电力电子技术课件 程汉湘 第二章_2 整流电路

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1、1 PowerElectronics 广东工业大学 第2章整流电路 AC DC变换 2 1单相可控整流电路2 2三相可控整流电路2 3变压器漏感对整流电路的影响2 4电容滤波的不可控整流电路2 5整流电路的谐波和功率因数2 6大功率可控整流电路2 7整流电路的有源逆变工作状态2 8晶闸管滞留电动机系统2 9相控电路的驱动控制本章小结 2 PowerElectronics 广东工业大学 2 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 换向过程不能瞬间完成 现以三相半波为例 然后将其结论推广 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V

2、T1和VT2同时导通 相当于将a b两相短路 两相间电压差为ub ua在两相组成的回路中产生环流ik ik ib逐渐增大 ia Id ik逐渐减小 当ik增大到等于Id时 ia 0 VT1关断 换流过程结束 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 3 PowerElectronics 广东工业大学 换相压降换相导致ud均值降低多少 用 Ud表示 换相重叠角换相过程持续的时间 用电角度g表示 整流输出电压瞬时值为 2 30 2 31 4 PowerElectronics 广东工业大学 换重叠角g的计算 由 2 30 式得 2 32 由上式得 2 33 2 34 进而得出 5 Po

3、werElectronics 广东工业大学 当时 ik Id 于是 2 35 2 36 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a 90 时 越小则g越大 6 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 3U2的6脉波整流电路 故其m 6 相电压按 3U2代入 变压器漏感对各种整流电路的影响 PowerElectronics 广东工业大学 7 PowerElectronics 广东工业大学 变压器漏感对整流电路影响的一些结论 1 出现换相重叠角g 整流输出电压平

4、均值Ud降低 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 8 PowerElectronics 广东工业大学 第2章整流电路 AC DC变换 2 1单相可控整流电路2 2三相可控整流电路2 3变压器漏感对整流电路的影响2 4电容滤波的不可控整流电路2 5整流电路的谐波和功率因数2 6大功率可控整流电路2 7整流电路的有源逆变工作状态2 8晶闸管滞留电动机系统2 9相控电路的驱动控制本

5、章小结 9 PowerElectronics 广东工业大学 2 4电容滤波的不可控整流电路 2 4 1电容滤波的单相不可控整流电路2 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 10 PowerElectronics 广东工业大学 2 4 1电容滤波的单相不可控整流电路 图2 26电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a 电路b 波形 1 工作原理及波形分析 基本工作过程在u2正半周过零点至wt 0期间 因u2 ud 故二极管均不导通 电容C向R放电 提供负载所需电流 至wt 0之后 u2将要超过ud 使得VD1和VD4开通 ud u2 交流电源向电容充电 同时向负载R供电 11 PowerEl

6、ectronics 广东工业大学 设VD1和VD4导通时刻 与u2过零点相距 角 则u2如下式 在VD1和VD4导通期间 以下方程成立 式中 ud 0 为VD1和VD4导通时刻直流侧电压值 将u2代入解得 2 37 2 38 2 39 12 PowerElectronics 广东工业大学 负载电流为 于是 设VD1和VD4导通角为 则当 t 时 VD1和VD4关断 将id 0代入式 2 41 得 2 40 2 41 2 42 13 PowerElectronics 广东工业大学 见图2 26b 电容被充电到 t 时 VD1和VD4关断 电容开始以时间常数RC按指数函数充电当 t 即放电经过 角

7、时 ud降至开始充电时的初值 另一对二极管VD2和VD3导通 此后又向充电 与正半周的情况一样 二极管导通后u2开始向C充电时的ud与二极管关断后C放电结束时的ud相等 故有 2 43 由式 2 42 和式 2 43 得 2 44 14 PowerElectronics 广东工业大学 2 45 图2 27 与 RC的关系曲线 由式 2 44 和 2 45 得 和 角随 RC变化曲线 15 PowerElectronics 广东工业大学 2 46 2 主要的数量关系 图2 28电容滤波的单相不可控整流电路输出电压与处处电流的关系 空载时 重载时 R很小 电容放电很快 几乎失去贮能作用 Ud逐渐趋

8、近于0 9U2 即趋近于接近电阻负载时的特性 通常在设计时根据负载的情况选择电容C值 使T为交流电源的周期 此时输出电压为 Ud 1 2U2 1 输出电压平均值 16 PowerElectronics 广东工业大学 2 电流平均值输出电流平均值IR为 IR Ud R 2 47 在稳态时 电容才一个电源周期内吸收的能量和释放的能量相等 其电压平均值保持不变 流经电容的电流在一周期内的平均值为零 又由id iC iR得出Id IR 2 48 在一个电源周期中 id有两个波头 分别轮流流过VD1 VD4和VD2 VD3 流过某个二极管的电流iVD只是两个波头中的一个 平均值为 ID Id 2 IR

9、2 2 49 17 PowerElectronics 广东工业大学 3 二极管承受的电压为了抑制电流冲击 常在直流侧串中加入较小的电感 成为感容滤波电路 b 图2 29感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a 电路图b 波形 a ud波形更平直 电流i2的上升段平缓了许多 这对于电路的工作有利 18 PowerElectronics 广东工业大学 2 4电容滤波的不可控整流电路 2 4 1电容滤波的单相不可控整流电路2 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 19 PowerElectronics 广东工业大学 2 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 1 基本原理 某一对二极管导通时 输出电

