电力电子技术第五章 基于晶闸管的相位可控整流与逆变器

1、5.1 简介简介 5.2 晶闸管电路及其控制晶闸管电路及其控制 5.3 单相整流器单相整流器 5.4 三相整流器三相整流器 5.5 其它的三相整流器其它的三相整流器小结小结首首 页页下 页返回 J大功率、高电压、大电流的可控开关使交流到直大功率、高电压、大电流的可控开关使交流到直流的可控转换技术变得简单。流的可控转换技术变得简单。J晶闸管整流器主要用于三相大功率之中，希望它晶闸管整流器主要用于三相大功率之中，希望它能够控制交流电网与直流电路之间的潮流。能够控制交流电网与直流电路之间的潮流。J基于晶闸管的相位可控整流与逆变的变流器中的基于晶闸管的相位可控整流与逆变的变流器中的晶闸管导通或关断取决

2、于工频交流电压的波形和晶闸管导通或关断取决于工频交流电压的波形和控制输入信号。控制输入信号。J可控整流器的直流电流可控整流器的直流电流id连续。连续。 下 页上 页返 回 l换流换流 电流从一个器件到另一个器电流从一个器件到另一个器件的转换件的转换 单相或三单相或三相交流电相交流电50/60HZid+-UdUdid0电路结构及输电路结构及输入电压限制入电压限制整流整流逆变逆变器件电流限制器件电流限制下 页上 页返 回 5.2 晶晶闸闸管管5.2.1 晶闸管的基本电路晶闸管的基本电路 iGudUs+-+ uT -iRw wt0a ap p2p2p0iudus0w wtiGiG|us(t)处于正半

3、波时处于正半波时,在在w wt=a a之前，线路电流为零。之前，线路电流为零。|w wt=a瞬间，瞬间，给晶闸管施加正极性触发脉冲，晶闸给晶闸管施加正极性触发脉冲，晶闸管开始导通，使管开始导通，使 ud(t)=us(t)。下 页上 页返 回 |正半波期间内，线路电流在正半波期间内，线路电流在w wt=p p时达到零。时达到零。|us(t)的负半波期间，线路电流一直为零。的负半波期间，线路电流一直为零。w wt=2p p+a a时刻，重复上一周波的导通过程。时刻，重复上一周波的导通过程。 只要改变只要改变a a，就能控制负载电压，就能控制负载电压ud的平均值。的平均值。 iGudUs+-+ uT

4、 -iRw wt0a ap p2p2p0iudus0w wtiGiGw wt2p2p00p puRA2q q2 2A1q q1 1下 页上 页返 回 udus0w wtiGiGiGudUs+-+ uT -iRuR+ uL -)()()(tutudtdiLtuRsL晶闸管触发导通后，晶闸管触发导通后，us(t)正半波的其余时间内，正半波的其余时间内，晶闸管所承受的电压均为正，电感上的电压为：晶闸管所承受的电压均为正，电感上的电压为：电阻上的电压电阻上的电压 uR(t)=Ri(t)下 页上 页返 回 w wt2p2p00p puRA2q q2 2A1q q1 1udus0w wtiGiGiGudU

5、s+-+ uT -iRuR+ uL -TuR(t)曲线与线路电流成正比曲线与线路电流成正比 T电感电压电感电压uL(t)=us(t)-uR(t)T在在a a到到q q1期间，期间，uL(t)为正，电流为：为正，电流为： tLduLtiwaww)(1)( 为积分为积分变量变量下 页上 页返 回 w wt2p2p00p pA2q q2 2A1q q1 1uRudus0w wtiGiGT在在w wt=q q1之后，之后，uL(t)变为负值，电流及与变为负值，电流及与uR(t)开始下降。开始下降。tLduLtiwaww)(1)(T当线路电流下降到零后，下式积分关系无效。当线路电流下降到零后，下式积分关

6、系无效。Tw wt=q q2时，面积时，面积A1等于等于A2。TR和和L串联负载条件下串联负载条件下 ，电压，电压us(t)变为负值后，线变为负值后，线路电流仍维持继续导通路电流仍维持继续导通 。下 页上 页返 回 iGudUs+-+ uT -iLEd+ uL -+-w wt2p2pp p00iA2q q3 3q q2 2A1q q1 1q q4 4udusw wt0uTw wt0iGw wt=q q1之前，晶闸管不导通。之前，晶闸管不导通。w wt=q q1后的后的w wt=q q2时刻触发晶闸管，电感电压为：时刻触发晶闸管，电感电压为： dsLEtudtdiLtu)()(下 页上 页返 回

