第三章：相控整流共139页PPT课件

1、第三章 相控整流电路7/19/20221北京交通大学电气工程学院本章内容3.1 概 述3.2 单相桥式全控整流电路3.3 单相桥式半控整流电路3.4 三相半波可控整流电路3.5 三相桥式全控整流电路3.6 三相桥式半控整流电路3.7 整流器交流侧电抗对换流(相)的影响7/19/20222北京交通大学电气工程学院要求及重点要求：理解和掌握单相桥式、三相半波、三相桥式等整流电路的电路结构、工作原理/波形分析和电量计算。重点：波形分析和基本电量的计算方法。难点：功率因数计算、不同负载对工况的影响、整流器交流侧电抗对整流电路的影响7/19/20223北京交通大学电气工程学院一、可控整流电路的组成主电路

2、交流电源：工频电网或整流变压器滤波器：为保证电流连续负载：阻性负载、阻感负载、反电势负载等控制电路：模拟控制、数字控制3. 1 概 述整流电路：将交流电变为直流电的电能变换电路。7/19/20224北京交通大学电气工程学院3. 1 概 述二、整流电路的分类1、按组成电路的器件分类不可控整流电路： 电路由不可控器件组成。 整流输出电压（平均值）大小和极性不可变。半控整流电路： 电路由不可控器件和可控器件组成。 整流输出电压（平均值）大小可调、极性不能改变。全控整流电路： 电路由可控器件组成。 整流输出电压（平均值）大小和极性都可变。7/19/20225北京交通大学电气工程学院整流电路的分类（续）

3、2、按电路结构分类桥式电路（又称全波电路或双拍电路）零式电路（又称半波电路或单拍电路）3、按交流输入相数分类单相电路多相电路 4、按控制方式分类相控式电路斩控式电路7/19/20226北京交通大学电气工程学院三、对整流电路的基本技术要求1、输出电压的可调范围要大，脉动要小；2、交流电源功率因数要高，谐波电流要小 ；3、器件导电时间要尽可能长，承受正反向电压要低；4、变压器利用率要高，尽量防止直流磁化 。7/19/20227北京交通大学电气工程学院四、按理想条件来研究整流电路理想电力电子器件：正向导通时阻抗为零，断态时阻抗为无穷大；理想电源：整流电路的交流输入电压为对称、无畸变的正弦波。 7/1

4、9/20228北京交通大学电气工程学院五、本章分析方法要点及数学基础1、分析方法要点（1）根据SCR的导通/关断条件，确定其导通时刻、关断时刻，绘出整流输出电压和电流波形，由此可进一步绘出有关器件上的电压和电流波形；SCR断态（断路）SCR通态（短路）导通(uAK0, ug0)关断(iTE时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。导通之后， ud=u2，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E 。 与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。在角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。当 d时，SCR从时刻开始导通；当 时 30的工作情况负载电压电流波形断续各晶闸

5、管导电时间=1500-，小于1200 移相范围 0 1507/19/202254北京交通大学电气工程学院（二）电量计算（R负载）1、输出电压平均值Ud（1）0 30 （输出电压连续）（2）30 150 （输出电压断续）7/19/202255北京交通大学电气工程学院（二）电量计算（R负载）（续）2、负载电流平均值：Id=Ud/R3、晶闸管承受的最大反向电压，为变压器副边线电压峰值，即4、晶闸管承受的最大正向电压等于变压器副边相电压的峰值，即 5、移相范围： =0 1507/19/202256北京交通大学电气工程学院二、阻感性负载（ R 、L负载）假定电感很大，id平直。（一）工作原理/波形分析

6、1、 30后，相对大电感负载ud中负的部分减少， Ud略为增加，Ud/U2与的关系将介于曲线1和2之间。7/19/202262北京交通大学电气工程学院四、三相半波可控整流电路的优、缺点优点：接线和控制简单 。缺点变压器副边电流中含有直流分量，存在直流磁化现象，引起附加损耗 ；变压器利用率低（每相绕阻的最长导电时间只有三分之一周期）；零线上通过较大的负载电流。应用场合：中等偏小功率的设备上。 7/19/202263北京交通大学电气工程学院3.5 三相桥式全控整流电路结构：共阴极三相半波+共阳极三相半波共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（T1，T3，T5）共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管(T4，

