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1、电力电子技术,山东大学 Shandong University,2,第3章 整流电路,3.1 单相可控整流电路 3.2 三相可控整流电路 3.3 变压器漏感对整流电路的影响 3.4 电容滤波的不可控整流电路 3.5 整流电路的谐波和功率因数 3.6 大功率可控整流电路 3.7 整流电路的有源逆变工作状态 3.8 整流电路相位控制的实现,3,3.5 整流电路的谐波和功率因数引言,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： 导致设备容量增加。 使设备和线路的损耗增加。 线路压降增大，冲击
2、性负载使电压剧烈波动。,谐波的危害： 降低设备的效率。 影响用电设备的正常工作。 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。,5,3.5.1 谐波和无功功率分析基础,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。,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）分别定义为（Ih为总谐波电流有效值）,(3-57),(3-58),6,3.5.1
3、谐波和无功功率分析基础,2） 功率因数,正弦电路中的情况,（3-59）,视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI （3-60） 无功功率定义为： Q=U I sinj （3-61）,功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值：,（3-62）,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：,（3-63）,功率因数是由电压和电流的相位差j 决定的：l =cos j （2-64）,7,3.5.1 谐波和无功功率分析基础,非正弦电路中的情况,不考虑电压畸变，研究电压为正弦波、电流为非正弦波的情况有很大的实际意义。,基波因数 =I1 / I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数（
4、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。,8,3.5.1 谐波和无功功率分析基础,非正弦电路的无功功率,定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。 一种简单的定义是仿照式（3-63）给出的： （3-67）,无功功率Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受。,也可仿照式（3-61）定义无功功率，为和式（3-67）区别，采用符号Qf，忽略电压中的谐波时有： Q f =U I 1 sinj 1 (3-68） 在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率D，使得： （3-69）,Q f为由基波电流所产生的无功功率，D是谐波电流产生的无功功率。,9,3.6
5、大功率可控整流电路,3.6.1 带平衡电抗器的双反星形 可控整流电路 3.6.2 多重化整流电路,10,3.6 大功率可控整流电路引言,带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点： 适用于低电压、大电流的场合。 多重化整流电路的特点： 在采用相同器件时可达到更大的功率。 可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰。,11,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,电路结构的特点,图3-35 带平衡电抗器的 双反星形可控整流电路,二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路。 二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。 平衡电抗器是为保证两组三相半波整
6、流电路能同时导电。 与三相桥式电路相比，双反星形电路的输出电流可大一倍。,12,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,接平衡电抗器的原因：,两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等。 保证两组三相半波整流电路能同时导电, 电流平均分配。,13,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,平衡电抗器使得两组三相半波整流电路同时导电的原理分析：,图3-37 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形,时，ubua，VT6导通，此电流在流经LP时，LP上要感应一电动势up，其方向是要阻止电流增大:,14,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,图3-38 平衡电抗器作用下 两
7、个晶闸管同时导电的情况,虽然 ，但由于Lp的平衡作用，使得晶闸管VT6和VT1同时导通。,15,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,原理分析(续)：,图3-37 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形,时间推迟至ub与ua的交点时， ub = ua ， 。 之后 ub ub ，电流才从VT6换至VT2。此时VT1、VT2同时导电。 每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导电。,16,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,由上述分析可得：,图3-37 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形,平衡电抗器中点作为整流电压输出的负端:。,
8、（3-98）,谐波分析,分析详见P78。 ud中的谐波分量比直流分量要小得多，且最低次谐波为六次谐波。 直流平均电压为：,u,u,17,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路, =30、 =60和 =90时输出电压的波形分析,图3-39 当 =30、60、90时，双反星形电路的输出电压波形,分析输出波形时，可先求出ud1和ud2波形，然后根据式（3-98）做出波形( ud1+ud2 ) / 2。 输出电压波形与三相半波电路比较，脉动频率加大一倍，f=300Hz。 电感负载情况下，移相范围是90。 电阻负载情况下，移相范围为120。,18,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,整流
