三相桥式不可控整流电路ppt课件

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1、第第3章章 整流电路整流电路 3.1 单相可控整流电路单相可控整流电路 3.2 三相可控整流电路三相可控整流电路 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的影响 3.4 电容滤波的不可控整流电路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整流电路的谐波和功率因数 3.6 大功率可控整流电路大功率可控整流电路 3.7 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态 3.8 相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制 本章小结本章小结 引言引言整流电路（整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能早

2、的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。供给直流用电设备。 整流电路的分类整流电路的分类 按组成的器件可分为按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种。三种。 按电路结构可分为按电路结构可分为桥式桥式电路和电路和零式零式电路。电路。 按交流输入相数分为按交流输入相数分为单相单相电路和电路和多相多相电路电路。 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为单拍单拍电路和电路和双拍双拍电路。电路。3.1 单相可控整流电路单相可控整流电路 3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 3.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式

3、全控整流电路 3.1.3 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路 3.1.4 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路tTVTR0a)u1u2uVTudidt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图图3-1 单相半波可控整流电路及波形单相半波可控整流电路及波形带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况 变压器变压器T起变换电压和隔离的作起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用分别用u1和和u2表示，有效值分别用表示，有效值分别用U1和和U2表示，其中表示，其中U2的大小根据需

4、的大小根据需要的直流输出电压要的直流输出电压ud的平均值的平均值Ud确确定。定。 电阻负载的特点是电阻负载的特点是电压与电流电压与电流成正比，两者波形相同成正比，两者波形相同。 在分析整流电路工作时，认为在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为晶闸管（开关器件）为理想器件理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于零，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零，除晶闸管阻断时其漏电流等于零，除非特意研究晶闸管的开通、关断过非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。过程瞬时完成。 改变触发时刻，改变触发时刻，ud和和id波

5、形随之改变，直流输出电压波形随之改变，直流输出电压ud为极性不变为极性不变 但瞬时值变化的但瞬时值变化的脉动直流脉动直流，其波形只在，其波形只在u2正半周内出现，故称正半周内出现，故称“半半波波”整流。加之电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为整流。加之电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相单相，故该电路称为故该电路称为单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路。整流电压。整流电压ud波形在一个电源波形在一个电源周期中只脉动周期中只脉动1次次，故该电路为，故该电路为单脉波整流电路单脉波整流电路。基本数量关系基本数量关系 ：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：从晶闸管开始

6、承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。 ：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。 直流输出电压平均值直流输出电压平均值 随着随着 增大，增大，Ud减小，该电路中减小，该电路中VT的的 移相范围移相范围为为180 。 通过控制触发脉冲的通过控制触发脉冲的相位相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控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。制方式，简称相控方式。 3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路（3-1）3.1.1 单相

7、半波可控整流电路单相半波可控整流电路utttt20t1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +图图3-2 带阻感负载的单相半带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形波可控整流电路及其波形带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况 阻感负载的特点是阻感负载的特点是电感对电流变化有抗电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。 电路分析电路分析 晶闸管晶闸管VT处于断态处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。 在在 t1时刻，即触发角时刻，即触发角 处处 ud=u2。 L的存在使的存在使id不能突变不能突变，id从

8、从0开始增开始增加。加。 u2由正变负的过零点处，由正变负的过零点处，id已经处于减已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处仍处于通态于通态。 t2时刻，电感能量释放完毕，时刻，电感能量释放完毕，id降至降至零，零，VT关断并立即承受反压关断并立即承受反压。 由于电感的存在延迟了由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，的关断时刻，使使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值比其平均值Ud下降。下降。 3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路电力电子电路的一种基本分析电力电子电路的一种基本分析方法方法 把器件

9、理想化，将电路简化把器件理想化，将电路简化为为分段线性电路分段线性电路。 器件的每种状态组合对应一器件的每种状态组合对应一种种线性电路拓扑线性电路拓扑，器件通断状，器件通断状态变化时，电路拓扑发生改变。态变化时，电路拓扑发生改变。 以前述单相半波电路为例以前述单相半波电路为例 当当VT处于断态时，相当处于断态时，相当 于电路在于电路在VT处断开，处断开， id=0。当。当VT处于通时，处于通时， 相当于相当于VT短路。两种情短路。两种情 况的等效电路如图况的等效电路如图3-3所所 示。示。 图图3-3 单相半波可控整流电单相半波可控整流电路的分段线性等效电路路的分段线性等效电路 a) VT处于

10、关断状态处于关断状态 b) VT处于导通状态处于导通状态3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路VTb)RLu2VT处于通态时，如下方程成立：处于通态时，如下方程成立： 在在VT导通时刻，有导通时刻，有 t= ，id=0，这是式（这是式（3-2）的初）的初始条件。求解式（始条件。求解式（3-2）并将初始条件代入可得）并将初始条件代入可得式中，式中， ， 。由此式可得出图。由此式可得出图3-2e所示的所示的id波形。波形。当当 t= + 时，时，id=0，代入式（代入式（3-3）并整理得）并整理得 图图3-3 b) VT处于导通状态处于导通状态 (3-2)(3-3)(3-4)3.1.

