电力电子技术第3章整流电路.ppt

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1、1,第三章 整流电路AC to DC Converters(Rectifiers),2,本章主要内容,单相可控整流电路三相可控整流电路变压器漏感对整流电路的影响整流电路的谐波和功率因数大功率可控整流电路整流电路的有源逆变工作状态,3,本章主要内容,本章重点应掌握：各种整流电路的电路形式 分析各种整流电路的工作原理 会计算各种电路的参数 分析各种波形 整流电路产生有源逆变状态的条件及发生 逆变颠覆的原因 功率因数的概念本章难点：整流电路的波形分析和参数计算,4,整流电路的定义：一种把交流电源电压转换成所需的直流电压的一种电路。出现最早的电力电子电路,整流电路的性能指标：直流输出电压的平均值直流输

2、出中的交流分量功率因数网侧谐波电流等,整流电路的概念,5,按电路结构分 半波电路：每根电源进线流过单向电流，又称为零 式电路或单拍电路 全波电路：每根电源进线流过双向电流，又称为桥 式电路或双拍电路 按电源相数分类 单相电路：单脉波或双脉波 三相电路：三脉波或六脉波 多相电路：多脉波按电路的工作范围分类 单象限电路 多象限电路,整流电路的分类,6,按电路控制特点分类不可控电路：电路的直流输出电压平均值同交流电源电压的比值固定不变，且功率流向只能由电源流向负载，为单向变流器。这种电路的控制器件一般是二极管。半控电路：电路的直流输出电压平均值与交流电源电 压的比值可以改变，但功率流向仍为单向，只能

3、由电源侧流向负载侧。这种电路的控制器件一般是晶闸管和二极管同时存在。全控电路：电路的直流输出电压值可以改变，且功率 流向是双向的。全控整流电路中控制器件主要为晶闸管,整流电路的分类,7,单相可控整流电路,整流电路形式单相半波可控整流电路单相桥式全控整流电路单相全波可控整流电路单相桥式半控整流电路负载形式：阻性负载，阻感负载，反电动势负载,8,单相半波可控整流电路,(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier),假定：电路中开关器件为理想器件，即器件通态压降为零，阻断状态下电流为零，动态响应是瞬时的，也不考虑变压器漏抗对电路的影响 电路的工作状态 阻性

4、负载 感性负载 反电动势负载,9,单相半波可控整流电路阻性负载,(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier Resistive Load),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。注意：输出电压和电流波形，晶闸管承受的电压波形,10,单相半波可控整流电路阻性负载,几个基本概念：触发延迟角(Triggering delay angle)：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a表示,也称触发角(firing angle)或控制角(control angle)。导通角：晶闸管在一个电源周期

5、中处于通态的电角度，用表示。,11,单相半波可控整流电路阻性负载,同步：要使整流输出电压稳定，则要求每个周期中触发角都相同，所以要求触发脉冲信号与电源电压在频率和相位上要协调配合，这种相互协调配合的关系，称之为同步。,移相：改变触发角 的大小，即改变触发脉冲电压 出现的相位，称为移相。,移相范围：触发角 从 开始到最大触发电角度的区间称为移相范围。,几个基本概念：,12,单相半波可控整流电路阻性负载,a 移相范围为180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。,基本数量关系,直流输出电压平均值为,13,单相半波可控整流电路阻性负载,基本数量关系,负载电

6、流有效值,负载电流平均值,整流输出电压有效值,14,单相半波可控整流电路阻性负载,单相半波电路中，流过晶闸管的电流有效值,基本数量关系,晶闸管选用原则：a）按有效值相等的原则选用，并考虑一定裕量 晶闸管额定电流有效值平均值之间的关系 b）考虑散热，选择与之相应的散热器,流过晶闸管的电流平均值为,15,单相半波可控整流电路阻性负载,晶闸管器件承受的最大正向和反向电压均为电源电压最大值,基本数量关系,16,例21.单相半波可控整流电路，电阻性负载，不经整流变压器直接与220V交流电源相接，要求输出的直流平均电压为85V，最大输出直流平均电流为20A，求此电路中、R、U、I2、IT、IdT和，并选择

