电力电子技术第3章 整流电路课件.ppt

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,*,/,131,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,相控电路的驱动控制,本章小结,引言,整流电路（,Rectifier,）,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供给直流用电设备。,整流电路的分类,按组成的器件可分为,不可控,、,半控,、,全控,三种。,按电路结构可分为,桥式,电路和,零式,电路。,按交流输入相数分为,单相,电路和,多相,电路,。,按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为,单拍,电路和,双拍,电路。,2,3.1,单相可控整流电路,3.1.1,单相半波可控整流电路,3.1.2,单相桥式全控整流电路,3.1.3,单相全波可控整流电路,3.1.4,单相桥式半控整流电路,3,3.1.1,单相半波可控整流电路,w,w,w,w,t,T,VT,R,0,a),u,1,u,2,u,VT,u,d,i,d,w,t,1,p,2,p,t,t,t,u,2,u,g,u,d,u,VT,a,q,0,b),c),d),e),0,0,图,3-1,单相半波可控整流电路及波形,带电阻负载的工作情况,变压器,T,起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用,u,1,和,u,2,表示，有效值分别用,U,1,和,U,2,表示，其中,U,2,的大小根据需要的直流输出电压,u,d,的平均值,U,d,确定。,电阻负载的特点是,电压与电流成正比，两者波形相同,。,在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为,理想器件,，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过程瞬时完成。,仿真,4,改变触发时刻，,u,d,和,i,d,波形随之改变，直流输出电压,u,d,为极性不变,但瞬时值变化的,脉动直流,，其波形只在,u,2,正半周内出现，故称“半波”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,，故该电路称为,单相半波可控整流电路,。整流电压,u,d,波形在一个电源周期中只脉动,1,次,，故该电路为,单脉波整流电路,。,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。,直流输出电压平均值,随着,增大，,U,d,减小，该电路中,VT,的,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，简称相控方式。,3.1.1,单相半波可控整流电路,（,3-1,）,5,3.1.1,单相半波可控整流电路,u,w,t,t,w,w,t,w,t,w,2,0,w,t,1,p,2,p,t,u,g,0,u,d,0,i,d,0,u,VT,0,q,a,b),c),d),e),f),+,+,图,3-2,带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形,带阻感负载的工作情况,阻感负载的特点是,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。,电路分析,晶闸管,VT,处于断态,i,d,=0,u,d,=0,u,VT,=,u,2,。,在,t,1,时刻，即触发角,处,u,d,=,u,2,。,L,的存在使,i,d,不能突变,，,i,d,从,0,开始增加。,u,2,由正变负的过零点处，,i,d,已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此,VT,仍处于通态,。,t,2,时刻，电感能量释放完毕，,i,d,降至零，,VT,关断并立即承受反压,。,由于电感的存在延迟了,VT,的关断时刻，使,u,d,波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值,U,d,下降。,仿真,6,3.1.1,单相半波可控整流电路,电力电子电路的一种基本分析方法,把器件理想化，将电路简化为,分段线性电路,。,器件的每种状态组合对应一种,线性电路拓扑,，器件通断状态变化时，电路拓扑发生改变。,以前述单相半波电路为例,当,VT,处于断态时，相当,于电路在,VT,处断开，,i,d,=0,。当,VT,处于通时，,相当于,VT,短路。两种情,况的等效电路如图,3-3,所,示。,图,3-3,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,7,3.1.1,单相半波可控整流电路,VT,b),R,L,u,2,VT,处于通态时，如下方程成立：,在,VT,导通时刻，有,t,=,，,i,d,=0,，,这是式（,3-2,）的初始条件。求解式（,3-2,）并将初始条件代入可得,式中，。由此式可得出图,3-2e,所示的,i,d,波形。,当,t,=,+,时，,i,d,=0,，,代入式（,3-3,）并整理得,图,3-3 b)VT,处于导通状态,(3-2),(3-3),(3-4),8,3.1.1,单相半波可控整流电路,若,为定值，,角大，,越小。