第四章二極管整流電路

第四章二極管整流電路

4.1簡介4.2整流電路的基本概念4.3單相橋式二極管整流電路4.4單相雙重電壓整流電路4.5單相整流電路對三相四線制系統(tǒng)的中線電流的影響4.6三相全橋整流電路4.7單相整流電路與三相整流電路的比較4.8開通時(shí)的瞬間沖擊電流和過電壓

4.9電流諧波和低功率因數(shù)的影響與對應(yīng)的改善措施

小結(jié)

首

頁第四章二極管整流電路

下頁返回4.1簡介多數(shù)情況下，通過對交流電的整流得到直流電。

整流電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷难b置。二極管整流電路的功率從交流側(cè)流向直流側(cè)。多數(shù)情況下，整流電路的交流側(cè)輸入沒有變壓器，而是直接與工作電源相連。usidud+-is交流電源整流模塊下頁上頁返回第四章二極管整流電路

輸出的直流電壓中含有一定紋波，通常在直流側(cè)并聯(lián)一個(gè)大電容以穩(wěn)定輸出的直流電壓。在不考慮線路電感的前提下，該電容器的充電電壓接近交流輸入電壓的峰值。在50或60Hz的交流輸入電壓的峰值附近，通過整流電路的電流非常大，電流不連續(xù)。在每半個(gè)周期內(nèi)，電流在一個(gè)有限的時(shí)間段內(nèi)為零，這種整流電路的運(yùn)行產(chǎn)生大量的畸變電流。

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二極管整流電路是整流電路的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上采用全控型電力電子器件，實(shí)現(xiàn)整流電路的功率因數(shù)、諧波、交流側(cè)電流波形的改善和動(dòng)態(tài)特性的控制。在對整流電路的分析中，假定二極管是理想的，即導(dǎo)通時(shí)管壓降為零（導(dǎo)通電阻為零），斷開時(shí)呈現(xiàn)的阻抗為無窮大。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.2整流電路的基本概念4.2.1純電阻負(fù)載輸出電壓ud和輸出電流id中含有大量的紋波，這種電路在實(shí)際應(yīng)用中意義不大。

usuduD+-idR+-t0us

uDidi+us-uDuL

R+-+uR-+ud-L+-下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.2.2感性負(fù)載電感與電阻相串聯(lián)，將負(fù)荷部分變?yōu)楦行载?fù)載。t=0時(shí)之前，電源電壓us為負(fù)，電路中電流為零。t=0時(shí)，二極管出現(xiàn)正向偏置，電流準(zhǔn)備流過二極管。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

t>0時(shí)，二極管用短路代替。電路中的電流由下面微分方程確定：i+us-uL

R+uR-+ud-L+-電感電壓：

uL=L·di/dt

i+us-uL

R+uR-+ud-L+-uD+-ABT=1/ft1t00t2t1t3下頁上頁返回第四章二極管整流電路

usiuRuD

t1之前，us>uR（uL=us－uR值為正），電流不斷增大，電感的儲(chǔ)能也隨之增加。

t1之后，uL為負(fù)值，電流隨之減小。

t2時(shí)刻后，雖然輸入的電源電壓us變負(fù)，但是電流仍維持正向?qū)?。t00tuDfquL下頁上頁返回第四章二極管整流電路

t3時(shí)刻，電流減小到零，二極管停止導(dǎo)通，整個(gè)電路相當(dāng)于開路。此時(shí)電感電壓并不等于零。i+us-uL

R+uR-+ud-L+-uD+-ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquL下頁上頁返回第四章二極管整流電路

t3時(shí)刻電感電壓為:uL(t)=L·di/dt

對上式兩邊同時(shí)積分，積分區(qū)間從0～t3，且i(0)和i(t3)為零，于是有：由此可知:改寫后得:下頁上頁返回第四章二極管整流電路

式可分解為:面積A和B的關(guān)系為：當(dāng)面積A=B時(shí)，電流在t3時(shí)刻降低為零。ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquL下頁上頁返回第四章二極管整流電路

在t3時(shí)刻之后，R和L上的電壓為零，二極管上的電壓等于－us(t)，極性相反。波形在每個(gè)周期T(=1/f)內(nèi)重復(fù)ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquL下頁上頁返回第四章二極管整流電路

在t2到t3的區(qū)間內(nèi)負(fù)載電壓ud(t)為負(fù)，與純電阻性負(fù)載相比，這種情況下的負(fù)載平均電壓顯著降低。usuduD+-idR+-ABT=1/ft1t00t2t1t3usiuRuDt00tuDfquL+Ed-+us