11、1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 若若 为定值，为定值， 角大，角大， 越小。越小。 若若 为定值，为定值， 越大，越大， 越大越大 ，且，且 平均值平均值Ud越接近零。为解决上述矛越接近零。为解决上述矛 盾，在整流电路的负载两端并联一盾，在整流电路的负载两端并联一 个二极管，称为个二极管，称为续流二极管续流二极管，用，用 VDR表示。表示。有续流二极管的电路有续流二极管的电路 电路分析电路分析 u2正半周时，与没有续流二极管正半周时，与没有续流二极管 时的情况是一样的。时的情况是一样的。 当当u2过零变负时，过零变负时，VDR导通，导通，ud 为零，此时为负的为零，此时为负的u2

12、通过通过VDR向向VT 施加反压使其关断，施加反压使其关断，L储存的能量保储存的能量保 证了电流证了电流id在在L-R-VDR回路回路中流通，中流通， 此过程通常称为此过程通常称为续流续流。 若若L足够大，足够大，id连续连续，且，且id波形接波形接 近一条水平线近一条水平线 。u2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOOp-ap +ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图图3-4 单相半波带阻感负载有单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形续流二极管的电路及波形 基本数量关系基本数量关系 流过晶闸管的电流平均值流过晶闸管的电流平均值IdT和有效值和有效值IT分别为：分别为：

13、 续流二极管的电流平均值续流二极管的电流平均值IdDR和有效值和有效值IDR分别为分别为 其移相范围为其移相范围为180 ，其承受的最大正反向电压均为，其承受的最大正反向电压均为u2的峰值即的峰值即 。 续流二极管承受的电压为续流二极管承受的电压为-ud，其最大反向电压为其最大反向电压为 ，亦为，亦为u2的峰值。的峰值。 单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含单相半波可控整流电路的特点是简单，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分量，造成变压器铁芯直流磁化直流磁化。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，

14、增大了设备的容量。截面积，增大了设备的容量。 3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)3.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路u (i )pttt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图图3-5 单相全控桥式单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形带电阻负载时的电路及波形a)带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况 电路分析电路分析 闸管闸管VT1和和VT4组成一对桥臂，组成一对桥臂，VT2 和和VT3组成另一对桥臂。组成另一对桥臂。 在在u2正半周（即正半周（即a点电位高于点电位高于b点电位）点电位） 若若4个晶闸管均不

15、导通，个晶闸管均不导通，id=0,ud=0,VT1、VT4串联承受电压串联承受电压u2。 在触发角在触发角 处给处给VT1和和VT4加触发加触发 脉脉冲，冲，VT1和和VT4即导通，电流从电源即导通，电流从电源a端经端经VT1、R、VT4流回电源流回电源b端。端。 当当u2过零时，流经晶闸管的电流也降过零时，流经晶闸管的电流也降到零，到零，VT1和和VT4关断。关断。 在在u2负半周，仍在触发角负半周，仍在触发角 处触发处触发VT2和和VT3，VT2和和VT3导通，电流从电源导通，电流从电源b端流出，经端流出，经VT3、R、VT2流回电源流回电源a端。端。 到到u2过零时，电流又降为零，过零时

16、，电流又降为零，VT2和和VT3关断。关断。 VT2和和VT3的的 =0处为处为 t= 基本数量关系基本数量关系 晶闸管承受的最大晶闸管承受的最大正向电压正向电压和和反向电压反向电压分别为分别为 和和 。 整流电压平均值为：整流电压平均值为： =0时，时，Ud= Ud0=0.9U2。=180 时，时，Ud=0。可见，可见，角的角的移相范围移相范围为为180 。 向负载输出的直流电流平均值为：向负载输出的直流电流平均值为： 3.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(3-9)(3-10)流过晶闸管的电流平均值流过晶闸管的电流平均值 ： 流过晶闸管的电流有效值为：流过晶闸管的电流有效值为

