第3章_AC-DC变换技术

1、1第第3章章 AC-DCAC-DC变换技术变换技术23.1 将交流电变为直流电称为整流，实现将交流电变为直流电称为整流，实现 AC/DC变换，相变换，相应的电路称为整流电路应的电路称为整流电路（Rectifier） 。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。整流电路的分类整流电路的分类 按组成的器件可分为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。三种。 按电路结构可分为按电路结构可分为桥式桥式电路和电路和零式（如半波）零式（如半波） 电路。电路。 按交流输入相数分为按交流输入相数分为单相单相电路和电路和多相（如三相）多相（如三相） 电路电路

2、。33.2 不可控整流电路不可控整流电路3.2.1 单相桥式不可控整流电路单相桥式不可控整流电路3.2.2 三相半波不可控整流电路三相半波不可控整流电路3.2.3 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路43.2.1 单相桥式不可控整流电路单相桥式不可控整流电路图3-1 单相桥式不可控整流电路原理图和工作波形d222012 22sind()0.9UUttUU (3-1) ddUIR (3-2) VDVD1 1和和VDVD4 4的的自然换相点自然换相点VDVD2 2和和VDVD3 3的的自然换相点自然换相点1.1.电感性负载时工作情况电感性负载时工作情况53.2.1 单相桥式不可控整流电路单

3、相桥式不可控整流电路2.2.电容滤波时工作情况电容滤波时工作情况图3-2带电容滤波的单相桥式不可控整流电路原理图及其工作波形(3 5)/ 2RCT (3-3) ddRUIIR (3-4) 22 . 1 UUd63.2.2 三相半波不可控整流电路三相半波不可控整流电路 三相半波不可控整流电路三相半波不可控整流电路T：三相整流变压器：三相整流变压器 /Y接法接法 uu、uv和和uw 是互差是互差120o的正弦的正弦 交流电，交流电，相电压有效值为相电压有效值为U2， 线电压线电压有效值有效值为为U2L。 VD VD1 1 、VDVD3 3、VDVD5 5: : 共阴极接法，共阴极接法， 1 1、3

4、 3、5 5点称为点称为自然换相点自然换相点。 22265617. 1263)(sin223UUttdUUd26UUDM73.2.3 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路T：三相整流变压器三相整流变压器 /Y接法接法 ，ua、ub和和uc 是互差是互差120o的正弦交流电，的正弦交流电， 相电压有效值为相电压有效值为U2，线电压，线电压有效值有效值为为U2L。 VD1 、VD3、VD5 称共阴极组，称共阴极组，自然换相点自然换相点为为d、e、f 等点等点。 VD2 、VD4、VD6 称共阳极组，称共阳极组，自然换相点自然换相点为为g、h、i 等点。等点。图3-3三相桥式不可控整流电路原

5、理图图3-4三相桥式不可控整流电路变形后的原理图3.2.3 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路2322313( 2sin)d()2.343dUUttU (3-5) 93.3 单相相控整流电路单相相控整流电路3.3.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路3.3.3 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路103.3.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路可控整流电路常带的负载有可控整流电路常带的负载有电阻电阻、电感电感和和反电动势反电动势三种。三种。 电阻性负载电阻性负载如电解、电镀等。如电解、电镀等。 电感性负载电感性负

6、载如各类电机的励磁绕组、输出串如各类电机的励磁绕组、输出串接平波电抗器的负载等接平波电抗器的负载等 。 反电动势反电动势如蓄电池、直流电动机的电枢等。如蓄电池、直流电动机的电枢等。同一整流电路，同一整流电路，负载不同，差距很大。负载不同，差距很大。 113.3.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路tTVTR0a)u1u2uVTudidt12 tttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图图3-6 单相半波相控整流电路及波形单相半波相控整流电路及波形1 1、电阻性负载电阻性负载tUusin222 a a：从晶闸管开始承受正向阳极：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

7、度称电压起到施加触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。为触发延迟角，也称触发角或控制角。 q q：晶闸管在一个电源周期中处晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。于通态的电角度称为导通角。 此电路中此电路中 ：aq电阻负载的特点是电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形形状相同电压与电流成正比，两者波形形状相同。通过控制触发脉冲的通过控制触发脉冲的相位相位来控制直流输出电压大小的方式来控制直流输出电压大小的方式 称为相位控制方式，简称相控方式。称为相位控制方式，简称相控方式。基本数量关系基本数量关系 直流输出电压平均值直流输出电压平均值 当当a a=0时，时，Ud0

