相控整流电路

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第章 相控整流电路,1,3.1 引 言,按组成的器件可分为不可控（二极管）、半控（,SCR),、,全控,(,全控器件）三种；,按电路结构可分为桥式电路和半波电路；,按交流输入相数分为单相电路和三相电路。,整流电路是出现最早的电力电子电路，电路的功能是将交流电变为直流电。整流电路分类如下：,2,各种典型整流电路的电路结构、工作原理、波形分析、基本数量关系及计算,、,负载性质的影响；,变压器漏抗对整流电路的影响；,有源逆变电源分析,整流电路的谐波和功率因数分析；,大功率场合的整流电路；,需掌握的内容：,3,3.2 单相半波可控整流电路,图3-1 单相半波可控整流电路及波形,1. 带电阻负载的工作情况,变压器,T,起变换电压和隔离的作用；,电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同,。,晶闸管采用电网换相方式,4,为分析电路方便，首先假设以下几点：,(1),开关元件是理想的,，即开关元件(晶闸管)导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大；并且开关瞬间完成;,(2),变压器是理想的,，即变压器漏抗为零，绕组的电阻为零、励磁电流为零。,5,（1）在U,2,的正半周，VT承受正向电压，0t1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，U,VT,U,2,，U,d,=0;,（2） t1以后，VT由于触发脉冲U,G,的作用而导通，则U,d,=U,2, U,VT,=0,Id=U,2,/R，一直到时刻；,（3） 2期间，U,2,反向，VT由于承受反向电压而关断,U,VT,=U,2,U,d,=0。,以后不断重复以上过程。,特点：,为单拍电路，易出现变压器直流磁化，应用较少。,工作过程和特点：,6,若干概念：,单拍电路：,指变压器副边在工作过程中只流过一个方向的电流，此时变压器有直流磁化现象；,双拍电路：,指变压器副边在工作过程中流过正反双向电流；,“半波”整流：,u,d,为脉动直流，波形只在,u,2,正半周内出现，故称之。,触发延迟角,：,从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用,表示,也称触发角或控制角。,7,导通角,：,晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用,表示。在半波电路中,，,。,的,移相范围：,指触发角,可以变化的角度范围。在不同的电路中，,有不同的角度范围。如在单相半波电路中，,的移相角度范围是,0,。,相控方式：,这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。,8,直流输出电压平均值,U,d,（,3-1,）,说明：,U,2,为电源电压有效值（如,AC 220V,）；,时，,U,d,=0,，,可见可以通过调整,来,调整,U,d,。,直流输出电压有效值,U,（,3-2,）,基本数量关系：,9,SCR,的若干参数关系：,(1),I,dT,（,流过,SCR,电流的平均值）,（,3-3,）,(2),I,T,（,流过,SCR,电流的有效值）,（,3-4,）,(3) U,V,T,（,SCR,承受的正反向峰值电压）为,10,整流电路的功率因数,cos,：,cos,（,有功功率,P,）,/,（,电源视在功率,S,）,因为对于交流电源来说，,i,2,总是滞后于,U,2,这相当于电源有一个感性负载，,越大，,i,2,滞后,U,2,的角度也越大，,cos,也就越小。,P=,负载的电压有效值,负载的电流有效值,S,电源的电压有效值,电源的电流有效值,所以：,（,3,5,）,11,电感的特点,:,(1),电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。,(2),在电感两端产生的感应电动势,Ldi/dt,。,它的极性是阻止电流的变化。,(3),电感在电路的工作过程中，不消耗能量。即产生多少能量，就释放多少。,负载阻抗角,arctg(L,/R),，,反映出负载中电感所占的比重，该角度越大（,090,0,之间），则电感量越大。当负载中的感抗,L,和,R,相比不可忽略时，称为电感性负载。,2. 单相半波电路带电感性负载的工作情况,12,图3-2 带电感性负载的单相半波电路及其波形,13,（1）在U,2,的正半周，VT承受正向电压，0,t1,期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，U,VT,U,2,，U,d,=0;,（2）,t1,以后，VT由于触发脉冲U,G,的作用而导通，则U,d,=U,2, U,VT,=0，一直到,时刻。但由于L的作用，在,时刻，Ud=0，而L中仍蓄有磁场能，,i,d 0；,（3）,t,2期间，L释放磁场能，使id逐渐减为0，此时负载反给电源充电，电感L感应电势极性是上负下正，使电流方向不变，只要该感应电动势比U,2,大，VT仍承受正向电压而继续维持导通，直至L中磁场能量释放完毕， VT承受反向电压而关断；,工作过程和特点：,14,（4）,t,2,2,期间，VT承受反向电压而处于关断状态，U,VT,U,2,，U,d,=0。