd(23)(d)(3/21IXiLttiLttiLuutuuUIpwpwpwpwppgapapgapapgapadkkk（3-31）3-453.3 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换相重叠角g g的计算B2Bab2)65sin(62)(ddLtULuutipwk由上式得：)65sin(26ddB2pwwtXUtik进而得出：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2

25、pwawpwwpatXUttXUitk（3-32）（3-33）（3-34）3-463.3 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由上述推导过程，已经求得：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2pwawpwwpatXUttXUitk 当 时， ，于是65pgawtdkIig g 随其它参数变化的规律： （1） Id越大则g g 越大； （2） XB越大g g 越大； （3） 当a90 时，a a 越小g g 越大。)cos(cos26B2dgaaXUI（3-35）2dB62)cos(cosUIXgaa（3-36）3-473.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器

26、漏感对整流电路的影响 变压器漏抗对各种整流电路的影响变压器漏抗对各种整流电路的影响 dUdBIXpdB2IXpdB23IXpdB3IXpdB2ImXp)cos(cosgaa2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22Bd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 表3-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算23U23U注：单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。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。23U23U3-483.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的

27、影响变压器漏感对整流电路影响的一些结论变压器漏感对整流电路影响的一些结论:出现换相重叠角g g ，整流输出电压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多。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/dt。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。 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。3-493.4 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路3-503.4 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直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用。最常用的是单相桥和三相桥两种接法。由于

28、电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为二极管整流电路。3-513.4.1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3-26 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) 波形基本工作过程基本工作过程：在u2正半周过零点至w wt=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至w wt=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。b)0iudqp2pwt

29、i,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud3-523.4.1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2) 主要的数量关系主要的数量关系 输出电压平均值输出电压平均值 电流平均值电流平均值 输出电流平均值IR为： IR = Ud /R Id =IR 二极管电流iD平均值为： ID = Id / 2=IR/ 2 二极管承受的电压二极管承受的电压 （3-47）（3-48）（3-49）22U空载时， 。重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性。在设计时根据负载的情况选择电容C值，使 , 此时输出电压为： Ud1.2 U2。2d2UU2/

30、)53(TRC （3-46）3-533.4.1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3-29 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)u2udi20qpwti2,u2,ud3-543.4.2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

31、电，ud按指数规律下降。图3-30 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0qwtpp3wt3-5532=+t)-32( - tRC1232=+t2t)(d32sin6d)(d)+tsin(6dpwpwwpwwpwqweUtU 电流id 断续和连续的临界条件临界条件w wRC=33在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R= /w wC。33.4.2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由 “电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在wt+ =2p/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有图3-31电容滤波的三

32、相桥式整流电路当w wRC等于和小于 时的电流波形 a）w wRC=b）w wRCua，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：1twwupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub3-823.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路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3-37 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3-38 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

33、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。21dduu0puwupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub3-833.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路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3-37 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3-37a。)(21212

34、1d2d1pd1pd2duuUuuuu（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。直流平均电压为：2017.1UUdu ,uwupd1d2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub3-843.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路a a =30 、 a a =60 和和a a =90 时输出电压的波形分析时输出电压的波形分析图3-39 当a a =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( ud

35、1+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。90a。60a。30audududwtOwtOwtOuaubucucuaububucucuaububucucuaub3-853.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路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 a a 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

36、，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。3-863.6.2 多重化整流电路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。3-873.6.2 多重化整流电路多重化整流电路1) 移相多重联结移相多重联结图3-40 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

37、。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。3-883.6.2 多重化整流电路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3-41 移相30串联2重联结电路 图3-42 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)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId

38、323(1+ )Id323(1+)Id33Id133-893.6.2 多重化整流电路多重化整流电路iA基波幅值Im1和n次谐波幅值Imn分别如下：)32(34dd1IIImpp单桥时为（3-103）（3-104）, 3 , 2 , 1, 112341dkknInImnp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 cosj j1 1=cosa a （单桥时相同）功率因数 l l= cosj j1 1 =0.9886cosa aUUdcos266p3-903.6.2 多重化整流电路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

39、将三组桥构成串联串联3重联结电路重联结电路：整流变压器采用星形三角形组合无法移相20，需采用曲折接法。整流电压ud在每个电源周期内脉动18次，故此电路为18脉脉波整流电路波整流电路。交流侧输入电流谐波更少，为18k1次（k=1, 2, 3），ud的脉动也更小。输入位移因数和功率因数分别为：cosj j1 1=cosa a l l=0.9949cosa a3-913.6.2 多重化整流电路多重化整流电路将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联串联4重联结电路重联结电路： 为为24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：cosj

40、 j1 1=cosa al l=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。3-923.6.2 多重化整流电路多重化整流电路2) 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a a角进行控制，其余各桥的工作状态则根据需要输出的整流电压而定。 或者不工作而使该桥输出直流电压为零。 或者a a =0而使该桥输出电压最大。根据所需总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥进行控制，因而被称为顺序控制顺序控制。不能降低输入电流谐波，但是总功率因数可以提高。我国电气机车的整流器大多为这种方式。3-933.6

41、.2 多重化整流电路多重化整流电路 3重晶闸管整流桥顺序控制重晶闸管整流桥顺序控制 图3-43 单相串联3重联结电路及顺序控制时的波形控制过程可详见教材P78。从电流i的波形可以看出，虽然波形并为改善，但其基波分量比电压的滞后少，因而位移因数高，从而提高了总的功率因数。a)db)c)iId2 IduOap +a3-943.7 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态3-953.7.1 逆变的概念逆变的概念1) 什么是逆变？为什么要逆什么是逆变？为什么要逆变？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