8、=0.45U2 最大最大; 随着随着a a增大，增大， Ud减小；减小； a a=180 时，时，Ud=0。 a a移相范围移相范围为为0180 。 21450122221222aaacosU.)cos(U)t(tdsinUUd（3-7）直流输出电流平均值：直流输出电流平均值：2cos145. 02aRURUIdd3.3.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路（3-9）133.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路u (i )ttt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图图3-9 单相桥式单相桥式带电阻负载时的电路及波形带电阻负载时的电路及波形电路分析电路分析 晶闸

9、管晶闸管VT1和和VT4组成一对组成一对桥臂，桥臂，VT2 和和VT3组成另一对组成另一对桥臂。桥臂。 是半波电路输出的两倍是半波电路输出的两倍 。 的移相范围也是的移相范围也是0-180。1 1、电阻性负载电阻性负载aaaa2cos19 . 02cos122)(dsin21222UUttUUd基本数量关系基本数量关系 整流电压平均值为：整流电压平均值为： =0时，时，Ud= Ud0=0.9U2。=180 时，时，Ud=0。可见，。可见，角的角的移相范移相范围围为为180 。 向负载输出的直流电流平均值为：向负载输出的直流电流平均值为： 2cos19 . 02cos12222aaRURURUI

10、dd(3-19)(3-20)3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路aaa22sin)()sin(21222UtdtUUaa22sin2RURUI2cos145. 0212aRUIIddTIRUtdtRUIT2142sin2)(sin221222aaaaa22sin22RURUII22IUS （3-24）(3-21)(3-23)3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路(3-22)2 2、电感性负载、电感性负载（大电感）（大电感）电路分析电路分析 负载电感很大，负载电感很大，id不能突变且波形不能突变且波形近似为一条水平线。近似为一条水平线。 在在u2正半周期正半周期,

11、触发角触发角a a处给晶闸管处给晶闸管VT1和和VT4加触发脉冲使其开通，加触发脉冲使其开通，ud=u2。 u2过零变负时，由于电感的作用晶过零变负时，由于电感的作用晶闸管闸管VT1和和VT4中仍流过电流中仍流过电流id，并不关，并不关断。断。 t= +a a时刻，触发时刻，触发VT2和和VT3，使，使其导通，其导通，u2通过通过VT2和和VT3 3分别向分别向VT1和和VT4施加反压使施加反压使VT1和和VT4关断，流过关断，流过VT1和和VT4的电流迅速转移到的电流迅速转移到VT2和和VT3上，此过程称为上，此过程称为换相换相，亦称，亦称换流换流。 2OtOtOtudidi2OtOtuVT

12、1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u图图3-10 单相桥式相控整流电流带阻感单相桥式相控整流电流带阻感负载时的电路及波形负载时的电路及波形3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路基本数量关系基本数量关系 直流输出电压的平均值直流输出电压的平均值Ud： 当当a a=0时，时，Ud0=0.9U2; a a=90 时，时，Ud=0。晶闸管。晶闸管移相范围移相范围为为090 。 直流输出电流的平均值直流输出电流的平均值Id为为: aaaacos9 . 0cos22)(sin21222UUttdUUdacos9 . 02RURUIdd（3-25）3.3.2 单相桥式相

13、控整流电路单相桥式相控整流电路（3-26）流过晶闸管的电流的平均值和有效值分别为流过晶闸管的电流的平均值和有效值分别为: 流过变压器二次侧绕组的电流有效值流过变压器二次侧绕组的电流有效值 晶闸管可能承受的正反向峰值电压为晶闸管可能承受的正反向峰值电压为ddTII21dTII21dIII222UUTM3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路（3-28, 3-29）（3-30）3 3、反动势负载反动势负载 （3-31）电路分析电路分析 |u2|E时，才有晶闸管承受时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。正电压，有导通的可能。 晶闸管导通之后，晶闸管导通之后，ud=u2， ，直至，直至|