7、晶闸管（考虑2倍裕量）。,解：1.已知,根据公式,2.已知，可计算负载电阻,单相半波可控整流电路阻性负载,3.整流输出电压有效值,17,4.交流侧电流有效值,单相半波可控整流电路阻性负载,5.流过晶闸管的电流有效值和平均值,晶闸管电流定额，应选额定电流为50A的晶闸管；,6.功率因数,7.选择晶闸管定额,晶闸管的电压定额，应选额定电压为700V左右的晶闸管。,18,单相半波可控整流电路感性负载,当负载的感抗（）与电阻R相比不可忽略时称为感性负载，例如各种电机的励磁绕组、电磁铁线圈等。电感存在对电路的影响：对电流的变化起抗拒作用，流过电感器件的电流不能突变，当电感中电流增加时，电感产生一自感电势

8、阻止电流增加，而当电感中电流减小时，自感电势又将阻止电流的减小。,19,单相半波可控整流电路感性负载,讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。,单相半波可控整流电路带大电感负载时，不管怎样调节控制角，其输出直流电压平均值总是很小，平均电流值也很小。所以此电路是无法使用的。为了解决这个问题，通常是在整流电路的负载两端并联一个硅整流二极管DR，称为续流二极管,20,单相半波可控整流电路感性负载,带续流二极管电路,当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。,21,若晶闸管触发角为，则导通角为，续流二极管

9、导通角即为,单相半波可控整流电路感性负载,带续流二极管电路,整流输出电压平均值,与阻性负载时相同,电路的移相范围仍为,22,单相半波可控整流电路感性负载,带续流二极管电路,流过晶闸管电流平均值,流过续流二极管的电流平均值,23,晶闸管可能承受的最大正、反向电压均为，续流二极管可能承受的最大反向电压也为,单相半波可控整流电路感性负载,流过晶闸管的电流有效值为,流过续流二极管的电流有效值为,带续流二极管电路,24,当整流电路中接有大电感负载时，由于晶闸管触发导通的瞬间，电流从零开始缓慢上升，如触发脉冲宽度不够，有可能发生电流未上升到晶闸管的擎住电流触发脉冲就已消失的情况，从而使晶闸管在触发脉冲消失

10、后又恢复正向阻断状态，所以要求触发脉冲有足够的宽度。,单相半波可控整流电路感性负载,25,VT的a 移相范围为180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，为使变压器铁芯不饱和，需加大铁芯的截面积，所以设备容量大。实际上很少应用此种电路分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念,单相半波可控整流电路的特点,26,单相桥式全控整流电路-阻性负载,Single Phase Bridge Contrelled Rectifier,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

11、臂，在u2负半周承受电压-u2，即正向阳极电压，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,电路结构,27,当 时，晶闸管全通，相当于不可控整流；时，故电路移相范围是,单相桥式全控整流电路-阻性负载,数量关系,整流输出电压平均值 其值是单相半波整流电路的2倍,28,单相桥式全控整流电路-阻性负载,数量关系,向负载输出的平均电流值为：,流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：晶闸管承受的最大正向电压 为电源电压峰值的一半，最 大反向电压为电源电压峰值,29,流过晶闸管的电流有效值：,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：,单相桥式全控整流电路-阻性负载,数量关系,不考虑变

12、压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2,30,例22.单相全控桥式整流电路，阻性负载，要求输出直流电压 连续可调，负载平均电流恒定为20A，晶闸管最小触发角限制为，计算变压器二次侧电压、电流值，估算其容量以及晶闸管导通角的变化范围并选择晶闸管。,单相桥式全控整流电路-阻性负载举例,解：1.已知,对应的,所以,31,晶闸管导通角的变化范围为,当 一定时，越大，所需 越大，时有,2.在整个可调电压范围内，恒为20A，考虑严重情况，即在 时，电路仍能输出20A电流，据此可求出最大触发角,所以变压器二次侧绕组的电流为,单相桥式全控整流电路-阻性负载举例,32,本题中应注意，若按 计算，则变压器二

