第四章二极管整流电路

第四章二极管整流电路

4.1简介4.2整流电路的基本概念4.3单相桥式二极管整流电路4.4单相双重电压整流电路4.5单相整流电路对三相四线制系统的中线电流的影响4.6三相全桥整流电路4.7单相整流电路与三相整流电路的比较4.8开通时的瞬间冲击电流和过电压

4.9电流谐波和低功率因数的影响与对应的改善措施

小结

首

页第四章二极管整流电路

下页返回4.1简介多数情况下，通过对交流电的整流得到直流电。

整流电路将交流电转变为直流电的装置。二极管整流电路的功率从交流侧流向直流侧。多数情况下，整流电路的交流侧输入没有变压器，而是直接与工作电源相连。usidud+-is交流电源整流模块下页上页返回第四章二极管整流电路

输出的直流电压中含有一定纹波，通常在直流侧并联一个大电容以稳定输出的直流电压。在不考虑线路电感的前提下，该电容器的充电电压接近交流输入电压的峰值。在50或60Hz的交流输入电压的峰值附近，通过整流电路的电流非常大，电流不连续。在每半个周期内，电流在一个有限的时间段内为零，这种整流电路的运行产生大量的畸变电流。

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二极管整流电路是整流电路的基础，在此基础上采用全控型电力电子器件，实现整流电路的功率因数、谐波、交流侧电流波形的改善和动态特性的控制。在对整流电路的分析中，假定二极管是理想的，即导通时管压降为零（导通电阻为零），断开时呈现的阻抗为无穷大。下页上页返回第四章二极管整流电路

4.2整流电路的基本概念4.2.1纯电阻负载输出电压ud和输出电流id中含有大量的纹波，这种电路在实际应用中意义不大。

usuduD+-idR+-t0us

uDidi+us-uDuL

R+-+uR-+ud-L+-下页上页返回第四章二极管整流电路

4.2.2感性负载电感与电阻相串联，将负荷部分变为感性负载。t=0时之前，电源电压us为负，电路中电流为零。t=0时，二极管出现正向偏置，电流准备流过二极管。下页上页返回第四章二极管整流电路

t>0时，二极管用短路代替。电路中的电流由下面微分方程确定：i+us-uL

R+uR-+ud-L+-电感电压：

uL=L·di/dt

i+us-uL

R+uR-+ud-L+-uD+-ABT=1/ft1t00t2t1t3下页上页返回第四章二极管整流电路

usiuRuD

t1之前，us>uR（uL=us－uR值为正），电流不断增大，电感的储能也随之增加。

t1之后，uL为负值，电流随之减小。

t2时刻后，虽然输入的电源电压us变负，但是电流仍维持正向导通。t00tuDfquL下页上页返回第四章二极管整流电路

t3时刻，电流减小到零，二极管停止导通，整个电路相当于开路。此时电感电压并不等于零。i+us-uL

R+uR-+ud-L+-uD+-ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquL下页上页返回第四章二极管整流电路

t3时刻电感电压为:uL(t)=L·di/dt

对上式两边同时积分，积分区间从0～t3，且i(0)和i(t3)为零，于是有：由此可知:改写后得:下页上页返回第四章二极管整流电路

式可分解为:面积A和B的关系为：当面积A=B时，电流在t3时刻降低为零。ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquL下页上页返回第四章二极管整流电路

在t3时刻之后，R和L上的电压为零，二极管上的电压等于－us(t)，极性相反。波形在每个周期T(=1/f)内重复ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquL下页上页返回第四章二极管整流电路

在t2到t3的区间内负载电压ud(t)为负，与纯电阻性负载相比，这种情况下的负载平均电压显著降低。usuduD+-idR+-ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquL+Ed-+us

