電力電子技術(shù)第五版課件第3章 整流電路35-36

1、13.5 整流電路的諧波和功率因數(shù)23.5 整流電路的諧波和功率因數(shù)引言n隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛，由此帶來的諧波(harmonics)和無功(reactive power)問題日益嚴(yán)重，引起了關(guān)注。無功的危害：導(dǎo)致設(shè)備容量增加。使設(shè)備和線路的損耗增加。線路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動。諧波的危害：降低設(shè)備的效率。影響用電設(shè)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。導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作。對通信系統(tǒng)造成干擾。33.5.1 諧波和無功功率分析基礎(chǔ)1） 諧波諧波對于非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級數(shù)傅里葉級數(shù)： n次諧波電流含有率以HRIn

2、（Harmonic Ratio for In）表示 （3-57） 電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）定義為 （3-58）%1001IIHRInn%1001IITHDhi正弦波電壓可表示為：)sin(2)(utUtu 基波（fundamental）頻率與工頻相同的分量 諧波頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量 諧波次數(shù)諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比Ih:總諧波電流的有效值43.5.1 諧波和無功功率分析基礎(chǔ)2） 功率因數(shù)功率因數(shù)正弦電路中的情況電路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率：20cos)(21UItuidP（3-59） 視在功率視在功率為電壓、電

3、流有效值的乘積，即S=UI （3-60） 無功功率無功功率定義為： Q=U I sin （3-61） 功率因數(shù)功率因數(shù)l 定義為有功功率P和視在功率S的比值：SPl（3-62） 此時無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關(guān)系：222QPS（3-63） 功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差 決定的：l l =cos （3-64）53.5.1 諧波和無功功率分析基礎(chǔ)n非正弦電路中的情況 有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功率因數(shù)仍由式 定義。 不考慮電壓畸變，研究電壓為正弦波、電流為非正弦波的情況有很大的實際意義。SPl非正弦電路的有功功率 ：P=U I1 cos 1 （3-65

4、）功率因數(shù)功率因數(shù)為：11111coscoscoslIIUIUISP（3-66） 基波因數(shù)基波因數(shù) =I1 / I，即基波電流有效值和總電流有效值之比 位移因數(shù)位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）cos 1功率因數(shù)由基波電流相移基波電流相移和電流波形畸變電流波形畸變這兩個因素共同決定的。63.5.1 諧波和無功功率分析基礎(chǔ)n非正弦電路的無功功率 定義很多，但尚無被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義。 一種簡單的定義是仿照式（3-63）給出的： （3-67）22PSQ 無功功率Q反映了能量的流動和交換，目前被較廣泛的接受。 也可仿照式（3-61）定義無功功率，為和式（3-67）區(qū)別，采用符號Qf，忽略電壓中的諧波時

5、有：Q f =U I 1 sin 1 (3-68）在非正弦情況下， ，因此引入畸變功率畸變功率D，使得： （3-69）222fQPS2222DQPSfQ f為由基波電流所產(chǎn)生的無功功率，D是諧波電流產(chǎn)生的無功功率。73.5.2 帶阻感負(fù)載時可控整流電路 交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析1) 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路忽略換相過程和電流脈動，帶阻感負(fù)載，直流電感L為足夠大（電流i2的波形見圖3-6g）i2Otd21,3,5,1,3,5,411(sinsin3sin5)3541sin2sinnnniItttIntIntndd（3-72）變壓器二次側(cè)電流諧波分析：nIInd22n=1,3,5,

6、（3-73） 電流中僅含奇次諧波。 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)。 電流基波和各次諧波有效值為：83.5.2 帶阻感負(fù)載時可控整流電路 交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析q基波電流有效值為基波電流有效值為 （3-74）q i2的有效值的有效值I= Id，結(jié)合式（，結(jié)合式（3-74）可得）可得基波因數(shù)基波因數(shù)為為 （3-75）q電流基波與電壓的相位差就等于控制角電流基波與電壓的相位差就等于控制角 ，故故位移因數(shù)（基波功率位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）因數(shù)）為為 （3-76）q 所以，功率因數(shù)為所以，功率因數(shù)為 d122IIII12 209 .llcos9.0cos22co