7、 w wt2p2pp p00iA2q q3 3q q2 2A1q q1 1q q4 4udw wt0uTw wt0iGtdsdEuLtiwqww2)(1)(线路电流变量线路电流变量wt为：为：q q3时刻，时刻，ud(t)=Ed w wt=q q4时刻，电流下降到零，时刻，电流下降到零，A1=A2iGudUs+-+ uT -iLEd+ uL -+-下 页上 页返 回 5.2.2 晶闸管的晶闸管的门极触发门极触发 通过控制晶闸管的触发时刻，即可控制交流电源给负通过控制晶闸管的触发时刻，即可控制交流电源给负载提供多少功率。载提供多少功率。比较与逻比较与逻辑输出辑输出门极触门极触发信号发信号锯齿波发

8、生器锯齿波发生器交流输交流输入电源入电源usynuctr+ -ustt简单的门极触发控制的方块图简单的门极触发控制的方块图 下 页上 页返 回 ttt门极触门极触发信号发信号usyna/wa/wUst.ma/wa/wustuctr交流电压正向过零交流电压正向过零后的某一后的某一a a角处发出触角处发出触发脉冲。发脉冲。当电压处于负半波当电压处于负半波时，触发信号在交流时，触发信号在交流电压负向过零后的电压负向过零后的a a角角处产生。处产生。 mstctrooUu.180a控制控制角角 下 页上 页返 回 5.2.3 Ls0时的晶闸管整流器时的晶闸管整流器Udid+-Ldus-+Ls负载负载单

9、相全桥整流器单相全桥整流器接线图，直流侧电感接线图，直流侧电感可看成是负载的一部可看成是负载的一部分。分。 下 页上 页返 回 UdidnLdubn-+Ls负载负载LsLsuanucn三相全三相全桥整流器桥整流器接线图，接线图，直流侧电直流侧电感可看成感可看成是负载的是负载的一部分。一部分。 下 页上 页返 回 5.3 单单5.3.1 Ls=0和和id(t)=Id的理想电路的理想电路Udid+-Ldus-+Ls负载负载T2usIdisT4T3T1令令Ls=0id(t)=Id 理想电路理想电路 下 页上 页返 回 T2usIdisT4T3T1T2usIdisT4T3T1usAa aT1,T2T3

10、,T4a a =0下 页上 页返 回 0p p2p pw wtisusud02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisusT1,T2T3,T4l自然导通现象自然导通现象 始终保持晶闸管始终保持晶闸管的门极触发电流，的门极触发电流，晶闸管在自然换晶闸管在自然换流点导通流点导通 。下 页上 页返 回usAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtisusud02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisusT1,T2T3,T4自然导通点自然导通点w wt=0的的时刻，晶闸管时刻，晶闸管1和和2自自然导通。

11、然导通。w wt=p p时，晶闸管时，晶闸管3和和4自然导通。自然导通。 延迟角或触发延迟角或触发角或控制角角或控制角 下 页上 页返 回w wt=0之前，直流电之前，直流电压压ud(t)=-us(t) w wt=0之后，晶闸管之后，晶闸管1和和2的电压变为正偏，的电压变为正偏，它们不导通。它们不导通。 到到w wt=a时，晶闸管时，晶闸管1和和2导通，晶闸管导通，晶闸管3和和4自然关断。自然关断。 usAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtisusud02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisusT1,T2T3,T4下 页上

12、页返 回 当当a a0时，时，Ud由控制角由控制角a控制，其表达式为：控制，其表达式为：aapwwpapaacos9 . 0cos22)(sin21sssdUUtdtUU令令Ud0为图中对应于为图中对应于a a=0o、Ls=0时的平均时的平均直流输出电压，即：直流输出电压，即：0p p2p pw wtisudsssdUUtdtUU9 . 022)(sin2100pwwpp下 页上 页返 回 a a0所带来的电压降为：所带来的电压降为： )cos1 (9 . 00aaasdddUUUUusAa a02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisus电压降电压降

13、Uda a等于图等于图中的电压波形与用弧中的电压波形与用弧度表示的横坐标之间度表示的横坐标之间的面积除以的面积除以p p。 逆变模式逆变模式下 页上 页返 回 整流模式整流模式01.0-1.0090180a a0ddUUF当当a a90o时，整流器时，整流器运行在逆变状态。运行在逆变状态。 整流器的平均功率为：整流器的平均功率为：TddTdtiuTdttpTP001)(1直流电流为恒定值时，直流电流为恒定值时，id=I，所以有：，所以有： acos9 . 0)(10dsddTddIUUIdttuTIP下 页上 页返 回 直流侧电压直流侧电压ud根据下式得到直流侧电压平均电压分量