-uDuL

udLi下页上页返回第四章二极管整流电路

4.2.3含直流电压源的负载负载部分由电感和电势为Ed的直流电压源组成。usm下页上页返回第四章二极管整流电路

0tt1t2t3usit0BAt0uLuD当us(t)超过Ed时，二极管在t1时刻开始导通。电流在t2时刻达到峰值（us与Ed再次相等时）。

t3时刻电流衰减到零。A和B面积相等，由此可确定t3的值。下页上页返回第四章二极管整流电路

4.3单相桥式二极管整流电路idisiL

+us(t)-

+ud-Cd

Ls交流输入等效模型并联在直流侧的大电容起滤波及稳压作用下页上页返回第四章二极管整流电路

4.3.1Ls=0

的理想电路idisiL

+us(t)-

+ud-Cd

Ls假定Ls=0，用电阻R或直流电流源表示整流电路的直流侧。idis

+us(t)-udNPRVD4VD3VD2VD1idis

+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1id下页上页返回第四章二极管整流电路

+Ed-+us

-uDuL

udLi在整流电路直流输出部分一般都要串联一个大电感，如图所示，以得到平稳的输出电流。idis

+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1id用恒定直流电流源近似表示感性负载，是整流电路的分析中是常用的方法。下页上页返回第四章二极管整流电路

idisudPVD4NVD1VD2VD3id

+us(t)-当us(t)大于零时，二极管VD1有id流过，us(t)将作为反向偏置电压施加在二极管VD3上。因Ls=0，电流id瞬间转向二极管VD3，反向偏置电压施加在二极管VD1上。当us(t)小于零时，下页上页返回第四章二极管整流电路

idisudPVD4NVD1VD2VD3id

+us(t)-当us(t)大于零时，二极管VD2流过电流id，us(t)作为反向偏置电压施加在二极管VD4上。电流id瞬间转向二极管VD4，电源电压对二极管VD2呈现反偏。当us(t)小于零时，下页上页返回第四章二极管整流电路

0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud两个电路中，当us大于零时，二极管VD1和VD2导通，此时，ud=us(t)，is=id

;当us(t)小于零时，二极管VD3和VD4导通，则ud=－us(t)，is=－id。下页上页返回第四章二极管整流电路

idisudPVD4NVD1VD2VD3id

+us(t)-直流侧输出电压为：交流侧电流为：假定Ls

=0，两个电流值之间的转换瞬时完成。下页上页返回第四章二极管整流电路

0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud在图中取任意时刻为起始时间t=0，然后对在半个周期上进行积分（w=2pf，wT/2=p），可以得到两个电路的直流输出电压的平均值Ud0。下页上页返回第四章二极管整流电路

即:下标0代表Ls=0理想情况，Us为输入电压的有效值。0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud下页上页返回第四章二极管整流电路

f1=50Hzwt0usisis1根据有效值的基本定义有：Is=Id对is进行傅立叶分解，理想情况下的基波分量为：式中，下标“h”表示谐波次数，下页上页返回第四章二极管整流电路

h011.035791311is中的各次谐波分量如图所示，由此所计算出的谐波总畸变率为：

THD=48.43%is1波形曲线与us波形同相位:DPF=1.0

f1=50Hzwt0usisis1下页上页返回第四章二极管整流电路

右图所示单相二极管整流电路，Ls为零，直流侧为恒定电流，Id=10A。试计算负载所吸收的平均功率。idis

+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1id若us为正弦电压曲线，

Us=120V，频率50Hz；若us为下图所示的矩形波。200V120°120°60°60°60°120°f=50Hz200Vwt例1下页上页返回第四章二极管整流电路

解

(1)

us为正弦电压曲线，Us=120V，Ud=0.9Us=108VPd=UdId=1080W(2)根据整流电路的工作原理可知，直流输出电压波形如图所示，所求平均电压和负载吸收的功率分别为：200V120°120°60°60°60°120°f=50Hzwt下页上页返回第四章二极管整流电路

4.3.2Ls对电流换流的影响isId+

-udVD4VD1VD2VD3Lsus(t)换流时间交流侧电流is从+Id

到－Id（或相反）转换过程中所需的时间间隔。换流电流从一个二极管转到另一个二极管的过程。换路

换流换流时间所对应的电角度用符号g表示。下页上页返回第四章二极管整流电路

Id+-VD1VD2+-+ud-

uL

isus(t)

正弦电压源恒定电流源Ls

=0时☟

wt0usisud下页上页返回第四章二极管整流电路

Id+-VD1VD2+-+ud-

uL

isus(t)

wt=0之前：us﹤0，Id在VD2中流通，ud

=0，is=0。

wt=0：us﹥0

，VD1上承受正向偏置电压，开始导通。

uL

Id+-D1D2+-+ud

=0-isIdiD1LsiD2us(t)

