整流电路电力电子

《电力电子技术》电子教案第2章整流电路(Rectifier)PowerElectronicsTechnology《电力电子学－电力电子变换和控制技术》，陈坚，高等教育出版社，2002.1JaiP.Agrawal《PowerElectronicsSystems-TheoryandDesign》，方承远编，机械工业出版社，2001.8

引言整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电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本章内容：

可控整流电路：工作原理（波形分析）、基本数量关系、负载性质的影响

变压器漏抗对整流电路的影响

电容滤波的二极管整流电路(X)

整流电路的谐波和功率因数分析

大功率场合的整流电路(X)

相位控制电路的驱动控制知识点回顾：L、C是储能元件，L上电流不能突变，C上电压不能突变。分析方法：将电力电子器件理想化，当器件导通时，阻抗为0；当器件断开时，阻抗为无穷大。通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算。对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路计算公式：1、平均电流计算公式2、电流有效值计算公式3.1单相可控整流电路交流侧接单相电源重点注意：工作原理（波形分析）、定量计算、不同负载的影响。3.1.1单相半波可控整流电路SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier1.带电阻负载的工作情况变压器T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3.1.1单相半波可控整流电路几个概念的解释：ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流

采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路

ud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电路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冲止的电角度,用a表示,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导通角，用θ表示:θ=-a直流输出电压平均值

VT的a移相范围为0--180这种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位控制方式，简称相控方式基本数量关系阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变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，分段进行分析计算对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路

