諧波和無功功率分析基礎

1、整流電路的諧波和功率因數(shù)整流電路的諧波和功率因數(shù)3.5.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎3.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧 波和功率因數(shù)分析波和功率因數(shù)分析3.5.3 電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析波和功率因數(shù)分析3.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析 3.5.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎2/131諧波諧波 正弦波正弦波電壓可表示為電壓可表示為 式中式中U為電壓有效值；為電壓有效值； u為初相角；為初相角； 為角頻率，為角頻率， =2 f

2、=2 /T；f為頻率；為頻率； T為周期。為周期。 非正弦非正弦電壓電壓u( t)分解為如下形式的傅里葉級數(shù)分解為如下形式的傅里葉級數(shù) 3.5.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎)sin(2)(utUtuutaan tbn tnnn()(cossin)01式中式中200)(d)(21ttua20)(dcos)(1ttntuan20)(dsin)(1ttntubnn=1, 2, 3(3-54)(3-55)3/1313.5.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎或或utacntnnn()sin()01式中，式中，cn、 n和和an、bn的關系為的關系為cabnnn22nnn

3、arctg ab(/)acnnnsinbcnnncos基波（基波（fundamental）：頻率與工頻相同的分量。：頻率與工頻相同的分量。 諧波諧波：頻率為基波頻率大于：頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。整數(shù)倍的分量。 諧波次數(shù)諧波次數(shù)：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。 n次諧波電流含有率以次諧波電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表）表示示 HRIIInn1100(%)電流諧波總畸變率電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）分別定義為）分別定義為（Ih為總諧波電流有效值）為總諧波電流有效值） (%)

4、1001IITHDhi(3-56)(3-57)(3-58)4/1313.5.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎功率因數(shù)功率因數(shù) 正弦電路正弦電路 有功功率就是其平均功率：有功功率就是其平均功率： 20cos)(21IUtiduP式中式中U、I分別為電壓和電流的有效值，分別為電壓和電流的有效值， 為電流滯后于電壓的相為電流滯后于電壓的相位差。位差。視在功率為：視在功率為： S=UI 無功功率無功功率為：為： Q=UIsin 功率因數(shù)為：功率因數(shù)為： SP無功功率無功功率Q與有功功率與有功功率P、視在功率、視在功率S之間的關系：之間的關系： 222QPS在正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓

5、和電流的相位差在正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差 決定的，其決定的，其值為：值為： =cos (3-59)(3-60)(3-61)(3-62)(3-63)(3-64)5/13122PSQ3.5.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎11cosIUP 非正弦電路非正弦電路 有功功率有功功率為為功率因數(shù)為：功率因數(shù)為：式中式中I1為基波電流有效值，為基波電流有效值， 1為基波電流與電壓的相位為基波電流與電壓的相位差。差。11111coscoscosIIUIUISP式中，式中， =I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為，即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為基波基波

6、因數(shù)因數(shù)，而，而cos 1稱為稱為位移因數(shù)位移因數(shù)或或基波功率因數(shù)基波功率因數(shù)。 無功功率無功功率 定義很多，但尚無被廣泛接受的科學而權(quán)威的定義。定義很多，但尚無被廣泛接受的科學而權(quán)威的定義。 一般簡單定義為（反映了能量的流動和交換）：一般簡單定義為（反映了能量的流動和交換）： 仿照式（仿照式（2-61）定義為：）定義為： 畸變功率畸變功率D為：為：22222nnfIUQPSD(3-65)(3-66)(3-67)(3-68)(3-71)11sinIQUf6/1313.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析分析單相橋式全控整流電路單相

7、橋式全控整流電路 電流波形如圖電流波形如圖3-6所示，將電流波形分解為傅里葉級數(shù)，可得所示，將電流波形分解為傅里葉級數(shù)，可得 ,5, 3, 1,5, 3, 12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnnddtnItnnItttIi其中基波和各次諧波有效值其中基波和各次諧波有效值為為 nIIdn22n=1,3,5, 可見，電流中僅含可見，電流中僅含奇次諧波奇次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。 圖圖3-6 i2的波形的波形(3-72)(3-73)7/1313.5.2

8、帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析分析功率因數(shù)功率因數(shù) 基波電流有效值為基波電流有效值為IId12 2i2的有效值的有效值I=Id，可得基波因數(shù)為，可得基波因數(shù)為 II12 209 .電流基波與電壓的相位差就等于電流基波與電壓的相位差就等于控制角控制角 ，故位移因數(shù)為，故位移因數(shù)為 coscos11功率因數(shù)為功率因數(shù)為cos9 . 0cos22cos111II(3-74)(3-75)(3-76)(3-77)8/1313.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析分析圖圖3-24