17、： 变压器二次侧电流有效值变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值与输出直流电流有效值I相等，相等，为为 由式（由式（3-12）和（）和（3-13）可见：）可见：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。3.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(3-11)(3-12)(3-13)(3-14)3.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路2OtOtOtudidi2OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u图图3-6 单相桥式全控整流电流带单相桥式全控整流电流带阻感负载时的电路及波形阻感负载

18、时的电路及波形带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况 电路分析电路分析 在在u2正半周期正半周期 触发角触发角 处给晶闸管处给晶闸管VT1和和VT4加加触发脉冲使其开通，触发脉冲使其开通，ud=u2。 负载电感很大，负载电感很大，id不能突变且波不能突变且波形近似为一条水平线。形近似为一条水平线。 u2过零变负时，由于电感的作用过零变负时，由于电感的作用晶闸管晶闸管VT1和和VT4中仍流过电流中仍流过电流id，并不并不关断。关断。 t= + 时刻，触发时刻，触发VT2和和VT3，VT2和和VT3导通，导通，u2通过通过VT2和和VT3分别分别向向VT1和和VT4施加反压使施加反压使VT1和和

19、VT4关断，关断，流过流过VT1和和VT4的电流迅速转移到的电流迅速转移到VT2和和VT3上，此过程称为上，此过程称为换相换相，亦称，亦称换流换流。 3.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路基本数量关系基本数量关系 整流电压平均值为：整流电压平均值为： 当当 =0时，时，Ud0=0.9U2。 =90 时，时，Ud=0。晶闸管晶闸管移相范移相范围围为为90 。 晶闸管承受的最大晶闸管承受的最大正反向电压正反向电压均为均为 。 晶闸管导通角晶闸管导通角 与与 无关，均为无关，均为180 ，其电流平均值和，其电流平均值和有效值分别为：有效值分别为： 和和 。 变压器二次侧电流变压器二次侧

20、电流i2的波形为正负各的波形为正负各180 的矩形波，其的矩形波，其相位由相位由 角决定，有效值角决定，有效值I2=Id。 (3-15)带反电动势负载时的工作情况带反电动势负载时的工作情况 当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。 电路分析电路分析 |u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。 晶闸管导通之后，晶闸管导通之后，ud=u2， ，直至直至|u2

21、|=E，id即降至即降至0使得晶闸管使得晶闸管关断，此后关断，此后ud=E。 与电阻负载时相比，晶闸管提前了与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度电角度 停止导电，停止导电， 称为称为停止导电角停止导电角。 当当 30 当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，此时输出电压电流为零。触发而不导通，此时输出电压电流为零。 负载电流负载电流断续断续，各晶闸管导通角，各晶闸管导通角小于小于120 。 3.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路基本数量关系基本数量关系电阻负载时电阻负载时 角的角

22、的移相范围移相范围为为150 。 整流电压平均值整流电压平均值 30 时，负载电流时，负载电流连续连续，有，有 当当 =0时，时，Ud最大，为最大，为Ud=Ud0=1.17U2。 30 时，负载电流时，负载电流断续断续，晶闸管导通角减小，此时，晶闸管导通角减小，此时有有 (3-18)(3-19)3.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路Ud/U2随随 变化的规律变化的规律 图图3-16 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路Ud/U2与与 的关系的关系电阻电阻负载负载电感电感负载负载电阻电电阻电感负载感负载3.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路负载电流平均值为负载电流

23、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晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值,即即 晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于变压器二次相电压的晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于变压器二次相电压的峰值，即峰值，即 (3-20)(3-21)(3-22)3.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路阻感负载阻感负载 电路分析电路分析 L值很大，整流电流值很大，整流电流id的的波形基本是平直的，流过晶波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近闸管的电流接近矩形波矩形波。 30 时，整流电压波时，整流电压波形与电阻负载时相同。形与电阻负载时相同。 30 时，当时，当u2过零过零时，由于电

24、感的存在，阻止时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而电流下降，因而VT1继续导继续导通，直到下一相晶闸管通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换的触发脉冲到来，才发生换流，由流，由VT2导通向负载供电，导通向负载供电，同时向同时向VT1施加反压使其关施加反压使其关断。断。 uuuudiaabcibiciduacOtOtOOtOOtattu图图3-17 三相半波可控整流电路，阻三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及感负载时的电路及 =60 时的波形时的波形3.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路基本数量关系基本数量关系 的的移相范围移相范围为为90 。 整流电压平均值整流

