第3章 三相整流電路

3.2三相可控整流電路第三章三相可控整流電路

第一節(jié)

三相半波可控整流電路

第二節(jié)三相橋式全控整流電路1第三章三相可控整流電路■其交流側(cè)由三相電源供電。

■當(dāng)整流負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小、易濾波時(shí)，應(yīng)采用三相整流電路?！鲎罨镜氖侨喟氩煽卣麟娐??！鰬?yīng)用最為廣泛的三相橋式全控整流電路、以及雙反星形可控整流電路、十二脈波可控整流電路等。

2第一節(jié)三相半波可控整流電路

b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)圖3-2三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路及

=0

時(shí)的波形

■電阻負(fù)載

◆電路分析

?為得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星形，而一次側(cè)接成三角形，避免3次諧波流入電網(wǎng)。

?三個(gè)晶閘管按共陰極接法連接,這種接法觸發(fā)電路有公共端，連線方便。

?假設(shè)將晶閘管換作二極管，三個(gè)二極管對應(yīng)的相電壓中哪一個(gè)的值最大，則該相所對應(yīng)的二極管導(dǎo)通，并使另兩相的二極管承受反壓關(guān)斷，輸出整流電壓即為該相的相電壓。3第一節(jié)三相半波可控整流電路

b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)圖3-2三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路及

=0

時(shí)的波形

■電阻負(fù)載

?自然換相點(diǎn)

√在相電壓的交點(diǎn)

t1、

t2、

t3處，均出現(xiàn)了二極管換相，稱這些交點(diǎn)為自然換相點(diǎn)。

√將其作為

的起點(diǎn)，即

=0。?

=0(波形見右圖)

√三個(gè)晶閘管輪流導(dǎo)通120

，ud波形為三個(gè)相電壓在正半周期的包絡(luò)線。

√變壓器二次繞組電流有直流分量。4第一節(jié)三相半波可控整流電路a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac?

=0(波形見上頁)

√晶閘管電壓由一段管壓降和兩段線電壓組成，隨著

增大，晶閘管承受的電壓中正的部分逐漸增多。?

=30

√負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)，各相仍導(dǎo)電120

。圖3-4三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，

=30

時(shí)的波形5第一節(jié)三相半波可控整流電路wwttwtwta=60°u2uaubucOOOOuGudiVT1圖3-5三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，

=60

時(shí)的波形?

>30

√當(dāng)導(dǎo)通一相的相電壓過零變負(fù)時(shí)，該相晶閘管關(guān)斷，但下一相晶閘管因未觸發(fā)而不導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓電流為零。

√負(fù)載電流斷續(xù)，各晶閘管導(dǎo)通角小于120

。

6第一節(jié)三相半波可控整流電路◆基本數(shù)量關(guān)系?電阻負(fù)載時(shí)

角的移相范圍為150

。

?整流電壓平均值

√

≤30

時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有

當(dāng)

=0時(shí)，Ud最大，為Ud=Ud0=1.17U2。

√

>30

時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有

(3-3)(3-4)7第一節(jié)三相半波可控整流電路?Ud/U2隨

變化的規(guī)律

圖

三相半波可控整流電路Ud/U2與

的關(guān)系電阻負(fù)載電感負(fù)載電阻電感負(fù)載8第一節(jié)三相半波可控整流電路?負(fù)載電流平均值為?晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次線電壓峰值,即

?晶閘管陽極與陰極間的最大電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即

(3-5)(3-9)(3-9)9第一節(jié)三相半波可控整流電路■阻感負(fù)載

◆電路分析

?L值很大，整流電流id的波形基本是平直的，流過晶閘管的電流接近矩形波。

?

≤30

時(shí)，整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同。uuuudiaabcibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwtu圖3-6三相半波可控整流電路，阻感負(fù)載時(shí)的電路及

=60

時(shí)的波形10第一節(jié)三相半波可控整流電路

?

＞30

時(shí)，當(dāng)u2過零時(shí)，由于電感的存在，阻止電流下降，因而VT1繼續(xù)導(dǎo)通，直到下一相晶閘管VT2的觸發(fā)脈沖到來，才發(fā)生換流，由VT2導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時(shí)向VT1施加反壓使其關(guān)斷。

uuuudiaabcibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwtu圖3-6三相半波可控整流電路，阻感負(fù)載時(shí)的電路及

=60

時(shí)的波形11第一節(jié)三相半波可控整流電路◆基本數(shù)量關(guān)系

?

的移相范圍為90

。

?整流電壓平均值

?Ud/U2與

的關(guān)系√L很大，如曲線2所示。

√L不是很大，則當(dāng)

>30

后，ud中負(fù)的部分可能減少，整流電壓平均值Ud略為增加，如曲線3所示。圖

三相半波可控整流電路Ud/U2與

的關(guān)系12第一節(jié)三相半波可控整流電路?變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為

?晶閘管的額定電流為

?晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值，即

■三相半波可控整流電路的主要缺點(diǎn)在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少。(3-13)(3-13)(3-14)13第二節(jié)三相橋式全控整流電路■原理圖

◆陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）稱為共陽極組。

◆共陰極組中與u，v，w三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1，VT3，VT5，共陽極組中與u，v，w三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4，VT6，VT2。

◆晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。

圖3-10三相橋式全控整流電路原理圖14第二節(jié)三相橋式全控整流電路■帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況

◆電路分析?各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。?當(dāng)

≤60

時(shí)√ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形的形狀是一樣的，也連續(xù)。

√

=0

時(shí)，ud為線電壓在正半周的包絡(luò)線。波形見

圖3-11。

時(shí)段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓uduu-uv=uuvuu-uw=uuwuv-uw=uvwuv-uu=uvuuw-uu=uwuuw-uv=uwv表3-1三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載