,若,为定值，,越大，,越大，且,平均值,U,d,越接近零。为解决上述矛,盾，在整流电路的负载两端并联一,个二极管，称为,续流二极管,，用,VD,R,表示。,有续流二极管的电路,电路分析,u,2,正半周时，与没有续流二极管,时的情况是一样的。,当,u,2,过零变负时，,V,DR,导通，,u,d,为零，此时为负的,u,2,通过,VD,R,向,VT,施加反压使其关断，,L,储存的能量保,证了电流,i,d,在,L-R-VD,R,回路,中流通，,此过程通常称为,续流,。,若,L,足够大，,i,d,连续,，且,i,d,波形接,近一条水平线。,u,2,u,d,i,d,u,VT,i,VT,I,d,I,d,w,t,1,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,O,O,O,O,O,O,p,-,a,p,+,a,b),c),d),e),f),g),i,VD,R,a),图,3-4,单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,9,基本数量关系,流过晶闸管的电流平均值,I,dT,和有效值,I,T,分别为：,续流二极管的电流平均值,I,dDR,和有效值,I,DR,分别为,其移相范围为,180,，其承受的最大正反向电压均为,u,2,的峰值即 。,续流二极管承受的电压为,-,u,d,，,其最大反向电压为 ，亦为,u,2,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直流分量，造成变压器铁芯,直流磁化,。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了设备的容量。,3.1.1,单相半波可控整流电路,(3-5),(3-6),(3-7),(3-8),10,3.1.2,单相桥式全控整流电路,u,(,i,),p,w,t,w,t,w,t,0,0,0,i,2,u,d,i,d,b),c),d),d,d,a,a,u,VT,1,4,图,3-5,单相全控桥式,带电阻负载时的电路及波形,a),带电阻负载的工作情况,电路分析,闸管,VT,1,和,VT,4,组成一对桥臂，,VT,2,和,VT,3,组成另一对桥臂。,在,u,2,正半周（即,a,点电位高于,b,点电位）,若,4,个晶闸管均不导通，,i,d,=0,u,d,=0,VT,1,、,VT,4,串联承受电压,u,2,。,在触发角,处给,VT,1,和,VT,4,加触发 脉冲，,VT,1,和,VT,4,即导通，电流从电源,a,端经,VT,1,、,R,、,VT,4,流回电源,b,端。,当,u,2,过零时，流经晶闸管的电流也降到零，,VT,1,和,VT,4,关断。,在,u,2,负半周，仍在触发角,处触发,VT,2,和,VT,3,，,VT,2,和,VT,3,导通，电流从电源,b,端流出，经,VT,3,、,R,、,VT,2,流回电源,a,端。,到,u,2,过零时，电流又降为零，,VT,2,和,VT,3,关断。,VT,2,和,VT,3,的,=0,处为,t,=,11,基本数量关系,晶闸管承受的最大,正向电压,和,反向电压,分别为 和 。,整流电压平均值为：,=0,时，,U,d,=,U,d0,=0.9,U,2,。,=180,时，,U,d,=0,。,可见，,角的,移相范围,为,180,。,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,(3-9),(3-10),12,流过晶闸管的电流平均值：,流过晶闸管的电流有效值为：,变压器二次侧电流有效值,I,2,与输出直流电流有效值,I,相等，为,由式（,3-12,）和（,3-13,）可见：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为,S,=,U,2,I,2,。,3.1.2,单相桥式全控整流电路,(3-11),(3-12),(3-13),(3-14),13,3.1.2,单相桥式全控整流电路,2,O,w,t,O,w,t,O,w,t,u,d,i,d,i,2,O,w,t,O,w,t,u,VT,1,4,O,w,t,O,w,t,I,d,I,d,I,d,I,d,I,d,i,VT,2,3,i,VT,1,4,u,图,3-6,单相桥式全控整流电流带阻感负载时的电路及波形,带阻感负载的工作情况,电路分析,在,u,2,正半周期,触发角,处给晶闸管,VT,1,和,VT,4,加触发脉冲使其开通，,u,d,=,u,2,。,负载电感很大，,i,d,不能突变且波形近似为一条水平线。,u,2,过零变负时，由于电感的作用晶闸管,VT,1,和,VT,4,中仍流过电流,i,d,，,并不关断。,t,=,+,时刻，触发,VT,2,和,VT,3,，,VT,2,和,VT,3,导通，,u,2,通过,VT,2,和,VT,3,分别向,VT,1,和,VT,4,施加反压使,VT,1,和,VT,4,关断，流过,VT,1,和,VT,4,的电流迅速转移到,VT,2,和,VT,3,上，此过程称为,换相,，亦称,换流,。,14,3.1.2,单相桥式全控整流电路,基本数量关系,整流电压平均值为：,当,=0,时，,U,d0,=0.9,U,2,。,=90,时，,U,d,=0,。,晶闸管,移相范围,为,90,。,晶闸管承受的最大,正反向电压,均为 。,晶闸管导通角,与,无关，均为,180,，其电流平均值和有效值分别为：和 。,变压器二次侧电流,i,2,的波形为正负各,180,的矩形波，其相位由,角决定，有效值,I,2,=,I,d,。