7、T6，T2)导通顺序：T6 、T1 T1 、T2 T2 、T3 T3 、T4 T4 、T5 T5 、T67/19/202264北京交通大学电气工程学院自然换相点相电压or线电压的交点（t1、t2、t3 、 t4、t5、t6 ）7/19/202265北京交通大学电气工程学院一、R、L负载假定电感很大，id平直。分析思考：1、各管子导电时间？2、变压器副边绕组的导电时间？3、变压器副边电流中是否含有直流分量？7/19/202266北京交通大学电气工程学院（一）工作原理/波形分析：1、 = 0移相范围 0 907/19/202267北京交通大学电气工程学院2、 = 30 3、 = 60 7/19/2

8、02268北京交通大学电气工程学院4、 = 90 5、 = 120 三相桥式整流电路带大电感负载时的移相范围 为：0 907/19/202269北京交通大学电气工程学院三相桥式全控整流电路要点总结1、一周期内ud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。7/19/202270北京交通大学电气工程学院三相桥式全控整流电路要点2、需要两个管同时导通才能形成供电回路，共阴极组和共阳极组各一个，且不能为同一相器件。电流连续时每个器件导通 120。7/19/202271北京交通大学电气工程学院三相桥式全控整流电路要点3、变压器副边流过正负电流，无直流磁化；电流连续时变压器副边各相绕组每个

9、周期工作240，利用率高。7/19/202272北京交通大学电气工程学院三相桥式全控整流电路要点4、对触发脉冲顺序的要求：（1）按T1-T2-T3-T4-T5-T6的顺序触发，相位依次差60。（2）共阴极组T1、T3、T5的脉冲依次差120，共阳极组 T4、T6、T2也依次相差120。（3）同一相的上下两个桥臂，即T1与T4，T3与T6，T5与 T2，脉冲相差180。7/19/202273北京交通大学电气工程学院5、为确保电路正常工作，要求同时导通的2个晶闸管均有脉冲，否则在电路合闸起动过程中或电流断续时，电路将不能正常工作。三相桥式全控整流电路要点7/19/202274北京交通大学电气工程学

10、院可采用两种方法使2个晶闸管均有脉冲： （1）宽脉冲触发 （2）双窄脉冲触发（常用）图（a）变压器副边 三相电压波形图（b）宽脉冲触发 （脉宽 60 )图（c）双窄脉冲触发（间隔 60 )三相桥式全控整流电路要点7/19/202275北京交通大学电气工程学院（二）电量计算（R、L负载）1、整流电压 Ud2、变压器副边电流 有效值I27/19/202276北京交通大学电气工程学院3、SCR电流 有效值IT7/19/202277北京交通大学电气工程学院二、三相桥式全控整流电路（R负载）（一）工作原理/波形分析（a） = 60 （b） 60 120移相范围 0 1207/19/202278北京交通大

11、学电气工程学院（二）电量计算（R负载）1、整流电压 Ud 0 60 60 120 7/19/202279北京交通大学电气工程学院三、三相桥式全控整流电路（反电势阻感负载）三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，两者的直流输出电压ud、电流id波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：式中R 和E 分别为负载中的电阻值和反电势的值。7/19/202280北京交通大学电气工程学院优点：六脉波电路，输出电压脉动更小；变压器绕组无直流磁势；变压器绕组在正负半周都工作，效率高。四、三相桥式全控整流电路的优点

12、7/19/202281北京交通大学电气工程学院图例3-3 的三相桥式整流电路，三相电压对称， 设滤波电抗非常大，输出电流连续，若快速熔断器F1熔断，试绘出输出电压ud的波形，并写出电流Id的计算式。 7/19/202282北京交通大学电气工程学院例题 3-3（续）解：（1）故障条件下输出波形如图例3-3（b）所示。（2）设整流器交流侧相电压为U2，将故障下输出波形和三相桥式整流电路在正常运行情况下和时的输出波形相比较可知，输出由四个时的波头和两个时的波头组成，因此计算可以简化为：7/19/202283北京交通大学电气工程学院3 . 6 三相桥式半控整流电路主电路结构 由一个三相半波不控整流电路