,请同学们思考：,（a） L两端的电压何时变为上负下正，如何简单判断？,（b） id能否连续,？为什么？,（c)一个周期中L两端的电压波形如何？,15,直流输出电压平均值U,d,（3-6）,由于从u,d,的波形可以看出，此时输出的平均电压U,d,和电阻负载相比，有所下降。,考虑一种极端情况： 如果为大电感负载，则u,d,中的负面积接近正面积，输出,的直流平均电压,U,d,0，则id也很小，这样的电路无实际用途。所以，实际的大电感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。,基本数量关系：,16,3. 带电感性负载加续流二极管工作情况,17,基本数量关系,(1) 输出电压平均值,U,d与输出电流平均值,I,d,输出电压平均值,U,d,输出电流平均值,I,d,18,(2) 晶闸管的电流平均值,I,dT与晶闸管的电流有效值,I,T,晶闸管的电流平均值,I,dT,晶闸管的电流有效值,I,T,19,(3) 续流二极管的电流平均值,I,dDR,与续流二极管的电流有效值,I,DR,(4) 晶闸管和续流二极管承受的,最大正反向电压,均为电源电压的峰值。,20,线路简单、易调整，但输出电流脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化；,实际上很少应用此种电路；,单相半波可控整流电路的特点：,21,3.3 单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另外一对桥臂。在实际的电路中，一般都采用这种标注方法，即上面为1、3，下面为2、4。请同学们注意。两组晶闸管的触发信号相差180度。,1、电阻负载的工作情况,图3-3 单相全控桥,带电阻负载时的电路及波形,22,（1）,0,t,1:,U,2,为正，VT1和VT4无触发脉冲截止，VT1和VT4分担U,2,/2的正向电压，VT2和VT3分担U,2,/2 的反向电压,U,d,=0;,（2）,t1,:,U,2,为正， VT1和VT4,由于触发脉冲U,G,的作用而导通，,VT2和VT3承受U,2,的反向电压，,i,d,=U,2,/R,；,（3）,t,2(,+,t,1) ：,U,2,为负，VT2和VT3无触发脉冲截止，VT2和VT3分担U,2,/2的正向电压，VT1和VT4分担U,2,/2 的反向电压,U,d,=0;,（4）,t,2(,+,t,1),2,:,U,2,为负， VT2和VT3,由于触发脉冲U,G,的作用而导通，,VT1和VT4承受U,2,的反向电压，,i,d,=U,2,/R，且方向保持不变,。,1) 工作过程和特点,23,2） 基本数量关系,直流输出电压平均值,U,d,（,3-7,）,可见：在同样的控制角,情况下，输出的平均电压,U,d,是单相半波的两倍；,SCR,可控移相范围为,0,180,0,；,SCR,导通的电角度为,-,属于双拍电路。,24,直流输出电流平均值,I,d,和,SCR,的平均电流,i,dT,（,3-8,）,由于,SCR,轮流导电，所以流过每个,SCR,的平均电流,i,dT,只有负载上平均电流的一半。,（,3-9,）,25,直流输出电流有效值,I,，,即为变压器二次侧绕组电流有效值,I,2,（,3-10,）,SCR,的有效电流,I,T,，,由于,SCR,轮流导电，所以,I,T,为：,（,3-11,）,功率因数:,26,带电感性负载的工作情况,图3-4 单相全控桥带,电感性负载时的电路及波形,为便于讨论，假设电路已工作于稳态，,i,d,的平均值不变,。,假设负载电感很大，负载电流,i,d,连续且波形近似为一水平线：,27,u,2,过零变负时，由于电感的作用晶闸管,VT,1,和,VT,4,中仍流过电流,i,d,，,并不关断；,至,t=,+,时刻，给,VT,2,和,VT,3,加触发脉冲，因,VT,2,和,VT,3,本已承受正电压，故两管导通，,而,VT,1,和,VT,4,立刻承受负电压，故两管关断,。,VT,2,和,VT,3,导通后，,u,2,通过,VT,2,和,VT,3,分别向,VT,1,和,VT,4,施加反压使,VT,1,和,VT,4,关断，流过,VT,1,和,VT,4,的电流迅速转移到,VT,2,和,VT,3,上，此过程称,换相,，亦称,换流,。,1）电路工作特点,28,整流电路输出平均电压,（,3-12,）,晶闸管移相范围为,90,，因为当,90,时，,Ud,0,。,整流电路输出平均电流,I,d,和,SCR,的电流平均值,I,dT,变压器二次侧电流,i,2,的波形为正负各,180,的矩形波，其相位由,角决定，有效值,I,2,=I,d,。,2） 基本数量关系,功率因数:,29,为提高整流输出电压平均值，负载侧并联续流二极管请分析P59-图3.19,30,3. 反电势负载,(1) 反电势电阻负载的情况,31,3. 反电势负载,(1) 反电势电阻负载的情况,反电势电阻负载的特点是：当整流电压的瞬时值,u,d小于反电势,E,时，晶闸管承受反压而关断，这使得晶闸管导通角减小。晶闸管导通时，,u,d=,u,2，,晶闸管关断时，,u,d=,E,。与电阻负载相比晶闸管提前了电角度,停止导电，,称作停止导电角。,32,(2) 反电势电感性负载的情况,若负载为直流电动机时，此时负载性质为反电动势电感性负载，电感不足够大，输出电流波形仍然断续。