7、s111IIlcoscos11（3-77） 功率因數(shù)計算功率因數(shù)計算93.5.2 帶阻感負(fù)載時可控整流電路 交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析2）三相橋式全控整流電路）三相橋式全控整流電路圖2-23 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=30時的波形阻感負(fù)載，忽略換相過程和電流脈動，直流電感L為足夠大。以 =30為例，此時，電 流 為 正 負(fù) 半 周 各120的方波，其有效值與直流電流的關(guān)系為：d32II （3-78）tud1 = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac tOOtOtOidiat1uaubucd32II （2-78）103.5.2 帶阻感負(fù)載時可控整流電路 交流側(cè)諧波

8、和功率因數(shù)分析 電流基波和各次諧波有效值分別為,3,2,1,16,66dd1kknInIIIn（3-80） 電流中僅含6k1（k為正整數(shù)）次諧波。 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)。功率因數(shù)計算功率因數(shù)計算 基波因數(shù)：955.031II（3-81） 位移因數(shù)仍為：lcoscos11（3-82） 功率因數(shù)為：10.955cosll（3-83）113.5.3 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1) 單相橋式不可控整流電路單相橋式不可控整流電路 實用的單相不可控整流電路采用感容濾波。實用的單相不可控整流電路采用感容濾波。電容濾波的單相不可控整流電路

9、交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：諧波次數(shù)為奇次。諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。諧波與基波的關(guān)系是不固定的。 越大，則諧波越小。LC關(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下：位移因數(shù)接近1，輕載超前，重載滯后。諧波大小受負(fù)載和濾波電感的影響。123.5.3 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2) 三相橋式不可控整流電路三相橋式不可控整流電路 實際應(yīng)用的電容濾波三相不可控整流電路中通常有濾波電感。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6k1次，k =1，2，3。諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。諧波與基波的關(guān)系是不固定的。關(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下關(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下：位移因數(shù)通常是滯后的,但

10、與單相時相比,位移因數(shù)更接近1。隨負(fù)載加重（RC的減小），總的功率因數(shù)提高；同時，隨濾波電感加大，總功率因數(shù)也提高。133.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析 整流電路的輸出電壓中主要成分為直流，同時包含各種頻率的諧波，這些諧波對于負(fù)載的工作是不利的。圖3-35 =0時，m脈波整流電路的整流電壓波形 =0 時，m脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析。整流輸出電壓諧波分析整流輸出電壓諧波分析整流輸出電流諧波分析整流輸出電流諧波分析電壓紋波因數(shù)電壓紋波因數(shù)0.80.91圖 2-330.81udtOmm2mU220RudUU143.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析n =0時整流電壓、電流

11、中的諧波有如下規(guī)律：m脈波整流電壓ud0的諧波次數(shù)為mk（k=1，2，3.）次，即m的倍數(shù)次；整流電流的諧波由整流電壓的諧波決定，也為mk次。當(dāng)m一定時，隨諧波次數(shù)增大，諧波幅值迅速減小，表明最低次（m次）諧波是最主要的，其它次數(shù)的諧波相對較少；當(dāng)負(fù)載中有電感時，負(fù)載電流諧波幅值dn的減小更為迅速。m增加時，最低次諧波次數(shù)增大，且幅值迅速減小，電壓紋波因數(shù)迅速下降。 153.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析n 不為不為0 時的情況時的情況：q整流電壓諧波的一般表達式十分復(fù)雜，下面只說明諧波電壓與 角的關(guān)系。030120 150 180600.10.20.390n=6n=12n=18/()U

