相控型整流和逆變電路part1

1、電氣工程系電氣工程系電氣工程教研室電氣工程教研室 重點和難點 1、相控整流電路的原理和分析方法2、相控逆變電路的原理和分析方法第第4 4章章 相控型整流和逆變電路相控型整流和逆變電路 4.1 整流器的定義和分類整流器的定義和分類 4.2 整流器的性能指標整流器的性能指標 4.3 單相相控整流電路單相相控整流電路 4.4 三相相控整流電路三相相控整流電路 4.5 大容量相控整流電路大容量相控整流電路 4.6 相控整流電路的換相壓降相控整流電路的換相壓降 4.7 整流電路的諧波分析整流電路的諧波分析 4.8 有源逆變電路有源逆變電路 4.9 晶閘管相控電路的驅動控制晶閘管相控電路的驅動控制 4.1

2、 整流器的定義和分類整流器的定義和分類 （1）輸出的直流電壓大小可以控制；）輸出的直流電壓大小可以控制； （2）輸出直流側電壓和交流側電流中的紋波都）輸出直流側電壓和交流側電流中的紋波都必須限制在允許范圍內；必須限制在允許范圍內； （3）整流器的效率要高。）整流器的效率要高。 利用電力電子器件的可控開關特性把交流電能利用電力電子器件的可控開關特性把交流電能變?yōu)橹绷麟娔艿恼麟娐窐嫵傻南到y(tǒng)稱為變?yōu)橹绷麟娔艿恼麟娐窐嫵傻南到y(tǒng)稱為整流器整流器。2、整流器電路性能和控制方式必須滿足的要求：、整流器電路性能和控制方式必須滿足的要求：1、定義：、定義：4.1 整流器的定義和分類整流器的定義和分類 整流電

3、路整流電路: :交流轉換為直流交流轉換為直流 按照輸入交流電源的相數(shù)按照輸入交流電源的相數(shù): :單相、三相和多相整流電路；單相、三相和多相整流電路； 按電路中組成的電力電子器件控制特性按電路中組成的電力電子器件控制特性: :不可控、半控和不可控、半控和全控整流電路；全控整流電路； 根據(jù)整流電路的結構形式根據(jù)整流電路的結構形式: :半波、全波和橋式整流電路等半波、全波和橋式整流電路等類型。類型。 相控整流電路相控整流電路: :電壓可調；電壓可調； 二極管整流電路二極管整流電路:電壓固定；電壓固定； 整流電路的類型整流電路的類型 ：第第4 4章章 整流電路整流電路1 1 4.1 整流器的定義和分類

4、整流器的定義和分類 4.2 整流器的性能指標整流器的性能指標 4.3 單相相控整流電路單相相控整流電路 4.4 三相相控整流電路三相相控整流電路 4.5 大容量相控整流電路大容量相控整流電路 4.6 相控整流電路的換相壓降相控整流電路的換相壓降 4.7 整流電路的諧波分析整流電路的諧波分析 4.8 有源逆變電路有源逆變電路 4.9 晶閘管相控電路的驅動控制晶閘管相控電路的驅動控制 4.2 整流器的性能指標整流器的性能指標 整流器的輸出電壓是脈動的，其中除了有主要的直流成分外，整流器的輸出電壓是脈動的，其中除了有主要的直流成分外，還有一定的交流諧波成分。定義整流器的輸出電壓的交流紋波有還有一定的

5、交流諧波成分。定義整流器的輸出電壓的交流紋波有效效值值UH與直流平均值與直流平均值UD之比為電壓紋波系數(shù)之比為電壓紋波系數(shù)u。即。即 1、電壓紋波系數(shù)、電壓紋波系數(shù)u（4.2.1）如果直流輸出電壓有效值用如果直流輸出電壓有效值用U表示，則表示，則 ， 因此有：因此有：若第若第n次諧波峰值為次諧波峰值為Unm, 則定義則定義Unm與與UD之比為電壓脈動系數(shù)之比為電壓脈動系數(shù)Sn，（ 4.2.3）（4.2.2）DHuUU 22DHUUU 12 DuUU 2、電壓脈動系數(shù)、電壓脈動系數(shù)SnDnmnUUS 4.2 整流器的性能指標整流器的性能指標 整流電路輸入斷為各次諧波電流之和。整流電路輸入斷為各次

6、諧波電流之和。 輸入電流總畸變率輸入電流總畸變率THD（Total Harmonic Distortion）又稱諧波因數(shù)又稱諧波因數(shù)HF（Harmonic Factor），是指除基波電流），是指除基波電流以外的所有諧波電流有效值與基波電流有效值之比，即以外的所有諧波電流有效值與基波電流有效值之比，即 3、 輸入電流總畸變率輸入電流總畸變率THD（ 4.2.4） 2122212112121nssnsnsssssIIIIIIIITHD式中式中Isn為為n次諧波電流有效值。次諧波電流有效值。4、 輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù)PF 定義交流電源輸入有功功率平均值定義交流電源輸入有功功率平均值P與其視在功率

7、與其視在功率S之比為輸入之比為輸入功率因數(shù)功率因數(shù)PF（Power factor）, 即即 對于無畸變的正弦波，諧波電流在一個周期內的平均功率為零，對于無畸變的正弦波，諧波電流在一個周期內的平均功率為零，只有基波電流只有基波電流Is1形成有功功率形成有功功率 SPPF ssIUS 11cos ssIUP 1cos 上式中上式中1是輸入電壓與輸入電流基波分量之間的相位角。則是輸入電壓與輸入電流基波分量之間的相位角。則 稱為基波位移因數(shù)稱為基波位移因數(shù)(或基波功率因數(shù)或基波功率因數(shù))，于是輸入功率因數(shù)為，于是輸入功率因數(shù)為:1111coscos ssssssIIIUIUSPPF （ 4.2.5）（

