电力电子-整流电路.doc

电力电子-整流电路

———————————————————————————————— 作者：
———————————————————————————————— 日期：

24

第3章 整流电路

1.对于带阻感负载的单相半波可控整流电路的续流二极管D，以下叙述中正确的是：
A.使变压器负边电压平均值减小；B.使负载中电流有效值增大；
C.解决了变压器直流磁化问题；D.使电路功率因数增大。
1.对于带阻感负载的单相全波可控整流电路的续流二极管D，以下叙述中正确的是：
A.使变压器负边电压平均值减小；B.使负载中电流有效值增加；
C.本电路不存在变压器直流磁化问题；D.使电路功率因数增大。
图1全波阻感负载有续流二极管

2.对于单相半波可控整流电路带电阻性负载时，以下叙述中正确的是：
A.触发角增大，输出电压降低；
B.负载电流不连续；
C.触发延迟角与导通角之和等于；
D.晶闸管承受的最大反向电压为；
E.触发角移相范围是
3.单相桥式全控整流电路带电感性负载时，以下叙述中正确的是：
A.在负载串有大电感的情况下，晶闸管导通角与触发角无关，总是；
B.晶闸管可能承受的最大正反向电压均为；
C.负载串有大电感的情况下晶闸管移相范围为；
D.输出电压。
图2单相桥式半控整流电路

E.变压器二次侧电流为正负对称的方波，其相对于的相移由决定，与负载电抗角无关。增大，滞后越多，功率因数越低。
4.对于单相半控桥式整流电路，以下叙述中正确的是：
A.电路中若无续流二极管可能发生的失控现象。当突然增大到时，或触发脉冲丢失，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况；
B.接入续流二极管时，续流过程由完成，晶闸管因失去电流而关断；没有接入续流二极管时，与携手续流，直到触发导通后被反压强制关断；
C.波形没有负面积；
D.控制角移相范围为：
E.导通角

P95（1、2）
1.单相半波可控整流电路对纯电感负载供电，，，求当和时的负载电流，并画出与波形。

解：
α＝0°时，在电源电压u2的正半周晶闸管导通时，负载电感L储能，在晶闸管开始导通时刻，负载电流为零。在电源电压u2的负半周期，负载电感L释放能量，晶闸管继续导通。注意到负载及回路中电阻，没有能量损失，导通角,因此，在电源电压u2的一个周期里，以下方程均成立：

考虑到初始条件：当wt＝0时id＝0可解方程得：

==22.51(A)
ud与id的波形如下图：

当α＝60°时，在u2正半周期60°~180°期间晶闸管导通使电感L储能，晶闸管导通，在负半周亦应导通，故电感L储藏的能量在u2负半周期180°~300°期间释放，因此在u2一个周期中60°~300°期间以下微分方程成立：

考虑初始条件：当wt＝60°时id＝0可解方程得：

其平均值为
==11.25(A)
此时ud与id的波形如下图：

2.图3为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，问该变压器还有直流磁化问题吗？试说明：
(1)晶闸管承受的最大反向电压为2；
(2)当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同，幅值为其二分之一。
图3为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路

答：VT1导通时VT2承压

具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路中，因为变压器二次测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题。
以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。
以晶闸管VT2为例。当VT1导通时，晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕组并联，所以VT2承受的最大电压为2。
当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角a相同时，对于电阻负载：（0~α）期间无晶闸管导通，输出电压为0；（α~π）期间，单相全波电路中VT1导通，输出电压为二分之一u2；单相全控桥电路中VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压u2相等；(π~π＋α)期间，均无晶闸管导通，输出电压为0；(π＋α~2π)期间，单相全波电路中VT2导通，输出电压等于- u2/2单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出电压等于- u2。
对于电感负载：（α~π＋α）期间，单相全波电路中VT1导通，输出电压等于- u2/2；单相全控桥电路中VT1、VT4导通，输出电压与电源电压u2相等；（π＋α~2π＋α）期间，单相全波电路中VT2导通，输出电压等于- u2/2；单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出波形等于- u2。
可见，两者的输出电压相同，加到同样的负载上时，则输出电流波形也相同，幅值为其二分之一。