理想二极管的导通压降uVD=0下页上页返回第四章二极管整流电路

根据两网孔电流基尔霍夫电流定律，流过二极管的电流为:iVD2=Id

－is

当wt=g

：is→Id

iVD2>0，VD2导通二极管VD2在wt=g

时停止导通。

uL=0Id+-D1D2+-+ud

=us-is=IdiD1LsiD2us(t)+-

uL

IdD1D2+-+ud

=0-isIdiD1LsiD2us(t)

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换流重叠角换流时间间隔所对应的电角度，用符号g表示。换流开始时，电感中电流is的值为零，换流结束时电感中的电流为Id。

uL

IdD1D2+-+ud

=0-isIdiD1LsiD2us(t)

交流输入电压或换流电流为：下页上页返回第四章二极管整流电路

上式右边可写成wLs

dis/d(wt)：对上式两边同时积分，换流角度为0～g，对应的is从0变化到Id，因此有：对电感电压uL在换流期间内的积分Ag下页上页返回第四章二极管整流电路

0wtusud=0udwt0uL00wtis对电压的积分结果为图中的面积Ag

：下页上页返回第四章二极管整流电路

由上两式可得:重新整理后得：如果Ls

=0，则cosg

=1，即g=0。不考虑线路电感，整流电路的换流瞬时完成。下页上页返回第四章二极管整流电路

Ls的值越大，越能清晰表示换流过程。图中，Ls

=0，ud的平均电压Ud0为：wt0usisud下页上页返回第四章二极管整流电路

Ag0wtusud=0udwt0uL00wtis当

Ls

≠0，g

≠0，ud

=0，因此：下页上页返回第四章二极管整流电路

式可改写为：将代入上式得：下页上页返回第四章二极管整流电路

考虑线路电感时，平均输出电压从不考虑线路电感的平均输出电压Ud0中减去△Ud

，△Ud为：下页上页返回第四章二极管整流电路

isId+

-udVD4VD1VD2VD3Lsus(t)isIdudVD4VD1VD2VD3Lsus+-+-ABwt0usAgudud=0wt0uLAgwt0is下页上页返回第四章二极管整流电路

wt=0之前，二极管VD3和VD4有电流Id流过,is=－Id与右图所示电路中Ls

=0的情况一样idis

+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1idisIdudVD4VD1VD2VD3Lsus+-+-AB下页上页返回第四章二极管整流电路

计算电路形式用于分析电路在0<wt<g期间的电流换流过程。计算电路形式isIdudVD4VD1VD2VD3Lsus+-+-ABisIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AId下页上页返回第四章二极管整流电路

isIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AId

t=0时，us>0，二极管VD3和VD4相当于短路，二极管VD1和VD2处于正向偏置。假定所采用的二极管相同，两个换流电流相等。换流期间四个二极管都导通，ud=0。下页上页返回第四章二极管整流电路

根据网孔电流分析原理，换流期间的二极管电流和线电流is为：换流开始时，换流电流ig为0

。换流结束时，ig增大到Id。isIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AId下页上页返回第四章二极管整流电路

当wt=g时，iVD1=iVD2=Id，is=Id，电流从二极管VD3、VD4到VD1、VD2的换流期间，电感Ls中的电流从－Id变为Id。isIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AId下页上页返回第四章二极管整流电路

对右上图中理想电路的分析了解到，利用下列等式，对右下图中电压波形进行积分。wt0usAgudud=0wt0uLAgwt0usisud下页上页返回第四章二极管整流电路

求得曲线所围成的面积Ag

为：根据上式可推得：移项整理后得：is(0)=－Id

wt0usAgudud=0wt0uLAg下页上页返回第四章二极管整流电路

在不考虑线路电感的理想情况下（Ls

=0），输出电压ud根据式ud

=

Ud0=0.9Us

计算。若考虑线路电感Ls时，Ud的计算可根据以下等式求得：下页上页返回第四章二极管整流电路

电压ud在半个周波上存在局部变形，即积分“损失”的部分，该面积的大小为Ag，输出电压为：wt0usAgudud=0wt0uLAg下页上页返回第四章二极管整流电路

分析图中电路的换流基本过程，其中us为正弦电压曲线，Id

=10A。Us=120V，频率50Hz，Ls=0，计算Ud和平均功率Pd；Us=120V，频率50Hz，Ls=5mH，计算g、Ud和Pd；Id+-VD1VD2+-+ud-

uL

isus(t)