-uDuL

udLi下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.2.3含直流電壓源的負(fù)載負(fù)載部分由電感和電勢為Ed的直流電壓源組成。usm下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0tt1t2t3usit0BAt0uLuD當(dāng)us(t)超過Ed時(shí)，二極管在t1時(shí)刻開始導(dǎo)通。電流在t2時(shí)刻達(dá)到峰值（us與Ed再次相等時(shí)）。

t3時(shí)刻電流衰減到零。A和B面積相等，由此可確定t3的值。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3單相橋式二極管整流電路idisiL

+us(t)-

+ud-Cd

Ls交流輸入等效模型并聯(lián)在直流側(cè)的大電容起濾波及穩(wěn)壓作用下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.1Ls=0

的理想電路idisiL

+us(t)-

+ud-Cd

Ls假定Ls=0，用電阻R或直流電流源表示整流電路的直流側(cè)。idis

+us(t)-udNPRVD4VD3VD2VD1idis

+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1id下頁上頁返回第四章二極管整流電路

+Ed-+us

-uDuL

udLi在整流電路直流輸出部分一般都要串聯(lián)一個(gè)大電感，如圖所示，以得到平穩(wěn)的輸出電流。idis

+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1id用恒定直流電流源近似表示感性負(fù)載，是整流電路的分析中是常用的方法。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

idisudPVD4NVD1VD2VD3id

+us(t)-當(dāng)us(t)大于零時(shí)，二極管VD1有id流過，us(t)將作為反向偏置電壓施加在二極管VD3上。因Ls=0，電流id瞬間轉(zhuǎn)向二極管VD3，反向偏置電壓施加在二極管VD1上。當(dāng)us(t)小于零時(shí)，下頁上頁返回第四章二極管整流電路

idisudPVD4NVD1VD2VD3id

+us(t)-當(dāng)us(t)大于零時(shí)，二極管VD2流過電流id，us(t)作為反向偏置電壓施加在二極管VD4上。電流id瞬間轉(zhuǎn)向二極管VD4，電源電壓對二極管VD2呈現(xiàn)反偏。當(dāng)us(t)小于零時(shí)，下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud兩個(gè)電路中，當(dāng)us大于零時(shí)，二極管VD1和VD2導(dǎo)通，此時(shí)，ud=us(t)，is=id

;當(dāng)us(t)小于零時(shí)，二極管VD3和VD4導(dǎo)通，則ud=－us(t)，is=－id。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

idisudPVD4NVD1VD2VD3id

+us(t)-直流側(cè)輸出電壓為：交流側(cè)電流為：假定Ls

=0，兩個(gè)電流值之間的轉(zhuǎn)換瞬時(shí)完成。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud在圖中取任意時(shí)刻為起始時(shí)間t=0，然后對在半個(gè)周期上進(jìn)行積分（w=2pf，wT/2=p），可以得到兩個(gè)電路的直流輸出電壓的平均值Ud0。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

即:下標(biāo)0代表Ls=0理想情況，Us為輸入電壓的有效值。0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

f1=50Hzwt0usisis1根據(jù)有效值的基本定義有：Is=Id對is進(jìn)行傅立葉分解，理想情況下的基波分量為：式中，下標(biāo)“h”表示諧波次數(shù)，下頁上頁返回第四章二極管整流電路

h011.035791311is中的各次諧波分量如圖所示，由此所計(jì)算出的諧波總畸變率為：

THD=48.43%is1波形曲線與us波形同相位:DPF=1.0

f1=50Hzwt0usisis1下頁上頁返回第四章二極管整流電路

右圖所示單相二極管整流電路，Ls為零，直流側(cè)為恒定電流，Id=10A。試計(jì)算負(fù)載所吸收的平均功率。idis

+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1id若us為正弦電壓曲線，

Us=120V，頻率50Hz；若us為下圖所示的矩形波。200V120°120°60°60°60°120°f=50Hz200Vwt例1下頁上頁返回第四章二極管整流電路

解

(1)

us為正弦電壓曲線，Us=120V，Ud=0.9Us=108VPd=UdId=1080W(2)根據(jù)整流電路的工作原理可知，直流輸出電壓波形如圖所示，所求平均電壓和負(fù)載吸收的功率分別為：200V120°120°60°60°60°120°f=50Hzwt下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.2Ls對電流換流的影響isId+