在负载回路串接平波电抗器可以减小电流脉动，,如果电感足够大，电流就能连续，在这种条件下其工作情况与电感性负载相同,，区别在于,Id的计算不同,：,33,单相全控桥式整流器主要适用于4kW左右的应用场合，与单相半波可控整流器相比，整流电压脉动减小，每周期脉动两次。变压器二次侧流过正反两个方向的电流，不存在直流磁化，利用率高。,单相全控桥式整流电路的特点：,34,3.4 单相桥式半控整流电路（单相半控桥）,单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，为了对每个导电回路进行控制，其实只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为,单相桥式半控整流电路,（单相半控桥）。,35,1、电阻负载的工作情况,当负载为阻性负载时，单相半控桥与单相全控桥工作过程和波形完全一致。,区别,:,在于在一个周期内的（ ）、（ ）期间，晶闸管未导通，处于正向阻断状态时，晶闸管上承受的正向电压是,36,带电感性负载的工作情况,为便于讨论，假设电路已工作于稳态，,i,d,的平均值不变,。,假设负载电感很大，负载电流,i,d,连续且波形近似为一水平线：,37,在,U,2,正半周，触发角,处给晶闸管,T,1,加触发脉冲，,U,2,经,T,1,和,D,4,向负载供电；,U,2,过零变负时，因电感作用使电流,id,连续，,D4,关断、,D2,导通，,T1,和,D2,为负载电流提供续流回路。此时输出电压,u,d,和变压器二次电流为零；,在,U,2,负半周触发角,时刻触发,T,3,，,U,2,经,T,3,和,D,2,向负载供电；,U,2,过零变正时，,D2,关断、,D4,导通，,T3,和,D4,为负载电流提供续流回路。此时输出电压,u,d,和变压器二次电流为零；,1）工程过程分析,38,2）,半控桥的失控情况和续流二极管Vz的作用,当,突然增大至,180,或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使,U,d,成为正弦半波，即半周期,u,d,为正弦，另外半周期,U,d,为零，其平均值保持恒定，即,失去控制作用,，,称为失控。,有续流二极管,V,z,时，续流过程由,V,z,完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。,39,有续流二极管的单相桥式半控整流电路及其工作波形,2）,半控桥的失控情况和续流二极管Vz的作用,40,在,U,2,正半周，触发角,处给晶闸管,T,1,加触发脉冲，,U,2,经,T,1,和,D,4,向负载供电；,U,2,过零变负时，因电感作用使电流,id,连续，电流通过续流二极管,D,z,进行续流，,U,d,为零。此时，,T1,承受负压关断，,T3,承受正压，由于无触发脉冲而关断。变压器二次绕组无电流；,在,U,2,负半周触发角,时刻触发,T,3,，,T,3,导通，,D,z,承受负压而关断，,U,2,经,T,3,和,D,2,向负载供电。,U,2,过零变正时，电流再次通过续流二极管,D,z,进行续流，,U,d,又为零。,带续流二极管Vz的工作过程分析：,41,3、单相半控桥阻性和感性负载的基本数量关系,直流输出电压平均值,U,d,、,电流平均值,I,d,（,和全控桥阻性负载是相同,）,（,3-13,）,(3-14),可控移相范围为,180,0,；,属于双拍电路。,具体的各个电流有效值以及电流的平均值根据电流的波形可以方便得出。,42,单相桥式半控整流电路的另一种接法：,相当于把,图,3-5a,中的,T,3,和,T,4,换为二极管,VD,3,和,VD,4,，,这样可以省去续流二极管，续流由,VD,3,和,VD,4,来实现,。,图3-6 单相桥式半控整流电路的另一接法,43,* 单相全波可控整流电路（单相全波）(附）,图3-7 单相全波可控整流电路及波形,44,单相全波可控整流电路又称单相双半波可控整流电路。,T,的副边带有中心抽头。当,2U,2,为上正下负时，,VT1,工作，当,2U,2,为下正上负，,VT2,工作。注意此时副边的电压有效值为,2U,2,；,单相双半波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看波形均是基本一致的。,1）工作特点,45,（1）,单相双半波,中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多；,（2）,单相双半波,只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压为 ，是单相全控桥的2倍；,（3）,单相双半波,导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个；,从上述（,2,）、（,3,）考虑，单相全波电路有利于在,低输出电压,的场合应用。,2）与单相桥式整流电路的区别,46,3.5,三,相半波可控整流电路,负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时使用三相整流电路;,基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广。,47,1) 电路的特点：,变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。