图2-2带阻感负载的单相半波电路及其波形2.带阻感负载的工作情况图2-3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（2-3））（2-2））（2-4））VT处于通态时时：初始条件：：ωt=a，id=0。求解式（2-2）并并将初始条条件代入可可得其中当ωt=θ+a时，id=0，代入式（2-3）并并整理得负载阻抗角角j、触发角a、晶闸管导通通角的关系系若j为定值，a越大，在u2正半周L储能越少，，维持导电电的能力就就越弱，θ越小若a为定值，j越大，则L贮能越多，，θ越大；且j越大，在u2负半周L维持晶闸管管导通的时时间就越接接近晶闸管管在u2正半周导通通的时间，，ud中负的部分分越接近正正的部分，，平均值Ud越接近零，，输出的直直流电流平平均值也越越小。超越方程，，用迭代法法求解当u2过零变负时时，VDR导通，ud为零。此时时为负的u2通过VDR向VT施加反压使使其关断，，L储存的能量量保证了电电流id在L-R-VDR回路中流通通，此过程程通常称为为续流。续续流期间ud为0，ud中不再出现现负的部分分图2-4单单相半半波带阻感感负载有续流二极极管的电路路及波形为避免Ud太小，在整整流电路的的负载两端端并联续流二极管管若近似认为为id为一条水平平线，恒为为Id，则有VTVDR数量关系直流输出电电压平均值值简单，但输输出脉动大大，变压器器二次侧电电流中含直直流分量，，造成变压压器铁芯直直流磁化实际上很少少应用此种种电路分析该电路路的主要目目的在于利利用其简单单易学的特特点，建立立起整流电电路的基本本概念单相半波可可控整流电电路的特点点3.1.2单相桥式全全控整流电电路VT1和VT4组成一对桥桥臂，在u2正半周承受受电压u2，得到触发脉脉冲即导通通，当u2过零时关断断VT2和VT3组成另一对对桥臂，在在u2正半周承受受电压-u2，得到触发脉脉冲即导通通，当u2过零时关断断图2-5单单相全全控桥式带电阻负载载时的电路路及波形1.带电阻阻负载的工工作情况双脉波整流流电路变压器无磁磁化现象数量关系a角的移相范范围为180。不考虑变压压器的损耗耗时，要求求变压器的的容量为S=U2I2。为便于讨论论，假设电电路已工作作于稳态，，id的平均值不不变。假设负载电电感很大，，负载电流流id连续且波形形近似为一一水平线u2过零变负时时，由于电电感的作用用晶闸管VT1和VT4中仍流过电电流id，并不关断至ωt=π+a时刻，给VT2和VT3加触发脉冲冲，因VT2和VT3本已承受正正电压，故故两管导通通图2-6单单相全全控桥带阻感负载时时的电路及及波形2.带带阻感负载载的工作情情况VT2和VT3导通后,u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使使VT1和VT4关断，流过过VT1和VT4的电流迅速速转移到VT2和VT3上，此过程程称换相，亦称称换流晶闸管移相相范围为90。晶闸管承受受的最大正正反向电压压均为晶闸管导通通角θ与a无关，均为为180变压器二次次侧电流i2的波形为正正负各180的矩形波，，其相位由由a角决定，有效值I2=Id。3.带带反电动势势负载时的的工作情况况在|u2|>E时，才有晶闸管承受受正电压，，有导通的可可能导通之后，，ud=u2，，，直至|u2|=E，id即降至0使使得晶闸管关关断，此后后ud=E与电阻负载载时相比，，晶闸管提提前了电角角度δ停止导电，，δ称为停止导电角角。（2-16）在a角相同时，，整流输出出电压比电电阻负载时时大。图2-7单单相桥桥式全控整整流电路接反电电动势—电电阻负载时时的电路及及波形如图2-7b所示id波形在一周周期内有部部分时间为为0的情况况，称为电流断续。与此对应应，若id波形不出现现为0的点点的情况，，称为电流流连续。当当时，触发脉脉冲到来时时，晶闸管管承受负电电压，不可可能导通。。为了使晶晶闸管可靠靠导通，要要求触发脉脉冲有足够的宽度度，保证当wt=d时刻晶闸管管开始承受受正电压时时，触发脉脉冲仍然存存在。这样样，相当于于触发角被被推迟为d。负载为直流流电动机时时，如果出出现电流断断续则电动动机的机械特性将将很软为了克服此此缺点，一一般在主电电路中直流流输出侧串串联一个平平波电抗器器，用来减减少电流的的脉动和延延长晶闸管管导通的时时间这时整流电电压ud的波形和负负载电流id的波形与电电感负载电电流连续时时的波形相相同，ud的计算公式式亦一样为保证电流流连续所需需的电感量量L可由下式求求出（2-17）3.1.3单相全波可可控整流电电路单相全波与与单相全控控桥从直流流输出端或或从交流输输入入端看均是是基本一致致的两者的区别别（1）单相相全波中变变压器结构构较复杂，，绕组及铁铁芯对铜、、铁等材料料的消耗多多（2）单相相全波只用用2个晶闸闸管，比单单相全控桥桥少2个，，相应地，，门极驱动动电路也少少2个；但但是晶闸管管承受的最最大电压为为U2，是单相全控控桥的2倍倍（3）单相相全波导电电回路只含含1个晶闸闸管，比单单相桥少1个，因而而管压降也也少1个图2-9单相全波可控整流电路及波形=90°023/2/2UVT1ud3.1.4单相桥式半半控整流电电路单相全控桥桥中，每个个导电回路路中有2个个晶闸管，，为了对每每个导电回回路进行控控制，只需需1个晶闸闸管就可以以了，另1个晶闸管管可以用二二极管代替替，从而简简化整个电电路。