电力电子ppt第二章

1、第2章 相控整流器与有源逆变器本章主要内容本章主要内容 整流器的结构形式、工作原理，分析整流器的工作波形，整流器的结构形式、工作原理，分析整流器的工作波形，整流器各参数的数量关系和设计方法整流器各参数的数量关系和设计方法; ; 整流器工作在逆变状态时的工作原理、工作波形。整流器工作在逆变状态时的工作原理、工作波形。 变压器漏抗对整流器的影响、整流器带电动机负载时的变压器漏抗对整流器的影响、整流器带电动机负载时的机械特性、触发电路等内容。机械特性、触发电路等内容。 晶闸管触发电路晶闸管触发电路 2.1 引 言整流电路：整流器是将交流电变换为固定的或可调的直整流电路：整流器是将交流电变换为固定的或

2、可调的直流电。流电。 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种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交流输入相数分为单相电路和多相电路 工频可控整流器工频可控整流器2.2 单相整流电路2.2.1 单相半波可控整流电路1. 1. 电阻性负载电阻性负载（1 1）工作原理）工作原理 在实际应用中，某些负载基本上是电阻性的，如电阻加热炉、电在实际应用中，某些负载基本上是电阻性的，如电阻加热炉、电解和电镀等。电阻性负载的特点是电压与电流成正比，波形相同解和电镀等。电阻性负载的特点是电压与电流成正比

3、，波形相同并且同相位，电流可以突变。并且同相位，电流可以突变。 首先假设以下几点：首先假设以下几点：(1) 开关元件是理想的，即开关元件导通时，开关元件是理想的，即开关元件导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大；通态压降为零，关断时电阻为无穷大；(2) 变压器是理想的，即变压器是理想的，即变压器漏抗为零，绕组的电阻为零、励磁电流为零。变压器漏抗为零，绕组的电阻为零、励磁电流为零。单相半波整流电路阻性负载演示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起变换电压和隔离的作用起变换电压和隔离的作用电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相

4、同 几个概念的解释：几个概念的解释：ud为脉动直流，波形只在为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称正半周内出现，故称“半波半波”整流整流 采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路相半波可控整流电路 ud波形在一个电源周期中只脉动波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流次，故该电路为单脉波整流电路电路几个重要的基本概念：几个重要的基本概念： 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，用冲止的电角度，用a表示表示,也称触发

5、角或控制角也称触发角或控制角 导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用表示表示 移相范围移相范围: 是指触发脉冲是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压的变的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是 0180 。 通过改变触发角通过改变触发角的大小，直流输出电压的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然载上的输出电压平均值发生变化，显然=180 时，时，Ud=0。由于。由于晶闸管只在

6、电源电压正半波内导通，输出电压晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称瞬时值变化的脉动直流，故称“半波半波”整流。整流。（2 2） 基本数量关系基本数量关系 输出电压平均值输出电压平均值 U Ud d与输出电流平均值与输出电流平均值Id 输出电压平均值输出电压平均值 Ud:=0时，时， Ud=0.45U2，=180时，时， Ud=0，所以控制角的移相范围是，所以控制角的移相范围是0180 输出电流平均值输出电流平均值Id:2cos145. 02cos12dsin221222dUUttUU2cos145. 0L2dRUI 输出电压有效值输出电

7、压有效值U U与输出电流有效值与输出电流有效值I 输出电压有效值输出电压有效值U： 输出电流有效值输出电流有效值I： 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值 单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：流，故其有效值相等，即：22sin41d2sin22122UttUU22sin41L2LRURUI22sin41L22TRUIII 晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压Um 由图由图2-2 (f)可以看出晶闸管承受的最大正反向电压可以看出晶

8、闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰是相电压峰值。值。 功率因数功率因数coscos 整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值，当忽整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值，当忽略晶闸管的压降时，电源供给的有功功率为略晶闸管的压降时，电源供给的有功功率为P=UI 式中式中 P变压器二次侧有功功率变压器二次侧有功功率 S变压器二次侧视在功率变压器二次侧视在功率2m2UU22sin41cos222IUUISP例例2-12-1 如图所示单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压如图所示单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2 2为为220V，要求的直流输出电压为，要求的直

9、流输出电压为50 V，直流输出平均电流为，直流输出平均电流为20A 试计算：试计算：(1) 晶闸管的控制角。晶闸管的控制角。(2) 电路功率因数。电路功率因数。(3) 晶闸管的额定电压和额定电流。晶闸管的额定电压和额定电流。解解 (1) 则=90 (2) 当 =90时，输出电流有效值 0122045. 0502145. 02cosddUUA 44.4 22sin412RURUI505. 022020504 .44cos2222UUIUUISP5 . 22050 ddIUR(3) 晶闸管电流有效值IT 与输出电流有效值相等，即：则 取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为：（5）晶闸管承受的最高电压：

