电力电子变换和控制技术(第二版) (陈坚)第5章

1、电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）第第 5 5 章章交流直流变换器（整流器）交流直流变换器（整流器） 5 5 交流直流变换器（整流器）交流直流变换器（整流器） 5.0 概述概述5.1 整流器的类型和性能指标整流器的类型和性能指标5.2 不控整流电路不控整流电路5.3 单相桥式晶闸管相控整流电路单相桥式晶闸管相控整流电路5.4 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路5.5 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 5.6 交流电路电感对整流特性的影响交流电路电感对整流特性的影响5 5 交流直流变换器（整流器）交流直流变换器（整流器） 5.8 带平衡电抗器的双三相桥带平衡电抗器的双三相桥

2、12脉波整流电路脉波整流电路5.9 相控有源逆变电路工作原理相控有源逆变电路工作原理5.10 相控整流及有源逆变晶闸管触发控制相控整流及有源逆变晶闸管触发控制5.11 含有源功率因数校正环节（含有源功率因数校正环节（PFC）的单相）的单相高频整流高频整流小结小结5.0 概述概述q利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交流电能利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交流电能变为直流电能称为变为直流电能称为整流整流。q实现整流的电力半导体开关电路连同其辅助元器件和实现整流的电力半导体开关电路连同其辅助元器件和系统称为系统称为整流器整流器。 整流器的类型很多，归纳分类如下：整流器的类型很多，归纳分类如

3、下：q1.按交流电源电流的按交流电源电流的波形波形可分为：可分为：（1 1） 半波整流。（半波整流。（2）全波整流。）全波整流。q2.按交流电源的按交流电源的相数相数的不同可分为：的不同可分为：（1 1） 单相整流。（单相整流。（2）三相整流。）三相整流。q3.按整流电路中所使用的按整流电路中所使用的开关器件开关器件及控制能力的不同可及控制能力的不同可分为：分为： (1(1） 不控整流。（不控整流。（2）半控整流。（）半控整流。（3）全控整流。）全控整流。q4.按按控制原理控制原理的不同可分为：的不同可分为：（1 1） 相控整流。（相控整流。（2）高频）高频PWMPWM整流。整流。开关器件开关

4、器件为二极管为二极管 开关器件开关器件为晶闸管为晶闸管开关器件为开关器件为全控器件全控器件5.0 概述（续概述（续1）5.0 概述（续概述（续2）q对交流直流变换最基本的性能要求：对交流直流变换最基本的性能要求：q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）输出的直流电压可保持为任意指令值）q输出电压中交流分量（即谐波电压）被控制在允许值范围以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；内；q交流侧电流中的谐波电流也要求在允许值以内。交流侧电流中的谐波电流也要求在允许值以内。q此外交流侧的

5、功率因数、整流器的效率、重量、体积、成本、此外交流侧的功率因数、整流器的效率、重量、体积、成本、电磁干扰电磁干扰EMI和电磁兼容性和电磁兼容性EMC以及对控制指令的响应特以及对控制指令的响应特性都是评价整流器的重要指标。性都是评价整流器的重要指标。 5.1 整流器的类型和性能指标整流器的类型和性能指标q整流器最基本的性能指标有：整流器最基本的性能指标有：q1. 电压谐波系数或纹波系数电压谐波系数或纹波系数RF（Ripple Factor）q2. 电压脉动系数电压脉动系数Sn q3. 输入电流总畸变率输入电流总畸变率THD (Total Harmonic Distortion) q4. 输入功率

6、因数输入功率因数PF（Power Factor） q上述基本性能指标能比较科学地评价各种整流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电路的性能优劣 。5.1 整流器的类型和性能指标（续整流器的类型和性能指标（续1）q纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平均值纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平均值电压电压VD外全部交流谐波分量有效值外全部交流谐波分量有效值VH可以进一步表示为可以进一步表示为 ：DHvVVRF/12DrmsdHvVVVV22DrmsHVVVq电压谐波（纹波）系数的定义：输出电压中的交流谐电压谐波（纹波）系数的定义：输出电压中的交流谐波有效值波有效值 VH与直流平

7、均值与直流平均值VD 之比值。表示为之比值。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）5.1 整流器的类型和性能指标（续整流器的类型和性能指标（续2）定义：整流输出电压中最低次谐波幅值定义：整流输出电压中最低次谐波幅值Vnm与直流与直流平均值平均值VD之比之比 。Sn=Vnm/VD 电压脉动系数电压脉动系数SnSn5.1 整流器的类型和性能指标（续整流器的类型和性能指标（续3）q交流输入电流中除基波电流交流输入电流中除基波电流Is1外通常还含有各外通常还含有各次谐波电流次谐波电流Isn（n2，3，4，） 。qTHD的的定义

8、：除基波电流外的所有谐波电流总定义：除基波电流外的所有谐波电流总有效值与基波电流有效值之比值有效值与基波电流有效值之比值 22122212 由于hSnSnSSIIIII1222121121211SnSnSSSSSShIIIIIIIIITHD输入电流总畸变率输入电流总畸变率THD THD ( (Total Harmonic DistortionTotal Harmonic Distortion) )SPPFAC/SSIVS 11111cos/)(cos)/(cos)/( SSSSSSSSACIIIVIVIVPPF221222221111111THDIIIIIIISnSnnSnSSSS输入功率因数