8、 4.2.6）4.2 整流器的性能指標整流器的性能指標 上式表明：功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變這兩個因素上式表明：功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變這兩個因素共同決定。共同決定。1越小，基波功率因數(shù)越小，基波功率因數(shù) 越大，相應的越大，相應的PF也越大。另也越大。另一方面，輸入電流總畸變率一方面，輸入電流總畸變率THD越小，功率因數(shù)越小，功率因數(shù)PF也越大。也越大。 4、 輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù)PF(續(xù)續(xù))（ 4.2.7）ssII11111coscos ssssssIIIUIUSPPF 22122221111111THDIIIIIIInssnnsnssss 211cosTHDPF

9、中中 稱為基波因數(shù)，且有稱為基波因數(shù)，且有 所以所以式式（ 4.2.6）1cos v4.2 整流器的性能指標整流器的性能指標第第4 4章章 整流電路整流電路1 1 4.1 整流器的定義和分類整流器的定義和分類 4.2 整流器的性能指標整流器的性能指標 4.3 單相相控整流電路單相相控整流電路 4.4 三相相控整流電路三相相控整流電路 4.5 大容量相控整流電路大容量相控整流電路 4.6 相控整流電路的換相壓降相控整流電路的換相壓降 4.7 整流電路的諧波分析整流電路的諧波分析 4.8 有源逆變電路有源逆變電路 4.9 晶閘管相控電路的驅動控制晶閘管相控電路的驅動控制 在單相相控整流電路中，定義

10、晶閘管從承受正向電壓起到觸在單相相控整流電路中，定義晶閘管從承受正向電壓起到觸發(fā)導通之間的電角度發(fā)導通之間的電角度稱為控制角稱為控制角(或移相角或移相角)，晶閘管在一個周期，晶閘管在一個周期內導通的電角度稱為導通角，用內導通的電角度稱為導通角，用表示。表示。 tUusin222圖圖4.3.1 單相半波可控整流單相半波可控整流 1. 電阻性負載電阻性負載（4.3.1） 上式上式(4.3.1)表明，只要改變控制角表明，只要改變控制角(即改變觸發(fā)時即改變觸發(fā)時刻刻)，就可以改變整流輸出電壓的平均值，達到相控，就可以改變整流輸出電壓的平均值，達到相控整流的目的。整流的目的。 1. 電阻性負載時參數(shù)計算

11、：電阻性負載時參數(shù)計算：根據(jù)波形圖根據(jù)波形圖.1 (b)，可求出整流輸出電壓平均值為：，可求出整流輸出電壓平均值為：2cos145. 02cos12)(sin221222 UUttdUUd 移相范圍：移相范圍：整流輸出電壓整流輸出電壓Ud的平均值從最大值變的平均值從最大值變化到零時，控制角化到零時，控制角的變化范圍為移相范圍。的變化范圍為移相范圍。當當=0時，時，Ud=0，當，當=時，時，Ud=0.45U2為最大值。為最大值。單相半波相控整流電路帶電阻性負載時移相范圍為單相半波相控整流電路帶電阻性負載時移相范圍為。圖圖.1 單相半波單相半波 可控整流波形圖可控整流波形圖 這種通過控制觸發(fā)脈沖的

12、相位來控制直流輸出電這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。v(4.3.2) 1. 電阻性負載時參數(shù)計算（續(xù)）：電阻性負載時參數(shù)計算（續(xù)）： 圖圖.1 單相半波可控單相半波可控 整流波形圖整流波形圖 242sin)()sin2(21222 UtdtUU根據(jù)有效值的定義，整流輸出電壓的有效值為根據(jù)有效值的定義，整流輸出電壓的有效值為 (4.3.3)那么，整流輸出電流的平均值那么，整流輸出電流的平均值Id和有效值和有效值I分別為分別為RUI RUIdd 電流的波形系數(shù)電流的波形系數(shù)Kf為為 )cos1(2)(

13、22sin2cos12242sin dfIIK(4.3.6)(4.3.4)(4.3.5)上式上式(5.2.7)表明，控制角表明，控制角越大，波形系數(shù)越大，波形系數(shù)Kf越大。越大。 1. 電阻性負載時參數(shù)計算（續(xù)）：電阻性負載時參數(shù)計算（續(xù)）： 圖圖.1 單相半波可控單相半波可控 整流原理整流原理(4.3.7)如果忽略晶閘管如果忽略晶閘管T的損耗，則變壓器二次側輸出的的損耗，則變壓器二次側輸出的有功功率為有功功率為 電源輸入的視在功率為電源輸入的視在功率為(4.3.9)(4.3.8) 從上式可知，功率因數(shù)是控制角從上式可知，功率因數(shù)是控制角的函數(shù)，且越的函數(shù)，且越大，大，相控整流輸出電壓越低，功

14、率因數(shù)相控整流輸出電壓越低，功率因數(shù)PF越小。越小。 當當=0時，時，PF=0.707為最大值。這是因為電路的輸出為最大值。這是因為電路的輸出電流中不僅存在諧波，而且基波電流與基波電壓電流中不僅存在諧波，而且基波電流與基波電壓(即電即電源輸入正弦電壓源輸入正弦電壓)也不同相，即是使電阻性負載，也不同相，即是使電阻性負載，PF也也不會等于不會等于1。UIRIPd 2IUS2 242sin22 UUIUUISPPF電路的功率因數(shù)電路的功率因數(shù) 2. 電感性負載電感性負載（等效為電感（等效為電感L和電阻和電阻R串聯(lián)）串聯(lián)）圖圖.2 感性負載單相半波可控整流電路及其波形感性負載單相半波可控整流電路及其