-udVD4VD1VD2VD3Lsus(t)換流時(shí)間交流側(cè)電流is從+Id

到－Id（或相反）轉(zhuǎn)換過程中所需的時(shí)間間隔。換流電流從一個(gè)二極管轉(zhuǎn)到另一個(gè)二極管的過程。換路

換流換流時(shí)間所對應(yīng)的電角度用符號(hào)g表示。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

Id+-VD1VD2+-+ud-

uL

isus(t)

正弦電壓源恒定電流源Ls

=0時(shí)?

wt0usisud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

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上承受正向偏置電壓，開始導(dǎo)通。

uL

Id+-D1D2+-+ud

=0-isIdiD1LsiD2us(t)

理想二極管的導(dǎo)通壓降uVD=0下頁上頁返回第四章二極管整流電路

根據(jù)兩網(wǎng)孔電流基爾霍夫電流定律，流過二極管的電流為:iVD2=Id

－is

當(dāng)wt=g

：is→Id

iVD2>0，VD2導(dǎo)通二極管VD2在wt=g

時(shí)停止導(dǎo)通。

uL=0Id+-D1D2+-+ud

=us-is=IdiD1LsiD2us(t)+-

uL

IdD1D2+-+ud

=0-isIdiD1LsiD2us(t)

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換流重疊角換流時(shí)間間隔所對應(yīng)的電角度，用符號(hào)g表示。換流開始時(shí)，電感中電流is的值為零，換流結(jié)束時(shí)電感中的電流為Id。

uL

IdD1D2+-+ud

=0-isIdiD1LsiD2us(t)

交流輸入電壓或換流電流為：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

上式右邊可寫成wLs

dis/d(wt)：對上式兩邊同時(shí)積分，換流角度為0～g，對應(yīng)的is從0變化到Id，因此有：對電感電壓uL在換流期間內(nèi)的積分Ag下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0wtusud=0udwt0uL00wtis對電壓的積分結(jié)果為圖中的面積Ag

：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

由上兩式可得:重新整理后得：如果Ls

=0，則cosg

=1，即g=0。不考慮線路電感，整流電路的換流瞬時(shí)完成。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

Ls的值越大，越能清晰表示換流過程。圖中，Ls

=0，ud的平均電壓Ud0為：wt0usisud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

Ag0wtusud=0udwt0uL00wtis當(dāng)

Ls

≠0，g

≠0，ud

=0，因此：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

式可改寫為：將代入上式得：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

考慮線路電感時(shí)，平均輸出電壓從不考慮線路電感的平均輸出電壓Ud0中減去△Ud

，△Ud為：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

isId+

-udVD4VD1VD2VD3Lsus(t)isIdudVD4VD1VD2VD3Lsus+-+-ABwt0usAgudud=0wt0uLAgwt0is下頁上頁返回第四章二極管整流電路

wt=0之前，二極管VD3和VD4有電流Id流過,is=－Id與右圖所示電路中Ls

=0的情況一樣idis

+us(t)-udNPVD4VD3VD2VD1idisIdudVD4VD1VD2VD3Lsus+-+-AB下頁上頁返回第四章二極管整流電路

計(jì)算電路形式用于分析電路在0<wt<g期間的電流換流過程。計(jì)算電路形式isIdudVD4VD1VD2VD3Lsus+-+-ABisIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

isIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AId

t=0時(shí)，us>0，二極管VD3和VD4相當(dāng)于短路，二極管VD1和VD2處于正向偏置。假定所采用的二極管相同，兩個(gè)換流電流相等。換流期間四個(gè)二極管都導(dǎo)通，ud=0。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

根據(jù)網(wǎng)孔電流分析原理，換流期間的二極管電流和線電流is為：換流開始時(shí)，換流電流ig為0

。換流結(jié)束時(shí)，ig增大到Id。isIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

當(dāng)wt=g時(shí)，iVD1=iVD2=Id，is=Id，電流從二極管VD3、VD4到VD1、VD2的換流期間，電感Ls中的電流從－Id變?yōu)镮d。isIdusud=0+-BVD2VD4VD1igigVD3AId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

對右上圖中理想電路的分析了解到，利用下列等式，對右下圖中電壓波形進(jìn)行積分。wt0usAgudud=0wt0uLAgwt0usisud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

求得曲線所圍成的面積Ag

為：根據(jù)上式可推得：移項(xiàng)整理后得：is(0)=－Id

wt0usAgudud=0wt0uLAg下頁上頁返回第四章二極管整流電路

在不考慮線路電感的理想情況下（Ls

=0），輸出電壓ud根據(jù)式ud

=

Ud0=0.9Us

計(jì)算。若考慮線路電感Ls時(shí)，Ud的計(jì)算可根據(jù)以下等式求得：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

