电力电子学_第2章 整流电路

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1、Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:整流电路整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。整流电路的分类整流电路的分类：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。按电路结构可分为桥式电路桥式电路和零式电路零式电路。按

2、交流输入相数分为单相电路单相电路和多相电路多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路单拍电路和双拍电路双拍电路。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:2.1 单相可控整流电路Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:2.1.1 单相半波可控整流电路 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)1 1）带电阻负

3、载的工作情况）带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:基本数量关系基本数量关系 首先，引入两个重要的基本概念：触发延迟角触发延迟角：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,也称触发角或控制角。导通角导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示。

4、直流输出电压平均值为paaapwwp2cos145.0)cos1(22)(sin221222dUUttdUU(2-1)VT的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相位控制方式，简称相控方式相控方式。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:2)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阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。wttwwtwtwu20wt1p2 ptu

5、g0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+图2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路。a)b)VTRLVTRLu2u2图2-3 单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态 b)VT处于导通状态 Power

6、Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:当VT处于通态时，如下方程成立：tURitiLwsin2dd2dd（2-2）初始条件：t=a，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得)sin(2)sin(22)(2djwjaawwtZUeZUitLR（2-3）22)(LRZwRLwjarctan其中 ，当t=+a 时，id=0，代入式（2-3）并整理得 )sin()sin(tanjaqjajqe（2-4）VTb)RLu2b)VT处于导通状态Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校

7、区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:续流二极管续流二极管当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续流。数量关系数量关系(id近似恒为Id）ddVT2IIpap（2-5）d2dVT2)(21ItdIIpapwppa（2-6）ddVDRIIpap2（2-7）d22dVD2)(21RItdIIpapwpapp（2-8）u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图2-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 P

8、ower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:单相半波可控整流电路的特点单相半波可控整流电路的特点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。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。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:2.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge

9、Controlled Rectifier)1)带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况电路结构电路结构工作原理及波形分析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。u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图2-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:数量关系数量关系paaa

10、pwwp2cos19.02cos122)(dsin21222dUUttUU（2-9）a 角的移相范围为180。向负载输出的平均电流值为：2cos19.02cos12222ddaapRURURUI(2-11)流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTaRUII（2-10）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:流过晶闸管的电流有效值：papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTR

11、UttRUI（2-12）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：papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（2-13）由式（2-12）和式（2-13）得：II21VT（2-14）不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:2）带阻感负载的工作情况）带阻感负载的工作情况 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

12、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=+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，此过程称换相换相，亦称换流换流。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图2-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: 数量关系数量关系apaaapwwpc

13、os9.0cos22)(dsin21222dUUttUU（2-15）晶闸管移相范围为90。晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22U晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：ddT21IIddT707.021III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。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:3）带反电动势负载时的工作情况在|u2

14、|E时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。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。REuidd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，212sinUE（2-16）在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。b)idOEudwtIdOwtaq图2-7 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形 Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:如图2-7b所示id波形所示：ub)idOEdwtIdOwtq电流断续电流断续电流连电流连续续

15、图2-7b 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻电阻负载时的波形 当 30 的情况（的情况（图2-14）特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120。b)c)d)e)f)u2uaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)RPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:aapwwpapapcos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU（2-18）当a=0时，Ud最大，为 。2d0d17.1UUU)6cos(1675.0)6cos(

16、1223)(sin2321262dapappwwppapUttdUU(2-19)整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算a30时，负载电流连续，有：a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:Ud/U2随a变化的规律如图2-15中的曲线1所示。03060901201500.40.81.21.17321a/()Ud/U2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Power Electronics河海大学常州校

17、区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: 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RUIdd（2-20）222RM45.2632UUUU（2-21）22UUFM（2-22）负载电流平均值为Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:图2-16 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a=60时的波形特点：阻感负载，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（

18、如a=60时的波形如图2-16所示）。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。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt2）阻感负载）阻感负载Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:由于负载电流连续，Ud可由式（2-18）求出，即2d0d17.1UUUUd/U2与a成余弦关系，如图2-15中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，

19、Ud/U2与a的关系将介于曲线1和2之间，曲线3给出了这种情况的一个例子。03060901201500.40.81.21.17321a/()Ud/U2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电阻电感负载数量关系数量关系Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: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三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。ddVT2577.031IIII（2-23）dVTVT(AV)368.

