第3章整流电路0.

1、电力电子技术 Monday, May 30, 2022谭超课程名称课程名称：电力电子技术(Power Electronics) 学学 分分： 4总总 学学 时时： 64适用专业适用专业：电气工程及其自动化、自动化 先修课程先修课程：电机与拖动、电子技术基础、电路原理等第3章 整流电路第3章 整流电路引言整流电路：整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。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、半控、全控三种。按电路结构可分为：桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为：单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为：单拍电路和双拍电路。3.1 单相

2、可控整流电路3.1.1 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)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变压器变压器T T起变换电压和起变换电压和电气隔离的作用。电气隔离的作用。电阻负载的特点电阻负载的特点：电压：电压与电流成正比，两者波与电流成正比，两者波形相同。形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00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相位控制方式位控制方式，

3、简称相控方式相控方式。 基本数量关系 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 。222211210 45222直直流流输输出出电电压压平平均均值值为为: : (31) (31)VTVT的的 移移相相范范围围为为。dcossin()(cos).180UUUtdtUp pa aa awwawwappppa a 3.1.1 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 Recti

4、fier)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、晶闸管导通角的关系。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +3.1.1 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)对单相半波电路的分析可对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：基于上述方法进行：当当VT处于处于断态断态时，相当于电时，相当

5、于电路在路在VT处断开，处断开，id=0。当当VT处于处于通态通态时，相当于时，相当于VT短路。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。3.1.1 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)VTb)RLu2b) VT处于导通状态处于导通状态2222220220d dd dd dd d 当当VTVT处处于于通通

6、态态时时，如如下下方方程程成成立立：d d （3232）d d 初初始始条条件件：，。求求解解式式（3232）并并将将初初始始条条件件代代入入可可得得： （3333）其其中中， 当当时时，代代入入式式 3333）并并整整理理得得：()dtansinsin()sin()()arctan(sin()siRtLiLRiUtttiUUietZZLZRLRtiewawaw wq q w wwawaawaww wwwwqawqaaa （3434）n()qaqa3.1.1 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)u2u

7、diduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-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波形 续流二极管续流二极管当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）22221222122 （3535） （3636） （3737） （3838）RRdVTdVTdddVDdVDdd()()IIII dtIIIII dtIp pa apapap ppapap ppapaw wpppppapap ppap

8、aw wpppp 3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 电路的特点电路的特点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。 3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路.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VT

9、4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。电路结构电路结构数量关系数量关系2222222 211120 92202 2110 922110 4522d d （3939）角角的的移移相相范范围围为为1818。向向负负载载输输出出的的平平均均电电流流值值为为： （310310）流流过过晶晶闸闸管管的的电电流流平平均均值值只只有有输输出出直直流流平平均均值值的的一一半半，即即： （311311）ddddVTdcoscossin().coscos.cos.UUUttUU

10、UUIRRRUIIRp pa aaaaawwwwppppa aaaaap pa a pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。222222221122222112212流流过过晶晶闸闸管管的的电电流流有有效效值值：d d （312312）变变压压器器二二次次测测电电流流有有效效值值 与与输输出出直直流流电电流流 有有效效值值相相等等： （313313）由由式式 312312）和和式式 313313）得得： VT2VT(sin)()sin(si*n)()sin(

11、*UUIttRRIIUUIItdtRRIIp pa ap pa apapawwawwapppppppapawwawwapppppp （314314） pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,.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)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4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

12、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。.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Controlled Rectifier) 数量关系数量关系222212 220 9020110 707220d ddTdTdddTdTddd d （315315） 晶晶闸闸管管移移相相范范围围为为9 9。 晶晶闸闸管管承承受受的的最最大大正正反反向向电电压压均均为为

13、 晶晶闸闸管管导导通通角角 与与 无无关关，均均为为1818。电电流流的的平平均均值值和和有有效效值值：， 变变压压器器二二次次侧侧电电流流 的的波波形形为为正正负负各各1818的的矩矩形形波波，其其相相位位由由 角角决决定定，有有效效值值。22dsin()cos.cos.UUttUUUIIIIIiIIp ap aa awwaawwaappppqaqaa a 2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路Phasor RepresentationPhasors ar

14、e only meaningful with sinusoidal quantities V = I Z where Z = jL or Z = 1/ jC = - j /C but only when V and I are sinusoids of frequency . Return to first principles for arbitrary waveforms.Response of L and CInductor Voltage and Current in Steady State Volt-seconds over T equal zero.Capacitor Volta