25、电压平均值 Ud/U2与与 的关系的关系 L很大，如曲线很大，如曲线2所示。所示。 L不是很大，则当不是很大，则当 30 后，后，ud中负的部分中负的部分可能减少，整流电压平均可能减少，整流电压平均值值Ud略为增加，如曲线略为增加，如曲线3 所示。所示。图图3-16 三相半波可控整三相半波可控整流电路流电路Ud/U2与与 的关系的关系3.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为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值，晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值

26、，即即 三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有中含有直流分量直流分量，为此其应用较少。，为此其应用较少。(3-23)(3-24)(3-25)3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路原理图原理图 阴极连接在一起的阴极连接在一起的3个个晶闸管（晶闸管（VT1，VT3，VT5）称为称为共阴极组共阴极组；阳极连接在；阳极连接在一起的一起的3个晶闸管（个晶闸管（VT4，VT6，VT2）称为称为共阳极组共阳极组。 共阴极组中与共阴极组中与a，b，c三相电源相接的三相电源相接的3个晶闸管个晶闸管分别为分别为VT1，VT3，VT5

27、，共共阳极组中与阳极组中与a，b，c三相电三相电源相接的源相接的3个晶闸管分别为个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2。 晶闸管的导通顺序为晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。 图图3-18 三相桥式全控整流电路原理图三相桥式全控整流电路原理图3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路带电阻负载时的工作情况带电阻负载时的工作情况 电路分析电路分析 各自然换相点既是各自然换相点既是相电压相电压的交点，同时也是的交点，同时也是线电压线电压的交点。的交点。 当当 60 时时 ud波形均波形均连续连续，对于电阻负载，对于电阻负载，id波形与波形与ud波形的形状是一

28、样的，波形的形状是一样的，也也连续连续。 =0 时，时，ud为线电压在正半周的为线电压在正半周的包络线包络线。波形见。波形见图图3-19 时段时段共阴极组中导通的晶闸管共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb表表3-1 三相桥式全控整流电路电阻负载三相桥式全控整流电路电阻负载 =0 时晶闸管工作情况时晶闸管工作情况3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电

29、路 =30 时，晶闸管起始导通时刻推迟了时，晶闸管起始导通时刻推迟了30 ，组成，组成ud的的每一段线电压因此推迟每一段线电压因此推迟30 ，ud平均值降低，波形见平均值降低，波形见图图3-20。 =60 时，时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。平均值继续降低。 =60 时时ud出现了出现了为零的点为零的点，波形见，波形见图图3-21。当当 60 时时 因为因为id与与ud一致，一旦一致，一旦ud降为至零，降为至零，id也降至零，晶闸管也降至零，晶闸管关断，输出整流电压关断，输出整流电压ud为零为零，ud波形不能出现负值。波形不能出现

30、负值。 =90 时的波形见时的波形见图图3-22。 3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路的一些特点三相桥式全控整流电路的一些特点 每个时刻均需每个时刻均需2个个晶闸管同时导通，形成向负载供电的晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的回路，共阴极组的和共阳极组的各各1个个，且不能为同一相，且不能为同一相的晶闸管。的晶闸管。 对触发脉冲的要求对触发脉冲的要求 6个晶闸管的脉冲按个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，的顺序，相位依次差相位依次差60 。 共阴极组共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差的脉冲依次

31、差120 ，共阳极，共阳极组组VT4、VT6、VT2也依次差也依次差120 。 同一相的上下两个桥臂，即同一相的上下两个桥臂，即VT1与与VT4，VT3与与VT6，VT5与与VT2，脉冲相差脉冲相差180 。3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路整流输出电压整流输出电压ud一周期一周期脉动脉动6次次，每次脉动的波形都一样，每次脉动的波形都一样，故该电路为故该电路为6脉波整流电路脉波整流电路。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲个晶闸管均有脉冲 宽脉

32、冲宽脉冲触发触发 ：使脉冲宽度大于：使脉冲宽度大于60 （一般取（一般取80 100 ） 双脉冲双脉冲触发触发 ：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差前沿相差60 ，脉宽一般为，脉宽一般为20 30 。 常用的是双脉冲触发。常用的是双脉冲触发。 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最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、反向电压的关系也一样。大正、反向电压的关系也一样。3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况 电路分析电路分析 当当 60 时时 ud波形连续，电路的工

33、作情况与带电阻负载时十分波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。管承受的电压波形等都一样。 区别在于区别在于电流电流，当电感足够大的时候，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的的波形在导通段都可近似为一条水平线。波形在导通段都可近似为一条水平线。 =0 时的波形见时的波形见图图3-23， =30 时的波形见时的波形见图图3-24。 当当 60 时时 由于电感由于电感L的作用，的作用，ud波形会出现波形会出现负的部分负的部分。 =90 时的波形见时的波形见图图3-25