例2下页上页返回第四章二极管整流电路

解(1)

Ls=0wt0usud(2)

Ls

=5mH

g=24.85°下页上页返回第四章二极管整流电路

4.3.3直流侧接恒定电压源的情况ud(t)=Ud

用该电路形式近似模拟直流侧接大电容的整流电路相当于在左图中用直流电源置换电路中的电解电容isid+

-UdVD4VD1VD2VD3Lsus+

-+

-ABidisiL

+us(t)-

+ud-Cd

Lsud下页上页返回第四章二极管整流电路

假设，us≤Ud，电流id=0。根据此假设的有关电压、电流波形如下图所示wt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId下页上页返回第四章二极管整流电路

udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId假设条件下的等值电路id

+Ud-usLs+-下页上页返回第四章二极管整流电路

当us在θb点大于Ud时，二极管VD1和VD2处于导通状态。电流在θp点达到最大值，过了该点uL小于零。

A和B面积相等时的对应点为θf，该点的电流值为零，同时A和B相互为负。从θf到π+θb，电流值一直为零。udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId下页上页返回第四章二极管整流电路

直流电流平均值的计算角θb由下式计算：从图中曲线对称性看出：qp=p-qb有电流流过时，电感电压为：udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId下页上页返回第四章二极管整流电路

wt的积分形式为：式中q

>qb，id在qb点的值为零，从上式可推出：当wt=qf

时，id=0，代入上式得：下页上页返回第四章二极管整流电路

udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId在半个周期内对id(θ)进行积分，再除以p，可得到直流电流的平均值：对电路参数给定前提下，Id的大小取决于Ud的值，反之亦然。下页上页返回第四章二极管整流电路

采用标幺化数值进行比较，电压Ud的基准值取Ud0，Id以短路电流Isc为基准，短路电流为：短路电流整流电路处于短路状态时，交流电压源us直接加在电感Ls两端所形成的电流有效值。下页上页返回第四章二极管整流电路

0.100.1200.080.060.040.021.201.251.301.351.401.451.501.551.60当Ud逼近交流输入电压的峰值时，其直流电流趋向于零。下页上页返回第四章二极管整流电路

若图中电路直流侧仍为一个大电容，则直流电压ud(t)=Ud的假设在正常情况下成立，但在系统扰动的暂态情况下存在偏差。idisiL

+us(t)-

+ud-Cd

Ls下页上页返回第四章二极管整流电路

Ls的增加改善is的波形、降低is的谐波畸变率THD、改善功率因数PF，降低（或改善）峰值系数，位移功率因数DPF有一定的下降。0.80.700.90.60.40.51.20.021.30.06THDi1.11.00.040.080.100.12DPFPFId/Isc1.501.401.451.251.351.3001.200.040.020.060.080.100.121.82.02.42.22.62.83.0峰值系数Ud

/Ud0峰值系数下页上页返回第四章二极管整流电路

4.3.4实际的二极管桥式整流电路负载部分用等值电阻代替idis+us-udCd

LsRLRsidisiL

+us(t)-

+ud-Cd

Ls下页上页返回第四章二极管整流电路

4.3.4.1极不连续电流下的分析计算假定电路运行已造成了id的极不连续，如图所示，每半个周波内，id的波形只是在us波形的其中一小段不为零，在us的两个过零点附近基本上都为零。udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId下页上页返回第四章二极管整流电路

用右图等效计算上图电路半个周波的电压和电流idis+us-udCd

LsRLRsidRLusLsisudCd

Rs+-下页上页返回第四章二极管整流电路

udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId半个周期内两个时间段

tb=qb/w

tf=qf/w对时间段tb=qb/w，tf

=

qf/w的分析下页上页返回第四章二极管整流电路

tb<t<tf

1tb是电流id流通的起始时刻，tf是电流id流通的结束时刻。在tb<t<tf区间内，电路中有负载电流。电路中各量之间的关系：基尔霍夫电压：基尔霍夫电流：下页上页返回第四章二极管整流电路