15、ge and Current in Steady State Amp-seconds over T equal zero.n当分析电力电子电路时，有两个重要的稳态原理是很有用的，其一是在一周期内；电抗器两端的平均电压在稳态情况下为零。 n电抗器L两端的电压是uL(t)，流过的电流是iL(t)。因dttuLtiTtidttuLtiTttLLLLL 00)(1)()()(1)(00n按定义稳态情况下iL(t0+T)必等于iL(t0)，因此的的平平均均电电压压为为零零。表表示示一一个个周周期期 TdttuTdttuLTttLTttL0)(10)(10000 n第二个重要的稳态原理：在一周期中，流过电

16、容器的平均电流为零。容容器器的的平平均均电电流流为为零零。表表示示一一个个周周期期中中流流过过电电。因因此此必必须须等等于于稳稳态态时时，0)(1)()()(1)()()(1)(00000000 dttiCtuTtudttiCtuTtudttiCtuTttcccTttccccc3） 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 1202d dd2dd2dd d在在时时，才才有有晶晶闸闸管管承承受受正正电电压压，有有导导通通的的可可能能。导导通通之之后后，直直至至， 即即降降至至 使使得得晶晶闸闸管管关关断断，此此后后。与与电电阻阻负负载载时时相相比比

17、，晶晶闸闸管管提提前前了了电电角角度度 停停止止导导电电，称称为为停停止止导导电电角角。 （3 163 16）在在 角角相相同同时时，整整流流输输出出电电压压比比电电阻阻负负载载时时大大。22d|sin*uEuEuuiRuEiuEEU a a b)idOEudwtIdOwtaq.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Controlled Rectifier)图3-7b 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻电阻负载时的波形 电流断续电流断续当 30 的情况（的情况（图图3-14）特点：负载电流断续，晶闸管导特点：负载电流断续，晶闸管导通

18、角小于通角小于120 。b)c)d)e)f)u2uaubuca =0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)R3.3.1 三相半波可控整流电路56222622013 621 1722301 17012233 3时时，负负载载电电流流连连续续，有有： （318318）当当时时，d d最最大大，为为3 3时时，负负载载电电流流断断续续，晶晶闸闸管管导导通通角角减减小小，此此时时有有：整整流流电电压压平平均均值值的的计计算算： ddd0dsin()cos.cos.sin(*UUtdtUUUUUUUUtdtp pa ap pa aa awwaawwaap

19、 pp pa aa awwwwp p 263 21260 675 16 319 319d)cos().cos()UUp pp pa ap pa ap pp pa a 。3.3.1 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图图3-15 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路Ud/U2随随a变化的关系变化的关系1电阻负载电阻负载 2电感负载电感负载 3电阻电感负载电阻电感负载3.3.1 三相半波可控整流电路222202362 45122 负负载载电电流流平平均均值值为为： （3232 ）

20、 晶晶闸闸管管承承受受的的最最大大反反向向电电压压，为为变变压压器器二二次次线线电电压压峰峰值值，即即： （3232 ） 晶晶闸闸管管阳阳极极与与阴阴极极间间的的最最大大正正向向电电压压等等于于变变压压器器二二次次相相电电压压的的峰峰值值，即即： （3232 ）ddRMFM .*UIRUUUUUU3.3.1 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=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

21、，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。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt3.3.1 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2d0d17. 1UUUUd/U2与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给出了这种情况的一个例子。03060901201501.17321a/( )Ud/U2图3-15 三相半波可控整流电路U

22、d/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载3.3.1 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） 对交流直流变换最基本的性能要求：n直流输出电压可以调控（交流输入电压变化时或负载变化时输出的直流电压可保持为任意指令值）n输出电压中交流分量（即谐波电压）被控制在允许值范围以内；n交流侧电流

23、中的谐波电流也要求在允许值以内。n此外交流侧的功率因数、整流器的效率、重量、体积、成本、电磁干扰EMI和电磁兼容性EMC以及对控制指令的响应特性都是评价整流器的重要指标。 整流器的类型和性能指标n整流器最基本的性能指标有：n1. 电压谐波系数或纹波系数RF（Ripple Factor）n3. 电压脉动系数 Sn n3. 输入电流总畸变率THD (Total Harmonic Distortion) n4. 输入功率因数PF（Power Factor） n上述基本性能指标能比较科学地评价各种整流电路的性能优劣 。整流器的类型和性能指标n纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平均值电压VD外全部交流

24、谐波分量有效值VH可以进一步表示为 ：DHvVVRF/12DrmsdHvVVVV22DrmsHVVVn电压谐波（纹波）系数的定义：输出电压中的交流谐波有效值 VH与直流平均值VD 之比值。表示为电压谐波系数或纹波系数电压谐波系数或纹波系数RFRF（Ripple FactorRipple Factor）整流器的类型和性能指标定义：整流输出电压中最低次谐波幅值Vnm与直流平均值VD之比 。Sn=Vnm/VD电压脉动系数电压脉动系数 S Sn n整流器的类型和性能指标n交流输入电流中除基波电流Is1外通常还含有各次谐波电流Isn（n2，3，4，） 。nTHD的定义：除基波电流外的所有谐波电流总有效值