=0

時(shí)晶閘管工作情況1516第二節(jié)三相橋式全控整流電路√

=30

時(shí)，晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30

，組成ud的每一段線電壓因此推遲30

，ud平均值降低，波形見

圖3-13。

√

=60

時(shí)，ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)向后移，ud平均值繼續(xù)降低。

=60

時(shí)ud出現(xiàn)了為零的點(diǎn)，波形見

圖3-14。?當(dāng)

>60

時(shí)

√因?yàn)閕d與ud一致，一旦ud降為至零，id也降至零，晶閘管關(guān)斷，輸出整流電壓ud為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。

√

=90

時(shí)的波形見

圖3-15。

17第二節(jié)三相橋式全控整流電路◆三相橋式全控整流電路的一些特點(diǎn)

?每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，共陰極組的和共陽極組的各1個(gè)，且不能為同一相的晶閘管。

?對觸發(fā)脈沖的要求

√6個(gè)晶閘管的脈沖按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60

?！坦碴帢O組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120

，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120

?！掏幌嗟纳舷聝蓚€(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180

。18第二節(jié)三相橋式全控整流電路?整流輸出電壓ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。?在整流電路合閘啟動(dòng)過程中或電流斷續(xù)時(shí)，為確保電路的正常工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖

√寬脈沖觸發(fā)：使脈沖寬度大于60

（一般取80

~100

）

√雙脈沖觸發(fā)：用兩個(gè)窄脈沖代替寬脈沖，兩個(gè)窄脈沖的前沿相差60

，脈寬一般為20

~30

?！坛Ｓ玫氖请p脈沖觸發(fā)。?晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也一樣。1920第二節(jié)三相橋式全控整流電路■阻感負(fù)載時(shí)的工作情況

◆電路分析

?當(dāng)

≤60

時(shí)

√ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。

√區(qū)別在于電流，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，id、iVT、ia的波形在導(dǎo)通段都可近似為一條水平線。

√

=0

時(shí)的波形見

圖，

=30時(shí)的波形見

圖3-16。

?當(dāng)

>60

時(shí)√由于電感L的作用，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。

√

=90

時(shí)的波形見

圖3-18。

21第二節(jié)三相橋式全控整流電路■基本數(shù)量關(guān)系

◆帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路

角的移相范圍是120

，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的

角移相范圍為90

?！粽鬏敵鲭妷浩骄?/p>

?帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載

≤60

時(shí)

?帶電阻負(fù)載且

>60

時(shí)

(3-21)(3-21)22第二節(jié)三相橋式全控整流電路◆輸出電流平均值為Id=Ud/R?！舢?dāng)整流變壓器為圖3-16中所示采用星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形如圖3-17中所示，為正負(fù)半周各寬120

、前沿相差180

的矩形波，其有效值為：晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時(shí)一致?！羧鄻蚴饺卣麟娐方臃措妱葑韪胸?fù)載時(shí)的Id為：式中R和E分別為負(fù)載中的電阻值和反電動(dòng)勢的值。

(3-24)(3-25)233.3變壓器漏感對整流電路的影響■變壓器漏感

◆實(shí)際上變壓器繞組總有漏感，該漏感可用一個(gè)集中的電感LB表示，并將其折算到變壓器二次側(cè)。

◆由于電感對電流的變化起阻礙作用，電感電流不能突變，因此換相過程不能瞬間完成，而是會(huì)持續(xù)一段時(shí)間?！霈F(xiàn)以三相半波為例來分析，然后將其結(jié)論推廣

◆假設(shè)負(fù)載中電感很大，負(fù)載電流為水平線。

243.3變壓器漏感對整流電路的影響udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca◆分析從VT1換相至VT2的過程

?在

t1時(shí)刻之前VT1導(dǎo)通，

t1時(shí)刻觸發(fā)VT2，因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變，于是VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于將a、b兩相短路，兩相間電壓差為ub-ua，它在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik如圖所示。?ik=ib是逐漸增大的，而ia=Id-ik是逐漸減小的。

?當(dāng)ik增大到等于Id時(shí)，ia=0，VT1關(guān)斷，換流過程結(jié)束。

?換相過程持續(xù)的時(shí)間用電角度

表示，稱為換相重疊角。

t1時(shí)刻

圖3-26考慮變壓器漏感時(shí)的三相半波可控整流電路及波形

253.3變壓器漏感對整流電路的影響◆基本數(shù)量關(guān)系

?換相過程中，整流輸出電壓瞬時(shí)值為

?換相壓降：與不考慮變壓器漏感時(shí)相比，ud平均值降低的多少，即

(3-30)(3-31)263.3變壓器漏感對整流電路的影響?換相重疊角

√由式（3-30）得出：

由上式得：進(jìn)而得出：當(dāng)時(shí)，，于是

(3-32)(3-33)(3-34)(3-35)(3-36)273.3變壓器漏感對整流電路的影響√

隨其它參數(shù)變化的規(guī)律：

⑴Id越大則

越大；

⑵XB越大

越大；⑶當(dāng)

≤90

時(shí)，

越小

越大。?其它整流電路的分析結(jié)果

電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路①②

注：①單相全控橋電路中，XB在一周期的兩次換相中都起作用，等效為m=4；②三相橋等效為相電壓等于的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按代入。表3-2各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計(jì)算

283.3變壓器漏感對整流電路的影響◆變壓器漏感對整流電路影響的一些結(jié)論:

?出現(xiàn)換相重疊角

，整流輸出電壓平均值Ud降低。

?整流電路的工作狀態(tài)增多。?晶閘管的di/dt減小，有利于晶閘管的安全開通，有時(shí)人為串入進(jìn)線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。?換相時(shí)晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導(dǎo)通，為此必須加吸收電路。?換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。293.3變壓器漏感對整流電路的影響例：三相橋式不可控整流電路，阻感負(fù)載，R=5Ω，L=∞，U2=220V，XB=0.3Ω，求Ud、Id、IVD、I2和