如此此即成为单单相桥式半半控整流电电路（先不不考虑VDR）。单相半半控桥桥带阻阻感负负载的的情况况工作原原理:续流二二极管管的作作用若无续续流二二极管管，则则当a突然增增大至至180或触发发脉冲冲丢失失时，，会发发生一一个晶晶闸管管持续续导通通而两两个二二极管管轮流流导通通的情情况，，这使使ud成为正正弦半半波，，即半半周期期ud为正弦弦，另另外半半周期期ud为零，，其平平均值值保持持恒定定，称称为失控有续流流二极极管VDR时，续续流过过程由由VDR完成，，晶闸闸管关关断，，避免免了某某一个个晶闸闸管持持续导导通从从而导导致失失控的的现象象。同同时，，续流流期间间导电电回路路中只只有一一个管管压降降，有有利于于降低低损耗耗单相桥桥式半半控整整流电电路的的另一一种接接法相当于于把图2-4a中的VT3和VT4换为二二极管管VD3和VD4，这样可可以省省去续续流二二极管管VDR，续流由由VD3和VD4来实现现失控??3.2三相可可控整整流电电路1.电电阻负负载电路的的特点点：变压器器二次次侧接接成星星形得得到零零线，，而一一次侧侧接成成三角形形避免免3次次谐波波流入入电网网三个晶晶闸管管分别别接入入a、b、c三相电电源，，其阴阴极连连接在在一起起———共阴阴极接接法负载容容量较较大，，或要要求直直流电电压脉脉动较较小、、易滤滤波时时用基本的的是三三相半半波可可控整整流电电路，，三相相桥式式全控控整流流电路路应用用最广广3.2.1三相半半波可可控整整流电电路abcabcbcababcacabacbcbacacbabac3.2.1三相半半波可可控整整流电电路假设将将电路路中的的晶闸闸管换换作二二极管管，成成为三三相半半波不不可控控整流流电路路.此此时，，相电电压最最大的的一个个所对对应的的二极极管导导通，，并使使另两两相的的二极极管承承受反反压关关断，，输出出整流流电压压即为为该相相的相相电压压在wt1~wt2期间，，VD1导通，，ud=ua在wt2~wt3期间，，VD2导通，，ud=ub在wt3~wt4期间，，VD3导通，，ud=uc二极管管换相相时刻刻为自然换换相点点，是各相相晶闸闸管能能触发发导通通的最最早时时刻，，将其其作为为计算算各晶晶闸管管触发发角a的起点点，即a=0.a=0时的工工作原原理分分析变压器器二次次侧a相绕组组和晶晶闸管管VT1的电流流波形形，变变压器器二次次绕组组电流流有直直流分分量晶闸管管的电电压波波形，，由3段组组成：：第1段段，VT1导通期期间，，为一一管压压降，，可近近似为为uT1=0第2段段，在在VT1关断后后，VT2导通期期间，，uT1=ua-ub=uab，为一段段线电电压第3段段，在在VT3导通期期间，，uT1=ua-uc=uac为另一一段线线电压压图2-13三三相相半波波可控控整流流电路路电阻负负载，，a=30时的波波形a=30时的波波形负载电电流处处于连连续和和断续续之间间的临临界状状态a>30的情况况特点：：负载载电流流断续续，晶晶闸管管导通通角小小于120图2-14三三相相半波波可控控整流流电路路，电阻负负载，，a=60时的波波形电阻负负载时时a角的移移相范范围为为150a=60数量关关系整流电电压平平均值值的计计算（1））a≤30时，负负载电电流连连续当a=0时，Ud最大，，为（2））a>30时，负负载电电流断断续，，晶闸闸管导导通角角减小小，此此时有有：负载电电流平平均值值为晶闸管管承受受的最最大反反向电电压，，晶闸管管承受受的最最大正正向电电压2.阻阻感感负载载特点：：阻感感负载载，L值很大大，id波形基基本平平直a≤30时：整流电电压波波形与电阻阻负载载时相相同a>30时（如如a=60时的波波形如如图2-16所示））u2过零时时，VT1不关断断，直直到VT2的脉冲冲到来来，才才换流流，由由VT2导通向向负载载供电电，同同时向向VT1施加反反压使使其关关断———ud波形中中出现现负的的部分分阻感负负载时时的移移相范范围为为90a=60时的波波形数量关关系变压器器二次次电流流即晶晶闸管管电流流的有有效值值为晶闸管管的额额定电电流为为晶闸管管最大大正反反向电电压峰峰值均均为变变压器器二次次线电电压峰峰值图2-16中id波形有有一定定的脉脉动，，但为为简化化分析析及定定量计计算，，可将将id近似为为一条条水平平线三相半半波的的主要要缺点点在于于其变变压器器二次次电流流中含含有直直流分分量，，为此此其应应用较较少图2-16三三相相半波波可控控整流流电路路，阻感负负载时时的电电路及及a=60时的波波形3.2.2三相桥桥式全全控整整流电电路应用最最为广广泛共阴极极组—阴极极连接接在一一起的的3个个晶闸闸管（（VT1，VT3，VT5）共阳极极组—阳极极连接接在一一起的的3个个晶闸闸管（（VT4，VT6，VT2）编号：：1、3、54、6、2图2-17三三相相桥式式全控整整流电电路原原理图图1.