10、考虑(23)倍安全裕量，晶闸管的额定电压为 根据计算结果可以选取满足要求的晶闸管。 IIT)25 . 1 (57. 1TT(AV)IIA 6 .56T(AV)IV311220222mUUV 933622311)32()32(mTNUU2 2. . 电感性负载电感性负载（1 1）工作原理）工作原理n电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等。电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等。n当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电势，感应电势对负载当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电势，感应电势对负载电流的变化有阻止作用，使得负载电流不能突变。当电流增大时，电电流的变化有阻止作用

11、，使得负载电流不能突变。当电流增大时，电感吸收能量储能，电感的感应电势阻止电流增大；当电流减小时，电感吸收能量储能，电感的感应电势阻止电流增大；当电流减小时，电感释放出能量，感应电势阻止电流的减小，输出电压、电流有相位差。感释放出能量，感应电势阻止电流的减小，输出电压、电流有相位差。 单相半波整流电路电感性负载演示 在在t=0到到期间，晶闸管阳极和阴极之间的电压期间，晶闸管阳极和阴极之间的电压uAK大于零，但晶闸管大于零，但晶闸管门极没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等门极没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等于零。于零。 在在t=时，门极有触发信号，晶闸

12、管被触发导通，负载电压时，门极有触发信号，晶闸管被触发导通，负载电压ud= u2。 当当t=时，交流电压时，交流电压u2过零，由于有电感电势的存在，晶闸管的电压过零，由于有电感电势的存在，晶闸管的电压uAK仍大于零，晶闸管会继续导通，电感的储能全部释放完后，晶闸仍大于零，晶闸管会继续导通，电感的储能全部释放完后，晶闸管在管在u2反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周。反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周。（2 2）数量关系）数量关系直流输出电压平均值Ud为)(sin2212ttdUUdp当取不同的角时， =f()的曲线图 3 电感性负载加续流二极管（1 1）工作原理）工作原理 从从ud的

13、波形可以的波形可以看出，在负载两看出，在负载两端并联一个续流端并联一个续流二极管后二极管后,输出电输出电压波形和电阻性压波形和电阻性负载一样负载一样,但电流但电流却有着本质的区却有着本质的区别。别。单相半波带续流二级管演示 电源电压正半波电源电压正半波u20，晶闸管电压，晶闸管电压uAK0。t=，触发晶闸管导通，触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流，续流二极管负载上有输出电压和电流，续流二极管VDR承受反向电压而处于断态。承受反向电压而处于断态。 电源电压负半波电源电压负半波u20，通过续流二极管，通过续流二极管VDR使晶闸管承受反向电压而关使晶闸管承受反向电压而关断。电感的感应电压使断。电

14、感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，负载两端的电压仅承受正向电压导通续流，负载两端的电压仅为续流二极管的管压降。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一为续流二极管的管压降。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使周期晶闸管导通，使id连续。连续。 由以上分析可以看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电由以上分析可以看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可以起到提高输出电压的作用。在大电阻性负载波形相同，续流二极管可以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和感负载时负载电流

15、波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。流过续流二极管的电流波形是矩形波。 对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同为波可控整流器电阻性负载相同为0180，且有，且有+=180。（2） 基本数量关系 输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud输出电流平均值Id 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值 晶闸管和变压器二次侧电流有效值相等，即：2cos145. 02cos122dsin22212dUUttUU2cos10.45 ddd

16、RURUId2)(d212d2ItIIIT 续流二极管的电流平均值续流二极管的电流平均值I IdDR与续流二极管的电流有效值与续流二极管的电流有效值I IDRDR 续流二极管的电流平均值续流二极管的电流平均值I IdDRdDR为为 续流二极管的电流有效值续流二极管的电流有效值I IDRDR 晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压 晶闸管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值晶闸管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值 续流二极管承受的最大反向电压为电源电压的峰值。续流二极管承受的最大反向电压为电源电压的峰值。ddDR2IId22dDR2)(d21ItII2

17、m2UU2m2UU 单相半波可控整流器的优点是电路简单，调整方便，容易实现。但整单相半波可控整流器的优点是电路简单，调整方便，容易实现。但整流电压脉动大，每周期脉动一次。变压器二次侧流过单方向的电流，流电压脉动大，每周期脉动一次。变压器二次侧流过单方向的电流，存在直流磁化、利用率低的问题，为使变压器不饱和，必须增大铁心存在直流磁化、利用率低的问题，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面，这样就导致设备容量增大。截面，这样就导致设备容量增大。 1 电阻性负载 单相桥式整流电路阻性负载演示2.2.2 单相桥式全控整流电路 （1 1） 工作原理工作原理 在电源电压在电源电压u2正半波，晶闸管正半波，晶闸