P95(3、5)
3.单相桥式全控整流电路，，负载中，L值极大，当时，要求：
(1)作出、、和的波形；
(2)求整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值；
(3)考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：
(4)控制角时，交流侧功率因数。
解：
(1)作出、、和的波形；

(2)整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值:

(3)晶闸管承受的最大反向电压为：

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
流过晶闸管的电流有效值为：

晶闸管的额定电流为：

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
(4)交流侧功率因数：
变压器二次侧各次电流有效值，
由此求得基波电流有效值
基波因数
位移因数
交流侧功率因数
5.单相桥式全控整流电路，U2=200V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=100V，当a=45°时，要求：
(1)作出ud、id和i2的波形；
(2)求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2；
(3)考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。
解：
(1)ud、id和i2的波形如下图：

(2)整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为
Ud＝0.9U2cosα＝0.9×200×cos45°＝127.28(A)
Id＝(Ud－E)/R＝(127.28－100)/2＝13.64(A)
I2＝Id＝13.64(A)
(3)晶闸管承受的最大反向电压为：
U2＝200＝282.2（V）
流过每个晶闸管的电流的有效值为：
IVT＝Id∕＝9.65（A）
故晶闸管的额定电压为：
UN＝(2~3)×282.2＝564.4~846.6（V）
晶闸管的额定电流为：
IN＝(1.5~2)×9.65∕1.57＝10~13（A）
晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
图 三相半控整流电路

1.对于三相半波可控整流电路带电阻负载时，以下叙述中正确的是：
A.控制角移相范围为；
B.SCR承受的最大反压，为变压器二次线电压峰值；
C.SCR承受的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值；
D.对于三相电路，两相邻自然换相点相隔。控制角时，输出电流处于临界连续状态，时，输出电流不连续

2.三相半波可控整流电路变压器原边、副边联接方式，以下叙述中正确的是：
A.二次侧必须按星形联接，而一次侧通常接成三角形；B.二次侧星接是为了得到零线；一次侧角接是为了提供三次谐波电流通路；C.副边有中线的Y形接法在可控整流器的作用下，三次谐波电流零序分量不为零，它们回馈到原边时，会使铁芯中的三次谐波成分很大，影响变压器感应电动势的正弦度；D.一次侧△接，可抵消三次谐波。

3.三相半波可控整流电路中三个SCR采用共阴极接法比共阳极接法有什么优点？
答：对应的触发电路有公共端，连线方便。

4.三相桥式全控整流电路有几种触发方式？各有什么特点？
答：共有两种触发方式，分别是宽脉冲触发和双脉冲触发。
宽脉冲触发要求触发脉冲宽度大于（一般取），从而保证后一个SCR导通时，前一个SCR不关断。宽脉冲触发电路输出脉冲较少，但为了不使脉冲变压器饱和需将铁芯体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增加，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。
双脉冲触发是在触发某个晶闸管的同时，给触发时序上前一个SCR管补发一个触发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个脉冲前沿相差，脉宽一般为。双脉冲触发电路较复杂，但触发电路输出功率小。
图 三相桥式全控整流电路
5.三相桥式全控整流电路中，各触发脉冲之间有三种重要的相位关系：
A.要求6个晶闸管按→→→→→的顺序触发，相位依次差；
B.共阴极组、、的脉冲依次相差；共阳极组、、也依次相差
C.同一相上下两个桥臂，即与，与，与，脉冲相差。
D.触发脉冲可以选择双脉冲和宽脉冲。双脉冲是间隔60度的两个脉冲，其中后一个脉冲总是用来补充触发前一个已经导通的晶闸管。

6.关于带电阻性负载的三相桥式全控整流电路，以下叙述中正确的是：
A.共阴极组的3只管子按a、b、c相序依次导通，各导通。时，三管间的换流发生在正半周的自然换相点，它们分别是：、和；
B.整流输出电压每周脉动6次，每次脉动的波形相同，脉动频率为300Hz；
C.晶闸管承受的最大正向电压与三相半波可控整流电路时一样，为变压器二次相电压峰值；
D. 晶闸管承受的最大反向电压与三相半波可控整流电路时一样，为变压器二次线电压峰值。
图4三相桥式全控整流电路带电阻负载α=30°时的波形