14、u2|=E，id即降至即降至0使得晶闸管关断，此后使得晶闸管关断，此后ud=E。 与电阻负载时相比，晶闸管与电阻负载时相比，晶闸管提前了提前了电角度电角度 停止导电，停止导电， 称为称为停止导电角停止导电角。 REuidd22arcsinUEb)idOEudtIdOtaq图图3-13单相桥式相控整流电路接反电动势负单相桥式相控整流电路接反电动势负载时的电路及波形载时的电路及波形3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路 当当a a30 当导通一相的相电当导通一相的相电压过零变负时，该相晶压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，闸管因未触发而不

15、导通，此时输出电压电流为零。此时输出电压电流为零。 负载电流负载电流断续断续，各，各晶闸管导通角晶闸管导通角小于小于120 。基本数量关系基本数量关系电阻负载时电阻负载时a a角的角的移相范围移相范围为为0150 。 直流输出电压的平均值直流输出电压的平均值Ud a a30 时，时，输出电压输出电压连续连续，有，有 当当a a=0时，时，Ud最大，为最大，为Ud=Ud0=1.17U2。 a a30 时，时，输出电压输出电压断续断续，晶闸管导通角减小，此时有，晶闸管导通角减小，此时有 aaaacos17. 1cos263)(sin223222656UUttdUUd（3-36）3)6cos(117

16、. 1)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin22322226aaaaUUUttdUUd（3-37） 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路负载电流平均值负载电流平均值Id 流过晶闸管的电流的平均值和有效值流过晶闸管的电流的平均值和有效值 晶闸管两端承受的最大的峰值电压晶闸管两端承受的最大的峰值电压 RUIdd（3-38）ddTII31222245. 26322UUUUUlTM 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 （3-39）2、电感性负载、电感性负载 L值很大，整流电流值很大，整流电流id的的波形基本是平直的，流过晶波形基本是平直的，流过晶闸管

17、的电流接近闸管的电流接近矩形波矩形波。 a a30 时，整流电压波形时，整流电压波形与电阻负载时相同。与电阻负载时相同。 a a30 时，时，整流电压波整流电压波形出现负值，波形连续。形出现负值，波形连续。udiaabcibiciduacOtOtOOtOOtatt图图3-17 三相半波可控整流电路，阻感负三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及载时的电路及a a=60 时的波形时的波形 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路基本数量关系基本数量关系电感负载时电感负载时a a角的角的移相范围移相范围为为090 。 直流输出电压的平均值直流输出电压的平均值Ud 由于输出电压、电流是连

18、续的，所以输出的直流电压由于输出电压、电流是连续的，所以输出的直流电压Ud为为直流输出电流的平均值直流输出电流的平均值Id aaaacos17. 1cos263)(sin223222656UUttdUUdacos17. 12RURUIdd 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 （3-43） （3-44）流过晶闸管的电流的平均值和有效值流过晶闸管的电流的平均值和有效值 晶闸管的额定电流晶闸管的额定电流晶闸管两端承受的最大的峰值电压晶闸管两端承受的最大的峰值电压 （3-45）ddTII31ddTIIII577. 031222245. 262UUUUlTMdVTAVTIII368.

19、057. 1)(（3-46） 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路32 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路3、反电动势负载、反电动势负载 图图3-22 三相半波可控整流电路，阻感负载时的三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及电路及a a=60 时的波形时的波形dddUEIRaaacos17. 1)(sin22322656UttdUUd1 1、电阻性负载电阻性负载电路特点电路特点 阴极连接在一起的阴极连接在一起的3个晶闸管个晶闸管（VT1，VT3，VT5）称为）称为共阴极组共阴极组；阳极连接在一起的阳极连接在一起的3个晶闸管个晶闸管（ VT4，VT6，VT2

20、）称为称为共阳极组共阳极组。 晶闸管的导通顺序为晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。 每个时刻均需每个时刻均需2个个晶闸管同时导晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的极组的和共阳极组的各各1个个，且不能，且不能为同一相的晶闸管。为同一相的晶闸管。 输出电压波形为线电压的某部输出电压波形为线电压的某部分，分，一个一个2周期有周期有6个脉波。故该电个脉波。故该电路又称为路又称为6脉波整流电路。脉波整流电路。 图图3-24 三相桥式全控整流电路原理图三相桥式全控整流电路原理图 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相