9、电压平均值与三相半波整流电路相等，为: Ud=1.17 U2 cos ,将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下结论： 三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相半波并联，且后者需用平衡电抗器。 当U2相等时，双反星形的Ud是三相桥的1/2，而Id是三相半波电路的2倍。 两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，ud和id的波形形状一样。,19,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,双反星形电路中如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路：,只能有一个晶闸管导电，其余五管均阻断，每管最大导通角为60o，平均电流为Id/6。 当=0o 时，Ud为1.35U2，比三相半波时
10、的1.17U2略大些。 因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，极少采用。,平衡电抗器的作用： 使得两组三相半波整流电路同时导电。,20,3.6.2 多重化整流电路,概述： 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，可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。,21,3.6.2 多重化整流电路,1) 移相多重联结,图3-40 并联多重联结的12脉波整流电路,有并联多重联结和串联多重联结。 可减少输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。 使用平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。
11、 2个三相桥并联而成的12脉波整流电路。,22,3.6.2 多重化整流电路,移相30构成的串联2重联结电路,图3-41 移相30串联2重联结电路,图3-42 移相30串联2重联结电路电流波形,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。,星形,三角形,23,3.6.2 多重化整流电路,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=
12、1, 2, 3），ud的脉动也更小。 输入位移因数和功率因数分别为： cosj1=cosa =0.9949cosa,24,3.6.2 多重化整流电路,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。,25,3.6.2 多重化整流电路,2) 多重联结电路的顺序控制,只对一个桥的角进行控制，其余各桥的工作状态则根据需要输出的整流电压而定。
13、或者不工作而使该桥输出直流电压为零。 或者 =0而使该桥输出电压最大。 根据所需总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥进行控制，因而被称为顺序控制。 不能降低输入电流谐波，但是总功率因数可以提高。 我国电气机车的整流器大多为这种方式。,26,3.7 整流电路的有源逆变工作状态,3.7.1 逆变的概念 3.7.2 三相桥整流电路的有源逆变工作状态 3.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制,27,3.7.1 逆变的概念,1) 什么是逆变？为什么要逆变？,逆变（Invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。 逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。 有源逆变电路交流侧和电网连结。 应用：
14、交流绕线转子异步电动机串级调速、可再生能源发电以及高压直流输电等。 无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 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。 既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。,28,3.7.1 逆变的概念,2) 直流发电机电动机系统电能的流转,图3-44 直流发电机电动机之间电能的流转 a）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路,电路过程分析。 两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。,29,3.7.
15、1 逆变的概念,3) 逆变产生的条件 单相全波电路代替上述发电机,图3-45 单相全波电路的整流和逆变,交流电网输出电功率,电动机输出电功率,30,3.7.1 逆变的概念,从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有二：,外部条件：有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。 内部条件：晶闸管的控制角 /2，使Ud为负值。,半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。 欲实现有源逆变，只能采用全控电路。,31,3.7.1 逆变的概念,逆变和整流的区别：控制角 不同,0 p /2 时，电路工作在整流状态。
16、 p /2 p时，电路工作在逆变状态。,可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题。 把a p /2时的控制角用p- = b表示，b 称为逆变角。 逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量。,32,3.7.2三相半波整流电路的有源逆变工作状态,电动机电动势E的极性符合有源逆变的条件，晶闸管VT1、VT3、VT5的控制角必须大于90，即 90，当EUd时，电路可工作在有源逆变状态。,33,3.7.2三相半波整流电路的有源逆变工作状态,以30为例分析其工作过程。 当30时，给VT1触发脉冲，此时U相电压UA0，但是整个电路中，VT1晶闸管承受正向电压E，满足晶闸管导通条件，VT1导通。,+,-,34,3.7.2三相半波整流电路的有源逆变工作状态,逆变时晶闸管两端电压波形的画法与整流时一样。在一个周期内导通120，由波形可见，逆变时总是正面积大于负面积，当=0时正面积最大；而整