20、057.1III（2-24）2RMFM45.2UUU（2-25）变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:共阳极组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：VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6共阴极组共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）三相桥是应用最为广泛的整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路2.2.2 三相桥式全控整流电路Power Electronics河海大学常州校区

21、计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: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 波形图：a=0 （图218）a=30（图219）a=60（图220）当a60 时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值 波形图：a=90（图221）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是1201）带电阻负载时的工作情况）带电阻负载时的工作情况Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:晶闸管及输出整流电压的情况如表21所示时

22、段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 请参照图218Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: 三相桥式全控整流电路的特点特点（1）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。按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极

23、组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差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。（2）对触发脉冲的要求：Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:（3）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。（4）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）(5）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

24、控整流电路的特点特点Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:a60 时时（a=0 图222；a=30 图223）ud波形连续，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ud波形 晶闸管承受的电压波形 2)阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况主要包括a 60 时（时（a=90图224）阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。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。区别在于：得到的负载电流id波

25、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。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: 3)定量分析定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60 时）的平均值为：带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为：Id=Ud/Rawwpapapcos34.2)(sin63123232dUttdUU（2-26）)3cos(134.2)(sin63232dapwwppapUttdUU（2-27）Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常

26、州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:当整流变压器为图2-17中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-23中所示，其有效值为：ddddIIIII816.03232)(3221222ppp（2-28）晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。接反电势阻感负载时，在负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同。仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：REUIdd（2-29）式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信

27、学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: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。考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示。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。udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca考虑变压器漏感时的三相半波整流电路及波形Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海

28、大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: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。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，该漏感可用一个集中的电感LB表示。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。udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca考虑变压器漏感时的三相半波整流电路及波形Power Ele

29、ctronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:换相重叠角换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度g 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相比，ud平均值降低的多少。2ddddbakBbkBaduutiLutiLuu（2-30）dB0B6565B6565Bbb6565dbd23d23)(ddd23)(d)dd(23)(d)(3/21IXiLttiLttiLuutuuUIpwpwpwpwppgapapgapapgapadkkk（2-31）Power Elect

30、ronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:换相重叠角g g的计算B2Bab2)65sin(62)(ddLtULuutipwk由上式得：)65sin(26ddB2pwwtXUtik进而得出：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2pwawpwwpatXUttXUitk（2-32）（2-33）（2-34）Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:由上述推导过程，已经求得：)65cos(cos26)(d)65sin(26B2

31、65B2pwawpwwpatXUttXUitk 当 时，于是65pgawtdkIig g 随其它参数变化的规律：（1）Id越大则g g 越大；（2）XB越大g g 越大；（3）当a a90 时，a a 越小g g 越大。)cos(cos26B2dgaaXUI（2-35）2dB62)cos(cosUIXgaa（2-36）Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: 变压器漏抗对各种整流电路的影响变压器漏抗对各种整流电路的影响 dUdBIXpdB2IXpdB23IXpdB3IXpdB2ImXp)cos(cosg

32、aa2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22Bd电路形式单相全波单相全控桥三相半波三相全控桥m脉波整流电路 表2-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算23U23U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。23U23UPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: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g g，整流输出电

33、压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多。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。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:2.4 电容滤波的不可控整流电路Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:2.4 电容滤波的不可控整流电路在交直交变

34、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。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:2.4.1电容滤波的单相不可控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）工作原理及波形分析工作原理及波形分析图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)波形基本工作过程基本工作过程：在u2正半周过零点至w wt=0期间，因u2ud，故二极管均

35、不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至w 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。b)0iudqp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRudPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:2)主要的数量关系主要的数量关系 输出电压平均值输出电压平均值 电流平均值电流平均值 输出电流平均值IR为：IR=Ud/R Id=IR 二极管电流iD平均值为：ID=Id/2=IR/2 二极管承受的电压二极管承受的电压

36、（2-47）（2-48）（2-49）22U空载时，。重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，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：Ud1.2 U2。2d2UU2/)53(TRC（2-46）Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail: 感容滤波的二极管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。ud波形更平直，电流i2的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的。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)b)u

37、2udi20qpwti2,u2,udPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:1）基本原理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，ud按指数规律下降。图2-30 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0qwtpp3wtPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系电力电子技术电力电子技术E-mail:32=+t)-32(

38、-tRC1232=+t2t)(d32sin6d)(d)+tsin(6dpwpwwpwwpwqweUtU 电流id 断续和连续的临界条件临界条件w wRC=33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 wC。32.4.2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wt+d=2p/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有图2-31电容滤波的三相桥式整流电路当w wRC等于和小于 时的电流波形 a）w wRC=b）w wRCua，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。可导出Lp两端电压、整流输

39、出电压的数学表达式如下：1twwupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaububPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系82原理分析原理分析(续续)：图2-37 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图2-38 平衡电抗器作用下两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。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。21

