交流直流变换电路ppt课件.ppt

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1、第3章 交流-直流变换电路,3.1 概述 3.2 单相可控整流电路 3.3 三相可控整流 3.4 有源逆变电路 3.5 整流电路的性能指标及应用技术 本章小结,3.1 概述,整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。,整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。,3.2 单相可控整流电路,3.2.1 单相半波可控整流电路3.2.2 单相全控桥式整流电路3.2.3 单相半控桥式整流电路,3-4,3.2.1 单相半波可控整流电路,一、电

2、阻性负载电炉、电焊机及白炽灯等均属于电阻性负载变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。工作原理分析,图3-2-1 单相半波可控整流电路（电阻性负载）及波形,3-5,工作原理分析在电源电压正半周，晶闸管承受正向电压，在t=处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上的电压等于变压器输出电压u2。在t=时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。在电源电压负半周，uAK0，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有输出电压，直到电源电压u2的下一周期，直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。通过改变触发角的大小，直流输出

3、电压ud的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然=180时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。,3.2.1 单相半波可控整流电路,图3-2-1 单相半波可控整流电路（电阻性负载）及波形,3-6,首先，引入两个重要的基本概念：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。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角，用表示 。 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。 在单相半波可控整流电阻性负载电路中,移

4、相角的控制范围为:0，对应的导通角的可变范围是0，两者关系为 =。,3.2.1 单相半波可控整流电路,3-7,2. 基本数量关系(1) 直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id,3.2.1 单相半波可控整流电路,输出电流平均值Id :,直流输出电压平均值Ud :,3-8,(2) 输出电压有效值U与输出电流有效值I,3.2.1 单相半波可控整流电路,输出电流有效值I :,直流输出电压有效值U :,3-9,(3) 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值单相半波可控整流电路中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：,3.2.1 单相半波可控整流电路,3-10,(4) 功率

5、因数cos整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值式中 P变压器二次侧有功功率，P=UI=I2R S变压器二次侧视在功率，S=U2I2 (5) 晶闸管承受的最大正反向电压UTM晶闸管承受的最大正反向电压UTM是相电压峰值。,3.2.1 单相半波可控整流电路,3-11,例3-1 如图所示单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50 V，直流输出平均电流为20A。 试计算：(1) 晶闸管的控制角。(2) 输出电流有效值。(3) 电路功率因数。(4) 晶闸管的额定电压和额定电流。,3.2.1 单相半波可控整流电路,3-12,解 : (1),当=90时，

6、输出电流有效值,(3),则=90,3-13,(4) 晶闸管电流有效值IT 与输出电流有效值相等，即：,根据计算结果可以选取满足要求的晶闸管。,取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为：,则,3-14,3.2.1 单相半波可控整流电路,2）电感性负载电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等。电感性负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。,图3-2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形,3-15,图3-2-3 带阻感负载(不接续流管)的 单相半波电路及其波形,1. 无续流二极管时工作原理0：uAK大于零，但门极没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等

7、于零。在t=时，门极有触发信号，晶闸管被触发导通，负载电压ud= u2。当t=时，交流电压u2过零，由于有电感电势的存在，晶闸管的电压uAK仍大于零，晶闸管会继续导通，电感的储能全部释放完后，晶闸管在u2反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周。,3.2.1 单相半波可控整流电路,有负面积,3-16,数量关系 直流输出电压平均值Ud为 从Ud的波形可以看出，由于电感负载的存在，电源电压由正到负过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；当大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零，则Id也很小。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。

8、,3.2.1 单相半波可控整流电路,3-17,2.接续流二极管时工作原理u20：uAK0。在t=处触发晶闸管导通， ud= u2续流二极管VDR承受反向电压而处于断态。u20：电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，晶闸管承受反压关断,ud=0。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续。,3.2.1 单相半波可控整流电路,图3-2-4 带阻感负载(接续流管)的 单相半波电路及其波形,3-18,由以上分析可以看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管

