电力电子技术（第2版） 第5章 整流电路

第5章整流电路

5.1概述5.2相控式单相可控整流电路5.3相控式三相可控整流电路5.4相控式整流电路的谐波和功率因数及其改善方法5.5交流侧电感对整流电路的影响5.6相控式整流电路工作在有源逆变状态5.7整流电路的应用

整流电路·引言■整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。

■应用：

◆直流电动机◆电镀、电解电源◆蓄电池充电、通信系统电源等3/1315.1概述5.1.1整流电路的分类

◆(1)按使用的电力电子器件类型来分类1）不可控整流电路：它是指整流电路中使用的电力电子器件完全为不可控器件（如电力二极管）。

特点：当输入端交流电压的值为定值时，输出的直流电压的值为定值，不可改变。2）可控整流电路：它是指整流电路中使用了可控型电力电子器件（如晶闸管、GTO、IGBT等）。

特点：当输入端交流电压的值为定值时，输出的直流电压的值可以调节。

①半控整流电路中既有可控器件又有不可控器件

②全控整流电路中全部器件都可控4/1315.1概述5.1.1整流电路的分类◆(2)按输入电源相数分类1）输入的交流电源的是单相电时，称为单相整流电路。2）输入的交流电源的是三相电时，称为三相整流电路。3）输入端电源由多相电（如十二相、二十四相等）供电，称为多相整流电路。◆(3)按主电路的结构特点分类1）桥式整流电路。2）零式整流电路。◆(4)按控制方式的不同分类1）相控方式整流电路。2）脉冲宽度调制（PWM）整流电路。5/1315.1.2整流电路的性能指标

基本要求：输出的直流电压的稳定和可控；

输出直流侧电压的纹波都限制在允许范围内；

输入交流侧电流的谐波限制在允许范围内，即功率因数尽可能高。(1)功率因数（Powerfactor）

对于非正弦电路（电压为正弦波，电流为非正弦波）有功功率P与视在功率S之比功率因数，即U为正弦波电压有效值，I为非正弦波总电流有效值，I1为基波电流有效值；1为基波电流与电压的相位差；cos1称为位移因数或基波功率因数。6/131基波因数定义为

THD为电流总谐波畸系数

上式表明：功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定。7/131(2)电压纹波系数RF（RippleFactor）

整流电路输出直流电压是脉动的，除了有主要的直流成分外，还包含有交流谐波成分。定义为电压的纹波系数为

式中，

为脉动的电压中直流平均值；UR为脉动的电压中除了直流成分以外的所有交流谐波电压的有效值，也可表示为

U为脉动的电压总有效值5.2相控式单相可控整流电路

5.2.1相控式整流电路的基本概念

5.2.2相控式单相全控桥整流电路

5.2.3相控式单相半控桥整流电路

■带电阻负载的工作情况

◆变压器T起变换电压和电气隔离的作用。

◆电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。

◆由于输出电压ud只在电源u2的正半周出现，故该电路称为半波整流电路，又由于ud波形在一个周期中只脉动一次，因此称为单脉波整流电路。

5.2.1相控式整流电路的基本概念(2)整流电路的常用术语★触发角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到被触发导通之间的电角度,称为触发角，又称触发延迟角或控制角。★导通角：晶闸管在一个周期中处于导通的电角度，称为导通角★移相：改变触发角的大小，即改变晶闸管触发脉冲出现的相位，称为移相。★移相控制：通过改变触发角的大小，从而调节整流电路输出电压的大小的控制方式称为移相控制。★移相范围：触发角的允许调节范围。移相范围和整流电路的结构、负载性质有关。

☞随着增大，Ud减小，该电路中VT的移相范围为0~180。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。

★自然换相点：当整流电路中的可控元件全部由不可控元件（电力二极管）替代时，各元件开始导通的时刻点，称为自然换相点。

自然换相点是晶闸管可能导通的最早时刻，也可以说是触发角α的起点位置，即此时α=0°。整流电路的结构不同，自然换相点也可能不同。基本数量关系直流输出电压平均值为uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++■带阻感负载的工作情况

