電力電子技術第3章 整流電路-33~35

1、13.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感變壓器漏感 實際上變壓器繞組總有實際上變壓器繞組總有漏感漏感，該漏感可用一個集中的電，該漏感可用一個集中的電感感LB表示，并將其折算到表示，并將其折算到變壓器二次側(cè)變壓器二次側(cè)。 由于電感對電流的變化起阻礙作用，電感電流不能突變，由于電感對電流的變化起阻礙作用，電感電流不能突變，因此因此換相換相過程不能瞬間完成，而是會過程不能瞬間完成，而是會持續(xù)一段時間持續(xù)一段時間。 3.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響udidwtOwtOgiciaibicuaubuca分析從分析從VT1換相至換相至VT2的過程的

2、過程 在在w wt1時刻之前時刻之前VT1導通，導通， w wt1時刻觸發(fā)時刻觸發(fā)VT2，因，因a、b兩相均有漏兩相均有漏感，故感，故ia、ib均不能突變，于是均不能突變，于是VT1和和VT2同時導通，相當于將同時導通，相當于將a、b兩相短路兩相短路，兩相間電壓差為，兩相間電壓差為ub-ua，它在兩相組成的回路中產(chǎn)生它在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流環(huán)流ik。 ik=ib是逐漸增大的，是逐漸增大的， 而而 ia=Id-ik是逐漸減小的。是逐漸減小的。 當當ik增大到等于增大到等于Id時，時，ia=0，VT1關斷，換流過程結束。關斷，換流過程結束。 換相過程持續(xù)的時間用電角換相過程持續(xù)的時間用電角度度

3、g g表示，稱為表示，稱為換相重疊角換相重疊角。 w wt1時刻時刻 三相半波電路三相半波電路基本數(shù)量關系基本數(shù)量關系 換相過程中，整流輸出電壓瞬時值為換相過程中，整流輸出電壓瞬時值為3.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響2ddddbabaduutiLutiLuukBkB(3-30)3換相壓降：與不考慮變壓器漏感時相比，換相壓降：與不考慮變壓器漏感時相比，ud平均值降低平均值降低的多少，即的多少，即3.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響556655dbdbbB66565BBB d06d13()d()()d()2 /32dd333d()d2d22dkI

4、kkiUuutuuLttiLtL iX Ita ga gaaa gawwww (3-31)4udidwtOwtOgiciaibicuaubuca3.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響換相重疊角換相重疊角g g B2Bab2)65(sin62)(ddLtULuutikw2Bd65sin ()d26kiUttXww2256BB6655sin()d()coscos()2626tkUUitttXXwawwaw)cos(cos26B2dgaaXUI2dB62)cos(cosUIXgaa52ddddbabaduutiLutiLuukBkB3.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對

5、整流電路的影響換相重疊角換相重疊角g g 2dB62)cos(cosUIXgaa6 g g隨其它參數(shù)變化的規(guī)律：隨其它參數(shù)變化的規(guī)律： Id越大則越大則g g越大；越大； XB越大越大g g越大；越大； 當當a a90 時，時，a a越小越小g g越大。越大。 3.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響其它整流電路的分析結果其它整流電路的分析結果 電路形式電路形式單相全波單相全波單相全控橋單相全控橋三相半波三相半波三相全控橋三相全控橋m脈波整流電路脈波整流電路 dU)cos(cosgaadBIXdB2IXdB23IXdB3IXdB2ImX2Bd2UXI2Bd22UXI2dB6

6、2UIX2dB62UIXmUXIsin22Bd注：單相全控橋電路中，注：單相全控橋電路中，XB在一周期的兩次換相中都起作用，等在一周期的兩次換相中都起作用，等效為效為m=4； 三相橋等效為相電壓等于三相橋等效為相電壓等于 的的6脈波整流電路，故其脈波整流電路，故其m=6，相電壓按相電壓按 代入。代入。23U23U73.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路影響的一些結論變壓器漏感對整流電路影響的一些結論: 出現(xiàn)換相重疊角出現(xiàn)換相重疊角g g，整流輸出電壓平均值，整流輸出電壓平均值Ud降低。降低。 整流電路的工作狀態(tài)增多。整流電路的工作狀態(tài)增多。 晶閘管的晶

7、閘管的di/dt減小，有利于晶閘管的安全開通，有時減小，有利于晶閘管的安全開通，有時人為串入進線電抗器以抑制晶閘管的人為串入進線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。 換相時晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的換相時晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使，可能使晶閘管誤導通，為此必須加晶閘管誤導通，為此必須加吸收電路吸收電路。 換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源干擾源。83.4 電容濾波的不可控整流電路電容濾波的不可控整流電路 3.4.1 電容濾波的單相不可控整流電路電容濾波的單相不可控整流電路 3.4.2 電容濾波的三相不可控整流電路電容濾波的三相不可控整流電路 93.