9、的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流电路电阻性负载相同为0180，且有+=180。,3.2.1 单相半波可控整流电路,3-19,基本数量关系(1) 输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud输出电流平均值Id,3.2.1 单相半波可控整流电路,3-20,(2) 晶闸管的电流平均值IdT与晶闸管的电流有效值IT晶闸管的电流平均值IdT ：晶闸管的电流有效值IT：,3.2.1 单相半波可控整流电路,3-21,(3) 续流二极管的电流平均值IdD与续流二极管的电流有效值ID,3.2.1 单相半波可控整流电

10、路,3-22,单相半波可控整流电路的特点 简单，但输出脉动大，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。分析该电路的主要目的是建立起整流电路的基本概念。,3.2.1 单相半波可控整流电路,3.2.2 单相全控桥式整流电路,1) 带电阻负载的工作情况,a),工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,电路结构,单相全控桥式整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rec

11、tifier),3-24,数量关系1)输出直流电压平均值Ud及有效值U（a 角的移相范围为180。）,3.2.2 单相全控桥式整流电路,2) 输出直流电流平均值Id,3) 晶闸管电流平均值IdT和有效值IT,3-25,3.2.2 单相全控桥式整流电路,5) 功率因数,4)变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。,3.2.2 单相全控桥式整流电路,2）带阻感负载的工作情况,u,图3-2-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过

12、零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=+a 时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。,3.2.2 单相全控桥式整流电路,数量关系,晶闸管移相范围为90。,晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：,变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。,晶闸管承受的最大正反向电压均为 。,3-28,电感性负载（接续流二极管）为了扩大移相范围，使波形不出现负值且输出电流更加平稳，可在负载两端并接续流二极

13、管，如图3-2-7a电路所示。接续流管后，的移相范围可扩大到0。在这区间内变化，只要电感量足够大，输出电流id就可保持连续且平稳。在电源电压u2过零变负时，续流管承受正向电压而导通，晶闸管承受反向电压被关断。这样ud波形与电阻性负载相同，如图3-2-7b所示。负载电流id是由晶闸管VT1和VT 3、VT2和VT、续流管VD相继轮流导通而形成的。uT波形与电阻负载时相同。,3.2.2 单相全控桥式整流电路,3-29,图3-2-7 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 （接续流管）,接入VD：扩大移相范围，不让ud出现负面积。移相范围：0 180ud波形与电阻性负载相同Id由VT1和VT3，VT2和

14、VT4，以及VD轮流导通形成。uT波形与电阻负载时相同。,3-30,3. 带反电动势负载时的工作情况 在|u2|E时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。,图3-2-8 单相全控桥式整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形,3.2.2 单相全控桥式整流电路,电流断续,导通之后， ud=u2，,直至|u2|=E，id即降至0,使得晶闸管关断，此后ud=E 。,与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电， 称为停止导电角，,在a 角相同时，反电动势整流输出电压比电阻负载时大。,3.2.2 单相全控桥式整流电路,负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机 的机械特性将很软 。,为了克服此缺点

15、，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。,这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：,3-32,为了使电流连续，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。电感量足够大时，电流波形近似一直线。,3.2.2 单相全控桥式整流电路,电流连续,有负面积,由于电感存在Ud波形出现负面积，使Ud下降。 可调范围： 0 90,3-33,3.2.2 单相全控桥式整流电路,接入VD：扩大移相范围，不让ud出现负面积。移相范围：0 180ud波形与电阻性负载相同Id由V

16、T1和VT4，V2和VT3，以及VD轮流导通形成。,图3-2-10 单相全控桥式整流电路，有反电动势负载串平波电抗器、接续流二极管,3-34,单相全波可控整流电路,单相全波可控整流电路（Single Phase Full Wave Controlled Rectifier)，又称单相双半波可控整流电路。,单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。变压器不存在直流磁化的问题。,图3-2-11 单相全波可控整流电路及波形,3-35,单相全波可控整流电路,单相全波与单相全控桥的区别：,单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，