带带电电阻负负载时时的工工作情情况a=0时的情情况假设将将电路路中的的晶闸闸管换换作二二极管管进行行分析析对于共共阴极极阻的的3个个晶闸闸管，，阳极极所接接交流流电压压值最最大的的一个个导通通对于共共阳极极组的的3个个晶闸闸管，，阴极极所接接交流流电压压值最最低（（或者者说负负得最最多））的导导通任意时时刻共共阳极极组和和共阴阴极组组中各各有1个晶晶闸管管处于于导通通状态态图2-18三三相相桥式式全控控整流流电路带带电阻阻负载载a=0时的波波形直接从线电电压波波形看看，ud为线电电压中中最大大的一一个，，因此此ud波形为为线电电压的的包络络线从相电电压波波形看看，共阴阴极组组晶闸闸管导导通时时，ud1为相电电压的的正包包络线线，共共阳极极组导导通时时，ud2为相电电压的的负包包络线线，ud=ud1-ud2是两者者的差差值，，为线线电压压在正正半周周的包包络线线表2-1三三相相桥式式全控控整流流电路路电阻阻负载载a=0时晶闸闸管工工作情情况时段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=ucub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb(1)2管同同时通通形成成供电电回路路，其其中共共阴极极组和和共阳阳极组组各1，且且不能能为同同1相相器件件(2)对对触发发脉冲冲的要要求：：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序序，相相位依依次差差60共阴极极组VT1、VT3、VT5的脉冲冲依次次差120，共阳阳极组组VT4、VT6、VT2也依次次差120同一相相的上上下两两个桥桥臂，，脉冲冲相差差180(3)ud一周期期脉动动6次次，故故该电电路为为6脉脉波整整流电电路(4)需需保证证同时时导通通的2个晶晶闸管管均有有脉冲冲可采用用两种种方法法：一一种是是宽脉脉冲触触发另一种种是双双脉冲冲触发发（常常用））(5)晶晶闸管管承受受的电电压波波形与与三相相半波波时相相同，，晶闸管管承受受最大大正、、反向向电压压的关关系也也相同同三相桥桥式全全控整整流电电路的的特点点a=30时的工工作情情况a=60时工作作情况况a=90时电阻负负载情情况下下的工工作波波形小结当a≤60时，ud波形均均连续续，对对于电电阻负负载，，id波形与与ud波形形形状一一样，，也连连续当a>60时，ud波形每每60中有一一段为为零，，ud波形不不能出出现负负值带电阻阻负载载时三三相桥桥式全全控整整流电电路a角的移移相范范围是是120a≤60时ud波形连连续，，工作作情况况与带带电阻阻负载载时十十分相相似，，各晶晶闸管管的通通断情情况、、输出出整流流电压压ud波形、、晶闸闸管承承受的的电压压波形形等都都一样样区别在在于：：由于于负载载不同同，同同样的的整流流输出出电压压加到到负载载上，，得到到的负负载电电流id波形不不同。。阻感感负载载时，，由于于电感感的作作用，，使得得负载载电流流波形形变得得平直直，当当电感感足够够大的的时候候，负负载电电流的的波形形可近近似为为一条条水平平线。。2．阻阻感负负载时时的工工作情情况图2-22三三相相桥式式全控控整流流电路带带阻感感负载载a=0时的波波形a=0图2-23三三相相桥式式全控控整流流电路带带阻感感负载载a=30时的波波形a=30a>60时阻感负负载时时的工工作情情况与与电阻阻负载载时不不同，，电阻阻负载载时ud波形不不会出出现负负的部部分，，而阻阻感负负载时时，由由于电电感L的作用用，ud波形会会出现现负的的部分分带阻感感负载载时，，三相相桥式式全控控整流流电路路的a角移相相范围围为90图2-24三三相相桥式式整流流电路路带阻感感负载载，a=90时的波波形a=903．定定量分分析当整流流输出出电压压连续续时（（即带带阻感负负载时，或或带电阻负负载a≤60时）的的平均均值为为：带电阻阻负载载且a>60时，整整流电电压平平均值值为输出电电流平平均值值为：：Id=Ud/R当整流流变压压器为为图2-17中所示示采用用星形形接法法，带带阻感感负载载时，，变压压器二二次侧侧电流流波形形如图2-23中所示示，为为正负负半周周各宽宽120、前沿沿相差差180的矩形形波，，其有有效值值为：：晶闸管管电压压、电电流等等的定定量分分析与与三相相半波波时一一致。。三相桥桥式全全控整整流电电路接接反电电势阻阻感负负载时时，在在负载载电感感足够够大足足以使使负载载电流流连续续的情情况下下，电电路工工作情情况与与电感感性负负载时时相似似，电电路中中各处处电压压、电电流波波形均均相同同，仅仅在计计算Id时有所所不同同，接接反电电势阻阻感负负载时时的Id为：式中R和E分别为为负载载中的的电阻阻值和和反电电动势势的值值。3.3变压器器漏感感对整整流电电路的的影响响考虑包包括变变压器器漏感感在内内的交流侧侧电感感的影响响，该该漏感感可用用一个个集中中的电感LB表示以三相相半波波为例例，然然后将将结论论推广广VT1换相至至VT2的过程程：因a、b两相均均有漏漏感，，故ia、ib均不能能突变变，于于是VT1和VT2同时导导通，，相当当于将将a、b两相短短路，，在两两相组组成的的回路路中产产生环环流ik。ik=ib是逐渐渐增大大的，，而ia=Id-ik是逐渐渐减小小的。。当ik增大到到等于于Id时，ia=0，，VT1关断,换流流过程程结束束。图2-25考虑变变压器器漏感感时的的三相半半波可可控整整流电电路及及波形形换相重重叠角角——换换相过过程持持续的的时间间，用用电角角度g表示换相过过程中中，整整流电电压ud为同时时导通通的两两个晶晶闸管管所对对应的的两个相相电压压的平平均值值换相压压降———与与不考考虑漏漏感时时相比比，ud平均值值降低低的多多少换相重重叠角角g的计算算由上式式得进而得得出：：当时,g随其它它参数数变化化的规规律：：（1））Id越大则则g越大；；（2））XB越大g越大；；（3））当当a≤90时，越小g越大。。