的值并作出ud、iVD和i2的波形。解：三相橋式不可控整流電路相當(dāng)于三相橋式可控整流電路

＝0°時(shí)的情況。

Ud＝3.34U2cos

－ΔUd

ΔUd＝3XBId∕

Id＝Ud∕R

解方程組得：

Ud＝3.34U2cos

∕（1＋3XB/

R）＝486.9（V）

Id＝97.38（A）又∵－=2∕U2

即得出=0.892

換流重疊角

＝26.93°

二極管電流和變壓器二次側(cè)電流的有效值分別為

IVD＝Id∕3＝97.38∕3＝33.46（A）

I2a＝Id＝79.51（A）

ud、iVD1和i2a的波形如

圖3-27所示。303.4電容濾波的不可控整流電路

3.4.1電容濾波的單相不可控整流電路

3.4.2電容濾波的三相不可控整流電路

313.4電容濾波的不可控整流電路·引言■交—直—交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應(yīng)用場合大都采用不可控整流電路?！鲎畛Ｓ玫氖菃蜗鄻蚴胶腿鄻蚴絻煞N接法?！鲇捎陔娐分械碾娏﹄娮悠骷捎谜鞫O管，故也稱這類電路為二極管整流電路。323.4.1電容濾波的單相不可控整流電路■工作原理及波形分析

◆基本工作過程?在u2正半周過零點(diǎn)至

t=0期間，因u2<ud，故二極管均不導(dǎo)通，此階段電容C向R放電，提供負(fù)載所需電流，同時(shí)ud下降。

?至

t=0之后，u2將要超過ud，使得VD1和VD4開通，ud=u2，交流電源向電容充電，同時(shí)向負(fù)載R供電。

?電容被充電到

t=

時(shí)，ud=u2，VD1和VD4關(guān)斷。電容開始以時(shí)間常數(shù)RC按指數(shù)函數(shù)放電。

?當(dāng)

t=

，即放電經(jīng)過

-

角時(shí)，ud降至開始充電時(shí)的初值，另一對二極管VD2和VD3導(dǎo)通，此后u2又向C充電，與u2正半周的情況一樣。

圖3-28電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形a)電路b)波形33◆

和

的確定

?

指VD1和VD4導(dǎo)通的時(shí)刻與u2過零點(diǎn)相距的角度，

指VD1和VD4的導(dǎo)通角。?在VD1和VD4導(dǎo)通期間式中，ud(0)為VD1、VD4開始導(dǎo)通時(shí)刻直流側(cè)電壓值。將u2代入并求解得：而負(fù)載電流為：于是3.4.1電容濾波的單相不可控整流電路(3-37)(3-38)(3-39)(3-40)(3-41)343.4.1電容濾波的單相不可控整流電路可由式（3-45）求出

，進(jìn)而由式（3-44）求出

,顯然

和

僅由乘積

RC決定。

(3-42)(3-43)(3-44)(3-45)圖3-29

、

與

RC的關(guān)系曲線則當(dāng)

t=

時(shí)，VD1和VD4關(guān)斷。將id(

)=0代入式（3-41），得：

二極管導(dǎo)通后u2開始向C充電時(shí)的ud與二極管關(guān)斷后C放電結(jié)束時(shí)的ud相等，故有下式成立：

由式（3-42）和（3-43）得

353.4.1電容濾波的單相不可控整流電路?

的另外一種確定方法：VD1和VD4的關(guān)斷時(shí)刻，從物理意義上講，就是兩個(gè)電壓下降速度相等的時(shí)刻，一個(gè)是電源電壓的下降速度|du2/d(

t)|，另一個(gè)是假設(shè)二極管VD1和VD4關(guān)斷而電容開始單獨(dú)向電阻放電時(shí)電壓的下降速度|dud/d(

t)|p（下標(biāo)表示假設(shè)），據(jù)此即可確定

。圖3-29

、

與

RC的關(guān)系曲線36■主要的數(shù)量關(guān)系

◆輸出電壓平均值

?空載時(shí)，

?重載時(shí)，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于接近電阻負(fù)載時(shí)的特性。?在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C值，使,此時(shí)輸出電壓為：

Ud≈1.2U2(3-46)◆電流平均值

?輸出電流平均值IR為：IR=Ud/R(3-47)

Id=IR(3-48)?二極管電流iD平均值為：ID=Id/2=IR/2(3-49)◆二極管承受的電壓

?為變壓器二次側(cè)電壓最大值，即。

3.4.1電容濾波的單相不可控整流電路373.4.1電容濾波的單相不可控整流電路a)b)u2udi20dqpwti2,u2,ud■感容濾波的單相橋式不可控整流電路

◆實(shí)際應(yīng)用中為了抑制電流沖擊，常在直流側(cè)串入較小的電感。

◆ud波形更平直，電流i2的上升段平緩了許多，這對于電路的工作是有利的。圖3-31感容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形a）電路圖b）波形383.4.2電容濾波的三相不可控整流電路uduuua)b)Oiaiddabac0dqwtpp3wt■基本原理

◆當(dāng)某一對二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。

◆當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降?！鲭娏鱥d斷續(xù)和連續(xù)

◆比如在VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通之前VD6和VD1是關(guān)斷的，交流側(cè)向直流側(cè)的充電電流id是斷續(xù)的。

◆VD1一直導(dǎo)通，交替時(shí)由VD6導(dǎo)通換相至VD2導(dǎo)通，id是連續(xù)的。

圖3-32電容濾波的三相橋式不可控整流電路及其波形a)電路b)波形393.4.2電容濾波的三相不可控整流電路◆由“電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件，假設(shè)在

t+

=2

/3的時(shí)刻“速度相等”恰好發(fā)生，則有

可得

RC=

這就是臨界條件。

RC>和

RC<分別是電流id斷續(xù)和連續(xù)的條件。

◆通常只有R是可變的，它的大小反映了負(fù)載的輕重，因此在輕載時(shí)直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時(shí)是連續(xù)的。

a)b)wtwtwtwtaidaidOOOO圖3-33電容濾波的三相橋式整流電路當(dāng)