7.三相桥式全控整流电路带电阻负载时的波形如图4。以下叙述中正确的是：
A.每只晶闸管轮流导通
，晶闸管承受最高反向电压为线电压的最大值；
B.考虑图中触通后的阶段I：前30度，最高、最低，；之后，来到负半周自然换相点，但因，的触发脉冲也推后，所以尽管此时最负，正偏，但继续导通，故仍为直到为零那一时刻，触发导通；
C.变压器负边电流在导通的期间为正，在导通的期间为负，且正负半周对称，因而变压器副边无直流磁化问题；
D.这种电路功率因数低，比滞后，越大，功率因数越低。这是SCR可控整流电路的共性问题。
图3三相桥式全控整流电路带电阻负载α=60°时的波形

8.关于三相桥式全控整流电路带电阻性负载的电路如图5所示。
A.由图中可见，是临界点，出现等于零的点，说明在0~60度范围内波形连续；
B.这种情况下，电阻负载波形与波形相同，而大L-R或大L-R-E负载时，波形近似恒流；
C.正负半波电路仍分别为3只SCR各轮流导通恒定的120度。这一点与负载类型无关；
D.晶闸管最大反向承压为。
图6三相桥式全控整流电路带电阻负载α=90°时的波形

9.关于三相桥式全控整流电路带电阻负载，时波形图如图6所示：
A.该电路各晶闸管导通角；
B.仍为6脉波，每个脉波仅持续30度。此时负载电流通断时长相等；
C.时，故移相范围是；
D.波形中自左起第2尖峰对应5、6导通；第3尖峰对应1、6导通；第4尖峰对应1、2导通。这种电路一定要用双窄脉冲触发。

图7三相桥式全控整流电路带阻感负载α=90°时的波形

10.图7是三相桥式全控整流电路带阻感负载时的波形。
A.各晶闸管依旧轮流导通三分之一周期；
B.波形中位于区间II的尖峰对应导通；位于区间III的尖峰对应导通；这种电路一定要用双窄脉冲触发。
C.这种情况下，平均值为零，故阻感负载时三相桥式全控整流电路移相范围为；
D.晶闸管承受的正、反向最高电压都是变压器负边线电压最大值。

11.三相桥式全控整流电路的定量分析：
A.三相桥式全控整流电路输出电压的波形在一周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即六分之一周期）进行计算。注意以线电压的过零点为时间坐标的零点；
B.整流输出电压平均值：

此式的适用条件是电阻负载，或阻感负载，电流连续时。积分下限的起点对相电压而言从自然换相点算起，但对于线电压而言再提前，即从算起；
C.带电阻负载且时，整流电压平均值为：
，
12.关于变压器漏感，以下叙述中正确的是：（参考图8）
图8考虑漏感时的三相半波全控整流电路

A.理论上整流电路换相时各支路电流是瞬间完成换相的。实际变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感表示，并将其折算到变压器二次侧。由于漏感对电流的变化起阻碍作用，因而各支路电流不能突变，换相过程不能瞬间完成；
B.所谓换相重叠角，是将换流过程持续时间用电角度表示；
C.因漏感的作用，在两相换流期间造成两晶闸管同时处于导通状态，整流输出电压瞬时值为：

D.适用于各种整流电路的的损失值为：，式中，为整流输出每周期的脉波数，单相全控桥电路除外。
13.关于换流重叠角，以下叙述中正确的是：
A.换流重叠角的计算通式：
，其中
B. 换流重叠角随其他参数变化的规律为：
(1)越大越大；
(2)越大，越大；
(3)当角在对应脉波的正弦峰值点以左的范围内时，越小则越大。
14.变压器漏感对整流电路影响的一些结论：
A.出现换流重叠角，使整流输出电压平均值降低；
B.整流电路的工作状态增多；
C.晶闸管的减小，有利于晶闸管的安全开通；
D.使换流时交流电压相间短路，电网电压波形出现缺口产生畸变，形成干扰源。