在tf<t<tb区间，用矩阵表示KVL和KCL方程:用x表示id和ud所组成的向量，状态转移矩阵为:下页上页返回第四章二极管整流电路

假定电源的系数向量为:解得状态变量为：式中：下页上页返回第四章二极管整流电路

tf<t<tb+T/22在该区间内，二极管桥路中没有电流流过，所以上式的解为:下页上页返回第四章二极管整流电路

对求解解之前用估计值代替直流侧电流流通起始时刻tb。如果tb值确定，则它是一个或半个周期后直流侧电流的起始时刻。校验所选的tb是否准确的方法：先取一个较小的tb值，然后缓慢增大tb，直到tb在很小的误差范围以内，这样可保证tb足够精确。下页上页返回第四章二极管整流电路

利用Matlab对下图中的全桥整流电路进行仿真，输入参数为：Us

=120V，频率60Hz，Ls=1mH，Rs

=1mΩ，Cd=1000μF，RL

=20Ω。假定采用理想二极管，△t=25ms。例3idis+us-udCd

LsRLRs下页上页返回第四章二极管整流电路

解在ud(tb)初值正确的情况下,利用Matlab程序,得仿真结果的波形：

200150100500-5023456789121110T/2tft(ms)idudus下页上页返回第四章二极管整流电路

4.3.4.2一般工作条件下的电路仿真例4idis+us-udCd

LsRLRs对下图中电路用Pspice进行仿真，输入参数：Us

=120V，频率60Hz，Ls=1mH，Rs

=1mΩ，Cd=1000mF，RL

=20Ω。并对输入的交流电流和直流输出电压做傅立叶分析。下页上页返回第四章二极管整流电路

解利用Pspice程序,得仿真结果的波形:0wtf1usisis1ud从Pspice输出文件得：输入电流is的基波分量的有效值：

is1=10.86A

滞后us的角度：j1=10°电压平均值：Ud

=158.45V电流平均值：

Id=7.93A下页上页返回第四章二极管整流电路

4.3.4.3线电流的畸变二极管桥式整流电路的输入线电流is明显偏离正弦波。电流的畸变也会导致电压的畸变。0wtf1usisis1ud下页上页返回第四章二极管整流电路

is的基波和三次谐波如下图所示：0wtisis1Idisis3Ism下页上页返回第四章二极管整流电路

对例4.3和例4.4中的整流电路，计算输入电流的总谐波畸变率THDi、波形因数、位移功率因数DPF、功率因数PF及平均输出电压Ud和Id/Isc。解根据傅立叶级数展开，利用Pspice对图中的整流电路进行仿真。例5idis+us-udCd

LsRLRs下页上页返回第四章二极管整流电路

仿真结果:THDi=88.8%，Is1=10.86A

根据方程计算得到有效值：

Is=14.52A

根据仿真图得输入的峰值电流：Isp=34.7A

根据对波形因数的定义得波形因数:2.39

根据傅立叶分解的方法得:j1=－10°，DPF=0.985（滞后）下页上页返回第四章二极管整流电路

功率因数:PF=0.736Id=7.93A

根据等式计算得：Isc=318.3A

所以:Id/Isc=0.025平均直流输出电压:Ud=158.45V所以:

Ud

/Ud0=1.467

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例4.5中，已经计算出Id/Isc的值是0.025。如果使Id/Isc的值不变，利用下两图的结果来计算THDi、DPF、PF、波形因数及Ud（标准值），并与例4.5中的结果相比较。0.80.700.90.60.40.51.20.021.30.06THDi1.11.00.040.080.100.12DPFPFId/Isc1.501.401.451.251.351.3001.200.040.020.060.080.100.121.82.02.42.22.62.83.0峰值系数Ud

/Ud0峰值系数例6下页上页返回第四章二极管整流电路

解从图中可得到：THDi

=79%

波形因数=2.25

DPF=0.935

PF=0.735

Ud/Ud0=1.3840.80.700.90.60.40.51.20.021.30.06THDi1.11.00.040.080.100.12DPFPFId/Isc1.501.401.451.251.351.3001.200.040.020.060.080.100.121.82.02.42.22.62.83.0峰值系数Ud