21、控整流电路 对触发脉冲的要求对触发脉冲的要求 6个晶闸管的脉冲按个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位的顺序，相位依次差依次差60 。 共阴极组共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差的脉冲依次差120 ，共阳极组，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差也依次差120 。 同一相的上下两个桥臂，即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，脉冲相差180 。时段时段共阴极组中导通的晶闸管共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4V

22、T4VT6整流输出电压整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb表表3-1 三相桥式全控整流电路电阻负载三相桥式全控整流电路电阻负载a a=0 时晶闸管工作情况时晶闸管工作情况图图3-25 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 在整流电路合闸启动过程在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的正常工作，需保证同时导通的的2个晶闸管均有脉冲。个晶闸管均有脉冲。 宽脉冲宽脉冲触发触发 ：使脉冲宽度：使脉冲宽度大于大于60 （一般取（一般取80

23、100 ） 双窄脉冲双窄脉冲触发触发 ：用两个窄：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差的前沿相差60 ，脉宽一般为，脉宽一般为20 30 。 常用的是双窄脉冲触发。常用的是双窄脉冲触发。 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路电路分析电路分析 各自然换相点既是各自然换相点既是相电压相电压的交点，同时也是的交点，同时也是线电压线电压的交点。的交点。 是是计算计算 的起点。的起点。 当当a a60 时时 ud波形均波形均连续连续，对于电阻负载，对于电阻负载，id波形与波形与ud波形的形状是一波形的形状是一样的，也样的，也连续连续。 a a=0 时，时

24、，ud为线电压在正半周的为线电压在正半周的包络线包络线。波形见。波形见图图3-25 。 a a=30 时，晶闸管起始导通时刻推迟了时，晶闸管起始导通时刻推迟了30 ，组成，组成ud的每一段的每一段线电压因此推迟线电压因此推迟30 ，ud平均值降低，波形见平均值降低，波形见图图。 a a=60 时，时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值平均值继续降低。继续降低。a a=60 时时ud出现了出现了为零的点为零的点，波形见，波形见图图3-26 。a 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电

25、路当当a a60 时时 因为因为id与与ud一致，一旦一致，一旦ud降为至零，降为至零，id也降至零，晶闸管关也降至零，晶闸管关断，输出整流电压断，输出整流电压ud为零为零，ud波形不能出现负值。波形不能出现负值。 a a=90 时的波形见时的波形见图图3-27。 电阻负载时电阻负载时a a角的角的移相范围移相范围为为0120 。u2ud1ud2u2Luduuvuuwuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuuwuvt1OtOtOtOta = 0iT1uT1图图3-25 三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载a a

26、=0 时的波形时的波形 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路ud1ud2a = 30iuOtOtOtOtuduuvuuwuuuvuwt1uuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuT1图图 三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载a a=30 时的波形时的波形 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路a = 60ud1ud2uduuwuuwuuvuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuuvuwOtt1OtOtuT1图图3-26 三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电

27、阻负载a a=60 时的波形时的波形 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路ud1ud2uduuuvuwuuuvtOtOtOtOtOiuiduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuvwuvuiT1图图3-27 三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载a a=90 时的波形时的波形 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路2 2、电感性负载电感性负载说明：说明： 三相桥式全控整流电路一般多三相桥式全控整流电路一般多用于电感性负载及反电动势负载。用于电感性负载及反电动势负载。 反电动势负载，常指直流电动反电动势负载，常指直流电动机电枢绕组。为

28、了改善电流波形，机电枢绕组。为了改善电流波形，有利于直流电动机换向及减小火花，有利于直流电动机换向及减小火花，一般都要串入电感量足够大的一般都要串入电感量足够大的平波平波电抗器电抗器，分析时等同于电感性负载。，分析时等同于电感性负载。 重点讨论电感性负载时的工重点讨论电感性负载时的工作波形和参数计算。作波形和参数计算。 电路特点与阻性负载一致。电路特点与阻性负载一致。 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路图图3-28三相桥式相控整流电路带电感性三相桥式相控整流电路带电感性负载原理图负载原理图电路分析电路分析 当当a a60 时时 ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相