P95（10、11）
10.有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是a，那末共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是a相，在相位上差多少度？
答：相差180°。
11.三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当a=60°时，要求：
(1)画出ud、id和iVT1的波形；
(2)计算Ud、Id、IdT和IVT。
解：(1)ud、id和iVT1的波形如下图：
(2)Ud、Id、IdT和IVT分别如下
Ud＝1.17U2cosa＝1.17×100×cos60°＝58.5（V）
Id＝Ud∕R＝58.5∕5＝11.7（A）
IdVT＝Id∕3＝11.7∕3＝3.9（A）
IVT＝Id∕＝6.755（A）

图 三相桥式全控整流电路
13.三相桥式全控整流电路如图所示，，带阻感负载，，L值极大，当时，求：
(1)作出、、和的波形；
(2)计算、电流、和；
(3)计算电路的输入功率因数。
解：(1)画出、和的波形如下：

(2)、、和分别如下
直流输出电压
负载电流
变压器二次侧电流，即晶闸管电流有效值
(3)题中基波电流的有效值：

基波因数为：
位移因数为：
电路的输入功率因数为

3-9三相桥式全控整流电路中，电阻性负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？
答：假设VT1不能导通，整流电压波形如下：

假设VT1被击穿而短路，则当晶闸管VT3或VT5导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT5也可能分别被击穿。

1.谐波对公用电网产生的危害包括：
A.使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾；
B.影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使调压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏；
C.会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述A、B两项危害大大增加，甚至引起严重事故；
D.会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确；
E.会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
2.以下定义中正确的是：
A.n次谐波电流含有率用HRI(Harmonic Ratio for )表示，，式中为第n次谐波电流有效值；是基波电流有效值；
B.电流谐波总畸变率(Total Harmonic Distortion)定义为：；
C.在非正弦电路中，功率因数定义为：，式中：
U是正弦波电压有效值，约定其无畸变，或者畸变可以忽略；
I是总电流，它是基波电流有效值和谐波电流有效值之和；
是基波电流有效值；
是基波相位角；
称为基波因数；
称为位移因数，或基波功率因数；

1.关于电容滤波的三相不可控整流电路，以下叙述中正确的是：
A.只有当交流侧某一线电压高于电容电压时，才有一对二极管导通。当线电压低于电容电压时没有二极管导通，该时区内，电容向负载放电，按指数规律下降；
B.设二极管在距线电压过零点角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为，而相电压；
C.变压器负边相电流是一个接一个的电流脉冲，其宽度与二极管的导通时间相吻合；
D.变压器负边电流连续的临界条件为。时电流断续。
2.单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次；变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？
答：单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有2K(K=1、2、3……)次谐波，其中幅值最大的是2次谐波。变压器二次侧电流中含有2K+1(K=1、2、3……)次即奇次谐波，其中主要的有3次、5次谐波。
3.三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？
答：三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6K(K=1、2、3……)次谐波，其中幅值最大的是6次谐波。变压器二次侧电流中含有6K+1(K=1、2、3……)次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。

2.单相桥式全控整流电路，＝100V，负载中 R＝2Ω，L 值极大，当＝30°时，要求：(1)作出、、和的波形；
(2)求整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值；
(3)考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。
(4)试计算的3、5、7次谐波分量的有效值、、。
(5) 求电路的输入功率因数。
解：(1) 、、和的波形如图所示：
(2)输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值分别为：

(3)晶闸管承受的最大反向电压为：

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
流过晶闸管的电流有效值为：

晶闸管的额定电流为：

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
(4)已求得输出电流平均值为：
注意到电路为单相全控桥，于是：

(5)基波电流有效值：

基波因数为：

电路的输入功率因数为：

电力电子电路的基本分析方法

1.首先，器件理想化，将电路简化为分段线性电路；
2.器件的每种状态组合，依时序，各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；
3.针对每种线性拓扑列电路方程，并解方程从而得到各电量变化规律；
4.绘制电路中各电量波形；
5.在以上基础上，求解以下问题：
1)器件、负载的电流、电压有效值、平均值以及极值；
2)针对电流、电压波形进行谐波分析。
举例：
1.单相半波可控整流电路。
图1阻感负载时的
单相半波可控整流电路