15、波形工作原理工作原理 2. 電感性負載電感性負載 )(21)(21tdutduUUULRdLdRd02)(21)(2100 diLtddtdiLtduULdL )(21tduURd故故 (4.3.10)(4.3.11)(4.3.12)(4.3.12) 2. 電感性負載（大電感）電感性負載（大電感）l圖圖3 22 0 dU 2. 電感性負載（大電感）電感性負載（大電感）l圖圖4 在電源電壓正半周，在電源電壓正半周，負載電流由晶閘管導通提負載電流由晶閘管導通提供；供； 電源電壓負半周時，電源電壓負半周時，續(xù)流二極管續(xù)流二極管D D維持負載電流；維持負載電流； 因此負載電流是一個因此負載電流是一個連

16、續(xù)且平穩(wěn)的直流電流。連續(xù)且平穩(wěn)的直流電流。大電感負載時，負載電流大電感負載時，負載電流波形是一條平行于橫軸的波形是一條平行于橫軸的直線，其值為直線，其值為I Id； 晶閘管與續(xù)流管承受的最大電壓均為晶閘管與續(xù)流管承受的最大電壓均為 2. 電感性負載（大電感）參數(shù)計算電感性負載（大電感）參數(shù)計算22UddTdTIII 22 ddDdDIII 22 ddDDIII 22 ddTTIII 22 (4.3.16)(4.3.13)(4.3.14)(4.3.15) 1）優(yōu)點：）優(yōu)點： 線路簡單，調整方便；線路簡單，調整方便； 2）缺點：）缺點： （1）輸出電壓脈動大，負載電流脈動大（電阻性負）輸出電壓脈動

17、大，負載電流脈動大（電阻性負載時）。載時）。 （2）整流變壓器次級繞組中存在直流電流分量，）整流變壓器次級繞組中存在直流電流分量， 使使鐵芯磁化，變壓器容量不能充分利用。若不用變壓器，鐵芯磁化，變壓器容量不能充分利用。若不用變壓器，則交流回路有直流電流，使電網(wǎng)波形畸變引起額外損耗。則交流回路有直流電流，使電網(wǎng)波形畸變引起額外損耗。 3）應用：）應用： 單相半波可控整流電路只適于小容量、波形要求不高單相半波可控整流電路只適于小容量、波形要求不高的場合。的場合。3、單相半波可控整流電路特點：、單相半波可控整流電路特點：2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路 1、阻性負載、阻性負載圖圖4.3.

18、1 單相全控橋式整流電路單相全控橋式整流電路帶電阻性負載的電路與工作波形帶電阻性負載的電路與工作波形（的移相范圍是的移相范圍是0 0180180）工作原理分析：工作原理分析：tUtUum sin2sin222 2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路2、阻性負載參數(shù)計算：、阻性負載參數(shù)計算：3 3）輸出電流的平均值和有效值分別為）輸出電流的平均值和有效值分別為2 2）整流輸出電壓的有效值為）整流輸出電壓的有效值為 即即U Ud d為最小值時，為最小值時，=180=180，UdUd為最大值時為最大值時=0=0，所以單相全控，所以單相全控橋式整流電路帶電阻性負載時，橋式整流電路帶電阻性負載時，

19、的移相范圍是的移相范圍是0 0180180。1 1）整流輸出電壓的平均值）整流輸出電壓的平均值 2cos19.0)cos1(2)(sin21222 UUttdUUd 22sin)()sin2(1222UtdtUU2cos19 . 02 ddddRURUI 22sin2ddRURUI(4.3.17)(4.3.18)(4.3.19)(4.3.20)2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路2、阻性負載參數(shù)計算：、阻性負載參數(shù)計算：4 4）流過每個晶閘管的平均電流為輸出電流平均值的一半，即）流過每個晶閘管的平均電流為輸出電流平均值的一半，即5 5）流過每個晶閘管的電流有效值為）流過每個晶閘管的電流

20、有效值為2cos145. 0212 dddTRUII222sin2)()sin2(21222IRUtdtRUIddT (4.3.22)(4.3.21)26 6）晶閘管承受的最大反向電壓為）晶閘管承受的最大反向電壓為 U U2 2。 7 7）在一個周期內每個晶閘管只導通一次，流過晶閘管的電流）在一個周期內每個晶閘管只導通一次，流過晶閘管的電流波形系數(shù)為波形系數(shù)為 )cos1(2)(22sin2cos1222sin222 dddTTfTRURUIIK(4.3.23)2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路2、阻性負載參數(shù)計算：、阻性負載參數(shù)計算：9） 在一個周期內電源通過變壓器兩次向負載提供能

21、量，因此在一個周期內電源通過變壓器兩次向負載提供能量，因此負載電流有效值負載電流有效值d d與變壓器次級電流有效值與變壓器次級電流有效值I2相同。那么電路的功相同。那么電路的功率因數(shù)可以按下式計算率因數(shù)可以按下式計算8 8）負載電流的波形系數(shù)為）負載電流的波形系數(shù)為)cos1(2)(22sin dfIIK 22sin2222UUUUIUIUSPPFddd(4.3.24)(4.3.24)2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路、 的移相范圍相等，均為的移相范圍相等，均為0 0180180；、輸出電壓平均值、輸出電壓平均值U Ud是半波整流電路的是半波整流電路的2倍；倍；、在相同的負載功率下，

22、流過晶閘管的平均電流減、在相同的負載功率下，流過晶閘管的平均電流減 小一半；小一半；、功率因數(shù)提高了、功率因數(shù)提高了 倍。倍。2 通過上述數(shù)量關系的分析通過上述數(shù)量關系的分析，電阻負載時電阻負載時，對單相全，對單相全控橋式整流電路與半波整流電路可作如下比較：控橋式整流電路與半波整流電路可作如下比較：2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路3大電感負載大電感負載 圖圖4.3.2 4.3.2 單相全控橋式整流電路帶電感性負載電路與波形圖單相全控橋式整流電路帶電感性負載電路與波形圖工作原理分析：工作原理分析：電路控制角的電路控制角的移相范圍移相范圍為為0 0/2/22 單相橋式相控整流電路單相橋