29、似，波形连续，电路的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、晶闸管承受的电波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。压波形等都一样。 区别在于区别在于电流电流，当电感足够大的时候，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的波形的波形在导通段都可近似为一条水平线。在导通段都可近似为一条水平线。 a a=0 时的波形见时的波形见图图3-25，a a=30 时的波形见时的波形见图图3-29。 当当a a60 时时 由于电感由于电感L的作用，的作用，ud波形会出现波形会出现负的部分负的部分，波形仍连，波形仍连续，与阻性负载差别很大。续，与阻性负

30、载差别很大。 a a=90 时的波形见时的波形见图图3-30。 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路ud1a = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuactOtOtOtOidiat1uaubuc图图3-29 三相桥式全控整流电路带阻感负载三相桥式全控整流电路带阻感负载a a=30 时的波形时的波形 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路图图3-30 三相桥式全控整流电路带电感负载三相桥式全控整流电路带电感负载a a=90 时的波形时的波形 a = 90ud1ud2uuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuvuduuwuuvuuwtOtOt

31、Ouuuvuwt1uT1 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路基本数量关系基本数量关系 电电感感负载或反电动势负载加足够大的平波电抗器时负载或反电动势负载加足够大的平波电抗器时a a角的角的移相范围移相范围为为090 。 直流输出电压的平均值直流输出电压的平均值Ud 直流输出电流的平均值直流输出电流的平均值Id aaaaacos35. 1cos34. 2cos63)(sin6262222323ldUUUttdUU（3-55）RUIdd 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路流过晶闸管的电流的平均值和有效值流过晶闸管的电流的平均值和有效值 变变压器二次侧绕组的电流有

32、效值压器二次侧绕组的电流有效值I2 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。三相桥式全控整流电路带三相桥式全控整流电路带反电势阻感负载反电势阻感负载时的时的Id为：为： （3-58）ddTII31ddTIII577. 031ddIII817. 0322REUIdd（3-29） 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路（3-56， 3-57）3 3、反电动势反电动势负载负载 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路ddUEIR32dmin0.693 10ULI(3-59)(3-60) 3.4.3 三相桥式半控整流电路三相

33、桥式半控整流电路图图3-31 三相桥式半控整流电路及波形三相桥式半控整流电路及波形3.5 交流侧电抗对相控整流电路性能的影响交流侧电抗对相控整流电路性能的影响变压器漏感变压器漏感 实际上变压器绕组总有实际上变压器绕组总有漏感漏感，该漏，该漏感可用一个集中的电感感可用一个集中的电感LB表示，并表示，并将其折算到将其折算到变压器二次侧变压器二次侧。 由于电感对电流的变化起阻碍作用由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此，电感电流不能突变，因此换相换相过过程不能瞬间完成，而是会程不能瞬间完成，而是会持续一段持续一段时间时间。 漏感漏感LB对应着漏抗对应着漏抗XB，且，且 XB = LB

34、现以三相半波为例来分析，然后将其现以三相半波为例来分析，然后将其结论推广结论推广 假设负载中电感很大，假设负载中电感很大，负载电流为负载电流为水平线水平线。 udidtOtOgiciaibiciaIduaubuca图图3-32 考虑变压器漏感时的三考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形相半波可控整流电路及波形 3.5 交流侧电抗对相控整流电路性能的影响交流侧电抗对相控整流电路性能的影响分析从分析从VT1换相至换相至VT2的过程的过程 在在 t1时刻之前时刻之前VT1导通，导通， t1时时刻触发刻触发VT2，因，因a、b两相均有漏感，两相均有漏感，故故ia、ib均不能突变，于是均不能突变，

35、于是VT1和和VT2同时导通，相当于将同时导通，相当于将a、b两相短路两相短路，两相间电压差为两相间电压差为ua-ub，它在两相组，它在两相组成的回路中产生成的回路中产生环流环流ik如图所示。如图所示。 ik=ib是逐渐增大的，而是逐渐增大的，而 ia=Id-ik是是逐渐减小的。逐渐减小的。 当当ik增大到等于增大到等于Id时，时，ia=0，VT1关断，换流过程结束。关断，换流过程结束。 换相过程持续的时间用电角度换相过程持续的时间用电角度g g表示，称为表示，称为换相重叠角换相重叠角。 udidtOtOgiciaibiciaIduaubuca图图3-26 考虑变压器漏感时的三考虑变压器漏感时