電壓ud在半個(gè)周波上存在局部變形，即積分“損失”的部分，該面積的大小為Ag，輸出電壓為：wt0usAgudud=0wt0uLAg下頁上頁返回第四章二極管整流電路

分析圖中電路的換流基本過程，其中us為正弦電壓曲線，Id

=10A。Us=120V，頻率50Hz，Ls=0，計(jì)算Ud和平均功率Pd；Us=120V，頻率50Hz，Ls=5mH，計(jì)算g、Ud和Pd；Id+-VD1VD2+-+ud-

uL

isus(t)

例2下頁上頁返回第四章二極管整流電路

解(1)

Ls=0wt0usud(2)

Ls

=5mH

g=24.85°下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.3直流側(cè)接恒定電壓源的情況ud(t)=Ud

用該電路形式近似模擬直流側(cè)接大電容的整流電路相當(dāng)于在左圖中用直流電源置換電路中的電解電容isid+

-UdVD4VD1VD2VD3Lsus+

-+

-ABidisiL

+us(t)-

+ud-Cd

Lsud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

假設(shè)，us≤Ud，電流id=0。根據(jù)此假設(shè)的有關(guān)電壓、電流波形如下圖所示wt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId假設(shè)條件下的等值電路id

+Ud-usLs+-下頁上頁返回第四章二極管整流電路

當(dāng)us在θb點(diǎn)大于Ud時(shí)，二極管VD1和VD2處于導(dǎo)通狀態(tài)。電流在θp點(diǎn)達(dá)到最大值，過了該點(diǎn)uL小于零。

A和B面積相等時(shí)的對應(yīng)點(diǎn)為θf，該點(diǎn)的電流值為零，同時(shí)A和B相互為負(fù)。從θf到π+θb，電流值一直為零。udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

直流電流平均值的計(jì)算角θb由下式計(jì)算：從圖中曲線對稱性看出：qp=p-qb有電流流過時(shí)，電感電壓為：udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

wt的積分形式為：式中q

>qb，id在qb點(diǎn)的值為零，從上式可推出：當(dāng)wt=qf

時(shí)，id=0，代入上式得：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId在半個(gè)周期內(nèi)對id(θ)進(jìn)行積分，再除以p，可得到直流電流的平均值：對電路參數(shù)給定前提下，Id的大小取決于Ud的值，反之亦然。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

采用標(biāo)幺化數(shù)值進(jìn)行比較，電壓Ud的基準(zhǔn)值取Ud0，Id以短路電流Isc為基準(zhǔn)，短路電流為：短路電流整流電路處于短路狀態(tài)時(shí)，交流電壓源us直接加在電感Ls兩端所形成的電流有效值。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0.100.1200.080.060.040.021.201.251.301.351.401.451.501.551.60當(dāng)Ud逼近交流輸入電壓的峰值時(shí)，其直流電流趨向于零。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

若圖中電路直流側(cè)仍為一個(gè)大電容，則直流電壓ud(t)=Ud的假設(shè)在正常情況下成立，但在系統(tǒng)擾動(dòng)的暫態(tài)情況下存在偏差。idisiL

+us(t)-

+ud-Cd

Ls下頁上頁返回第四章二極管整流電路

Ls的增加改善is的波形、降低is的諧波畸變率THD、改善功率因數(shù)PF，降低（或改善）峰值系數(shù)，位移功率因數(shù)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峰值系數(shù)Ud

/Ud0峰值系數(shù)下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.4實(shí)際的二極管橋式整流電路負(fù)載部分用等值電阻代替idis+us-udCd

LsRLRsidisiL

+us(t)-

+ud-Cd

Ls下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.4.1極不連續(xù)電流下的分析計(jì)算假定電路運(yùn)行已造成了id的極不連續(xù)，如圖所示，每半個(gè)周波內(nèi)，id的波形只是在us波形的其中一小段不為零，在us的兩個(gè)過零點(diǎn)附近基本上都為零。udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId下頁上頁返回第四章二極管整流電路

用右圖等效計(jì)算上圖電路半個(gè)周波的電壓和電流idis+us-udCd

LsRLRsidRLusLsisudCd

Rs+-下頁上頁返回第四章二極管整流電路

udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId半個(gè)周期內(nèi)兩個(gè)時(shí)間段

tb=qb/w

tf=qf/w對時(shí)間段tb=qb/w，tf

=

qf/w的分析下頁上頁返回第四章二極管整流電路

tb<t<tf

1tb是電流id流通的起始時(shí)刻，tf是電流id流通的結(jié)束時(shí)刻。在tb<t<tf區(qū)間內(nèi)，電路中有負(fù)載電流。電路中各量之間的關(guān)系：基爾霍夫電壓：基爾霍夫電流：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