,(3-15),15,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,|,u,2,|,E,时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。,晶闸管导通之后，,u,d,=,u,2,，,直至,|,u,2,|=,E,，,i,d,即降至,0,使得晶闸管关断，此后,u,d,=,E,。,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,。,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触发而不导通，此时输出电压电流为零。,负载电流,断续,，各晶闸管导通角,小于,120,。,30,触发脉冲在自然换相点之前出现（,wt=10,），脉冲不够宽,31,触发脉冲在自然换相点之前出现（,wt=10,），脉冲足够宽,32,3.2.1,三相半波可控整流电路,基本数量关系,电阻负载时,角的,移相范围,为,150,。,整流电压平均值,30,时，负载电流,连续,，有,当,=0,时，,U,d,最大，为,U,d,=,U,d0,=1.17,U,2,。,30,时，负载电流,断续,，晶闸管导通角减小，此时有,(3-18),(3-19),33,3.2.1,三相半波可控整流电路,U,d,/,U,2,随,变化的规律,图,3-16,三相半波可控整流电路,U,d,/,U,2,与,的关系,电阻负载,电感负载,电阻电感负载,34,3.2.1,三相半波可控整流电路,负载电流平均值为,晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值,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峰值，即,(3-20),(3-21),(3-22),35,控制角大于,30,（,60,情形）时，输出电压和,U,vt1,两端电压波形,36,3.2.1,三相半波可控整流电路,阻感负载,电路分析,L,值很大，整流电流,i,d,的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近,矩形波,。,30,时，整流电压波形与电阻负载时相同。,30,时，当,u,2,过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而,VT1,继续导通，直到下一相晶闸管,VT,2,的触发脉冲到来，才发生换流，由,VT,2,导通向负载供电，同时向,VT,1,施加反压使其关断。,u,u,u,u,d,i,a,a,b,c,i,b,i,c,i,d,u,ac,O,w,t,O,w,t,O,O,w,t,O,O,w,t,a,w,t,w,t,u,图,3-17,三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及,=60,时的波形,37,3.2.1,三相半波可控整流电路,基本数量关系,的,移相范围,为,90,。,整流电压平均值,U,d,/,U,2,与,的关系,L,很大，如曲线,2,所示。,L,不是很大，则当,30,后，,u,d,中负的部分可能减少，整流电压平均值,U,d,略为增加，如曲线,3,所示。,图,3-16,三相半波可控整流电路,U,d,/,U,2,与,的关系,38,阻感负载（,60,情形），输出电压波形,39,3.2.1,三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,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，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中含有,直流分量,，为此其应用较少。,(3-23),(3-24),(3-25),40,3.2.2,三相桥式全控整流电路,原理图,阴极连接在一起的,3,个晶闸管（,VT,1,，,VT,3,，,VT,5,）,称为,共阴极组,；阳极连接在一起的,3,个晶闸管（,VT,4,，,VT,6,，,VT,2,）,称为,共阳极组,。,共阴极组中与,a,，,b,，,c,三相电源相接的,3,个晶闸管分别为,VT,1,，,VT,3,，,VT,5,，,共阳极组中与,a,，,b,，,c,三相电源相接的,3,个晶闸管分别为,VT,4,，,VT,6,，,VT,2,。,晶闸管的导通顺序为,VT,1,-VT,2,-VT,3,-VT,4,-VT,5,-VT,6,。,图,3-18,三相桥式全控整流电路原理图,41,三相桥演变电路,42,3.2.2,三相桥式全控整流电路,带电阻负载时的工作情况,电路分析,各自然换相点既是,相电压,的交点，同时也是,线电压,的交点。,当,60,时,u,d,波形均,连续,，对于电阻负载，,i,d,波形与,u,d,波形的形状是一样的，也,连续,。,=0,时，,u,d,为线电压在正半周的,包络线,。波形见,图,3-19,时段,共阴极组中导通的晶闸管,VT,1,VT,1,VT,3,VT,3,VT,5,VT,5,共阳极组中导通的晶闸管,VT,6,VT,2,VT,2,VT,4,VT,4,VT,6,整流输出电压,u,d,u,a,-u,b,=,u,ab,u,a,-u,c,=,u,ac,u,b,-u,c,=,u,bc,u,b,-u,a,=,u,ba,u,c,-u,a,=,u,ca,u,c,-u,b,=u,cb,表,3-1,三相桥式全控整流电路电阻负载,=0,时晶闸管工作情况,43,3.2.2,三相桥式全控整流电路,=30,时，晶闸管起始导通时刻推迟了,30,，组成,u,d,的每一段线电压因此推迟,30,，,u,d,平均值降低，波形见,图,3-20,。