36、的三相半波可控整流电路及波形相半波可控整流电路及波形 t1时刻时刻3.5 交流侧电抗对相控整流电路性能的影响交流侧电抗对相控整流电路性能的影响基本数量关系基本数量关系 换相过程中，整流输出电压瞬时值为换相过程中，整流输出电压瞬时值为 换相压降：与不考虑变压器漏感时相比，换相压降：与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少，即平均值降低的多少，即 2bakTakTbduudtdiLudtdiLuu（3-613-64）（3-65）556655dbdbbB66565BBB d06d13()d()()d()2 /32dd333d()d2d22dkIkkiUuutuuLttiLtL iX Ita g

37、a gaaa ga 3.5 交流侧电抗对相控整流电路性能的影响交流侧电抗对相控整流电路性能的影响 整流输出电压变为整流输出电压变为 换相重叠角换相重叠角g g g g 随其它参数变化的规律：随其它参数变化的规律： Id越大则越大则g g 越大；越大； XB越大越大g g 越大；越大； 当当a a90 时，时，a a越小越小g g 越大。越大。 （3-73）dBdddIXUUUUaa23cos17.1cos20262)cos(cosUIXdBgaa3.5 交流侧电抗对相控整流电路性能的影响交流侧电抗对相控整流电路性能的影响 电路形式电路形式单相全波单相全波单相全控桥单相全控桥三相半波三相半波三相

38、全控桥三相全控桥m脉波整流电路脉波整流电路 dUdBIX 其它整流电路的分析结果其它整流电路的分析结果 dB2IXdB23IXdB3IX)cos(cosgaa2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIsin22Bd各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算 dB2ImX注：单相全控桥电路中，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三相桥等效为相电压等于 的的6脉波整流电路，故其脉波整流电路，故其m=6，相电压按，相电压按 代入。代入。23U23

39、U3.5 交流侧电抗对相控整流电路性能的影响交流侧电抗对相控整流电路性能的影响26/2)cos(cosUXIBdgaagcos例：三相桥式不可控整流电路，阻感负载，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，求Ud、Id、IVD、I2和和g g 的值并作出的值并作出ud、iVD和和i2 的波形。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a a0时的情况。时的情况。 Ud2.34U2cosa aUd Ud3XBId IdUdR 解方程组得：解方程组得： Ud2.34U2cosa a（1

40、3XB/ R）486.9（V） Id97.38（A） 又又 即得出即得出 =0.892 换流重叠角换流重叠角g g26.93 二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为 )(51.7932)(22.56312AIIAIIdadVD3.5 交流侧电抗对相控整流电路性能的影响交流侧电抗对相控整流电路性能的影响u2udiVD1tOtOtOtOuaubuct1uabuacubcubaucaucbuabuaci2aIdId3.6.1 相控整流电路的谐波和功率因数相控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，由此带来的随着电力电子技术的发展，

41、其应用日益广泛，由此带来的谐波谐波(harmonics)和和无功无功(reactive power)问题日益严重，引起了关注。问题日益严重，引起了关注。无功的危害无功的危害 导致设备容量增加。导致设备容量增加。 使设备和线路的损耗增加。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。线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害谐波的危害 降低发电、输电及用电设备的效率。降低发电、输电及用电设备的效率。 影响用电设备的正常工作。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。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。导

42、致继电保护和自动装置的误动作。 对通信系统造成干扰。对通信系统造成干扰。 3.6 相控整流电路的谐波和功率因数相控整流电路的谐波和功率因数3.6.1 谐波和无功功率谐波和无功功率3.6.2 直流侧电压和电流的谐波分析直流侧电压和电流的谐波分析3.6.3 交流侧的谐波和功率因数分析交流侧的谐波和功率因数分析谐波谐波 正弦波正弦波电压可表示为电压可表示为 式中式中U为电压有效值；为电压有效值； u为初相角；为初相角； 为角频率，为角频率， =2 f=2 /T；f为频率；为频率； T为周期。为周期。 非正弦非正弦电压电压u( t)分解为如下形式的傅里叶级数分解为如下形式的傅里叶级数 3.6.1 谐波