13、次侧绕组中电流，较上面的42.8A小得多，据此计算的变压器容量偏小，显然无法满足运行要求。,单相桥式全控整流电路-阻性负载举例,3.变压器容量估算,33,晶闸管承受的最大反向电压为 若考虑2倍裕量为338V，则可选取型号为KP50-5的晶闸管，其通态平均电流为50A，正向重复峰值电压为5级（500V）,单相桥式全控整流电路-阻性负载举例,4.选择晶闸管流过晶闸管的电流有效值,所以，考虑2倍裕量时晶闸管额定电流,34,单相桥式全控整流电路-感性负载,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过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=

14、+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。,35,单相桥式全控整流电路-感性负载,数量关系,晶闸管移相范围为90,晶闸管承受的最大正反向电压均为,整流输出电压为,36,单相桥式全控整流电路-感性负载,晶闸管导通角与a无关，均为180晶闸管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,数量关系,37,单相桥式全控整流电路-带反电动势负载,在|u2|E时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能

15、。,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。,Electro-motive-force(EMF)load,在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,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，,38,单相桥式全控整流电路-带反电动势负载,当 d时，如果触发脉冲到来，晶闸管承受反向电压，不可能导通。,图2-7b 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的波形,触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=d时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为d。,39,单相桥式全控整流电路-带反电动势负载,负载为直流电动

16、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，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，只是电流的计算公式为为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：,40,单相全波可控整流电路-阻性负载,Single-phase full-wave controlled rectifier,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，电路结构特点是变压器采用二次侧有中心抽头的变压器变压器不存在直流磁化的问题注意晶闸管器件承受的电压：阻性负载时，最大正向电压为，最大

17、反向电压为,41,单相全波可控整流电路-阻性负载,42,单相全波可控整流电路-感性负载,电路工作特点：T1、T2轮流导通，各导通，晶闸管器件承受的最大正、反向电压均为。,43,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，有中心抽头，材料的消耗多二次侧绕组每周期只工作半个周期，利用率低，故只适用于小容量场合单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应的门极驱动电路也少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大电流的场合应用,单相全波可控整流电路,44,单相

18、桥式半控整流电路-阻性负载,Single-phase bridge half-controlled rectifier,电路结构 单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，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,半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况基本相同，不同之处在晶闸管承受的电压,45,与全控电路唯一不同之处在 的波形，由于二极管不能承受正向电压在一周内、期间晶闸管未导通，处于正向阻断状态时，其上承受的正向电压是，而不是单相全控桥式整流电路中的。,单相桥式半控整流电路-阻性负载,46,单相桥式半控整流电路-阻感负载,Single-phase bri

19、dge half-controlled rectifier,电路结构 单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，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阻性负载时的工作情况基本相同，电流连续,47,单相桥式半控整流电路-阻感负载,在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电 u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD3续流在u2负半周触发角a时刻触发VT2，VT2导通，u2经VT2和VD3向负载供电u2过零变正时，VD4导通，VD3关断。VT2和VD4续流，ud又为零,电路工作过程,48,

20、单相桥式半控整流电路-阻感负载,续流二极管的作用,避免可能发生的失控现象 若无续流二极管，则当触发脉冲突然增大至180或丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的单相半波整流情况，ud成为正弦半波，平均值保持恒定，此时称为失控。电路失控的原因在于已导通晶闸管的关断是依靠后一晶闸管的开通实现的，如果后一管子不能开通，则正导通的管子就无法关断，从而失控有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了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,49,单相桥式半控整流电路的另一种电路接法,可省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现两个晶闸管阴极电位不等，触发电路需