34、。 3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路基本数量关系基本数量关系 带电阻负载时三相桥式全控整流电路带电阻负载时三相桥式全控整流电路 角的移相范围是角的移相范围是120 ，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的 角移相角移相范围为范围为90 。 整流输出电压平均值整流输出电压平均值 带阻感负载时，或带电阻负载带阻感负载时，或带电阻负载 60 时时 带电阻负载且带电阻负载且 60 时时 (3-26)(3-27)3.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路输出电流平均值为输出电流平均值为Id=Ud/R。当整流变压器为图当整流变压器为图3-1

35、7中所示采用中所示采用星形接法星形接法，带阻感负载，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如时，变压器二次侧电流波形如图图3-23中所示，为正负半周中所示，为正负半周各宽各宽120 、前沿相差、前沿相差180 的矩形波，其有效值为：的矩形波，其有效值为： 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。三相桥式全控整流电路接三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载反电势阻感负载时的时的Id为：为： 式中式中R和和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。分别为负载中的电阻值和反电动势的值。 (3-28)(3-29)3.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整

36、流电路的影响变压器漏感变压器漏感 实际上变压器绕组总有实际上变压器绕组总有漏感漏感，该漏感可用一个，该漏感可用一个集中的电感集中的电感LB表示，并将其折算到表示，并将其折算到变压器二次侧变压器二次侧。 由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此不能突变，因此换相换相过程不能瞬间完成，而是会过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间持续一段时间。 现以三相半波为例来分析，然后将其结论推广现以三相半波为例来分析，然后将其结论推广 假设负载中电感很大，假设负载中电感很大，负载电流为水平线负载电流为水平线。 3.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整

37、流电路的影响udidtOtOgiciaibiciaIduaubuca分析从分析从VT1换相至换相至VT2的过程的过程 在在 t1时刻之前时刻之前VT1导通，导通， t1时刻触发时刻触发VT2，因，因a、b两相两相均有漏感，故均有漏感，故ia、ib均不能突变，均不能突变，于是于是VT1和和VT2同时导通，相当同时导通，相当于将于将a、b两相短路两相短路，两相间电，两相间电压差为压差为ub-ua，它在两相组成的它在两相组成的回路中产生回路中产生环流环流ik如图所示。如图所示。 ik=ib是逐渐增大的，而是逐渐增大的，而 ia=Id-ik是逐渐减小的。是逐渐减小的。 当当ik增大到等于增大到等于Id

38、时，时，ia=0，VT1关断，换流过程结束。关断，换流过程结束。 换相过程持续的时间用电换相过程持续的时间用电角度角度 表示，称为表示，称为换相重叠角换相重叠角。 t1时刻时刻 图图3-26 考虑变压器漏感时的三考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形相半波可控整流电路及波形 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的影响基本数量关系基本数量关系 换相过程中，整流输出电压瞬时值为换相过程中，整流输出电压瞬时值为 换相压降：与不考虑变压器漏感时相比，换相压降：与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低平均值降低的多少，即的多少，即 (3-30)(3-31)3.3 变压器漏感对整流

39、电路的影响变压器漏感对整流电路的影响换相重叠角换相重叠角 由式（由式（3-30）得出：）得出： 由上式得：由上式得： 进而得出：进而得出： 当当 时，时， ，于是，于是 (3-32)(3-33)(3-34)(3-35)(3-36)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的影响 随其它参数变化的规律：随其它参数变化的规律： Id越大则越大则 越大；越大； XB越大越大 越大；越大； 当当 90 时，时， 越小越小 越大。越大。其它整流电路的分析结果其它整流电路的分析结果 电路形式电路形式单相全波单相全波单相全控桥单相全控桥三相半波三相半波三相全控桥三相全控桥m脉波整流电路脉波整流电

40、路 注：注：单相全控桥电路中，单相全控桥电路中，XB在一周期的两次换相中都起作用，等效为在一周期的两次换相中都起作用，等效为m=4； 三相桥等效为相电压等于三相桥等效为相电压等于 的的6脉波整流电路，故其脉波整流电路，故其m=6，相电压按相电压按 代入。代入。表表3-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算 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的影响变压器漏感对整流电路影响的一些结论变压器漏感对整流电路影响的一些结论: 出现换相重叠角出现换相重叠角 ，整流输出电压平均值，整流输出电压平均值Ud降低。降低。 整流电路的工作状态增多。整流电

41、路的工作状态增多。 晶闸管的晶闸管的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，可能使晶闸管误导可能使晶闸管误导 通，为此必须加通，为此必须加吸收电路吸收电路。 换相使电网电压出现缺口，成为换相使电网电压出现缺口，成为干扰源干扰源。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的影响例：三相桥式不可控整流电路，阻感负载，例：三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5，L=，U2=220V，XB=0.

