《电力电子技术》王兆安-.pptx

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影响,3.4 电容滤波不可控整流电路,3.5 整流电路谐波和功率因数,3.6 大功率可控整流电路,3.7 整流电路有源逆变工作状态,3.8 相控电路驱动控制,本章小结,1,1/134,引言,整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早一个，它作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。,整流电路分类,按组成器件可分为,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方向是单向或双向，分为,单拍,电路和,双拍,电路。,2,2/134,3.1 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,3,3/134,3.1.1 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,带电阻负载工作情况,变压器T,起变换电压和隔离作用，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,大小依据需要直流输出电压,u,d,平均值,U,d,确定。,电阻负载特点是,电压与电流成正比，二者波形相同,。,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开通、关断过程，普通认为晶闸管开通与关断过程瞬时完成。,4,4/134,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,但瞬时值改变,脉动直流,，其波形只在,u,2,正半周内出现，故称“半波”整流。加之电路中采取了可控器件晶闸管，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电角度称为导通角。,直流输出电压平均值,伴随,增大，,U,d,减小，该电路中VT,移相范围,为180,。,经过控制触发脉冲,相位,来控制直流输出电压大小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）,55/134,3.1.1 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 带阻感负载单相半波可控整流电路及其波形,带阻感负载工作情况,阻感负载特点是,电感对电流改变有抗拒作用，使得流过电感电流不能发生突变。,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存在使,i,d,不能突变,，,i,d,从0开始增加。,u,2,由正变负过零点处，,i,d,已经处于减小过程中，但还未降到零，所以,VT仍处于通态,。,t,2,时刻，电感能量释放完成，,i,d,降至零，,VT关断并马上承受反压,。,因为电感存在延迟了VT关断时刻，使,u,d,波形出现负部分，与带电阻负载时相比其平均值,U,d,下降。,6,6/134,3.1.1 单相半波可控整流电路,电力电子电路一个基本分析方法,把器件理想化，将电路简化为,分段线性电路,。,器件每种状态组合对应一个,线性电路拓扑,，器件通断状态改变时，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,况等效电路如图3-3所,示图3-3 单相半波可控整流电路分段线性等效电路,a)VT处于关断状态,b)VT处于导通状态,7,7/134,3.1.1 单相半波可控整流电路,VT,b),R,L,u,2,VT处于通态时，以下方程成立：,在VT导通时刻，有,t,=,，,i,d,=0,，这是式（3-2）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所表示,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),8,8/134,3.1.1 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,越靠近零。为处理上述矛,盾，在整流电路负载两端并联一,个二极管，称为,续流二极管,，用,VD,R,表示。,有续流二极管电路,电路分析,u,2,正半周时，与没有续流二极管,时情况是一样。,当,u,2,过零变负时，V,DR,导通，,u,d,为零，此时为负,u,2,经过VD,R,向VT,施加反压使其关断，L储存能量保,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,wt,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电路及波形,9,9/134,基本数量关系,流过晶闸管电流平均值,I,dT,和有效值,I,T,分别为：,续流二极管电流平均值,I,dDR,和有效值,I,DR,分别为,其移相范围为180,，其承受最大正反向电压均为,u,2,峰值即 。,续流二极管承受电压为-,u,d,，其最大反向电压为 ，亦为,u,2,峰值。,单相半波可控整流电路特点是简单，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，增大了设备容量。,3.1.1 单相半波可控整流电路,(3-5),(3-6),(3-7),(3-8),10,10/134,3.1.2 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,带电阻负载时电路及波形,a),带电阻负载工作情况,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,=0处为,t,=,11,11/134,基本数量关系,晶闸管承受最大,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,移相范围,为,180,。