40、dduu0puwupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaububPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系83由上述分析可得：图2-37 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，其输出的整流电压瞬时值为两组三相半波整流电压瞬时值的平均值。波形如图2-37 a。)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuu（2-98）谐波分析分析详见P75-P76。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：2017.1UUdu,uwu

41、pd1d2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaububPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系84a a=30、a a=60 和和a a=90 时输出电压的波形分析时输出电压的波形分析图2-39 当a a=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（2-98）做出波形(ud1+ud2)/2。输出电压波形与三相半波电路比较，脉动程 度 减 小 了，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。9

42、0a。60a。30audududwtOwtOwtOuaubucucuaububucucuaububucucuaubPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系85整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为:Ud=1.17 U2 cos a a 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是单相桥的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。Power Electronic

43、s河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系862.6.2 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。目标：移项多重联结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。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系871)移相多重联结移相多重联结图2-40 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

44、提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。使用平衡电抗器平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。2个三相桥并联而成的12脉波整流脉波整流电路电路。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系88移相移相30 构成的串联构成的串联2重联结电路重联结电路图2-41 移相30串联2重联结电路 图2-42 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0a)b)c)d)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33I

45、dId323(1+)Id323(1+)Id33Id13Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系89iA基波幅值Im1和n次谐波幅值Imn分别如下：)32(34dd1IIImpp单桥时为（2-103）（2-104）,3,2,1,112341dkknInImnp即输入电流谐波次数为12k1，其幅值与次数成反比而降低。该电路的其他特性如下：直流输出电压 位移因数 cosj j1 1=cosa a （单桥时相同）功率因数 l l=cosj j1 1 =0.9886cosa aUUdcos266pPower Electronics河海大学常州校区计信

46、学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系90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串联3重联结电路重联结电路：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脉脉波整流电路波整流电路。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：cosj j1 1=cosa a l l=0.9949cosa aPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系91将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联串联4重联结电路重

47、联结电路：为为24脉波整流电路脉波整流电路。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：cosj j1 1=cosa al l=0.9971cosa a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。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系922)多重联结电路的顺序控制多重联结电路的顺序控制只对一个桥的a a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。或者不工作而使该桥输出直流电压为零。或者a a=0而使该桥输出电压最大。根据所需总直流输

48、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。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系932.6.2 多重化整流电路 3重晶闸管整流桥顺序控制重晶闸管整流桥顺序控制 图2-43 单相串联3重联结电路及顺序控制时的波形控制过程可详见教材P78。从电流i的波形可以看出，虽然波形并为改善，但其基波分量比电压的滞后少，因而位移因数高，从而提高了总的功率因数。a)db)c)iId2 IduOap+aPower Electronics河海大学

49、常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系942.7 整流电路的有源逆变工作状态Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系952.7.1 逆变的概念1)什么是逆变？为什么要逆变？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：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速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，将在第5章介绍。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

50、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，称为变流电路变流电路。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系962.7.1 逆变的概念2)直流发电机直流发电机电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转图2-44 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。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院

51、电气系972.7.1 逆变的概念3)逆变产生的条件逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机图2-45 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a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUd /2，使Ud为负值。p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。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系992.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态逆变和整流的区别逆变和整

52、流的区别：控制角 a a 不同 0a a p p/2 时，电路工作在整流状态。p p/2 a a p p/2时的控制角用pp a a=b b表示，b b 称为逆变角逆变角。逆变角b b和控制角a a的计量方向相反，其大小自b=0的起始点向左方计量。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1002.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图2-46所示。图2-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcu

53、baucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt2Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1012.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态有源逆变状态时各电量的计算：REUId输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即bbcos35.1cos34.222UUUd（2-105）每个晶闸管导通2p p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577.03（2-106）从交流电源送到直流侧负载的

54、有功功率为：dMddIEIRP2（2-107）当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。（2-108）在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：ddVTIIII816.03222Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1022.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败逆变失败（逆变颠覆）逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联顺向串联，形成很大短路电流短路电流。触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢

55、失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。交流电源缺相或突然消失。换相的裕量角不足，引起换相失败。1)逆变失败的原因逆变失败的原因Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1032.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制换相重叠角的影响：图2-47 交流侧电抗对逆变换相过程的影响当b g 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。如果b giVT1iVTiVT3iVTiVT322Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1042.7.3 逆变失败与最小逆变角

56、的限制2)确定确定最小逆变角最小逆变角b bmin的依据的依据逆变时允许采用的最小逆变角b b 应等于b bmin=+g g+q q （2-109）晶闸管的关断时间tq折合的电角度g g 换相重叠角q q安全裕量角tq大的可达200300ms，折算到电角度约45。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。值约取为10。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1052.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制g g 换相重叠角的确定：1)查阅有关手册 举例如下：整流电压 整流电流变压器容量短路电压比Uk%g g22