42、3，求，求Ud、Id、IVD、I2和和 的值并作出的值并作出ud、iVD和和i2的波形。的波形。解：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路解：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路 0时的情况。时的情况。 Ud2.34U2cos Ud Ud3XBId IdUdR 解方程组得：解方程组得： Ud2.34U2cos （13XB/ R）486.9（V） Id97.38（A） 又又 =2 U2 即得出即得出 =0.892 换流重叠角换流重叠角 26.93 二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为 IVDId397.38333.46（A）

43、I2a Id79.51（A） ud、iVD1和和i2a的波形如的波形如图图3-27所示。所示。3.4 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路 3.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路 3.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路 3.4 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路引引言言交交直直交变频器、不间断电源、开关电源交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合大都采用等应用场合大都采用不可控整流电路不可控整流电路。最常用的是最常用的是单相桥式单相桥式和和三相桥式三相桥式两种接法。两种接法。 由于电路中的电力电子器件采用由于

44、电路中的电力电子器件采用整流二极管整流二极管，故也称这类电路为故也称这类电路为二极管整流电路二极管整流电路。3.4.1 电容滤波的单相不可控整流电电容滤波的单相不可控整流电路路工作原理及波形分析工作原理及波形分析 基本工作过程基本工作过程 在在u2正半周过零点至正半周过零点至 t=0期间，因期间，因u2 和和 RC 分别是电流分别是电流id断续和连续的条件。断续和连续的条件。 通常只有通常只有R是可变的，它的大小反映了是可变的，它的大小反映了负载的轻重负载的轻重，因此在，因此在轻载轻载时直流侧获时直流侧获得的充电电流是得的充电电流是断续断续的，的，重载重载时是时是连续连续的。的。 a)b)tt

45、ttaidaidOOOO图图3-33电容滤波的三相桥电容滤波的三相桥式整流电路当式整流电路当 RC等于和等于和小于时小于时 的电流波形的电流波形a） RC= b） RC(3-50)3.4.2 电容滤波的三相不可控整流电电容滤波的三相不可控整流电路路b)c)iaiaOO t t考虑电感考虑电感 实际电路中存在实际电路中存在交流侧电感交流侧电感以及为以及为抑制冲击电流抑制冲击电流而串联的而串联的电感电感。 有电感时，电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。有电感时，电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。 随着随着负载的加重负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐，电流

46、波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。接近。 图图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）电路原理图电路原理图 b）轻载时的交流侧电流波形轻载时的交流侧电流波形 c）重载时的交流侧电流波形重载时的交流侧电流波形主要数量关系主要数量关系 输出电压平均值输出电压平均值 Ud在（在（2.34U2 2.45U2）之间变化。之间变化。 电流平均值电流平均值 输出电流平均值输出电流平均值IR为：为： IR=Ud/R 电容电流电容电流iC平均值为零平均值为零，因此：，因此： Id=IR 二极管电流平均值为二极管电流平均值为Id的的1/3，即，

47、即 ID=Id/3=IR/3 二极管承受的电压二极管承受的电压 为为线电压线电压的峰值，为的峰值，为 。3.4.2 电容滤波的三相不可控整流电电容滤波的三相不可控整流电路路(3-51)(3-52)(3-53)3.5 整流电路的谐波和功率因数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谐波和无功功率分析基础3.5.2 带带阻阻感感负负载载时时可可控控整整流流电电路路交交流流侧侧谐谐 波和功率因数分析波和功率因数分析3.5.3 电电容容滤滤波波的的不不可可控控整整流流电电路路交交流流侧侧谐谐波和功率因数分析波和功率因数分析3.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐

48、波分析 3.5 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数引引言言随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波谐波(harmonics)和和无功无功(reactive power)问题日益严重，问题日益严重，引起了关注。引起了关注。无功的危害无功的危害 导致设备容量增加。导致设备容量增加。 使设备和线路的损耗增加。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。线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害谐波的危害 降低发电、输电及用电设备的效率。降低发电、输电及用电设备的效率。 影响用电设备的正常工作。