,向负载输出直流电流平均值为：,3.1.2 单相桥式全控整流电路,(3-9),(3-10),12,12/134,流过晶闸管电流平均值：,流过晶闸管电流有效值为：,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：,不考虑变压器损耗时，要求变压器容量为,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),13,13/134,3.1.2 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电路及波形,带阻感负载工作情况,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，因为电感作用晶闸管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,经过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,电流快速转移到VT,2,和VT,3,上，此过程称为,换相,，亦称,换流,。,14,14/134,3.1.2 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,波形为正负各,180,矩形波，其相位由,角决定，有效值,I,2,=,I,d,。,(3-15),15,15/134,带反电动势负载时工作情况,当负载为蓄电池、直流电动机电枢（忽略其中电感）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，今后,u,d,=,E,。,与电阻负载时相比，晶闸管提前了,电角度,停顿导电，,称为,停顿导电角,。,当,30,当导通一相相电压过零变负时，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,。,30,30/134,3.2.1 三相半波可控整流电路,基本数量关系,电阻负载时,角,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),31,31/134,3.2.1 三相半波可控整流电路,U,d,/,U,2,随,改变规律,图3-16 三相半波可控整流电路,U,d,/,U,2,与,关系,电阻负载,电感负载,电阻电感负载,32,32/134,3.2.1 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最大电压等于变压器二次相电压峰值，即,(3-20),(3-21),(3-22),33,33/134,3.2.1 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,波形基本是平直，流过晶闸管电流靠近,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，因为电感存在，阻止电流下降，因而,VT1,继续导通，直到下一相晶闸管,VT,2,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，阻感负载时电路及,=60,时波形,34,34/134,3.2.1 三相半波可控整流电路,基本数量关系,移相范围,为,90,。,整流电压平均值,U,d,/,U,2,与,关系,L,很大，如曲线2所表示。,L,不是很大，则当,30,后，,u,d,中负部分可能降低，整流电压平均值,U,d,略为增加，如曲线3 所表示。,图3-16 三相半波可控整流电路,U,d,/,U,2,与,关系,35,35/134,3.2.1 三相半波可控整流电路,变压器二次电流即晶闸管电流有效值为,晶闸管额定电流为,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),36,36/134,3.2.2 三相桥式全控整流电路,原理图,阴极连接在一起3个晶闸管（,VT,1,，,VT,3,，,VT,5,）称为,共阴极组,；阳极连接在一起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3个晶闸管分别为VT,4,，VT,6,，VT,2,。,晶闸管导通次序为,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,37,37/134,3.2.2 三相桥式全控整流电路,带电阻负载时工作情况,电路分析,各自然换相点既是,相电压,交点，同时也是,线电压,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,波形形状是一样，也,连续,。,=0,时，,u,d,为线电压在正半周,包络线,。波形见,图3-19,时段,共阴极组中导通晶闸管,VT,1,VT,1,VT,3,VT,3,VT,5,VT,5,共阳极组中导通晶闸管,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,38,38/134,3.2.2 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,每一段线电压所以推迟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,时波形见,图3-22,。,39,39/134,3.2.2 三相桥式全控整流电路,三相桥式全控整流电路一些特点,每个时刻均需,2个,晶闸管同时导通，形成向负载供电回路，共阴极组和共阳极组,各1个,，且不能为同一相晶闸管。,对触发脉冲要求,6个晶闸管脉冲按,VT,1,-VT,2,-VT,3,-VT,4,-VT,5,-VT,6,次序，相位依次差,60,。,共阴极组VT,1,、VT,3,、VT,5,脉冲依次差,120,，共阳极组VT,4,、VT,6,、VT,2,也依次差,120,。,同一相上下两个桥臂，即VT,1,与VT,4,，VT,3,与VT,6,，VT,5,与VT,2,，脉冲相差,180,。