14、根据下式得到直流侧电压平均电压分量Udaaapwwpapaacos9 . 0cos22)(sin21sssdUUtdtUUusAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtisusuda aa aa a 0usudFud中的各次谐中的各次谐波幅值可以由傅波幅值可以由傅里叶级数的分解里叶级数的分解来计算。来计算。下 页上 页返 回 usAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtis02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisusT1,T2T3,T4usud 线电流线电流isw wtusisis1F F1

15、1 a a1 sI 2下 页上 页返 回 is为为180o方波的数学表达式为：方波的数学表达式为： )(5sin2)(3sin2)sin(2)(531awawawwtItItItissssh=0 00111( )( )cos()sin()2hhhhhftFftaahtbhtww201( )cos()d()haf th ttpwwp201( )sin()d()hbf th ttpwwp各项电流有效值可借助下式计算：各项电流有效值可借助下式计算： 下 页上 页返 回 w wtusisis1F F1 1 a a1 sI 2图中基波电流分量图中基波电流分量is1的的有效值为：有效值为：ddsIII9

16、. 0221p各次谐波电流有效值为：各次谐波电流有效值为：hIIssh1谐波次数谐波次数SS1Q1P090180a a17 19 21 231.01/31/51/71/91/111/131/15 1/171/191/211/231sshII下 页上 页返 回 交流有效值等于对应的直流电流交流有效值等于对应的直流电流: Is =Id 根据上式和根据上式和 得总谐波畸变率为：得总谐波畸变率为： ddsIII9 . 0221p%43.48%100%1212sssIIITHDSS1Q1P090180a a17 19 21 231.01/31/51/7

17、1/91/111/131/15 1/171/191/211/231sshII下 页上 页返 回 功率、功率因数、无功功率和视在功率功率、功率因数、无功功率和视在功率w wtusisis1F F1 1 a a1 sI 2T2usIdisT4T3T1位移功率因数为：位移功率因数为：DPF=cosF F1=cosa a 下 页上 页返 回 ddsIII9 . 0221p Is =IdDPF=cosF F1=cosa a 由式由式 得得180o方波电流的功率因数为：方波电流的功率因数为： acos9 . 01DPFIIPFss交流侧送到整流器的功率为：交流侧送到整流器的功率为： P=U

18、s Is1 cosF F1 下 页上 页返 回 ddsIII9 . 0221p将将和和 DPF=cosF F1=cosa a 代入到代入到 P=Us Is1 cosF F1得：得： P=0.9Us Id cosa a 基波分量消耗的无功功率为：基波分量消耗的无功功率为： Q1 =Us Is1 sinF F1 =0.9Us Id sina a 基波电流所产生的视在功率为：基波电流所产生的视在功率为： 21211QPIUSssSS1Q1P090180a a下 页上 页返 回 5.3.2 Ls的影响的影响Udis+-Idus-+Ls+ uLs -T4T2T1T3!给定控制角给定控制角a a，交流，交

19、流侧电流在晶闸管换流时侧电流在晶闸管换流时会存在换流时间会存在换流时间g g 。 a aArg gArw wtusisis121w wtusud 对直流输出电压的影响对直流输出电压的影响 下 页上 页返 回 Udis+-Idus-+Ls+ uLs -T4T2T1T3F直 流 输 出 电 压直 流 输 出 电 压ud(t)=0，电感电压，电感电压uLs(t)=us(t)，即，即:dtdiLtutussLss)()(对上式两边同乘以对上式两边同乘以d(w wt)，并在整个换流期间进行，并在整个换流期间进行积分，由此可得：积分，由此可得：dsIIsssILdiLtdtUddwwwwga

20、a2)()(sin2下 页上 页返 回 gaagww)(sin2tdtUAs对对 进行积分进行积分dsIIsssILdiLtdtUddwwwwgaa2)()(sin2将结果代入下式：将结果代入下式：a aArg gArw wtusisis121w wtusud下 页上 页返 回 dssILUAwgaag2)cos(cos2sdsUIL22cos)cos(wagadssIUL221coswg相等相等a a=0时时二极管二极管整流器整流器下 页上 页返 回 a aArg gArw wtusisis121w wtusudLs的引入产生一个的引入产生一个附加的平均电压降附加的平均电压降 Udg g，它

21、与面积，它与面积Ag g成正比：成正比：pwpggdsdILAU2usAa a02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisus下 页上 页返 回 当存在线路电感当存在线路电感Ls时，根据时，根据 aapwwpapaacos9 . 0cos22)(sin21sssdUUtdtUUpwpggdsdILAU2导出单相桥式晶闸管整流电路的输出电压为：导出单相桥式晶闸管整流电路的输出电压为： dssdILUUwpa2cos9 . 0下 页上 页返 回 例例w wtusisis1F F1 1 a a1 sI 2 已知图中，交流电的额定电压为已知图中，交流电的额定电压为