◆阻感负载的特点是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。

◆电路分析☞晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。

☞在t1时刻，即触发角处

√ud=u2。√L的存在使id不能突变，id从0开始增加。☞u2由正变负的过零点处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。

☞t2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。

☞由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。

5.2.2相控式单相全控桥整流电路■带电阻负载的工作情况

◆电路分析

☞在u2正半周（即a点电位高于b点电位）

处VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。

☞当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。

☞在u2负半周，处VT2和VT3导通，电流从电源b端经VT3、R、VT2流回电源a端。

☞到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。

全波整流电路◆基本数量关系

☞晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为和。

☞整流电压平均值为：

α=0时，Ud=Ud0=0.9U2。α=180时，Ud=0。可见，α角的移相范围为0~

180。

☞向负载输出的直流电流平均值为：

u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4☞流过晶闸管的电流平均值：

☞流过晶闸管的电流有效值为：☞变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为可见：☞不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4■带阻感负载的工作情况

◆电路分析☞在u2正半周期

处VT1和VT4开通，ud=u2。

☞u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。☞t=+时刻，VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断。

◆基本数量关系

☞整流电压平均值为：

当=0时，Ud0=0.9U2。=90时，

Ud=0。晶闸管移相范围为0~90。☞晶闸管承受的最大正反向电压均为。☞晶闸管导通角与无关，均为180，其电流平均值和有效值分别为：

2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u■带反电动势负载时的工作情况

◆负载为蓄电池、直流电动机的电枢等

◆电路分析☞|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。

☞晶闸管导通之后，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。

☞当<时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。☞触发脉冲有足够的宽度，保证当t=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。

◆电流断续

☞id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。

☞负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性较差。b)idOEudwtIdOwtaqdtwwOud0Eidtpdaq=p☞为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减小电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。☞电感量足够大使电流连续，晶闸管每次导通180，这时整流电压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。例5.1

如图5.5所示的单相全控桥整流电路，其中电阻R=1Ω

，变压器二次侧电压有效值U2=110V，反向电动势

E=19.5V，电感量wL》R

。当α=60°时，

①画出输出电压ud、输出电流id

、流过晶闸管电流iVT1、变压器二次侧电流

i2的波形图；

②求输出电压、电流的平均值，变压器二次侧电流有效值；

③试确定该电路应选取的晶闸管元件的额定电压和额定电流。

④整流装置电源侧的功率因数。21/131应用时按照流过器件实际波形电流与工频正弦半波平均电流热效应相等（即有效值相等）的原则来选取器件的额定电流，并留有裕量。■附加例：单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当=30时，要求：①作出ud、id和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①ud、id和i2的波形如图3-9：

②整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为

Ud＝0.9U2cos＝0.9×100×cos30°＝77.97(V)

Id

＝(Ud－E)/R＝(77.97－60)/2＝9(A)

I2＝Id＝9(A)③晶闸管承受的最大反向电压为：

U2＝100＝141.4（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：

IVT＝Id∕＝6.36（A）故晶闸管的额定电压为：

UN＝(2~3)×141.4＝283~424（V）晶闸管的额定电流为：

IN＝(1.5~2)×6.36∕1.57＝6~8（A）晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。5.2.3相控式单相半控桥整流电路5.2.3相控式单相半控桥整流电路(1)带电阻负载的工作情况该电路与带电阻负载的全控桥电路的工作情况相同◆电路分析☞在正半周时，VT1和VD4承受正向电压，VT1得到触发信号时，VT1和VD4导通。☞当过零时，VT1关断，导通的电流回路被关断☞在负半周时，VT3和VD2承受正向电压，VT3得到触发信号，VT3和VD2导通。☞当过零时，VT3关断，导通的电流回路被关断。

u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,45.2.3相控式单相半控桥整流电路(2)带阻感负载的工作情况1）能自然续流的电路工作原理分析☞电力二极管只要承受正向电压就可以导通，而晶闸管不仅要承受正向电压而且要有触发信号才能导通。5.2.3相控式单相半控桥整流电路(2)带阻感负载的工作情况1）能自然续流的电路工作原理分析☞在实际运行时，当触发脉冲突然丢失（或α突然增大到180），正在导通的晶闸管将一直导通，而另外两个二极管轮流导通。称此现象为失控。