42、连结。 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。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4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。3-963.7.1 逆变的概念逆变的概念2) 直流发电机直流发电机电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转图3-44 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。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低

43、的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。3-973.7.1 逆变的概念逆变的概念3) 逆变产生的条件逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机图3-45 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。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。3-993.7.2三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逆变和整流的区别逆变和整

44、流的区别：控制角 a a 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。3-1003.7.2三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形及晶闸管两端电压波形如图3-46所示。图3-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubauc

45、aucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb =p4b =p3b =p6b =p4b =p3b =p6wt1wt3wt23-1013.7.2三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：REUId输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即bbcos35. 1cos34. 222ldUUU（3-105）每个晶闸管导通2p p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577. 03（3-106）从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：dMddIEIRP2（3-107）当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd

46、一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。（3-108） 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：ddVTIIII816.032223-1023.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败逆变失败（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)

47、 逆变失败的原因逆变失败的原因3-1033.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制换相重叠角的影响：图3-47 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 giVT1iVTiVT3iVTiVT3223-1043.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制2) 确定确定最小逆变最小逆变角角b bmin的依据的依据逆变时允许采用的最小逆变角b b 应等于b bmin= +g g+q q （3-109） 晶闸管的关断时间tq折合的电角度g g 换相重叠角q q安全裕量角tq大的可达200300ms，折算到电角度约45

48、。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。值约取为10。3-1053.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制g g 换相重叠角的确定：1) 查阅有关手册 举例如下：整流电压 整流电流变压器容量短路电压比Uk%g g220V800A240kV。A5%15202) 参照整流时g g 的计算方法mUXIBdpgaasin2)cos(cos2（3-110）（3-111）根据逆变工作时 ，并设 ，上式可改写成bpagbmUXIBdpgsin21cos2这样， b bmin一般取3035。3-1063.8 相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制3-1

49、073.8 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：相控电路：晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。采用晶闸管相控方式时的交流电力变换电路和交交变频电路（第6章）。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。3-1083.8.1 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 输出可为双窄脉冲（适用于有两个

50、晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。 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。电网电压同步环节锯齿波形成脉冲形成双窄脉冲放大控制信号同步信号为锯齿波的触发电路结构3-1093.8.1 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图3-50 同步信号为锯齿波的触发电路3-1103.8.1 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1) 脉冲形成环节脉冲形成环节V4、V5 脉冲形成V7、V8 脉冲放大控制电压uco加在V4基极上图3-50 同步信号为锯齿波的触发电路220 V36V+BTP+15 VAVS+15 V

51、-15 V-15 VX Y接封锁信号RQutsVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ucoupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15VD11VD14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。3-1113.8.1 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2) 锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形

52、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。恒流源电路方案恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成 V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路图3-50 同步信号为锯齿波的触发电路3-1123.8.1 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3) 同步环节同步环节同步同步要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关V2管来控制的。V2开关的频率就是锯齿波的频率锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波锯齿波起点锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度锯齿

53、波的宽度取决于充电时间常数R1C1。3-1133.8.1 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4) 双窄脉冲形成环双窄脉冲形成环节节 内双脉冲电路 V5、V6构成“或”门当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角a a 产生。隔60 的第二个脉冲是由滞后60 相位的后一相触发单元产生（通过通过V6）。三相桥式全控整流电路的情况(自学)3-1143.8.2 集成触发器集成触发器可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取

54、代分立式电路。KJ004 与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。图3-52 KJ004电路原理图1112161151413943578R23+15V+15V+15VRP1R24R2R20RP4R5R1R3R4R6R7R8R12R10R11R14R19R13R25R26R27R28R20R22R16R17R21R18R15V3V2V1V18V19V20V4V5V6V12V13V14V15V16V9V10V11V8V7V17VS5VS1VS2VS3VS4VS6VS7VS8VS9VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7C1C2ubuc

55、ous3-1153.8.2 集成触发器集成触发器完整的三相全控桥触发电路完整的三相全控桥触发电路 3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。 usa1234567111091413128161512345671110914131281615KJ004KJ004-15 V+15 V12345671110914131281615KJ004RP6RP3(1 6 脚为 6路单脉冲输入)12345671110914131281615KJ 041(1510 脚为 6路双脉冲输出)至 VT1usbuscupucoR19R13R20R14R21R15R9R3

56、R6R18R8R2R5R17R7R1R4R16R10R11R12C7C4C1C8C5C2C9C6C3RP4RP1RP5RP2至 VT2至 VT3至 VT4至 VT5至 VT6图3-53 三相全控桥整流电路的集成触发电路 3-1163.8.2 集成触发器集成触发器模拟与数字触发电路以上触发电路为模拟模拟的，优点：结构简单、可靠； 缺点：易受电网电压影响，触发脉冲不对称度较高， 可达34，精度低。数字数字触发电路：脉冲对称度很好，如基于8位单片机的数字触发器精度可达0.7 1.5 。KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门。也有厂家生产了将图3-53全部电路集成的集成块，但目前应用还不多。3-

57、1173.8.3 触发电路的定相触发电路的定相 触发电路的定相触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。 措施：措施：同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致。触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。图3-54 三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图Owtwt1wt2uaubucu2ua-3-1183.8.3 触发电路的定触发电路的定相相变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结。D,y 11D,y 5-11TRTSuAuBuCuaubuc- usa- usb- usc- usa- usb- uscUcUsc-UsaUbUsb-Usc-UsbUaUsaUAB 图3-55 同步变压器和整流变压器的接法及矢量图3-1193.8.3 触发电路的定相触发电路的定相表3-4 三相全控桥各晶闸管的同步电压（采用图3-59变压器接法时）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6