21、要隔离,50,例23.有一大电感负载采用单相半控桥有续流二极管的整流电路，负载电阻，电源电压，晶闸管触发角，求流过晶闸管、二极管的电流平均值及有效值。,单相桥式半控整流电路例题,解：整流输出电压平均值,负载电流平均值,流过晶闸管和整流二极管的电流平均值为,有效值为,51,由上述计算可知，当 时，流过续流二极管的电流与流过晶闸管的电流相等。当 时，流过晶闸管的电流大于续流二极管的电流。当 时，流过续流二极管的电流大于流过晶闸管的电流。所以选续流二极管容量时，必须考虑续流二极管中实际流过的电流大小，有时选用与晶闸管定额相同的管子，有时可能要求大一些。,单相桥式半控整流电路例题,流过续流二极管的电流

22、平均值为,有效值为,52,单相可控整流电路总结,53,作业,单相半波可控整流电路中，如果（1）晶闸管门极不加触发脉冲；（2）晶闸管内部短路；（3）晶闸管内部断开，试分析以上三种情况下负载端电压和晶闸管两端电压的波形某单相桥式全控整流电路给电阻性负载和大电感负载供电，在流过负载电流平均值相同的情况下，哪一种负载下晶闸管额定电流应选大一些？某电阻负载单相半波可控整流电路，若其中一只管子的阳，阴极之间被烧断，试画出整流二极管，晶闸管两端的电压波形P97 3题，5题,54,三相可控整流电路,三相半波可控整流电路三相桥式全控整流电路三相桥式半控整流电路双反星可控整流电路十二脉波可控整流电路负载形式：阻性

23、负载，阻感负载，反电动势负载应用场所：整流负载容量较大或要求直流电压脉动较小时,55,三相半波可控整流电路,Three-phase controlled(controllable)rectifier,又叫三相零式可控整流电路电路结构特点三个晶闸管共阴极连接结构，触发电路有公共端三个晶闸管共阳极连接结构整流变压器绕组二次侧必须接成星形，一般一次侧接成三角形，目的是减少高次谐波,56,三相半波可控整流电路-阻性负载,二极管电路工作情况共阴极接法二极管导通原则是：阳极电位最高的管子导通自然换相点：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=

24、0。,57,三相半波可控整流电路-阻性负载,a=0时的工作原理分析,一周期中三个管子轮流导通，各导通120度输出电压波形为三个相电压在正半周的包络线变压器二次绕组电流有直流分量晶闸管承受的电压波形，由3段组成，为线电压,58,a=30时的波形分析,三相半波可控整流电路-阻性负载,特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。,59,a30时的波形分析,三相半波可控整流电路-阻性负载,特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120，为电阻负载时移相范围为150,60,电流波形断续，各相晶闸管导通至该相相电压为零的时刻,三相半波可控整流电路-阻性负载,基本数量关系,整流输出电压平均值,电流波形连续，各相

25、晶闸管均导通120度,当a=0时，Ud最大，为,61,Ud/U2随a变化的规律如图2-15中的曲线1所示。,图2-15 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载,三相半波可控整流电路-阻性负载,62,三相半波可控整流电路-阻性负载,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,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,63,64,整流变压器二次侧各相绕组电流有效值,三相半波可控整流电路-阻性负载,晶闸管的电流有效值,电流连续时,电流断续时,晶闸管的电流平均值,65,三相半波可控整流电路-阻感负载,特点：阻

26、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。a30时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近似为一条水平线阻感负载时的移相范围为90电流连续各管均导通120,66,三相半波可控整流电路-阻感负载,数量关系,由于负载电流连续，输出电压为当a00时，,Ud/U2与a成余弦关系，如图2-15中的曲线2所示。若负载电感量不是很大，Ud/U2与a的关系介于曲线1和2之间,67,变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为,晶闸管的额定电流为,晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰

27、值,三相半波可控整流电路-阻感负载,68,三相半波可控整流电路,结论三相半波可控整流电路只用三个晶闸管，接线和控制都很简单输出相同的电压时，晶闸管承受的正、反向电压都较高（与三相桥式电路比较）整流变压器二次侧绕组一周期仅导电120度，绕组利用率低，绕组中电流为单方向，存在直流分量，使铁心直流磁化，产生较大的漏磁通，引起附加损耗多用于中等偏小容量的设备上,69,例24.已知三相半波可控整流电路带大电感负载，整流变压器二次侧绕组电压 u2=200V，求不接续流二极管和接续流二极管两种情况下的Id值，并选择晶闸管元件。,三相半波可控整流电路例题,解：1.不接续流二极管时,大电感负载下,有,70,可选

28、型号为KP5010的晶闸管,三相半波可控整流电路例题,流过晶闸管电流有效值,考虑2倍裕量，晶闸管电流定额,考虑2倍裕量，晶闸管电压定额,71,可选型号为KP5010的晶闸管结论：有续流二极管后，流过整流变压器二次侧绕组的电流即流过晶闸管的电流，较不接二极管时减小，当输出相同负载电流时，晶闸管和变压器容量相应减小,三相半波可控整流电路例题,2.接续流二极管,按阻性负载电流断续公式计算，有,72,三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2-17 三相桥式全控整流电路原理图,导通顺序

29、：VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6,三相桥式全控整流电路,73,工作原理及波形分析，假设将电路中的晶闸管均换作二极管，对于共阴极组的3个管子，阳极所接交流电压值最高的一个管子导通，而对于共阳极组的3个管子，则是阴极所接交流电压值最低的一个管子导通。任意时刻共阳极组和共阴极组各有一个管子处于导通状态。,三相桥式全控整流电路-阻性负载,74,三相桥式全控整流电路-阻性负载,图2-18 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形,75,三相桥式全控整流电路-阻性负载,图2-19 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30 时的波形,76,三相桥式全控整流电路-阻性负载,图2-20 三相桥式全

30、控整流电路带电阻负载a=60 时的波形,77,三相桥式全控整流电路-阻性负载,图2-21 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=90 时的波形,78,三相桥式全控整流电路-阻性负载,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，也连续当a60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a角的移相范围是120,79,晶闸管及输出整流电压的情况如下表,三相桥式全控整流电路-阻性负载,80,三相桥式全控整流电路-阻性负载,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

31、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180,三相桥式全控整流电路的特点,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,81,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）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,三相桥式全控整流电路-阻性负载,82,三相桥式全控整流电路-阻感负载,83

32、,三相桥式全控整流电路-阻感负载,84,三相桥式全控整流电路-阻感负载,85,三相桥式全控整流电路-阻感负载,a60时 ud波形连续，工作情况与带电阻负载时相似,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,a 60时 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同 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90,86,基本数量关系 整流输出电压平均值 负载电流平均值二次绕组电流有效值 流过晶闸管的电流有效值和平均值,三相桥式全控整流电路-阻感负载,87,三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负载时，在负载电感足够大，足以

33、使负载电流连续的情况下，电路工作情况与带感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，只在计算负载电流平均值时有所不同，此时为,三相桥式全控整流电路-反电动势负载,88,三相桥式半控整流电路,三相桥式半控整流电路,89,时工作情况与三相全控桥 完全相同 时，时刻触发晶闸管T1导通，T1、D6导通，负载电压 时刻二极管自然换流，D2导通，D6关断，负载电压.时刻，T1继续导通 时刻触发T3导通，T1关断，负载电压,负载上得到的电压波形 一个周期内仍有6个波头，但6个波头不相同,三相桥式半控整流电路阻性负载,90,三相桥式半控整流阻性负载 时工作波形,三相桥式半控整流电路阻性负载,91,时，波形