18、管VT1、VT4承受正向电压。假设四个晶闸承受正向电压。假设四个晶闸管的漏电阻相等，则在管的漏电阻相等，则在0区间由于四个晶闸管都不导通，区间由于四个晶闸管都不导通，uAK1，4=1/2 u2。在。在t=处触发晶闸管处触发晶闸管VT1、VT4导通，电流沿导通，电流沿aVT1RVT4b流通，此时负载上输出电压流通，此时负载上输出电压ud=u2。电源电压反向施加到晶闸管。电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，处于关断状态，到上，处于关断状态，到t=时，因电源电压过零，晶闸管时，因电源电压过零，晶闸管VT1、VT4阳极电流也下降为零而关断。阳极电流也下降为零而关断。 在电源电压负半波，晶闸管在电

19、源电压负半波，晶闸管VTVT2 2、VTVT3 3承受正向电压，在承受正向电压，在+区间，区间，u uAK2AK2，3 3=1/2=1/2 u u2 2，在，在tt=+=+处触发晶闸管处触发晶闸管VTVT2 2、VTVT3 3，元件导通，电流，元件导通，电流沿沿bVTbVT3 3R RVTVT2 2aa流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压阻上，负载上有输出电压 u ud d=-=-u u2 2。此时电源电压反向施加到晶闸管。此时电源电压反向施加到晶闸管VTVT1 1、VTVT4 4上，使其处于关断状态。到上，使其处于关断状态

20、。到tt=2=2，电源电压再次过零，电源电压再次过零，VTVT2 2、VTVT3 3阳极电流也下降为零而关断。阳极电流也下降为零而关断。 单相桥式整流器电阻性负载时的移相范围是单相桥式整流器电阻性负载时的移相范围是 0180。=0时，输出电压最高；时，输出电压最高；=180时，输出电压最小。晶闸管时，输出电压最小。晶闸管承受最大反向电压承受最大反向电压Um是相电压峰值，晶闸管承受最大正向电压是是相电压峰值，晶闸管承受最大正向电压是Um/2。 负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，从而使直流输出电负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，从而使直流输出电压、电流的脉动程度较前述单相半波得

21、到了改善。变压器二次绕组在压、电流的脉动程度较前述单相半波得到了改善。变压器二次绕组在正、负半周内均有大小相等、方向相反的电流流过，从而改善了变压正、负半周内均有大小相等、方向相反的电流流过，从而改善了变压器的工作状态并提高了变压器的有效利用率。器的工作状态并提高了变压器的有效利用率。 （2 2） 基本数量关系基本数量关系 输出电压平均值输出电压平均值Ud与输出电流平均值与输出电流平均值Id 输出电压平均值输出电压平均值Ud为为=0 时，时， Ud=0.9U2，=180 时，时， Ud=0，所以控制角的移相范，所以控制角的移相范围是围是0180 输出电流平均值输出电流平均值Id为为 输出电压有

22、效值输出电压有效值U2cos19 . 02cos122dsin21222dUUttUU2cos19 . 0L2LddRURUI2sin21dsin22122UttUU 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流 输出电流有效值输出电流有效值I与变压器二次侧电流与变压器二次侧电流I2相同为相同为晶闸管晶闸管的电流平均值的电流平均值是输出电流的二分之一，其有效值为是输出电流的二分之一，其有效值为 晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压Um晶闸管承受的最大反向电压为电源电压的峰值晶闸管承受的最大反向电压为电源电压的峰值晶闸管承受的最大正向电压为电源电压的峰值的

23、一半晶闸管承受的最大正向电压为电源电压的峰值的一半所以晶闸管承受的正反向电压的最大值是所以晶闸管承受的正反向电压的最大值是 2sin21L22RUIIIRUI2122sin41L2T22U22U2/22U3 3 电感性负载电感性负载 ( (1 1) ) 工作原理工作原理 电源电压正半波，在电源电压正半波，在tt= =处触发晶闸管处触发晶闸管VTVT1 1、VTVT4 4，晶闸管，晶闸管VTVT1 1、VTVT4 4承受正向电压，元件导通，电流沿承受正向电压，元件导通，电流沿aVTaVT1 1LRVTLRVT4 4bb流通，此时流通，此时负载上电压负载上电压u ud d= =u u2 2。此时电

24、源电压反向施加到晶闸管。此时电源电压反向施加到晶闸管VTVT2 2、VTVT3 3上，使其上，使其承受反向阳极电压而处于关断状态。当承受反向阳极电压而处于关断状态。当tt=时，电源电压自然过时，电源电压自然过零，电感感应电势使晶闸管继续导通。零，电感感应电势使晶闸管继续导通。 在电源电压负半波，晶闸管在电源电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，但没有触发脉承受正向电压，但没有触发脉冲而不导通；在冲而不导通；在t=+处触发晶闸管处触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流，元件导通，电流沿沿bVT3LRVT2a流通，电源电压沿正半周期的方向施加到流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，

