電力電子技術(shù)第3章 整流電路

第3章整流電路

3.1單相可控整流電路

3.2三相可控整流電路

3.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響

3.5整流電路的諧波和功率因數(shù)

3.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)

本章小結(jié)

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation2/156引言■整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件的通、斷控制，將交流電能變?yōu)橹绷麟娔??！鰧?shí)現(xiàn)整流的電力半導(dǎo)體開關(guān)電路連同其輔助元器件和系統(tǒng)稱為整流器。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation3/156引言CollegeofElectricalEngineeringandAutomation4/156引言整流電路的類型很多，歸納分類如下：1.按交流電源輸出電流的波形可分為： （1）

半波整流。（2）全波整流。2.按交流電源的相數(shù)的不同可分為： （1）

單相整流。（2）三相整流。3.按整流電路中所組成的開關(guān)器件不同可分為：

(1）

不可控整流。（2）半控整流。（3）全控整流。4.按輸出電壓在一個(gè)電源周期內(nèi)脈動(dòng)次數(shù)的不同可分為： （1）單脈波整流。（2）雙脈波整流。（3）三脈波整流開關(guān)器件為二極管為半控或全控器件+不可控器件均為半控或全控器件CollegeofElectricalEngineeringandAutomation5/1563.1單相可控整流電路

3.1.1單相半波可控整流電路

3.1.2單相橋式全控整流電路

3.1.3單相全波可控整流電路

3.1.4單相橋式半控整流電路CollegeofElectricalEngineeringandAutomation6/1563.1.1單相半波可控整流電路2pwwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidptttu2uguduVTa0b)c)d)e)00圖3-1單相半波可控整流電路及波形1.帶電阻負(fù)載的工作情況

◆變壓器T起變換電壓和隔離的作用?！粼诜治稣麟娐饭ぷ鲿r(shí)，認(rèn)為晶閘管（開關(guān)器件）為理想器件。◆電阻負(fù)載的特點(diǎn)是電壓與電流成正比，兩者波形相同。?：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度稱為觸發(fā)延遲角，也稱觸發(fā)角或控制角。?：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為導(dǎo)通角。

wt1qCollegeofElectricalEngineeringandAutomation3.1.1單相半波可控整流電路

圖3-2帶電阻性負(fù)載的單相半波可控整流電流仿真框圖7/156CollegeofElectricalEngineeringandAutomation8/1563.1.1單相半波可控整流電路CollegeofElectricalEngineeringandAutomation9/156結(jié)論：◆改變觸發(fā)時(shí)刻，ud和id波形隨之改變，直流輸出電壓ud為極性不變，但瞬時(shí)值變化的脈動(dòng)直流?！羝洳ㄐ沃辉趗2正半周內(nèi)出現(xiàn)，加之電路中采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，故該電路稱為單相半波可控整流電路?！粽麟妷簎d波形在一個(gè)電源周期中只脈動(dòng)1次，故該電路為單脈波整流電路。3.1.1單相半波可控整流電路CollegeofElectricalEngineeringandAutomation10/156◆基本數(shù)量關(guān)系?直流輸出電壓平均值

?直流輸出電流平均值

?隨著增大，Ud減小，該電路中VT的移相范圍為0-180。

◆通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。

3.1.1單相半波可控整流電路3.1.1單相半波可控整流電路CollegeofElectricalEngineeringandAutomation12/1563.1.1單相半波可控整流電路2.帶阻感負(fù)載的工作情況

圖3-2帶阻感負(fù)載的單相半波電路及其波形阻感負(fù)載的特點(diǎn)：電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變。L的作用：1）導(dǎo)通時(shí)間變長：2）輸出電壓平均值減小。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation13/1563.1.1單相半波可控整流電路基本數(shù)量關(guān)系

推論：導(dǎo)通角越大，越小。如果時(shí)，那么，則最大導(dǎo)通角更接近于。當(dāng)負(fù)載電感較大時(shí)，單相半波可控整流電路中，輸出平均電壓就接近于零。即：電源與電感負(fù)載之間能量的周期性交換，由于感抗很大，流過回路的電流很小，因而整流輸出得不到平均電壓。輸出平均電壓：CollegeofElectricalEngineeringandAutomation14/1563.1.1單相半波可控整流電路◆電力電子電路的一種基本分析方法