,三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法 。与之相对应的是将阳极连接在一起共阳极接法 。,1. 电阻负载,图3-8 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及,=0,时的波形,48,2) 电路中的晶闸管换作二极管，成为三相半波不可控整流电路,此时，相电压最大的一相所对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压：,一周期中， 在t1 t2期间，VD1导通，ud=ua,在 t2 t3期间， VD2导通，ud=ub,在 t3 t4期间，VD3导通，ud=uc,二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角的起点，即 =0,注意,：这是三相电路和单相电路的一个区别，即,三相电路触发角的起点,，是以自然换相点来计算的，而不是以过零点。,自然换相点,：是三个相电压的交点。,49,3) 使用SCR时， =0,时的工作原理分析(图3-8）,由变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量；,晶闸管的电压波形，由3段组成：,第1段，VT1导通期间，uT1=0;,第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，uT1=ua-ub=uab，为一段线电压;,第3段，在VT3导通期间，uT1=ua-ub=uab为另一段线电压；,增大值,将脉冲后移,整流电路的工作波形相应地发生变化。,50,4) =30,时的波形,负载电流处于连续和断续之间的临界状态。,图3-9 三相半波可控整流电路，电阻负载， =30,时的波形,特点：在t1 120,时刻，Ub开始Ua，此时VT2承受正压，但由于没有触发脉冲，所以仍旧处于关断状态，隔断b相电压，从而使a相的VT1继续导通，直至VT2触发脉冲的到来。,晶闸管导通角等于120,51,5) ,30,的情况,图3-10 三相半波可控整流电路，,电阻负载， =60,时的波形,特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120,。,请同学们分析,电阻负载时角的移相范围？,可以这样分析：其实三相半波电路，相当于三个单相半波电路的并联。对于单相电路，移相范围为180,0,。由于三相电路移相范围的起点从换相点开始计算，所以为150,。,52,6) 整流输出电压平均值的计算,（,1）,30,时，负载电流连续，有:,当,=0时，Ud最大，为,（2）,30,时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,（3-15）,（3-16）,53,7) 其它的参数计算,负载电流平均值为:,晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次,线电压峰值,，即:,由于晶闸管阴极与零点间的电压即为整流输出电压ud，其最小值为零，而晶闸管阳极与零点间的最高电压等于变压器二次相电压的峰值，因此晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次,相电压的峰值,，即:,综合以上两点，选择SCR时，以 为标准。,（3-17）,（3-18）,（3-19）,54,2. 三相半波可控整流电路电感性负载,1) 特点：电感性负载，L值很大，id波形基本平直,30,时：整流电压波形与电阻负载时相同,30,时（如,=60,时的波形如图3-11所示）,ua过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分。,2) 电感性负载时，,的移相范围为90,（,请同学分析原因,）,原因是由于当90,时，Ud的波形正负对称，平均值为0，失去意义。所以,的移相范围为90,。,请同学们自己完成,90,时的工作波形。,55,图3-11 三相半波可控整流电路，电感性负载时的电路及,=60,时的波形,56,3) 基本参数计算,(1)直流输出电压平均值Ud：,(2)变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为:,(3)晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值:,（3-20）,（3-21）,（3-22）,57,3. 反电动势感性负载,如果电感足够大，电流就能连续，在这种条件下其工作情况与电感性负载相同,，区别在于,Id的计算不同,：,58,4. 并联续流二极管的感性负载,感性负载并联接续流二极管,当a30,0,以后，输出电压波形中不能出现负值部分，原来输出电压,出现负值,的地方由,续流二极管导通提供负载电流通路（一个周期续流3次），那么所有晶闸管关断，输出电压U,d,=0。,59,附,：共阳极的三相半波可控整流电路,共阳极接法时的晶闸管只能在相电压的负半周工作，其阴极电位为负且有触发脉冲时导通，换相总是换到阴极电位更负的那一相去。相电压负半周的交点就是共阳极接法的自然换流点。与共阴极接法的区别在于输出极性相反。,60,三相半波可控整流电路虽然只用了,3,只晶闸管，接线和控制简单。但与三相桥式整流电路相比，要得到相同的输出电压，晶闸管承受的正、反向峰值电压较高。