22、230V，工作，工作频率为频率为50Hz，线路电感，线路电感Ls上的压降为额定电压的上的压降为额定电压的5%，线路的传输容量，线路的传输容量S=5kVA、控制角、控制角a a=30o、有、有功消耗为功消耗为3kW。试计算在额定输入电压下的换流。试计算在额定输入电压下的换流重叠角重叠角g g和和Ud各为多少？各为多少？解解 根据已知条件，根据已知条件，求得线路电流的额定求得线路电流的额定值为：值为： AUSIss74.212305000下 页上 页返 回 系统等效阻抗的模数为：系统等效阻抗的模数为：Zb=Us /Is=10.58W W线路的等效电感为：线路的等效电感为：Ls=0.05Zb /w

23、w=1.684mH 根据式根据式 dssdILUUwpa2cos9 . 0整流器吸收的有功功率为：整流器吸收的有功功率为：kWILIUIUPdsdsdd32cos9 . 02wpa将已知条件代入上式中得：将已知条件代入上式中得：032.10714236.6402ddIIId=17.196A下 页上 页返 回 将将Id=17.196A分别代入分别代入sdsUIL22cos)cos(wagadssdILUUwpa2cos9 . 0解得：解得： g g = 5.9o Ud = 173.47V 下 页上 页返 回 线路电流线路电流isa aArg gArw wtusisis121w w

24、tusud)2/cos(gaDPFis的基波电流分量从的基波电流分量从下式得到：下式得到：ddssIUDPFIU1根据以上两式及根据以上两式及dssdILUUwpa2cos9 . 0可得：可得： )2/cos()/2(cos9 . 021gawpasdsdssUILIUI下 页上 页返 回 5.3.3 Ls0的晶闸管整流计算的晶闸管整流计算Udid+-Ldus-+Ls负载负载udis+-Edus-+LsLd+ +- -rdid 电流连续电流连续 下 页上 页返 回 0w wtEda ag gidusud如果电流如果电流id是连续是连续的，则直流电压的，则直流电压ud的平均值为：的

25、平均值为： min.2cos9 . 0dssdILUUwpaId.min：id的最小值，大约位于的最小值，大约位于w wt=a a的位置。的位置。电路的基尔霍夫电压方程为：电路的基尔霍夫电压方程为： ddddddEdttdiLtirtu)()()(下 页上 页返 回 直流电压的平均值为：直流电压的平均值为：dTiiddTddTddEdiTLdttiTrdttuTUdd)()0(00)()(1在稳态运行条件下在稳态运行条件下 ddddEIrU 根据式根据式 ，通过控制角，通过控制角a a来控制整流器输出的平均直流电压来控制整流器输出的平均直流电压Ud，以及由此产，以及由此产生的生的Id，进而达到

26、控制负载功率的目的。，进而达到控制负载功率的目的。 min.2cos9 . 0dssdILUUwpa下 页上 页返 回 例例 设图中的单相晶闸管整流器由设图中的单相晶闸管整流器由240V、50Hz的的交流电作为电源。已知交流电作为电源。已知Ls=1.4mH，控制角，控制角a a=45o，Ld=9mH，Ed=145V，rd=0。试采用。试采用PSpice仿真软仿真软件绘出件绘出ud(t)和和is(t)的波形，并计算的波形，并计算Is1、Is、DPF、PF和和THD的值各为多少？的值各为多少？ udis+-Edus-+LsLdrdid+-解解 用用SCR子电路描述晶子电路描述晶闸管，由电压控制的开

27、关闸管，由电压控制的开关模拟晶闸管，用模拟晶闸管，用0V的电压的电压源监测开关的电流。源监测开关的电流。下 页上 页返 回 当门极有脉冲或有门极电流时，晶闸管处于导通当门极有脉冲或有门极电流时，晶闸管处于导通状态。关于程序的详细情况，在调用这个子程序状态。关于程序的详细情况，在调用这个子程序之前，先要设置门极脉冲的延时以及门极电压。之前，先要设置门极脉冲的延时以及门极电压。w wt0usis1isa a =45F F1 =54.84Is1=59.68AIs=60.1ADPF=0.576PF=0.572THD=12.3%下 页上 页返 回 电流的断续电流的断续 w wt0usud

28、ida aEd电流断电流断续区间续区间FEd=180V时的有关时的有关波形，波形，Ed的值越大，的值越大，直流电流直流电流Id的平均值的平均值越小。越小。 udis+-Edus-+LsLdrdid+-Ls=1.4mH，a a=45o，Ld=9mH，Ed=145V，rd=0 下 页上 页返 回 |当当a a为某一固定为某一固定值时，若值时，若Id逐渐减逐渐减小，直至达到某小，直至达到某一临界电流值时，一临界电流值时，电压电压Ud快速上升。快速上升。050Id /A10 20 30 40 50 60 70 80Ud /V100150200250300350a a =0a a =30a a =45a