23、式相控整流電路4大電感負載大電感負載參數(shù)計算：參數(shù)計算：1 1）在電流連續(xù)的情況下整流輸出電壓的平均值為）在電流連續(xù)的情況下整流輸出電壓的平均值為2 2）整流輸出電壓有效值為）整流輸出電壓有效值為3 3）晶閘管承受的最大正反向電壓為）晶閘管承受的最大正反向電壓為 U U2 2。 cos22)(sin2122UttdUUd cos9 . 02U (0(09090) )222)()sin2(1UtdtUU 2(4.3.25)(4.3.26)4）在一個周期內每組晶閘管各導通）在一個周期內每組晶閘管各導通180180，兩組輪流導通，兩組輪流導通，變壓器次級中的電流是正負對稱的方波，電流的平均值變壓器次

24、級中的電流是正負對稱的方波，電流的平均值I Id d和和有效值有效值I I相等，其波形系數(shù)為。相等，其波形系數(shù)為。2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路4大電感負載大電感負載參數(shù)計算：參數(shù)計算：5 5）在電流連續(xù)的情況下整流輸出電壓的平均值為）在電流連續(xù)的情況下整流輸出電壓的平均值為(4.3.27)(4.3.28) 單相全控橋式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)高，單相全控橋式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)高，變壓器次級中電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器次級中電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器的利用率高。變壓器的利用率高。 在大電感負載情況下，在

25、大電感負載情況下，接近接近/2時，輸出電壓的平均值接時，輸出電壓的平均值接近于零，負載上的電壓太小。且理想的大電感負載是不存在的，近于零，負載上的電壓太小。且理想的大電感負載是不存在的，故實際電流波形不可能是一條直線，而且在故實際電流波形不可能是一條直線，而且在之前，電流就之前，電流就出現(xiàn)斷續(xù)。電感量越小，電流開始斷續(xù)的出現(xiàn)斷續(xù)。電感量越小，電流開始斷續(xù)的值就越小。值就越小。dddTdTIIII2122 dddTTIIII2122 6）結論：）結論： 圖圖4.3.3 4.3.3 單相全控橋式整流電路帶反電勢負載電路與波形圖單相全控橋式整流電路帶反電勢負載電路與波形圖5反電勢負載工作原理反電勢負

26、載工作原理2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路 反電動勢負載：反電動勢負載：對于可控整流對于可控整流電路來說，被充電的蓄電池、電容電路來說，被充電的蓄電池、電容器、正在運行的直流電動機的電樞器、正在運行的直流電動機的電樞（電樞旋轉時產生感應電動勢（電樞旋轉時產生感應電動勢E）等本身是一個直流電壓的負載。等本身是一個直流電壓的負載。dddRiEu dddREui 圖圖4.3.4 4.3.4 單相全控橋式整流電路單相全控橋式整流電路 帶反電勢負載電路波形圖帶反電勢負載電路波形圖5反電勢負載工作原理反電勢負載工作原理2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路 導電角導電角時，整流電流波形出

27、時，整流電流波形出現(xiàn)斷流。其波形如圖現(xiàn)斷流。其波形如圖5.2.9(c)5.2.9(c)所示，所示，圖中的圖中的為停止導電角。也就是說為停止導電角。也就是說與電阻負載時相比，晶閘管提前了與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度停止導電。電角度停止導電。 22arcsinUE (4.3.29) 時，若觸發(fā)脈沖到來，晶閘時，若觸發(fā)脈沖到來，晶閘管因承受負電壓不可能導通。為了管因承受負電壓不可能導通。為了使晶閘管可靠導通，要求觸發(fā)脈沖使晶閘管可靠導通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當有足夠的寬度，保證當 時刻晶閘管開始承受正電壓時，觸時刻晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣就要求觸發(fā)發(fā)脈沖仍然存

28、在。這樣就要求觸發(fā)角角。 t6 6反電勢負載參數(shù)計算反電勢負載參數(shù)計算2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路(4.3.30)(4.3.29)l1）整流器輸出端直流電壓平均值）整流器輸出端直流電壓平均值 l2）整流電流平均值）整流電流平均值 )()cos(cos21)()sin2(122 EUEtdEtUEUd EU )cos(cos2212 dddREtUtdiIsin21)(12 EURd )cos(cos2127 7大電感負載時的工作情況大電感負載時的工作情況 2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路圖圖4.3.5 4.3.5 單相半控橋式整流電路帶單相半控橋式整流電路帶大電感負

29、載時的電壓、電流波形圖大電感負載時的電壓、電流波形圖 晶閘管在觸發(fā)時刻被迫換流，晶閘管在觸發(fā)時刻被迫換流，二極管則在電源電壓過零時自二極管則在電源電壓過零時自然換流；由于自然續(xù)流的作用，然換流；由于自然續(xù)流的作用，整流輸出電壓整流輸出電壓u ud的波形沒有負的波形沒有負半波的部分，與全控橋電路帶半波的部分，與全控橋電路帶電阻性負載相同。電阻性負載相同。 的移相范圍為的移相范圍為0 0180180，U Ud、d d的計算公式和全控橋帶電的計算公式和全控橋帶電阻性負載時相同；流過晶閘管阻性負載時相同；流過晶閘管和二極管的電流都是寬度為和二極管的電流都是寬度為180180的方波且與無關，交流的方波且

30、與無關，交流側電流為正負對稱的交變方波。側電流為正負對稱的交變方波。 工作特點：工作特點：7 7大電感負載時的工作情況大電感負載時的工作情況 2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路圖圖4.3.5 4.3.5 單相半控橋式整流電路帶單相半控橋式整流電路帶大電感負載時的電壓、電流波形圖大電感負載時的電壓、電流波形圖 在實際運行中，當突然在實際運行中，當突然把控制角把控制角 增大到增大到180以以上或突然切斷觸發(fā)電路時，上或突然切斷觸發(fā)電路時，會發(fā)生正在導通的晶閘管會發(fā)生正在導通的晶閘管一直導通兩個二極管輪導一直導通兩個二極管輪導通的失控現(xiàn)象。此時觸發(fā)通的失控現(xiàn)象。此時觸發(fā)信號對輸出電壓失去了