☞例如wt=2π之后，突然切断触发脉冲，就产生了VT3一直导通，VD4和VD2两个二极管轮流导通，那么失控之后电路的输出电压为完整的正弦半波.◆续流二极管VDR

为了避免出现上述的失控现象，一般在半控桥整流电路的负载两端并联续流二极管。晶闸管的电流平均值和有效值分别为VD4和VD2的电流平均值和有效值分别与晶闸管值相同。

续流二极管VD的电流平均值和有效值为晶闸管和电力二极管承受的最大电压均为u2的峰值电压。整流输出电压平均值输出电流平均值■(3)单相半控桥的其他接法

◆相当于把左图中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4◆

优点是两个串联的二极管除了起到整流作用外，还起到了续流二极管的作用，避免了出现失控现象，从而省去了一个续流二极管。◆缺点是两个晶闸管这样连接就没有公共阴极，二个晶闸管的触发脉冲必须彼此隔离。■(3)单相半控桥的其他接法

晶闸管的导通角为π-α

，但电力二极管的导通角增大为π+α5.3相控式三相可控整流电路5.3.1相控式三相半波可控整流电路

5.3.2相控式三相全控桥整流电路5.3.3带平衡电抗器的双反星型相控整流电路引言■其交流侧由三相电源供电。

■当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时，应采用三相整流电路。■最基本的是三相半波可控整流电路。■应用最为广泛的三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等。

三相交流电三相交流电是由三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°角的交流电路组成的电力系统。

120º30º150ºu2uaubucY(星)形联接N中点或零点N火线中线(零线)火线火线线电压相电压目前，我国供电系统线电压380V，相电压220V。

三相四线制

Δ形联接

三相绕组依次首尾相联，引出三条线，称为三角形联接。5.3.1相控式三相半波可控整流电路电路的特点：变压器一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网，而二次侧接成星形得到零线（三相电压）。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起——共阴极接法。1)电阻负载VT1、VT2、VT3共阴极接法思考：如何把交流变为直流ωt1ωt2ωt3ωt4udωt假设将晶闸管换作电力二极管（分别采用VD1、VD2、VD3表示）

工作分析基础：三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相所对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压。自然换相点：电流由一个二极管向另一个二极管转移。自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为各晶闸管触发角a的起点，即a=0。1)电路分析基础ωt1ωt2ωt3ωt4ωtu2uaubuc该电路自然换相点：相电压在正半周上的交点ωt1ωt2ωt3ωt4ωtu2ωt1ωt2ωt3ωt4ωtudωt1ωt2ωt3ωt4ωtiVT1ωt1ωt2ωt3ωt4ωtuVT1uabuacα=0ωtug(2)带电阻负载的工作情况uaubuc=0时的波形分析如图

√三个晶闸管轮流导通120

，ud波形为三个相电压。

√晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成，随着增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。√变压器直流磁化问题42/131☞=0

动画演示43/131☞=30

√负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120。动画演示wwttwtwta=60°u2uaubucOOOOuGudiVT1三相半波可控整流电路，电阻负载，=60时的波形☞>30

√当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，此时输出电压电流为零。

√负载电流断续，各晶闸管导通角小于120。

45/131☞=75

◆基本数量关系☞电阻负载时角的移相范围为0~

150。

☞整流电压平均值

√≤30时，负载电流连续，有

当=0时，Ud最大，为Ud=Ud0=1.17U2。

√>30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有

☞负载电流平均值为☞晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值,即

☞晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于变压器二次相电压的峰值，即

☞晶闸管电流平均值为■阻感负载

◆电路分析

☞L值很大，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。

☞≤30时，整流电压波形与电阻负载时相同。

☞＞30时，当u2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。

动画演示◆基本数量关系

☞的移相范围为0~90。

☞变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为

☞晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即

☞整流电压平均值(3)共阳极接法的相控式三相半波可控整流电路共阳极接法电路中，三相电压瞬时值最低者所对应的晶闸管承受正向电压，该电路自然换相点就是相电压在的负半周上的交点。51/131和共阴极接法相比，共阳极接法整流电路由于晶闸管没有公共阴极，因此三个晶闸管的触发电路的输出端必须彼此隔离。但螺栓型晶闸管的散热器是与阳极安装在一起的，因此三个晶闸管可以不经过绝缘而共用一块大散热器，使装置结构简化。相控式三相半波可控整流电路的优缺点：