?把器件理想化，將電路簡化為分段線性電路。

?器件的每種狀態(tài)組合對(duì)應(yīng)一種線性電路拓?fù)?，器件通斷狀態(tài)變化時(shí)，電路拓?fù)浒l(fā)生改變。?以前述單相半波電路為例

√當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí)，相當(dāng)于電路在VT處斷開，

id=0。當(dāng)VT處于通時(shí)，相當(dāng)于VT短路。兩種情況的等效電路如圖3-3所示。

圖3-3單相半波可控整流電路的分段線性等效電路

a)VT處于關(guān)斷狀態(tài)

b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation15/1563.1.1單相半波可控整流電路VTb)RLu2√VT處于通態(tài)時(shí)，如下方程成立：

在VT導(dǎo)通時(shí)刻，有t=，id=0，這是式（3-2）的初始條件。求解式（3-2）并將初始條件代入可得式中，，。由此式可得出圖3-2e所示的id波形。當(dāng)t=+時(shí)，id=0，代入式（3-3）并整理得

圖3-3b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)

(3-2)(3-3)(3-4)q1quCollegeofElectricalEngineeringandAutomation16/1563.1.1單相半波可控整流電路

結(jié)論：√若為定值，角大，越小。

√若為定值，越大，越大，且

平均值Ud越接近零。為解決上述矛盾，在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，稱為續(xù)流二極管，用

VDR表示?！粲欣m(xù)流二極管的電路

?電路分析

√u2正半周時(shí)，與沒有續(xù)流二極管時(shí)的情況是一樣的。

√當(dāng)u2過零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud

為零，此時(shí)為負(fù)的u2通過VDR向VT

施加反壓使其關(guān)斷，L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續(xù)流。

√若L足夠大，id連續(xù)，且id波形接近一條水平線。（相當(dāng)于平波電抗器，消除紋波的影響）u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)圖3-4單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation17/156

?基本數(shù)量關(guān)系

√流過晶閘管的電流平均值IdVT和有效值IVT分別為：

√續(xù)流二極管的電流平均值IdVDR和有效值IVDR分別為

√其移相范圍為，其承受的最大正反向電壓均為

。續(xù)流二極管承受的電壓為-ud，其最大反向電壓為。

■單相半波可控整流電路的特點(diǎn)是簡單，但輸出脈動(dòng)大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。3.1.1單相半波可控整流電路u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRCollegeofElectricalEngineeringandAutomation18/1563.1.2單相橋式全控整流電路u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖3-5單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形a)■帶電阻負(fù)載的工作情況

◆電路分析

?晶閘管VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，VT2

和VT3組成另一對(duì)橋臂。

?在u2正半周（即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位）

√若4個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，id=0,ud=0,VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2。

√在觸發(fā)角處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1和VT4即導(dǎo)通，電流從電源a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端。

?當(dāng)u2過零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關(guān)斷。

?在u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)角處觸發(fā)VT2和VT3，VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。

?到u2過零時(shí)，電流又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。

VT2和VT3的=0處為t=CollegeofElectricalEngineeringandAutomation19/156◆基本數(shù)量關(guān)系

?晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為和。

?整流電壓平均值為：

α=0時(shí)，Ud=Ud0=0.9U2。α=180時(shí)，Ud=0。可見，α角的移相范圍為0-180。

?向負(fù)載輸出的直流電流平均值為：

3.1.2單相橋式全控整流電路(3-10)(3-9)wt0uVT1,4u(i)pwt0udidddaaCollegeofElectricalEngineeringandAutomation20/156?流過晶閘管的電流平均值：

?流過晶閘管的電流有效值為：?變壓器二次側(cè)電流有效值I2與輸出直流電流有效值I相等，為由式（3-12）和（3-13）可見：?不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量為S=U2I2。3.1.2單相橋式全控整流電路(3-11)(3-12)(3-13)(3-14)u(i)pwt0udidddaawt02iCollegeofElectricalEngineeringandAutomation21/1563.1.2單相橋式全控整流電路2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u圖3-6單相橋式全控整流電流帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形■帶阻感負(fù)載的工作情況