9、ia的波形的波形三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路 以以 =30 為例，電流有效值為例，電流有效值為為 dII32電流波形分解為傅立葉級數(shù)電流波形分解為傅立葉級數(shù) 3,2, 11613,2, 116asin2) 1(sin2sin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknnkkknkdddtnItItnnItItttttIi(3-78)(3-79)9/1313.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)帶阻感負載時可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析分析由式（由式（3-79）可得電流基波和各次諧波有效值分別）可得電流基波和各

10、次諧波有效值分別為為, 3 , 2 , 1, 16,661kknInIIIdnd結(jié)論：電流中僅含結(jié)論：電流中僅含6k 1（k為正整數(shù)）次諧波為正整數(shù)）次諧波，各次諧波有效值與，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。 功率因功率因數(shù)數(shù)基波因數(shù)基波因數(shù)為為955. 031II電流基波與電壓的相位差仍為電流基波與電壓的相位差仍為 ，故位移因數(shù)仍，故位移因數(shù)仍為為 coscos11功率因數(shù)為功率因數(shù)為cos995. 0cos3cos111II(3-80)(3-81)(3-82)(3-83)10/1313.5.3 電容

11、濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析波和功率因數(shù)分析單相橋式不可控整流電路單相橋式不可控整流電路 采用采用感容濾波感容濾波。 電容濾波的單相不可控整流電路交流側(cè)諧波組成有如電容濾波的單相不可控整流電路交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：下規(guī)律： 諧波次數(shù)為諧波次數(shù)為奇次奇次。 諧波次數(shù)越高，諧波諧波次數(shù)越高，諧波幅值幅值越小。越小。 諧波與基波的關系是不固定的。諧波與基波的關系是不固定的。 越大，則諧波越小。越大，則諧波越小。 關于功率因數(shù)的結(jié)論如下：關于功率因數(shù)的結(jié)論如下： 位移因數(shù)接近位移因數(shù)接近1，輕載輕載超前，超前，重載重載滯后。滯后。 諧波大小受諧波大小

12、受負載負載和和濾波電感濾波電感的影響。的影響。LC11/1313.5.3 電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析波和功率因數(shù)分析三相橋式不可控整流電路三相橋式不可控整流電路 有濾波電感。有濾波電感。 交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律： 諧波次數(shù)為諧波次數(shù)為6k1次次，k =1，2，3。 諧波次數(shù)越高，諧波諧波次數(shù)越高，諧波幅值幅值越小。越小。 諧波與基波的關系是不固定的。諧波與基波的關系是不固定的。 關于功率因數(shù)的結(jié)論如下：關于功率因數(shù)的結(jié)論如下： 位移因數(shù)通常是位移因數(shù)通常是滯后滯后的的,但與單相時相比但與單相時相比,位位移因數(shù)更接

13、近移因數(shù)更接近1。 隨隨負載負載加重（加重（ RC的減?。?，總的功率因的減?。?，總的功率因數(shù)提高；同時，隨數(shù)提高；同時，隨濾波電感濾波電感加大，總功率因數(shù)也加大，總功率因數(shù)也提高。提高。12/1313.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析圖圖3-35 =0 時，時，m脈波整流電路的整流電壓波形脈波整流電路的整流電壓波形整流電路的輸出電壓是周期性的非正弦函數(shù)，其中主要成分為直流，整流電路的輸出電壓是周期性的非正弦函數(shù)，其中主要成分為直流，同時包含各種頻率的諧波，這些諧波對于負載的工作是不利的。同時包含各種頻率的諧波，這些諧波對于負載的工作是不利的。 =0 時，時，m脈

14、波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析分析 整流電壓表達式為整流電壓表達式為tuUdcos220(3-84)13/1313.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析對該整流輸出電壓進行傅里葉級數(shù)分解，得出：對該整流輸出電壓進行傅里葉級數(shù)分解，得出：tnnkUtnbUumkndmknnddcos1cos21cos2000式中，式中，k=1，2，3；且：；且：mmUUdsin220021cos2dnUnkb電壓紋波因數(shù)電壓紋波因數(shù) 0dRuUU其中其中2022dmknnRUUUU(3-85)(3-86)(3-87)(3-88)(3-8