优点：只有三个晶闸管，线路和接线简单、成本低。

缺点：变压器二次侧绕组中的电流只有一个方向，它的直流分量造成直流磁化问题，为使铁芯不饱和，必须要增大铁芯截面，变压器容量不能充分利用，因此其应用较少。52/1315.3.2相控式三相全控桥整流电路三相桥式全控整流电路原理图（VT1,VT3,VT5）共阴极组（VT4,VT6,VT2）共阳极组晶闸管的导通顺序VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6共阴极组：阳极电压最高者导通共阳极组：阴极电压最低者导通5.3.2相控式三相全控桥整流电路■带电阻负载时的工作情况

◆电路分析☞各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。☞=0时，ud为线电压在正半周的包络线。波形见图5.21

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=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb表5.1三相桥式全控整流电路电阻负载晶闸管工作情况5.3.2相控式三相全控桥整流电路◆三相全控桥整流电路的一些特点

☞整流输出电压ud一周期脉动6次，

每次脉动的波形都一样，故该

电路为6脉波整流电路。☞变压器二次绕组中的电流方向

有正有负，不存在直流磁化问题。

☞每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。

☞对触发脉冲的要求

√6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3

-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60

。√共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依

次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2

也依次差120

。√同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180

。☞在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲

√宽脉冲触发：使脉冲宽度大于60（一般取80~100）

√双脉冲触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为20~30

。√常用的是双脉冲触发。57/131√=30时，晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30，ud平均值降低，波形见图5.23。

√=60时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。=60时ud出现了为零的点，波形见图5.24。☞当≤60时√ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。☞当>60时

√因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值。

√=90时的波形见图5.25。

■基本数量关系

◆带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是0~

120。◆整流输出电压平均值

☞≤60时

☞带电阻负载且>60时

(5.33)5.34)■阻感负载时的工作情况

◆电路分析

☞当≤60时

√ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。

√区别在于电流，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的波形在导通段都可近似为一条水平线。

√=0时的波形见图5.26，

=30时的波形见图。

☞当>60时√由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。

√=90时的波形见图5.27。

■基本数量关系

◆带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为0~

90。◆整流输出电压平均值

◆输出电流平均值为Id=Ud/R。◆晶闸管电流平均值、有效值为◆晶闸管承受的最大正反向电压均为线电压峰值◆变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为：(3)带反电动势负载的工作情况

为了保证电流连续，通常在负载回路串联一个平波电抗器，且62/131例5.2

如图5.28所示的三相全控桥整流电路，其中电阻R=10Ω

，变压器二次侧电压有效值U2=220V，反向电动势

E=100V，电感量wL》R

。当α=60°时，

①画出输出电压ud、输出电流id

、流过晶闸管电流iVT1、变压器二次侧电流

ia的波形图；

②求输出电压、电流的平均值，变压器二次侧电流有效值；

③试确定该电路应选取的晶闸管元件的额定电压和额定电流。

④整流装置电源侧的功率因数。63/131解：①波形图如图5.29所示64/13165/1315.3.3带平衡电抗器的双反星形相控整流电路■适用于低电压、大电流的场合（电解电镀）。■电路分析

◆电路结构的特点

☞二次侧为两组匝数相同极性相反的绕组，分别接成两组三相半波电路（并联）。

☞二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。

带平衡电抗器的双反星形可控整流电路

双反星形电路，

=0时两组整流电压、电流波形

√双反星形电路中如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路。

√两组相电压互差180°，相电流互差180°，消除铁心直流磁化。

√六相半波整流电路中，只能有一个晶闸管导电，其余五管均阻断，每管最大导通角为60

，平均电流为Id/6；因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，极少采用。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路◆平衡电抗器（使两组整流桥输出到负载的电压达到平衡，正负两组同时导电）