,整流变压器二次侧绕组在一个周期内仅工作,120,，变压器利用率较低。,三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。,三相半波可控整流电路的特点：,61,3.6 三相桥式全控整流电路(三相全控桥),三相全桥的特点:,应用最为广泛；,共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）；,共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）；,请注意编号顺序：1、3、5和4、6、2，一般不特别说明，均采用这样的编号顺序。,由于零线平均电流为零，所以可以不用零线。,对于每相二次电源来说，一个工作周期中，即有正电流，也有负电流，所以不存在直流磁化问题，提高了绕组利用率。,图3-12 三相桥式全控整流电路原理图,62,1. 带电阻负载时的工作情况,1),=0,时的情况,对于共阴极阻的,3,个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通；,对于共阳极组的,3,个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通；,任意时刻共阳极组和共阴极组中各有,1,个,SCR,处于导通状态。其余的,SCR,均处于关断状态。,触发角,的起点，仍然是从自然换相点开始计算，注意正负方向均有自然换相点。,图3-13 三相桥式全控整流,电路带电阻负载 =0,时的波形,63,从线电压波形看,，,u,d,为线电压中最大的一个，因此,u,d,波形为,线电压的包络线。,时 段,I,II,III,IV,V,VI,共阴极组中导通的晶闸管,VT,1,VT,1,VT,3,VT,3,VT,5,VT,5,共阳极组中导通的晶闸管,VT,6,VT,2,VT,2,VT,4,VT,4,VT,6,整流输出电压,u,d,u,a,-,u,b,=,u,ab,u,a,-,u,c,=,u,ac,u,b,-,u,c,=,u,bc,u,b,-,u,a,=,u,ba,u,c,-,u,a,=,u,ca,u,c,-,u,b,=,u,cb,表3-1 三相桥式全控整流电路电阻负载,=0,时晶闸管工作情况,64,2),三相桥式全控整流电路的特点,（1)两个SCR同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个SCR导通，且不能为同相的两个SCR（否则没有输出），输出为线电压。,（2）对触发脉冲的要求：,按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60,；,共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120,，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120,；,同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180,。,65,（,3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，所以三相全桥电路称为6脉波整流电路；,（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲：,可采用两种方法：一种是宽脉冲触发(大于600),另一种是双脉冲触发（常用）：在Ud的六个时间段，均给应该导通的SCR提供触发脉冲，而不管其原来是否导通。所以每隔600就需要提供两个触发脉冲。,实际提供脉冲的顺序为：1,2 - 2,3 - 3,4 - 4,5 - 5,6 - 6,1 - 1,2，不断重复。,（5）晶闸管承受的最大正、反向电压为：,66,3),=30,时的工作情况,晶闸管起始导通时刻推迟了30,，组成ud的每一段线电压因此推迟30,；,从t1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表3-1的规律；,变压器二次侧电流ia波形的特点：在VT1处于通态的120,期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120,期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。,67,3),=30,时的工作情况,68,4),=60,时工作情况,u,d,波形中每段线电压的波形继续后移，u,d,平均值继续降低。,=60,时u,d,出现为零的点。,（因为在该点处，线电压为零）,图2-14 三相桥式全控整流,电路带电阻负载,=60,时的波形,69,5) 当,60,时，如,=90,时,电阻负载情况,图2-15 三相桥式全控,整流电路带电阻负载,=90,时的波形,70,6) 小结,当 60,时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形一样，也连续；,当 60,时，ud波形每60,中有一段为零，ud波形不能出现负值；,带电阻负载时三相桥式全控整流电路 角的移相范围是120,71,2电感性负载时的工作情况,-ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样；,-区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。