,40,40/134,3.2.2 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,，每次脉动波形都一样，故该电路为,6脉波整流电路,。,在整流电路合闸开启过程中或电流断续时，为确保电路正常工作，需确保同时导通,2,个晶闸管都有脉冲,宽脉冲,触发：使脉冲宽度大于60,（普通取80,100,）,双脉冲,触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲前沿相差60脉宽普通为20,30,。,惯用是双脉冲触发。,晶闸管承受电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压关系也一样。,41,41/134,3.2.2 三相桥式全控整流电路,阻感负载时工作情况,电路分析,当,60,时,u,d,波形连续，电路工作情况与带电阻负载时十分相同，各晶闸管通断情况、输出整流电压,u,d,波形、晶闸管承受电压波形等都一样。,区分在于,电流,，,当电感足够大时候，,i,d,、,i,VT,、,i,a,波形在导通段都可近似为一条水平线。,=0,时波形见,图3-23,，,=30时波形见,图3-24,。,当,60,时,因为电感,L,作用，,u,d,波形会出现,负部分,。,=90,时波形见,图3-25,。,42,42/134,3.2.2 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,角移相范围是,120,，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路,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),43,43/134,3.2.2 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中所表示采取,星形接法,，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图3-23中所表示，为正负半周各宽120,、前沿相差180,矩形波，其有效值为：,晶闸管电压、电流等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,I,d,为：,式中,R,和,E,分别为负载中电阻值和反电动势值。,(3-28),(3-29),44,44/134,3.3 变压器漏感对整流电路影响,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电感,L,B,表示，并将其折算到,变压器二次侧,。,因为电感对电流改变起妨碍作用，电感电流不能突变，所以,换相,过程不能瞬间完成，而是会,连续一段时间,。,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,。,45,45/134,3.3 变压器漏感对整流电路影响,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,过程,在,t,1,时刻之前VT,1,导通，,t,1,时刻触发VT,2,，因a、b两相都有漏感，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,，它在两相组成回路中产生,环流,i,k,如图所表示。,i,k,=i,b,是逐步增大，而,i,a,=I,d,-i,k,是逐步减小。,当,i,k,增大到等于,I,d,时，,i,a,=,0,，,VT,1,关断，换流过程结束。,换相过程连续时间用电角度,表示，称为,换相重合角,。,t,1,时刻,图3-26 考虑变压器漏感时三相半波可控整流电路及波形,46,46/134,3.3 变压器漏感对整流电路影响,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,平均值降低多少，即,(3-30),(3-31),47,47/134,3.3 变压器漏感对整流电路影响,换相重合角,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),48,48/134,3.3 变压器漏感对整流电路影响,随其它参数改变规律：,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 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合角计算,49,49/134,3.3 变压器漏感对整流电路影响,变压器漏感对整流电路影响一些结论:,出现换相重合角,，整流输出电压平均值,U,d,降低。,整流电路工作状态增多。,晶闸管,d,i,/d,t,减小，有利于晶闸管安全开通，有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管,d,i,/d,t,。,换相时晶闸管电压出现缺口，产生正,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,。,50,50/134,3.3 变压器漏感对整流电路影响,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,值并作出,u,d,、,i,VD,和,i,2,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时情况。,U,d,3.34,U,2,cos,U,d,U,d,3,X,B,I,d,I,d,U,d,R,解方程组得：U,d,3.34,U,2,cos,（1,3X,B,/,R,）486.9（V）,I,d,97.38（A）,又 =2 ,U,2,即得出 =0.892,换流重合角,26.93,二极管电流和变压器二次测电流有效值分别为,I,VD,I,d,397.38333.46（A）,I,2a,I,d,79.51（A）,u,d,、,i,VD1,和,i,2a,波形如,图3-27,所表示。