25、与基波电流有效值之比值 222221121222212121111由由于于 SSSnShnSShSSnSnSSSIIIIIIIIITHDIIIII 输入电流总畸变率输入电流总畸变率THD THD ( (Total Harmonic DistortionTotal Harmonic Distortion) )11111定定义义：交交流流电电源源输输入入有有功功功功率率与与其其视视在在功功率率 之之比比，即即n n若若交交流流输输入入电电压压为为无无畸畸变变的的正正弦弦波波，则则只只有有输输入入电电流流中中的的基基波波电电流流形形成成有有功功功功率率。这这时时， /()cos/()(cos)/co

26、sACACSSACSSSSSSSSPSPFPSSV IPFPV IV IV IIIjjjjjj：，输入功率因数输入功率因数PFPF（Power FactorPower Factor） ：整流器的类型和性能指标112222211221111交交流流侧侧电电压压与与电电流流基基波波分分量量之之间间的的相相位位角角称称为为基基波波位位移移角角；基基波波功功率率因因数数称称为为基基波波位位移移因因数数。基基波波电电流流数数值值因因数数（简简称称基基波波因因数数）是是基基波波电电流流有有效效值值与与总总电电流流有有效效值值之之比比值值。1cos 1DPFSSSSSnSnSnnIIITHDIIIIj jj

27、 j 输入功率因数输入功率因数PFPF（Power Factor)Power Factor)：整流器的类型和性能指标Performance Parameters 222222211 整整流流效效率率 波波形形系系数数 纹纹波波系系数数/rectification effeciency/form factorripple factordcacacrmsdcrmsdcrmsdcacrmsdcdcdcPPVVVFFVVVVVVRFFFVVV 2221221122212211111111 电电流流畸畸变变 电电压压畸畸变变变变压压器器的的直直流流磁磁化化问问题题coscos*SSSiSSSSSvSSS

28、SSSSSSSIIITHDIIVVVTHDVVV IIPPFV IV IIDistortionFactor Displacement Faactorj jj j 3.3.2 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 VT5VT63.3.2 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

29、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120Waveforms for positive half bridgeWaveforms for negative half bridgeWaveforms of output voltage3.3.2 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VT1VT1VT3VT3

30、VT5VT5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3-183.3.2 三相桥式全控整流电路（2）对触发脉冲的要求：按VT1-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

31、极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。3.3.2 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）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a60 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3.3.2 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

32、的工作情况主要包括a60 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。3.3.2 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(

33、3-26）)3cos(134.2)(sin63232dapwwppapUttdUU(3-27）3.3.2 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：22212220 8162333 328 328）dddd().(IIIIIppppp p 晶晶闸闸管管电电压压、电电流流等等的的定定量量分分析析与与三三相相半半波波时时一一致致。接接反反电电势势阻阻感感负负载载时时，在在负负载载电电流流连连续续的的情情况况下下，电电路路工工作作情情况况与与电电感感性性负负载载时时相相似似，电电路路中中各各处处电电压压、电电流流

34、波波形形均均相相同同。仅仅在在计计算算时时有有所所不不同同，接接反反电电势势阻阻感感负负载载时时的的为为： 329 329）式式中中 和和 分分别别为为负负载载中中的的电电阻阻值值和和反反电电动动势势的的值值。dddd*(*IIUEIRRE 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。3.3 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。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

35、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udidwtOwtOiciaibiciaIduaubuca3.3 变压器漏感对整流电路的影响换相重叠角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。换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。02 33 33 ）(kkabdaBbBdidiuuuuLuLdtdt 556655665650613232333222dbdbbBdbdbbBBBBdBBBdd dddddd dd ddd 331dd

36、331）d ddkkk() ()() ()/()(IiUuutuuLttiLtL iX Itppppa a a a ppppaaaap pa a p pa awwwwppppwwwwpppppp 3.3 变压器漏感对整流电路的影响换相重叠角 的计算256622 332 332）sin()()(kbaBBUtdiuuLdtLp pw w 由上式得：26526B Bd d 333 333）d dksin()(iUttXp pw ww w进而得出：225666552626BBBBd d 334 334）ksin() ()coscos()(tUUitttXXw wp pa appppwwawwwaw

37、3.3 变压器漏感对整流电路的影响由上述推导过程，已经求得：22562266552626566226BBBBd dd dB BBdBdd d当当时时，于于是是： 335 335） 336 336）随随其其它它参参数数变变化化的的规规律律：（1 1）越越大大则则 越越大大；kkdsin() ()coscos()coscos()(coscos()(*tUUitttXXtiIUIXX IUIw wp pa appppwwawwwawp pwawaaaaaaaaa （2 2）越越大大 越越大大；（3 3）当当时时， 越越小小 越越大大。B90Xaa 3.3 变压器漏感对整流电路的影响 变压器漏抗对各种