17、门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。,从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。,3-36,3.2.3 单相半控桥式整流电路,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，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（先不考虑VDR）。半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。,图3-2-12 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,3-37,单相半控桥带阻感负载的情况 假设

18、负载中电感很大，且电路已工作于稳态在u2正半周，触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电。 u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。在u2负半周触发角a 时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。,图3-2-12 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,3.2.3 单相半控桥式整流电路,3-38,续流

19、二极管的作用若无续流二极管，则当a 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ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，称为失控。（见图3-2-13）有续流二极管VDR时，续流过程由VDR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。续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。,3.2.3 单相桥式可控整流电路,3-39,图3-2-13 单相半控桥电感性负载不接续流二极管的情况分析,返回,3-40,3.2.3 单相半控桥式整流电路,单相半控桥式整流电路的另一种接法,把图3-5a中的VT3和

20、VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。,图3-2-14 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,图3-2-15 单相桥式半控整流电路的另一接法,3-41,3.3 三相可控整流电路引言,交流测由三相电源供电。负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。基本的是三相半波可控整流电路，三相全控桥式整流电路应用最广 。,3-42,3.3 三相可控整流电路,3.3.1 三相半波可控整流电路3.3.2 三相全控桥式整流电路3.3.3 变压器漏感对整流电路的影响,3-43,3.3.1 三相半波可控整流电路,电路的特点：变压器二次侧接成星形得到零线，而一次

21、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 。,图3-3-1 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a =0时的波形,1、电阻负载,自然换相点：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a的起点，即a =0。,a),3-44,3.3.1 三相半波可控整流电路,a =0时的工作原理分析,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。,图3-3-1 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a =0时的波形,a=30的波形

22、（图3-3-2） 特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。a30的情况（图3-3-3 ） 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。,b),c),d),e),f),u,2,u,a,u,b,u,c,a,=0,O,w,t,1,w,t,2,w,t,3,u,G,O,u,d,O,O,u,ab,u,ac,O,i,VT,1,u,VT,1,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,3-45,图3-3-2 三相半波可控整流电路，电阻负载， a=30时的波形,a=30时的特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。,3-46,图3-3-3 三相半波可控整流电路，电阻负载， a=60时的波形,a30时的特点：

23、负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。 a移相范围： 0 150,3-47,3.3.1 三相半波可控整流电路,当a=0时，Ud最大，为 。,整流电压平均值的计算,a30时，负载电流连续，有：,a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,3-48,负载电流平均值为 流过晶闸管的电流平均值为 晶闸管承受的最大电压，为变压器二次线电压峰值，即,3.3.1 三相半波可控整流电路,3-49,3.3.1 三相半波可控整流电路,2、阻感负载,图3-3-4 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a =60时的波形,特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。

24、a30时（如a=60时的波形如图3-3-4所示）。u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。,u,d,i,a,u,a,u,b,u,c,i,b,i,c,i,d,u,ac,O,w,t,O,w,t,O,O,w,t,O,O,w,t,a,w,t,w,t,3-50,3.3.1 三相半波可控整流电路,2、阻感负载,图3-3-4 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a =60时的波形,阻感负载特点：晶闸管导通角均为120，与控制角无关；移相范围为90 ；晶闸管电流波形近似为方波。,u,d,i,a,

25、u,a,u,b,u,c,i,b,i,c,i,d,u,ac,O,w,t,O,w,t,O,O,w,t,O,O,w,t,a,w,t,w,t,3-51,3-52,各电量计算(1) 输出电压平均值 ud(2）负载电流平均值 (3）流过晶闸管的电流平均值IdT、有效值IT 以及承受的最高电压UTM分别为,3.3.1 三相半波可控整流电路,3-53,图3-3-5 三相半波可控整流电路，阻感负载(不接续流管)时的波形,3、大电感负载接续流二极管为了扩大移相范围并使负载电流id 平稳，可在电感负载两端并接续流二极管，由于续流管的作用，ud波形已不出现负值，与电阻性负载ud波形相同。,3.3.1 三相半波可控整流