9、输入功率因数PFPF（P Powerower F Factoractor） ：基波电流数值因数基波电流数值因数（简称基波因数）是基波电流有效值与总电流有效值之（简称基波因数）是基波电流有效值与总电流有效值之比值。比值。交流侧电压与电流基波分量之间的相位角交流侧电压与电流基波分量之间的相位角1 1称为称为基波位移角基波位移角；基波功率因数基波功率因数 coscos1 1称为称为基波位移因数基波位移因数DPFDPF。若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基波电流形成有若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基波电流形成有功功率。这时功功率。这时，定义：交流电源输入有功功率定义

10、：交流电源输入有功功率P PAC AC 与其视在功率与其视在功率S S 之比，即之比，即5.1 整流器的类型和性能指标（续整流器的类型和性能指标（续4）5.2 不控整流电路不控整流电路5.2.0 概述概述5.2.1 单相半波不控整流单相半波不控整流5.2.2 两相半波不控整流（或双半波不控整流）两相半波不控整流（或双半波不控整流）5.2.3 单相桥式不控整流单相桥式不控整流5.2.4 三相半波不控整流三相半波不控整流5.2.5 三相桥式不控整流三相桥式不控整流5.2.6 电容滤波的不控整流电路电容滤波的不控整流电路5.2.0 概述概述q定义：在交流电源与直流负载间插入二极管电路，定义：在交流电

11、源与直流负载间插入二极管电路，利用二极管的单向导电性实现交流利用二极管的单向导电性实现交流-直流电能变换的直流电能变换的电路。电路。q缺点：输出电压平均值不能调节缺点：输出电压平均值不能调节q分析法：二极管的单向导电性是分析二极管整流电分析法：二极管的单向导电性是分析二极管整流电路的基本原则。路的基本原则。q典型电路：图典型电路：图5.1(a)5.5(a)*5.2.1 单相半波不控整流单相半波不控整流q 主电路：不控二极管主电路：不控二极管D1、D0q 工作原理：（理想情况下）工作原理：（理想情况下）q在电源电压的正半周在电源电压的正半周w wt=0p p D1承受正向电压而导通。承受正向电压

12、而导通。vD=vs, iD=isq在电源电压的负半周在电源电压的负半周wt=p2p D1受反压截止，阻断电路。受反压截止，阻断电路。 vD=0, iD=0q如果负载有电感，则负载电如果负载有电感，则负载电流通过流通过D0续流。续流。*5.2.1 单相半波不控整流（续单相半波不控整流（续1）q特点：特点：q整流电压直流平均值整流电压直流平均值 SSSDVVtdtVV45. 02sin221 0 pwwpp qVD只与只与VS有关，不能被调控；有关，不能被调控；q输出电压脉动大，脉动频率低，输出电压脉动大，脉动频率低，难于滤波；难于滤波；q仅正半周有输出（一个电源周期仅正半周有输出（一个电源周期中

13、仅一个电压脉波，即脉波数为中仅一个电压脉波，即脉波数为1，称为，称为“半波半波”）；）；q电源电流的直流分量很大电源电流的直流分量很大。*5.2.2 两相半波不控整流（或双半波不控整流）两相半波不控整流（或双半波不控整流）q主电路：中心抽头的变压主电路：中心抽头的变压器提供两相反向的电压，器提供两相反向的电压，D1、D2作开关。作开关。q工作原理：（理想情况下）工作原理：（理想情况下）q在电源电压的正半周在电源电压的正半周D1承受正向电压而导通，承受正向电压而导通，D2截止，截止，使得正的使得正的A 相电压加到了负载两端。相电压加到了负载两端。q在电源电压的负半周在电源电压的负半周D1受反压截

14、止，受反压截止，D2导通，使得正的导通，使得正的B 相电压加到了负载两端相电压加到了负载两端q性能优于单相半波不控整流性能优于单相半波不控整流q正负半波均有输出，整流电压直流正负半波均有输出，整流电压直流平均值高了一倍平均值高了一倍q两相电压是通过变压器中心抽头得两相电压是通过变压器中心抽头得到的到的q一个电源周期一个电源周期TS中脉波数为中脉波数为2 2，脉，脉动频率提高一倍，易于滤波动频率提高一倍，易于滤波q电源电流正、负对称，无直流分量。电源电流正、负对称，无直流分量。*5.2.2 两相半波不控整流（或双半波不控整流）（续两相半波不控整流（或双半波不控整流）（续1）*5.2.3 单相桥式

15、不控整流单相桥式不控整流 q原理及波形分析：原理及波形分析：q与两相半波电路相比：与两相半波电路相比：q相同点：整流输出电压、交相同点：整流输出电压、交流电源电流波形。流电源电流波形。q多用了两个二极管，但可略多用了两个二极管，但可略去有中心抽头的变压器。去有中心抽头的变压器。q在中小容量的不控整流领域在中小容量的不控整流领域中应用广泛。中应用广泛。 *5.2.4 三相半波不控整流三相半波不控整流 q 原理及波形：原理及波形：q一周期中，一周期中，A相相D1、B相相D3、C相相D5依序各导电依序各导电120。q整流电流为整流电流为120脉宽直流。脉宽直流。q整流电压由三个相同的脉波组整流电压由

