单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2-,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,3.4,电容滤波的不可控整流电路,在交,直,交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用最常用的是,单相桥,和,三相桥,两种接法由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为,二极管整流电路,常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中1,单相半波不控整流,2,单相桥式不控整流,3,三相半波不控整流,4,三相桥式不控整流,5,不控整流电路输出电压中除直流平均值外，还含有谐波电压为此须在整流电路的输出端与负载之间接入,LC,滤波器由于整流输出谐波电压的频率不高，因此要有较好滤波效果必须,LC,很大滤波电感,L,的的重量、体积相对于电容要大得多，通常取较小的,L,和较大的C组成,LC,滤波器，甚至完全不用电感只用电容滤波电容滤波的不可控整流电路,6,3.4.1,电容滤波的单相不可控整流电路,1）工作原理及波形分析,图,3-28,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,基本工作过程,：,在,u,2,正半周过零点至,w,t,=0,期间，因,u,2,u,d,，,故二极管均不导通，电容,C,向,R,放电,，提供负载所需电流。
至,w,t,=0,之后，,u,2,将要超过,u,d,，,使得,VD,1,和,VD,4,开通,，,u,d,=u,2,，,交流电源向电容充电，同时向负载,R,供电b),0,i,u,d,q,d,p,2,p,w,t,i,u,d,a),+,R,C,u,1,u,2,i,2,VD,1,VD,3,VD,2,VD,4,i,d,i,C,i,R,u,d,电容被充电到,t,=,时，,u,d,=,u,2,，,VD,1,和,VD,4,关断电容开始以时间常数,RC,按指数函数放电当,t,=,，即放电经过,-,角时，,u,d,降至开始充电时的初值，另一对二极管,VD,2,和,VD,3,导通，此后,u,2,又向,C,充电，与,u,2,正半周的情况一样7,和,的确定,指,VD,1,和VD,4,导通的时刻与,u,2,过零点相距的角度，,指VD,1,和VD,4,的导通角在VD,1,和VD,4,导通期间,式中，,u,d(0),为VD,1,、VD,4,开始导通时刻直流侧电压值将,u,2,代入并求解得：,而负载电流为：,于是,(3-37),(3-38),(3-39),(3-40),(3-41),3.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路,8,3.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路,可由式（3-45）求出,，进而由式（3-44）求出,显然,和,仅由乘积,RC,决定。
3-42),(3-43),(3-44),(3-45),图3-29,、,与,RC,的关系曲线,则当,t=,时，VD,1,和VD,4,关断将,i,d,(,)=,0代入式（3-41），得：,二极管导通后,u,2,开始向,C,充电时的,u,d,与二极管关断后,C,放电结束时的,u,d,相等，故有下式成立：,由式（3-42）和（3-43）得,9,3.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路,的另外一种确定方法：VD,1,和VD,4,的关断时刻，从物理意义上讲，就是两个电压下降速度相等的时刻，一个是电源电压的下降速度|d,u,2,/d(,t,)|，另一个是假设二极管VD,1,和VD,4,关断而电容开始单独向电阻放电时电压的下降速度|d,u,d,/d(,t,)|,p,（下标表示假设），据此即可确定,图3-29,、,与,RC的关系曲线,10,3.4.1,电容滤波的单相不可控整流电路,2)主要的数量关系,输出电压平均值,电流平均值,输出电流平均值,I,R,为：,I,R,=,U,d,/,R,I,d,=I,R,二极管电流,i,D,平均值为：,I,D,=I,d,/,2,=I,R,/,2,二极管承受的电压,（3-47）,（3-48）,（3-49）,空载时，。
重载时，,U,d,逐渐趋近于,0.9,U,2,，,即趋近于接近电阻负载时的特性在设计时根据负载的情况选择电容,C,值，使,此时输出电压为：,U,d,1.2,U,2,3-46）,11,3.4.1,电容滤波的单相不可控整流电路,感容滤波的二极管整流电路,实际应用为此情况，但分析复杂u,d,波形更平直，电流,i,2,的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的图,3-31,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),b),u,2,u,d,i,2,0,d,q,p,w,t,i,2,u,2,u,d,12,3.4.2,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，,u,d,按指数规律下降图,3-32,电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形,a),b),O,i,a,u,d,i,d,u,d,u,ab,u,ac,0,d,q,w,t,p,p,3,w,t,比如在,VD,1,和,VD,2,同时导通之前,VD,6,和,VD,1,是关断的，交流侧向直流侧的充电电流,i,d,是断续的。