/Ud0峰值系数下页上页返回第四章二极管整流电路

例4.5和例4.6两种情况下的吸收功率不相同，例4.5的滤波电容使Ud的值更大，增大了吸收功率。尽管两种情况有所不同，但它们的结果接近。下两图曲线用于近似计算。0.80.700.90.60.40.51.20.021.30.06THDi1.11.00.040.080.100.12DPFPFId/Isc1.501.401.451.251.351.3001.200.040.020.060.080.100.121.82.02.42.22.62.83.0峰值系数Ud

/Ud0峰值系数idis+us-udLs1RLRs其它装置Ls2+-UpccCd

二极管电阻装置电源内阻抗下页上页返回第四章二极管整流电路

4.3.4.4线电压的畸变电子设备感性部分idis+us-udCd

LsRLRs下页上页返回第四章二极管整流电路

假定us为正弦电压,根据is的基波和谐波分量，upcc为:连接在公共连接点(PCC)上其它设备的电压为:式中：根据电流谐波分量得电压的畸变成分为：下页上页返回第四章二极管整流电路

输入参数：Us

=120V，频率60Hz，Ls=1mH，Rs

=1mΩ，Cd=1000mF，RL

=20Ω。将Ls的值进行等分，例如取Ls1=Ls2=0.5mH，作出图中电路的公共连接点处的电压波形。例7idis+us-udLs1RLRs其它装置Ls2+-UpccCd

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解利用Pspice电路仿真程序，得到电压、电流波形如图所示。经过计算，公共连接点处的电压总谐波畸变率THDu≈5.7%。0wtupccis230V位置+-ud+-C2C1115V位置D2D1115V/230V交流输入下页上页返回第四章二极管整流电路

4.4单相双重电压整流电路有许多设备要求既能在115V的电压等级下，也能在230V的电压下工作。因此，双重电压整流电路，可以避免使用升压变压器。约230V

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双重电压整流电路在交流输入电压的正半周内，通过二极管D1向电容C1充电，负半周内，通过D2向C2充电的电路。230V位置+-ud+-C2C1115V位置D2D1115V/230V交流输入下页上页返回第四章二极管整流电路

4.5单相整流电路对三相四线制系统的中线电流的影响大型商业和办公建筑采用三相电源供电。内部配电网、负载用电主要采用单相供电方式。208V单相整流系统120Vibabcniaicin下页上页返回第四章二极管整流电路

208V单相整流系统120Vibabcniaicin假定各相负载完全相同，基波分量和奇次谐波分量的有效值分别为Is1和Ish，基波分量和谐波分量有效值在三相中也相等。下页上页返回第四章二极管整流电路

a相中电流ia的表达式为：式中：k=1，2，3……208V单相整流系统120Vibabcniaicin下页上页返回第四章二极管整流电路

假定三相电源对称，所带负载相同，b相和c相的电流分别滞后于a相120°和240°，b相和c相的电流分别为：208V单相整流系统120Vibabcniaicin下页上页返回第四章二极管整流电路

利用基尔霍夫电流定律得出与中性点n相关联的各支路的电流关系：将a相、b相和c相电流方程代入上式，中线电流为：208V单相整流系统120Vibabcniaicin下页上页返回第四章二极管整流电路

根据有效值的定义：所有的谐波分量中，三次谐波占主要成分，因此，上式有如下近似关系：实际中，如果线电流是极不连续的，则中线电流的大小为：下页上页返回第四章二极管整流电路

假如图中的每个负载是非线性的，此时可利用例4.3中的单相整流电路来表示每个负载。试分析中线电流的波形，并计算中线电流的有效值。在分析中，可假设系统的三相电压是对称的，交流侧阻抗的大小与例4.3相同。208V单相整流系统120Vibabcniaicin例8下页上页返回第四章二极管整流电路

采用Pspice分析，得到下图所示的电压、电流波形。对于中线电流波形而言，经计算得每相端线电流的有效值为14.52A，而中线电流的有效值约为25A，这个值大约是每相端线电流的倍。wt0uain解下页上页返回第四章二极管整流电路