◆電路分析?在u2正半周期√觸發(fā)角處給晶閘管VT1和VT4加觸發(fā)脈沖使其開通，ud=u2。

√負(fù)載電感很大，id不能突變且波形近似為一條水平線。

?u2過零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關(guān)斷。?t=+時(shí)刻，觸發(fā)VT2和VT3，VT2和VT3導(dǎo)通，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱為換相，亦稱換流。

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation22/156◆基本數(shù)量關(guān)系

?整流電壓平均值為：

當(dāng)=0時(shí)，Ud0=0.9U2。=90時(shí)，Ud=0。晶閘管移相范圍為0-90。?晶閘管承受的最大正反向電壓均為。?晶閘管導(dǎo)通角與無關(guān)，均為180，其電流平均值和有效值分別為：和。

?變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由角決定，有效值I2=Id。

(3-15)OwtOudi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,43.1.2單相橋式全控整流電路CollegeofElectricalEngineeringandAutomation23/156■帶反電動(dòng)勢負(fù)載時(shí)的工作情況

(R-E負(fù)載)

◆當(dāng)負(fù)載為蓄電池、直流電動(dòng)機(jī)的電樞（忽略其中的電感）等時(shí)，負(fù)載可看成一個(gè)直流電壓源，對(duì)于整流電路，它們就是反電動(dòng)勢負(fù)載。

◆電路分析?|u2|>E時(shí)，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。

?晶閘管導(dǎo)通之后，ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud=E。

?與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電，稱為停止導(dǎo)電角。?推論：當(dāng)<時(shí)，觸發(fā)脈沖到來時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。3.1.2單相橋式全控整流電路b)idOEudwtIdOwtaqd圖3-7單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢—電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形(3-16)u(i)pwt0udidddaaCollegeofElectricalEngineeringandAutomation24/1563.1.2單相橋式全控整流電路

?觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)t=時(shí)刻有晶閘管開始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為。

?在角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)少了一塊面積，在u2過零點(diǎn)的兩側(cè)?！綦娏鲾嗬m(xù)

?id波形在一周期內(nèi)有部分時(shí)間為0的情況，稱為電流斷續(xù)。

?負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)，則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將很軟。b)idOEudwtIdOwtaqdu(i)pwt0udidddaaCollegeofElectricalEngineeringandAutomation25/156twwOud0Eidtpdaq=p3.1.2單相橋式全控整流電路?為了克服此缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器。?電感量足夠大使電流連續(xù)，晶閘管每次導(dǎo)通180，這時(shí)整流電壓ud的波形和負(fù)載電流id的波形與電感負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的波形相同，ud的計(jì)算公式亦一樣。?作用：1、延長晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間。2、減少電流脈動(dòng)。圖3-8單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation26/1563.1.2單相橋式全控整流電路■例：單相橋式全控整流電路，U2=100V，負(fù)載中R=2Ω，L值極大，反電勢E=60V，當(dāng)=30時(shí)，要求：①作出ud、id和i2的波形；②求整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次側(cè)電流有效值I2；③考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。解：①ud、id和i2的波形如圖3-9：

圖3-9ud、id和i2的波形圖CollegeofElectricalEngineeringandAutomation27/1563.1.2單相橋式全控整流電路②整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次側(cè)電流有效值I2分別為

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晶閘管承受的最大反向電壓為：

U2＝100＝141.4（V）流過每個(gè)晶閘管的電流的有效值為：

IVT＝Id∕＝6.36（A）故晶閘管的額定電壓為：

UN＝(2~3)×141.4＝283~424（V）晶閘管的額定電流為：

IN＝(1.5~2)×6.36∕1.57＝6~8（A）晶閘管額定電壓和電流的具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation28/1563.1.4單相橋式半控整流電路圖3-11單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形28電路結(jié)構(gòu)