16、三个相同的脉波组成（脉波数成（脉波数m m3 3）。q 特点：特点：直流平均值的数值较高：直流平均值的数值较高： SSSDVVtdtVV17. 1263sin23/21501 03 pwwp整流电压脉动较小，脉动频率为整流电压脉动较小，脉动频率为电源频率电源频率3 3倍。电源电流含有很倍。电源电流含有很大的直流分量。较少实用。大的直流分量。较少实用。5.2.5 三相桥式不控整流三相桥式不控整流 整流电压由整流电压由6 6个相同的脉波组成，个相同的脉波组成，脉波宽脉波宽6060, ,脉动较小，易滤波。脉动较小，易滤波。电源电流无直流分量电源电流无直流分量, ,为为120120脉宽、脉宽、正负对称

17、的交流电。正负对称的交流电。广泛应用较大功率的不控整流中广泛应用较大功率的不控整流中脉波脉波数数m m6 65.2.5 三相桥式不控整流（续）三相桥式不控整流（续）q整流电压的直流平均值高：整流电压的直流平均值高：lSlSVVVV35. 134. 22363 pp tdtVtdvVSABDwwpwp30sin233 3/109 03 09 03 电源线电压有效值电源线电压有效值电源相电压有效值电源相电压有效值5.2.6 电容滤波的不控整流电路电容滤波的不控整流电路 q不控整流电路输出电压中除直流外，还含有谐波。不控整流电路输出电压中除直流外，还含有谐波。为此须在整流电路的输出端与负载之间接入为

18、此须在整流电路的输出端与负载之间接入LCLC滤波器滤波器。q由于整流输出谐波电压的频率不高，因此要有较好由于整流输出谐波电压的频率不高，因此要有较好的滤波效果必须的滤波效果必须LCLC很大很大。q滤波电感滤波电感L L的重量、体积相对于电容要大得多，通常的重量、体积相对于电容要大得多，通常取较小的取较小的L L和较大的和较大的C C组成组成LCLC滤波器，甚至完全不用电滤波器，甚至完全不用电感只用感只用电容滤波电容滤波。5.3 单相桥式晶闸管相控整流电路单相桥式晶闸管相控整流电路5.3.0 概述概述5.3.1 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路5.3.2 单相桥式半控整流电路单相桥式半控

19、整流电路 5.3.0 概述概述q 晶闸管代替上节电路中的二极管，可得相控整流电路。晶闸管代替上节电路中的二极管，可得相控整流电路。q 原理：利用了半控开关器件晶闸管的开通可控特性（承受原理：利用了半控开关器件晶闸管的开通可控特性（承受正向电压，且有触发脉冲）和单向导电性；正向电压，且有触发脉冲）和单向导电性；q 相控整流：控制晶闸管触发相位角（脉冲施加时刻）就控相控整流：控制晶闸管触发相位角（脉冲施加时刻）就控制了电源电压送至负载的起始时刻，从而控制整流电压。制了电源电压送至负载的起始时刻，从而控制整流电压。q 整流电路结构不同、负载性质不同，工作情况也就不同。整流电路结构不同、负载性质不同，

20、工作情况也就不同。q 电路分析时要抓住晶闸管的导通时刻（满足导通条件时）电路分析时要抓住晶闸管的导通时刻（满足导通条件时） 和受到反压被强迫关断的时刻。和受到反压被强迫关断的时刻。q 掌握单相桥式全控整流电路在不同性质负载下的工作情况掌握单相桥式全控整流电路在不同性质负载下的工作情况q 了解单相桥式半控整流电路的失控现象及解决办法。了解单相桥式半控整流电路的失控现象及解决办法。5.3.1 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路q 一、电阻性负载一、电阻性负载q（一）主电路（一）主电路q（二）理想化假设（二）理想化假设 q（三）工作原理及波形分析（三）工作原理及波形分析q（四）几个名词术语（四

21、）几个名词术语q（五）基本量的计算（五）基本量的计算q 二、电感性负载二、电感性负载q（一）（一） L、较小，较小，较大，且较大，且时，负载断流，元件的导时，负载断流，元件的导电角电角q（二）（二）当当时，电流临界连续时，电流临界连续q（三）（三） L、较大，较大，较小较小,且且R，90，有功功率有功功率P忽略开关管的损耗，忽略开关管的损耗，电源提供的有功功率负载有功功率电源提供的有功功率负载有功功率Pppp22sinSLSSSLVVIVIVSPPF功率因数功率因数SrmsLrmsLIVIVRIP2( (五五) )基本量的计算基本量的计算（6）功率因数）功率因数PF一、电阻性负载（续一、电阻性

22、负载（续5）表表5.2 单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与的关系表的关系表SDVV/控制角控制角 （度）（度）03060901201501800.90.840.6760.450.2260.0060IS/ID31.571.972.80-功率因数功率因数PF10.9710.8980.7070.4270.170( (五五) )基本量的计算基本量的计算一、电阻性负载（续一、电阻性负载（续5）单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与的关系曲线的关系曲线q 特点：特点：q电感电流不能突变；电感电流不

23、能突变；q电流滞后电压过零。电流滞后电压过零。q根据负载中电感量根据负载中电感量L L的大小不同，的大小不同，电路有电路有4 4种可能工况：种可能工况：二、电感性负载二、电感性负载（一）（一）L L、较小，较小，较大，且较大，且时，负载断流；时，负载断流；（二）（二） 当当时，电流临界连续；时，电流临界连续；（三）（三）L L、较大，较大，较小较小, ,且且，电流连续；，电流连续；（四）（四）L L、很大，很大，w wL LR R ，时，负载断流，元件的导电角时，负载断流，元件的导电角二、电感性负载（续二、电感性负载（续1）q负载断流时，负载断流时，输出整流电、直流等参数的计算输出整流电、直流