在tf<t<tb區(qū)間，用矩陣表示KVL和KCL方程:用x表示id和ud所組成的向量，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為:下頁上頁返回第四章二極管整流電路

假定電源的系數(shù)向量為:解得狀態(tài)變量為：式中：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

tf<t<tb+T/22在該區(qū)間內(nèi)，二極管橋路中沒有電流流過，所以上式的解為:下頁上頁返回第四章二極管整流電路

對求解解之前用估計(jì)值代替直流側(cè)電流流通起始時(shí)刻tb。如果tb值確定，則它是一個(gè)或半個(gè)周期后直流側(cè)電流的起始時(shí)刻。校驗(yàn)所選的tb是否準(zhǔn)確的方法：先取一個(gè)較小的tb值，然后緩慢增大tb，直到tb在很小的誤差范圍以內(nèi)，這樣可保證tb足夠精確。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

利用Matlab對下圖中的全橋整流電路進(jìn)行仿真，輸入?yún)?shù)為：Us

=120V，頻率60Hz，Ls=1mH，Rs

=1mΩ，Cd=1000μF，RL

=20Ω。假定采用理想二極管，△t=25ms。例3idis+us-udCd

LsRLRs下頁上頁返回第四章二極管整流電路

解在ud(tb)初值正確的情況下,利用Matlab程序,得仿真結(jié)果的波形：

200150100500-5023456789121110T/2tft(ms)idudus下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.4.2一般工作條件下的電路仿真例4idis+us-udCd

LsRLRs對下圖中電路用Pspice進(jìn)行仿真，輸入?yún)?shù)：Us

=120V，頻率60Hz，Ls=1mH，Rs

=1mΩ，Cd=1000mF，RL

=20Ω。并對輸入的交流電流和直流輸出電壓做傅立葉分析。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

解利用Pspice程序,得仿真結(jié)果的波形:0wtf1usisis1ud從Pspice輸出文件得：輸入電流is的基波分量的有效值：

is1=10.86A

滯后us的角度：j1=10°電壓平均值：Ud

=158.45V電流平均值：

Id=7.93A下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.4.3線電流的畸變二極管橋式整流電路的輸入線電流is明顯偏離正弦波。電流的畸變也會(huì)導(dǎo)致電壓的畸變。0wtf1usisis1ud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

is的基波和三次諧波如下圖所示：0wtisis1Idisis3Ism下頁上頁返回第四章二極管整流電路

對例4.3和例4.4中的整流電路，計(jì)算輸入電流的總諧波畸變率THDi、波形因數(shù)、位移功率因數(shù)DPF、功率因數(shù)PF及平均輸出電壓Ud和Id/Isc。解根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)展開，利用Pspice對圖中的整流電路進(jìn)行仿真。例5idis+us-udCd

LsRLRs下頁上頁返回第四章二極管整流電路

仿真結(jié)果:THDi=88.8%，Is1=10.86A

根據(jù)方程計(jì)算得到有效值：

Is=14.52A

根據(jù)仿真圖得輸入的峰值電流：Isp=34.7A

根據(jù)對波形因數(shù)的定義得波形因數(shù):2.39

根據(jù)傅立葉分解的方法得:j1=－10°，DPF=0.985（滯后）下頁上頁返回第四章二極管整流電路

功率因數(shù):PF=0.736Id=7.93A

根據(jù)等式計(jì)算得：Isc=318.3A

所以:Id/Isc=0.025平均直流輸出電壓:Ud=158.45V所以:

Ud

/Ud0=1.467

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例4.5中，已經(jīng)計(jì)算出Id/Isc的值是0.025。如果使Id/Isc的值不變，利用下兩圖的結(jié)果來計(jì)算THDi、DPF、PF、波形因數(shù)及Ud（標(biāo)準(zhǔn)值），并與例4.5中的結(jié)果相比較。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峰值系數(shù)Ud

/Ud0峰值系數(shù)例6下頁上頁返回第四章二極管整流電路

解從圖中可得到：THDi

=79%

波形因數(shù)=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峰值系數(shù)Ud

/Ud0峰值系數(shù)下頁上頁返回第四章二極管整流電路

例4.5和例4.6兩種情況下的吸收功率不相同，例4.5的濾波電容使Ud的值更大，增大了吸收功率。盡管兩種情況有所不同，但它們的結(jié)果接近。下兩圖曲線用于近似計(jì)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峰值系數(shù)Ud