13、与一个三相半波可控整流电路串联而成移相范围 0 1807/19/202284北京交通大学电气工程学院一、电阻性负载（R负载）1、 = 30 （一）波形分析7/19/202285北京交通大学电气工程学院2、 = 1207/19/202286北京交通大学电气工程学院电阻性负载（续）（二）电量计算1、整流电压 Ud输出电压为不可控三相半波电路输出电压与可控的三相半波电路输出电压之和！2、移相范围 0 1807/19/202287北京交通大学电气工程学院二、电感性负载（R、L负载）1、 60 （一）波形分析7/19/202288北京交通大学电气工程学院2、60 180 7/19/202289北京交通大

14、学电气工程学院电感性负载（续）（二）电量计算1、整流电压 Ud同电阻性负载输出电压为不可控半波电路输出电压与可控的三相半波电路输出电压之和7/19/202290北京交通大学电气工程学院电量计算（续）2、SCR电流的有效值 IT、整流管电流有效值 ID3、 SCR电流的平均值 IdD 、整流管电流平均值 IdT7/19/202291北京交通大学电气工程学院电量计算（续）4、变压器副边绕组电流有效值 I2 60 60 180 7/19/202292北京交通大学电气工程学院三、三相桥式半控整流的失控现象当处于关断状态晶闸管的触发脉冲突然丢失或控制角 突然增大到 180 时，处于导通状态的晶闸管将不能

15、正常关断、失去控制作用失控现象。避免方法：加续流二极管7/19/202293北京交通大学电气工程学院单相/三相桥式半控整流电路的共同特点R负载、RL负载、RLE负载的Ud波形相同。单相桥式半控单相桥式半控移相范围：0180。都存在失控问题。避免方法：加续流二极管。7/19/202294北京交通大学电气工程学院例题 3-4例3-4 三相半控桥式整流电路，已知三相电源对称，滤波电感 Ld 充分大，负载电流id近似平直。UAB=380V，R=2，E=40V，=90，试完成下列要求：（1） 绘出负载电压ud、交流侧电流iA的波形； （2）求负载电压平均值Ud、负载电流平均值Id；（3）求电源侧的功率因

16、数。7/19/202295北京交通大学电气工程学院解：（1）反电势阻感负载在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与大电感负载时相似，负载电压ud、交流侧电流iA的波形如右图所示。 例题 3-47/19/202296北京交通大学电气工程学院（3） （2） 例题 3-47/19/202297北京交通大学电气工程学院课 堂 思 考 1、下列可控整流电路中，输出电压中谐波含量最少的电路是：a. 三相半波 b. 三相桥式 c. 单相半波 d. 单相桥式2、可控硅装置触发脉冲的移相范围与主电路形式、负载性质有关。对三相半波可控整流电路电阻性负载来说，触发脉冲的移相范围是： 090 012

17、0 0150 01807/19/202298北京交通大学电气工程学院课 堂 思 考 3、下列概念正确的在括号中画“”： 与三相半波整流电路相比，三相桥式整流整流电路具有：输出电压脉动小（）变压器绕组无直流磁势（）变压器绕组在正负半周都工作，效率高（）SCR导电时间长（）7/19/202299北京交通大学电气工程学院课 堂 思 考 4、三相全控桥式晶闸管整流电路，带阻感负载 ，输出电压波形如下图粗线所示，试分析电路有何故障？ 7/19/2022100北京交通大学电气工程学院3. 7 整流器交流侧电抗对换流(相)的影响分析该问题时作以下假定：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

18、集中的电感LB表示。假设大电感负载，负载电流连续且平直。7/19/2022101北京交通大学电气工程学院一、换相过程分析（以三相半波为例）1、电流从T1换相至T2的过程： 因a、b两相均有漏感,ia、ib均不能突变。 当ik增大到等于id时， ia=0，T1关断,换流结束。 T1和T2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流ik， ib=ik 逐渐增大的，而ia=id-ik逐渐减小。考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形换相重叠角 ：换相过程所需的时间T1换相至T2的过程7/19/2022102北京交通大学电气工程学院2、相关概念（术语）换相过程：一相晶闸管电流从id