15、9)14/1313.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析m23612 u（%） 48.218.274.180.9940mmUtdtUmUmm22sin1)()cos2(2222將上述式（將上述式（3-89）、（）、（3-90）和（）和（3-86）代入（）代入（3-88）得）得 12222012sinsin24sinRudmmmmUmUm表表3-3 不同脈波數(shù)不同脈波數(shù)m時的電壓紋波因數(shù)值時的電壓紋波因數(shù)值(3-90)(3-91)15/1313.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析負載電流的傅里葉級數(shù)負載電流的傅里葉級數(shù) )cos(nmkn

16、nddtndIi上式中：上式中： REUIdd022)(LnRbzbdnnnnRLnn1tan(3-92)(3-93)(3-94)(3-95)16/1313.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析 =0 時整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：時整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律： m脈波整流電壓脈波整流電壓ud0的的諧波次數(shù)諧波次數(shù)為為mk（k=1，2，3.）次，即次，即m的倍數(shù)次；的倍數(shù)次；整流電流整流電流的諧波由整流電壓的諧波的諧波由整流電壓的諧波決定，也為決定，也為mk次。次。 當當m一定時，隨一定時，隨諧波次數(shù)諧波次數(shù)增大，諧波增大，諧波幅值幅值迅速減小，表迅速減

17、小，表明最低次（明最低次（m次）諧波是最主要的，其它次數(shù)的諧波相次）諧波是最主要的，其它次數(shù)的諧波相對較少；當負載中有對較少；當負載中有電感電感時，負載電流諧波幅值時，負載電流諧波幅值dn的減的減小更為迅速。小更為迅速。 m增加時，增加時，最低次諧波次數(shù)最低次諧波次數(shù)增大，且增大，且幅值幅值迅速減小，迅速減小，電電壓紋波因數(shù)壓紋波因數(shù)迅速下降。迅速下降。 17/1313.5.4 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流輸出電壓和電流的諧波分析 不為不為0 時的情況時的情況 整流電壓分解為傅里葉級數(shù)為：整流電壓分解為傅里葉級數(shù)為： 以以n為參變量，為參變量，n次諧波幅值對次諧波幅值對 的關系如圖的關系如

18、圖3-36所示：所示： 當當 從從0 90 變化時，變化時，ud的的諧波幅諧波幅 值隨值隨 增大而增大，增大而增大， =90 時諧波時諧波幅值最大幅值最大。 從從90 180 之間電路工作之間電路工作于有源逆變工作狀態(tài)，于有源逆變工作狀態(tài)，ud的諧波幅的諧波幅值隨值隨 增大而減小。增大而減小。 )cos(6nknnddtncUu030120150180600.10.20.390n=6n=12n=18/()U2Lcn2圖圖3-36 三相全控橋電流連續(xù)時，以三相全控橋電流連續(xù)時，以n為參變量的為參變量的 與與 的關系的關系lnUc22(3-96)18/1313.6.1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整

19、流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路電路分析電路分析 電路結(jié)構(gòu)的特點電路結(jié)構(gòu)的特點 二次側(cè)為兩組匝數(shù)相同二次側(cè)為兩組匝數(shù)相同極性極性相反相反的繞阻，分別接成兩組的繞阻，分別接成兩組三相半三相半波電路波電路。 二次側(cè)兩繞組的極性相反可二次側(cè)兩繞組的極性相反可消除鐵芯的消除鐵芯的直流磁化直流磁化，如，如圖圖3-38，雖然兩組相電流的瞬時值不同，但雖然兩組相電流的瞬時值不同，但是平均電流相等而繞組的極性相反，是平均電流相等而繞組的極性相反，所以直流安匝互相抵消。所以直流安匝互相抵消。 平衡電抗器平衡電抗器保證兩組三相半保證兩組三相半波整流電路能同時導電。波整流電路能同時導電。 與三相橋式電路相比

20、，雙反與三相橋式電路相比，雙反星形電路的星形電路的輸出電流可大一倍輸出電流可大一倍。圖圖3-37 帶平衡電抗器的帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路雙反星形可控整流電路19/1313.6.1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路平衡電抗器平衡電抗器 接平衡電抗器的原因接平衡電抗器的原因 兩個直流電源并聯(lián)運行時，只有當兩個直流電源并聯(lián)運行時，只有當電壓平均值電壓平均值和和瞬時值瞬時值均相等均相等 時，時，才能使才能使負載均流負載均流，在雙反星形電路中，兩組整流電壓平均值相等，但，在雙反星形電路中，兩組整流電壓平均值相等，但瞬時值不等。瞬時值不等。 兩個星形的中點兩個