43、和无功功率谐波和无功功率)sin(2)(utUtuutaan tbn tnnn()(cossin)01式中式中200)(d)(21ttua20)(dcos)(1ttntuan20)(dsin)(1ttntubnn=1, 2, 3(3-77)3.6.1 谐波和无功功率谐波和无功功率或或utacntnnn()sin()01式中，式中，cn、 n和和an、bn的关系为的关系为cabnnn22nnnarctg ab(/)acnnnsinbcnnncos基波（基波（fundamental）：频率与工频相同的分量。：频率与工频相同的分量。 谐波谐波：频率为基波频率大于：频率为基波频率大于1整数倍的分量。整

44、数倍的分量。 谐波次数谐波次数：谐波频率和基波频率的整数比。：谐波频率和基波频率的整数比。 n次谐波电流含有率以次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示）表示 HRIIInn1100(%)电流谐波总畸变率电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）分别定义为（）分别定义为（Ih为总为总谐波电流有效值）谐波电流有效值） (%)1001IITHDhi3.6.1 谐波和无功功率谐波和无功功率无功功率无功功率 正弦电路正弦电路 有功功率就是其平均功率：有功功率就是其平均功率： 20cos)(21IUtiduP式中式中U、I分别为电压

45、和电流的有效值，分别为电压和电流的有效值， 为电流滞后于电压的相位差。为电流滞后于电压的相位差。视在功率为：视在功率为： S=UI 无功功率为：无功功率为： Q=UIsin 功率因数为：功率因数为： SP无功功率无功功率Q与有功功率与有功功率P、视在功率、视在功率S之间的关系：之间的关系： 222QPS在正弦电路中，功率因数是由电压和电流的相位差在正弦电路中，功率因数是由电压和电流的相位差 决定的，其值为：决定的，其值为： =cos (3-78)(3-79)(3-80)(3-81)22PSQ3.6.1 谐波和无功功率谐波和无功功率11cosIUP非正弦电路非正弦电路 有功功率为有功功率为功率因

46、数为：功率因数为：式中式中I1为基波电流有效值，为基波电流有效值， 1为基波电流与电压的相位差。为基波电流与电压的相位差。11111coscoscosIIUIUISP式中，式中， =I1/I，即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为，即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数基波因数，而而cos 1称为称为位移因数位移因数或或基波功率因数基波功率因数。 无功功率无功功率 定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。 一般简单定义为（反映了能量的流动和交换）：一般简单定义为（反映了能量的流动和交换）： 仿照式（仿照式（3-79）定义为：）定义

47、为： 畸变功率畸变功率D为：为：22222nnfIUQPSD(3-82)(3-86)(3-83)(3-84)11sinIQUf3.6.2 直流侧电压和电流的谐波分析直流侧电压和电流的谐波分析图图3-33 a a=0 时，时，m脉波整流电路的整流电压波形脉波整流电路的整流电压波形整流电路的输出电压是周期性的非正弦函数，其中主要成分为直流，同时整流电路的输出电压是周期性的非正弦函数，其中主要成分为直流，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。包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。a a=0 时，时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析脉波整流电路的整流电压和

48、整流电流的谐波分析 整流电压表达式为整流电压表达式为tuUdcos220(3-87)3.6.2 直流侧电压和电流的谐波分析直流侧电压和电流的谐波分析对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出：对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出：tnnkUtnbUumkndmknnddcos1cos21cos2000式中，式中，k=1，2，3；且：；且：mmUUdsin220021cos2dnUnkb电压纹波因数电压纹波因数 0dRuUUg其中其中2022dmknnRUUUU(3-93)(3-91)(3-92)3.6.2 直流侧电压和电流的谐波分析直流侧电压和电流的谐波分析负载电流的傅里叶级数负载电流的傅里

49、叶级数 )cos(nmknnddtndIi上式中：上式中： REUIdd022)(LnRbzbdnnnnRLnn1tan(3-94)(3-95)(3-96)(3-97)3.6.2 直流侧电压和电流的谐波分析直流侧电压和电流的谐波分析a a=0 时整流电压、电流中的谐波有如下规律：时整流电压、电流中的谐波有如下规律： m脉波整流电压脉波整流电压ud0的的谐波次数谐波次数为为mk（k=1，2，3.）次，）次，即即m的倍数次；的倍数次；整流电流整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，的谐波由整流电压的谐波决定，也为也为mk次。次。 当当m一定时，随一定时，随谐波次数谐波次数增大，谐波增大，谐波幅值幅值迅