49、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。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。导致继电保护和自动装置的误动作。 对通信系统造成干扰。对通信系统造成干扰。 谐波谐波 正弦波正弦波电压可表示为电压可表示为 式中式中U为电压有效值；为电压有效值； u为初相角；为初相角； 为角频率，为角频率， =2 f=2 /T；f为频率；为频率； T为周期。为周期。 非正弦非正弦电压电压u( t)分解为如下形式的傅里叶级数分解为如下形式的傅里叶级数 3.5.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础式中式中n=1, 2, 3(3-54)(3-5

50、5)3.5.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础或或式中，式中，cn、 n和和an、bn的关系为的关系为基波（基波（fundamental）：频率与工频相同的分量。频率与工频相同的分量。 谐波谐波：频率为基波频率大于：频率为基波频率大于1整数倍的分量。整数倍的分量。 谐波次数谐波次数：谐波频率和基波频率的整数比。：谐波频率和基波频率的整数比。 n次谐波电流含有率以次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示表示 电流谐波总畸变率电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）分别定义为（分别定义为（Ih为总为总谐波电流有

51、效值）谐波电流有效值） (3-56)(3-57)(3-58)3.5.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础功率因数功率因数 正弦电路正弦电路 有功功率就是其平均功率：有功功率就是其平均功率： 式中式中U、I分别为电压和电流的有效值，分别为电压和电流的有效值， 为电流滞后于电压的相位差。为电流滞后于电压的相位差。视在功率为：视在功率为： S=UI 无功功率为：无功功率为： Q=UIsin 功率因数为：功率因数为： 无功功率无功功率Q与有功功率与有功功率P、视在功率视在功率S之间的关系：之间的关系： 在正弦电路中，功率因数是由电压和电流的相位差在正弦电路中，功率因数是由电压和电流的相位差

52、 决定的，其值为：决定的，其值为： =cos (3-59)(3-60)(3-61)(3-62)(3-63)(3-64)3.5.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础非正弦电路非正弦电路 有功功率为有功功率为功率因数为：功率因数为：式中式中I1为基波电流有效值，为基波电流有效值， 1为基波电流与电压的相位差。为基波电流与电压的相位差。式中，式中， =I1/I，即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数基波因数，而而cos 1称为称为位移因数位移因数或或基波功率因数基波功率因数。 无功功率无功功率 定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义

53、。定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。 一般简单定义为（反映了能量的流动和交换）：一般简单定义为（反映了能量的流动和交换）： 仿照式（仿照式（2-61）定义为：）定义为： 畸变功率畸变功率D为：为：(3-65)(3-66)(3-67)(3-68)(3-71)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带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析析单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 电流波形如图电流波形如图3-6所示，将电流波形分解为傅里叶级数，可得所示，将电流波形分解为傅里叶级数，可得 其中基波和各次谐波有效值为其中基波和各次谐波有效值为 n=1,3,5, 可

54、见，电流中仅含可见，电流中仅含奇次谐波奇次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基，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。波有效值的比值为谐波次数的倒数。 图图3-6 i2的波形的波形(3-72)(3-73)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带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析析功率因数功率因数 基波电流有效值为基波电流有效值为i2的有效值的有效值I=Id，可得基波因数为可得基波因数为 电流基波与电压的相位差就等于电流基波与电压的相位差就等于控制角控制角 ，故位移因数为，故位移因数为 功率因数为功率因数为(3-74)(3-

55、75)(3-76)(3-77)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带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析析图图3-24 ia的波形的波形三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 以以 =30 为例，电流有效值为为例，电流有效值为 电流波形分解为傅立叶级数电流波形分解为傅立叶级数 (3-78)(3-79)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带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析析由式（由式（3-79）可得电流基波和各次谐波有效值分别为）可得电流基波和各次谐波有效值分别为结论：电流中仅含结论：电流中仅含6k 1（k为正整数）次谐波为正

56、整数）次谐波，各次谐波有效值与谐波次，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。数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 功率因数功率因数基波因数为基波因数为电流基波与电压的相位差仍为电流基波与电压的相位差仍为 ，故位移因数仍为，故位移因数仍为 功率因数为功率因数为(3-80)(3-81)(3-82)(3-83)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电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析析单相桥式不可控整流电路单相桥式不可控整流电路 采用采用感容滤波感容滤波。 电容滤波的单相不可控整流电路交流侧谐波组成有如下电容滤波的单相不可控