21、星形的中點n1和和n2間的電壓等于間的電壓等于ud1和和ud2之差，該電壓加在之差，該電壓加在Lp上，產(chǎn)生電流上，產(chǎn)生電流ip，它通過兩組星形自成回路，不流到負載中去，稱為，它通過兩組星形自成回路，不流到負載中去，稱為環(huán)流或平衡電流環(huán)流或平衡電流。 為了使兩組電流盡可能平均分配，一般使為了使兩組電流盡可能平均分配，一般使Lp值足夠大，以便限制值足夠大，以便限制環(huán)流在負載額定電流的環(huán)流在負載額定電流的1%2%以內(nèi)。以內(nèi)。 雙反星形電路中如不接平衡電抗器，即成為雙反星形電路中如不接平衡電抗器，即成為六相半波整流電路六相半波整流電路。 六相半波整流電路中，只能有一個晶閘管導電，其余五管均阻斷，六相半

22、波整流電路中，只能有一個晶閘管導電，其余五管均阻斷，每管最大導通角為每管最大導通角為60 ，平均電流為，平均電流為Id/6；當；當 =0 時，時，Ud為為1.35U2，比，比三相半波時的三相半波時的1.17U2略大些；因略大些；因晶閘管導電時間晶閘管導電時間短，短，變壓器利用率變壓器利用率低，低，極少采用。極少采用。20/1313.6.1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路 tupud1,ud2OO60360 t1 tb)a)uaubucucuaubub圖圖3-39 平衡電抗器作用下輸出電壓的平衡電抗器作用下輸出電壓的波形和平衡電抗器上電壓的波形波形和平衡電抗

23、器上電壓的波形圖圖3-40 平衡電抗器作用下兩平衡電抗器作用下兩個晶閘管同時導電的情況個晶閘管同時導電的情況平衡電抗器的工作平衡電抗器的工作原理分析原理分析 平衡電抗器平衡電抗器Lp承擔了承擔了n1、n2間的電位差，它補償了間的電位差，它補償了ub和和ua的電動勢差的電動勢差，使得，使得ub和和ua兩相的晶閘管能同兩相的晶閘管能同時導電。時導電。 t1時，時， ubua，VT6導導通，此電流在流經(jīng)通，此電流在流經(jīng)LP時，時，LP上要感應一電動勢上要感應一電動勢up，其，其方向是要方向是要阻止電流增大阻止電流增大?？蓪С隹蓪С鯨p兩端電壓、整流輸兩端電壓、整流輸出電壓的數(shù)學表達式如下：出電壓的數(shù)

24、學表達式如下：12ddpuuu2112111()222ddpdpdduuuuuuu(3-97)(3-98) t1時刻時刻21/1313.6.1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路圖圖3-39 平衡電抗器作用下輸出電壓的平衡電抗器作用下輸出電壓的波形和平衡電抗器上電壓的波形波形和平衡電抗器上電壓的波形圖圖3-40 平衡電抗器作用下兩平衡電抗器作用下兩個晶閘管同時導電的情況個晶閘管同時導電的情況雖然雖然ud1ud2，但由于，但由于Lp的平衡作用，的平衡作用，使得晶閘管使得晶閘管VT6和和VT1同時導通。同時導通。時間推遲至時間推遲至ub與與ua的交點時，的交點時，

25、ub =ua，up=0。之后之后ub ub，電流才從，電流才從VT6換至換至VT2，此時此時VT1、VT2同時導電。同時導電。每一組中的每一個晶閘管仍按每一組中的每一個晶閘管仍按三相三相半波的導電規(guī)律半波的導電規(guī)律而各輪流導電。而各輪流導電。平衡電抗器中點作為整流電壓輸出平衡電抗器中點作為整流電壓輸出的負端，其輸出的整流電壓瞬時值為的負端，其輸出的整流電壓瞬時值為兩組三相半波整流電壓瞬時值的平均兩組三相半波整流電壓瞬時值的平均值。值。 tupud1,ud2OO60360 t1 tb)a)uaubucucuaubub22/1313.6.1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形

26、可控整流電路諧波分析諧波分析 將圖將圖3-38中中ud1和和ud2的波形用傅氏級數(shù)展開，可得當?shù)牟ㄐ斡酶凳霞墧?shù)展開，可得當 =0 時的時的ud1、ud2，即，即9cos4016cos3523cos411 26321 tttUud9cos4016cos3523cos411 263)60(9cos401)60(6cos352)60( 3cos411 263222 tttUtttUud由式（由式（3-97）和（）和（3-98）可得）可得 9cos2013cos212632 ttUup6cos3521 2632 tUud 負載電壓負載電壓ud中的中的諧波分量諧波分量比比直流分量直流分量要小得多，而且要