12、2Lcn2圖3-36 三相全控橋電流連續(xù)時，以n為參變量的與 的關(guān)系以n為參變量，n次諧波幅值對 的關(guān)系如圖3-36所示： 當(dāng) 從0 90 變化時，ud的諧波幅值隨 增大而增大， =90 時諧波幅值最大。 從90 180之間電路工作于有源逆變工作狀態(tài)，ud的諧波幅值隨 增大而減小。163.6 大功率可控整流電路173.6 大功率可控整流電路引言n帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路的特點：q適用于低電壓、大電流的場合。n多重化整流電路的特點：q在采用相同器件時可達到更大的功率。q可減少交流側(cè)輸入電流的諧波或提高功率因數(shù)，從而減小對供電電網(wǎng)的干擾。183.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路n

13、電路結(jié)構(gòu)的特點電路結(jié)構(gòu)的特點圖3-37 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路 二次側(cè)為兩組匝數(shù)相同極性相反的繞阻，分別接成兩組三相半波電路。 二次側(cè)兩繞組的極性相反可消除鐵芯的直流磁化。 平衡電抗器是為保證兩組三相半波整流電路能同時導(dǎo)電。 與三相橋式電路相比，雙反星形電路的輸出電流可大一倍。193.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路 繞組的極性相反的目的：消除直流磁通勢消除直流磁通勢 如圖可知，雖然兩組相電流的瞬時值不同，但是平均電流相等而繞組的極性相反，所以直流安匝互相抵消。圖3-38 雙反星形電路， =0時兩組整流電壓、電流波形ttud1uaubuciaud2iaucuaubucOtO

14、OtOId12Id16Id12Id16203.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路n接平衡電抗器的原因：接平衡電抗器的原因：兩組整流電壓平均值相等，但瞬時值不等。當(dāng)電壓平均值和瞬時值均相等時，負(fù)載電流才能平均分配。兩個星形的中點n1和n2間的電壓等于ud1和ud2之差。該電壓加在Lp上，產(chǎn)生電流ip，它通過兩組星形自成回路，不流到負(fù)載中去，稱為環(huán)流環(huán)流或平衡電流平衡電流。為了使兩組電流盡可能平均分配，一般使Lp值足夠大，以便限制環(huán)流在負(fù)載額定電流的1%2%以內(nèi)。213.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路n雙反星形電路中如不接平衡電抗器，即成為六相六相半波整流電路半波整流電路： 只能有

15、一個晶閘管導(dǎo)電，其余五管均阻斷，每管最大導(dǎo)通角為60o，平均電流為Id/6。 當(dāng)=0o 時，Ud為1.35U2，比三相半波時的1.17U2略大些。 因晶閘管導(dǎo)電時間短，變壓器利用率低，極少采用。平衡電抗器的作用：平衡電抗器的作用： 使得兩組三相半波整流電路同時導(dǎo)電。 對平衡電抗器作用的理解是掌握雙反星形電路原理的關(guān)鍵。223.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路n平衡電抗器工作原理分析原理分析：圖2-37 平衡電抗器作用下輸出電壓的波形和平衡電抗器上電壓的波形圖3-40 平衡電抗器作用下兩個晶閘管同時導(dǎo)電的情況 平衡電抗器Lp承擔(dān)了n1、n2間的電位差，它補償了ub和ua的電動勢差，使得u

16、b和ua兩相的晶閘管能同時導(dǎo)電。d1d2puuu)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuu（3-97）（3-98） 時，ubua，VT6導(dǎo)通，此電流在流經(jīng)LP時，LP上要感應(yīng)一電動勢up，其方向是要阻止電流增大?？蓪?dǎo)出Lp兩端電壓、整流輸出電壓的數(shù)學(xué)表達式如下：1tupud1,ud2OO60 360 t1ttb)a)uaubucucuaubub233.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路n原理分析原理分析(續(xù)續(xù))：圖3-39 平衡電抗器作用下輸出電壓的波形和平衡電抗器上電壓的波形圖3-40 平衡電抗器作用下兩個晶閘管同時導(dǎo)電的情況 雖然 ，但由于Lp的平衡作用，使得晶閘管VT6和