,=60,时，,u,d,波形中每段线电压的波形继续向后移，,u,d,平均值继续降低。,=60,时,u,d,出现了,为零的点,，波形见,图,3-21,。,当,60,时,因为,i,d,与,u,d,一致，一旦,u,d,降为至零，,i,d,也降至零，晶闸管关断，输出整流电压,u,d,为零,，,u,d,波形不能出现负值。,=90,时的波形见,图,3-22,。,44,3.2.2,三相桥式全控整流电路,三相桥式全控整流电路的一些特点,每个时刻均需,2,个,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,各,1,个,，且不能为同一相的晶闸管。,对触发脉冲的要求,6,个晶闸管的脉冲按,VT,1,-VT,2,-VT,3,-VT,4,-VT,5,-VT,6,的顺序，相位依次差,60,。,共阴极组,VT,1,、,VT,3,、,VT,5,的脉冲依次差,120,，共阳极组,VT,4,、,VT,6,、,VT,2,也依次差,120,。,同一相的上下两个桥臂，即,VT,1,与,VT,4,，,VT,3,与,VT,6,，,VT,5,与,VT,2,，,脉冲相差,180,。,45,3.2.2,三相桥式全控整流电路,整流输出电压,u,d,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,。,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,2,个晶闸管均有脉冲,宽脉冲,触发：使脉冲宽度大于,60,（一般取,80,100,）,双脉冲,触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差,60,，脉宽一般为,20,30,。,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，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也一样。,单窄脉冲情形,46,3.2.2,三相桥式全控整流电路,阻感负载时的工作情况,电路分析,当,60,时,u,d,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,u,d,波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。,区别在于,电流,，,当电感足够大的时候，,i,d,、,i,VT,、,i,a,的波形在导通段都可近似为一条水平线。,=0,时的波形见,图,3-23,，,=30,时的波形见,图,3-24,。,当,60,时,由于电感,L,的作用，,u,d,波形会出现,负的部分,。,=90,时的波形见,图,3-25,。,47,3.2.2,三相桥式全控整流电路,基本数量关系,带电阻负载时三相桥式全控整流电路,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,角移相范围为,90,。,整流输出电压平均值,带阻感负载时，或带电阻负载,60,时,带电阻负载且,60,时,(3-26),(3-27),48,3.2.2,三相桥式全控整流电路,输出电流平均值为,I,d,=,U,d,/,R,。,当整流变压器为图,3-17,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,3-23,中所示，为正负半周各宽,120,、前沿相差,180,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。,三相桥式全控整流电路接,反电势阻感负载,时的,I,d,为：,式中,R,和,E,分别为负载中的电阻值和反电动势的值。,(3-28),(3-29),49,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏感,实际上变压器绕组总有,漏感,，该漏感可用一个集中的电感,L,B,表示，并将其折算到,变压器二次侧,。,由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此,换相,过程不能瞬间完成，而是会,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,假设负载中电感很大，,负载电流为水平线,。,50,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,u,d,i,d,w,t,O,w,t,O,g,i,c,i,a,i,b,i,c,i,a,I,d,u,a,u,b,u,c,a,分析从,VT,1,换相至,VT,2,的过程,在,t,1,时刻之前,VT,1,导通，,t,1,时刻触发,VT,2,，因,a,、,b,两相均有漏感，故,i,a,、,i,b,均不能突变，于是,VT,1,和,VT,2,同时导通，相当于将,a,、,b,两相短路,，两相间电压差为,u,b,-u,a,，,它在两相组成的回路中产生,环流,i,k,如图所示。,i,k,=,i,b,是逐渐增大的，而,i,a,=I,d,-,i,k,是逐渐减小的。,当,i,k,增大到等于,I,d,时，,i,a,=,0,，,VT,1,关断，换流过程结束。