19、 0 ，另一相晶闸管电流从0 id的过程。换相重叠角 ：换相过程所对应的相角。换相电压：换相过程中加在换相回路上的电 压，即两相间电位差瞬时值。 uba = ub - ua问题2：换相重叠角 ？问题1：换相过程中ud的波形？7/19/2022103北京交通大学电气工程学院3、换相重迭对输出电压波形的影响换相过程中，整流电压的瞬时值影响：与 = 0时相比，产生了换相压降 Ud，使Ud减小。7/19/2022104北京交通大学电气工程学院二、换相压降的计算换相压降与电路结构、换相电流id、交流侧电感LB有关，与换相时刻的电压无关。对于单相全控桥，环流ik是从0变为2id，所以必须用 2id 代替

20、id 对m脉波电路，换相压降为7/19/2022105北京交通大学电气工程学院符号定义:m 输出电压在一个周期内的波头数。xB 整流电路交流侧每相电抗值（主要是变压器漏抗）U2e 变压器二次绕组额定相电压I2e 变压器二次绕组额定相电流uK% 变压器的短路电压比7/19/2022106北京交通大学电气工程学院三、考虑 换相重叠 时整流器的输出特性输出电压的平均值 Ud整流电路的输出特性如右图所示7/19/2022107北京交通大学电气工程学院四、换相重叠角 的计算7/19/2022108北京交通大学电气工程学院m 输出电压在一个周期内的波头数。 对于单相全控桥，环流ik是从0变为2id，所以必

21、须用 2id 代替 id 对于三相全控桥，它相当于相电压为 的脉波整流电路，所以必须用 线电压（即 ）代替7/19/2022109北京交通大学电气工程学院各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算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 注： 单相全控桥电路中，环流ik是从0变为2id。 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。7/19/2022110北京交通大学电气工程学院五、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；使整流电路的功率因数降低；换相使电网电压出现缺口，使电网电压发生畸变；晶闸管的di/dt 减小

22、，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。7/19/2022111北京交通大学电气工程学院图例3-5 单相桥式整流电路，已知电源电压U2=220V，交流侧电抗为XB，假设滤波电抗Xd非常大，以至于输出电流id连续而平直。当id=Id时，重叠角1=300，如改变负载电阻R，使id=2Id ，试求（1）计算此时的重叠角2 和输出电压平均值Ud；（2）绘出电流iD1、iD2和电压ud 的波形。 7/19/2022112北京交通大学电气工程学院例题 3-5（续）解：（1）将m相半波可控整流电路计算重叠角的公式用于本题，可得 ：取m=2, 据题意可列出方程组如下： 即：

23、（2）电流iD1、iD2和电压ud 的波形如图例3-5。 7/19/2022113北京交通大学电气工程学院例题 3-6 三相全控桥式整流电路接大电感负载，对于4000KVA副边Y形连接的整流变压器，其短路比20%，副边线电压U2l=2000V ， Id=1200A， =15，求装置的功率因数。 解：根据题中的参数，整流变压器副边额定线电流为： 根据短路比的定义： 7/19/2022114北京交通大学电气工程学院由于XB不可忽略，就须考虑由于重叠造成的输出平均电压损失该系统输出功率： 例题 3-6（续）7/19/2022115北京交通大学电气工程学院变压器副边实际电流与负载有关，其值为 ：忽略变

24、压器损耗，则输入的视在功率为： 装置的功率因数为： 例题 3-6（续）7/19/2022116北京交通大学电气工程学院课 堂 思 考 1、单选题：（1）整流电路的作用是 将交流电变换为直流电 将直流电变换为直流电 将交流电变换为交流电 将直流电变换为交流电（2）可控整流电路的输出电压大小与主电路型式、控制角和负载性质有关。以下哪种整流电路的输出电压最大？设交流输入电压U2相同，都带纯电阻负载，控制角=0。 单相桥式全控整流电路 三相半波整流电路 三相桥式全控整流电路7/19/2022117北京交通大学电气工程学院课 堂 思 考 2、判断题（1）下列概念正确的有： 在整流电路中，负载电流越大，换