☞接平衡电抗器的原因

√两个直流电源并联运行时，只有当电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流，在双反星形电路中，两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等。

√两个星形的中点n1和n2间的电压等于ud1和ud2之差，该电压加在Lp上，产生电流ip，它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流。

带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路■带平衡电抗器的双反星形整流电路与六相半波整流电路比较◆两种电路结构均是由两组三相半波整流电路并联，区别为是否带平衡电抗器。◆两种电路输出电压的波形均为六脉波，只是带平衡电抗器的双反星形整流输出电压峰值是六相半波整流电路峰值的0.866。◆六相半波整流电路在任何时刻只有一个晶闸管导通，且每个管子的导通角只有60°。而带平衡电抗器的双反星形电路在任何时刻同时有两个晶闸管导通，共同负担负载电流，同时每个晶闸管的导通角增大到120°。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路■将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下结论◆三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相半波并联，且后者需用平衡电抗器。

◆当U2相等时，双反星形的Ud是三相桥的1/2，而Id是三相桥的2倍。

◆两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，ud和id的波形形状一样。■变压器二次侧两绕组极性相反可消除铁心的直流磁化。■平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。5.4相控式整流电路的谐波分析、功率因数及其改善方法

整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。2-72

a=0时，m脉波整流电路的整流电压波形

=0时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析。

随着电力电子技术的发展，变流装置的应用日益广泛，但它会产生谐波，使电网波形畸变，并且使网侧功率因数下降。5.4.1相控式整流电路直流侧谐波分析在

区间，整流电压的表达式为傅里叶级数分解得对于单相全控桥整流电路对于三相半波整流电路对于三相全控桥整流电路73/131m脉波整流电压的谐波次数为mk（k=1，2，3，…）次。m增加时，最低次谐波的次数增大，且幅值也迅速减小。根据输出电压的瞬时值波形，可得整流输出电压有效值为电压的纹波系数为74/131m23612∞RF（%）48.218.274.180.9940表5.3m脉波整流电路的电压纹波系数值脉波数m越大，电压纹波系数越小，对电路的影响越小

不为0时的情况：整流电压谐波的一般表达式十分复杂，下面只说明谐波电压与

角的关系。2-75

三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与

的关系以n为参变量，n次谐波幅值对

的关系如图所示：当

从0~90变化时，ud的谐波幅值随

增大而增大，

=90时谐波幅值最大。

从90~180之间电路工作于有源逆变工作状态，ud的谐波幅值随

增大而减小。5.4.2相控式整流电路交流侧谐波和功率因数分析(1)相控式单相全控桥整流电路2-76带阻感负载，直流电感L为足够大（电流i2的波形见图）i2Owtd基波和各次谐波的有效值为

i2的有效值I=Id，可得基波因数为

电流基波与电压的相位差就等于控制角，故位移因数为

所以，功率因数为

2-772)电路带阻感负载时交流侧的功率因数(2)相控式三相全控桥整流电路2-78

三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形阻感负载，忽略换相过程和电流脉动，直流电感L为足够大。以

=30为例，此时，电流为正负半周各120的方波，其有效值与直流电流的关系为：tud1a=30°ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥwtOwOwtOwtOidiawt1uaubuc1)电路带阻感负载时交流侧谐波分析变压器二次侧电流谐波分析：2-79电流基波和各次谐波有效值分别为电流中仅含6k1（k为正整数）次谐波。各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。功率因数计算基波因数：位移因数仍为：功率因数为：5.4.3整流电路对公用电网的影响整流电路在工作时交流侧产生大量的谐波，即使得大量的电流谐波分量倒流入电网，并造成网侧功率因数下降，给公用电网造成严重的谐波“污染”。2-80功率因数低的危害：导致设备容量增加。使设备和线路的损耗增加。线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害：降低设备的效率。影响用电设备的正常工作。引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。导致继电保护和自动装置的误动作。对通信系统造成干扰。5.4.4改善方法(1)抑制谐波的措施1）采用多重化整流电路2-81