27、小得多，而且最低次諧波最低次諧波為為六次六次諧波。諧波。 直流平均電壓為直流平均電壓為 22017. 1)2(63UUUd(3-99)(3-100)(3-101)(3-102)23/1313.6.1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路。90。60。30udududtOtOtOuaubucucuaububucucuaububucucuaub =30 、 =60 和和 =90 時輸出時輸出電壓的波形分析電壓的波形分析 當需要分析各種控制角時的當需要分析各種控制角時的輸出波形時，可根據(jù)式（輸出波形時，可根據(jù)式（3-98）先求出兩組三相半波電路的先求出兩組三相半波電路

28、的ud1和和ud2波形，然后做出波形波形，然后做出波形(ud1+ud2)/2。 輸出電壓波形與三相半波電輸出電壓波形與三相半波電路比較，路比較，脈動程度減小了脈動程度減小了，脈動脈動頻率加大一倍頻率加大一倍，f=300Hz。 在電感負載情況下，移相范在電感負載情況下，移相范圍是圍是90 。 在電阻負載情況下，移相范在電阻負載情況下，移相范圍為圍為120 。 整流電壓平均值為整流電壓平均值為Ud=1.17圖圖3-41 當當 =30 、60 、90 時，雙時，雙反星形電路的輸出電壓波形反星形電路的輸出電壓波形U2cos 24/1313.6.1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星

29、形可控整流電路將雙反星形電路與三相橋式電路進行比較可得出將雙反星形電路與三相橋式電路進行比較可得出以下結(jié)論以下結(jié)論 三相橋為兩組三相半波三相橋為兩組三相半波串聯(lián)串聯(lián)，而雙反星形為兩組三相，而雙反星形為兩組三相半波半波并聯(lián)并聯(lián)，且后者需用，且后者需用平衡電抗器平衡電抗器。 當當U2相等時，雙反星形的相等時，雙反星形的Ud是三相橋的是三相橋的1/2，而，而Id是單是單相橋的相橋的2倍。倍。 兩種電路中，晶閘管的導通及觸發(fā)脈沖的分配關系一兩種電路中，晶閘管的導通及觸發(fā)脈沖的分配關系一樣，樣，ud和和id的波形形狀一樣。的波形形狀一樣。25/1313.6.2 多重化整流電路多重化整流電路可采用多重化整

30、流電路減輕整流裝可采用多重化整流電路減輕整流裝置所產(chǎn)生的諧波、無功功率等對電網(wǎng)置所產(chǎn)生的諧波、無功功率等對電網(wǎng)的的干擾干擾，將幾個整流電路多重聯(lián)結(jié)可，將幾個整流電路多重聯(lián)結(jié)可以減少交流側(cè)輸入以減少交流側(cè)輸入電流諧波電流諧波，而對晶，而對晶閘管多重整流電路采用順序控制的方閘管多重整流電路采用順序控制的方法可提高法可提高功率因數(shù)功率因數(shù)。 移相多重聯(lián)結(jié)移相多重聯(lián)結(jié) 有有并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)和和串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)。 可減少可減少輸入電流諧波輸入電流諧波，減小，減小輸出輸出電壓電壓中的中的諧波諧波并提高并提高紋波頻率紋波頻率，因而，因而可減小平波電抗器?？蓽p小平波電抗器。 使用使用平衡電抗器

31、平衡電抗器來平衡來平衡2組整流組整流器的電流。器的電流。 圖圖3-42的電路是的電路是2個三相橋并聯(lián)而個三相橋并聯(lián)而成的成的12脈波整流電路脈波整流電路。圖圖3-42 并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的的12脈波整流電路脈波整流電路26/1313.6.2 多重化整流電路多重化整流電路圖圖3-43 移相移相30 串聯(lián)串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路移相移相30 構(gòu)成的串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路 整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法構(gòu)成整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法構(gòu)成相位相差相位相差30 、大小相等、大小相等的兩組電壓，接到相互的兩組電壓，接到相互串聯(lián)串聯(lián)的的2組整流橋。組整流橋。

32、 因繞組接法不同，變壓器一次繞組和兩組二次繞組的匝比如圖因繞組接法不同，變壓器一次繞組和兩組二次繞組的匝比如圖所示，為所示，為1:1: 。 該電路為該電路為12脈波脈波整流電路。整流電路。 3星形星形接法接法三角形三角形接法接法27/131其他特性如下：其他特性如下： 直流輸出電壓直流輸出電壓 3.6.2 多重化整流電路多重化整流電路coscos1對圖對圖3-44波形波形iA進行傅里葉分析，可得其基波幅值進行傅里葉分析，可得其基波幅值Im1和和n次諧波幅值次諧波幅值Imn分別如下：分別如下：)32(341ddmIII單橋時為, 3 , 2 , 1, 112341kknInIdmn即輸入電流即輸