电感性负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。,1),60,时,72,图2-16 三相桥式全控整流,电路带电感性负载,=0,时的波形,图2-17 三相桥式全控整流,电路带电感性负载,=30,时的波形,73,2) 60,时,电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时,u,d,波形不会出现负的部分，而电感性负载时，由于电感,L,的作用，,u,d,波形会出现负的部分；,带电感性负载时，三相桥式全控整流电路的,角移相范围为,90,。,因为在,90,时，,Ud,波形上下对称，平均值为零。,图2-18 三相桥式整流电路,带电感性负载，,=90,时的波形,74,为提高整流输出电压平均值,可在负载两端反并联二极管；,接反电动势感性负载时,电路分析和感性负载相同,区别在与Id的计算不同。,75,当整流输出电压连续时（即带电感性负载时，或带电阻负载 60,时）的平均值为：,带电阻负载且 60,时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为 ：Id=Ud /R,3)基本参数关系,（3-23）,（3-24）,76,当整流变压器采用星形接法，带电感性负载时，变压器二次侧电流波形如,图3-21,中所示，为正负半周各宽120,、前沿相差180,的矩形波，其有效值为：,晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。,三相桥式全控整流电路接反电势电感性负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电势电感性负载时的Id为：,式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。,（3-25）,（3-26）,77,3.7 三相桥式半控整流电路(三相半控桥),电路结构特点:,-由一个三相半波不控整流电路与一个三相半波可控整流电路串联而成;,-T1、T3、T5依次间隔120,o,触发导通；D4、D6、D2为依次间隔120,o,自然导通。,三相桥式半控整流电路原理图,78,1. 电阻负载, = 30, = 120,=60,波形为临界连续,79,整流电压 U,d,：,注：输出电压为不可控半波电路输出电压与可控的三相半波电路输出电压之和。,移相范围:0-180,o,基本,参数,关系,80,2. 电感负载, 60,60, 180,注：输出电压Ud的波形和电阻性负载完全相同。电感性负载不同之处在于60,以后，同一相桥臂的晶闸管和二极管会出现续流情况（即输出电压Ud波形为零期间。,81,1）整流电压 U,d,和电阻性负载相同,同样：输出电压为不可控半波电路输出电压与可控的三相半波电路输出电压之和。,基本,参数,关系,注：在60,以后，出现输出电压Ud波形为零期间，负载电流出现续流，那么晶闸管和二极管流过电流的角度均为120,。,82,2）晶闸管,电流的有效值 I,T,、,二极管电流有效值 I,D,3）晶闸管,电流的平均值 I,dD,、,二极管电流平均值 I,dT,基本,参数,关系,83,4）变压器副边绕组电流有效值 I,2, 60,60, 180,基本,参数,关系,84,3. 三相桥式半控整流感性负载的“失控”现象,产生原因,突然将触发脉冲切断,将,角增大到 180 ,实质：,对晶闸管的工作失去控制作用(,一只晶闸管,一直导通、三只二极管轮流,导通,）,避免方法：,负载并联续流二极管,85,3.8,整流变压器漏抗对整流电路的影响,考虑包括变压器漏感(也称为漏抗)在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示。在许多情况下， LB不能忽略，它使得电流换相过程不能瞬时完成。,86,1. 以三相半波电路带感性负载为例,VT1换相至VT2的过程：,因a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变，于是VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生,环流ik,。ik=ib是逐渐增大的，而ia=Id-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断,换流过程结束。,图,3-19,考虑变压器漏感时的,三相半波可控整流电路及波形,87,换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度表示,换相过程中，整流输出电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。这导致ud的波形出现一个明显的缺口。同时各相的电流也不是突变的。,（3-27）,88,2. 换相压降Ud与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。,换相压降相当于阴影部分的面积的平均值，它使得输出的整流电压下降。这块阴影由负载电流Id的换相过程引起。具体计算：,阴影面积除以SCR导通的时间,。