第八講整流與有源逆變3

電力電子技術(shù)

PowerElectronicTechnology變壓器漏感對整流電路的影響電容濾波的不可控整流電路整流電路的諧波和功率因數(shù)7.2變壓器漏感對整流電路的影響7.2變壓器漏感對整流電路的影響考慮包括變壓器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，該漏感可用一個集中的電感LB表示以三相半波為例VT1換相至VT2的過程：因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變，于是VT1和VT2同時導(dǎo)通，相當(dāng)于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik。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，ia=0，VT1關(guān)斷,換流過程結(jié)束。圖2-25考慮變壓器漏感時的三相半波可控整流電路及波形7.2變壓器漏感對整流電路的影響1.換相重疊角γ——換相過程持續(xù)的時間，用電角度γ表示換相過程中，整流輸出電壓ud為同時導(dǎo)通的兩個晶閘管所對應(yīng)的兩個相電壓的平均值。這導(dǎo)致ud的波形出現(xiàn)一個明顯的缺口。同時各相的電流也不是突變的。7.2變壓器漏感對整流電路的影響

2.換相壓降△Ud——與不考慮變壓器漏感時相比，ud平均值降低的數(shù)值。換相壓降相當(dāng)于陰影部分的面積的平均值，它使得輸出的整流電壓下降。這塊陰影由負(fù)載電流Id的換相過程引起。具體計(jì)算：陰影面積除以SCR導(dǎo)通的時間。以三相半波為例：式中XB相當(dāng)于漏感為LB的變壓器每相折算到二次側(cè)的漏抗，可根據(jù)變壓器的銘牌數(shù)據(jù)求出。7.2變壓器漏感對整流電路的影響3.換相重疊角γ的計(jì)算（見書上P60,P61）可見，γ

隨其它參數(shù)變化的規(guī)律：1）Id越大則γ

越大；2）XB越大γ

越大；3）當(dāng)

≤90時，

越大γ

越小。

重疊角γ的產(chǎn)生是由于變壓器漏感儲存了電磁能量而引起的，Id和XB越大，變壓器儲存的能量越大。當(dāng)α≤90°時，α越大，γ越小，這是因?yàn)棣猎酱?，相鄰相的相電壓差值越大，要使得兩相重疊導(dǎo)電，勢必dik/dt要增大，即能量要釋放得快。7.2變壓器漏感對整流電路的影響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

表2-2各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計(jì)算注：①單相全控橋電路中，環(huán)流ik變化較復(fù)雜。本表所列通用公式不適用；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。7.2變壓器漏感對整流電路的影響5.變壓器漏感對整流電路影響的一些結(jié)論：1）變壓器漏感使得電流變化比較緩和，晶閘管的di/dt

減小，有利于晶閘管的安全開通；有時還人為串入進(jìn)線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。2）變壓器漏感使得換相期間兩相相當(dāng)于短路，若整流裝置容量很大，則換相瞬間會使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，造成電網(wǎng)波形畸變，成為干擾源，影響本身和電網(wǎng)上其它設(shè)備的正常運(yùn)行。3）出現(xiàn)換相重疊角γ，整流輸出電壓平均值Ud降低，電壓的脈動系數(shù)也增加；4）整流電路的工作狀態(tài)增多，例如三相半波整流電路VT1-VT2變成VT1-VT1、VT2-VT2三個狀態(tài)，增添了VT1和VT2同時導(dǎo)通的狀態(tài)。5）換相時晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導(dǎo)通，須加吸收電路；7.3電容濾波的不可控整流電路

在交—直—交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應(yīng)用場合中，大量應(yīng)用

最常用的是單相橋和三相橋兩種接法。7.2.1電容濾波的單相不可控整流電路常用于小功率單相交流輸入的場合，如目前大量普及的微機(jī)、電視機(jī)等家電產(chǎn)品中

1.工作原理及波形分析圖2-26電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形a)電路b)波形7.2.1電容濾波的單相不可控整流電路在ωt=0時刻，交流電壓u2高于電容電壓ud，二極管VD1和VD4導(dǎo)通，交流電源開始向電容充電，并為負(fù)載提供能量；電容電壓逐步升高，當(dāng)整流橋輸出電壓低于電容電壓時，二極管VD1和VD4關(guān)斷，此后電容C放電，為負(fù)載提供能量，直至二極管VD2和VD3導(dǎo)通；該過程周而復(fù)始。負(fù)載固定的情況下，電容器C的容量越大，充電和放電所需要的時間越長?？蛰d時，由于電容C儲存的電荷無法釋放，