24、等参数的计算 )(sin21ttdVVSaaDwwp)cos(cos2122 p p aaVs)cos(cos2pRVRVISDDVD 和和ID与控制角与控制角及导通角及导通角有关有关)cos(cos210*DDDVVV二、电感性负载（续二、电感性负载（续2）)455(cossin)(tgeatg)sin()sin(2)(taLRSDeatZViww是是、R 、 L的函数。的函数。已知已知R、L、 和和时，由（时，由（5-45）式可求）式可求；再由（再由（5-38）式可求得）式可求得 VD *)385()cos(cos21/220*pSDDDDVVVVV二、电感性负载（续二、电感性负载（续3）

25、q负载断流时，负载断流时，输出整流电压、电流等参数的计算输出整流电压、电流等参数的计算 DDSRidtdiLtVwsin2二、电感性负载（续二、电感性负载（续4）q 稳态情况波形分析（稳态情况波形分析（ 特征）：特征）：q输入电流输入电流i is s为正弦波，滞后于电为正弦波，滞后于电源电压的角度为源电压的角度为；相当于电源不；相当于电源不经晶闸管而直接对经晶闸管而直接对RL供电。供电。q负载电流负载电流i iD D 是是“正弦双半波正弦双半波”；q整流电压直流平均值整流电压直流平均值pcos9 . 0cos22cos0SSDDVVVV（二）当（二）当时，电流临界连续时，电流临界连续二、电感性

26、负载（续二、电感性负载（续5）稳态情况：稳态情况：（1）波形：波形：整流电压波形、平整流电压波形、平均值、元件导通角均值、元件导通角等，与等，与电电流临界连续时的相同；流临界连续时的相同；（2 2）特征：）特征：q 晶闸管电流的初值、终值都不晶闸管电流的初值、终值都不为零为零; ;q 负载电流不再是负载电流不再是“正弦双正半正弦双正半波波”，任何时刻都大于零；，任何时刻都大于零； （三）（三）L L、较大，较大，较小较小, ,且且RLR，9090， RL R，9090，E, 晶闸管才能触晶闸管才能触发导通。发导通。vSE, 晶闸管阻断晶闸管阻断, ,阻断期阻断期间间, ,负载电压负载电压vDE

27、 E，故输出电压较，故输出电压较RLRL负载时高。负载电流断流，所以负载时高。负载电流断流，所以 p)()cos(cos21)()sin2(1aEaVEtdEtVEVSSa p p p pw ww wp p p pEaaVSp p p p )cos(cos21)()cos(cos21)()sin2(1aEaVEtdEtVEVSSa p p p pw ww wp p p pEaaVSp p p p )cos(cos21D三、反电势负载三、反电势负载60后后iD不连续；不连续； q 导电宽度导电宽度120-60q 整流电压平均值整流电压平均值VD q 120时时vD=0。由上式也。由上式也可知可知

28、VD0。q 电阻负载时电阻负载时的有效移相范围的有效移相范围是是0120pwpw60cos133/1150 1lmtabDVtdvV3 3. .感性负载时三相桥式全控整流特性感性负载时三相桥式全控整流特性q 多数负载为多数负载为RL负载或反电势、电阻、电感负载，负载中的电感通常会负载或反电势、电阻、电感负载，负载中的电感通常会使电流使电流iD连续。当电感值大到以致负载电路时间常数连续。当电感值大到以致负载电路时间常数远大于远大于电流脉动电流脉动周期周期6T6TS S时，可忽略时，可忽略iD的脉动的脉动, ,看作恒值电流看作恒值电流IDq 负载电流连续且负载电流连续且60时整流电压时整流电压vD

29、波形波形、整流电压平均值、整流电压平均值V VD D与电与电阻负载时的情况相同，阻负载时的情况相同，但是电流不同但是电流不同。(1)(1)电阻电阻性性负载负载0 0时波形时波形； (2)(2)电阻电阻性性负载负载3030时波形时波形； (3)(3)电阻电感性负载电阻电感性负载 6 0 0时的波形时的波形；( (4)4)电阻电感性负载电阻电感性负载 9 0 0时的波形时的波形； (5)(5)电阻电感性负载电阻电感性负载120 0时的波形时的波形； (6)(6)电阻电感性负载电阻电感性负载 180 0时的波形时的波形图图5.21 电阻感性负载时的整流特性电阻感性负载时的整流特性60时的波形时的波形

30、图图5.22 电阻感性负载时的整流特性电阻感性负载时的整流特性90时的波形时的波形图图5.23 电阻感性负载时的整流特性电阻感性负载时的整流特性120时的波形时的波形图图5.24 电阻感性负载时的整流特性电阻感性负载时的整流特性180时的波形时的波形3 3. .感性负载时三相桥式全控整流特性整流电压平均值感性负载时三相桥式全控整流特性整流电压平均值感性负载、电感足够大时感性负载、电感足够大时（1 1）整流电压的平均值）整流电压的平均值VD Vlm为电源线电压最大值 Vl为线电压有效值Vs为相电压有效值 当当909090时，时， V VD D为负值。为负值。pppwpwwcos34.2cos63