,51,51/134,3.4 电容滤波不可控整流电路,3.4.1 电容滤波单相不可控整流电路,3.4.2 电容滤波三相不可控整流电路,52,52/134,3.4 电容滤波不可控整流电路,引言,交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场所大都采取,不可控整流电路,。,最惯用是,单相桥式,和,三相桥式,两种接法。,因为电路中电力电子器件采取,整流二极管,，故也称这类电路为,二极管整流电路,。,53,53/134,3.4.1 电容滤波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,断续和连续条件。,通常只有,R,是可变，它大小反应了,负载轻重,，所以在,轻载,时直流侧取得充电电流是,断续,，,重载,时是,连续,。,a),b),w,t,w,t,w,t,w,t,a,i,d,a,i,d,O,O,O,O,图3-33电容滤波三相桥式整流电路当,RC,等于和小于时 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、整流输出电压数学表示式以下：,(3-97),(3-98),t,1,时刻,86,86/134,3.6.1 带平衡电抗器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波形和平衡电抗器上电压波形,图3-40 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电情况,即使,u,d1,u,d2,，但因为,L,p,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,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。,每一组中每一个晶闸管仍按,三相半波导电规律,而各轮番导电。,平衡电抗器中点作为整流电压输出负端，其输出整流电压瞬时值为两组三相半波整流电压瞬时值平均值。,t,u,p,u,d1,u,d2,O,O,60,360,t,1,t,b),a),u,a,u,b,u,c,u,c,u,a,u,b,u,b,87,87/134,3.6.1 带平衡电抗器双反星形可控整流电路,谐波分析,将图3-38中,u,d1,和,u,d2,波形用傅氏级数展开，可得当,=0,时,u,d1,、,u,d2,，即,由式3-97）和（3-98）可得,负载电压,u,d,中,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),88,88/134,3.6.1 带平衡电抗器双反星形可控整流电路,。,90,=,a,。,60,=,a,。,30,=,a,u,d,u,d,u,d,w,t,O,w,t,O,w,t,O,u,a,u,b,u,c,u,c,u,a,u,b,u,b,u,c,u,c,u,a,u,b,u,b,u,c,u,c,u,a,u,b,=30,、,=60,和,=90,时输出电压波形分析,当需要分析各种控制角时输出波形时，可依据式（3-98）先求出两组三相半波电路,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，双反星形电路输出电压波形,U,2,cos,89,89/134,3.6.1 带平衡电抗器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,U,d,是三相桥,1/2,，而,I,d,是单相桥,2,倍。,两种电路中，晶闸管导通及触发脉冲分配关系一样，,u,d,和,i,d,波形形状一样。,90,90/134,3.6.2 多重化整流电路,可采取多重化整流电路减轻整流装置所产生谐波、无功功率等对电网,干扰,，将几个整流电路多重联结能够降低交流侧输入,电流谐波,，而对晶闸管多重整流电路采取次序控制方法可提升,功率因数,。,移相多重联结,有,并联多重联结,和,串联多重联结,。,可降低,输入电流谐波,，减小,输出电压,中,谐波,并提升,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组整流器电流。,图3-42电路是,2个三相桥并联而成,12脉波整流电路,。,图3-42 并联多重联结12脉波整流电路,91,91/134,3.6.2 多重化整流电路,图3-43 移相30,串联2重联结电路,移相30,组成串联2重联结电路,整流变压器二次绕组分别采取星形和三角形接法组成,相位相差30,、大小相等,两组电压，接到相互,串联,2组整流桥。,因绕组接法不一样，变压器一次绕组和两组二次绕组匝比如图所表示，为1:1:。,该电路为,12脉波,整流电路。,星形接法,三角形接法,92,92/134,其它特征以下：,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,分别以下：,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）,93,93/134,3.6.2 多重化整流电路,利用变压器二次绕阻接法不一样，相互错开20,，可将三组桥组成,串联3重联结电路,整流变压器采取星形三角形组合无法移相20,，需采取,波折接法,。,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,脉动也更小。,输入位移因数和功率因数分别为：,cos,1,=cos,=0.9949cos,将整流变压器二次绕组移相15,，可组成,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,采取多重联结方法并不能提升,位移因数,，但可使,输入电流谐波,大幅减小，从而也能够在一定程度上提升,功率因数,。,94,94/134,3.6.2 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重联结电路及次序控制时波形,多重联结电路次序控制,只对一个桥,角进行控制,，其余各桥工作状态则依据需要输出整流电压而定，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。