,换相过程持续的时间用电角度,表示，称为,换相重叠角,。,t,1,时刻,图,3-26,考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形,51,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,基本数量关系,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，,u,d,平均值降低的多少，即,(3-30),(3-31),52,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,换相重叠角,由式（,3-30,）得出：,由上式得：,进而得出：,当 时，于是,(3-32),(3-33),(3-34),(3-35),(3-36),53,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,随其它参数变化的规律：,I,d,越大则,越大；,X,B,越大,越大；,当,90,时，,越小,越大。,其它整流电路的分析结果,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,注：单相全控桥电路中，,X,B,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 的,6,脉波整流电路，故其,m=6,，,相电压按 代入。,表,3-2,各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,54,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏感对整流电路影响的一些结论,:,出现换相重叠角,，整流输出电压平均值,U,d,降低。,整流电路的工作状态增多。,晶闸管的,d,i,/d,t,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,d,i,/d,t,。,换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的,d,u,/d,t,，,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,。,55,3.3,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，,R,=5,，,L,=,，,U,2,=220V,，,X,B,=0.3,，求,U,d,、,I,d,、,I,VD,、,I,2,和,的值并作出,u,d,、,i,VD,和,i,2,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,0,时的情况。,U,d,2.34,U,2,cos,U,d,U,d,3,X,B,I,d,I,d,U,d,R,解方程组得：,U,d,2.34,U,2,cos,（,1,3X,B,/,R,）,486.9,（,V,）,I,d,97.38,（,A,）,又 ,=2 ,U,2,即得出,=0.892,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,I,VD,I,d,3,97.383,33.46,（,A,）,I,2a,I,d,79.51,（,A,）,u,d,、,i,VD1,和,i,2a,的波形如,图,3-27,所示。,56,3.4,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,3.4.2,电容滤波的三相不可控整流电路,57,3.4,电容滤波的不可控整流电路,引言,交,直,交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合大都采用,不可控整流电路,。,最常用的是,单相桥式,和,三相桥式,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,。,58,3.4.1,电容滤波的单相不可控整流电路,工作原理及波形分析,基本工作过程,在,u,2,正半周过零点至,t,=0,期间，因,u,2,和,RC,分别是电流,i,d,断续和连续的条件。,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。,a),b),w,t,w,t,w,t,w,t,a,i,d,a,i,d,O,O,O,O,图,3-33,电容滤波的三相桥式整流电路当,RC,等于和小于时 的电流波形,a,）,RC,=,b,）,RC,u,a,，,VT,6,导通，此电流在流经,L,P,时，,L,P,上要感应一电动势,u,p,，,其方向是要,阻止电流增大,。可导出,L,p,两端电压、整流输出电压的数学表达式如下：,(3-97),(3-98),t,1,时刻,91,3.6.1,带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,图,3-39,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,3-40,平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况,虽然,u,d1,u,d2,，,但由于,L,p,的平衡作用，使得晶闸管,VT,6,和,VT,1,同时导通。