25、负载上有输出电压负载上，负载上有输出电压ud= -u2。此时。此时VT1、VT4承受反向电压由承受反向电压由导通状态变为关断状态。晶闸管导通状态变为关断状态。晶闸管VT2、VT3直要导通到下一周期直要导通到下一周期t=2+处再次触发晶闸管处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。为止。 单相桥式整流电路感性负载 从波形可以看出从波形可以看出= =9090 输出电压波形正负面积相同，平均值为零，输出电压波形正负面积相同，平均值为零，所以移相范围是所以移相范围是0 09090 。控制角。控制角在在0 09090 之间变化时，晶闸管导之间变化时，晶闸管导通角通角，导通角，导通角与控制角与控制角无关。晶闸管

26、承受的最大正、反无关。晶闸管承受的最大正、反向电压。向电压。2m2UU （2 2） 基本数量关系基本数量关系 输出电压平均值输出电压平均值Ud和输出电流平均值和输出电流平均值Id 输出电压平均值输出电压平均值Ud当当=0 时，时， Ud=0.9U2，=90 时，时， Ud=0，所以控制角的移相范围是，所以控制角的移相范围是090 输出电流平均值输出电流平均值Id为为cos9 . 0cos22dsin21222dUUttUUL2Lddcos9 . 0RURUI 晶闸管电流有效值和变压器副边电流有效值晶闸管电流有效值和变压器副边电流有效值 晶闸管的电流是输出电流的一半，输出电流波形是一条水平线，因

27、晶闸管的电流是输出电流的一半，输出电流波形是一条水平线，因此其有效值此其有效值 变压器绕组的电流波形是对称的正负矩形波，其有效值与输出电流变压器绕组的电流波形是对称的正负矩形波，其有效值与输出电流平均值相等平均值相等 晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压Um 晶闸管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值晶闸管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值dT21IId2II2m2UU（3）反电势负载 反电势电阻负载的情况 单相全控桥电路图和工作波形单相全控桥电路图和工作波形( (反电势无负载反电势无负载) ) 在负载回路无电感时，反电势电阻负载的特点是：当整流电压的瞬在负载回路无电感时

28、，反电势电阻负载的特点是：当整流电压的瞬时值时值ud小于反电势小于反电势E 时，晶闸管承受反压而关断，这使得晶闸管导时，晶闸管承受反压而关断，这使得晶闸管导通角减小。晶闸管导通时，通角减小。晶闸管导通时，ud=u2 晶闸管关断时，晶闸管关断时，ud=E。与电阻负载相比晶闸管提前了电角度。与电阻负载相比晶闸管提前了电角度停止停止导电，导电，称作停止导电角。称作停止导电角。 若若 时时, ,在这种条件在这种条件下其工作情况与电感性负载相同。下其工作情况与电感性负载相同。 与单相半波可控整流器相比，整流电压脉动减小，每周期脉动两次。与单相半波可控整流器相比，整流电压脉动减小，每周期脉动两次。变压器二

29、次侧流过正反两个方向的电流，不存在直流磁化，利用率高。变压器二次侧流过正反两个方向的电流，不存在直流磁化，利用率高。 cos9 . 02dUU 2.2.3 电容滤波的不可控整流电路1工作原理及波形分析在u2正半周过零点至t=0期间，因u2 ud，故二极管均不导通，电容C向负载电阻RL放电，提供负载所需电流，同时输出电压ud下降。至t=0之后， u2将要超过ud ，VD1和VD4承受正压导通， ud = u2 ，交流电源向电容充电，同时向负载RL供电。至之后， u2 ud ，VD1和VD4关断，电容开始以指数规律放电。通过分析，可知和决定于RC的乘积。 2主要的数量关系(1) 输出电压平均值 在

30、设计时根据负载的情况选择电容C值，使 T为交流电源的周期 此时输出电压为1.2U2(2) 输出电流平均值 输出电流平均值为2)53(TRC RUIdd(3) 二极管电流二极管电流平均值IdVD为 二极管电流波形由于是脉冲波形，电流有效值与波形形状有关，波形形状与电容和负载电阻有关，一般的应该按照输出电压等于1.2U2时计算有效值。可以根据工程计算的方法得出二极管电流有效值。(4) 二极管承受的电压 二极管承受的反向电压的最大值为变压器二次电压最大值 2 ddVDII22U3 感容滤波的二极管整流电路2.2.4 单相双半波可控整流电路单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的

31、。 变压器不存在直流磁化的问题。单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。单相双半波整流电路感性负载单相半控桥式整流电路在阻感负载时的情况阻性负载演示感性负载演示失控现象演示为防止失控现象,在负载端反并联续流二极管2.2.5 单相半控桥式整流电路 续流二极管的作用u 若无续流二极管，则当a 突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定

32、，称为失控。u 有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。2.3 三相整流电路 1 1 电阻性负载电阻性负载( (1 1) ) 工作原理工作原理 为了得到零线，整流变压器二次绕组接成星形。为了给三次谐为了得到零线，整流变压器二次绕组接成星形。为了给三次谐波电流提供通路，减少高次谐波对电网的影响，变压器一次绕波电流提供通路，减少高次谐波对电网的影响，变压器一次绕组接成三角形。图中三个晶闸管的阴极连在一起，为共阴极接组接成三角形。图中三个晶闸管的阴极连在一起，为共阴极接法。法。 2.