29、 a =60o|为了维持为了维持Ud的稳定，轻载时，的稳定，轻载时，Id较小时，必须增较小时，必须增加控制角加控制角a a。 下 页上 页返 回 5.3.4 单相桥式整流器的逆变运行单相桥式整流器的逆变运行单相或三单相或三相交流电相交流电50/60HZid+-UdUdid0电路结构及电路结构及输入电压限输入电压限制制整流整流逆变逆变器件电流限制器件电流限制晶闸管整流器在逆变模式下运行时要求直流电压晶闸管整流器在逆变模式下运行时要求直流电压Ud的的值为负值，因此，功率只能由直流侧向交流侧流动。值为负值，因此，功率只能由直流侧向交流侧流动。 下 页上 页返 回 udis+-Idus-+LsT4T2

30、T1T3usudT1,T2T3,T4isa a1,2iG1,2iG3,4w wtw wta a3,4w wt|当 控 制 角当 控 制 角a a位 于位 于90oa a90o，Pac=UdIs1cosF F1也为也为负值。负值。udis+-Idus-+LsT4T2T1T3usudT1,T2T3,T4isa a1,2iG1,2iG3,4w wtw wta a3,4w wt下 页上 页返 回 整流器的逆变模式首先要求直流侧必须有一整流器的逆变模式首先要求直流侧必须有一个电源来维持逆变模式的运行。个电源来维持逆变模式的运行。 整流器在逆变模式下，功率流向交流侧。整流器在逆变模式下，功率流向交流侧。

31、其次，整流器的交流侧必须有一个交流电源，其次，整流器的交流侧必须有一个交流电源，它要能够完成线路电流从一对晶闸管转移到另一它要能够完成线路电流从一对晶闸管转移到另一对晶闸管的换流。对晶闸管的换流。下 页上 页返 回 udis-uT3+Edus-+LsLdT2idT4T3T10Ed=Ed1UdId=Id1Ida a3a a2a a1|如果如果Ld的值足够大，的值足够大，可将可将id看成是恒定直流。看成是恒定直流。 下 页上 页返 回 由于由于Ld上电压降的平均值为零，此时整流器的直流上电压降的平均值为零，此时整流器的直流输出电压为：输出电压为： dsdddILUUEwpa2cos00Ed=Ed1

32、UdId=Id1Ida a3a a2a a1如果电流如果电流Id发生变发生变化，则上式中的化，则上式中的Id要在要在w wt=a a时用瞬时时用瞬时值值id表示。表示。下 页上 页返 回 uT3isusw wta a3,4g gs s0iG3,400w wtw wtiG3,4F在逆变模式运行在逆变模式运行下，整流器中任一下，整流器中任一晶闸管上的电压波晶闸管上的电压波形形 。封锁角：封锁角：s s =180o(a a+g g) 在封锁角在封锁角s s对应的时间段内，晶闸管上的电压为负对应的时间段内，晶闸管上的电压为负值，超过这个角度之后，电压又变为正值。值，超过这个角度之后，电压又变为正值。下

33、 页上 页返 回 udis-uT3+Edus-+LsLdT2idT4T3T1F要在图中实现逆要在图中实现逆变运行，就要使控变运行，就要使控制角制角a a足够大。足够大。 iG3,4w wt000Edudidusw wtw wtiG1,2逐渐减小逐渐减小a a，可得，可得到期望的到期望的Id或或Pd。下 页上 页返 回 5.3.5 交流电压的波形交流电压的波形晶闸管整流器会对运行线路产生干扰。对线路电压晶闸管整流器会对运行线路产生干扰。对线路电压而言，它会产生电压跌落和电压畸变。而言，它会产生电压跌落和电压畸变。下 页上 页返 回 5.4.1 理想的三相整流器理想的三相整流器udn-+iaT5I

34、dPNicibT3T1T2T4T6Idun-+iaT5PicibT3T1T2T4T6Nabc5.4 三三下 页上 页返 回 Idun-+iaT5PicibT3T1T2T4T6NabcF如果对三相整流如果对三相整流器中所有的晶闸管器中所有的晶闸管都施加连续的触发都施加连续的触发脉冲，则该整流电脉冲，则该整流电路相当于二极管整路相当于二极管整流器。流器。下 页上 页返 回 理想条件下理想条件下(a a=0、Ls=0)，各相电压和，各相电压和a a相电流的波相电流的波形如图所示。形如图所示。 w wt0iduanubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=0平均直流电压为：平均直流电压为