26、电路,图3-3-6 三相半波可控整流电路，阻感负载(接续流管)时的波形,3-54,3、大电感负载接续流二极管在030区间，电源电压均为正值，ud波形连续，续流管不起作用；当30150区间，电源电压出现过零变负时，续流管及时导通为负载电流提供续流回路，晶闸管承受反向电源相电压而关断。这样ud波形断续但不出现负值。续流管VD起作用时，晶闸管与续流管的导通角分别为：,3.3.1 三相半波可控整流电路,3-55,各电量计算(1) 负载电压平均值Ud和电流平均值Id 1) 030时 2) 30150时 3)负载电流 Id=Ud/Rd,3.3.1 三相半波可控整流电路,3-56,（2）晶闸管电流平均值Id

27、T、有效值IT 及晶闸管承受的最高电压值UTM 1）030时 2)30150时 （3）续流管平均电流IdD、有效值ID及承受的最高电压UDM (30150),3.3.1 三相半波可控整流电路,3-57,3.3.2 三相桥式全控整流电路,三相桥是应用最为广泛的整流电路,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）,图3-3-7 三相桥式全控整流电路原理图,导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6,阳极电压最大的导通,阴极电压最低的导通,3-58,3.3.2 三相桥式全控整流电路,1、带电阻负载时的工作情况

28、,当a60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续 波形图： a =0 （图3-3-8 ） a =30 （图3-3-9） a =60 （图3-3-10）当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值 波形图： a =90 （ 图3-3-11）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120,3-59,图3-3-8 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形,ud波形连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续每管工作120 ，每间隔60 有一管换流。,3-60,图3-3-9 三相桥式全控整流电路带电阻负载a= 30 时的波形,3-61

29、,图3-3-10 三相桥式全控整流电路带电阻负载a= 60 时的波形,3-62,图3-3-11 三相桥式全控整流电路带电阻负载a= 90 时的波形,ud波形每60中有一段为零，ud波形不出现负值。,3-63,3.3.2 三相桥式全控整流电路,晶闸管及输出整流电压的情况如表3-3-1所示,3-64,3.3.2 三相桥式全控整流电路,（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT3-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

30、相差180。,三相桥式全控整流电路的特点,（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。,3-65,3.3.2 三相桥式全控整流电路,（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为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 一种是双脉冲触发（常用） (5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。,三相桥式全控整流电路的特点,3-66,a60时（a =0 图3-3-12；a =30 图3-3-13）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

31、整流电压ud波形 晶闸管承受的电压波形,3.3.2 三相桥式全控整流电路,2、 阻感负载时的工作情况,主要包括,a 60时（ a =90图3-3-14）阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。 阻感负载时，ud波形会出现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90 。,区别在于：得到的负载电流id波形不同。 当电感足够大的时候， id的波形可近似为一条水平线。,3-67,图3-3-12 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 0 时的波形,3-68,图3-3-13 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 30 时的波形,3-69,图3-3-14

32、 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 90 时的波形,3-70,3.3.2 三相桥式全控整流电路,3、 定量分析,当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为：,带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为 ：Id=Ud /R,3-71,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。,3.3.3 变压器漏感对整流电路的影响,考虑包括变压器漏感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。现以三相半波为例，然后将其结论推广。,VT1换相至VT3的过程：,因a、b两相均有漏

33、感，故ia、ib均不能突变。于是VT1和VT3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。,图3-3-15 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形,VT1VT3VT5,3-72,3.3.3 变压器漏感对整流电路的影响,换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度g表示。换相过程中，整流电压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。,换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。,3-73,3.3.3 变压器漏感对整流电路的影响,换相重叠角g的计算,由上式得：,进而得出：,3-74,3.3.3 变压器漏感对整流电路的影响,由上述推导过程，已经求得：,当