33、3.1 三相半波可控整流电路 三相半波可控整流电路=0时的波形 稳定工作时，三个晶闸管的触发脉冲互差稳定工作时，三个晶闸管的触发脉冲互差120，规定，规定t=/6为控制角为控制角的起点，称为自然换相点。三相半波共阴极可控整流电路自然换相的起点，称为自然换相点。三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正半周波形的交叉点，在各相相电压的点是三相电源相电压正半周波形的交叉点，在各相相电压的/6处，处，即即t1、t2、t3点，点， 自然换相点之间互差自然换相点之间互差2/3，三相脉冲也互差，三相脉冲也互差120。 在在t1时刻触发时刻触发VT1，在，在t1t2区间有区间有uuuv、uuuw

34、，u相电压最高，相电压最高，VT1承受正向电压而导通，输出电压承受正向电压而导通，输出电压uduu。其他晶闸管承受反向电。其他晶闸管承受反向电压而不能导通。压而不能导通。VT1通过的电流通过的电流iT1与变压器二次侧与变压器二次侧u相电流波形相同，相电流波形相同，大小相等。大小相等。 在在t2时刻触发时刻触发VT2，在，在t2t3区间区间 v相电压最高，由于相电压最高，由于uuuv，VT2承受正向电压而导通，承受正向电压而导通， uduv。VT1两端电压两端电压uT1=uu-uv= uuv0，晶闸管晶闸管VT1承受反向电压关断。在承受反向电压关断。在VT2导通期间，导通期间，VT1两端电压两端

35、电压uT1= uu-uv= uuv。在。在t2时刻发生的一相晶闸管导通变换为另一相晶闸管时刻发生的一相晶闸管导通变换为另一相晶闸管导通的过程称为换相。导通的过程称为换相。 在在t3时刻触发时刻触发VT3，在，在t3t4区间区间w相电压最高，由于相电压最高，由于uvuw，VT3承受正向电压而导通，承受正向电压而导通，uduw。VT2两端电压两端电压 uT2= uv-uw=uvw-E1，V5又重新导通。这时V5集电极电压又立即降到-E1，使V7、V8截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度由反向充电时间常数R11C3决定。 锯齿波的形成和锯齿波的形成和脉冲移相环节脉冲移相环节

36、锯齿波电压形成电路由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。 当V2截止时，恒流源电流I1C对电容C2充电，所以C2两端的电压uC为 uC按线性增长,即ub3按线性增长。调节电位器RP2，可以改变C2的恒定充电电流I1C。 当V2导通时，因R4很小所以C2迅速放电，使得ub3电位迅速降到零伏附近。当V2周期性地导通和关断时，ub3便形成一锯齿波。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。 V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者叠加所定,它们分别通过电阻R6、R7、R8 与V4基极连接。 tICdtIuC1C1c

37、1 根据叠加原理，先设uh为锯齿波电压ue3单独作用在基极时的电压，其值为 所以uh仍为锯齿波，但斜率比ue3低。 同理，直流偏移电压up单独作用在V4基极时的电压 为 控制电压uco单独作用在V4基极时的电压 为 所以， 仍为一条与up平行的直线，但绝对值比up小； 仍为一条与uco平行的直线，但绝对值比uco小。 )/(/87687e3hRRRRRuu)/(/76876ppRRRRRuu)/(/86786c0c0RRRRRuupuc0upuc0u 当V4不导通时，V4的基极b4的波形由 确定。当b4点电压等于0.7V后，V4导通。产生触发脉冲。改变uco便可以改变脉冲产生时刻，脉冲被移相。

38、加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。 以三相全控桥为例，当接反电势电感负载时，脉冲初始相位应定在=90；当uco=0时，调节up的大小使产生脉冲的M点对应=90的位置。当uco为0，=90，则输出电压为0；如uco为正值，M点就向前移，控制角90，处于逆变状态。cophuuu 锯齿波的触发电路的工作波形 3 3 同步环节同步环节 同步环节是由同步变压器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶体管V2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。 与主电路同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同

39、且相位关系确定。锯齿波是由开关管V2控制的，也就是由V2的基极电位决定的。 同步电压uTS经二极管VD1加在V2的基极上。当电压波形在负半周的下降段时，因Q点为零电位，R点为负电位，VD1导通，电容C1被迅速充电。Q点电位与R点相近，故在这一阶段V2基极为反向偏置，V2截止。 在负半周的上升段，+E1电源通过R1给电容C1充电，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止，uQ为电容反向充电波形。当Q点电位达1.4V时，V2导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来，VD1重新导通，C1放电后又被充电，V2截止。 如此循环往复，在一个正弦波周期内，包括截止与导通两个状态，对应