重載時由于負(fù)載電阻值很小，Ud逐漸趨向于0.9U2。顯然，電容C的容量越大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓Ud也越高。但是，當(dāng)電容容量達(dá)到一定值以后，再加大電容容量對提高濾波效果已無明顯作用。7.2.1電感濾波的單相不可控整流電路

電容濾波電路利用了電容兩端電壓不能突變的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電壓平滑。而電感濾波電路則是利用電感兩端的電流不能突變的特點(diǎn)，把電感器與負(fù)載串聯(lián)起來，以達(dá)到使輸出電流平滑的目的。從能量的觀點(diǎn)看，當(dāng)電源提供的電流增大（由電源電壓增加引起）時，電感器把能量存儲起來；而當(dāng)電流減小時，電感器把能量釋放出來，使負(fù)載電流平滑，所以電感有平波作用。對于負(fù)載而言，采用大電容濾波的整流電路相當(dāng)于直流電壓源，而采用大電感濾波的整流電路相當(dāng)于直流電流源。7.2.1復(fù)式濾波的單相不可控整流電路

把電容連接在負(fù)載并聯(lián)支路，把電感或電阻連接在串聯(lián)支路，可以組成復(fù)式濾波器，達(dá)到更佳的濾波效果。上圖是由電感與電容組成的LC濾波器，其濾波效能很高，適用于負(fù)載電流較大、要求紋波很小的場合。但是，這種濾波器由于電感體積和重量大（高頻時可減?。?，比較笨重，成本也較高，一般情況下使用的不多。將圖中的電感換成電阻，即成為電阻與電容組成的RC濾波器。這種復(fù)式濾波器結(jié)構(gòu)簡單，能兼起降壓、限流作用，濾波效能也較高。7.2.1電容濾波的單相不可控整流電路

在電容濾波電路中，當(dāng)電路接入電網(wǎng)時瞬間，電容的充電過程會導(dǎo)致電流浪涌，因此在實(shí)際應(yīng)用時要考慮整流橋的抗浪涌能力。也可采用上圖所示的抗浪涌電路，也稱作軟起電路。在電路剛接入電網(wǎng)時，繼電器K常開觸頭斷開，電阻R1起限流作用；等電容電壓達(dá)到一定值時，控制繼電器K動作，將電阻R1短接，避免正常工作時R1消耗能量。7.2.1倍壓整流電路

世界各國的市電電壓（單相電壓）并不完全一樣，有的單相電壓有效值為110V，有的為220V（或230V），如我國的市電電壓標(biāo)準(zhǔn)為220V。為適應(yīng)不同國家的需要，實(shí)現(xiàn)兩種輸入電源的轉(zhuǎn)換，可采用左圖所示的倍壓整流技術(shù)。

兩種輸入交流電壓的轉(zhuǎn)換由開關(guān)S來完成。當(dāng)開關(guān)S閉和時，電路在110V交流輸入電壓下工作。在交流電的正半周，通過VD1，C1上的電壓被充電到交流電壓的峰值ud/2。而在交流電的負(fù)半周，C2上的電壓通過VD2也被充電達(dá)到交流電壓的峰值ud/2，電路輸出的直流電壓應(yīng)為C1和C2上充電電壓之和，即ud。當(dāng)開關(guān)S打開時，二極管VD1～VD4組成了全橋整流電路，對輸入的交流220V進(jìn)行整流，也同樣產(chǎn)生數(shù)值為ud的直流電壓。

S閉和時的電路被稱為二倍壓整流。還有多倍壓整流電路，其基本原理與二倍壓整流一樣，都是利用二極管的整流和引導(dǎo)作用，將電壓分別存儲在每一個電容上，然后將電容按同極性相加的原則串聯(lián)即可。7.2.2電容濾波的三相不可控整流電路1.基本原理圖2-30電容濾波的三相橋式不可控整流電路及其波形7.2.2電容濾波的三相不可控整流電路圖2-32考慮電感時電容濾波的三相橋式整流電路及其波形

a）電路原理圖b）輕載時的交流側(cè)電流波形

c）重載時的交流側(cè)電流波形考慮實(shí)際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感時的工作情況：電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。隨著負(fù)載的加重，電流波形與電阻負(fù)載時的交流側(cè)電流波形逐漸接近。7.2.2電容濾波的三相不可控整流電路2.主要數(shù)量關(guān)系