31、cos35.1cos23cos955.0cos33/160 11SSlllmlmttabDVVVVVVtdvV整流电压整流电压vD D中除直流平均值中除直流平均值V VD D外，外，还含有还含有6K6K次谐波电压（次谐波电压（K=1K=1，2 2，3 3) )3 3. .感性负载时三相桥式全控整流特性感性负载时三相桥式全控整流特性（2 2）输出电压）输出电压vD的脉动频率是电源频的脉动频率是电源频率的率的6倍，最低次谐波为倍，最低次谐波为6次谐波。次谐波。（3 3）交流电源电流的波形：幅值为）交流电源电流的波形：幅值为ID，宽度为宽度为120的交流方波，除基波外，的交流方波，除基波外，还含有还

32、含有6k1等次谐波。等次谐波。（4 4）电源基波功率因数：）电源基波功率因数： 超前方超前方波电流的起点波电流的起点30就是基波电流的就是基波电流的起点，起点，相电流基波的起点比相电相电流基波的起点比相电压滞后压滞后。电源基波功率因数也是。电源基波功率因数也是cos1cos。4.4.反电势、电阻、电感负载时三相桥式全控整流特性反电势、电阻、电感负载时三相桥式全控整流特性q 三相桥式相控整流电路接反电势、电阻、电感负载且负载三相桥式相控整流电路接反电势、电阻、电感负载且负载电流连续时，与电感电阻性负载时工作情况相似；电路各电流连续时，与电感电阻性负载时工作情况相似；电路各电压、电流波形相同，仅负

33、载电流直流平均值电压、电流波形相同，仅负载电流直流平均值I ID D为为: : REVIDDq 3 3个晶闸管触发脉冲互差个晶闸管触发脉冲互差120120，类似三相半波，类似三相半波相控整流：相控整流：电流连续时电流连续时vPO平均值平均值q 3 3个二极管相当于三相半波不控整流或个二极管相当于三相半波不控整流或0时时的相控整流：的相控整流： vNO的平均值为的平均值为 q 整流电压平均值整流电压平均值V VD D ： v vPNPN 应是共阴极的三相半应是共阴极的三相半波相控整流输出电压波相控整流输出电压v vPOPO和共阳极的三相半波不和共阳极的三相半波不控整流电压控整流电压v vNONO

34、 之和。之和。pcos263SPOVVSONNOVVVp2632cos163pSNOPOPNDVVVVV5.5.2 三相桥式半控整流电路三相桥式半控整流电路0 0时，时， V VD D 最大；最大；00时，时，V VD D为正值；为正值；180 180 时，时，V VD D 最小；最小； V VD D00（不可能为负值）（不可能为负值）的移相控制范围为的移相控制范围为0 0180180输出电压不可能为负值输出电压不可能为负值2cos163pSNOPOPNDVVVVV讨论：讨论：5.6.0 5.6.0 概述概述5.6.1 5.6.1 考虑考虑L LS S的三相半波相控整流电路及整流电压波形的三相

35、半波相控整流电路及整流电压波形5.6.2 5.6.2 换相重叠期中的波形及关系换相重叠期中的波形及关系 5.6.3 5.6.3 整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算5.6.4 5.6.4 I ID D与与 、 、换相压降的关系、换相压降的关系 5.6.5 5.6.5 引入换相电阻引入换相电阻R RS S后的关系式后的关系式 5.6.6 5.6.6 各种相控整流电路换相压降和换相重叠角计算各种相控整流电路换相压降和换相重叠角计算5.6.7 5.6.7 电压波形畸变及影响电压波形畸变及影响5.6 交流电路电感对整流特性的影响交流电路电感对整流特性的影响LS 0时时三相半波整流电路三相半波整流电

36、路 5.6.0 概述概述q问题的提出：实际交流电源问题的提出：实际交流电源电路中存在电感电路中存在电感LS，前面的，前面的vD波形却没有考虑其影响。波形却没有考虑其影响。交流电路电感对整流特性有交流电路电感对整流特性有什么样的影响呢？什么样的影响呢？q 以以m相半波整流电路（如相半波整流电路（如m3）为例进行分析，以期得）为例进行分析，以期得到交流电路电感到交流电路电感LS对换流过对换流过程及输出电压平均值程及输出电压平均值VD的影的影响的一般性结论。响的一般性结论。5.6.1 考虑考虑LS的三相半波相控整流电路及整流电压波形的三相半波相控整流电路及整流电压波形q 在自然换相点在自然换相点E点

37、之后、点之后、 F点之点之前前Tb未被触发，未被触发，Ta一直导电，一直导电，Tb截止，截止，iaID ，v va avD(t)(t)q 如果如果LS0，一旦，一旦Tb导通导通 Ta立即受反压截止，立即受反压截止，ID立即立即从从a相换到相换到b相，换相（或换流）过相，换相（或换流）过程程瞬时完成瞬时完成。这时。这时vD为为PEFQH曲线。曲线。 )()()(tvtvtvabD5.6.2 换相重叠期中的波形及关系换相重叠期中的波形及关系q 如果如果LS 0，LS储能不能突变为储能不能突变为零，零，ia不能从不能从ID突降为零，而必须突降为零，而必须经历一个经历一个Ta、Tb同时导通的过渡同时导