8、4 電容濾波的不可控整流電路電容濾波的不可控整流電路引言引言交交直直交變頻器、不間斷電源、開關電源等應用場合交變頻器、不間斷電源、開關電源等應用場合大都采用大都采用不可控整流電路不可控整流電路。最常用的是最常用的是單相橋式單相橋式和和三相橋式三相橋式兩種接法。兩種接法。 由于電路中的電力電子器件采用由于電路中的電力電子器件采用整流二極管整流二極管，故也稱這，故也稱這類電路為類電路為二極管整流電路二極管整流電路。10例子11 11開關電源電路圖開關電源電路圖Boost PFC帶隔離帶隔離DC-DC輸入濾波輸入濾波輸出濾波輸出濾波AC-DC3.4.1 電容濾波的單相不可控整流電路電容濾波的單相不可

9、控整流電路工作原理及波形分析工作原理及波形分析 基本工作過程基本工作過程 在在u2正半周過零點至正半周過零點至w wt=0期間，因期間，因u2 和和w wRC 分別是電流分別是電流id斷續(xù)和連續(xù)的條件。斷續(xù)和連續(xù)的條件。 通常只有通常只有R是可變的，它的大小反映了是可變的，它的大小反映了負載的輕重負載的輕重，因此在，因此在輕載輕載時時直流側(cè)獲得的充電電流是直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)斷續(xù)的，的，重載重載時是時是連續(xù)連續(xù)的。的。 12t-(- )RC3222t+=32t+=326sin3 6sin(t+ )()( t)UeUtwwwwwwwdddd333a)b)wtwtwtwtaidaidOOOO

10、33(3-50)21w wRC=w wRC3.4.2 電容濾波的三相不可控整流電路電容濾波的三相不可控整流電路iaiaOOw tw t考慮電感考慮電感 實際電路中存在實際電路中存在交流側(cè)電感交流側(cè)電感以及為以及為抑制沖擊電流抑制沖擊電流而串聯(lián)的而串聯(lián)的電感電感。 有電感時，電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。有電感時，電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。 隨著隨著負載的加重負載的加重，電流波形與電阻負載時的交流側(cè)電流波形逐漸，電流波形與電阻負載時的交流側(cè)電流波形逐漸接近。接近。 22輕載時的交流側(cè)電流波形輕載時的交流側(cè)電流波形重載時的交流側(cè)電流波形重載時的交流側(cè)電流波形

11、主要數(shù)量關系主要數(shù)量關系 輸出電壓平均值輸出電壓平均值 Ud在（在（2.34U2 2.45U2）之間變化。）之間變化。 電流平均值電流平均值 輸出電流平均值輸出電流平均值IR為：為： IR=Ud/R 電容電流電容電流iC平均值為零平均值為零，因此：，因此： Id=IR 二極管電流平均值為二極管電流平均值為Id的的1/3，即，即 ID=Id/3=IR/3 二極管承受的電壓二極管承受的電壓 為為線電壓線電壓的峰值，為的峰值，為 。3.4.2 電容濾波的三相不可控整流電路電容濾波的三相不可控整流電路(3-51)(3-52)(3-53)26U233.5 整流電路的諧波和功率因數(shù)整流電路的諧波和功率因數(shù)

12、3.5.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎3.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧 波和功率因數(shù)分析波和功率因數(shù)分析3.5.3 電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析波和功率因數(shù)分析3.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析 243.5 整流電路的諧波和功率因數(shù)整流電路的諧波和功率因數(shù)引言引言隨著電力電子技術的發(fā)展，其應用日益廣泛，由此帶來隨著電力電子技術的發(fā)展，其應用日益廣泛，由此帶來的的諧波諧波和和無功無功問題日益嚴重。問題日益嚴重。無功的危害無功的危害 導致設備容量增加。

13、導致設備容量增加。 使設備和線路的損耗增加。使設備和線路的損耗增加。 線路壓降增大，沖擊性負載使電壓劇烈波動。線路壓降增大，沖擊性負載使電壓劇烈波動。諧波的危害諧波的危害 降低發(fā)電、輸電及用電設備的效率。降低發(fā)電、輸電及用電設備的效率。 影響用電設備的正常工作。影響用電設備的正常工作。 引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。 導致繼電保護和自動裝置的誤動作。導致繼電保護和自動裝置的誤動作。 對通信系統(tǒng)造成干擾。對通信系統(tǒng)造成干擾。 25諧波諧波 正弦波正弦波電壓可表示為電壓可表示為 非正弦非正弦電壓電壓u(w wt)分解為如下形式的傅里葉級數(shù)分解為