17、VT1同時導(dǎo)通。 時間推遲至ub與ua的交點時， ub = ua ， 。 之后 ub ub ，電流才從VT6換至VT2。此時VT1、VT2同時導(dǎo)電。 每一組中的每一個晶閘管仍按三相半波的導(dǎo)電規(guī)律而各輪流導(dǎo)電。21dduu0puupud1,ud2OO60 360 t1ttb)a)uaubucucuaubub243.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路n由上述分析以可得：圖3-39 平衡電抗器作用下輸出電壓的波形和平衡電抗器上電壓的波形 平衡電抗器中點作為整流電壓輸出的負(fù)端，其輸出的整流電壓瞬時值為兩組三相半波整流電壓瞬時值的平均值。波形如圖2-37 a。)(212121d2d1pd1pd2d

18、uuUuuuu（3-98）諧波分析 分析詳見P75-P76。ud中的諧波分量比直流分量要小得多，且最低次諧波為六次諧波。直流平均電壓為：2017.1UUdu ,uupd1d2OO60 360 t1ttb)a)uaubucucuaubub253.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路n =30 、 =60 和和 =90 時輸出電壓的波形分析時輸出電壓的波形分析圖3-41 當(dāng) =30、60、90時，雙反星形電路的輸出電壓波形 分析輸出波形時，可先求出ud1和ud2波形，然后根據(jù)式（3-98）做出波形( ud1+ud2 ) / 2。 輸出電壓波形與三相半波電路比較，脈動程度減小了，脈動頻率加大一倍

19、，f=300Hz。 電感負(fù)載情況下，移相范圍是90。 電阻負(fù)載情況下，移相范圍為120。90。60。30udududtOtOtOuaubucucuaububucucuaububucucuaub263.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路n整流電壓平均值與三相半波整流電路的相等，為: Ud=1.17 U2 cos 將雙反星形電路與三相橋式電路進行比較可得出以下結(jié)論：三相橋為兩組三相半波串聯(lián)，而雙反星形為兩組三相半波并聯(lián)，且后者需用平衡電抗器。當(dāng)U2相等時，雙反星形的Ud是三相橋的1/2，而Id是三相橋的2倍。兩種電路中，晶閘管的導(dǎo)通及觸發(fā)脈沖的分配關(guān)系一樣，ud和id的波形形狀一樣。273.

20、6.2 多重化整流電路n概述： 整流裝置功率進一步加大時，所產(chǎn)生的諧波、無功功率等對電網(wǎng)的干擾也隨之加大，為減輕干擾，可采用多重化整流電路。原理： 按照一定的規(guī)律將兩個或更多的相同結(jié)構(gòu)的整流電路 進行組合得到。目標(biāo)： 移相多重聯(lián)結(jié)減少交流側(cè)輸入電流諧波，串聯(lián)多重整流電路采用順序控制可提高功率因數(shù)。283.6.2 多重化整流電路1) 移相多重聯(lián)結(jié)移相多重聯(lián)結(jié)圖3-42 并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路有并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)和串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)。可減少輸入電流諧波，減小輸出電壓中的諧波并提高紋波頻率，因而可減小平波電抗器。使用平衡電抗器平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路脈波整流

21、電路。293.6.2 多重化整流電路n移相移相30 構(gòu)成的串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路圖3-43 移相30串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路 圖3-44 移相30串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路電流波形 整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法構(gòu)成相位相差30、大小相等的兩組電壓。 該電路為12脈波整流電路。星形三角形0a)b)c)d)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2tttt000Id2333Id33IdId323(1+ )Id323(1+)Id33Id13303.6.2 多重化整流電路niA基波幅值Im1和n次諧波幅值Imn分別如下：)32(34dd1IIIm單橋時為（3-103）（3-104）, 3 , 2 , 1, 112341dkknInImn即輸入電流諧波次數(shù)為12k1，其幅值與次數(shù)成反比而降低。該電路的其他特性如下：直流輸出電壓 位移因數(shù) cos 1 1=cos （單橋時相同）功率因數(shù) l l= cos 1 1 =0.9886cos UUdcos266313.6.2 多重化整流電路n利用變壓器二次繞阻接法的不同，互相錯開20，可將三組橋構(gòu)成串聯(lián)