38、通的过渡过程。过程。q 过程历时过程历时t tr r，对应的相位角，因，对应的相位角，因T Ta a、T Tb b同时导电而被称为同时导电而被称为换相重换相重叠期叠期。q 换相重叠期内若换相重叠期内若I ID D恒定，参与换恒定，参与换流的两相电流以及整流电压有如流的两相电流以及整流电压有如下关系：下关系： abDiiIdtdiLdtdiLbSaSdtdiLvdtdiLvvaSabSbDdtdiLdtdiLdtdiLvvbSaSbSab2相电压和的一半baabbDvvvvvv2121线电压的一半abbSvvdtdiL215.6.2 换相重叠期中的波形及关系换相重叠期中的波形及关系（续）（续）t

39、mVvvvbaDwpcoscos2)(21q在一个脉波期中整流电压为在一个脉波期中整流电压为EFGDHMEFGDHMq换相换相前前v vD D= v= va；换相换相后后v vD D= v= vb bq换相换相中中，v vD D是图中的是图中的GDGD段段。5.6.3 整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算mmVtdmtVmVmDppwpwppsin2)()cos(222 0 0SSDVVV9 .0220pSSDVVV17. 12630pllDVVV35. 1230pq3 3相桥式相桥式m m6 6，V VV Vl l q3 3相半波相半波m m3 3，V VV VS Sq单相桥式和单相桥式

40、和2 2相半波相半波m m2 2，V VV VS S （1 1）0 0或不控整流，且或不控整流，且L LS S0 0时时VD0为曲线为曲线EQHMEEQHME的面积平均值的面积平均值5.6.3 整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算( (续续) )cos1 ()()(/210 0 wpDabVtdvvmVppcoscossin200DDDVmmVVVV2)cos(cossin2)()(21/21 ppwpmmVtdvvmVabS）（2cos2cossin22)cos(cossin20ppppmmVmmVVVVVSDD（3 3）00且且L LS S0 0 时因换相重叠而损失的面时因换相重叠而损

41、失的面积（换相压降）是积（换相压降）是QGDHQGDH。（2 2）00且且L LS S0 0时时, ,V VD D 为曲线为曲线EFQHME的平的平均值均值, ,因移相而损失的面积为因移相而损失的面积为而而VS的计算式：的计算式：SsDVmLIwp2则DsSILmVpw2)()(21)(21tdvvLdtvvLdiabsabsbww的条件时和时利用DbbIiatiatww02)cos(cossin2ppaammVVSSabbSvvdtdiL215.6.4 ID与与、换相压降的关系、换相压降的关系wwww 0 )()(211)()(21tdvvLtdvvLdiIabSabSIbDD2)cos(c

42、ossin221pwmVLS5.6.5 引入换相电阻引入换相电阻RS后的关系式后的关系式pw2SDSSLmIVRDSDSSIRILmVpw2DSImVLpwsin22sin)2sin(2)cos(cosDSDILmmmVVpwpp2cossin2DSlDILVVpwp3cos23换相电阻：换相电阻： 已知负载电流已知负载电流I ID D，可求换相压降。，可求换相压降。已知负载电流已知负载电流I ID D，可求出不同可求出不同时的时的换相压降只与换相压降只与R RS S、I ID D有关而与有关而与无关，但无关，但与与有关有关整流电压平均值整流电压平均值已知已知V V、m m、LLS S、负载电

43、流、负载电流I ID D以及以及可求出可求出V VD D 。如三相桥式（如三相桥式（m m6 6，V VV Vl l ）时，）时，由由5.6.6 各种相控整流电路换相压降和换相重叠角计算各种相控整流电路换相压降和换相重叠角计算 以上分析的前提是假定换流过程中电感以上分析的前提是假定换流过程中电感L Ls中的电流是从中的电流是从0 0I ID D之间变化，即电感电流变化量为之间变化，即电感电流变化量为I ID D ，但不同整流电路，换流过，但不同整流电路，换流过程中电感电流变化量未必相同。单相桥式整流中电流变化量为程中电感电流变化量未必相同。单相桥式整流中电流变化量为2I2ID D ，换相压降比

44、两相半波时大一倍。下表为，换相压降比两相半波时大一倍。下表为各种相控整流电各种相控整流电路中换相压降和换相重叠角计算式。路中换相压降和换相重叠角计算式。5.6.7 电压波形畸变及影响电压波形畸变及影响q 在换相重叠期中，在换相重叠期中，a、b两相处于经电感两相处于经电感2LS短接状态，使整流短接状态，使整流电路的输入电压波形畸变（有短时的突降和突升毛刺），同电路的输入电压波形畸变（有短时的突降和突升毛刺），同时也影响晶闸管截止时端电压波形。时也影响晶闸管截止时端电压波形。q 这种波形畸变有可能对自身的控制电路以及其它设备的正常这种波形畸变有可能对自身的控制电路以及其它设备的正常工作产生不良的影

45、响，因此，实际的整流电源装置的输入端工作产生不良的影响，因此，实际的整流电源装置的输入端有时加滤波器消除这种畸变波形的影响。有时加滤波器消除这种畸变波形的影响。 整流装置功率越大，它对电网的干扰也越严重整流装置功率越大，它对电网的干扰也越严重在一个电源周期中整流输出电压在一个电源周期中整流输出电压V VD D脉波数脉波数m越多，则输越多，则输 出电压中谐波阶次越高，谐波幅值越小，整流特性越好出电压中谐波阶次越高，谐波幅值越小，整流特性越好整流装置的交流电流中的谐波频率越高，谐波电流数值整流装置的交流电流中的谐波频率越高，谐波电流数值 也越小。也越小。为了减轻整流装置谐波对电网的影响，可采用下图