35、： LLLLdUUU35.1230pucbAa a Aa aw wt0iduanubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=00w wtw wt=0a auanubnucnuPnuNnw wt0iaw wt0uabubcuduanubnucnudaa audaF在在w wt=a a之之前，前，T5一 直一 直保 持 导 通 ，保 持 导 通 ，因因Ls=0，在，在w wt=a a时刻，时刻，电 流 瞬 间 转电 流 瞬 间 转换到换到T1。 下 页上 页返 回 Aa aAa aw wt0iduanubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=00w wtw wt=0a a

36、uanubnucnuPnuNnw wt0iaw wt0uabucbubcuduanubnucnudaa auda所有晶闸管的所有晶闸管的控制角取相同的控制角取相同的控制角控制角a a，晶闸，晶闸管可顺序触发导管可顺序触发导通。通。输出电压为：输出电压为：3/0paaAUUdd下 页上 页返 回下 页上 页返 回 定义线电压起始时刻定义线电压起始时刻 根据根据tUtuLLacwwsin2)(则有：则有：)cos1 (2)(sin20awwaaLLLLUttdUA将上式带入到式将上式带入到式 中，同时考虑中，同时考虑式式 的关系，最后可得：的关系，最后可得：3/0paaAUUddLLLLdUUU3

37、5. 1230paaapacoscos35. 1cos230dLLLLdUUUU下 页上 页返 回 w wt0uda aw wtw wtw wtw wtw wtw wt000000ududududududa aa aa aa aa a 00a a 6060a a 3030a a 9090a a 120120a a 150150a a 180180F在不同控制角在不同控制角a a下的直流电压波形下的直流电压波形如图所示，对应的如图所示，对应的平均功率为：平均功率为： acos35. 1dLLddIUIUP下 页上 页返 回 直流侧电压直流侧电压 w wt0uda aw wtw w

38、tw wtw wtw wtw wt000000ududududududa aa aa aa aa a 00a a 6060a a 3030a a 9090a a 120120a a 150150a a 180180F图图中平均直流电压中平均直流电压为：为：Uda=1.35ULLcosaFud中的交流纹波频中的交流纹波频率是交流电源频率的率是交流电源频率的六倍，各次谐波分量六倍，各次谐波分量可通过傅里叶级数的可通过傅里叶级数的分析得到。分析得到。 下 页上 页返 回 输入线电流输入线电流 w wt0iaucna aubnuania1w wt=0F F1 a aw wt0iduan

39、ubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=0F三相交流输入的三相交流输入的线电流有线电流有ia、ib和和ic，它们都是幅值为它们都是幅值为Id的矩形波。的矩形波。F上图中的上图中的a a相电相电流流ia的波形与下图的波形与下图中的波形相比偏移中的波形相比偏移了了a a角度。角度。 下 页上 页返 回 若将若将uan(t)的正向过零点定义为时间坐标的原点，则的正向过零点定义为时间坐标的原点，则将将a相电流波形用傅里叶级数展开后可得：相电流波形用傅里叶级数展开后可得：)(19sin2)(17sin2)(13sin2)(11sin2)(7sin2)(5sin2)sin(2)(19171

40、311751awawawawawawawwtItItItItItItItisssssssa谐波次数为：谐波次数为： h=6n1 (n=1,2) 基波电流的有效值为：基波电流的有效值为： Is1=0.78Id谐波分量的有效值与谐波次数成反比，即谐波分量的有效值与谐波次数成反比，即 Ish=Is1 /h (h=6n1) 下 页上 页返 回 51h015 71113171923 25s1shII11113171171231251191w wt0iaucna aubnuania1w wt=0F F1 a a相电流的有效值为：相电流的有效值为：ddsIII816. 032因因Ls=0、id(t)=Id，

41、由上，由上式和式和Ish=Is1 /h可得：可得： 955. 0=3=1pssIIis的电流总谐波畸变率为：的电流总谐波畸变率为： THD%=31.08% 下 页上 页返 回 有功、无功和功率因数有功、无功和功率因数 如如Ls=0、F F1=a，则，则DPF=cosF F1=cosa a w wt0iaucna aubnuania1w wt=0F F1 a a下 页上 页返 回 DPF=cosj j11ssIPFDPFI根据根据DPF=cosF F1=cosa a955. 0=3=1pssIITHD%=31.08%对位移功率因数和对位移功率因数和功率因数的定义功率因数的定义ap

42、cos3=PF可得：可得：下 页上 页返 回 w wt00000a a =60Uanj 0j 0Ia1Uania1iaa aa aa aa aa a0UanUanUanUanUaniaIdIdIdIdiaiaiaIdIdiaw wtw wtw wtw wtw wta a =0a a =120a a =90a a =30a a =150Uanj 30j 30Ia1Uanj 60j 60Ia1Uanj 0j 0Ia1Uanj 0j 0Ia1Uanj 0j 0Ia1线电流随控制角线电流随控制角a a的变化的变化下 页上 页返 回 5.4.2 Ls的影响的影响 udNnPb-+LsLsLsacT5T3