25、相重叠角越小。 在整流电路中，输入电压越高，换相重叠角越小。 在整流电路中，输入变压器漏抗越大，换相重叠角越小。 在大电感负载整流电路中，换相重叠角与相控角有关。7/19/2022118北京交通大学电气工程学院本章小结3、掌握整流电路的分析方法：根据电源电压 u2 和控制角 以及负载性质，绘出负载电压 ud 、负载电流 id 和整流元件的电压、电流波形，从而导出基本电量的计算公式及数量关系。1、掌握整流器交流侧电抗对整流电路的影响2、理解半控整流电路“失控”的概念7/19/2022119北京交通大学电气工程学院4、掌握整流电路的基本电量计算输出电压（负载电压）平均值 Ud、有效值U输出电流（负

26、载电流）平均值 Id、有效值ISCR电流平均值 IdT、有效值IT SCR电流定额ITAV=(1.52) IT1.57电源（变压器副边）电压有效值 U2 电流有效值I2、视在功率S= U2 I2电阻负载功率 P=I2 R 直流电源负载功率 P= Id E当负载中含有大电感时（即：Id平直时）， I = Id ， P= Id Ud功率因数= PS本章小结7/19/2022120北京交通大学电气工程学院单相桥式全控整流电路（R负载）移相范围 0 180本章小结7/19/2022121北京交通大学电气工程学院单相桥式全控整流电路（R、L负载）移相范围 0 90本章小结7/19/2022122北京交通

27、大学电气工程学院单相桥式全控整流电路（R、E负载） 时 时本章小结要求触发脉冲有足够宽度。7/19/2022123北京交通大学电气工程学院单相桥式全控整流电路（R、L、E负载） 整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。本章小结7/19/2022124北京交通大学电气工程学院单相桥式半控整流电路（R、L负载）Ud 、Id、 U： （R、L负载与R负载）计算公式与单相全控桥（R负载）一样。移相范围 0 180本章小结 不能输出负电压； 带电感性负载时存在失控现象。7/19/2022125北京交通大学电气工程学院三相半波可控整流电路（R负载）0 3

28、0 30 150 移相范围： =0 150本章小结7/19/2022126北京交通大学电气工程学院三相半波可控整流电路（R、L负载）移相范围： =0 90本章小结7/19/2022127北京交通大学电气工程学院三相桥式全控整流电路（R、L负载）移相范围 0 90本章小结要求触发脉冲有足够宽度（大于60 ）。或要求间隔为60的双窄脉冲。7/19/2022128北京交通大学电气工程学院三相桥式全控整流电路（R负载）0 60 60 120 移相范围 0 120本章小结7/19/2022129北京交通大学电气工程学院三相桥式半控整流电路R、L负载与R负载的整流电压 Ud表达式相同移相范围 0 180本

29、章小结 不能输出负电压；带电感性负载时存在失控现象。7/19/2022130北京交通大学电气工程学院变压器漏感对整流电路的影响出现换相重叠角 ，整流输出电压平均值Ud降低；使整流电路的功率因数下降；换相使电网电压出现缺口，使电网电压发生畸变；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 。本章小结整流电路交流侧每相电抗值（主要是变压器漏抗）7/19/2022131北京交通大学电气工程学院各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算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 注：单相全控桥电路中，环流ik是从0变为2Id。 三相桥等

30、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。本章小结 整流输出电压的平均值7/19/2022132北京交通大学电气工程学院习 题3-1 单相半波可控整流电路中，如晶闸管（1）不加触发脉冲，（2）内部短路，（3）内部断路，试分析元件两端与负载电压波形。3-2 可控整流电路纯电阻负载时，负载电阻上的平均电压和平均电流的乘积是否等于负载功率？大电感负载，当电流基本平直时，在负载电阻上的平均电流的乘积是否等于负载功率？为什么？7/19/2022133北京交通大学电气工程学院3-8 整流电路中续流二极管起什么作用？所有整流电路输出端都需加接续流二极管吗？3-11单相桥式全控整流电路，大电感负载，U2=110V，R=2，试计算当=300时，输出电压、电流平均值Ud和Id。如接续流二极管，Ud和Id又各为多少？绘出二种情况的电压、电流波形，两种情况电源侧的功率因数各为多少？ 3-14 单相半控桥式