以三相半波为例：,式中,X,B,相当于漏感为L,B,的变压器每相折算到二次侧的漏抗,，可根据变压器的铭牌数据求出。,（3-28）,89,3. 换相重叠角的计算（以0，即自然换相点做为时间坐标的零点）,由上式得：,进而得出：,I,k,的通式,（3-29）,（3-30）,（3-31）,90,当 时， ，于是,可见， 随其它参数变化的规律：,（1） Id越大则 越大；,（2） XB越大 越大；,（3） 当,90,时，,越小 越大。,（3-32）,（3-33）,91,4.,变压器漏抗对各种整流电路的影响,表3-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,电路形式,单相,全波,单相全控桥,三相,半波,三相全控桥,m,脉波,整流电路,注：单相全控桥电路中，环流,ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用；,三相桥等效为相电压等于 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按 代入。,92,（1） 出现换相重叠角 ，整流输出电压平均值Ud降低，电压的脉动系数也增加；,（2）整流电路的工作状态增多；,（3） 晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通；,有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt；,（4） 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可,能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路；,（5）换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。,5. 变压器漏感对整流电路影响的一些结论,93,3.9 整流电路的谐波及功率因数,许多电力电子装置要消耗无功功率，会对公用电网带来不利影响：,电力电子装置还会产生谐波，对公用电网产生危害；,许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。国家标准（GB/T14549-93）电能质量 公用电网谐波从1994年3月1日起开始实施。,94,谐波（harmonics）对电网的危害：,谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。,谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以致损坏；,谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1）和2）两项的危害大大增加，甚至引起严重事故；,谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确；,谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。,95,无功功率（reaction power）对电网的影响：,无功功率会导致视在功率增加，导致设备容量增加；,无功功率会使总电流增加，从而使得设备和线路的损耗增加；,无功功率使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。,96,3.9.1 整流电路的谐波分析,在供电系统中，总是希望电压和电流一直保持正弦波形。当正弦波电压施加在线性无源器件电阻、电感和电容上时，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，但仍为同频的正弦波。,如果正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就成为非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波（电力电子装置就是典型的非线性电路）。,当然，非正弦波电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦的。,97,非正弦电压一般满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数,基波,（fundamental）在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量,谐波,频率为基波频率大于1整数倍的分量，即2,3,4,N次谐波,谐波次数,谐波频率和基波频率的整数比,n次谐波电流含有率以,HRIn,（Harmonic Ratio for In）表示,（3-40）,电流谐波总畸变率,THDi,（Total Harmonic distortion）定义为,（3-41）,注：I,h,为总谐波电流有效值,。,98,1. 单相桥式全控整流电路(感性负载)输入谐波分析,忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，电感L为足够大。将电流i2分解为傅里叶级数，可得：,（3-42）,变压器二次侧电流谐波分析,基波和各次谐波有效值为：,n=1,3,5, （3-43）,电流中仅含奇次谐波；(电气化铁路谐波为奇次谐波）,各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。