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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：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wt0时id0可解方程得：=22.51(A)ud与id的波形如下图：当60时，在u2正半周期60180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180300期间释放，因此在u2一个周期中60300期间以下微分方程成立：考虑初始条件：当wt60时id0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）期间无晶闸管导通，输出电压为0；（）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；()期间，均无晶闸管导通，输出电压为0；(2)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：（）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；（2）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=2，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Ud0.9U2cos0.9200cos45127.28(A)Id(UdE)/R(127.28100)/213.64(A)I2Id13.64(A)(3)晶闸管承受的最大反向电压为：U2200282.2（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVTId9.65（A）故晶闸管的额定电压为：UN(23)282.2564.4846.6（V）晶闸管的额定电流为：IN(1.52)9.651.571013（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=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=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060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=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=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=5，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Ud1.17U2cosa1.17100cos6058.5（V）IdUdR58.5511.7（A）IdVTId311.733.9（A）IVTId6.755（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 R2，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。图4-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。