并联多重联结的12脉波整流电路有并联多重联结和串联多重联结。可减少输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。使用平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。2个三相桥并联而成的12脉波整流电路。将几个结构相同的基础整流电路按一定规律进行组合移相30构成的串联2重联结电路2-82整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差30、大小相等的两组电压。该电路为12脉波整流电路。

m增加时，最低次谐波的次数增大，且幅值也迅速减小，即脉波数增多，交流侧电流谐波含量减少2）安装无源滤波器

其结构简单、运行可靠、维修方便，除滤波外还兼有无功补偿的功能，容量可设计成很大，是目前广泛采用的方式之一。83/1313）安装有源滤波器

对于谐波次数经常变化的负载，采用无源滤波器的效果不佳，若采用有源滤波器可达到较好的效果。84/131(2)提高功率因数的措施1）提高基波因数

可见减小波形畸变，基波因数越大，从而提高了功率因数。因此采用前述抑制谐波的措施可减小谐波含量，提高基波因数2）减小触发角

用降压变压器的低压绕组得到一个合适的交流电压，使

触发角减小。85/131电路形式单相全控桥三相全控桥移相串联12脉波电路移相串联18脉波电路移相串联24脉波电路0.90.9550.98860.99490.9971表5.4不同整流电路的基波因数值3）采用串联的多重整流电路顺序控制2-86只对一个桥的角进行控制，其余各桥的工作状态则根据需要输出的整流电压而定。

或者不工作而使该桥输出直流电压为零。或者=0而使该桥输出电压最大。根据所需总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥进行控制，因而被称为顺序控制。不能降低输入电流谐波，但是总功率因数可以提高。我国电气机车的整流器大多为这种方式。

2重晶闸管整流桥顺序控制2-87从电流i的波形可以看出，虽然波形并为改善，但其基波分量比电压的滞后少，因而位移因数高，从而提高了总的功率因数。a)4）采用不可控整流电路加DC-DC变换电路5）

装设补偿电容器2-886）PWM整流电路89/1315.5交流侧电感对整流电路的影响■变压器漏感

◆实际上变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感LB表示，并将其折算到变压器二次侧。

◆由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。■现以三相半波为例来分析，然后将其结论推广

◆假设负载中电感很大，负载电流为水平线。

5.5交流侧电感对整流电路的影响udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca◆分析从VT1换相至VT2的过程

☞VT1和VT2同时导通，回路中产生环流ik。☞ik=ib是逐渐增大的，而ia=Id-ik是逐渐减小的。

☞当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断，换流过程结束。

☞换相过程持续的时间用电角度表示，称为换相重叠角。

◆假设负载中电感很大，负载电流为水平线。92/1315.5交流侧电感对整流电路的影响◆基本数量关系

☞换相过程中，整流输出电压瞬时值为

☞换相压降：与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少，即

5.5交流侧电感对整流电路的影响☞换相重叠角√随其它参数变化的规律：

⑴Id越大则越大；

⑵XB越大越大；⑶当≤90时，越小越大。5.5交流侧电感对整流电路的影响☞其它整流电路的分析结果

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

注：①单相全控桥电路中，XB在一周期的两次换相中都起作用，等效为m=4；②三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。表3-2各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算

5.5交流侧电感对整流电路的影响◆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。

☞整流电路的工作状态增多。☞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。☞换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。☞换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。96/1315.5交流侧电感对整流电路的影响例：三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5Ω，L=∞，U2=220V，XB=0.3Ω，求Ud、Id、IVD、I2和的值并作出ud、iVD和i2的波形。解：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路＝0°时的情况。