57、整流电路交流侧谐波组成有如下规律：规律： 谐波次数为谐波次数为奇次奇次。 谐波次数越高，谐波谐波次数越高，谐波幅值幅值越小。越小。 谐波与基波的关系是不固定的。谐波与基波的关系是不固定的。 越大，则谐波越小。越大，则谐波越小。 关于功率因数的结论如下：关于功率因数的结论如下： 位移因数接近位移因数接近1，轻载轻载超前，超前，重载重载滞后。滞后。 谐波大小受谐波大小受负载负载和和滤波电感滤波电感的影响。的影响。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电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析析三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路 有滤波电感。有滤波电感。 交流侧谐

58、波组成有如下规律：交流侧谐波组成有如下规律： 谐波次数为谐波次数为6k1次次，k =1，2，3。 谐波次数越高，谐波谐波次数越高，谐波幅值幅值越小。越小。 谐波与基波的关系是不固定的。谐波与基波的关系是不固定的。 关于功率因数的结论如下：关于功率因数的结论如下： 位移因数通常是位移因数通常是滞后滞后的的,但与单相时相比但与单相时相比,位位移因数更接近移因数更接近1。 随随负载负载加重（加重（ RC的减小），总的功率因数的减小），总的功率因数提高；同时，随提高；同时，随滤波电感滤波电感加大，总功率因数也提加大，总功率因数也提高。高。3.5.4 整流输出电压和电流的谐波分整流输出电压和电流的谐波分

59、析析图图3-35 =0 时，时，m脉波整流电路的整流电压波形脉波整流电路的整流电压波形整流电路的输出电压是周期性的非正弦函数，其中主要成分为直流，同时包整流电路的输出电压是周期性的非正弦函数，其中主要成分为直流，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。含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。 =0 时，时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析 整流电压表达式为整流电压表达式为(3-84)3.5.4 整流输出电压和电流的谐波分整流输出电压和电流的谐波分析析对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出：对该整流输出电压进行傅里

60、叶级数分解，得出：式中，式中，k=1，2，3；且：且：电压纹波因数电压纹波因数 其中其中(3-85)(3-86)(3-87)(3-88)(3-89)3.5.4 整流输出电压和电流的谐波分整流输出电压和电流的谐波分析析m23612 u（%） 48.218.274.180.9940将上述式（将上述式（3-89）、（）、（3-90）和（）和（3-86）代入（）代入（3-88）得）得 表表3-3 不同脉波数不同脉波数m时的电压纹波因数值时的电压纹波因数值(3-90)(3-91)3.5.4 整流输出电压和电流的谐波分整流输出电压和电流的谐波分析析负载电流的傅里叶级数负载电流的傅里叶级数 上式中：上式中：

61、 (3-92)(3-93)(3-94)(3-95)3.5.4 整流输出电压和电流的谐波分整流输出电压和电流的谐波分析析 =0 时整流电压、电流中的谐波有如下规律：时整流电压、电流中的谐波有如下规律： m脉波整流电压脉波整流电压ud0的的谐波次数谐波次数为为mk（k=1，2，3.）次，即次，即m的倍数次；的倍数次；整流电流整流电流的谐波由整的谐波由整流电压的谐波决定，也为流电压的谐波决定，也为mk次。次。 当当m一定时，随一定时，随谐波次数谐波次数增大，谐波增大，谐波幅值幅值迅速迅速减小，表明最低次（减小，表明最低次（m次）谐波是最主要的，其次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载中有

62、它次数的谐波相对较少；当负载中有电感电感时，负时，负载电流谐波幅值载电流谐波幅值dn的减小更为迅速。的减小更为迅速。 m增加时，增加时，最低次谐波次数最低次谐波次数增大，且增大，且幅值幅值迅速迅速减小，减小，电压纹波因数电压纹波因数迅速下降。迅速下降。 3.5.4 整流输出电压和电流的谐波分整流输出电压和电流的谐波分析析 不为不为0 时的情况时的情况 整流电压分解为傅里叶级数为：整流电压分解为傅里叶级数为： 以以n为参变量，为参变量，n次谐波幅值对次谐波幅值对 的关系如的关系如图图3-36所示：所示： 当当 从从0 90 变化时，变化时，ud的谐波幅的谐波幅 值随值随 增大而增大，增大而增大， =90 时谐波时谐波 幅值最大幅值最大。 从从90 180 之间电路工作于有源之间电路工作于有源 逆变工作状态，逆变工作状态，ud的谐波幅值随的谐波幅值随 增大而减小。增大而减小。 图图3-36 三相全控桥电流连续时，以三相全控桥电流连续时，以n为参变量的为参变量的 与与 的关系的关系(3-96)