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①②表2-2各种整整流电电路换换相压压降和和换相相重叠叠角的的计算算变压器器漏抗抗对各各种整整流电电路的的影响响注：①①单相相全控控桥电电路中中，环环流ik是从-Id变为Id。本表所所列通通用公公式不不适用用；②三相桥桥等效效为相相电压压等于于的的6脉波整整流电电路，，故其其m=6，，相电压压按代代入。。变压器器漏感感对整整流电电路影影响的的一些些结论论（1））出出现换换相重重叠角角g，整流输输出电电压平平均值值Ud降低。。（2））整整流流电路路的工工作状状态增增多（3））晶晶闸闸管的的di/dt减小，，有利利于晶晶闸管管的安安全开开通。。有时人人为串串入进进线电电抗器器以抑抑制晶晶闸管管的di/dt。（4））换相时时晶闸闸管电电压出出现缺缺口，，产生生正的的du/dt，可能使晶晶闸管管误导导通，，为此此必须须加吸吸收电电路。。（5））换相使使电网网电压压出现现缺口口，成成为干干扰源源。许多电电力电电子装装置要要消耗耗无功功功率率，会会对公公用电电网带带来不不利影影响：：电力电电子装装置还还会产产生谐谐波，，对公公用电电网产产生危危害，，包括括：许多国国家都都发布布了限限制电电网谐谐波的的国家家标准准，或或由权权威机机构制制定限限制谐谐波的的规定定。国国家标标准（（GB/T14549-93）《电能质质量公用电电网谐谐波》》从1994年3月1日起开开始实实施。。3.5整流电电路的的谐波波和功功率因因数3.5.1谐波和和无功功功率率分析析基础础1.谐波满足狄狄里赫赫利条条件，，可分分解为为傅里里叶级级数基波（（fundamental）——在傅里里叶级级数中中，频频率与与工频频相同同的分分量谐波——频率为为基波波频率率大于于1整数倍倍的分分量谐波次次数——谐波频频率和和基波波频率率的整整数比比n次谐波波电流流含有有率以以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示电流谐谐波总总畸变变率THDi（TotalHarmonicdistortion）定义为为Ih总谐波波电流流有效效值2.功率因因数正弦电电路中中的情情况:电路的的有功功功率率就是是其平平均功功率：视在功功率为为电压压、电电流有有效值值的乘乘积，，即S=UI无功功功率定定义为为：Q=UIsinj功率因因数l定义为为有功功功率率P和视在在功率率S的比值值：此时无无功功功率Q与有功功功率率P、视在功功率S之间有有如下下关系系：功率因因数是是由电电压和和电流流的相相位差差j决定的的：l=cosj非正正弦弦电电路路中中的的情情况况有功功功功率率、、视视在在功功率率、、功功率率因因数数的的定定义义均均和和正正弦弦电电路路相相同同公用用电电网网中中，，通通常常电电压压的的波波形形畸畸变变很很小小，，而而电电流流波波形形的的畸畸变变可可能能很很大大。。因因此此，，不不考考虑虑电电压压畸畸变变，，研研究究电电压压波波形形为为正正弦弦波波、、电电流流波波形形为为非非正正弦弦波波的的情情况况有有很很大大的的实实际际意意义义。。设正正弦弦波波电电压压有有效效值值为为U，畸变变电电流流有有效效值值为为I，基波波电电流流有有效效值值及及与与电电压压的的相相位位差差分分别别为为I1和j1。这时时有有功功功功率率为为：：P=UI1cosj1功率率因因数数为为：：非正正弦弦电电路路的的无无功功功功率率定义义很很多多，，但但尚尚无无被被广广泛泛接接受受的的科科学学而而权权威威的的定定义义一种种简简单单的的定定义义是是仿仿照照式式（（）给给出出的的：：这样样定定义义的的无无功功功功率率Q反映映了了能能量量的的流流动动和和交交换换，，目目前前被被较较广广泛泛的的接接受受，，但但该该定定义义对对无无功功功功率率的的描描述述很很粗粗糙糙。。基波波因因数数———n=I1/I，即基基波波电电流流有有效效值值和和总总电电流流有有效效值值之之比比位移移因因数数（（基基波波功功率率因因数数））———cosj1也可可仿仿照照式式（（Q=UIsinj）定定义义无无功功功功率率，，采采用用符符号号Qf，忽略略电电压压中中的的谐谐波波时时有有：：Qf=UI1sinj1在非非正正弦弦情情况况下下，，，，因因此此引引入入畸畸变变功功率率D，使得得：：比较较可可得得：：忽略略电电压压谐谐波波时时这种种情情况况下下，，Qf为由由基基波波电电流流所所产产生生的的无无功功功功率率，，D是谐谐波波电电流流产产生生的的无无功功功功率率。。3.5.2带阻阻感感负负载载时时可可控控整整流流电电路路交交流流侧侧谐谐波波和和功功率率因因数数分分析析1.单相相桥桥式式全全控控整整流流电电路路忽略略换换相相过过程程和和电电流流脉脉动动，，带带阻阻感感负负载载，，直直流流电电感感L为足足够够大大变压压器器二二次次侧侧电电流流谐谐波波分分析析：：n=1,3,5,……电流流中中仅仅含含奇奇次次谐谐波波各次次谐谐波波有有效效值值与与谐谐波波次次数数成成反反比比，，且且与与基基波波有有效效值值的的比比值值为为谐谐波波次次数数的的倒倒数数功率率因因数数计计算算基波波电电流流有有效效值值为为i2的有有效效值值I=Id基波波因因数数为为电流流基基波波与与电电压压的的相相位位差差就就等等于于控控制制角角，故位位移移因因数数为为所以以，，功功率率因因数数为为2.