單相全控橋中，每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，1個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個(gè)電路。如此即成為單相橋式半控整流電路（先不考慮VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR電阻負(fù)載半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時(shí)的工作情況相同。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation29/1563.1.4單相橋式半控整流電路單相半控橋帶阻感負(fù)載的情況

圖3-11單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形在u2正半周，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。

u2過零變負(fù)時(shí)，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD3續(xù)流。在u2負(fù)半周觸發(fā)角a時(shí)刻觸發(fā)VT2，VT2導(dǎo)通，u2經(jīng)VT2和VD3向負(fù)載供電。u2過零變正時(shí)，VD4導(dǎo)通，VD3關(guān)斷。VT2和VD4續(xù)流，ud又為零。Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRCollegeofElectricalEngineeringandAutomation30/1563.1.4單相橋式半控整流電路續(xù)流二極管的作用：若無續(xù)流二極管，則當(dāng)a

突然增大至180或觸發(fā)脈沖丟失時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，其平均值保持恒定，稱為失控。有續(xù)流二極管VDR時(shí)，續(xù)流過程由VDR完成，避免了失控的現(xiàn)象。續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，有利于降低損耗。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation31/1563.1.4單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路的另一種接法相當(dāng)于把圖3-5a中的VT3和VT4換為二極管VD3和VD4，這樣可以省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD3和VD4來實(shí)現(xiàn)。圖3-5(a)單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形圖3-12單相橋式半控整流電路的另一接法CollegeofElectricalEngineeringandAutomation32/1563.2三相可控整流電路

3.2.1三相半波可控整流電路

3.2.2三相橋式全控整流電路CollegeofElectricalEngineeringandAutomation33/1563.2三相可控整流電路·引言■其交流側(cè)由三相電源供電。

■當(dāng)整流負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小、易濾波時(shí)，應(yīng)采用三相整流電路?！鲎罨镜氖侨喟氩煽卣麟娐??！鰬?yīng)用最為廣泛的三相橋式全控整流電路等。

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation34/1563.2.1三相半波可控整流電路圖3-13三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路及=0時(shí)的波形

電路的特點(diǎn)：變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。三個(gè)晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起——共陰極接法。1)電阻負(fù)載自然換相點(diǎn)：二極管換相時(shí)刻為自然換相點(diǎn)，是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角a的起點(diǎn)，即a=0。b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation35/1563.2.1三相半波可控整流電路a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac?=0(波形見上頁)

√三個(gè)晶閘管輪流導(dǎo)通120

，ud波形為三個(gè)相電壓在正半周期的包絡(luò)線。

√變壓器二次繞組電流有直流分量。

√晶閘管電壓由一段管壓降和兩段線電壓組成，隨著增大，晶閘管承受的電壓中正的部分逐漸增多。?=30

√負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)，各相仍導(dǎo)電120。圖3-14三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，=30時(shí)的波形CollegeofElectricalEngineeringandAutomation36/1563.2.1三相半波可控整流電路wwttwtwta=60°u2uaubucOOOOuGudiVT1圖3-15三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，=60時(shí)的波形?>30

√當(dāng)導(dǎo)通一相的相電壓過零變負(fù)時(shí)，該相晶閘管關(guān)斷，但下一相晶閘管因未觸發(fā)而不導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓電流為零。

√負(fù)載電流斷續(xù)，各晶閘管導(dǎo)通角小于120。

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation37/1563.2.1三相半波可控整流電路◆基本數(shù)量關(guān)系?電阻負(fù)載時(shí)角的移相范圍為0-150。

?整流電壓平均值

√≤30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有

當(dāng)=0時(shí)，Ud最大，為Ud=Ud0=1.17U2。

√>30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有

(3-18)(3-19)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation38/1563.2.1三相半波可控整流電路?Ud/U2隨變化的規(guī)律

圖3-16三相半波可控整流電路Ud/U2與的關(guān)系電阻負(fù)載電感負(fù)載電阻電感負(fù)載CollegeofElectricalEngineeringandAutomation39/1563.2.1三相半波可控整流電路?負(fù)載電流平均值為?晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次線電壓峰值,即

?晶閘管陽極與陰極間的最大電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即

(3-20)(3-21)(3-22)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation40/1563.2.1三相半波可控整流電路■阻感負(fù)載