40、锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。 4 4 双窄脉冲形成环节双窄脉冲形成环节 触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60的脉冲，称内双脉冲电路。而在触发器外部通过脉冲变压器的连接得到双脉冲称为外双脉冲。 本触发电路属于内双脉冲电路。当V5、V6都导通时，V7、V8截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，就会使V7、V8导通，有脉冲输出。因此本电路可以产生符合要求的双脉冲。 第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角使V4由截止变导通造成V5瞬时截止，使得V8输出脉冲。隔60的第二个脉冲是由后一相

41、触发单元通过连接到引脚Y使本单元V6截止，使本触发电路第二次输出触发脉冲。其中VD4和R17的作用主要是防止双脉冲信号相互干扰。 在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按下图接线。六个触发器的连接顺序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。 5 强触发环节强触发环节 36V交流电压经整流、滤波后得到交流电压经整流、滤波后得到50V直流电压，经直流电压，经R15对对C6充电，充电，B点点电位为电位为50V。当。当V8导通时，导通时，C6经脉冲变压器一次侧经脉冲变压器一次侧R16、V8迅速放电，迅速放电，形成脉冲尖峰，由于有形成脉冲尖峰，由于有R15的电阻，且

42、电容的电阻，且电容C6的存储能量有限，的存储能量有限，B点电点电位迅速下降。当位迅速下降。当B点电位下降到点电位下降到14.3V时，时，VD15导通，导通，B点电位被点电位被15V电源钳位在电源钳位在14.3V，形成脉冲平台。，形成脉冲平台。C5组成加速电路，用来提高触发脉组成加速电路，用来提高触发脉冲前沿陡度。冲前沿陡度。 6 脉冲封锁脉冲封锁 二极管二极管 VD5阴极接零电位或负电位，使阴极接零电位或负电位，使V7、V8截止，可以实现脉冲封截止，可以实现脉冲封锁。锁。VD5用来防止接地端与负电源之间形成大电流通路。用来防止接地端与负电源之间形成大电流通路。 2.3.3 集成触发电路2.3.

43、4 触发电路的定相 初始脉冲是指初始脉冲是指Ud0时，控制电压时，控制电压uco与偏移电压与偏移电压up为固定值条件为固定值条件下的触发脉冲。因此，必须根据被触发晶闸管阳极电压的相位，下的触发脉冲。因此，必须根据被触发晶闸管阳极电压的相位，正确供给各触发电路特定相位的同步电压，才能使触发电路分正确供给各触发电路特定相位的同步电压，才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲。这种选择同步电别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲。这种选择同步电压相位以及得到要求的触发时刻的方法，称为触发电路的定相。压相位以及得到要求的触发时刻的方法，称为触发电路的定相。现以三相全控桥为例说明定相的方法

44、。 晶闸管VT1的阳极与uu相接， VT1所接主电路电压为+uu，触发脉冲从0至180对应的范围为t1t2。 采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240，上升段起始的30和终了段30线性度不好，舍去不用，使用中间的180。所以取同步波- uu。 三相桥整流电路大量用于直流电机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使Ud=0时的触发角为90。当90时为逆变工作。将=90确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90的移相范围。=0对应于uu的30的位置，说明VT1的同步电压应滞后于uu 180。对于其他5个晶闸管，也存在同样的关系，即同步电压滞后于

45、主电路电压180。 因此一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。 同步变压器和整流变压器的接法及矢量图 同步电压的选取结果见表。 晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ uu- uw+ uv- uu+ uw- uv同步电压- usu+ usw- usv+ usu- usw+ usv 为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波器滞后角为60时，同步电压选取结果见表 晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ uu- uw+ uv- uu+ uw- uv同步电压- usv+ usu- usw+

46、usv- usu+ usw2.5 变压器漏抗对整流电路的影响 前面我们介绍的各种整流电路都是在理想工作状态下的工作情况，即假设： (1)变压器的漏抗、绕组电阻和励磁电流都可忽略； (2)晶闸管元件是理想的。 但实际的交流供电电源总存在电源阻抗，如电源变压器的漏电抗、导线电阻以及为了限制短路电流而加上的交流进线电抗器等。由于电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬时完成。 1 换相过程 以三相半波可控整流电路为例来讨论换相过程，假设三相漏抗相等，忽略交流侧的电阻，负载电感足够大，则负载电流连续且平直。以晶闸管从u相换到v相为例，VT1已导通。当=30时触发VT2，由于变压器漏抗的作用，VT1不立即关