/Ud0峰值系數(shù)idis+us-udLs1RLRs其它裝置Ls2+-UpccCd

二極管電阻裝置電源內(nèi)阻抗下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.3.4.4線電壓的畸變電子設(shè)備感性部分idis+us-udCd

LsRLRs下頁上頁返回第四章二極管整流電路

假定us為正弦電壓,根據(jù)is的基波和諧波分量，upcc為:連接在公共連接點(diǎn)(PCC)上其它設(shè)備的電壓為:式中：根據(jù)電流諧波分量得電壓的畸變成分為：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

輸入?yún)?shù)：Us

=120V，頻率60Hz，Ls=1mH，Rs

=1mΩ，Cd=1000mF，RL

=20Ω。將Ls的值進(jìn)行等分，例如取Ls1=Ls2=0.5mH，作出圖中電路的公共連接點(diǎn)處的電壓波形。例7idis+us-udLs1RLRs其它裝置Ls2+-UpccCd

下頁上頁返回第四章二極管整流電路

解利用Pspice電路仿真程序，得到電壓、電流波形如圖所示。經(jīng)過計(jì)算，公共連接點(diǎn)處的電壓總諧波畸變率THDu≈5.7%。0wtupccis230V位置+-ud+-C2C1115V位置D2D1115V/230V交流輸入下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.4單相雙重電壓整流電路有許多設(shè)備要求既能在115V的電壓等級(jí)下，也能在230V的電壓下工作。因此，雙重電壓整流電路，可以避免使用升壓變壓器。約230V

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雙重電壓整流電路在交流輸入電壓的正半周內(nèi)，通過二極管D1向電容C1充電，負(fù)半周內(nèi)，通過D2向C2充電的電路。230V位置+-ud+-C2C1115V位置D2D1115V/230V交流輸入下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.5單相整流電路對三相四線制系統(tǒng)的中線電流的影響大型商業(yè)和辦公建筑采用三相電源供電。內(nèi)部配電網(wǎng)、負(fù)載用電主要采用單相供電方式。208V單相整流系統(tǒng)120Vibabcniaicin下頁上頁返回第四章二極管整流電路

208V單相整流系統(tǒng)120Vibabcniaicin假定各相負(fù)載完全相同，基波分量和奇次諧波分量的有效值分別為Is1和Ish，基波分量和諧波分量有效值在三相中也相等。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

a相中電流ia的表達(dá)式為：式中：k=1，2，3……208V單相整流系統(tǒng)120Vibabcniaicin下頁上頁返回第四章二極管整流電路

假定三相電源對稱，所帶負(fù)載相同，b相和c相的電流分別滯后于a相120°和240°，b相和c相的電流分別為：208V單相整流系統(tǒng)120Vibabcniaicin下頁上頁返回第四章二極管整流電路

利用基爾霍夫電流定律得出與中性點(diǎn)n相關(guān)聯(lián)的各支路的電流關(guān)系：將a相、b相和c相電流方程代入上式，中線電流為：208V單相整流系統(tǒng)120Vibabcniaicin下頁上頁返回第四章二極管整流電路

根據(jù)有效值的定義：所有的諧波分量中，三次諧波占主要成分，因此，上式有如下近似關(guān)系：實(shí)際中，如果線電流是極不連續(xù)的，則中線電流的大小為：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

假如圖中的每個(gè)負(fù)載是非線性的，此時(shí)可利用例4.3中的單相整流電路來表示每個(gè)負(fù)載。試分析中線電流的波形，并計(jì)算中線電流的有效值。在分析中，可假設(shè)系統(tǒng)的三相電壓是對稱的，交流側(cè)阻抗的大小與例4.3相同。208V單相整流系統(tǒng)120Vibabcniaicin例8下頁上頁返回第四章二極管整流電路

采用Pspice分析，得到下圖所示的電壓、電流波形。對于中線電流波形而言，經(jīng)計(jì)算得每相端線電流的有效值為14.52A，而中線電流的有效值約為25A，這個(gè)值大約是每相端線電流的倍。wt0uain解下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.6三相全橋整流電路三相交流電壓供電，與單相整流電路相比，三相整流電路紋波含量低，具有較高的功率處理能力，更適應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中。idia-+udCd

LsRLbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.6.1Ls=0的理想電路用負(fù)載電阻RL代替恒流源Id，兩種電路的工作情況基本相同。Id