33、入電流諧波次數(shù)諧波次數(shù)為為12k1，其幅值與次數(shù)成反比而降低。，其幅值與次數(shù)成反比而降低。cos662UUd功率因數(shù)功率因數(shù)(3-103)(3-104)cos9886. 0cos1位移因數(shù)位移因數(shù)（單橋時相同）（單橋時相同）28/1313.6.2 多重化整流電路多重化整流電路利用變壓器二次繞阻接法的不同，互相錯開利用變壓器二次繞阻接法的不同，互相錯開20 ，可將三組橋構(gòu)成，可將三組橋構(gòu)成串串聯(lián)聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路 整流變壓器采用星形三角形組合無法移相整流變壓器采用星形三角形組合無法移相20 ，需采用，需采用曲折接法曲折接法。 整流電壓整流電壓ud在每個電源周期內(nèi)脈動在每個電源周期內(nèi)脈動18

34、次，故此電路為次，故此電路為18脈波整流脈波整流電路電路。 交流側(cè)輸入電流諧波更少，為交流側(cè)輸入電流諧波更少，為18k1次次（k=1, 2, 3），），ud的脈動的脈動也更小。也更小。 輸入位移因數(shù)和功率因數(shù)分別為：輸入位移因數(shù)和功率因數(shù)分別為：cos 1=cos =0.9949cos 將整流變壓器的二次繞組移相將整流變壓器的二次繞組移相15 ，可構(gòu)成，可構(gòu)成串聯(lián)串聯(lián)4重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路 為為24脈波整流電路脈波整流電路。 其交流側(cè)輸入電流諧波次為其交流側(cè)輸入電流諧波次為24k1，k=1，2，3。 輸入位移因數(shù)功率因數(shù)分別為：輸入位移因數(shù)功率因數(shù)分別為：cos 1=cos =0.9971co

35、s 采用多重聯(lián)結(jié)的方法并不能提高采用多重聯(lián)結(jié)的方法并不能提高位移因數(shù)位移因數(shù)，但可使，但可使輸入電流諧波輸入電流諧波大大幅減小，從而也可以在一定程度上提高幅減小，從而也可以在一定程度上提高功率因數(shù)功率因數(shù)。29/1313.6.2 多重化整流電路多重化整流電路db)c)iId2 IduO +a)圖圖3-45 單相串聯(lián)單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路及順序控制時的波形及順序控制時的波形 多重聯(lián)結(jié)電路的順序控制多重聯(lián)結(jié)電路的順序控制 只對一個橋的只對一個橋的 角進行控制角進行控制，其余各橋，其余各橋的工作狀態(tài)則根據(jù)需要輸出的整流電壓而定，的工作狀態(tài)則根據(jù)需要輸出的整流電壓而定，或者不工作而使該橋輸出直

36、流電壓為零，或或者不工作而使該橋輸出直流電壓為零，或者者 =0而使該橋輸出電壓最大。而使該橋輸出電壓最大。 根據(jù)所需總直流輸出電壓根據(jù)所需總直流輸出電壓從低到高從低到高的變的變化，按順序依次對各橋進行控制，因而被稱化，按順序依次對各橋進行控制，因而被稱為為順序控制順序控制。 以用于電氣機車的以用于電氣機車的3重晶閘管整流橋順重晶閘管整流橋順序控制為例序控制為例 當需要輸出的直流電壓低于三分之一當需要輸出的直流電壓低于三分之一最高電壓時，只對最高電壓時，只對第第I組橋的組橋的 角角進行控制，進行控制，同時同時VT23、VT24、VT33、VT34保持導通，這保持導通，這樣第樣第II、III組橋的

37、直流輸出電壓就為零。組橋的直流輸出電壓就為零。 30/1313.6.2 多重化整流電路多重化整流電路當需要輸出的直流電壓達到三分之一最高電壓時，當需要輸出的直流電壓達到三分之一最高電壓時，第第I組組橋的橋的 角為角為0 。 需要輸出電壓為三分之一到三分之二最高電壓時，需要輸出電壓為三分之一到三分之二最高電壓時，第第I組組橋的橋的 角固定為角固定為0 ， VT33和和VT34維持導通，僅對維持導通，僅對第第II組橋組橋的的 角角進行控制。進行控制。 需要輸出電壓為三分之二最高電壓以上時，需要輸出電壓為三分之二最高電壓以上時，第第I、II組橋組橋的的 角固定為角固定為0 ，僅對，僅對第第III組橋