三相相桥桥式式全全控控整整流流电电路路阻感感负负载载，，忽忽略略换换相相过过程程和和电电流流脉脉动动，，直直流流电电感感L为足足够够大大以=30为例例，，交交流流侧侧电电压压和和电电流流波波形形如如图图2-20中中的的ua和ia波形形所所示示。。此此时时，，电电流流为为正正负负半半周周各各120的方方波波，，其其有有效效值值与与直直流流电电流流的的关关系系为为变压压器器二二次次侧侧电电流流谐谐波波分分析析：：电流流基基波波和和各各次次谐谐波波有有效效值值分分别别为为电流流中中仅仅含含6k1(k为正正整整数数)次次谐谐波波各次次谐谐波波有有效效值值与与谐谐波波次次数数成成反反比比，，且且与与基基波波有有效效值值的的比比值值为为谐谐波波次次数数的的倒倒数数功率率因因数数计计算算基波波因因数数为为电流流基基波波与与电电压压的的相相位位差差仍仍为为，故位位移移因因数数仍仍为为功率率因因数数为为3.5.4整流流输输出出电电压压和和电电流流的的谐谐波波分分析析整流流电电路路的的输输出出电电压压中中主主要要成成分分为为直直流流，，同同时时包包含含各各种种频频率率的的谐谐波波，，这这些些谐谐波波对对于于负负载载的的工工作作是是不不利利的的=0时，，m脉波波整整流流电电路路的的整整流流电电压压和和整整流流电电流流的的谐谐波波分分析析将纵纵坐坐标标选选在在整整流流电电压压的的峰峰值值处处，，则则在在-p/m~p/m区间间，，整整流流电电压压的的表表达达式式为为：：式中中，，k=1，，2，，3……；；且：：对该该整整流流输输出出电电压压进进行行傅傅里里叶叶级级数数分分解解，，得得出出：：为了了描描述述整整流流电电压压ud0中所所含含谐谐波波的的总总体体情情况况，，定定义义电压压纹纹波波因因数数为ud0中谐谐波波分分量量有有效效值值UR与整整流流电电压压平平均均值值Ud0之比比：：其中中U为整整流流电电压压有有效效值值m23612∞gu（%）48.218.274.180.9940表2-3给出出了了不不同同脉脉波波数数m时的的电电压压纹纹波波因因数数值值负载载电电流流的的傅傅里里叶叶级级数数可可由由整整流流电电压压的的傅傅里里叶叶级级数数求求得得：：当负负载载为为R、、L和反反电电动动势势E串联联时时，，上上式式中中：：n次谐谐波波电电流流的的幅幅值值dn为：：n次谐谐波波电电流流的的滞滞后后角角为为：：=0时整流电压压、电流中中的谐波有有如下规律律：（1）m脉波整流电电压ud0的谐波次数数为mk（k=1，2，，3...）次，即m的倍数次；；整流电流流的谐波由由整流电压压的谐波决定定，也为mk次；（2）当m一定时，随随谐波次数数增大，谐谐波幅值迅迅速减小，表明最最低次（m次）谐波是是最主要的的，其它次数的谐波波相对较少少；当负载载中有电感感时，负载载电流谐波幅幅值dn的减小更为为迅速；（3）m增加时，最最低次谐波波次数增大大，且幅值值迅速减小，电压纹纹波因数迅迅速下降。。不为0时的情况：：m波整流电压压谐波的一一般表达式式十分复杂杂，下面给给出三相桥桥式整流电电路的结果果，说明谐谐波电压与与角的关系以n为参变量，，n次谐波幅值值（取标幺幺值）对的关系如右右图所示当从0~90变化时，ud的谐波幅值值随增大而增大大=90时谐波幅值值最大从90~180之间电路工工作于有源源逆变工作作状态，ud的谐波幅值值随增大而减小小3.6大功率可控控整流电路路3.6.1带平衡电抗抗器的双反反星形可控控整流电路路绕组的极性性相反的目目的：消除直流磁磁通势如图可知，，虽然两组组相电流的的瞬时值不不同，但是是平均电流相相等而绕组的极性性相反，所以直流流安匝互相相抵消。图2-36双反星形电电路，=0时两组整流流电压、电电流波形twwtud1uaubuciaud2ia'uc'ua'ub'uc'OwtOOwtOId12Id16Id12Id163.6.1带平衡电抗抗器的双反反星形可控控整流电路路接平衡电抗抗器的原因因：当电压平均均值和瞬时时值均相等等时，才能能使负载均流。两组整流电电压平均值相等等，但瞬时值不等等。两个星形的的中点n1和n2间的电压等等于ud1和ud2之差。该电电压加在Lp上，产生电电流ip，它通过两两组星形自自成回路，，不流到负负载中去，，称为环流或平衡电流。为了使两组组电流尽可可能平均分配，一般使Lp值足够大，，以便限制制环流在负负载额定电电流的1%～2%以内。3.6.1带平衡电抗抗器的双反反星形可控控整流电路路双反星形电电路中如不不接平衡电电抗器，即即成为六相相半波整流流电路：只能有一个个晶闸管导导电，其余余五管均阻阻断，每管管最大导通通角为60o，平均电流流为Id/6。当α=0o时，Ud为1.35U2，比三相半半波时的1.17U2略大些。因晶闸管导导电时间短短，变压器器利用率低低，极少采采用。平衡电抗器器的作用：：使得两组三三相半波整整流电路同同时导电。。对平衡电抗抗器作用的的理解是掌掌握双反星星形电路原原理的关键键。3.6.1带平衡电抗抗器的双反反星形可控控整流电路路平衡电抗器器使得两组组三相半波波整流电路路同时导电电的原理分分析：图2-37平衡电抗器器作用下输输出电压的的波形和平平衡电抗器器上电压的的波形图2-38平衡电抗器器作用下两个晶闸管管同时导电电的情况平衡电抗器Lp承担了n1、n2间的电位差差，它补偿偿了ub′和ua的电动势差差，使得ub′和ua两相的晶闸闸管能同时时导电。（2-97）（2-98）