31、控信號對輸出電壓失去了控制作用，失控在使用中是制作用，失控在使用中是不允許的，為了消除失控，不允許的，為了消除失控，帶電感性負載的半控橋式帶電感性負載的半控橋式整流電路還需加接續(xù)流二整流電路還需加接續(xù)流二極管。極管。 續(xù)流二極管的作用：續(xù)流二極管的作用：消除失控消除失控8 8大電感負載時參數(shù)計算大電感負載時參數(shù)計算 2 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路輸出電壓平均值為輸出電壓平均值為2cos19 . 0)cos1 (2)(sin21222 UUttdUUd輸出電壓有效值為輸出電壓有效值為 22sin)()sin21222UtdtUU（(4.3.32)(4.3.31)2 單相橋式相控整流

32、電路單相橋式相控整流電路 在控制角為在控制角為時，每個晶閘管一周期內的導通角為時，每個晶閘管一周期內的導通角為 ，續(xù)，續(xù)流管的流通角為流管的流通角為 ，8 8大電感負載時參數(shù)計算大電感負載時參數(shù)計算 ddTdTIII 22 ddTTIII 22 ddDdDIII 2ddDDIII 2流經(jīng)續(xù)流二極管的平均電流和有效電流分別為流經(jīng)續(xù)流二極管的平均電流和有效電流分別為(4.3.33)(4.3.33)(4.3.35)(4.3.34)則流過晶閘管的電流平均值和有效值分別為則流過晶閘管的電流平均值和有效值分別為 T 2 D第第4 4章章 整流電路整流電路1 1 4.1 整流器的定義和分類整流器的定義和分類

33、 4.2 整流器的性能指標整流器的性能指標 4.3 單相相控整流電路單相相控整流電路 4.4 三相相控整流電路三相相控整流電路 4.5 大容量相控整流電路大容量相控整流電路 4.6 相控整流電路的換相壓降相控整流電路的換相壓降 4.7 整流電路的諧波分析整流電路的諧波分析 4.8 有源逆變電路有源逆變電路 4.9 晶閘管相控電路的驅動控制晶閘管相控電路的驅動控制 1 1）在）在t1t2期間，相電壓比、相都高，如果在期間，相電壓比、相都高，如果在t1時時刻觸發(fā)晶閘管刻觸發(fā)晶閘管導通，負載上得到相電壓導通，負載上得到相電壓uA。 2 2）在）在t2t3期間，相電壓最高，若在期間，相電壓最高，若在t

34、2時刻觸發(fā)時刻觸發(fā)導導通，負載上得到通，負載上得到B相電壓相電壓uB， 關斷關斷 。 3 3）在）在t3 t4時期間，時期間，C C相電壓最高，若在相電壓最高，若在t3刻觸發(fā)刻觸發(fā)導導通，負載上得到相電壓通，負載上得到相電壓uC，并關斷，并關斷。 4.4.1 三相半波相控整流電路三相半波相控整流電路 1 1、電阻性負載工作原理分析、電阻性負載工作原理分析圖圖4.4.1 4.4.1 電阻性負載的三相半波相控整流電路及波形電阻性負載的三相半波相控整流電路及波形( (=0=0) ) 自然換流點：自然換流點：tt1 1、tt2 2和和tt3 3時刻距相電壓波形過零點時刻距相電壓波形過零點3030電角度

35、，它是各相晶閘管能被正常觸發(fā)導通的最早時刻，在該點以電角度，它是各相晶閘管能被正常觸發(fā)導通的最早時刻，在該點以前，對應的晶閘管因承受反壓，不能觸發(fā)導通，所以把它叫做自然前，對應的晶閘管因承受反壓，不能觸發(fā)導通，所以把它叫做自然換流點。換流點。 在三相相控整流電路中，把自然換流點作為計算控制角在三相相控整流電路中，把自然換流點作為計算控制角的起的起點，即該處點，即該處=0=0（注意：這與單相可控整流電路是不同的）。（注意：這與單相可控整流電路是不同的）。 4.4.1 三相半波相控整流電路三相半波相控整流電路1 1、電阻性負載工作原理分析、電阻性負載工作原理分析圖圖4.4.1 4.4.1 電阻性負

36、載的三相半波相控整流電路及波形電阻性負載的三相半波相控整流電路及波形( (=0=0) )4.4.1 三相半波相控整流電路三相半波相控整流電路1 1、電阻性負載工作原理分析、電阻性負載工作原理分析當當=30=30時，時，u ud、i id波形臨界連續(xù)。波形臨界連續(xù)。 當當=150=150時，整流輸出電壓為零。時，整流輸出電壓為零。 在在30時，輸出電壓和電流波形將時，輸出電壓和電流波形將不再連續(xù)；不再連續(xù)；在電源交流電路中不存在電感在電源交流電路中不存在電感情況下，晶閘管之間的電流轉移是在情況下，晶閘管之間的電流轉移是在瞬間完成的；瞬間完成的；負載上的電壓波形是相電壓的負載上的電壓波形是相電壓的

37、一部分；一部分；晶閘管處于截止狀態(tài)時所承受晶閘管處于截止狀態(tài)時所承受的電壓是線電壓而不是相電壓。的電壓是線電壓而不是相電壓。整流輸出電壓的脈動頻率為整流輸出電壓的脈動頻率為 HZ( (脈波數(shù)脈波數(shù)m=3)。結論結論：圖圖4.4.2 4.4.2 三相半波相控整流三相半波相控整流=18=18、6060時的波形圖時的波形圖150503 4.4.1 三相半波相控整流電路三相半波相控整流電路2 2、電阻性負載數(shù)量關系、電阻性負載數(shù)量關系 若若A相電源輸入相電壓相電源輸入相電壓 ，B、C相相相相應滯后應滯后 則有如下數(shù)量關系：則有如下數(shù)量關系：tUuA sin222 120)300(cos17. 1)(s