Ud＝2.34U2cos－ΔUd

ΔUd＝3XBId∕

Id＝Ud∕R

解方程组得：

Ud＝2.34U2cos∕（1＋3XB/R）＝486.9（V）

Id＝97.38（A）又∵－=2∕U2

即得出=0.892

换流重叠角＝26.93°

二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为

IdVD＝Id∕3＝97.38∕3＝33.46（A）

I2a＝Id＝79.51（A）

ud、iVD1和i2a的波形如图所示。5.6相控式整流电路工作在有源逆变状态

5.6.1电网-直流电动机之间的能量转换5.6.2有源逆变电路的工作原理

5.6.3有源逆变失败的原因与最小逆变角的确定

逆变的概念■什么是逆变？为什么要逆变？

◆逆变（invertion）：把直流电转变成交流电的过程。◆逆变电路：把直流电逆变成交流电的电路。

☞当交流侧和电网连结时，为有源逆变电路。☞变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。◆对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。5.6.1电网-直流电动机之间的能量转换直流发电机—电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG>EMb）两电动势同极性EM>EG

c）两电动势反极性，形成短路■直流发电机—电动机系统电能的流转

◆M作电动运转，EG>EM，电流Id从G流向M，电能由G流向M，转变为M轴上输出的机械能。

◆回馈制动状态中，M作发电运转，EM>EG，电流反向，从M流向G，M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。

◆两电动势顺向串联，向电阻R供电，G和M均输出功率，由于R一般都很小，形成短路。

+-+-+-■逆变产生的条件☞M作电动机运行:

的范围在0~/2,Ud为正值，Ud>EM。☞M作发电回馈制动:的范围在/2~,Ud为负值，EM|>|Ud|

5.6.2有源逆变电路的工作原理(2)变流器的数量关系■逆变角

◆通常把>/2时的控制角用-=表示，称为逆变角。

◆的大小自=0的起始点向左方计量。◆三相半波变流器的有源逆变状态直流侧的电压和工作在整流状态的输出电压平均值的公式一样◆产生逆变的条件

☞要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。

☞要求晶闸管的控制角>/2，使Ud为负值。◆半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变，欲实现有源逆变，只能采用全控电路。5.7.3有源逆变失败的原因与最小逆变角的确定■逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器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很小，形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。■逆变失败的原因

◆触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。

◆晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。◆交流电源缺相或突然消失。

◆换相的裕量角不足，引起换相失败。◆1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。◆1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。◆2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。3）交流电源突然缺相、突然停电或电源电压降低。◆4）换相的裕量角不足，引起换相失败。5.7整流电路的应用5.7.1晶闸管直流电动机系统(1)工作于整流状态时1）电流连续时电动机机械特性110/1315.7整流电路的应用5.7.1晶闸管直流电动机系统(1)工作于整流状态时2）电流断续时电动机机械特性①电枢电流断续时电动机的机械特性的特点②电流断续后的理想空载转速111/1315.7整流电路的应用5.7.1晶闸管直流电动机系统(2)工作于有源逆变状态时1）电流连续时电动机机械特性2）电流断续时电动机机械特性112/1315.7整流电路的应用5.7.1晶闸管直流电动机系统(3)直流可逆电力拖动系统113/1315.7整流电路的应用5.7.1晶闸管直流电动机系统(3)直流可逆电力拖动系统114/1315.7整流电路的应用5.7.2交流绕线式异步电机的串级调速和双馈调速115/1315.7整流电路的应用5.7.3在高压直流输电中的应用116/131

直流输电适用于远距离大容量输电、不同频率的交流系统联网、在新能源发电中依靠直流输电接入交流系统，还特别适合海底或地下电缆输电。直流输电系统的原理如图８.１所示，电源由发电厂的交流发电机供给，经过整流站的换流变压器将电压升高后送至晶闸管整流器，由整流器将高压交流变为高压直流，经过直流输电线路输送到受电端，再经过逆变站的晶闸管逆变器将直流变换为交流后，并经变压器降压后配送给用户使用。整流站和逆变站可统称为换流站，它们的核心设备是换流器（整流器和逆变器）。■直流输电的接线方式通常有下述３种。

通常只采用一根导线（为负极性），可以由大地或海水提供回路。接线方式单极直流输电双极直流输电它具有两根导线：一根为正极性；另一根为负极性。5.7整流电路的应用背靠背直流输电“背靠背”直流输电工程没有直流线路，即整流器和逆变器直接相连。5.7.3在高压直流输电中的应用■（１）单极直流输电