时，ub′>ua，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：upud1,ud2OO60°360°t1ttb)a)uaubucuc'ua'ub'ub'3.6.1带平衡电抗抗器的双反反星形可控控整流电路路原理分析(续)：图2-37平衡电抗器器作用下输输出电压的的波形和平平衡电抗器器上电压的的波形图2-38平衡电抗器器作用下两个晶闸管管同时导电电的情况虽然，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′<ua

，则流经ub′相的电流要减小，但Lp有阻止此电流减小的作用，up的极性反向，Lp仍起平衡的作用，使VT6继续导电。

直到uc′>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。upud1,ud2OO60°360°t1ttb)a)uaubucuc'ua'ub'ub'3.6.1带平衡电抗抗器的双反反星形可控控整流电路路由上述分析析以可得：：图2-37平衡电抗器器作用下输输出电压的的波形和平平衡电抗器器上电压的的波形平衡电抗器器中点作为为整流电压压输出的负负端，其输输出的整流流电压瞬时时值为两组组三相半波波整流电压压瞬时值的的平均值。。波形如图图2-37a。（2-98）谐波分析分析详见P75-P76。ud中的谐波分分量比直流流分量要小小得多，且且最低次谐谐波为六次次谐波。直流平均电电压为：u,uupd1d2OO60°360°t1ttb)a)uaubucuc'ua'ub'ub'3.6.1带平衡电抗抗器的双反反星形可控控整流电路路=30、=60和=90时输出电压压的波形分分析图2-39当=30、60、90时，双反星星形电路的的输出电压压波形分析输出波波形时，可可先求出ud1和ud2波形，然后后根据式（（2-98）做出波形形(ud1+ud2)/2。输出电压波波形与三相相半波电路路比较，脉脉动程度减减小了，脉动频率加加大一倍，f=300Hz。电感负载情况下，移移相范围是是90。电阻负载情况下，移移相范围为为120。。90=a。60=a。30=audududwtOwtOwtOuaubucuc'ua'ub'ubucuc'ua'ub'ubucuc'ua'ub'3.6.1带平衡电抗抗器的双反反星形可控控整流电路路整流电压平平均值与三三相半波整整流电路的的相等，为为:Ud=1.17U2cos将双反星形形电路与三三相桥式电电路进行比比较可得出出以下结论论：三相桥为两两组三相半半波串联，而双反星星形为两组组三相半波波并联，且后者需需用平衡电电抗器。当U2相等时，双双反星形的的Ud是三相桥的的1/2，而Id是单相桥的的2倍。两种电路中中，晶闸管管的导通及及触发脉冲冲的分配关关系一样，，ud和id的波形形状一一样。3.6.2多重化整流流电路概述：整流装置功功率进一步步加大时，，所产生的的谐波、无无功功率等等对电网的的干扰也随随之加大，，为减轻干干扰，可采采用多重化化整流电路路。原理：按照一定的的规律将两两个或更多多的相同结结构的整流流电路进进行组合得得到。目标：移项多重联联结减少交流侧侧输入电流流谐波，串联多重整整流电路采用顺序控制可提高功率率因数。3.6.2多重化整流流电路1)移相多重联联结图2-40并联多重联联结的12脉波整流电电路有并联多重联联结和串联多重联联结。可减少输入入电流谐波波，减小输输出电压中中的谐波并并提高纹波波频率，因因而可减小小平波电抗抗器。使用平衡电抗器器来平衡2组整流器的的电流。2个三相桥并并联而成的的12脉波整流电电路。3.6.2多重化整流流电路移相30构成的串联联2重联结电路路图2-41移相30串联2重联结电路路图2-42移相30串联2重联结电路路电流波形形整流变压器器二次绕组组分别采用用星形和三三角形接法法构成相位位相差30、大小相等等的两组电电压。该电路为12脉波整流电电路。星形三角形0a)b)c)d)ia1Id180°360°ia2iab2'iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+