43、T1T2T4T6Id&三相晶闸管整流三相晶闸管整流电路中线路电感的电路中线路电感的最小感抗值为电源最小感抗值为电源等效基波电抗的等效基波电抗的5%，即即: 1305. 0sLLsIUL w下 页上 页返 回 NnPbLsLsLsacT5T1icT6udIdibiaid8在在w wt=a a之前，电流之前，电流在晶闸管在晶闸管T5和晶闸管和晶闸管T6中导通，中导通，8在在w wt=a a时，电流开时，电流开始从晶闸管始从晶闸管T5向晶闸向晶闸管管T1换流。换流。 下 页上 页返 回 8在晶闸管在晶闸管T1的的自然换流点之后，自然换流点之后，uan比比ucn越来越大。越来越大。8在换流间隔在换流间

44、隔g g时时间内，由于晶闸间内，由于晶闸管管T1和和T5同时导同时导通，使通，使a、c两相两相通过各相的通过各相的Ls发生短路。发生短路。 Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 页上 页返 回 8在换流期间，在换流期间，a a相电流相电流ia由零逐渐由零逐渐向向Id增加，增加，c相电流相电流ic由由Id逐渐减小到零。逐渐减小到零。8换流结束时，换流结束时，ia=Id，ic=0，晶闸，晶闸管管T5中的电流完全中的电流完全由晶闸管由晶闸管T1取代。取代。Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic

45、+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 页上 页返 回 w wt0ucna aia1uanucnia21gaFg gF 电流电流ia的完的完整波形整波形 换流期间换流期间a aw wta a+g g 内有：内有： LsanpnuuudtdiLuasLsId35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 页上 页返 回 )( tduALswgaag假定电流假定电流ia在在a aw wta a+g g期间由零逐渐增加到期间由零逐渐增加到Id，根据，根据上式和上式和 的关系可得：的关系可得：

46、dtdiLuasLs换流使直流输出电换流使直流输出电压降低的电压压降低的电压-弧弧度面积为：度面积为： dsIasILdiLAdwwg0Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 页上 页返 回 上式的面积除以上式的面积除以p p/3即为减少的平均直流电压。即为减少的平均直流电压。 dsIasILdiLAdwwg0aaapacoscos35. 1cos230dLLLLdUUUU中减去这个减少的平均直流电压后可得到考虑中减去这个减少的平均直流电压后可得到考虑Ls后的后的直流侧平均输出电压为：直流侧平均输出电压为：

47、从从dsLLdILUUpwap3cos23下 页上 页返 回 换流期间内换流期间内a、c两相短路，因此有：两相短路，因此有： dtdiLuuasanPn同理同理dtdiLuucscnPn将上两式相加后即得：将上两式相加后即得：)(22dtdidtdiLuuucascnanpn下 页上 页返 回 设在换流期间设在换流期间ia+ic=Id为恒定值，因此，一个电流的为恒定值，因此，一个电流的增加量与另一个电流的减少量一定相等，即：增加量与另一个电流的减少量一定相等，即：dtdidtdica=式式 可简化为：可简化为：)(22dtdidtdiLuuucascnanpn2cnanpnuuu下 页上 页返

48、 回 F uPn在换流期间在换流期间的波形如图所示的波形如图所示dtdiLuuasanPndtdiLuuasanPn和和2cnanpnuuu得：得： 222accnanasuuudtdiL合并合并Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 页上 页返 回 假设假设tUuLLacwsin2可得：可得：sLLaLtUtddiwww2sin2)(Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 页上 页返 回 在换流期间在换流期间a aw

49、wta a+g g时间段内进行积分，并认为电时间段内进行积分，并认为电流流ia在该时间段内从零增大到在该时间段内从零增大到Id，因此：，因此：sLLaLtUtddiwww2sin2)(对式对式gaawww)(sin220ttdLUdisLLIad整理后得：整理后得： dLLsIUL22cos)cos(waga下 页上 页返 回 线电流线电流isw wt0ucna aia1uanucnia21gaFg gF图中的图中的ia波形大致波形大致为梯形波，在这种为梯形波，在这种近似条件下有：近似条件下有：)2/cos(gaDPF位移功率因数为：位移功率因数为： )cos(cos21gaa