1.把器件理想化，将电路简化为分段线性电路：
将电路中的变压器、晶闸管以及负载R-L视为“理想器件”。
2.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：
画出VT导通和关断时的电路：
图2阻感负载时的单相半波可控整流电路
a.VT导通时等效电路
b.VT关断时等效电路

3.针对每种线性拓扑列方程，并解方程从而得到各电量变化规律：
在a.VT导通时等效电路中的回路I上应用KVL，有：

在VT导通时刻，有wt=a，id=0，这是方程的初始条件。求解方程并将初始条件代入可得：
由此式可得出波形。
式中，，。
当wt=q+a时，=0，代入上式并整理得：

上式表明，若j为定值，也就是负载不变，控制角a角大，导通角q越小；若a为定值，j越大，q越大 ，且平均值Ud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VDR表示。
注：
一阶线性非齐次常微分方程的通解=其对应的齐次常微分方程的通解+非齐次常微分方程的一个特解。
一阶线性非齐次常微分方程：
其对应的齐次常微分方程：
一阶线性非齐次常微分方程的通解：

式中前一项是齐次微分方程的通解，后一项是非齐次微分方程的一个特解。
可以将我们的方程整理为：

也即：
，，，
代入通解表达式，即可求得所需之解。

4.绘制电路中各电量波形：
导通角
对应VT导通时电路
对应VT截止时电路
对应VT导通时电路

图3电路中各电量波形

讨论：
(1)图中，波形唯一地由方程决定。显然，波形不属于正弦情形。
(2)控制角、导通角以及负载相位角三者之间的关系：
a.参考图4：当时，因为电路没能给负载电感充分充电，过零之后，电路导通时间不足以维持角。此时导通角等于。
θ
图4α>π-ψ时电路波形

b.从图4中容易看出，理想情况下，时，导通角等于。
c.时：参看图3，易得：。
进一步追问，此时等于吗？
显然不是！可以将代入，得，也就是说，只有时，才有等于。
当时，代入得：，也就是导通角小于；
当时，代入得：，也就是导通角大于。
由以上分析可见，对于单相半波可控整流电路，“导通角总是等于”这一判断并不正确。那么对于单相桥式全控整流电路，结论又是怎样的呢？请同学们自行分析之，或许这个就是期末考试中的一道题，… …
5.在以上基础上，求解以下问题：
1)器件、负载的电流、电压有效值、平均值以及极值；
在图3中，考查输出电压波形，知：区间内，，

*输出电压平均值：(因为是直流输出，此处不存在“输出电压有效值”)

*负载电流瞬时值：(已在前面求得)

*负载电流平均值：(可由下式求得。考虑到运算的复杂性，一般只在电路参数明确，表达式简捷的情况下使用。)

*晶闸管电流平均值：与负载电流平均值相同。
*晶闸管电流有效值：

*晶闸管电流最大值：由最大值决定。
*晶闸管承担的最大反向电压：等于变压器副边电压最大值。与晶闸管电流有效值、最大值共同决定电路中晶闸管的选择。
2)针对电流、电压波形进行谐波分析。

谐波分析对于电力电子技术是重要的。在电力系统中，谐波是电能质量中非常重要的指标。通常，我们认为电网中电压总是正弦的，但是电流表现极其复杂。分析电网中电流谐波存在的情况是我们必需面对的问题。
为简便计，我们只分析阻感负载时的单相半波可控整流电路中电压谐波。
让我们重温一下傅得叶级数的有关情况：
“若函数在区间可积，则称
，
，
是函数的傅里叶系数.
以函数的傅里叶系数为系数的三角级数
，
称为函数的傅里叶级数，表述为：
”
在图3中，考查输出电压波形，知：区间内，，

我们相信，可以写成与：

相同的三角级数形式。其中就是：

计算结果比较复杂，此处从略。不过从结果可以看出，各次谐波都不为零。