,时间推迟至,u,b,与,u,a,的交点时，,u,b,=,u,a,，,u,p,=0,。,之后,u,b,u,b,，,电流才从,VT,6,换至,VT,2,，,此时,VT,1,、,VT,2,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。,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。,92,3.6.1,带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,谐波分析,将图,3-38,中,u,d1,和,u,d2,的波形用傅氏级数展开，可得当,=0,时的,u,d1,、,u,d2,，,即,由式（,3-97,）和（,3-98,）可得,负载电压,u,d,中的,谐波分量,比,直流分量,要小得多，而且,最低次谐波,为,六次,谐波。,直流平均电压为,(3-99),(3-100),(3-101),(3-102),93,3.6.1,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,当需要分析各种控制角时的输出波形时，可根据式（,3-98,）先求出两组三相半波电路的,u,d1,和,u,d2,波形，然后做出波形,(,u,d1,+,u,d2,)/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,。,在,电感负载情况下，移相范围是,90,。,在,电阻负载情况下，移相范围为,120,。,整流电压平均值为,U,d,=1.17,图,3-41,当,=30,、,60,、,90,时，双反星形电路的输出电压波形,U,2,cos,94,3.6.1,带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,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,U,2,相等时，双反星形的,U,d,是三相桥的,1/2,，而,I,d,是三相桥的,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，,u,d,和,i,d,的波形形状一样。,95,3.6.2,多重化整流电路,可采用多重化整流电路减轻整流装置所产生的谐波、无功功率等对电网的,干扰,，将几个整流电路多重联结可以减少交流侧输入,电流谐波,，而对晶闸管多重整流电路采用顺序控制的方法可提高,功率因数,。,移相多重联结,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。,图,3-42,的电路是,2,个三相桥并联而成的,12,脉波整流电路,。,图,3-42,并联多重联结的,12,脉波整流电路,96,3.6.2,多重化整流电路,图,3-43,移相,30,串联,2,重联结电路,移相,30,构成的串联,2,重联结电路,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，接到相互,串联,的,2,组整流桥。,因绕组接法不同，变压器一次绕组和两组二次绕组的匝比如图所示，为,1:1:,。,该电路为,12,脉波,整流电路。,星形接法,三角形接法,0,a),b),c),d),i,a1,I,d,180,360,i,a2,i,ab2,i,A,I,d,i,ab2,w,t,w,t,w,t,w,t,0,0,0,I,d,2,3,3,3,I,d,3,3,I,d,I,d,3,2,3,(1+,),I,d,3,2,3,(1+,),I,d,3,3,I,d,1,3,97,其他特性如下：,直流输出电压,3.6.2,多重化整流电路,对图,3-44,波形,i,A,进行傅里叶分析，可得其基波幅值,I,m1,和,n,次谐波幅值,I,mn,分别如下：,即输入电流,谐波次数,为,12k1,，,其幅值与次数成反比而降低。,功率因数,(3-103),(3-104),位移因数,（单桥时相同）,98,3.6.2,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,u,d,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,18,k,1,次,（,k,=1,2,3,），,u,d,的脉动也更小。,输入位移因数和功率因数分别为：,cos,1,=,cos,=0.9949cos,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：,cos,1,=,cos,=0.9971cos,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,。,99,3.6.2,多重化整流电路,d,b),c),i,I,d,2,I,d,u,O,a,p,+,a,a),图,3-45,单相串联,3,重联结电路及顺序控制时的波形,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，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,。,以用于电气机车的,3,重晶闸管整流桥顺序控制为例,当需要输出的直流电压低于三分之一最高电压时，只对,第,I,组桥的,角,进行控制，同时,VT,23,、,VT,24,、,VT,33,、,VT,34,保持导通，这样第,II,、,III,组桥的直流输出电压就为零。