1）輸出電壓平均值

Ud在（2.34U2-2.45U2）之間變化

2）電流平均值

輸出電流平均值IR為：

IR=Ud/R

（2-51）與單相電路情況一樣，電容電流iC平均值為零，因此：

Id=IR

（2-52）二極管電流平均值為Id的1/3，即：

ID=Id/3=IR/3

（2-53）

3）二極管承受的電壓

二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為。7.3整流電路的諧波和功率因數(shù)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。許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，或由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-93）《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》從1994年3月1日起開始實(shí)施。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(hù)和自動裝置的誤動作。對通信系統(tǒng)造成干擾。7.3整流電路的諧波和功率因數(shù)1.諧波在供電系統(tǒng)中，我們總是希望電壓和電流一直保持正弦波形。當(dāng)正弦波電壓施加在線性無源器件電阻、電感和電容上時，其電流和電壓分別為比例、積分和微分關(guān)系，但仍為同頻的正弦波。如果正弦波電壓施加在非線性電路上時，電流就成為非正弦波，非正弦波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。?dāng)然，非正弦波電壓施加在線性電路上時，電流也是非正弦的。非正弦量可分解為傅里葉級數(shù)基波（fundamental）——在傅里葉級數(shù)中，頻率與工頻相同的分量諧波——頻率為基波頻率整數(shù)倍(大于1)的分量，即2,3,4,…N次諧波諧波次數(shù)——諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比

2.功率因數(shù)1)正弦電路中的功率因數(shù)電路的有功功率P就是其平均功率：視在功率S為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI

功率因數(shù)λ是由電壓和電流的相位差來決定注：In為第n次諧波電流有效值，Ih為總諧波電流有效值，I1為基波電流有效值。7.3整流電路的諧波和功率因數(shù)2)非正弦電路中的功率因數(shù)公用電網(wǎng)中，通常電壓的波形畸變很小，而電流波形的畸變可能很大。因此，不考慮電壓畸變，研究電壓波形為正弦波、電流波形為非正弦波的情況有很大的實(shí)際意義。設(shè)正弦波電壓有效值為U，電流有效值為I，基波電流有效值及與電壓的相位差分別為I1和

。這時有功功率為：P=UI1cos

功率因數(shù)為：基波因數(shù)——ν=I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）——7.3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。將電流i2分解為傅里葉級數(shù)，可得：

變壓器二次側(cè)電流諧波分析：基波和各次諧波有效值為：

n=1,3,5,…

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)。7.3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

功率因數(shù)計(jì)算基波電流有效值為（2-74）i2的有效值I=Id，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

7.3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為足夠大交流側(cè)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：

變壓器二次側(cè)電流諧波分析：電流中僅含6k1（k為正整數(shù)）次諧波；可見三相橋的優(yōu)越性。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)。7.3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

功率因數(shù)計(jì)算基波因數(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

單相橋式8.3多重化整流電路概述：整流裝置功率進(jìn)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(jìn)行組合得到。目標(biāo)：

移項(xiàng)多重聯(lián)結(jié)減少交流側(cè)輸入電流諧波，提高基波因數(shù)。串聯(lián)多重整流電路采用順序控制可提高位移因數(shù)，進(jìn)而提高功率因數(shù)。8.3多重化整流電路移相30構(gòu)成的串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路圖2-41

移相30串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路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。iA基波幅值Im1和n次諧波幅值Imn分別如下：星形三角形單相橋：0.9三相橋：0.9556脈波整流電路8.3多重化整流電路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)3重聯(lián)結(jié)電路：整流電壓ud在每個電源周期內(nèi)脈動18次，故此電路為18脈波整流電路。交流側(cè)輸入電流諧波更少，為18k±1次（k=1,2,3…），ud的脈動也更小。輸入位移因數(shù)和功率因數(shù)分別為：cosa=0.9949cosa將整流變壓器的二次繞組移相15，可構(gòu)成串聯(lián)4重聯(lián)結(jié)電路：

為24脈波整流電路。其交流側(cè)輸入電流諧波次為24k±1，