47、断，u相电流iu=Id- ik逐渐减小到零；VT2导通，iv=0逐渐增加到Id。换相过程中，两个晶闸管同时导通，在 uvu电压作用下产生短路电流ik，当 iu=0， iv= Id时，u相和v相之间完成了换相。 变压器漏感对整流电路的影响 2 换相期间的整流电压换相期间的整流电压 换相回路电压平衡方程 换相期间变压器漏感LB两端的电压 换相期间输出电压dtdiLudtdiLuudkBukBv)(21uvkBuudtdiL)(21vuduuu3 换相压降换相压降 由波形可以看出：与不考虑变压器漏抗的情况比较，整流电压波形少了一块阴影部分，缺少部分为：式中 XB漏感为LB的变压器每相折算到二次侧的漏

48、电抗， 单相双半波电路m=2，三相半波m=3，三相桥式电路m=6 BBB2 fLLXdBk0BkBdvd22)(/21)()(/21dIXmdiLmtddtdiLmtduumuI 这里需要特别说明的是对于单相全控桥，换相压降的计算上述通式不成立，因为单相全控桥虽然每周期换相2次(m=2)，但换相过程中ik是从-Id增加到Id，所以对式(2-50)中的Id应该带入2Id，故对于单相全控桥有： 思考题1: 三相半波整流电路、三相桥式整流电路、单相桥式整流电路的输出电压、变压器二次电流、晶闸管端电压的波形？dBd2IXU4. 4. 换相重叠角换相重叠角 以自然换相点=0作为坐标的原点，以m相普遍形式

49、表示，uu和uv的表达式分别为 则有将上式带入式(2-49)可得)mcos(22tUuu)mcos(22tUuvtUuuuvsinmsin222)(sinsin212BkttdmULdi对上式两边积分可得积分整理后得(1) 对于单相全控桥，与前面对换相压降的讨论一样，所以对于单相全控桥有m=2，Id应该带入2Id，故有 (2) 对于三相桥式电路，m=6，三相桥式电路等效为相电压为 的六相半波整流电路，)(dsinsin212Bd0kttmULdiImUIXsin2)cos(cos2dB2Bd22)cos(cosUXI2Bd62)cos(cosUXI23U 思考题2：为什么当一定时，XB、Id增

50、大，则增大，换流时间增大；XB 、Id一定时，随U2 、角的增大而减小。 变压器漏感LB的存在可以限制短路电流，限制电流变化率di/dt 。但是变压器漏感会引起电网波形畸变，出现电压缺口，使du/dt加大，影响其他负载；而且由于变压器漏感的存在会使功率因数降低，输出电压脉动增大，降低电压调整率。 三相半波整流电路在控制角60o时VT1上的电压波形三相桥式整流电路在逆变角60o时VT4上的电压波形【例2-2】三相桥式整流电路，反电势电感性负载，E=100V，U2=220V，RL=2，L=，=30，LB=1mH，试计算(1) 输出电压Ud和输出电流Id(2) 晶闸管额定电压和额定电流(3) 输出电

51、压波形、晶闸管VT1的电流波形和端电压波形解解 (1) 考虑到漏抗的影响，其输出电压平衡方程式应该为其中，XB=LB=2fLBLddB2d26cos34. 2RIEIXUU将本题的已知条件代入输出电压平衡方程式，得LB2d3cos34. 2RXEUI4 .150210502310030cos22034. 23odI8 .30024 .150100ddRIEU(2) 三相整流电路中晶闸管承受的正反向电压最大值是，考虑到23倍的安全裕量，晶闸管的额定电压应该为晶闸管流过的有效值为考虑到1.52倍的安全裕量，晶闸管的额定电流为选择满足要求的晶闸管 AII84.86732. 14 .1503dTVUU

52、)16161077(2206)32(6)32(2TNAII)11183(57. 184.86)25 . 1 (57. 1)25 . 1 (TT(AV)2.6 有源逆变电路 1.什么是逆变? 2.为什么要逆变? 3.逆变的条件?2.6.1 逆变的概念 1. 1. 整流与逆变关系整流与逆变关系 前面我们介绍的各种可控整流电路都工作在整流状态，是将交流前面我们介绍的各种可控整流电路都工作在整流状态，是将交流电能变换成直流电提供给负载。逆变是把直流电转变成交流电，电能变换成直流电提供给负载。逆变是把直流电转变成交流电，是整流的逆过程，是将直流电能变换成交流电回馈电网。上述的是整流的逆过程，是将直流电能

53、变换成交流电回馈电网。上述的电路也可以工作在逆变状态。电路也可以工作在逆变状态。 以三相全控桥式电路为例，这时电流以三相全控桥式电路为例，这时电流Id仍保持与整流运行状态相仍保持与整流运行状态相同的流动方向，但同的流动方向，但Ud改变了极性，功率由直流侧流向可控整流电改变了极性，功率由直流侧流向可控整流电路的交流侧电网。三相可控整流电路的这种逆变模式的工作状态，路的交流侧电网。三相可控整流电路的这种逆变模式的工作状态，只有如图所示在直流侧存在一个稳定的能源时才是有可能的。注只有如图所示在直流侧存在一个稳定的能源时才是有可能的。注意，两个电源的不能形成顺向串联。意，两个电源的不能形成顺向串联。