4.6三相全桥整流电路三相交流电压供电，与单相整流电路相比，三相整流电路纹波含量低，具有较高的功率处理能力，更适应用于工业生产实际中。idia-+udCd

LsRLbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+下页上页返回第四章二极管整流电路

4.6.1Ls=0的理想电路用负载电阻RL代替恒流源Id，两种电路的工作情况基本相同。Id

-+udbPacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+Nia-+udRL

bPacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+Nia下页上页返回第四章二极管整流电路

整流电路的另一种画法-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5Id

-+udbPacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+Nia-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5阳极电位最高的二极管导通，其余两个管子电压反向偏置关断下页上页返回第四章二极管整流电路

Ls=0

时：阴极电位最低的二极管导通，其余两个管子电压反向偏置关断0p/6-p/6AUd0下页上页返回第四章二极管整流电路

uPn是直流侧正极性端P点相对于交流电压中性点n的电压。uNn是直流侧负极性端N相对于交流电压中性点n的电压。0wtuanubnucnuPnuNnud0wt-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5三相电压波形下页上页返回第四章二极管整流电路

利用KVL分析直流侧电流恒定的三相整流电路，可得直流侧电压：六脉动整流电路在每个周期内，整流输出电压波形由6个脉动波组成。每个脉动波的波形对应一个线电压，线电压的组合共有6种。下页上页返回第四章二极管整流电路

直流电压由6个线电压的部分区间所形成，每个二极管导通120°。0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt下页上页返回第四章二极管整流电路

wt0wt00wt1200VD11200VD4600VD4VD1iaibVD6VD3VD6VD3icVD2VD5VD2VD5三相电流波形下页上页返回第四章二极管整流电路

wt0wt00wt1200VD11200VD4600VD4VD1iaibVD6VD3VD6VD3icVD2VD5VD2VD5a相电流关系：ia

=IdVD1导通-Id

VD4导通0VD1和VD4都不导通下页上页返回第四章二极管整流电路

根据Ls=0的假设条件，从一个二极管到另一个二极管的换流过程瞬时完成。稳定输出的情况下，每个周期的6个脉冲波相同，只需分析其中一个脉冲波的直流电压平均值或交流输入电流的有效值，计算出直流输出电压在60°或p/3弧度时间段内的平均值。-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5下页上页返回第四章二极管整流电路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt平均值的积分区间选择三相线电压中具有最高值的相作为积分区间，并以该区间的起始时刻作为积分开始时刻。下页上页返回第四章二极管整流电路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt以线电压uab为例，则有线电压有效值下页上页返回第四章二极管整流电路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt面积A为:下页上页返回第四章二极管整流电路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt用时间间隔p/3除A，得：如用相电压U表示直流输出电压的平均值，则:下页上页返回第四章二极管整流电路

wt0usisis1根据图中相电流波形，可得到理想情况下线电流is的有效值：is的基波分量is1的有效值为:下页上页返回第四章二极管整流电路

根据h次谐波和基波分量关系，h次谐波电流Ish为：h=5，7，11，13，…is1与相电压us同相位,所以：DPF=1.001.0131175hIsh/Is11/131/111/71/5下页上页返回第四章二极管整流电路

直流侧接负载电阻时，相电流流过二极管的电流幅值不恒定，是向下倾斜的曲线，倾斜的梯度由电容与负载大小之间的相对比例确定。-+udRL

bPacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+Nia下页上页返回第四章二极管整流电路

4.6.2

Ls对换流过程的影响实际上，变压器绕组有漏感，线路有分布电感，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，换流过程不能瞬时完成。-+udId

bacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+iaLs下页上页返回第四章二极管整流电路

-+udId

bacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+iaLs假设t=0或wt=0是换流初始时刻,在这一时刻之前，电流id流经二极管VD5和VD6。下页上页返回第四章二极管整流电路

设两相间电压差为:udiff=uan

–ucn根据网孔电流列写回路方程得相应相电流:uLauducomm-+-+-+LsidicLscbauLc+-NPigIdn下页上页返回第四章二极管整流电路

换流重叠角在tg时刻换流过程结束，对应的电角度g=wtg

a，c两相换流时的相电流波形IdIdg0wt0iaic下页上页返回第四章二极管整流电路

交流侧电感上的电压为：因为：ic=Id–ig所以：dic/dt=d(Id–ig)/dt=–d

ig/dt

uLauducomm-+-+-+LsidicLscbauLc+-NPigIdn下页上页返回第四章二极管整流电路

利用KVL，并结合前面的微分方程，可推得：从而有：对上式两边同乘以w，并进行积分得：下页上页返回第四章二极管整流电路

根据所选择的初始时刻，电压差(uan–ucn)为：将上式代入得：整理后得：下页上页返回第四章二极管整流电路

电流的换流是瞬时完成：Ls=0零，cosg=1，g=0，换流开始wt=0时，电压uPn等于uan，见下图：wt0wt00wt1200VD11200VD4600VD4VD1iaibVD6VD3VD6VD3icVD2VD5VD2VD5g0g下页上页返回第四章二极管整流电路