38、in23/2126562 UttdUUd 式中式中為整流變壓器二次側相電壓有效值。為整流變壓器二次側相電壓有效值。 (4.4.1) 當當3030時，負載電流連續(xù)，各相晶閘管每周期時，負載電流連續(xù)，各相晶閘管每周期輪流導電輪流導電120120，即導通角，即導通角T T =120=120。輸出電壓平均值為。輸出電壓平均值為 當當=0時整流輸出電壓平均值時整流輸出電壓平均值d最大。增大最大。增大，Ud減小，當減小，當=150時，時，Ud=0。所以帶電阻性負載的三相。所以帶電阻性負載的三相半波相控整流電路的半波相控整流電路的移相范圍為移相范圍為01504.4.1 三相半波相控整流電路三相半波相控整流電

39、路2 2、電阻性負載數(shù)量關系、電阻性負載數(shù)量關系(4.4.2) 當當30時，負載電流斷續(xù)，時，負載電流斷續(xù)， ，輸出電壓平均值輸出電壓平均值d為為150 62)(sin23/21ttdUUd3)30cos(117. 12 U)15030( (4) 晶閘管承受的最大反向電壓為電源線電壓峰值，晶閘管承受的最大反向電壓為電源線電壓峰值，即即 ，最大正向電壓為電源相電壓，即，最大正向電壓為電源相電壓，即 。22U26U4.4.1 三相半波相控整流電路三相半波相控整流電路2 2、電阻性負載數(shù)量關系、電阻性負載數(shù)量關系(4.4.4)（5 5）負載電流的平均值）負載電流的平均值 dddRUI ddTII31

40、 )2cos2332(212 dTRUI30 o)2sin412cos4365(212 dTRUI15030 流過每個晶閘管的平均電流流過每個晶閘管的平均電流流過每個晶閘管的電流有效值為流過每個晶閘管的電流有效值為(4.4.5)(4.4.3)(4.4.6)4.4.1 三相半波相控整流電路三相半波相控整流電路3 3、大電感負載、大電感負載 (1)(1)在在3030時，時，u ud d的波形與電的波形與電阻性負載時相同。阻性負載時相同。 (2)30(2)30時時u ud d波形出現(xiàn)部分負壓。波形出現(xiàn)部分負壓。 (3)(3)盡管盡管3030，由于大電感負，由于大電感負載的作用，仍然使各相晶閘管導通載

41、的作用，仍然使各相晶閘管導通120120，保證了電流的連續(xù)。，保證了電流的連續(xù)。 電路特點：電路特點：圖圖4.4.34.4.3 大電感負載的三相半波整流電路及波形大電感負載的三相半波整流電路及波形 4.4.1 三相半波相控整流電路三相半波相控整流電路4 4、大電感負載數(shù)量關系、大電感負載數(shù)量關系流過每個晶閘管的平均電流與有效電流分別為流過每個晶閘管的平均電流與有效電流分別為 65622cos17. 1)(sin23/21UttdUUd 當當=0時時Ud最大最大，當當=90時，時，Ud=0。因此，大電感。因此，大電感負載時，三相半波整流電路的移相范圍為負載時，三相半波整流電路的移相范圍為090。

42、整流輸出電壓平均值整流輸出電壓平均值ud為為dddTdTIIII313601202 dddTTIIII577. 0312 (4.4.8)(4.4.7)(4.4.9)4.4.1 三相半波相控整流電路三相半波相控整流電路5 5、大電感負載接續(xù)流二極管時、大電感負載接續(xù)流二極管時4 4）續(xù)流二極管在一周期內導通三）續(xù)流二極管在一周期內導通三次，其導通角次，其導通角D D=3(=3(3030) )。 1）ud的波形與純電阻性負載時一樣，的波形與純電阻性負載時一樣，Ud的計算公式也一樣。的計算公式也一樣。)300(cos17. 1)(sin23/2126562 UttdUUd圖圖4.4.3 4.4.3

43、大電感負載的大電感負載的 三相半波整流電路三相半波整流電路2 2）負載電流）負載電流i id=i=iT1+i+iT2+i+iT3+i+iD。3 3）一周期內晶閘管的導通角）一周期內晶閘管的導通角 T=150=150。4.4.1 三相半波相控整流電路三相半波相控整流電路5 5、大電感負載接續(xù)流二極管時、大電感負載接續(xù)流二極管時圖圖4.4.3 4.4.3 大電感負載的大電感負載的 三相半波整流電路三相半波整流電路(4.4.13)5 5）流過晶閘管的平均電流和有效電流分別為）流過晶閘管的平均電流和有效電流分別為6 6）流過續(xù)流管的平均電流和）流過續(xù)流管的平均電流和有效電流分別為有效電流分別為ddTd

44、TIII 3601502 ddTTIII 3601502 ddDdDIII 120302 ddDDIII 120302 (4.4.10)(4.4.11)(4.4.12)4.4.2 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路 共陰極組的自然換流點共陰極組的自然換流點(=0(=0) )在在tt1 1、tt、tt時刻，分別時刻，分別觸發(fā)觸發(fā)、晶閘管。晶閘管。 共陽極組的自然換流點共陽極組的自然換流點(=0(=0) )在在tt、tt、tt時刻，分別時刻，分別觸發(fā)觸發(fā)、晶閘管。晶閘管。 晶閘管的導通順序為：晶閘管的導通順序為：1 12 23 34 45 56 6。 圖圖4.4.4 4.4.4 三相橋式相控