54、2. 2. 有源逆变时能量的流转关系有源逆变时能量的流转关系 由于晶闸管具有单向导电性，电流由于晶闸管具有单向导电性，电流Id方向不能改变，为实现有源逆方向不能改变，为实现有源逆变必须要求变必须要求 Ud为负，电源为负，电源E极性也为负，极性也为负， 整流和有源逆变的根本区别即在于能量的传递方向不同。整流和有源逆变的根本区别即在于能量的传递方向不同。 p由三相桥构成的有源逆变电路 3. 3. 为什么要逆变呢为什么要逆变呢 节能，吊车、矿井提升机等的下放货物、有轨电车的制动等节能，吊车、矿井提升机等的下放货物、有轨电车的制动等 提高性能，电气可逆调速系统如可逆轧机等提高性能，电气可逆调速系统如可

55、逆轧机等 新能源发电，一个光电或风电发电系统所转换出来的电能，经过逆新能源发电，一个光电或风电发电系统所转换出来的电能，经过逆变电路变换成三相交流电再连接到统一的电网中去。逆变可以起到变电路变换成三相交流电再连接到统一的电网中去。逆变可以起到节能、提高系统性能的作用。节能、提高系统性能的作用。 逆变按照负载是否为交流电源分为有源逆变和无源逆变。如果把变逆变按照负载是否为交流电源分为有源逆变和无源逆变。如果把变换器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反换器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去，称作有源逆变。如果变换器的交流侧不与电网连接，送到电网去，称

56、作有源逆变。如果变换器的交流侧不与电网连接，而直接接到普通负载，称作无源逆变。而直接接到普通负载，称作无源逆变。 3. 有源逆变的条件有源逆变的条件 通过上述分析，可归纳出整流电路工作于有源逆变状态的条件如下：通过上述分析，可归纳出整流电路工作于有源逆变状态的条件如下： 整流（逆变）电路直流侧有直流电动势，其极性必须与晶闸管导通方整流（逆变）电路直流侧有直流电动势，其极性必须与晶闸管导通方向一致；向一致； 整流（逆变）电路输出的直流平均电压整流（逆变）电路输出的直流平均电压Ud必须为负值，即晶闸管控制必须为负值，即晶闸管控制角角90。 以上两条必须同时满足，变流器才能工作在逆变状态。以上两条必

57、须同时满足，变流器才能工作在逆变状态。 还应指出，并不是所有整流电路都可以工作于有源逆变状态。半控桥还应指出，并不是所有整流电路都可以工作于有源逆变状态。半控桥电路和有续流二极管的整流电路，由于其整流电压电路和有续流二极管的整流电路，由于其整流电压Ud不能为负值，也不能为负值，也不允许直流侧出现负极性的反电动势，不能实现有源逆变。只有全控不允许直流侧出现负极性的反电动势，不能实现有源逆变。只有全控电路才能实现有源逆变。电路才能实现有源逆变。2.6.2 三相桥式有源逆变电路 假设电感足够大，直流电流近似为一个恒定值，为直流反电势电感假设电感足够大，直流电流近似为一个恒定值，为直流反电势电感负载。

58、为实现有源逆变必须使控制角负载。为实现有源逆变必须使控制角90，Ud为负，电源为负，电源E极性极性与图中一致。与图中一致。 无论在整流状态或逆变状态，晶闸管总是受正向电压时才能被触发无论在整流状态或逆变状态，晶闸管总是受正向电压时才能被触发导通，晶闸管的导电顺序不变；处于关断状态的晶闸管承受正向电导通，晶闸管的导电顺序不变；处于关断状态的晶闸管承受正向电压的时间比在整流运行时长。压的时间比在整流运行时长。 三相半波逆变电路工作过程演示 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形 逆变状态的控制角为逆变角： 输出直流电压的平均值 如果考虑变压器的漏抗，则有： 输出直流电流的平均值亦可用整流的

59、公式，即cos35. 1cos34. 22L2dUUUdBIXUU3cos34. 22dREUIdd 每个晶闸管导通 2/3，故流过晶闸管的电流有效值为 从交流电源送到直流侧负载的有功功率为: 当逆变工作时，故Pd为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为： ddIII577. 03VTd2ddEIRIPddVT2816. 0322IIII2.6.3 逆变失败与最小逆变角的限制 1 1 逆变失败逆变失败 可控整流电路在逆变运行时，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使可控整流电路的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻

60、很小，将出现极大的短路电流流过晶闸管和负载，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。 造成逆变失败的原因：造成逆变失败的原因：(1) 触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各晶闸管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。(2) 晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能导通。(3) 交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突然消失而造成逆变失败。(4) 换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响。 交流侧电抗对逆变换相过程的影响 2 最小逆变角最小逆变角确定的方法确定的方法 最小逆变角的大小要考虑以下因素：(1) (1) 换相重叠角换相重叠角此值