46、（图为了减轻整流装置谐波对电网的影响，可采用下图（图 5.29(a)所示）两个三相桥式整流，经平衡电抗器所示）两个三相桥式整流，经平衡电抗器L LP P并联并联 输出的六相输出的六相12脉波相控整流电路。脉波相控整流电路。 5.8 带平衡电抗器的双三相桥带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路脉波整流电路 5.8 带平衡电抗器的双三相桥带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路脉波整流电路 若无平衡电抗器，若无平衡电抗器，则在区间则在区间I I，一旦第一组三相桥整流器导，一旦第一组三相桥整流器导电，第二组三相桥整流器的晶闸管立即被反压截止，只能由电，第二组三相桥整流器的晶闸管立即被反压截止，只能由第

47、一组三相桥整流器对负载供电；同理，区间第一组三相桥整流器对负载供电；同理，区间IIII，仅第二组，仅第二组三相桥整流器导电，并提供全部负载电流。三相桥整流器导电，并提供全部负载电流。 有了平衡电抗器以后有了平衡电抗器以后，任何时刻电压差，任何时刻电压差V VP P平衡电抗器两侧平衡电抗器两侧绕组各承担绕组各承担 V VP P/2/2，使两个整流器同时导电并共同承担负载，使两个整流器同时导电并共同承担负载电流，每个晶闸管及变压器绕组导电时间延长一倍，而电流电流，每个晶闸管及变压器绕组导电时间延长一倍，而电流却只输出却只输出1/21/2负载电流。负载电流。5.8 带平衡电抗器的双三相桥带平衡电抗器

48、的双三相桥12脉波整流电路脉波整流电路触发控制角触发控制角 =0=0时，第一组三相全桥整流输出时，第一组三相全桥整流输出ttttVtvlDwwwwp24cos2523218cos1917212cos131126cos752123)(13024cos252323018cos19172 3012cos13112306cos752123)(2ttttVtvlDwwwwpttVtvtvvlDDPwwp18cos191746cos75423)(-)(21mllPVVVv19. 0154. 075423max6p主要是主要是6 6次谐波，次谐波，6 6次谐波的幅值次谐波的幅值电压差：电压差：相差相差303

49、05.8 带平衡电抗器的双三相桥带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路脉波整流电路时当60twmPlmllllPmVvVVVVVv19. 023. 019. 0) 2/31 (260sin22maxPPmPmLviw6PPmPmDLviIw6213102 . 0319. 03DlDlDPmPIVIVIvLwwttVvvtvlDDDwwp24cos2523212cos13112123)(21)(21两组三相桥经平衡电抗器以后输出电压的瞬时值为：两组三相桥经平衡电抗器以后输出电压的瞬时值为：或或整流电路电流连续的条件是整流电路电流连续的条件是 ：电压差在两个三相桥之间引起的环流最大值近似为电压差在

50、两个三相桥之间引起的环流最大值近似为vP有有最大值：最大值：5.8 带平衡电抗器的双三相桥带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路脉波整流电路SlSlDVVVVV34. 235. 16323ppDllVVV014.01311235.11311223pHzHzf6005012直流输出电压平均值直流输出电压平均值: :输出波形的脉动分量减小了，脉动频率比三相桥时增大了一倍。输出波形的脉动分量减小了，脉动频率比三相桥时增大了一倍。以上为控制角以上为控制角 =0=0时的情况，如果时的情况，如果 00，可以根据两组三相桥式电路的相，可以根据两组三相桥式电路的相应输出波形进行分析。应输出波形进行分析。 其幅

51、值仅为直流输出电压平均值的其幅值仅为直流输出电压平均值的1.4%1.4% 1212次谐波电压幅值为次谐波电压幅值为 ：输出电压中的谐波阶次为输出电压中的谐波阶次为12k12k次次(K=1,2,),(K=1,2,),最低为最低为1212次。次。5.8 带平衡电抗器的双三相桥带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路脉波整流电路图中图中120120方波的傅立叶级数表达式为：方波的傅立叶级数表达式为：tttttIiidaNawwwwwp13sin13111sin1117sin715sin51sin32113013sin1313011sin111307sin71305sin5130sin322tttttI

52、idawwwwwp15013sin13115011sin1111507sin711505sin51150sin322tttttIidbwwwwwptttttttIiidbawwwwwwwp25sin25123sin23113sin13111sin1117sin715sin51sin622222cNaaNiii222aNbbNiiiN N2 2绕组绕组a a、b b、c c相电流满足相电流满足：5.8 带平衡电抗器的双三相桥带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路脉波整流电路222bNaNcNiii222222222222aNbaaNbaNabNaNaaNiiiiiiiiiii22231 baaN

53、iii3/322121baaNaNaNAiiiiii123NN ttttItidAwwwwp23sin23113sin13111sin111sin3410NN 由于三相对称：由于三相对称：原方原方A A相电流应为相电流应为：除基波外，仅含除基波外，仅含12K12K 1 1（K=1K=1，2 2，3 3）次电流谐波。最低次电流谐波为）次电流谐波。最低次电流谐波为1111次次. .5.8 带平衡电抗器的双三相桥带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路脉波整流电路q带平衡电抗器的双三相桥带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路中交流电源只含有脉波整流电路中交流电源只含有12K12K 1 1次谐波电流，最