RC等于和小于時(shí)的電流波形a）

RC=

b）

RC<(3-50)403.4.2電容濾波的三相不可控整流電路b)c)iaiaOO

t

t■考慮電感

◆實(shí)際電路中存在交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感。

◆有電感時(shí)，電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作?！綦S著負(fù)載的加重，電流波形與電阻負(fù)載時(shí)的交流側(cè)電流波形逐漸接近。

圖3-34考慮電感時(shí)電容濾波的三相橋式整流電路及其波形a）電路原理圖b）輕載時(shí)的交流側(cè)電流波形c）重載時(shí)的交流側(cè)電流波形41■主要數(shù)量關(guān)系◆輸出電壓平均值

?Ud在（2.34U2~2.45U2）之間變化?！綦娏髌骄?/p>

?輸出電流平均值IR為：

IR=Ud/R

電容電流iC平均值為零，因此：

Id=IR?二極管電流平均值為Id的1/3，即

ID=Id/3=IR/3◆二極管承受的電壓?為線電壓的峰值，為。3.4.2電容濾波的三相不可控整流電路(3-51)(3-52)(3-53)423.5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(chǔ)3.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路交流側(cè)諧

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

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

433.5整流電路的諧波和功率因數(shù)·引言■隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛，由此帶來的諧波(harmonics)和無功(reactivepower)問題日益嚴(yán)重，引起了關(guān)注?！鰺o功的危害

◆導(dǎo)致設(shè)備容量增加。

◆使設(shè)備和線路的損耗增加?！艟€路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動(dòng)?！鲋C波的危害◆降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。

◆影響用電設(shè)備的正常工作?！粢痣娋W(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。◆導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作?！魧νㄐ畔到y(tǒng)造成干擾。

44■諧波

◆正弦波電壓可表示為

式中U為電壓有效值；

u為初相角；

為角頻率，

=2

f=2

/T；f為頻率；T為周期?！舴钦译妷簎(

t)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(chǔ)式中n=1,2,3…(3-54)(3-55)453.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)或式中，cn、

n和an、bn的關(guān)系為◆基波（fundamental）：頻率與工頻相同的分量。

諧波：頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。

諧波次數(shù)：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比?！鬾次諧波電流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示◆電流諧波總畸變率THDi（TotalHarmonicdistortion）分別定義為（Ih為總諧波電流有效值）(3-56)(3-57)(3-58)463.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)■功率因數(shù)

◆正弦電路

?有功功率就是其平均功率：

式中U、I分別為電壓和電流的有效值，

為電流滯后于電壓的相位差。?視在功率為：

S=UI

?無功功率為：

Q=UIsin

?功率因數(shù)為：

?無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間的關(guān)系：

?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，其值為：

=cos

(3-59)(3-60)(3-61)(3-62)(3-63)(3-64)473.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)◆非正弦電路

?有功功率為?功率因數(shù)為：式中I1為基波電流有效值，

1為基波電流與電壓的相位差。式中，

=I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為基波因數(shù)，而cos

1稱為位移因數(shù)或基波功率因數(shù)。

?無功功率

√定義很多，但尚無被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義。

√一般簡單定義為（反映了能量的流動(dòng)和交換）：

√仿照式（2-61）定義為：

?畸變功率D為：(3-65)(3-66)(3-67)(3-68)(3-71)483.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析■單相橋式全控整流電路◆電流波形如圖3-6所示，將電流波形分解為傅里葉級數(shù)，可得其中基波和各次諧波有效值為n=1,3,5,…可見，電流中僅含奇次諧波，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)。

圖3-6i2的波形(3-72)(3-73)493.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析◆功率因數(shù)

?基波電流有效值為?i2的有效值I=Id，可得基波因數(shù)為

?電流基波與電壓的相位差就等于控制角

，故位移因數(shù)為

?功率因數(shù)為(3-74)(3-75)(3-76)(3-77)503.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析圖3-24

ia的波形■三相橋式全控整流電路

◆以

=30

為例，電流有效值為

◆電流波形分解為傅立葉級數(shù)(3-78)(3-79)513.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析由式（3-79）可得電流基波和各次諧波有效值分別為結(jié)論：電流中僅含6k

1（k為正整數(shù)）次諧波，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)?！艄β室驍?shù)?基波因數(shù)為?電流基波與電壓的相位差仍為

，故位移因數(shù)仍為

?功率因數(shù)為(3-80)(3-81)(3-82)(3-83)523.5.3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■單相橋式不可控整流電路

◆采用感容濾波。

◆電容濾波的單相不可控整流電路交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：

?諧波次數(shù)為奇次。

?諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。

?諧波與基波的關(guān)系是不固定的。

?越大，則諧波越小。◆關(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下：

?位移因數(shù)接近1，輕載超前，重載滯后。?諧波大小受負(fù)載和濾波電感的影響。533.5.3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■三相橋式不可控整流電路

◆有濾波電感?！艚涣鱾?cè)諧波組成有如下規(guī)律：?諧波次數(shù)為6k±1次，k=1，2，3…。

?諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。?諧波與基波的關(guān)系是不固定的?！絷P(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下：

?位移因數(shù)通常是滯后的,但與單相時(shí)相比,位移因數(shù)更接近1。

?隨負(fù)載加重（

RC的減?。偟墓β室驍?shù)提高；同時(shí)，隨濾波電感加大，總功率因數(shù)也提高。543.5.4整流輸出電壓和電流的諧波分析圖3-35

=0

時(shí)，m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，同時(shí)包含各種頻率的諧波，這些諧波對于負(fù)載的工作是不利的。■