◆電路分析

?L值很大，整流電流id的波形基本是平直的，流過晶閘管的電流接近矩形波。

?≤30時(shí)，整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同。

?＞30時(shí)，當(dāng)u2過零時(shí)，由于電感的存在，阻止電流下降，因而VT1繼續(xù)導(dǎo)通，直到下一相晶閘管VT2的觸發(fā)脈沖到來，才發(fā)生換流，由VT2導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時(shí)向VT1施加反壓使其關(guān)斷。

uuuudiaabcibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwtu圖3-17三相半波可控整流電路，阻感負(fù)載時(shí)的電路及=60時(shí)的波形CollegeofElectricalEngineeringandAutomation41/1563.2.1三相半波可控整流電路◆基本數(shù)量關(guān)系

?的移相范圍為0-90。

?整流電壓平均值

?Ud/U2與的關(guān)系√L很大，如曲線2所示。

√L不是很大，則當(dāng)>30后，ud中負(fù)的部分可能減少，整流電壓平均值Ud略為增加，如曲線3所示。圖3-16三相半波可控整流電路Ud/U2與的關(guān)系CollegeofElectricalEngineeringandAutomation42/1563.2.1三相半波可控整流電路?變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為

?晶閘管的額定電流為

?晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值，即

■三相半波可控整流電路的主要缺點(diǎn)在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少。(3-23)(3-24)(3-25)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation43/156三相橋是應(yīng)用最為廣泛的整流電路共陰極組——陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組——陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）圖3-18三相橋式全控整流電路原理圖3.2.2三相橋式全控整流電路。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation44/1563.2.2三相橋式全控整流電路■帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況

◆電路分析?各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。

?當(dāng)≤60時(shí)√ud波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波形與ud波形的形狀是一樣的，也連續(xù)。

√=0時(shí)，ud為線電壓在正半周的包絡(luò)線。波形見圖3-19

時(shí)段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb表3-1三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載=0時(shí)晶閘管工作情況CollegeofElectricalEngineeringandAutomation45/1563.2.2三相橋式全控整流電路◆三相橋式全控整流電路的一些特點(diǎn)

?每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，共陰極組的和共陽極組的各1個(gè)，且不能為同一相的晶閘管。如圖。

?對(duì)觸發(fā)脈沖的要求

√6個(gè)晶閘管的脈沖按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60

。如圖?！坦碴帢O組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120

。如圖?！掏幌嗟纳舷聝蓚€(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180

。如圖。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation46/1563.2.2三相橋式全控整流電路?整流輸出電壓ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。如圖。?在整流電路合閘啟動(dòng)過程中或電流斷續(xù)時(shí)，為確保電路的正常工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖

√寬脈沖觸發(fā)：使脈沖寬度大于60（一般取80~100）

√雙脈沖觸發(fā)：用兩個(gè)窄脈沖代替寬脈沖，兩個(gè)窄脈沖的前沿相差60，脈寬一般為20~30

?！坛Ｓ玫氖请p脈沖觸發(fā)。如圖。

?晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也一樣。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation47/156CollegeofElectricalEngineeringandAutomation48/1563.2.2三相橋式全控整流電路√=30時(shí)，晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30，組成ud的每一段線電壓因此推遲30，ud平均值降低，波形見圖3-20。

√=60時(shí)，ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)向后移，ud平均值繼續(xù)降低。=60時(shí)ud出現(xiàn)了為零的點(diǎn)，波形見圖3-21。?當(dāng)>60時(shí)

√因?yàn)閕d與ud一致，一旦ud降至為零，id也降至零，晶閘管關(guān)斷，輸出整流電壓ud為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。

√=90時(shí)的波形見圖3-22。

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation49/1563.2.2三相橋式全控整流電路■阻感負(fù)載時(shí)的工作情況

◆電路分析

?當(dāng)≤60時(shí)

√ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。

√區(qū)別在于電流，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，id、iVT、ia的波形在導(dǎo)通段都可近似為一條水平線。