50、速减小，表明迅速减小，表明最低次（最低次（m次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载中有少；当负载中有电感电感时，负载电流谐波幅值时，负载电流谐波幅值dn的减小更为的减小更为迅速。迅速。 m增加时，增加时，最低次谐波次数最低次谐波次数增大，且增大，且幅值幅值迅速减小，迅速减小，电压电压纹波因数纹波因数迅速下降。迅速下降。 3.6.2 直流侧电压和电流的谐波分析直流侧电压和电流的谐波分析 a a不为不为0 时的情况时的情况 整流电压分解为傅里叶级数为：整流电压分解为傅里叶级数为： 以以n为参变量，为参变量，n次谐波幅值对次谐波幅值对a a的关系如

51、图所示：的关系如图所示： 当当a a从从0 90 变化时，变化时，ud的谐波幅的谐波幅 值随值随a a增大而增大，增大而增大，a a=90 时谐波时谐波 幅值最大幅值最大。 a a从从90 180 之间电路工作于有源之间电路工作于有源 逆变工作状态，逆变工作状态，ud的谐波幅值随的谐波幅值随a a 增大而减小。增大而减小。 )cos(6nknnddtncUuq030120150180600.10.20.390n=6n=12n=18a/()U2Lcn2三相全控桥电流连续时，以三相全控桥电流连续时，以n为参变为参变量的量的 与与a a的关系的关系lnUc223.6.2 交流侧的谐波和功率因数分析交

52、流侧的谐波和功率因数分析单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 电流波形如图所示，将电流波形分解为傅里叶级数，可得电流波形如图所示，将电流波形分解为傅里叶级数，可得 ,5, 3, 1,5, 3, 12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnnddtnItnnItttIi其中基波和各次谐波有效值为其中基波和各次谐波有效值为 nIIdn22n=1,3,5, 可见，电流中仅含可见，电流中仅含奇次谐波奇次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且，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。与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 3.6.2 交流侧的谐波和功率

53、因数分析交流侧的谐波和功率因数分析功率因数功率因数 基波电流有效值为基波电流有效值为IId12 2i2的有效值的有效值I=Id，可得基波因数为，可得基波因数为 II12 209 .电流基波与电压的相位差就等于电流基波与电压的相位差就等于控制角控制角a a，故位移因数为，故位移因数为 acoscos11功率因数为功率因数为aacos9 . 0cos22cos111II3.6.2 交流侧的谐波和功率因数分析交流侧的谐波和功率因数分析三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 电流有效值为电流有效值为 dII32电流波形分解为傅立叶级数电流波形分解为傅立叶级数 3,2, 11613,2, 116asi

54、n2) 1(sin2sin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknnkkknkdddtnItItnnItItttttIi(3-99)3.6.2 交流侧的谐波和功率因数分析交流侧的谐波和功率因数分析由式（由式（3-99）可得电流基波和各次谐波有效值分别为）可得电流基波和各次谐波有效值分别为, 3 , 2 , 1, 16,661kknInIIIdnd结论：电流中仅含结论：电流中仅含6k 1（k为正整数）次谐波为正整数）次谐波，各次谐波有效值与谐波次，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。数成反比，且与基波有效

55、值的比值为谐波次数的倒数。 功率因数功率因数基波因数为基波因数为955. 031II电流基波与电压的相位差仍为电流基波与电压的相位差仍为a a，故位移因数仍为，故位移因数仍为 acoscos11功率因数为功率因数为aacos995. 0cos3cos111II(3-100)(3-101)(3-102)(3-103)3.6.2 交流侧的谐波和功率因数分析交流侧的谐波和功率因数分析单相桥式不可控整流电路单相桥式不可控整流电路 采用采用感容滤波感容滤波。 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：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： 谐波次数为谐波次数为奇次奇次。 谐波次数越高，谐波谐波次数越高，谐波幅值幅值越小。越小。 谐波与基波的关系是不固定的。谐波与基波的关系是不固定的。 越大，则谐波越小。越大，则谐波越小。 关于功率因数的结论如下：关于功率因数的结论如下： 位移因数接近位移因数接近1，轻载轻载超