=0

時(shí)，m脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析

◆整流電壓表達(dá)式為(3-84)553.5.4整流輸出電壓和電流的諧波分析對該整流輸出電壓進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，得出：式中，k=1，2，3…；且：◆電壓紋波因數(shù)

其中(3-85)(3-86)(3-87)(3-88)(3-89)563.5.4整流輸出電壓和電流的諧波分析m23612∞

u（%）48.218.274.180.9940將上述式（3-89）、（3-90）和（3-86）代入（3-88）得

表3-3不同脈波數(shù)m時(shí)的電壓紋波因數(shù)值(3-90)(3-91)573.5.4整流輸出電壓和電流的諧波分析◆負(fù)載電流的傅里葉級數(shù)

上式中：(3-92)(3-93)(3-94)(3-95)583.5.4整流輸出電壓和電流的諧波分析◆

=0

時(shí)整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：

?m脈波整流電壓ud0的諧波次數(shù)為mk（k=1，2，3...）次，即m的倍數(shù)次；整流電流的諧波由整流電壓的諧波決定，也為mk次。?當(dāng)m一定時(shí)，隨諧波次數(shù)增大，諧波幅值迅速減小，表明最低次（m次）諧波是最主要的，其它次數(shù)的諧波相對較少；當(dāng)負(fù)載中有電感時(shí)，負(fù)載電流諧波幅值dn的減小更為迅速。?m增加時(shí)，最低次諧波次數(shù)增大，且幅值迅速減小，電壓紋波因數(shù)迅速下降。

593.5.4整流輸出電壓和電流的諧波分析■

不為0

時(shí)的情況

◆整流電壓分解為傅里葉級數(shù)為：

◆以n為參變量，n次諧波幅值對

的關(guān)系如圖3-36所示：

?當(dāng)

從0

~90

變化時(shí)，ud的諧波幅值隨

增大而增大，

=90

時(shí)諧波

幅值最大。

?

從90

~180

之間電路工作于有源逆變工作狀態(tài)，ud的諧波幅值隨

增大而減小。

圖3-36三相全控橋電流連續(xù)時(shí)，以n為參變量的與

的關(guān)系(3-96)603.6大功率可控整流電路

3.6.1帶平衡電抗器的雙反星

形可控整流電路

3.6.2多重化整流電路

613.6大功率可控整流電路·引言■帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路的特點(diǎn)

◆適用于低電壓、大電流的場合。■多重化整流電路的特點(diǎn)：

◆在采用相同器件時(shí)可達(dá)到更大的功率。◆可減少交流側(cè)輸入電流的諧波或提高功率因數(shù)，從而減小對供電電網(wǎng)的干擾。623.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路■電路分析

◆電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

?二次側(cè)為兩組匝數(shù)相同極性相反的繞阻，分別接成兩組三相半波電路。

?二次側(cè)兩繞組的極性相反可消除鐵芯的直流磁化，如

圖3-38，雖然兩組相電流的瞬時(shí)值不同，但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。

?平衡電抗器保證兩組三相半波整流電路能同時(shí)導(dǎo)電。

?與三相橋式電路相比，雙反星形電路的輸出電流可大一倍。圖3-37帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路633.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路◆平衡電抗器

?接平衡電抗器的原因

√兩個(gè)直流電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，只有當(dāng)電壓平均值和瞬時(shí)值均相等時(shí)，才能使負(fù)載均流，在雙反星形電路中，兩組整流電壓平均值相等，但瞬時(shí)值不等。

√兩個(gè)星形的中點(diǎn)n1和n2間的電壓等于ud1和ud2之差，該電壓加在Lp上，產(chǎn)生電流ip，它通過兩組星形自成回路，不流到負(fù)載中去，稱為環(huán)流或平衡電流。

√為了使兩組電流盡可能平均分配，一般使Lp值足夠大，以便限制環(huán)流在負(fù)載額定電流的1%～2%以內(nèi)。√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。

√六相半波整流電路中，只能有一個(gè)晶閘管導(dǎo)電，其余五管均阻斷，每管最大導(dǎo)通角為60

，平均電流為Id/6；當(dāng)

=0

時(shí)，Ud為1.35U2，比三相半波時(shí)的1.17U2略大些；因晶閘管導(dǎo)電時(shí)間短，變壓器利用率低，極少采用。643.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路

tupud1,ud2OO60°360°

t1

tb)a)uaubucuc'ua'ub'ub'圖3-39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圖3-40平衡電抗器作用下兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)電的情況?平衡電抗器的工作原理分析

√平衡電抗器Lp承擔(dān)了n1、n2間的電位差，它補(bǔ)償了ub'和ua的電動(dòng)勢差，使得ub'和ua兩相的晶閘管能同時(shí)導(dǎo)電。√

t1時(shí)，ub'>ua，VT6導(dǎo)通，此電流在流經(jīng)LP時(shí)，LP上要感應(yīng)一電動(dòng)勢up，其方向是要阻止電流增大?？蓪?dǎo)出Lp兩端電壓、整流輸出電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：(3-97)(3-98)

t1時(shí)刻653.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路圖3-39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圖3-40平衡電抗器作用下兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)電的情況√雖然ud1<ud2，但由于Lp的平衡作用，使得晶閘管VT6和VT1同時(shí)導(dǎo)通?！虝r(shí)間推遲至ub'與ua的交點(diǎn)時(shí)，ub'=ua，up=0?！讨髐b'<ua，則流經(jīng)b'相的電流要減小，但Lp有阻止此電流減小的作用，up的極性反向，Lp仍起平衡的作用，使VT6繼續(xù)導(dǎo)電?！讨钡絬c'>ub'，電流才從VT6換至VT2，此時(shí)VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)電。√每一組中的每一個(gè)晶閘管仍按三相半波的導(dǎo)電規(guī)律而各輪流導(dǎo)電。√平衡電抗器中點(diǎn)作為整流電壓輸出的負(fù)端，其輸出的整流電壓瞬時(shí)值為兩組三相半波整流電壓瞬時(shí)值的平均值。

tupud1,ud2OO60°360°

t1

tb)a)uaubucuc'ua'ub'ub'663.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路■諧波分析◆將圖3-38中ud1和ud2的波形用傅氏級數(shù)展開，可得當(dāng)