38、整流电路的影响变压器漏抗对各种整流电路的影响 dUdBIXpdB2IXpdB23IXpdB3IXpdB2ImXp)cos(cosaa2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22Bd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 表表3-2 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。23U23U3.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路影响的一些

39、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 ，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。3.4 电容滤波的不可控整流电路3.4 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。.1电容滤波的单相不

40、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)0iudqp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud 详细分析（简要讲解得出的结论，关

41、键在于求出 和q q ） (3-37） (3-38） 式中，ud(0)为VD1、VD4开始导通时刻直流侧电压值。)sin(222wtUu 20Cd2d1)0(sin2)0(udtiCuUut .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 将u2代入并求解得： (3-39） 而负载电流为： (3-40） 于是 设VD1和VD4的导通角为q，则当w wt= q q 时，VD1和VD4关断。将id (q q ) = 0代入式(3-41），得： (3-42） 二极管导通后u2开始向C充电时的ud与二极管关断后C放电结束时的ud相等 (3-43） )cos(22CwwtC

42、Ui)sin(222RwtRURui)sin(2)cos(222RCdwwwtRUtCUiiiRCwq)(tanqwqpsin2)sin(222UeURC.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注意到 q 为第2象限的角，由式(3-42）和(3-43）得： (3-44） (3-45）在w wRC已知时，即可由式(3-45）求出 ，进而由式(3-44）求出q q 。显然 和q q 仅由乘积wRC决定。图3-27给出了根据以上两式求得的 和q 角随wRC变化的曲线。 )(arctanRCwqpqwwwqwwsin1)()(arctan2RCRCRCeeRCRC0

43、102030405060qwRC/radp /6p /3p /22 p /35 p /6p,q /rad图图3-27 、q q 与与w wRC的关系曲线的关系曲线 .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二极管VD1和VD4关断的时刻，即w wt达到q q 的时刻，还可用另一种方法确定： VD1和VD4的关断时刻，从物理意义上讲，就是两个电压下降速度相等的时刻，一个是电源电压的下降速度|du2 /d(w w t)|，另一个是假设二极管VD1和VD4关断而电容开始单独向电阻放电时电压的下降速度|dud /d(w w t)| p（下标表示假设）。

44、.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3.4.1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/RId =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。2d2UU 2/)53(TRC (3-46）3.4.1电容滤波的单

45、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,ud3.4.2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)Oiaudiduduabuac0qwt

46、pp3wt32=+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由 “电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在wt+ =2/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有图3-31电容滤波的三相桥式整流电路当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

47、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)uaubucucuaubub3.6.1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3-37 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。21dd

48、uu0puwupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub3.6.1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3-37 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3-37 a。)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuu（3- 98）谐波分析分析详见P78。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)uaubuc

49、ucuaubub3.6.1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( 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。90a。60a。30audududwtOwtOwtOuaubucucuaububucucuaububucucuaub

50、3.6.1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 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，双反星形的Ud是三相桥的1/2，而Id是单相桥的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。3.6.2 多重化整流电路概述：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，可采用网的干扰也随

51、之加大，为减轻干扰，可采用多重化整流电路多重化整流电路。原理：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进行组合得到。组合得到。目标：目标：移项多重联结移项多重联结减少交流侧输入电流谐波，减少交流侧输入电流谐波，串联多重整流电路串联多重整流电路采用采用顺序控制顺序控制可提高功率因数。可提高功率因数。3.6.2 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。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

52、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。3.6.2 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3-41 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)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+ )Id323(1+)Id33Id133.6.2 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(34

53、dd1IIImpp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 aUUdcos266p3.6.2 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

54、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 al l=0.9949cosa a3.6.2 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重联重联结电路结电路：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 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。3.6.2 多重化整流电路2) 多重联结电路

55、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。3.6.2 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，

56、从而提高了总的功率因数。a)db)c)iId2 IduOap +a3.7 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？什么是逆变？为什么要逆变？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

57、。3.7.1 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。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的，回路两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。3.7.1 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)

58、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。3.7.2三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流的区别：控制角 a a 不同 0a ap 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 = 表示， 称为逆变角逆变角。逆变角 和控制角a a的计量方向相反，其大小自 =0的起始点向左方计量。3.7.2三相桥整流

59、电路的有源逆变工作状态3.7.2三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uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtO =p4 =p3 =p6 =p4 =p3 =p6wt1wt3wt23.7.2三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cos

60、35. 1cos34. 222UUUd（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：ddVTIIII816.032223.7.3 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