wt0uanubnucnuPnAguNnAgLs≠0时，0<wt<wtg的区间内有：换相过程中，电压uPn为同时导通的两个二极管所对应的两个相电压的平均值。下页上页返回第四章二极管整流电路

g0gwt0uanubnucnuPnAguNnAg换流期间，平均输出电压有一定的损失，所减小的面积Ag为：

换相压降换流期间，输出的平均电压Ud降低的数值。平均直流输出电压为：Ls

=0时直流输出电压平均值下页上页返回第四章二极管整流电路

4.6.2.1．直流侧接恒定电压ud(t)=Ud假定直流侧的电流id是不连续的，因此，任何时刻，上、下两组二极管中只有一个二极管导通。idia-+udCd

LsRLbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+idia-+UdLsbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+下页上页返回第四章二极管整流电路

idia-+UdLsbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+PLsLsuin+-UdN+-VDPVDN直流侧恒定电压三相整流等值电路下页上页返回第四章二极管整流电路

Ls≠0时,直流侧恒定电压的三相整流电路波形uacuabuinＵd0wtuania输入电压由相间电压构成的脉冲波组成下页上页返回第四章二极管整流电路

4.6.2.2电流波形的畸变实际整流电路中功率因数、总谐波畸变率和直流输出电压是电能质量中的重要参数。假定Id以Isc为基准标准值，根据交流输入线电压确定Isc

：idia-+udCd

LsRLbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+下页上页返回第四章二极管整流电路

0.60.500.70.40.20.31.00.020.060.90.80.040.080.10DPFPFTHDi整流电路（直流侧恒定电压）总谐波畸变率、DPF及PF曲线整流电路（直流侧恒定电压）标准值Ud与波形因数的关系1.9851.9751.9801.9601.9701.9650.040.020.060.080.102.11.41.51.71.61.81.92.02.0052.0001.9951.9901.955CFUd

/Ud00下页上页返回第四章二极管整流电路

4.6.3实际三相二极管桥式整流电路Cd

=1100F，该电路向负载提供的功率约为2.2kW。负载部分用34.0的等值电阻表示。试借助Pspice电路仿真程序分析相应的电路波形。例9图中参数分别为：ULL=208V，频率=60Hz，Ls

=1mH，idia-+udCd

LsRLbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+下页上页返回第四章二极管整流电路

解采用Pspice分析，得到如图所示的电压、电流波形。iauan0wtucbucaubaubcuacidud下页上页返回第四章二极管整流电路

仿真程序得到的分析结果表明:平均直流输出电压=

278.0V，含有4.2V的峰-峰纹波电压，平均直流电压中的纹波为1.5%输入电流的THD=54.9%DPF=0.97（超前）PF=

0.85平均直流电流=7.94A下页上页返回第四章二极管整流电路

在上例中，直流侧带有1100F的滤波电容，且电容上的平均电压为278.0V，但叠加了少量的纹波电压。现假设直流侧为恒定的直流电压源，试利用下两图中的函数关系曲线分析其他各相关量。例100.60.500.70.40.20.31.00.020.060.90.80.040.080.10DPFPFTHDi1.9851.9751.9801.9601.9701.9650.040.020.060.080.102.11.41.51.71.61.81.92.02.0052.0001.9951.9901.955CFUd

/Ud00下页上页返回第四章二极管整流电路

解因为Ud

=278.0V，所以Ud/Ud0=0.99070.60.500.70.40.20.31.00.020.060.90.80.040.080.10DPFPFTHDi1.9851.9751.9801.9601.9701.9650.040.020.060.080.102.11.41.51.71.61.81.92.02.0052.0001.9951.9901.955CFUd

/Ud00从图中看出：

Id/I