-+udbPacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+Nia-+udRL

bPacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+Nia下頁上頁返回第四章二極管整流電路

整流電路的另一種畫法-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5Id

-+udbPacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+Nia-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5陽極電位最高的二極管導(dǎo)通，其余兩個(gè)管子電壓反向偏置關(guān)斷下頁上頁返回第四章二極管整流電路

Ls=0

時(shí)：陰極電位最低的二極管導(dǎo)通，其余兩個(gè)管子電壓反向偏置關(guān)斷0p/6-p/6AUd0下頁上頁返回第四章二極管整流電路

uPn是直流側(cè)正極性端P點(diǎn)相對于交流電壓中性點(diǎn)n的電壓。uNn是直流側(cè)負(fù)極性端N相對于交流電壓中性點(diǎn)n的電壓。0wtuanubnucnuPnuNnud0wt-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5三相電壓波形下頁上頁返回第四章二極管整流電路

利用KVL分析直流側(cè)電流恒定的三相整流電路，可得直流側(cè)電壓：六脈動(dòng)整流電路在每個(gè)周期內(nèi)，整流輸出電壓波形由6個(gè)脈動(dòng)波組成。每個(gè)脈動(dòng)波的波形對應(yīng)一個(gè)線電壓，線電壓的組合共有6種。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

直流電壓由6個(gè)線電壓的部分區(qū)間所形成，每個(gè)二極管導(dǎo)通120°。0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt下頁上頁返回第四章二極管整流電路

wt0wt00wt1200VD11200VD4600VD4VD1iaibVD6VD3VD6VD3icVD2VD5VD2VD5三相電流波形下頁上頁返回第四章二極管整流電路

wt0wt00wt1200VD11200VD4600VD4VD1iaibVD6VD3VD6VD3icVD2VD5VD2VD5a相電流關(guān)系：ia

=IdVD1導(dǎo)通-Id

VD4導(dǎo)通0VD1和VD4都不導(dǎo)通下頁上頁返回第四章二極管整流電路

根據(jù)Ls=0的假設(shè)條件，從一個(gè)二極管到另一個(gè)二極管的換流過程瞬時(shí)完成。穩(wěn)定輸出的情況下，每個(gè)周期的6個(gè)脈沖波相同，只需分析其中一個(gè)脈沖波的直流電壓平均值或交流輸入電流的有效值，計(jì)算出直流輸出電壓在60°或p/3弧度時(shí)間段內(nèi)的平均值。-+udId

PacVD2n-+-+NiaId

upnnuNnVD6VD4bVD1VD3VD5下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt平均值的積分區(qū)間選擇三相線電壓中具有最高值的相作為積分區(qū)間，并以該區(qū)間的起始時(shí)刻作為積分開始時(shí)刻。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt以線電壓uab為例，則有線電壓有效值下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt面積A為:下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0p/6-p/6AUd00wtuanubnucnuPnuNnud0wt用時(shí)間間隔p/3除A，得：如用相電壓U表示直流輸出電壓的平均值，則:下頁上頁返回第四章二極管整流電路

wt0usisis1根據(jù)圖中相電流波形，可得到理想情況下線電流is的有效值：is的基波分量is1的有效值為:下頁上頁返回第四章二極管整流電路

根據(jù)h次諧波和基波分量關(guān)系，h次諧波電流Ish為：h=5，7，11，13，…is1與相電壓us同相位,所以：DPF=1.001.0131175hIsh/Is11/131/111/71/5下頁上頁返回第四章二極管整流電路

直流側(cè)接負(fù)載電阻時(shí)，相電流流過二極管的電流幅值不恒定，是向下傾斜的曲線，傾斜的梯度由電容與負(fù)載大小之間的相對比例確定。-+udRL

bPacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+Nia下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.6.2

Ls對換流過程的影響實(shí)際上，變壓器繞組有漏感，線路有分布電感，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，換流過程不能瞬時(shí)完成。-+udId

bacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+iaLs下頁上頁返回第四章二極管整流電路

-+udId

bacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+iaLs假設(shè)t=0或wt=0是換流初始時(shí)刻,在這一時(shí)刻之前，電流id流經(jīng)二極管VD5和VD6。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

設(shè)兩相間電壓差為:udiff=uan

–ucn根據(jù)網(wǎng)孔電流列寫回路方程得相應(yīng)相電流:uLauducomm-+-+-+LsidicLscbauLc+-NPigIdn下頁上頁返回第四章二極管整流電路