14、如下形式的傅里葉級數(shù) 3.5.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎)sin(2)(utUtuwutaan tbn tnnn()(cossin)www01ww200)(d)(21ttuawww20)(dcos)(1ttntuanwww20)(dsin)(1ttntubnn=1, 2, 3(3-54)26utacntnnn()sin()ww01cabnnn22)/(annnnbaarctacnnnsinbcnnncos3.5.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎utacntnnn()sin()ww01基波基波：頻率與工頻相同的分量。：頻率與工頻相同的分量。 諧波諧波：頻率為

15、基波頻率大于：頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。整數(shù)倍的分量。 諧波次數(shù)諧波次數(shù)：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。 n次諧波電流含有率以次諧波電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示）表示 HRIIInn1100(%)電流諧波總畸變率電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）定）定義為（義為（Ih為總諧波電流有效值）為總諧波電流有效值） (%)1001IITHDhi(3-58)273.5.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎功率因數(shù)功率因數(shù) 正弦電路正弦電路 有功功率就是其平均功率：有功功率

16、就是其平均功率： w20cos)(21IUtiduP視在功率為：視在功率為： S=UI 無功功率為：無功功率為： Q=UIsin 功率因數(shù)為：功率因數(shù)為： SP無功功率無功功率Q與有功功率與有功功率P、視在功率、視在功率S之間的關系：之間的關系： 222QPS在正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差在正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差 決定的，其值為：決定的，其值為： =cos 2822PSQ3.5.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎11cosUIP非正弦電路非正弦電路 有功功率為有功功率為功率因數(shù)為：功率因數(shù)為：式中式中I1為基波電流有效值，為基波電流有效值， 1為

17、基為基波電流與電壓的相位差。波電流與電壓的相位差。11111coscoscosIIUIUISP式中，式中， =I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為，即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為基波基波因數(shù)因數(shù)，而，而cos 1稱為稱為位移因數(shù)位移因數(shù)或或基波功率因數(shù)基波功率因數(shù)。 無功功率無功功率 （2）定義為（基波電流產(chǎn)生的無功功率）：定義為（基波電流產(chǎn)生的無功功率）： 畸變功率（諧波電流產(chǎn)生的無功功率）：畸變功率（諧波電流產(chǎn)生的無功功率）：22222nnfIUQPSD11sinUIQf（1）一般簡單定義為（反映了能量的流動和交換）：一般簡單定義為（反映了能量的流動和交換）： 3.

18、5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 輸入電流波形如圖輸入電流波形如圖3-6所示，將電流波形分解為傅里葉級數(shù)所示，將電流波形分解為傅里葉級數(shù)302OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u3.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 輸入電流波形如圖輸入電流波形如圖3-6所示，將電流波形分解為傅里葉級數(shù)，可得所示，將

19、電流波形分解為傅里葉級數(shù)，可得 ,5, 3, 1,5, 3, 12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnnddtnItnnItttIiwwwww其中基波和各次諧波有效值為其中基波和各次諧波有效值為 nIIdn22n=1,3,5, 可見，電流中僅含可見，電流中僅含奇次諧波奇次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。 圖圖3-6 i2的波形的波形(3-72)(3-73)313.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因

20、數(shù)分析功率因數(shù)功率因數(shù) 基波電流有效值為基波電流有效值為IId12 2i2的有效值的有效值I=Id，可得基波因數(shù)為，可得基波因數(shù)為 II12 209 .電流基波與電壓的相位差就等于電流基波與電壓的相位差就等于控制角控制角a a，故位移因數(shù)為，故位移因數(shù)為 acoscos11功率因數(shù)為功率因數(shù)為aacos9 . 0cos22cos111II(3-74)(3-75)(3-76)(3-77)323.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路 以以a a=30 為例為例33ud1a = 30ud2ud

21、uabuacubcubaucaucbuabuacwtOwtOwtOwtOidiawt1uaubuc3.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路 以以a a=30 為例，電流有效值為為例，電流有效值為 dII32電流波形分解為傅立葉級數(shù)電流波形分解為傅立葉級數(shù) 3,2, 11613,2, 116asin2) 1(sin2sin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknnkkknkdddtnItItnnItItttttIiwwwwwwwww(