45、整流電路三相橋式相控整流電路 帶電阻負載帶電阻負載 時的情況時的情況01 1、電阻性負載工作原理、電阻性負載工作原理2、三相橋式全控整流電路的特點三相橋式全控整流電路的特點 4.4.2 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路 （l l）每個時刻均需）每個時刻均需2 2個不同組的晶閘管同時導通，形個不同組的晶閘管同時導通，形成向負載供電的回路，其中且不能為同一相的晶閘管；成向負載供電的回路，其中且不能為同一相的晶閘管； （2）對觸發(fā)脈沖的要求：）對觸發(fā)脈沖的要求：6個晶閘管的觸發(fā)脈沖按個晶閘管的觸發(fā)脈沖按 ug1ug2ug3ug4ug5ug6的順序（相位依次差的順序（相位依次差60） 分別觸發(fā)

46、晶閘管分別觸發(fā)晶閘管123456；共陰極組共陰極組1、3、5的觸發(fā)脈沖依次相差的觸發(fā)脈沖依次相差120，共陽極組共陽極組、的觸發(fā)脈沖也依次差的觸發(fā)脈沖也依次差 120, 同一相的上下兩個橋臂，即同一相的上下兩個橋臂，即 T1、與、與T4，T3與與 T6，T5與與 T2脈沖相差脈沖相差180；2 2、三相橋式全控整流電路的特點、三相橋式全控整流電路的特點 4.4.2 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路寬脈沖觸發(fā)：寬脈沖觸發(fā)：使脈沖寬度大于使脈沖寬度大于60( (一般取一般取80100););雙脈沖觸發(fā)：雙脈沖觸發(fā)：用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的

47、前沿相差相差60，脈寬一般為，脈寬一般為2030。 （3）全控橋觸發(fā)脈沖類型：）全控橋觸發(fā)脈沖類型：（4 4）帶電阻負載時三相橋式全控整流電路角）帶電阻負載時三相橋式全控整流電路角的移相范圍的移相范圍是是 120。 3、三相橋式全控整流三相橋式全控整流電路電路不同時工作原理不同時工作原理 4.4.2 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路=30=30時工作波形：時工作波形：圖圖4.44.4.5 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路 帶電阻負載帶電阻負載=30=30 時的情況時的情況3 3、三相橋式全控整流、三相橋式全控整流電路電路不同時工作原理不同時工作原理 4.4.2 三相橋式相控整流

48、電路三相橋式相控整流電路=60=60時工作波形：時工作波形：圖圖4.44.4.6 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路 帶電阻負載帶電阻負載=60 時的情況時的情況4.4.2 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路=90=90時工作波形時工作波形：圖圖4.44.4.7 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路 帶電阻負載帶電阻負載=90=90 時的情況時的情況3、三相橋式全控整流三相橋式全控整流電路電路不同時工作原理不同時工作原理 4、三相橋式全控整流電路參數(shù)計算三相橋式全控整流電路參數(shù)計算4.4.2 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路 2）當）當6060時，負載電流不連續(xù)，整流輸

49、出電壓時，負載電流不連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為的平均值為 1）當）當6060時，負載電流連續(xù)，負載上承受的是線電時，負載電流連續(xù)，負載上承受的是線電壓設其表達式為壓設其表達式為 ，在，在 內積分上內積分上 、下限為下限為 和和 。因此當控制角為時，整流輸出電壓。因此當控制角為時，整流輸出電壓的平均值為的平均值為tUuAB sin232 3 32 3 cos34. 2cos63)(sin631222323UUttdUUd 3cos134. 23cos163)(sin6312223UUttdUUd(4.4.14)(4.4.15)晶閘管承受的最大正、反向峰值電壓為晶閘管承受的最大正、反向峰值電壓為

50、 26U5 5、大電感負載、大電感負載 4.4.2 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路圖圖4.44.4.8 帶大電感負載的帶大電感負載的三相全控橋式三相全控橋式 整流電路及整流電路及=0=0時的電流電壓波形時的電流電壓波形 1 1）=0=0時工作波形時工作波形電路移向范圍為電路移向范圍為0 090905 5、大電感負載、大電感負載 4.4.2 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路圖圖4.44.4.8 帶大電感負載的三相全控橋式整流電路在帶大電感負載的三相全控橋式整流電路在=30=30、9090時的電流電壓波形時的電流電壓波形 2 2）=30=30、 9090時工作波形時工作波形6 6

51、、大電感負載參數(shù)計算、大電感負載參數(shù)計算 4.4.2 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路 在在0 09090范圍內負載電流連續(xù)，負載上承受的是范圍內負載電流連續(xù)，負載上承受的是線電壓，設其表達式為線電壓，設其表達式為 ，而線電壓，而線電壓超前于相電壓超前于相電壓3030，在內，在內 積分上、下限為積分上、下限為 和和 。因此當控制角為因此當控制角為時：時：(4.4.16)tUuAB sin232 cos34. 2cos63)(sin63/1222323UUttdUUd 3 32 31）整流輸出電壓的平均值為）整流輸出電壓的平均值為（0 09090）2）負載電流平均值為）負載電流平均值為

52、cos34. 22ddddRURUI (4.4.17)4.4.2 三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路 三相全控橋式整流電路中，晶閘管換流只在本組內進行，每隔三相全控橋式整流電路中，晶閘管換流只在本組內進行，每隔120120換流一次，即在電流連續(xù)的情況下，每個晶閘管的導通角換流一次，即在電流連續(xù)的情況下，每個晶閘管的導通角T T=120=120。3）流過晶閘管的電流平均值和有效值）流過晶閘管的電流平均值和有效值dddTdTIIII313601202 dddTTIIII577. 0312 (4.4.18)(4.4.19)4） 流進變壓器次級的電流有效值為流進變壓器次級的電流有效值為 3523