,100,3.6.2,多重化整流电路,当需要输出的直流电压达到三分之一最高电压时，,第,I,组桥的,角为,0,。,需要输出电压为三分之一到三分之二最高电压时，,第,I,组桥的,角固定为,0,，,VT,33,和,VT,34,维持导通，仅对,第,II,组桥的,角,进行控制。,需要输出电压为三分之二最高电压以上时，,第,I,、,II,组桥的,角固定为,0,，仅对,第,III,组桥的,角,进行控制。,d,b),c),i,I,d,2,I,d,u,O,a,p,+,a,图,3-45,单相串联,3,重联结电路及顺序控制时的波形,a）,101,3.6.2,多重化整流电路,图,3-45 a),单相串联,3,重联结电路,使直流输出电压波形不含负的部分，可采取如下控制方法,以第,I,组桥为例，当电压相位为,时，触发,VT,11,、,VT,14,使其导通并流过直流电流。,在电压相位为,时，触发,VT,13,，则,VT,11,关断，通过,VT,13,、,VT,14,续流，桥的输出电压为零而不出现负的部分。,电压相位为,+,时，触发,VT,12,，则,VT,14,关断，由,VT,12,、,VT,13,导通而输出直流电压。,电压相位为,2,时，触发,VT,11,，则,VT,13,关断，由,VT,11,和,VT,12,续流，桥的输出电压为零。,顺序控制的电流波形中，正（或负）半周期内前后四分之一周期波形不对称，因此含有一定的,偶次谐波,，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,。,102,3.7,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,103,3.7.1,逆变的概念,什么是逆变？为什么要逆变？,逆变（,invertion,）,：,把直流电转变成交流电的过程。,逆变电路：把直流电逆变成交流电的电路。,当交流侧和电网连结时，为,有源逆变,电路。,变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为,无源逆变,。,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,。,104,3.7.1,逆变的概念,图,3-46,直流发电机,电动机之间电能的流转,a,）,两电动势同极性,E,G,E,M,b,）,两电动势同极性,E,M,E,G,c,）,两电动势反极性，形成短路,直流发电机,电动机系统电能的流转,M,作,电动运转,，,E,G,E,M,，,电流,I,d,从,G,流向,M,，,电能由,G,流向,M,，,转变,为,M,轴上输出的机械能,。,回馈制动,状态中，,M,作发电运转，,E,M,E,G,，,电流反向，从,M,流向,G,，,M,轴上输入的机械能转变为电能反送给,G,。,两电动势,顺向串联,，向电阻,R,供电，,G,和,M,均输出功率，由于,R,一般都很小，实际上形成短路，在工作中必须严防这类事故发生。,两个电动势,同极性相接,时，电流总是从电动势高的流向电动势低的，由于回路电阻很小，即使很小的电动势差值也能产生大的电流，使两个电动势之间交换很大的功率，这对分析有源逆变电路是十分有用的。,105,3.7.1,逆变的概念,E,M,逆变产生的条件,以单相全波电路代替上述发电机来分析,电动机,M,作,电动机,运行，全波电路应工作在,整流状态,，,的范围在,0,/2,间，直流侧输出,U,d,为正值，并且,U,d,E,M,，,交流电网输出电功率，电动机则输入电功率。,电动机,M,作,发电回馈制动,运行，由于晶闸管器件的,单向导电性,，电路内,I,d,的方向依然不变，而,M,轴上输入的机械能转变为电能反送给,G,，,只能改变,E,M,的极性,，为了避免两电动势顺向串联，,U,d,的极性,也必须反过来，故,的范围在,/2,，且,|,E,M,|,U,d,|,。,u,u,u,a),b),u,10,u,d,u,20,u,10,a,O,O,w,t,I,d,i,d,U,d,E,M,10,u,d,20,10,O,O,I,d,i,d,U,d,/2,，使,U,d,为负值。,两者必须同时具备才能实现有源逆变。,半控桥或有续流二极管的电路,，因其整流电压,u,d,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,。,107,3.7.2,三相桥整流电路的有源逆变工作状态,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,2,u,d,w,t,O,w,t,O,b,=,p,4,b,=,p,3,b,=,p,6,b,=,p,4,b,=,p,3,b,=,p,6,w,t,1,w,t,3,w,t,2,图,3-48,三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形,逆变角,通常把,/2,时的控制角用,-=,表示，,称为逆变角,。,的大小自,=0,的起始点向,左方,计量。,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,3-48,所示。,举例,108,3.7.2,三相桥整流电路的有源逆变工作状态,基本的数量关系,三相桥式电路的输出电压,U,d,=-3.34U,2,cos,=-1.35U,2L,cos,输出直流电流的平均值,流过晶闸管的电流有效值,从交流电源送到直流侧负载的有功功率为