VD,1,一直导通，交替时由,VD,6,导通换相至,VD,2,导通，,i,d,是连续的13,电流,i,d,断续和连续的,临界条件,w,RC,=,在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是,R,=/,w,C,3.4.2,电容滤波的三相不可控整流电路,由“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件假设在,t+,=2,/3,的时刻“速度相等”恰好发生，则有,图,3-33,电容滤波的三相桥式整流电路当,w,RC,等于和小于 时的电流波形,a,）,w,RC,=,b,）,w,RC,由上式可得,（,3-50,）,a),b),w,t,w,t,w,t,w,t,a,i,d,a,i,d,O,O,O,O,通常只有,R,是可变的，它的大小反映了,负载的轻重,，因此在,轻载,时直流侧获得的充电电流是,断续,的，,重载,时是,连续,的14,3.4.2,电容滤波的三相不可控整流电路,考虑实际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的工作情况：,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,3-34,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,b),c),i,a,i,a,O,O,t,t,15,3.4.2,电容滤波的三相不可控整流电路,2)主要数量关系,（,1）,输出电压平均值,U,d,在（2.34,U,2,2.45,U,2,）,之间变化,（,2）,电流平均值,输出电流平均值,I,R,为：,I,R,=,U,d,/,R,（3-51）,与单相电路情况一样，电容电流,i,C,平均值为零，,因此：,I,d,=I,R,（3-52）,二极管电流平均值为,I,d,的,1/3，,即：,I,D,=I,d,/,3,=I,R,/,3,（3-53）,（,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 。
16,1对输出电压的影响,电阻R减小(负载电流增大)或电容容量C减小输出电压降低、电压波动加大1)电容滤波的不控整流电路其输出电压平均值不是一个定数，它将随着RC的变化而变化2)输出电压平均值的最大值是输出电压瞬时值的峰值，输出电压平均值的最小值是该电路在电阻负载情况下的输出电压平均值小结,单相桥式不控整流,三相半波不控整流,三相桥式不控整流,输出电压平均值的最大值与最小值在不同电路形式下的值,17,2,对输入电流的影响,若R一定，C加大时,输出电压的平均值增加,i,R,的平均值也将增大,VD的导通角将减小,i,2,的幅值要增加,要减小电压波动而增大电容C 使输入电流,i,2,的有效值大大增加使,i,2,的脉动增加必须要增加整流二极管的电流容量参数选择时应给予注意3初始合闸相位的影响,在三相桥式整流电路中，无论何时合闸，总有一相处在较高的正电压位置,在合闸的过程中要加有限流措施，或在电路中串入限流电阻，合闸完成后再切除（短路限流电阻），或串入一个小电感，以限制其过大的合闸电流18,3.5,整流电路的谐波和功率因数,3.5.1,谐波和无功功率分析基础,3.5.2,带阻感负载时可控整流电路交流侧 谐波和功率因数分析,3.5.3,电容滤波的不可控整流电路交流侧 谐波和功率因数分析,3.5.4,整流输出电压和电流的谐波分析,19,3.5,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20,整流器的性能指标,整流器最基本的性能指标有：,1.电压谐波系数或纹波系数-,RF,2.电压脉动系数-,Sn,3.输入电流总畸变-,THD,4.输入功率因数-,上述基本性能指标能比较科学地评价各种整流电路的性能优劣21,纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平均值电压V,D,外全部交流谐波分量有效值V,H,电压谐波系数或纹波系数,RF,（Ripple Factor）,进一步可以表示为：,电压谐波（纹波）系数的定义：输出电压中的交流谐波有效值平均值 V,H,与直流平均值V,D,之比值表示为,22,电压脉动系数,S,n,定义：整流输出电压中最低次谐波幅值V,nm,与直流平均值V,D,之比S,n,=V,nm,/V,D,23,3.5.1,谐波和无功功率分析基础,1）谐波,对于非正弦波电压，满足狄里赫利条件，可分解为,傅里叶级数,：,正弦波电压可表示为：,式中,n=1,2,3,(3-55),式中U为电压有效值；,u,为初相角；,为角频率，,=2,f=2,/T；f为频率；T为周期。
24,n,次谐波电流含有率以,HRI,n,（,Harmonic Ratio for,I,n,）,表示,（,2-57,）,电流谐波总畸变率,THD,i,（,Total Harmonic distortion,）,定义为,（,2-58,）,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,或,式中，,c,n,、,n,和,a,n,、,b,n,的关系为,(3-56),3.5.1,谐波和无功功率分析基础,25,3.5.1,谐波和无功功率分析基础,2）功率因数,正弦电路中的情况,电路的,有功功率,就是其,平均功率,：,（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,sin,j,（,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,（,3-64,）,26,3.5.1,谐波和无功功率分析基础,非正弦电路中的情况,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 定义。
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非正弦电路的有功功率：,P=U I,1,cos,j,1,（,3-65,）,功率因数,为,。