34、总是连续的 时，电压波形中就只剩下三个波头，是临界情况,三相桥式半控整流电路阻性负载,92,三相桥式半控整流阻性负载 时工作波形,三相桥式半控整流电路阻性负载,93,随着触发角 的增大，器件不导通角度也增大，输出整流电压ud减小。因为三相桥式整流电路是对线电压的整流，工作电压为线电压，不是相电压，所以判断一个晶闸管能否被触发导通是根据其线电压是否过零来判断。三相半控桥整流电路带阻性负载时移相范围为。,三相桥式半控整流电路阻性负载,94,负载电压平均值电压波形连续时电压波形断续时,三相桥式半控整流电路阻性负载,95,三相桥式半控整流电路感性负载，时的工作波形,三相桥式半控整流电路感性负载,96,

35、三相桥式半控整流电路感性负载,97,突然去掉触发脉冲或将 从某一值突然增大到，电路会出现某个晶闸管连续导通，三个二极管轮流导通的失控现象。解决失控问题，只需在负载两端并联一续流二极管即可。,三相桥式半控整流电路感性负载,98,三相半控桥感性负载失控时 波形,99,作业,P97 7题P98 11，12，13题,100,变压器漏抗对整流电路的影响,漏抗的存在对电路电流变化起阻碍作用，换相过程不能瞬时完成存在换相重叠过程漏抗的存在引起换相压降,Effect of transformer leakage inductance on rectifier circuits,101,变压器漏抗对整流电路的影

36、响,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。,可用一个集中的电感LB表示包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响以三相半波为例,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。,图2-25 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形,102,变压器漏抗对整流电路的影响,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

37、相比，ud平均值降低的多少,103,变压器漏抗对整流电路的影响,换相重叠角g的计算,由上式得：,进而得出：,104,变压器漏抗对整流电路的影响,由上述推导过程，已经求得：,当 时，于是,g 随其它参数变化的规律：Id越大则g 越大 XB越大g 越大 当a90时，越小g 越大,105,变压器漏抗对整流电路的影响,表2-2 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。,106,变压器漏抗对整流电路的影响,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

38、作状态增多晶闸管的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,107,整流电路的谐波和功率因数,Harmonics and power factor of rectifier circuits,随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波(harmonics)和无功(reactive power)问题日益严重，引起了关注,无功的危害Harmful effects of reactive power导致电流和视在功率增加，

39、导致设备容量增加线路总电流增加，使设备和线路的损耗增加线路压降增大，冲击性无功负载使电压剧烈波动,108,整流电路的谐波和功率因数,谐波的危害Harmful effects of harmonics产生附加的谐波损耗，降低设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾影响用电设备的正常工作，电机发生振动，噪声和过热，变压器局部严重过热，绝缘老化等引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害导致继电保护和自动装置的误动作对通信系统造成干扰,109,Basic concepts of harmonics and reactive power,周期性非正弦电压的傅立叶表达式,对于非正弦波电

40、压，满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数：,正弦波（sinusoidal waveform）电压可表示为：,Harmonics,110,基波（fundamental）频率与工频相同的分量谐波频率为基波频率大于1整数倍的分量谐波次数谐波频率和基波频率的整数比,Basic concepts of harmonics and reactive power,Harmonics,n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为,n次谐波电流有效值,基波电流有效值,111,Basic con

41、cepts of harmonics and reactive power,For sinusoidal circuits,电路的有功功率就是其平均功率：,视在功率为电压、电流有效值的乘积，即 S=UI 无功功率定义为：Q=U I sinj,功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值：,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：,功率因数是由电压和电流的相位差j 决定的：l=cos j,Power factor,112,有功功率(Active power)、视在功率(Apparent power)、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由式 定义不考虑电压畸变，研究电压为正