34、 时， ，于是,g 随其它参数变化的规律： （1） Id越大则g 越大； （2） XB越大g 越大； （3） 当a90时， 越小g 越大。,3-75,3.3.3 变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏抗对各种整流电路的影响,表3-3-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,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。,3-76,3.3.3 变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏感对整流电路影响的一些结论:,出现换相重叠角g ，整流输出电压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多。晶闸管的di/d

35、t 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。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。 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。,3-77,3.4 晶闸管的有源逆变工作状态,一、有源逆变的概念二、有源逆变电路的工作原理三、有源逆变失败,3-78,一、 有源逆变的概念 逆变：把直流电变成交流电的过程。,UPS,3.4 晶闸管的有源逆变工作状态,3-79,1.逆变分类,DC AC,有源逆变,无源逆变,AC DC AC,逆变类型,对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工

36、作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。,3-80,2. 电源间能量的流转关系,可用两个电源相连来反映问题,3-81,2.电源间能量的流转关系,Ud: 施能 E: 受能 R：耗能,整流,短路,有源逆变,反极性相连，相当于两个电源串联短路，应避免,Ud :受能 E : 施能 R：耗能,3-82,3. 有源逆变产生的条件,Q掷向1： 90，整流工作。 Ud上正下负，电动机作电动运行，反电势E上正下负。Q快速掷向2：若 90，Ud下正上负，反电势E上正下负，两电源顺极性相连，相当于短路事故 。Q掷向2：应使 90， Ud 极性为上正下负，且使UdE 。此时电动机供给能量，运行在发电状态，晶闸管装

37、置吸收能量送回电网。 逆变角 =180 ,图3-4-1 单相桥式电路的整流和逆变原理,3-83,实现有源逆变的条件可归纳如下： 1) 变流装置的直流侧必须外接有电压极性与晶闸管导通方向一致的直流电源E，且E的数值要大于Ud 2) 变流器必须工作在 90（ 90)区间，使 Ud 0，才能将直流功率逆变为交流功率返送电网 3)为了保证变流装置回路中的电流连续，逆变电路中一定要串接大电抗,3、有源逆变产生的条件,注意：单相半控桥或有续流二极管的电路，不能实现有源逆变。,3-84,二、有源逆变电路的工作原理,1. 单相有源逆变电路（以单相全控桥接电动机负载为例）,整流,逆变,图3-4-1 单相桥式电路

38、的整流和逆变原理,3-85,2. 三相有源逆变电路（三相半波接电动机负载）,Ud = -1.17U2cos,图3-4-2 三相半波有源逆变电路原理,3-86,图3-4-3 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时不同逆变角的电压波形,3. 三相有源逆变电路（三相全控桥电路）,3-87,1.逆变失败变流器工作在有源逆变状态时，若出现输出电压平均值与直流电源E顺极性串联，两个电源共同输出电能，无电能回送电网，此时会形成很大的短路电流流过晶闸管和负载，造成事故。这种现象称为逆变失败，或称为逆变颠覆。,三、逆变失败与最小逆变角限制,3-88,2.造成逆变失败的原因：(1) 触发电路工作不可靠。不能适时、准

39、确地给各晶闸管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。(2) 晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能导通。(3) 交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突然消失而造成逆变失败。(4) 换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响。往往需限制最小逆变角。,3-89,换相重叠角的影响：,图3-4-4 交流侧电抗对逆变换相过程的影响,当b g 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。,如果b g 时（从图3-4-4右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1)不能关断，最终导致逆变失败。,3-90,3. 防