=0

時(shí)的ud1、ud2，即由式（3-97）和（3-98）可得

◆負(fù)載電壓ud中的諧波分量比直流分量要小得多，而且最低次諧波為六次諧波。

◆直流平均電壓為

(3-99)(3-100)(3-101)(3-102)673.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路。90=a。60=a。30=audududwtOwtOwtOuaubucuc'ua'ub'ubucuc'ua'ub'ubucuc'ua'ub'■

=30

、

=60

和

=90

時(shí)輸出電壓的波形分析

◆當(dāng)需要分析各種控制角時(shí)的輸出波形時(shí)，可根據(jù)式（3-98）先求出兩組三相半波電路的ud1和ud2波形，然后做出波形(ud1+ud2)/2。

◆輸出電壓波形與三相半波電路比較，脈動(dòng)程度減小了，脈動(dòng)頻率加大一倍，f=300Hz。

◆在電感負(fù)載情況下，移相范圍是90

。

◆在電阻負(fù)載情況下，移相范圍為120

。

◆整流電壓平均值為Ud=1.17圖3-41當(dāng)

=30

、60、90時(shí)，雙反星形電路的輸出電壓波形U2cos

683.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路■將雙反星形電路與三相橋式電路進(jìn)行比較可得出以下結(jié)論◆三相橋?yàn)閮山M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。

◆當(dāng)U2相等時(shí)，雙反星形的Ud是三相橋的1/2，而Id是單相橋的2倍。

◆兩種電路中，晶閘管的導(dǎo)通及觸發(fā)脈沖的分配關(guān)系一樣，ud和id的波形形狀一樣。693.6.2多重化整流電路■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)的干擾，將幾個(gè)整流電路多重聯(lián)結(jié)可以減少交流側(cè)輸入電流諧波，而對晶閘管多重整流電路采用順序控制的方法可提高功率因數(shù)?！鲆葡喽嘀芈?lián)結(jié)

◆有并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)和串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)。

◆可減少輸入電流諧波，減小輸出電壓中的諧波并提高紋波頻率，因而可減小平波電抗器。

◆使用平衡電抗器來平衡2組整流器的電流?！魣D3-42的電路是2個(gè)三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路。圖3-42并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路703.6.2多重化整流電路圖3-43移相30

串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路◆移相30

構(gòu)成的串聯(lián)2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)成相位相差30

、大小相等的兩組電壓，接到相互串聯(lián)的2組整流橋。

?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1:1:。

?該電路為12脈波整流電路。

星形接法三角形接法71?其他特性如下：

√直流輸出電壓3.6.2多重化整流電路?對圖3-44波形iA進(jìn)行傅里葉分析，可得其基波幅值Im1和n次諧波幅值Imn分別如下：即輸入電流諧波次數(shù)為12k±1，其幅值與次數(shù)成反比而降低?！坦β室驍?shù)(3-103)(3-104)√位移因數(shù)（單橋時(shí)相同）723.6.2多重化整流電路◆利用變壓器二次繞阻接法的不同，互相錯(cuò)開20

，可將三組橋構(gòu)成串聯(lián)3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20

，需采用曲折接法。

?整流電壓ud在每個(gè)電源周期內(nèi)脈動(dòng)18次，故此電路為18脈波整流電路。

?交流側(cè)輸入電流諧波更少，為18k±1次（k=1,2,3…），ud的脈動(dòng)也更小。?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15

，可構(gòu)成串聯(lián)4重聯(lián)結(jié)電路

?為24脈波整流電路。

?其交流側(cè)輸入電流諧波次為24k±1，k=1，2，3…。?輸入位移因數(shù)功率因數(shù)分別為：cos

1=cos

=0.9971cos

◆采用多重聯(lián)結(jié)的方法并不能提高位移因數(shù)，但可使輸入電流諧波大幅減小，從而也可以在一定程度上提高功率因數(shù)。733.6.2多重化整流電路db)c)iId2IduOap+aa)圖3-45單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路及順序控制時(shí)的波形

■多重聯(lián)結(jié)電路的順序控制

◆只對一個(gè)橋的

角進(jìn)行控制，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，或者不工作而使該橋輸出直流電壓為零，或者

=0而使該橋輸出電壓最大。

◆根據(jù)所需總直流輸出電壓從低到高的變化，按順序依次對各橋進(jìn)行控制，因而被稱為順序控制。

◆以用于電氣機(jī)車的3重晶閘管整流橋順序控制為例

?當(dāng)需要輸出的直流電壓低于三分之一最高電壓時(shí)，只對第I組橋的

角進(jìn)行控制，同時(shí)VT23、VT24、VT33、VT34保持導(dǎo)通，這樣第II、III組橋的直流輸出電壓就為零。

743.6.2多重化整流電路?當(dāng)需要輸出的直流電壓達(dá)到三分之一最高電壓時(shí)，第I組橋的

角為0

。?需要輸出電壓為三分之一到三分之二最高電壓時(shí)，第I組橋的

角固定為0

，VT33和VT34維持導(dǎo)通，僅對第II組橋的

角進(jìn)行控制。?需要輸出電壓為三分之二最高電壓以上時(shí)，第I、II組橋的

角固定為0

，僅對第III組橋的

角進(jìn)行控制。db)c)iId2IduOap+a圖3-45單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路及順序控制時(shí)的波形