57、0V800A240kV。A5%15202)参照整流时g g 的计算方法mUXIBdpgaasin2)cos(cos2（2-110）（2-111）根据逆变工作时 ，并设 ，上式可改写成bpagbmUXIBdpgsin21cos2这样，b bmin一般取3035。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1062.8 晶闸管直流电动机系统Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1072.8 晶闸管直流电动机系统引言晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的

58、系统。是电力拖动系统中主要的一种。是可控整流装置的主要用途之一。对该系统的研究包括两个方面：其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本节主要从第二个方面进行分析。Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1082.8.1 工作于整流状态时整流电路接反电动势负载时，负载电流断续，对整流电路和电动机的工作都很不利。图2-48 三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形通常在电枢回路串联一平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续，如图2-48。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtE

59、UdidRPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1092.8.1 工作于整流状态时此时，整流电路直流电压的平衡方程为 （2-112）式中，。为电动机的反电动势 负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括：变压器的电阻压降 电枢电阻压降 由重叠角引起的电压降 晶闸管本身的管压降，它基本上是一恒值。UIREUdMdp23BMBXRRRMEdIRBdRIMdRI)2(3pdBIXU 系统的两种工作状态：电流连续工作状态 电流断续工作状态Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1102.8.1

60、工作于整流状态时 转速与电流的机械特性关系式为 1)电流连续时电动机的机械特性电流连续时电动机的机械特性 在电机学中，已知直流电动机的反电动势为nCEeM（2-113）可根据整流电路电压平衡方程式（2-112），得UIRUEdMacos17.12（2-114）edeCUIRCUnacos17.12（2-115）图2-49 三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性其机械特性是一组平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。调节a a 角，即可调节电动机的转速。Ona1a2 60a)3cos(22paU当Id减小至某一定值Id min以后，电流变为断续，这个 是不存在的，真正的理想空载点远

61、大于此值。0E图2-50 电流断续时电动势的特性曲线断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0OIdminId(0.585U2)(U2)2Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1122.8.1 工作于整流状态时电流断续时电动机机械特性的电流断续时电动机机械特性的特点：特点：图2-50 电流断续时电动势的特性曲线电流断续时理想空载转速抬高。机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。随着a 的增加，进入断续区的电流值加大。断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0OIdminId(0.585 U2)(U2)2Oa3a2a1Id分

62、界线断续区连续区a5a4E0E图2-51 考虑电流断续时不同a 时反电动势的特性曲线a a 1 a 2 a 3 a 460 Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1132.8.2 工作于有源逆变状态时1)电流连续时电动机的机械特性电流连续时电动机的机械特性电流连续时的机械特性由 决定的。逆变时由于 ，反接，得 因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式RIEUdMdbcos0ddUUME)cos(0RIUEddMb（2-122)cos(10RIUCnddeb（2-123)图2-52 电动机在四象限中的机械特性正组变流器反组变流器na3

63、a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a=b=p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1142.8.2 工作于有源逆变状态时2)电流断续时电动机的机械特性电流断续时电动机的机械特性可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把 代入式（2-117）、式（2-118）和式（2-119），便可得EM、n与Id的表达式。三相半波电路为例：bpajqjqjbpjqbpjtantan21)67sin()67sin(c

64、os2ccMeeUE(2-124)jqjqjbpjqbpjtantan2)67sin()67sin(cos2cceeMeeCUCEn(2-125)2)67cos()67cos(cos22322nUCZUIedqqbpbpjp(2-126)Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1152.8.2 工作于有源逆变状态时逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：图2-52 电动机在四象限中的机械特性理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性。逆变状态的机械特性是整流状态的延续。纵观控制角 变化时，机械特性得变化。a第1、4象限中和第

65、3、2象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以正组和反组变流器。正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a=b=p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1162.8.3 直流可逆电力拖动系统图2-53 两组变流器的反并联可逆线路图2-53a与b是两组反并联的可逆电路a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线c对应电动机四象限运行时两组变流器

66、工作情况Power Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1172.8.3 直流可逆电力拖动系统两套变流装置反并联两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论：环流环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。正向运行时由正组变流器供电；反向运行时，则由反组变流器供电。根据对环流的处理方法，反并联可逆电路又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流（）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。电动机都可四象限运行四象限运行。可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。baPower Electronics河海大学常州校区计信学院电气系河海大学常州校区计信学院电气系1182.8.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。电动机反向过程分析电动机反向过程分析：详见P89abab 配合控制的有环流可逆系统对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证a=b b 的配合控制关系。假设正组为整流，反组为逆变，即有a Pb b N N，Uda aP=Udb bN，且极性