22、3-78)(3-79)34圖圖3-24 ia的波形的波形3.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析電流基波和各次諧波有效值分別為電流基波和各次諧波有效值分別為, 3 , 2 , 1, 16,661kknInIIIdnd結論：電流中僅含結論：電流中僅含6k 1（k為正整數(shù)）次諧波為正整數(shù)）次諧波，各次諧，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。諧波次數(shù)的倒數(shù)。 (3-80)a611,2,31611,2,32 32 31=sin( 1)sin2sin( 1

23、)2sinkddnkkknnkkiItIntnItIntwwww3.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析功率因數(shù)功率因數(shù)基波因數(shù)為基波因數(shù)為955. 031II電流基波與電壓的相位差仍為電流基波與電壓的相位差仍為a a，故位移因數(shù)仍為，故位移因數(shù)仍為 acoscos11功率因數(shù)為功率因數(shù)為aacos995. 0cos3cos111II(3-81)(3-82)(3-83)363.5.3 電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析單相橋式不可控整流電路單相橋式不可控整流電路（采

24、用感容濾波）（采用感容濾波） 交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律： 諧波次數(shù)為諧波次數(shù)為奇次奇次。 諧波次數(shù)越高，諧波諧波次數(shù)越高，諧波幅值幅值越小。越小。 諧波與基波的關系是不固定的，諧波與基波的關系是不固定的，RC越大，則諧波越大，則諧波越大，而基波越小越大，而基波越小。 越大，則諧波越小。越大，則諧波越小。LCw37u2udi20wti2,u2,ud3.5.3 電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析 功率因數(shù)的結論：功率因數(shù)的結論： 通常位移因數(shù)是滯后的，通常位移因數(shù)是滯后的， 負載加重（負載加重（RC減小減?。?/p>

25、滯后的角度增大而位移因），滯后的角度增大而位移因數(shù)減??；數(shù)減??； 增大，增大，滯后的角度也增大滯后的角度也增大。 RC減小，基波因數(shù)增大；減小，基波因數(shù)增大； 增大，基波因數(shù)增大。增大，基波因數(shù)增大。 LCw38LCwu2udi20wti2,u2,ud3.5.3 電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析三相橋式不可控整流電路三相橋式不可控整流電路（采用感容濾波）（采用感容濾波） 交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律： 諧波次數(shù)為諧波次數(shù)為6k1次次，k =1，2，3。 諧波次數(shù)越高，諧波諧波次數(shù)越高，諧波幅值幅值越小。越小。

26、 諧波與基波的關系是不固定的，諧波與基波的關系是不固定的， 負載越輕（負載越輕（RC越越大），則諧波越大，而基波越??；濾波電感越大（越大），則諧波越大，而基波越小；濾波電感越大（越大），則諧波越小，而基波越大大），則諧波越小，而基波越大。 關于功率因數(shù)的結論如下：關于功率因數(shù)的結論如下： 位移因數(shù)通常是位移因數(shù)通常是滯后滯后的的,但與單相時相比但與單相時相比,位移因數(shù)更位移因數(shù)更接近接近1。 隨隨負載負載加重（加重（w wRC的減?。?，總的功率因數(shù)提高；的減小），總的功率因數(shù)提高；同時，隨同時，隨濾波電感濾波電感加大，總功率因數(shù)也提高。加大，總功率因數(shù)也提高。393.5.4 整流輸出電壓和電流

27、的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析圖圖3-35 a a=0 時，時，m脈波整流電路的整流電壓波形脈波整流電路的整流電壓波形整流電路的輸出電壓是周期性的非正弦函數(shù)，其中主要整流電路的輸出電壓是周期性的非正弦函數(shù)，其中主要成分為直流，同時包含各種頻率的諧波。成分為直流，同時包含各種頻率的諧波。a a=0 時，時，m脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析 整流電壓表達式為整流電壓表達式為tuUdwcos220(3-84)403.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析傅里葉級數(shù)分解傅里葉級數(shù)分解tnnkUtnbUumkndmk

28、nnddwwcos1cos21cos2000式中，式中，k=1，2，3；且：；且：mmUUdsin220021cos2dnUnkb(3-85)41tuUdwcos2203.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析電壓紋波因數(shù)電壓紋波因數(shù) 0dRuUUg諧波分量有效值諧波分量有效值2022dmknnRUUUU(3-88)(3-89)42mmUtdtUmUmmww22sin1)()cos2(2222(3-90)3.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析m23612 u（%） 48.218.274.180.994012222012sinsin24sinRudmmmmUmUmgg表表3-3 不同脈波數(shù)不