換流重疊角在tg時(shí)刻換流過程結(jié)束，對應(yīng)的電角度g=wtg

a，c兩相換流時(shí)的相電流波形IdIdg0wt0iaic下頁上頁返回第四章二極管整流電路

交流側(cè)電感上的電壓為：因?yàn)椋篿c=Id–ig所以：dic/dt=d(Id–ig)/dt=–d

ig/dt

uLauducomm-+-+-+LsidicLscbauLc+-NPigIdn下頁上頁返回第四章二極管整流電路

利用KVL，并結(jié)合前面的微分方程，可推得：從而有：對上式兩邊同乘以w，并進(jìn)行積分得：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

根據(jù)所選擇的初始時(shí)刻，電壓差(uan–ucn)為：將上式代入得：整理后得：下頁上頁返回第四章二極管整流電路

電流的換流是瞬時(shí)完成：Ls=0零，cosg=1，g=0，換流開始wt=0時(shí)，電壓uPn等于uan，見下圖：wt0wt00wt1200VD11200VD4600VD4VD1iaibVD6VD3VD6VD3icVD2VD5VD2VD5g0g下頁上頁返回第四章二極管整流電路

wt0uanubnucnuPnAguNnAgLs≠0時(shí)，0<wt<wtg的區(qū)間內(nèi)有：換相過程中，電壓uPn為同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)二極管所對應(yīng)的兩個(gè)相電壓的平均值。下頁上頁返回第四章二極管整流電路

g0gwt0uanubnucnuPnAguNnAg換流期間，平均輸出電壓有一定的損失，所減小的面積Ag為：

換相壓降換流期間，輸出的平均電壓Ud降低的數(shù)值。平均直流輸出電壓為：Ls

=0時(shí)直流輸出電壓平均值下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.6.2.1．直流側(cè)接恒定電壓ud(t)=Ud假定直流側(cè)的電流id是不連續(xù)的，因此，任何時(shí)刻，上、下兩組二極管中只有一個(gè)二極管導(dǎo)通。idia-+udCd

LsRLbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+idia-+UdLsbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+下頁上頁返回第四章二極管整流電路

idia-+UdLsbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+PLsLsuin+-UdN+-VDPVDN直流側(cè)恒定電壓三相整流等值電路下頁上頁返回第四章二極管整流電路

Ls≠0時(shí),直流側(cè)恒定電壓的三相整流電路波形uacuabuinＵd0wtuania輸入電壓由相間電壓構(gòu)成的脈沖波組成下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.6.2.2電流波形的畸變實(shí)際整流電路中功率因數(shù)、總諧波畸變率和直流輸出電壓是電能質(zhì)量中的重要參數(shù)。假定Id以Isc為基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)交流輸入線電壓確定Isc

：idia-+udCd

LsRLbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+下頁上頁返回第四章二極管整流電路

0.60.500.70.40.20.31.00.020.060.90.80.040.080.10DPFPFTHDi整流電路（直流側(cè)恒定電壓）總諧波畸變率、DPF及PF曲線整流電路（直流側(cè)恒定電壓）標(biāo)準(zhǔn)值Ud與波形因數(shù)的關(guān)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下頁上頁返回第四章二極管整流電路

4.6.3實(shí)際三相二極管橋式整流電路Cd

=1100F，該電路向負(fù)載提供的功率約為2.2kW。負(fù)載部分用34.0的等值電阻表示。試借助Pspice電路仿真程序分析相應(yīng)的電路波形。例9圖中參數(shù)分別為：ULL=208V，頻率=60Hz，Ls

=1mH，idia-+udCd

LsRLbLsLsacVD2VD1VD3VD5VD4VD6n-+-+下頁上頁返回第四章二極管整流電路

解采用Pspice分析，得到如圖所示的電壓、電流波形。iauan0wtucbucaubaubcuacidud下頁上頁返回第四章二極管整流電路

仿真程序得到的分析結(jié)果表明:平均直流輸出電壓=

278.0V，含有4.2V的峰-峰紋波電壓，平均直流電壓中的紋波為1.5%輸入電流的THD=54.9%DPF=0.97（超前）PF=

0.85平均直流電流=7.94A下頁上頁返回第四章二極管整流電路

在上例中，直流側(cè)帶有1100F的濾波電容，且電容上的平均電壓為278.0V，但疊加了少量的紋波電壓?，F(xiàn)假設(shè)直流側(cè)為恒定的直流電壓源，試?yán)孟聝蓤D中的函數(shù)關(guān)系曲線分析其他各相關(guān)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下頁上頁返回第四章二極管整流電路

解因?yàn)閁d

=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從圖中看出：

Id/I