)Id323(1+)Id33Id133.6.2多重化整流流电路iA基波幅值Im1和n次谐波幅值值Imn分别如下：：（2-103）（2-104）即输入电流流谐波次数数为12k±1，其幅值与与次数成反反比而降低低。该电路的其其他特性如如下：直流输出电电压位移因数cosj1=cosa（单桥时相相同）功率因数l=ncosj1=0.9886cosa3.6.2多重化整流流电路利用变压器器二次绕阻阻接法的不不同，互相相错开20，可将将三组组桥构构成串串联3重联结结电路路：整流变变压器器采用用星形形三角角形组组合无无法移移相20，需采采用曲折接接法。整流电电压ud在每个个电源源周期期内脉脉动18次，故故此电电路为为18脉波整整流电电路。交流侧侧输入入电流流谐波波更少少，为为18k±1次（k=1,2,3……），ud的脉动动也更更小。。输入位位移因因数和和功率率因数数分别别为：：cosj1=cosa=0.9949cosa3.6.2多重化化整流流电路路将整流流变压压器的的二次次绕组组移相相15，可构构成串串联4重联结结电路路：为24脉波整整流电电路。其交流流侧输输入电电流谐谐波次次为24k±1，k=1，2，3…。输入位位移因因数功功率因因数分分别为为：cosj1=cosa=0.9971cosa采用多多重联联结的的方法法并不不能提提高位位移因因数，，但可可使输输入电电流谐谐波大大幅减减小，，从而而也可可以在在一定定程度度上提提高功功率因因数。。3.6.2多重化化整流流电路路2)多重联联结电电路的的顺序序控制制只对一一个桥桥的角进行行控制制，其余余各桥桥的工工作状状态则则根据据需要要输出出的整整流电电压而而定。。或者不不工作作而使使该桥桥输出出直流流电压压为零零。或者=0而使该该桥输输出电电压最最大。。根据所所需总总直流流输出出电压压从低到到高的变化化，按按顺序序依次次对各各桥进进行控控制，，因而而被称称为顺序控控制。不能降降低输输入电电流谐谐波，，但是是总功率率因数数可以以提高高。我国电电气机机车的的整流流器大大多为为这种种方式式。2.6.2多重化化整流流电路路3重晶闸闸管整整流桥桥顺序序控制制图2-43单相串联联3重联结电电路及顺顺序控制制时的波波形控制过程程可详见见教材P78。从电流i的波形可可以看出出，虽然然波形并并为改善善，但其其基波分分量比电电压的滞滞后少，，因而位移因数数高，从而提高了总总的功率率因数。a)db)c)iId2IduOap+a3.7整流电路路的有源源逆变工工作状态态2.7.1逆逆变的概概念1.什么是逆逆变？为为什么要要逆变？？逆变（invertion）—把直流电电转变成成交流电电，整流流的逆过过程例：电力力机车下下坡行驶驶,卷卷扬机下下降过程程等逆变电路路—把直流电电逆变成成交流电电的电路路有源逆变变电路——交流侧和和电网连连结应用：直直流可逆逆调速系系统、交交流绕线线转子异异步电动动机串级级调速以以及高压压直流输输电等对于可控控整流电电路，满满足一定定条件就就可工作作于有源源逆变。。既工作作在整流流状态又又工作在在逆变状状态，称称为变流流电路无源逆变变——变流电路路的交流流侧不与与电网联联接，而而直接接接到负载载图2-44b回馈制动动状态，，M作发电运运转，此此时，EM>EG，电流反向向，从M流向G故M输出电功功率，G则吸收电电功率，，M轴上输入入的机械械能转变变为电能能反送给给G图2-44c两电动势势顺向串串联，向向电阻R供电，G和M均输出功功率，由由于R一般都很很小，实实际上形形成短路路，在工工作中必必须严防防这类事事故发生生2.直流发电电机—电动机系系统电能能的流转转图2-44aM电动运转转,EG>EM,电流Id从G流向M，M吸收电功功率3.逆逆变产产生的条条件单相全波波电路代代替上述述发电机机M电动运行行，全波波电路工工作在整整流状态态,在0~/2间，Ud为正值,并且且Ud>EM，才能输出出Id交流电网网输出电电功率电动机则则输入电电功率M回馈制动动，由于于晶闸管管的单向向导电性性，Id方向不变变，欲改改变电能能的输送送方向，，只能改改变EM极性。为为了防止止两电动动势顺向向串联，，Ud极性也必必须反过过来，即即Ud应为负值值，且|EM|>|Ud|，才能把电电能从直直流侧送送到交流流侧,实实现逆变变电能的流流向与整整流时相相反,M输出电功功率,电电网吸收收电功率率Ud可通过改改变来进行调调节，逆逆变状态态时Ud为负值，，逆变时时在/2~间半控桥或或有续流流二极管管的电路路，因其其整流电电压ud不能出现现负值，，也不允允许直流流侧出现现负极性性的电动动势，故故不能实实现有源源逆变。。欲实现现有源逆逆变，只只能采用用全控电电路。产生逆变变的条件件有二（1）有有直流电电动势，，其极性性和晶闸闸管导通通方向一一致，其其值大于于变流器器直流侧侧平均电电压（2）晶晶闸管的的控制角角>/2，使Ud为负值3.7.2三相桥整整流电路路的有源源逆变工工作状态态逆变和整整流的区区别：控控制角不同0<<p/2时，电路路工作在在整流状状态p/2<<p时，电电路工作作在逆变变状态可沿用整整流的办办法来处处理逆变变时有关关波形与与参数计计算等问问题把a>p/2时的控制制角用p-a=b表示，b称为逆变角而逆变角角b和控制角角a的计量方方向相反反，其大大小自b=0的起始点点向左方方计量三相桥式式电路工工作于有有源逆变变状态时时波形如如图2-46所示有源逆变变状态时时各电量量的计算算：Ud=-2.34U2cosb=-1.35U2Lcosb直流电压压:输出直流流电流:从交流电电源送到到直流侧侧负载的的有功功功率为Pd=RId2+EMId晶闸管的的电流:有效值为为:平均值:变压器二二次侧线线电流的的有效值值:3.7.3逆变失败败与最小小逆变角角的限制制（1）触触发电路路工作不不可靠，，不能适适时、准准确地给给各晶闸闸管分配配脉冲，，如脉冲冲丢失、、脉冲延延时等，，致使晶晶闸管不不能正常常换相（2）晶晶闸管发发生故障障，该断断时不断断，或该该通时不不通（3）交交流电源源缺相或或突然消消失.（4）换换相的裕裕量角不不足,引引起换换相失败败逆变失败败（逆变变颠覆））——逆变时，，一旦换换相失败败，外接接直流电电源就会会通过晶晶闸管电电路短路路，或使使变流器器的输出出平均电电压和直直流电动动势变成成顺向串串联，形形成很大大短路电电流1.逆变失败败的原因因换相重叠叠角的影影响当b>g时，换相