√=0時(shí)的波形見圖3-23，=30時(shí)的波形見圖3-24。

?當(dāng)>60時(shí)

√由于電感L的作用，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。

√=90時(shí)的波形見圖3-25。

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation50/1563.2.2三相橋式全控整流電路■基本數(shù)量關(guān)系

◆帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路角的移相范圍是0-120，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為0-90。◆整流輸出電壓平均值

?帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載≤60時(shí)

?帶電阻負(fù)載且>60時(shí)

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation51/1563.2.2三相橋式全控整流電路◆輸出電流平均值為Id=Ud/R?！舢?dāng)整流變壓器為圖3-17中所示采用星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形如圖3-24中所示，為正負(fù)半周各寬120、前沿相差180的矩形波，其有效值為：晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時(shí)一致?！羧鄻蚴饺卣麟娐方臃措妱葑韪胸?fù)載時(shí)的Id為：式中R和E分別為負(fù)載中的電阻值和反電動(dòng)勢的值。

(3-28)(3-29)。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation52/1563.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響■變壓器漏感

◆實(shí)際上變壓器繞組總有漏感，該漏感可用一個(gè)集中的電感LB表示，并將其折算到變壓器二次側(cè)。

■現(xiàn)以三相半波為例來分析，然后將其結(jié)論推廣

◆假設(shè)負(fù)載中電感很大，負(fù)載電流為水平線?！粲捎陔姼袑?duì)電流的變化起阻礙作用，電感電流不能突變，因此換相過程不能瞬間完成，而是會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation53/1563.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca◆分析從VT1換相至VT2的過程

?在t1時(shí)刻之前VT1導(dǎo)通，t1時(shí)刻觸發(fā)VT2，因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變，于是VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于將a、b兩相短路，兩相間電壓差為ub-ua，它在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik如圖所示。?ik=ib是逐漸增大的，而ia=Id-ik是逐漸減小的。

?當(dāng)ik增大到等于Id時(shí)，ia=0，VT1關(guān)斷，換流過程結(jié)束。

?換相過程持續(xù)的時(shí)間用電角度表示，稱為換相重疊角。

t1時(shí)刻

圖3-26考慮變壓器漏感時(shí)的三相半波可控整流電路及波形

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation54/1563.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響◆基本數(shù)量關(guān)系

?換相過程中，整流輸出電壓瞬時(shí)值為

?換相壓降：與不考慮變壓器漏感時(shí)相比，ud平均值降低的多少，即

(3-30)(3-31)。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation55/1563.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響?換相重疊角

√由式（3-30）得出：

由上式得：進(jìn)而得出：當(dāng)時(shí)，，于是

(3-32)(3-33)(3-34)(3-35)(3-36)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation56/1563.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響√隨其它參數(shù)變化的規(guī)律：

⑴Id越大則越大；

⑵XB越大越大；⑶當(dāng)≤90時(shí)，越小越大。?其它整流電路的分析結(jié)果

電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路①②

注：①單相全控橋電路中，XB在一周期的兩次換相中都起作用，等效為m=4；②三相橋等效為相電壓等于的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按代入。表3-2各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計(jì)算

技巧：

1、m對(duì)應(yīng)于器件的個(gè)數(shù)。

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation57/1563.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響◆變壓器漏感對(duì)整流電路影響的一些結(jié)論:

?出現(xiàn)換相重疊角，整流輸出電壓平均值Ud降低。

?整流電路的工作狀態(tài)增多。?晶閘管的di/dt減小，有利于晶閘管的安全開通，有時(shí)人為串入進(jìn)線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。?換相時(shí)晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導(dǎo)通，為此必須加吸收電路。?換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation58/1563.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響例：三相橋式不可控整流電路，阻感負(fù)載，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：三相橋式不可控整流電路相當(dāng)于三相橋式可控整流電路＝0°時(shí)的情況。