,99,2. 三相桥式全控整流电路（感性负载）输入谐波分析,阻感负载，忽略换相过程和电流脉动，电感L为足够大。,以,=30,为例，交流侧电压和电流波形如图3-17中的ua和ia波形所示。此时，电流为正负半周各120,的方波，其有效值与直流电流的关系为：,（3-44）,变压器二次侧电流谐波分析：,（3-45）,100,电流基波和各次谐波有效值分别为：,（3-46）,电流中仅含6k,1（k为正整数）次谐波；可见三相桥的优越性。,各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。,101,3. 整流输出电压和电流的谐波分析,整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。,图3-20 =0,时，m脉波整流电路的整流电压波形,102,=0,时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析：,将纵坐标选在整流电压的峰值处，则在-,/m /m区间，整流电压的表达式为：,（3-47）,对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出：,（3-48）,式中，k=1，2，3；且：,（3-49）,（3-50）,103,为了描述整流电压ud0中所含谐波的总体情况，定义,电压纹波因数,为ud0中谐波分量有效值UR与整流电压平均值Ud0之比：,（3-51）,其中：,（3-52）,而：,U为整流电压有效值,（3-53）,104,将上述式（3-52）、3-53）和（3-49）代入（3-51）得:,（3-54）,表3-3给出了不同脉波数m时的电压纹波因数值。,m,2,3,6,12,g,u,（%）,48.2,18.27,4.18,0.994,0,105,负载电流的傅里叶级数可由整流电压的傅里叶级数求得：,（3-55）,当负载为R、L和反电动势E串联时，上式中：,（3-56）,n次谐波电流的幅值dn为：,（3-57）,n次谐波电流的滞后角为：,（3-58）,106,=0,时整流电压、电流中的谐波有如下规律：,（1）m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk（k=1，2，3.）次，即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，也为mk次；,（2）当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低次（m次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速；,（3） m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速下降。,107,不为0,时的情况：m脉波整流电压谐波的一般表达式十分复杂，这里给出三相桥式整流电路的结果，说明谐波电压与,角的关系,以n为参变量，n次谐波幅值（取标幺值 ）对,的关系如图3-28所示：,当,从0, 90,变化时,，ud的谐波幅值随,增大而增大，,=90,时谐波幅值最大；,从90, 180,之间电路工作于有源逆变工作状态，ud的谐波幅值随,增大而减小。,图3-28 三相全控桥电流连续时，以,n,为参变量的与,的关系,108,3.9.2 整流电路的功率因数,1. 正弦电路中的功率因数,电路的有功功率P就是其平均功率：,( 3-59）,视在功率S,为电压、电流有效值的乘积，即S=UI,无功功率Q,定义为： Q=U I sin,功率因数 定义为有功功率P和视在功率S的比值：,（3-60）,此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系：,（3-61）,功率因数,是由电压和电流的相位差 决定的： =cos ,109,2.非正弦电路中的功率因数,有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数 仍由式（3-60）定义。,公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，,研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波,的情况有很大的实际意义。,设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为I，基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和 1。这时有功功率为：,P=U I1 cos1,功率因数为：,（3-62）,110,3.单相桥式全控整流电路功率因数计算,基波电流有效值为: （3-63）,i2的有效值I= Id，结合式（2-63）可得基波因数为:,（3-64）,电流基波与电压的相位差就等于控制角,，故位移因数为:,（3-65）,所以，功率因数为:,111,4.三相桥式全控整流电路功率因数计算,基波因数为:,（3-66）,电流基波与电压的相位差仍为,，故位移因数仍为:,（3-67）,功率因数为:,（3-68）,112,