10、压等于交流侧线电压中最大的一个 该线电压既向电容供电 也向负载供电 当没有二极管导通时 由电容向负载放电 ud按指数规律下降 设二极管在距线电压过零点交出开始导通 并以二极管和开始导通的时刻为零点 则线电压为而相电压为 20 PowerElectronics 广东工业大学 图2 30电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形 由 电压下降速度相等 原则 确定临界条件 假设在的时刻 速度相等 恰好发生 则有 2 50 21 PowerElectronics 广东工业大学 可得 RC 3b RC 3分别是电流id继续和连续的条件 轻载时 直流侧获得的充电电流是断续的重载时 直流侧获得的充电电流是连续

11、的分界点是 图2 31电容滤波的三相桥式整流电路当 RC等于和小于 3时的电流波形a RC 3b RC 3 22 PowerElectronics 广东工业大学 电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时 电流波形的前沿平缓了许多 有利于电路的正常工作 随着负载的加重 电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近 图2 32考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形a 电路原理图b 轻载时的交流侧电流波形c 重载时的交流侧电流波形 23 PowerElectronics 广东工业大学 1 输出电压平均值Ud在 2 34U2 2 45U2 之间变化2 电流平均值IR Ud R 2

12、51 与单相电路情况一样 电容电流iC平均值为零 因此Id IR 2 52 二极管电流平均值为Id的1 3 即 ID Id 3 IR 3 2 53 3 二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值 为 2 主要数量关系 24 PowerElectronics 广东工业大学 第2章整流电路 AC DC变换 2 1单相可控整流电路2 2三相可控整流电路2 3变压器漏感对整流电路的影响2 4电容滤波的不可控整流电路2 5整流电路的谐波和功率因数2 6大功率可控整流电路2 7整流电路的有源逆变工作状态2 8晶闸管滞留电动机系统2 9相控电路的驱动控制本章小结 25 PowerElectron

13、ics 广东工业大学 2 5 1谐波和无功功率分析基础2 5 2带阻感负载时可控整流电路交侧谐波和功率因数分析2 5 3电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析2 5 4整流输出电压和电流的谐波分析 2 5整流电路的谐波和功率因数 26 PowerElectronics 广东工业大学 2 5整流电路的谐波和功率因数 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 无功功率导致电流增大和视在功率 导致设备容量增加无功功率增加 使总电流增加 从而使设备线路的损耗增加使线路压降增大 冲击性无功负载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 谐波使电网中的元件产生附加的

14、谐波损耗 降低发电 输电及用电设备的效率 谐波影响各种电器设备的正常工作 谐波引起电网中局部的并联谐振和串联谐振 谐波导致继电保护和自动装置的误动作 谐波对邻近的通信系统产生干扰 27 PowerElectronics 广东工业大学 2 5 1谐波和无功功率分析基础 1 谐波 2 54 正弦波电压式中 2 f 2 T正弦波电压施加在线性电路上时 电流为正弦波 正弦波电压施加在非线性电路上时 电流变为非正弦波 非正弦电流在电网阻抗上产生压降 使电压波形也变为非正弦波 非正弦电压施加在线性电路上时 电流也是非正弦波 对于周期为T 2 的非正弦电压u t 满足 满足狄里赫利条件 可分解为傅里叶级数

15、2 55 28 PowerElectronics 广东工业大学 式中 n 1 2 3 或 2 56 式中 cn jn an和bn的关系为 29 PowerElectronics 广东工业大学 基波在傅里叶级数中 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 HarmonicRatioforIn 表示电流谐波总畸变率THDi TotalHarmonicdistortion 定义为 2 57 2 58 式中 Ih为总谐波电流有效值 30 PowerElectronics 广东工业大学 电路的有功功率就是其平均功率 2 59

16、视在功率为电压 电流有效值的乘积 即S UI 2 60 无功功率定义为Q UIsinj 2 61 功率因数l定义为有功功率P和视在功率S的比值 2 62 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 2 63 功率因数是由电压和电流的相位差j决定的l cosj 2 64 2 功率因数 31 PowerElectronics 广东工业大学 在非正弦电路中 有功功率 视在功率 功率因数的定义均和正弦电路相同 功率因数的定义同式 2 62 公用电网中 通常电压的波形畸变很小 但电流波形的畸变可能很大 因此研究电压波形为正弦波 电流波形为非正弦波有实际意义 设正弦波电压有效值为 畸变电流有效值为 基波电流有效值及与电压的相位差分别为和 这时有功功率为功率因数为式中 I1 I 基波电流有效值和总电流有效值之比 为基波因数Cosj1为位移因数 基波功率因数 谐波的非正弦电路的无功功率简单定义 2 65 2 66 2 67 32 PowerElectronics 广东工业大学 仿照式 2 61 定义无功功率 忽略电压中的谐波非正弦时 引入畸变功率D 使得比较式 2 67 和式 2 69 可得