Ud＝2.34U2cos－ΔUd

ΔUd＝3XBId∕

Id＝Ud∕R

解方程組得：

Ud＝2.34U2cos∕（1＋3XB/R）＝486.9（V）

Id＝97.38（A）又∵－=2∕U2

即得出=0.892

換流重疊角＝26.93°

二極管電流和變壓器二次測電流的有效值分別為

IVD＝Id∕3＝97.38∕3＝33.46（A）

I2a＝Id＝79.51（A）

ud、iVD1和i2a的波形如圖3-27所示。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation59/1563.5整流電路的諧波和功率因數(shù)3.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)3.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路交流側(cè)諧

波和功率因數(shù)分析CollegeofElectricalEngineeringandAutomation60/1563.5整流電路的諧波和功率因數(shù)·引言■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(reactivepower)問題日益嚴(yán)重，引起了關(guān)注?！鰺o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?！艟€路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動(dòng)?！鲋C波的危害◆降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。

◆影響用電設(shè)備的正常工作?！粢痣娋W(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害?！魧?dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作?！魧?duì)通信系統(tǒng)造成干擾。

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation61/156■諧波

◆正弦波電壓可表示為

式中U為電壓有效值；u為初相角；為角頻率，=2f=2/T；f為頻率；T為周期。◆非正弦電壓u(t)分解為如下形式的傅里葉級(jí)數(shù)

3.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)式中n=1,2,3…(3-54)(3-55)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation62/1563.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)或式中，cn、n和an、bn的關(guān)系為◆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?！鬾次諧波電流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示◆電流諧波總畸變率THDi（TotalHarmonicdistortion）分別定義為（Ih為總諧波電流有效值）(3-56)(3-57)(3-58)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation63/1563.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)■功率因數(shù)

◆正弦電路

?有功功率就是其平均功率：

式中U、I分別為電壓和電流的有效值，為電流滯后于電壓的相位差。?視在功率為：

S=UI

?無功功率為：

Q=UIsin

?功率因數(shù)為：

?無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間的關(guān)系：

?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：=cos

(3-59)(3-60)(3-61)(3-62)(3-63)(3-64)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation64/1563.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)◆非正弦電路

?有功功率為?功率因數(shù)為：式中I1為基波電流有效值，1為基波電流與電壓的相位差。式中，=I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為基波因數(shù)，而cos1稱為位移因數(shù)或基波功率因數(shù)。

?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。

√一般簡單定義為（反映了能量的流動(dòng)和交換）：

√仿照式（2-61）定義為：

?畸變功率D為：(3-65)(3-66)(3-67)(3-68)(3-71)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation65/1563.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)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◆電流波形如圖3-6所示，將電流波形分解為傅里葉級(jí)數(shù)，可得其中基波和各次諧波有效值為n=1,3,5,…可見，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)。

圖3-6i2的波形(3-72)(3-73)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation66/1563.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)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)

?基波電流有效值為?i2的有效值I=Id，可得基波因數(shù)為

?電流基波與電壓的相位差就等于控制角，故位移因數(shù)為

?功率因數(shù)為(3-74)(3-75)(3-76)(3-77)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation67/1563.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析圖3-24ia的波形■三相橋式全控整流電路

◆以=30為例，電流有效值為

◆電流波形分解為傅立葉級(jí)數(shù)(3-78)(3-79)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation68/1563.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析由式（3-79）可得電流基波和各次諧波有效值分別為結(jié)論：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)?！艄β室驍?shù)?基波因數(shù)為?電流基波與電壓的相位差仍為，故位移因數(shù)仍為

?功率因數(shù)為(3-80)(3-81)(3-82)(3-83)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation69/1563.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)

3.7.1逆變的概念

3.7.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)

3.7.3逆變失敗與最小逆變角的限制

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation70/1561)什么是逆變？為什么要逆變？逆變（Invertion）——把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過程。逆變電路——把直流電逆變成交流電的電路。有源逆變電路——交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)。應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速以及高壓直流輸電等。無源逆變電路——變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，將在第4章介紹。對(duì)于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路。3.7.1逆變的概念CollegeofElectricalEngineeringandAutomation71/156712)直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)圖3-46直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動(dòng)勢同極性EG