42、弦波、电流为非正弦波的情况有很大的实际意义,For non-sinusoidal circuits,非正弦电路的有功功率：P=U I1 cosj1 功率因数为：,Basic concepts of harmonics and reactive power,Power factor,113,For non-sinusoidal circuits,功率因数为：,基波因数Distortion factorn=I1/I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数Displacement factor（基波功率因数）cosj 1,功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定的,Basic c

43、oncepts of harmonics and reactive power,Power factor,114,带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,单相桥式全控整流电路,忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流电感L为足够大,115,带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,变压器二次侧电流谐波分析：,n=1,3,5,电流中仅含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,电流基波和各次谐波有效值为：,单相桥式全控整流电路,116,带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,单相桥式全控整流电路,基波电流有效值为 i2的有效值I=I

44、d，基波因数为 电流基波与电压的相位差就等于控制角，故 位移因数为 功率因数为,功率因数计算,117,带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,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，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：,118,变压器二次侧电流谐波分析：,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，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数,功率因数计算,基波因数：,位移因数仍为：,功率因数为：,带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,三相桥式全控整流电路,119,整流输出电压和电

45、流的谐波分析,整流电路的输出电压是非周期正弦函数，主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，谐波的存在对负载工作不利,分析=0时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波,整流输出电压谐波分析整流输出电流谐波分析电压纹波因数 Voltage ripple factor,120,电压纹波因数Voltage ripple factor,整流输出电压和电流的谐波分析,谐波电压有效值与整流电压平均值之比,即,其中：,121,整流输出电压和电流的谐波分析,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次当m一定时，随谐波次数增大，谐波

46、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,=0时整流电压、电流中的谐波有如下规律：,122,不为0的情况整流电压谐波的一般表达式十分复杂，下面只说明谐波电压与 角的关系,图2-34 三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与 的关系,以n为参变量，n次谐波幅值对 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,整流输出电压和电流的谐波分

47、析,123,多重化整流电路multiple rectifiers,整流装置功率进一步加大时，所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，采用多重化整流电路,原理：按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流电路 进行组合得到,效果：移相多重联结可减少交流侧输入电流谐波，串联多重整流电路采用顺序控制可提高功率因数,124,多重化整流电路multiple rectifiers,移相多重联结Phase-shift connection of multiple rectifiers,有并联多重联结和串联多重联结对交流输入电流，并联多重联结和串联多重联结效果相同可减少输入电流谐波，减小输出

48、电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器,125,多重化整流电路multiple rectifiers,Parallel connection,2个三相桥并联而成的12脉波整流电路使用平衡电抗器来平衡2组整流器的电流,126,Series connection,多重化整流电路multiple rectifiers,移相30构成的串联2重联结电路,整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差30、大小相等的两组电压该电路为12脉波整流电路,127,Series connection,多重化整流电路multiple rectifiers,128,iA基波幅值Im1和n次谐波幅值I

49、mn分别如下：,即输入电流谐波次数为12k1，其幅值与次数成反比而降低该电路的其它特性：直流输出电压 位移因数 cosj1=cosa（单桥时相同）功率因数 l=n cosj1=0.9886cosa,Series connection,多重化整流电路multiple rectifiers,129,利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开20，可将三组桥构成串联3重联结电路：,整流变压器采用星形三角形组合无法移相20，需采用曲折接法整流电压ud在每个电源周期内脉动18次，故此电路为18脉波整流电路交流侧输入电流谐波更少，为18k1次（k=1,2,3），ud的脉动也更小输入位移因数和功率因数分别为：c

50、osj1=cosa=0.9949cosa,多重化整流电路multiple rectifiers,130,将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联4重联结电路：,为24脉波整流电路 其交流侧输入电流谐波次为24k1，k=1，2，3 输入位移因数、功率因数分别为：cosj1=cosa=0.9971cosa,采用多重联结的方法并不能提高位移因数，但可使输入电流谐波大幅减小，从而也可以在一定程度上提高功率因数,多重化整流电路multiple rectifiers,131,多重化整流电路multiple rectifiers,多重联结电路的顺序控制Sequential control of multi