,依据所需总直流输出电压,从低到高,改变，按次序依次对各桥进行控制，因而被称为,次序控制,。,以用于电气机车3重晶闸管整流桥次序控制为例,当需要输出直流电压低于三分之一最高电压时，只对,第I组桥,角,进行控制，同时VT,23,、VT,24,、VT,33,、VT,34,保持导通，这么第II、III组桥直流输出电压就为零。,95,95/134,3.6.2 多重化整流电路,当需要输出直流电压到达三分之一最高电压时，,第I组桥,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,角固定为0,，VT,33,和VT,34,维持导通，仅对,第II组桥,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,角固定为0,，仅对,第III组桥,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重联结电路及次序控制时波形,a）,96,96/134,3.6.2 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部分，可采取以下控制方法,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VT11,关断，经过,VT,13,、,VT,14,续流，桥输出电压为零而不出现负部分。,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，桥输出电压为零。,次序控制电流波形中，正（或负）半周期内前后四分之一周期波形不对称，所以含有一定,偶次谐波,，但其基波分量比电压滞后少，因而,位移因数,高，从而提升了总,功率因数,。,97,97/134,3.7 整流电路有源逆变工作状态,3.7.1 逆变概念,3.7.2 三相桥整流电路,有源逆变工作状态,3.7.3 逆变失败与最小逆,变角限制,98,98/134,3.7.1 逆变概念,什么是逆变？为何要逆变？,逆变（invertion）,：把直流电转变成交流电过程。,逆变电路：把直流电逆变成交流电电路。,当交流侧和电网连结时，为,有源逆变,电路。,变流电路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,。,99,99/134,3.7.1 逆变概念,图3-46 直流发电机电动机之间电能流转,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，因为,R,普通都很小，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流向电动势低，因为回路电阻很小，即使很小电动势差值也能产生大电流，使两个电动势之间交换很大功率，这对分析有源逆变电路是十分有用。,100,100/134,3.7.1 逆变概念,E,M,逆变产生条件,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,，,范围在,0,/2,间，直流侧输出,U,d,为正值，而且,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，因为晶闸管器件,单向导电性,，电路内,I,d,方向依然不变，而M轴上输入机械能转变为电能反送给G，只能改变,E,M,极性,，为了防止两电动势顺向串联，,U,d,极性,也必须反过来，故,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。,二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电动势，故不能实现有源逆变，欲实现有源逆变，只能采取,全控电路,。,102,102/134,3.7.2 三相桥整流电路有源逆变工作状态,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电压波形,逆变角,通常把,/2,时控制角用,-=,表示，,称为逆变角,。,大小自,=0,起始点向,左方,计量。,三相桥式电路工作于有源逆变状态，不一样逆变角时输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图3-48所表示。,103,103/134,3.7.2 三相桥整流电路有源逆变工作状态,基本数量关系,三相桥式电路输出电压,U,d,=-3.34U,2,cos,=-1.35U,2,Lcos,输出直流电流平均值,流过晶闸管电流有效值,从交流电源送到直流侧负载有功功率为,变压器二次侧线电流有效值,当逆变工作时，因为,E,M,为负值，故,P,d,普通为负值,，表示功率由直流电源输送到交流电源。,(3-105),(3-106),(3-107),(3-108),104,104/134,3.7.3 逆变失败与最小逆变角限制,逆变运行时，一旦发生换相失败，外接直流电源就会经过晶闸管电路形成短路，或者使变流器输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，因为逆变电路内阻很小，形成很大短路电流，这种情况称为,逆变失败,，或称为,逆变颠覆,。,逆变失败原因,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，该断时不停，或该通时不通。,交流电源,缺相或突然消失。,换相,裕量角,不足，引发换相失败。,105,105/134,3.7.3 逆变失败与最小逆变角限制,u,d,O,O,i,d,w,t,w,t,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,p,b,g,b,g,i,VT,1,i,VT,i,VT,3,i,VT,i,VT,3,2,2,考虑变压器漏抗引发重合角对逆变