>EM

b）兩電動(dòng)勢同極性EM>EG

c）兩電動(dòng)勢反極性，形成短路電路過程分析。兩個(gè)電動(dòng)勢同極性相接時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢高的流向低的，回路電阻小，可在兩個(gè)電動(dòng)勢間交換很大的功率。3.7.1逆變的概念CollegeofElectricalEngineeringandAutomation72/156單相全波可控整流電路=單相雙半波可控整流電路a)wtwab)udi1OOt圖3-10單相全波可控整流電路及波形■帶電阻負(fù)載時(shí)

◆電路分析

?變壓器T帶中心抽頭。

?在u2正半周，VT1工作，變壓器二次繞組上半部分流過電流。?u2負(fù)半周，VT2工作，變壓器二次繞組下半部分流過反方向的電流。?變壓器也不存在直流磁化的問題。

CollegeofElectricalEngineeringandAutomation73/156◆單相全波與單相全控橋的區(qū)別

?單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材料的消耗多。?單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，相應(yīng)地，門極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。?單相全波導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，因而管壓降也少1個(gè)?！魪纳鲜龊髢牲c(diǎn)考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation74/156743)逆變產(chǎn)生的條件單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī)圖3-47

單相全波電路的整流和逆變交流電網(wǎng)輸出電功率電動(dòng)機(jī)輸出電功率a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUd>EMu10udu20u10OOwtwtIdidUd<EMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT13.7.1逆變的概念CollegeofElectricalEngineeringandAutomation75/1563.7.1逆變的概念◆產(chǎn)生逆變的條件

?要有直流電動(dòng)勢，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于變流器直流側(cè)的平均電壓。

?要求晶閘管的控制角>/2，使Ud為負(fù)值。

?兩者必須同時(shí)具備才能實(shí)現(xiàn)有源逆變?！舭肟貥蚧蛴欣m(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負(fù)值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動(dòng)勢，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變，欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation76/1563.7.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt2圖3-48三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形

■逆變角

◆通常把>/2時(shí)的控制角用-=表示，稱為逆變角。

◆的大小自=0的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。

◆三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時(shí)的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖3-48所示。134256CollegeofElectricalEngineeringandAutomation77/1563.7.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)■基本的數(shù)量關(guān)系

◆三相橋式電路的輸出電壓Ud=-2.34U2cos=-1.35U2Lcos◆輸出直流電流的平均值

◆流過晶閘管的電流有效值◆從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為◆變壓器二次側(cè)線電流的有效值

當(dāng)逆變工作時(shí)，由于EM為負(fù)值，故Pd一般為負(fù)值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。(3-105)(3-106)(3-107)(3-108)CollegeofElectricalEngineeringandAutomation78/1563.7.3逆變失敗與最小逆變角的限制■逆變運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換相失敗，外接的直流電源就會(huì)通過晶閘管電路形成短路，或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動(dòng)勢變成順向串聯(lián)，由于逆變電路的內(nèi)阻很小，形成很大的短路電流，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。■逆變失敗的原因

◆觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時(shí)等，致使晶閘管不能正常換相。

◆晶閘管發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通?！艚涣麟娫慈毕嗷蛲蝗幌?。

◆換相的裕量角不足，引起換相失敗。CollegeofElectricalEngineeringandAutomation79/1563.7.3逆變失敗與最小逆變角的限制udOOidwtwtuaubucuaubpbgb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT322◆考慮變壓器漏抗引起重疊角對(duì)逆變電路換相的影響

?以VT3和VT1的換相過程來分析，在>時(shí)，經(jīng)過換相過程后，a相電壓ua仍高于c相電壓uc，所以換相結(jié)束時(shí)，能使VT3承受反壓而關(guān)斷。

?當(dāng)<時(shí)，換相尚未結(jié)束，電路的工作狀態(tài)到達(dá)自然換相點(diǎn)p點(diǎn)之后，uc將高于ua，晶閘管VT1承受反壓而重新關(guān)斷，使得應(yīng)該關(guān)斷的VT3不能關(guān)斷卻繼續(xù)導(dǎo)通，且c相電壓隨著時(shí)間的推遲愈來愈高，電動(dòng)勢順向串聯(lián)導(dǎo)致逆變失敗。?為了防止逆變失敗，不僅逆變角