53、2022)()(21)(21 tdItdIIddddII816. 032 5）晶閘管承受的最大電壓為）晶閘管承受的最大電壓為26U(4.4.20)6 6、大電感負載參數(shù)計算、大電感負載參數(shù)計算 第第4 4章章 整流電路整流電路1 1 4.1 整流器的定義和分類整流器的定義和分類 4.2 整流器的性能指標整流器的性能指標 4.3 單相相控整流電路單相相控整流電路 4.4 三相相控整流電路三相相控整流電路 4.5 大容量相控整流電路大容量相控整流電路 4.6 相控整流電路的換相壓降相控整流電路的換相壓降 4.7 整流電路的諧波分析整流電路的諧波分析 4.8 有源逆變電路有源逆變電路 4.9 晶閘管

54、相控電路的驅動控制晶閘管相控電路的驅動控制 1. 帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路工作原理帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路工作原理4.5 大容量相控整流電路大容量相控整流電路圖圖4.5.1 帶平衡電抗器的雙反星形帶平衡電抗器的雙反星形 相控整流電路及其波形圖相控整流電路及其波形圖2 2、帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路數(shù)量關系、帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路數(shù)量關系4.5 大容量相控整流電路大容量相控整流電路(4.5.2) )圖圖4.5.1(a)中如果正、負整流組輸出電流和在周期內連續(xù)，則中如果正、負整流組輸出電流和在周期內連續(xù)，則T1、T3、T5和和T4、T6、T2的導電角都為的導

55、電角都為 ，在控制角，在控制角=0 0時時32 ttttUumd 12cos131119cos10816cos7513cos421213321U Ud1、u ud2相差相差6060即即 )3(12cos13111)3( 9cos1081)3( 6cos751)3( 3cos421213322 ttttUumdtUttUuuummddp 3cos4339cos1013cos4332221 則：則：(4.5.1) )(4.5.3) ) 從上面的關系式可知，從上面的關系式可知，如果負載中有大電感，三次諧波很難流入負載，如果負載中有大電感，三次諧波很難流入負載，三次諧波電壓產生的三次諧波電流只在兩組半

56、波整流電路中流動，稱之三次諧波電壓產生的三次諧波電流只在兩組半波整流電路中流動，稱之為環(huán)流。為環(huán)流。4.5 大容量相控整流電路大容量相控整流電路(4.5.7) )2 2、帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路數(shù)量關系、帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路數(shù)量關系根據(jù)圖根據(jù)圖 4.5.1(b)得到整流輸出電壓瞬時值為得到整流輸出電壓瞬時值為 21112121ddpdAddduuuuuuu 將式將式(4.5.1) ) 、 (4.5.2) )代入上式得代入上式得 ttUumd 12cos131126cos75212332如果控制角為如果控制角為，輸出直流電壓平均值為，輸出直流電壓平均值為 cos17. 1

57、cos26322UUUd (4.5.4) )輸出直流電壓平均值為輸出直流電壓平均值為22217. 1263233UUUUmd (4.5.6) )4.5 大容量相控整流電路大容量相控整流電路2. 帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路數(shù)量關系帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路數(shù)量關系 由式由式 由于每組三相半波整流電流是負載電流的由于每組三相半波整流電流是負載電流的1/2，故晶閘管的選擇和，故晶閘管的選擇和變壓器二次繞組額定容量的確定只要按變壓器二次繞組額定容量的確定只要按Id/2計算即可。流過晶閘管和計算即可。流過晶閘管和變壓器二次繞組的電流相同，在電感性負載時都是方波，其等效值為變壓器二次繞組的

58、電流相同，在電感性負載時都是方波，其等效值為 dddTIIIII289. 0323222122 晶閘管承受的最大正反向電壓的計算，與三相半波時相同。關于變晶閘管承受的最大正反向電壓的計算，與三相半波時相同。關于變壓器所流過的電流其二次繞組與三相半波時相同，一次繞組則與三相壓器所流過的電流其二次繞組與三相半波時相同，一次繞組則與三相橋式相同。橋式相同。(4.5.9) ) 可知，輸出電壓中的諧波階次可知，輸出電壓中的諧波階次n為為6k，k=1,2,3.，n=6,12,18.，最低諧波為，最低諧波為6次諧波，其值僅為直流平均值的次諧波，其值僅為直流平均值的235。 ttUumd 12cos13112

59、6cos75212332(4.5.8) )4.5 大容量相控整流電路大容量相控整流電路3 3、平衡電抗器、平衡電抗器工作原理：工作原理： 由于平衡電抗器由于平衡電抗器 的接入，瞬時電壓差的接入，瞬時電壓差 加在電抗加在電抗器兩端，器兩端， ，當，當 時，時， ， ，使，使 降低降低 后接入負載，后接入負載， ，使使 升高升高 后接入負載，電感使兩組整流橋輸出到負載后接入負載，電感使兩組整流橋輸出到負載的電壓達到平衡，正、負兩組同時導電，故稱之為平衡電的電壓達到平衡，正、負兩組同時導電，故稱之為平衡電抗器。抗器。 pu2pdBAduUU 21dduu 021 ddpuuu021 pAduU1du

60、2pu02 pdBuU2du2pupL4.5 大容量相控整流電路大容量相控整流電路4、結論結論 （4）兩種電路中晶閘管的導通及觸發(fā)脈沖的分配關系）兩種電路中晶閘管的導通及觸發(fā)脈沖的分配關系一樣，一樣，ud和和id的波形形狀一樣。的波形形狀一樣。將雙反星形電路與三相橋式電路進行比較：將雙反星形電路與三相橋式電路進行比較： （1）三相橋為兩組三相半波串聯(lián)，而雙反星形為兩）三相橋為兩組三相半波串聯(lián)，而雙反星形為兩組三相半波并聯(lián)，且后者需用平衡電抗器，同時有兩相組三相半波并聯(lián)，且后者需用平衡電抗器，同時有兩相導電，變壓器磁路平衡，不存在直流磁化問題；導電，變壓器磁路平衡，不存在直流磁化問題； （2）當