50、DPF下 页上 页返 回 g gh=5161820a0a05 5151530 -900 010102020(%)15II101214g gh=7a0a05 5151530-9010102020(%)17II0 0G 存在存在Ls时的谐波电流标幺值时的谐波电流标幺值下 页上 页返 回 456789g gh=11a0a05 5151510102020(%)111II0 030 -9056732h=13(%)113II30 -904g g10100 0a0a05 515152020G 存在存在Ls时的谐波电流标幺值时的谐波电流标幺值下 页上 页返 回 典型谐波限值和理想条件的谐波限值典型谐波限值和理

51、想条件的谐波限值典型值典型值 理想条件值理想条件值 h Ih/I1 Ih/I1 5 0.17 197 17 2311 130.03 0.020.10 0.040.040.010.010.01250.050.060.070.04下 页上 页返 回 5.4.3 实际的三相桥式整流电路实际的三相桥式整流电路 UdidnLdubn-+Ls负载负载LsLsuanucn+ +- -udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6LdEdrdid下 页上 页返 回 例例+ +- -udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6LdEdrdid 如图所示，已知三如图所

52、示，已知三相桥式晶闸管整流电路的相桥式晶闸管整流电路的输入线电压输入线电压ULL=480V，频率频率50Hz，电源内电感，电源内电感Ls1=0.2mH，交流侧的线，交流侧的线路电感路电感Ls2=1.0mH。负载。负载参数为：参数为：Ld=5mH，rd=0，Ed=600V，此外，控制角，此外，控制角a a=20o。 试利用试利用PSpice进行仿真分析，画出进行仿真分析，画出us，is和和ud的波形，的波形，并计算出并计算出Is1，Is，DPF，PF和和THD。 下 页上 页返 回 解解 仿真得到的波形如图所示，其他的结果分别为：仿真得到的波形如图所示，其他的结果分别为：Is1=22.0A，Is

53、 =22.94A，DPF=0.928，PF=0.89和和THD=29.24%。 w wt0udEduaiau/i下 页上 页返 回 + +- -udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6LdEdrdid当控制角当控制角a一定时，一定时，只要图中所示电路的只要图中所示电路的直流平均电流减小到直流平均电流减小到一定程度，则电流就一定程度，则电流就会变得不连续。会变得不连续。随着随着Ed的增加，的增加，Id将将不断减小。为了稳定不断减小。为了稳定Ud，在在Id较小时，须增大控较小时，须增大控制角制角a a。0udEdidu/iw wt下 页上 页返 回 5.4.4 三相桥式整流电路的逆

54、变运行三相桥式整流电路的逆变运行 udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6IdF假定整流电路直假定整流电路直流侧电流源具有恒流侧电流源具有恒定的幅值定的幅值Id。 下 页上 页返 回 w wt0ucna aia1uanubnidg gUdudiaw wts s352164F F1 1F控 制 角控 制 角90oa a180o时的电压、时的电压、电流波形。电流波形。 根据下式可知，当根据下式可知，当90oa a180o时，时，Ud的平均值为负的平均值为负值。值。 dsLLdILUUpwap3cos23下 页上 页返 回 udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6Ed

55、+-Ld+ uL -功率方向功率方向id整整流流0Uda a1a a0a a2A A3=90a a4a a5Id逆逆变变f在恒定直流电压下晶闸管整流器的逆变运行在恒定直流电压下晶闸管整流器的逆变运行 下 页上 页返 回 w wt0ucna auanubnidg gupns s3521644uT5ucaw wt0a ap pLLU2F图中晶闸管的图中晶闸管的封锁角度封锁角度s s =180o-a a-g g大于晶闸管的大于晶闸管的关断角度关断角度w wtq。 下 页上 页返 回 5.4.5 交流侧电压波形交流侧电压波形 udNnPb-+Ls1Ls1Ls1acT5T3T1T2T4T6idCsLs2

56、Ls2Ls2id连连续续CsCscab线路上的线路上的其它设备其它设备吸收吸收电路电路F三相桥式整流电路三相桥式整流电路 下 页上 页返 回 0uanubnucnw wt0a ag gAn=2w wLsIduabw wtw wt =0LLU2asin2LLnUU An/2=2w wLsId在每个换流在每个换流期间，三相电期间，三相电压中就有两相压中就有两相电压都会经过电压都会经过自身线路的自身线路的Ls发生断路。发生断路。 线电压的电压跌落线电压的电压跌落 下 页上 页返 回 Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g每次电压跌每次电压跌落所形成的面落所形成的面积应该是图中积应该是图中面积面积Ag g的两倍的两倍 。 下 页上 页返 回 根据式根据式 得知，电压跌落得知，电压跌落对应的面积对应的面积An为：为： dsIasILdiLAdwwg0An=2w wLsId (伏特伏特弧度弧度) 根据下式计算电压跌落的宽度根据下式计算电压跌落的宽度g g ： dLLsIUL22cos)cos(waga如果如果g g较小，可近似