a）753.6.2多重化整流電路圖3-45a)單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路

◆使直流輸出電壓波形不含負(fù)的部分，可采取如下控制方法

?以第I組橋?yàn)槔?，?dāng)電壓相位為

時(shí)，觸發(fā)VT11、VT14使其導(dǎo)通并流過直流電流。

?在電壓相位為

時(shí)，觸發(fā)VT13，則VT11關(guān)斷，通過VT13、VT14續(xù)流，橋的輸出電壓為零而不出現(xiàn)負(fù)的部分。

?電壓相位為

+

時(shí)，觸發(fā)VT12，則VT14關(guān)斷，由VT12、VT13導(dǎo)通而輸出直流電壓。

?電壓相位為2

時(shí)，觸發(fā)VT11，則VT13關(guān)斷，由VT11和VT12續(xù)流，橋的輸出電壓為零?！繇樞蚩刂频碾娏鞑ㄐ沃?，正（或負(fù)）半周期內(nèi)前后四分之一周期波形不對稱，因此含有一定的偶次諧波，但其基波分量比電壓的滯后少，因而位移因數(shù)高，從而提高了總的功率因數(shù)。

763.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)

3.7.1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)

3.7.3逆變失敗與最小逆

變角的限制

773.7.1逆變的概念■什么是逆變？為什么要逆變？

◆逆變（invertion）：把直流電轉(zhuǎn)變成交流電的過程?！裟孀冸娐罚喊阎绷麟娔孀兂山涣麟姷碾娐?。

?當(dāng)交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)時(shí)，為有源逆變電路。?變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)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(fù)載，稱為無源逆變。◆對于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，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)，稱為變流電路。783.7.1逆變的概念圖3-46直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動(dòng)勢同極性EG>EMb）兩電動(dòng)勢同極性EM>EG

c）兩電動(dòng)勢反極性，形成短路■直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)

◆M作電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，EG>EM，電流Id從G流向M，電能由G流向M，轉(zhuǎn)變?yōu)镸軸上輸出的機(jī)械能。

◆回饋制動(dòng)狀態(tài)中，M作發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)，EM>EG，電流反向，從M流向G，M軸上輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒oG。

◆兩電動(dòng)勢順向串聯(lián)，向電阻R供電，G和M均輸出功率，由于R一般都很小，實(shí)際上形成短路，在工作中必須嚴(yán)防這類事故發(fā)生?！魞蓚€(gè)電動(dòng)勢同極性相接時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢高的流向電動(dòng)勢低的，由于回路電阻很小，即使很小的電動(dòng)勢差值也能產(chǎn)生大的電流，使兩個(gè)電動(dòng)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。793.7.1逆變的概念EM■逆變產(chǎn)生的條件

◆以單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī)來分析

?電動(dòng)機(jī)M作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，全波電路應(yīng)工作在整流狀態(tài)，

的范圍在0~

/2間，直流側(cè)輸出Ud為正值，并且Ud>EM，交流電網(wǎng)輸出電功率，電動(dòng)機(jī)則輸入電功率。

?電動(dòng)機(jī)M作發(fā)電回饋制動(dòng)運(yùn)行，由于晶閘管器件的單向?qū)щ娦?，電路?nèi)Id的方向依然不變，而M軸上輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒oG，只能改變EM的極性，為了避免兩電動(dòng)勢順向串聯(lián)，Ud的極性也必須反過來，故

的范圍在

/2~

，且|EM|>|Ud|。

uuua)b)u10udu20u10aOOwtIdidUd>EM10ud2010OOIdidUd<aVT1VT2VT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1iiiwtwtwt圖3-47單相全波電路的整流和逆變

803.7.1逆變的概念◆產(chǎn)生逆變的條件

?要有直流電動(dòng)勢，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于變流器直流側(cè)的平均電壓。

?要求晶閘管的控制角

>

/2，使Ud為負(fù)值。

?兩者必須同時(shí)具備才能實(shí)現(xiàn)有源逆變。◆半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負(fù)值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動(dòng)勢，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變，欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。813.7.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt2圖3-48三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形

■逆變角

◆通常把

>

/2時(shí)的控制角用

-=表示，

稱為逆變角。

◆

的大小自

=0的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。

◆三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時(shí)的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖3-48所示。823.7.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)■基本的數(shù)量關(guān)系

◆三相橋式電路的輸出電壓Ud=-3.34U2cos

=-1.35U2Lcos

◆輸出直流電流的平均值

◆流過晶閘管的電流有效值◆從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為◆變壓器二次側(cè)線電流的有效值

當(dāng)逆變工作時(shí)，由于EM為負(fù)值，故Pd一般為負(fù)值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。(3-105)(3-106)(3-107)(3-108)(線電壓)833.7.3逆變失敗與最小逆變角的限制■逆變運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換相失敗，外接的直流電源就會(huì)通過晶閘管電路形成短路，或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動(dòng)勢變成順向串聯(lián)，由于逆變電路的內(nèi)阻很小，形成很大的短路電流，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。■逆變失敗的原因

◆觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時(shí)等，致使晶閘管不能正常換相。

◆晶閘管發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通。◆交流電源缺相或突然消失。

◆換相的裕量角不足，引起換相失敗。843.7.3逆變失敗與最小逆變角的限制udOOidwtwtuaubucuaubpbgb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT322◆考慮變壓器漏抗引起重疊角對逆變電路換相的影響

?以VT3和VT1的換相過程來分析，在

>

時(shí)，經(jīng)過換相過程后，a相電壓ua仍高于c相電壓uc，所以換相結(jié)束時(shí)，能使VT3承受反壓而關(guān)斷。

?當(dāng)

<

時(shí)，換相尚未結(jié)束，電路的工作狀態(tài)到達(dá)自然換相點(diǎn)p點(diǎn)之后，uc將高于ua，晶閘管VT1承受反壓而重新關(guān)斷，使得應(yīng)該關(guān)斷的VT3不能關(guān)斷卻繼續(xù)導(dǎo)通，且c相電壓隨著時(shí)間的推遲愈來愈高，電動(dòng)勢順向串聯(lián)導(dǎo)致逆變失敗。?為了防止逆變失敗，不僅逆變角

不能等于零，而且不能太小，必須限制在某一允許的最小角度內(nèi)。

圖3-49交流側(cè)電抗對逆變換相過程的影響

853.7.3逆變失敗與最小逆變角的限制■確定最小逆變角

min的依據(jù)

◆逆變時(shí)允許采用的最小逆變角

應(yīng)等于?

為晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq折合的電角度,約4

~5

?

為換相重疊角，可查閱相關(guān)手冊，也可根據(jù)表3-2計(jì)算，即

根據(jù)逆變工作時(shí)

=-，并設(shè)

=，上式可改寫成

由此計(jì)算出

?

'為安全裕量角，主要針對脈沖不對稱程度（一般可達(dá)5

），約取為10

?！粼O(shè)計(jì)逆變電路時(shí)，必須保證，因此常在觸發(fā)電路中附加一保護(hù)環(huán)節(jié)，保證觸發(fā)脈沖不進(jìn)入小于

min的區(qū)域內(nèi)。(3-109)(3-110)(3-111)863.8相控電路的驅(qū)動(dòng)控制

3.8.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路

3.8.2集成觸發(fā)器

3.8.3觸發(fā)電路的定相873.8相控電路的驅(qū)動(dòng)控制·引言■相控電路◆晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小?！舨捎镁чl管相控方式時(shí)的交流電力變換電路和交交變頻電路（第4章）。■相控電路的驅(qū)動(dòng)控制

◆為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。

◆晶閘管相控電路，習(xí)慣稱為觸發(fā)電路?！龃?、中功率的變流器廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。883.8.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路■電路輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的電路），也可為單窄脈沖?！鋈齻€(gè)基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。此外，還有強(qiáng)觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)?！雒}沖形成環(huán)節(jié)

◆由晶體管V4、V5組成，V7、V8起脈沖放大作用。

◆控制電壓uco加在V4基極上

?電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。

?脈沖前沿由V4導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時(shí)間常數(shù)R11C3有關(guān)。圖3-50同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路893.8.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路■鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)

◆鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等，本電路采用恒流源電路。

◆恒流源電路方案由V1、V2、V3和C2等元件組成，其中V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路■同步環(huán)節(jié)

◆觸發(fā)電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。

圖3-50同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路903.8.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路◆鋸齒波是由開關(guān)V2管來控制的

?V2開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率——由同步變壓器所接的交流電壓決定。

?V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波——鋸齒波起點(diǎn)基本就是同步電壓由正變負(fù)的過零點(diǎn)。

?V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時(shí)間就是鋸齒波的寬度——取決于充電時(shí)間常數(shù)R1C1。圖3-50同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路913.8.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路■雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)◆內(nèi)雙脈沖電路：每個(gè)觸發(fā)單元的一個(gè)周期內(nèi)輸出兩個(gè)間隔60

的脈沖的電路。

◆V5、V6構(gòu)成一個(gè)“或”門

?當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時(shí)，V7、V8都截止，沒有脈沖輸出。

?只要V5、V6有一個(gè)截止，都會(huì)使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。

?第一個(gè)脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對應(yīng)的控制角

產(chǎn)生。隔60

的第二個(gè)脈沖是由滯后60

相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過V6）。

◆在三相橋式全控整流電路中，器件的導(dǎo)通次序?yàn)閂T1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此間隔60

，相鄰器件成雙接通，所以某個(gè)器件導(dǎo)通的同時(shí)，觸發(fā)單元需要給前一個(gè)導(dǎo)通的器件補(bǔ)送一個(gè)脈沖。

923.8.2集成觸發(fā)器圖3-52KJ004電路原理圖■集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，已逐步取代分立式電路。■

KJ004

◆與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似,分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)。933.8.2集成觸發(fā)器圖3-53三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路■完整的三相全控橋觸發(fā)電路

◆3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可。

◆KJ041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門，其作用是將6路單脈沖輸入轉(zhuǎn)換為6路雙脈沖輸出。■模擬觸發(fā)電路與數(shù)字觸發(fā)電路

◆模擬觸發(fā)電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可靠;缺點(diǎn)是易受電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖不對稱度較高，可達(dá)3

~4

，精度低。

◆數(shù)字觸發(fā)電路的脈沖對稱度很好，如基于8位單片機(jī)的數(shù)字觸發(fā)器精度可達(dá)0.7

~1.5

。943.8.3觸發(fā)電路的定相■觸發(fā)電路的定相：觸發(fā)電路應(yīng)保證每個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系。■觸發(fā)電路的定相

◆利用一個(gè)同步變壓器保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致。

◆接下來的問題是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號(hào)的相位，以保證觸發(fā)脈沖相位正確，關(guān)鍵是確定同步信號(hào)與晶閘管陽極電壓的關(guān)系。

953.8.3觸發(fā)電路的定相O

t

t1

t2uaubucu2ua-圖3-54三相全控橋中同步電壓與主電路電壓關(guān)系示意圖◆分析三相全控橋

?VT1所接主電路電壓為+ua，VT1的觸發(fā)脈沖從0

至180

的范圍為

t1~

t2。

?鋸齒波的上升段為240

，上升段起始的30

和終了的30

線性度不好，舍去不用，使用中間的180

，鋸齒波的中點(diǎn)與同步信號(hào)的300

位置對應(yīng)。

?將

=90

確定為鋸齒波的中點(diǎn)，鋸齒波向前向后各有90

的移相范圍。于是

=90

與同步電壓的300

對應(yīng)，也就是

=0

與同步電壓的210

對應(yīng)。

?

=0

對應(yīng)于ua的30

的位置，則同步信號(hào)的180

與ua的0

對應(yīng)，說明VT1的同