40、止逆变失败的措施采用优良可靠的触发单元检查电源情况，排除电源故障选择质量好、规格合适的晶闸管在控制电路上采取措施，保证逆变角不超出规定的范围,3-91,最小逆变角确定的方法最小逆变角的大小要考虑以下因素：(1) 换相重叠角（ 1525）(2) 晶闸管关断时间 tq 所对应的电角度：约 4 6(3) 安全裕量角：一般取为10左右综上所述，最小逆变角为：,3.4 晶闸管的有源逆变工作状态,3-92,3.5 整流电路的性能指标及应用技术,一、整流电路对电网的影响二、整流电路的谐波分析三、整流电路的性能指标,3-93,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。无功功率会导致视在功率增大，从

41、而使设备容量增大；无功功率增加，造成设备和线路损耗增加；使线路压降增大，冲击性无功电流还会使电压剧烈波动。 电力电子装置会产生谐波，对公用电网产生危害。谐波损耗将降低发电、输电和用电设备的效率；谐波影响电网上其它电气设备的正常工作 。如造成电动机机械振动、噪声和过热，使变压器局部过热，电缆、电容器设备过热等；谐波会引起电网局部的串联和并联谐振，从而使谐波放大。谐波会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确；谐波对通信系统产生干扰。 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

42、起开始实施。,一、整流电路对电网的影响,3-94,二、整流电路的谐波分析,1. 谐波非正弦周期电流，一般满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数基波分量在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量(n=1)谐波分量频率为基波整数倍（n1）的分量谐波次数谐波频率和基波频率的整数比,3-95,三相桥式全控整流电路阻感负载，忽略换相过程和电流脉动，直流电感L为足够大以 =30为例，交流侧电压和电流波形如图3-5-1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,图3-5-1 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形,2.交流侧谐波电流分析,3-96,变压器二次侧电流

43、谐波分析： 电流基波和各次谐波有效值分别为 电流中仅含6k1（k为正整数）次谐波各次谐波有效值与谐波次数成反比，即谐波此相互越高，其谐波电流有效值越小，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数,（2-79）,3-97,3. 变流器直流侧谐波分析,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3-5-2 a =0时，m脉波整流电路的整流电压波形,3-98,1） =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-p/mp/m区间，整流电压的表达式为： 对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出： 式中，k=1，2，3

44、；且：,（2-86）,3-99,单相桥式电路和单相双半波电路，m2,三相半波电路，m3,结论：增加相数m，使谐波中低次频率增加，同时其幅值迅速减小。,三相桥式电路等效于相电压幅值为 的六相半波电路，m6，,3-100, =0时整流电压有如下规律：（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；（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；（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。,3-101,电压纹波因数定义:为ud0中谐波分量有效值UR与整流电压平均值Ud

45、0之比：,其中：,3-102,表3-5-1给出了不同脉波数m时的电压纹波因数值,3-103, 不为0时的情况：波整流电压谐波的一般表达式十分复杂，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3-5-3 三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与 的关系,2） 不为0时的整流输出电压谐波分析,3-104,三、整流电路的性能指标,1输出电压纹波系数,用来描述整流电压中谐波的含量。,

46、2变压器利用系数TUFTUF：输出直流功率平均值Pd与整流变压器二次容量S之比。,单相：,三相：,（大电感负载）,3-105,3.基波数值因数,：表示交流侧输入电流中基波电流含量的大小。,4输入功率因数,定义为交流电源侧输入有功功率平均值与其视在功率之比。,3-106,本章小结,本章分析了几种常用的可控整流电路不同性质负载下的工作原理，以及有关电量基本数量关系。要求掌握各种电路的特点和应用范围，以便根据直流用电设备的要求，正确地设计和选择可控整流电路及元件参数。变压器漏抗对整流电路的影响。变压器漏抗会造成直流电流电压降低、电网电压谐波增大。有源逆变的概念和实现方法。有源逆变是可控整流电路的另一工作状态，但并非所有可控整流电路都可实现有源逆变，要特别注意实现有源逆变的条件。有源逆变主要用于直流电动机的可逆调速，异步电动机的串极调速，高压直流输电等。使用中要严加防范逆变失败，以免导致元件损坏和设备的重大事故。整流电路性能指标的概念。,