38、的組橋的 角角進行控制。進行控制。db)c)iId2 IduO +圖圖3-45 單相串聯(lián)單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路及順序控制時的波形重聯(lián)結(jié)電路及順序控制時的波形 a）31/1313.6.2 多重化整流電路多重化整流電路當需要輸出的直流電壓達到三分之一最高電壓時，當需要輸出的直流電壓達到三分之一最高電壓時，第第I組組橋的橋的 角為角為0 。 需要輸出電壓為三分之一到三分之二最高電壓時，需要輸出電壓為三分之一到三分之二最高電壓時，第第I組組橋的橋的 角固定為角固定為0 ， VT33和和VT34維持導通，僅對維持導通，僅對第第II組橋組橋的的 角角進行控制。進行控制。 需要輸出電壓為三分之二最高電壓以上時

39、，需要輸出電壓為三分之二最高電壓以上時，第第I、II組橋組橋的的 角固定為角固定為0 ，僅對，僅對第第III組橋的組橋的 角角進行控制。進行控制。db)c)iId2 IduO +圖圖3-45 單相串聯(lián)單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路及順序控制時的波形重聯(lián)結(jié)電路及順序控制時的波形 a）32/1313.6.2 多重化整流電路多重化整流電路圖圖3-45 a)單相串聯(lián)單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路 使直流輸出電壓波形不含負的部分，可采使直流輸出電壓波形不含負的部分，可采取如下控制方法取如下控制方法 以第以第I組橋為例，當電壓相位為組橋為例，當電壓相位為 時，觸時，觸發(fā)發(fā)VT11、VT14使其導通并流過直流電流。使

40、其導通并流過直流電流。 在電壓相位為在電壓相位為 時，觸發(fā)時，觸發(fā)VT13，則，則VT11關關斷，通過斷，通過VT13、VT14續(xù)流，橋的輸出電壓為續(xù)流，橋的輸出電壓為零而不出現(xiàn)負的部分。零而不出現(xiàn)負的部分。 電壓相位為電壓相位為 + 時，觸發(fā)時，觸發(fā)VT12，則，則VT14關斷，由關斷，由VT12、VT13導通而輸出直流電壓。導通而輸出直流電壓。 電壓相位為電壓相位為2 時，觸發(fā)時，觸發(fā)VT11，則，則VT13關關斷，由斷，由VT11和和VT12續(xù)流，橋的輸出電壓為零。續(xù)流，橋的輸出電壓為零。順序控制的電流波形中，正（或負）半周順序控制的電流波形中，正（或負）半周期內(nèi)前后四分之一周期波形不對

41、稱，因此含期內(nèi)前后四分之一周期波形不對稱，因此含有一定的有一定的偶次諧波偶次諧波，但其基波分量比電壓的，但其基波分量比電壓的滯后少，因而滯后少，因而位移因數(shù)位移因數(shù)高，從而提高了總的高，從而提高了總的功率因數(shù)功率因數(shù)。 33/1313.7 整流電路的有源逆變工作狀態(tài)整流電路的有源逆變工作狀態(tài) 3.7.1 逆變的概念逆變的概念 3.7.2 三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài) 3.7.3 逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失敗與最小逆變角的限制 34/1313.7.1 逆變的概念逆變的概念什么是逆變？為什么要逆變？什么是逆變？為什么要逆變？ 逆變（逆變（invertion

42、）：把直流電轉(zhuǎn)變成交流電的過程。：把直流電轉(zhuǎn)變成交流電的過程。 逆變電路：把直流電逆變成交流電的電路。逆變電路：把直流電逆變成交流電的電路。 當交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)時，為當交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)時，為有源逆變有源逆變電路。電路。 變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載，變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負載，稱為載，稱為無源逆變無源逆變。 對于對于可控整流電路可控整流電路，滿足一定條件就可工作于，滿足一定條件就可工作于有源逆有源逆變變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既工作，其電路形式未

43、變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路變流電路。35/1313.7.1 逆變的概念逆變的概念圖圖3-46 直流發(fā)電機直流發(fā)電機電動機之間電能的流轉(zhuǎn)電動機之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動勢同極性）兩電動勢同極性EGEM b）兩電動勢同極性）兩電動勢同極性EMEG c）兩電動勢反極性，形成短路）兩電動勢反極性，形成短路直流發(fā)電機直流發(fā)電機電動機系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)電動機系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn) M作作電動運轉(zhuǎn)電動運轉(zhuǎn)，EGEM，電流，電流Id從從G流向流向M，電能由，電能由G流向流向M，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變變?yōu)闉镸軸上輸出的機械能軸上輸出的機械能。 回饋制動回饋制動狀