单极系统有单极大地回线和单极金属回线两种接线方式。单极的基本结构如图8.2所示，通常只采用一根导线（为负极性），可以由大地或海水提供回路。这种单极大地回线接线方式的优点为成本较低，但由于地下（海水中）长期有大的电流流过，对接地极附近地下金属构件腐蚀严重，而海水中流过电流，影响航运、渔业等。因此大地回路可用金属回路（图8.2中虚线）替代大地作回路，这种单极金属回线方式的接线方式成本较高，往往可以作为分期建设的直流工程的初期接线方式。5.7整流电路的应用5.7.3在高压直流输电中的应用■（2）双极直流输电

大多数直流输电工程采用双极接线方式，它具有两根导线：一根为正极性；另一根为负极性。输电线路两端都各自由两个额定电压相等的换流器串联而成，每端两个换流器直流侧的串联连接点接地，如图８．３所示的双极直流输电系统采用十二脉波换流器，采用该换流器的优点是在增加容量的同时还能减少谐波分量，是较为典型的结构。采用十二脉波换流器的双极直流输电系统在正常工作时，两极电流相等，无接地电流，两极分别独立运行，而当其中一根导线出现故障时，另一极可通过大地构成回路，可带一半的负荷，从而提高了运行的可靠性。5.7整流电路的应用■（3）背靠背直流输电

“背靠背”直流输电，其工作的原理和一般的直流输电系统基本相同，只是“背靠背”直流输电工程没有直流线路，即整流器和逆变器直接相连。此方式主要用于两个非同步运行（不同频率或相同频率但非同步）的交流电力系统之间的互联，以及限制短路电流和强化系统之间的功率交换。5.7整流电路的应用5.7.3在高压直流输电中的应用5.7.4整流电路在不间断电源中的应用5.7整流电路的应用为了使PWM整流电路在工作时功率因数近似为1，即要求输入电流为正弦波且和电压同相位，可以有多种控制方式，这里采用直接电流控制方式。5.7整流电路的应用5.7.5整流电路在开关电源中的应用

◆线性电源的直流输入电路通常是由工作在工频下的整流变压器T和二极管整流加电容滤波组成。整流电路所接的滤波电容C不可能很大，这样

就有一定的脉动，但这些都可以通过调制器件V的管压降来进行调整，使输出电压

的精度和纹波都满足较高的要求，但同时存在缺点的为：输入采用工频变压器，体积庞大；调制器件V工作在线性放大区，损耗大、效率低。5.7整流电路的应用5.7.5整流电路在开关电源中的应用

◆当输入电压发生变化时，或负载变化引起电源输出电压

变化时，可以调节逆变器输出的方波脉冲电压宽度，使直流输出电压

稳定。可见，和线性电源相比，开关稳压电源将起电压调整作用的器件始终工作在开关状态，其损耗很小，使得电源的效率可达到90%以上。并且，开关稳压电源采用的高频变压器和滤波器，其体积大为减小。5.7整流电路的应用5.7.6整流电路在城市轨道交通和电气化铁路中的应用24脉波整流机组的连接方式如图5.60所示，由2台12脉波整流机组并联运行，对于每个12脉波整流系统，每个变压器的二次绕组采用y、d接线法，那么其线电压会出现30°的相差，由于连接方式引起电压幅值变化，因此需要调整匝数比控制产生的环流。整流桥一般采用大功率的整流二极管。对于两组并联的12脉波整流机组，要想实现24脉波整流，必须使它们的电压相位差为15°。常用的是网侧绕组采用±7.5°外延三角形接线方式

，一次侧需要添加移相绕组。5.7整流电路的应用5.7.6整流电路在城市轨道交通和电气化铁路中的应用

其功率范围为200KW~1MW。与以前的直流机车不同，单相交流架空线电压为25KV，引入机车后，通过2台PWM整流器将交流电变为直流电供给PWM逆变器，由该逆变器供给4台异步电动机进行驱动。工作频率在0~240HZ范围内可调，元器件采用GTO或IGBT。【复习思考】126/131【复习思考】127/131【复习思考】128/131【复习思考】129/131【复习思考】130/131【实践练习】5.1解剖一个闲置的手机充电器或小家电的直流电源，绘制其电路，分析工作原理。5.2拆开一个日光灯电子镇流器或节