54、低次次谐波电流，最低次电流电流谐波为谐波为11次，而三相桥次，而三相桥6脉波整流脉波整流电路交流电源中含有电路交流电源中含有6K 1次谐波电流，最低次谐波电流为次谐波电流，最低次谐波电流为5次。次。q两组整流桥相差两组整流桥相差30的整流电压，既可经平衡电抗器并联输出的整流电压，既可经平衡电抗器并联输出（称为并联多重结构），也可以将其串联输出给负载供电（称为（称为并联多重结构），也可以将其串联输出给负载供电（称为串联多重结构）。串联多重结构）。q采用串联多重结构和并联多重结构其效果是相同的，串联输出采用串联多重结构和并联多重结构其效果是相同的，串联输出适用于输出高电压应用，并联输出适用于输出大

55、电流应用。适用于输出高电压应用，并联输出适用于输出大电流应用。结论结论5.9 相控有源逆变电路工作原理相控有源逆变电路工作原理5.9.1 5.9.1 有源逆变原理有源逆变原理5.9.2 5.9.2 有源逆变安全工作条件有源逆变安全工作条件5.9.3 5.9.3 三相全桥相控整流和有源逆变的控制特性三相全桥相控整流和有源逆变的控制特性5.9.4 5.9.4 晶闸管相控有源逆变的应用晶闸管相控有源逆变的应用5.9.1 有源逆变原理有源逆变原理q把直流变换成交流的变换称之为逆变逆变q实现逆变的电路及装置称逆变电路、逆变器q有源逆变有源逆变是把直流电能所转换的交流电能输送给交流电网q有源（有交流电源）

56、逆变有源（有交流电源）逆变是依靠交流电网电压周期性的反向变负使逆变电路中处于通态的开关器件承受反向电压而关断，因而可以不用自关断器件而用无自关断能力的晶闸管。事实上，有源逆变就是从晶闸管相控整流发展、延伸出来的，所以把它放在ACACDCDC整流变换整流变换这一章介绍。5.9.1 有源逆变原理（续有源逆变原理（续1）E3E1E2E3DPPE3E1E2E3vcvavbvcvcvavbvcNvcvavb b)(9000Vd600P0vcvavbE5E5DQE2HD0NPQp dvcvavbvcE1E3E4E5Gva)(c1200)(9000VdMtwtwtw换 相 重 叠 时 整 流 电 压 波 形

57、abcLcLcLcvavbvciaiaibicTaTbTcId0IdDR L E 负载A上图三相半波相控整流电路中，若控制角（从自然换相点E1、E2、E3算起的触发滞后角）为 ，则当控制角 609090 和=120(90(90) )两种情况下整流电压瞬时值波形如右图。 5.9.1 有源逆变原理（续有源逆变原理（续2）q 909090时整流电压 vD（t）为PDE5Q曲线电压。q 909090时,整流电压 vD（t）的负面积大于正面积，故直流电压平均值和功率平均值均为负值，变换器将直流电能变为交流电能送至交流电源，实现有源逆变。 q图中的图中的“负载负载”应是一个直流电源，且其电压应是一个直流电

58、源，且其电压Ei极性必须与图中的方极性必须与图中的方向一致。向一致。q桥式变换器电路中开关器件的触发控制角桥式变换器电路中开关器件的触发控制角 p p/2/2 。 5.9.1 有源逆变原理（续有源逆变原理（续3）q 在在 0 p p/2 范围内改变控制角范围内改变控制角 ，即可，即可控制正值电压控制正值电压VD 和正值功率和正值功率PD的大小；的大小；q在在p p/2/2 p p范围内改变控制角范围内改变控制角 ，即可，即可控制负值电压控制负值电压V VD D 和负值功率和负值功率P PD D 的大小。的大小。q在在 p p/2/2大部分时区大部分时区, ,vD(t)(t)为负值。为负值。q为

59、了维持电流为了维持电流I ID D，直流侧必须有右上图，直流侧必须有右上图中所示的直流电源才能向交流电源输送功中所示的直流电源才能向交流电源输送功率实现有源逆变。率实现有源逆变。结论RCLRER0Vd900RCLEiId0Vd900IRdIdADADId(f) 有源逆变(e) 相控整流实现有源逆变的条件是：实现有源逆变的条件是：5.9.2 有源逆变安全工作条件有源逆变安全工作条件E3E1E2E3DPPE3E1E2E3vcvavbvcvcvavbvcNvcvavb b)(9000Vd600P0vcvavbE5E5DQE2HD0NPQp dvcvavbvcE1E3E4E5Gva)(c1200)(9

60、000VdMtwtwtw换相重叠时整流电压波形abcLcLcLcvavbvciaiaibicTaTbTcId0IdDR L E 负 载A 相控整流电路中以自然换相点为相控整流电路中以自然换相点为起始点的控制角起始点的控制角 p p/2/2 时，可以实现时，可以实现有源逆变。有源逆变。 越接近越接近180时整流电压负值越时整流电压负值越大，有源逆变功率越大。大，有源逆变功率越大。 但在但在 p p/2/2 有源逆变状态下工作有源逆变状态下工作时，由于实际电路中交流电源电路中时，由于实际电路中交流电源电路中电感电感LS 0，实际存在换相重叠过程。，实际存在换相重叠过程。 如果如果 过大，就可能引起