44、態(tài)中，狀態(tài)中，M作發(fā)電運轉(zhuǎn)，作發(fā)電運轉(zhuǎn)，EMEG，電流反向，從，電流反向，從M流向流向G， M軸上輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒o軸上輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒oG。 兩電動勢兩電動勢順向串聯(lián)順向串聯(lián)，向電阻，向電阻R供電，供電，G和和M均輸出功率，由于均輸出功率，由于R一般都很小，實際上形成短路，在工作中必須嚴防這類事故發(fā)生。一般都很小，實際上形成短路，在工作中必須嚴防這類事故發(fā)生。 兩個電動勢兩個電動勢同極性相接同極性相接時，電流總是從電動勢高的流向電動勢低時，電流總是從電動勢高的流向電動勢低的，由于回路電阻很小，即使很小的電動勢差值也能產(chǎn)生大的電流，的，由于回路電阻很小，即使很小的電動勢差值

45、也能產(chǎn)生大的電流，使兩個電動勢之間交換很大的功率，這對分析有源逆變電路是十分有使兩個電動勢之間交換很大的功率，這對分析有源逆變電路是十分有用的。用的。 36/1313.7.1 逆變的概念逆變的概念EM逆變產(chǎn)生的條件逆變產(chǎn)生的條件 以單相全波電路代替上以單相全波電路代替上述發(fā)電機來分析述發(fā)電機來分析 電動機電動機M作作電動機電動機運運行，全波電路應工作在行，全波電路應工作在整流整流狀態(tài)狀態(tài)， 的范圍在的范圍在0 /2間，間，直流側(cè)輸出直流側(cè)輸出Ud為正值，并且為正值，并且UdEM，交流電網(wǎng)輸出電功，交流電網(wǎng)輸出電功率，電動機則輸入電功率。率，電動機則輸入電功率。 電動機電動機M作作發(fā)電回饋發(fā)電回

46、饋制動制動運行，由于晶閘管器件運行，由于晶閘管器件的的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?，電路?nèi)，電路內(nèi)Id的方的方向依然不變，向依然不變， 而而M軸上輸入軸上輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒o的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒oG，只能改變只能改變EM的極性的極性，為了避，為了避免兩電動勢順向串聯(lián)，免兩電動勢順向串聯(lián)，Ud的的極性極性也必須反過來，故也必須反過來，故 的范的范圍在圍在 /2 ，且，且|EM|Ud|。 uuua)b)u10udu20u10OO tIdidUdEM10ud2010OOIdidUd /2，使，使Ud為負值。為負值。 兩者必須同時具備才能實現(xiàn)有源逆變。兩者必須同時具備才能實現(xiàn)有源逆變。半控橋或有續(xù)流

47、二極管的電路半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓，因其整流電壓ud不能出不能出現(xiàn)負值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負極性的電動勢，故不能現(xiàn)負值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負極性的電動勢，故不能實現(xiàn)有源逆變，欲實現(xiàn)有源逆變，只能采用實現(xiàn)有源逆變，欲實現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路全控電路。38/1313.7.2 三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udtOtOb =4b =3b =6b =4b =3b =6t1t

48、3t2圖圖3-48 三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時的電壓波形三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時的電壓波形 逆變角逆變角 通常把通常把 /2時的控制角用時的控制角用 - =b b表示，表示，b b稱為逆變角稱為逆變角。 b b的大小自的大小自b b=0的起始點向的起始點向左方左方計量。計量。 三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時的輸出電壓波三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖形及晶閘管兩端電壓波形如圖3-48所示。所示。 39/1313.7.2 三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)IIIddVT577. 03REUIMdd基本的數(shù)量關系基本的數(shù)量關系 三相橋式電路的輸出電壓三相橋式電路的輸出電壓Ud=-3.34U2cosb b=-1.35U2Lcosb b輸出直流電流的平均值輸出直流電流的平均值 流過晶閘管的電流有效流過晶閘管的電流有效值值從交流電源送到直流側(cè)負載的有功功從交流電源送到直流側(cè)負載的有功功率為率為變壓器二次側(cè)線電流的有效值變壓器二次側(cè)線電流的有效值 當逆變工作時，由于當逆變工作時，由于EM為負值，