第2章 交流-直流變換

1、2-1第第2章章 整流電路整流電路2-2第第3章章 整流電路整流電路引言引言整流電路的分類整流電路的分類： 按組成的器件可分為不可控不可控、半控半控、全控全控三種。 按電路結構可分為橋式電路橋式電路和零式電路零式電路。 按交流輸入相數(shù)分為單相電路單相電路和多相電路多相電路。按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路單拍電路和雙拍電路雙拍電路。整流電路整流電路： 出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姟?-32.1 單相可控整流電路單相可控整流電路2-42.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路圖2-1 單相半波可控整流電路及波形1 1）帶電阻負載的工作情況）帶電阻負載的

2、工作情況變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用。電阻負載的特點電阻負載的特點：電壓與電流成正比，兩者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)2-52.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 VT的a 移相范圍為180 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相位控制方式，簡稱相控方式相控方式。 首先，引入兩個重要的基本概念： 觸發(fā)延遲角觸發(fā)延遲角：從晶閘

3、管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用a表示,也稱觸發(fā)角或控制角。導通角導通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度，用表示 。基本數(shù)量關系基本數(shù)量關系直流輸出電壓平均值為paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU(2-1)2-62.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路2) 帶阻感負載的工作情況帶阻感負載的工作情況 圖2-2 帶阻感負載的 單相半波電路及其波形阻感負載的特點阻感負載的特點：電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變。討論負載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導通角的關系。wttwwtwtwu20w

4、t1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +2-72.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路對單相半波電路的分析可基于上述方法進行：當VT處于斷態(tài)時，相當于電路在VT處斷開，id=0。當VT處于通態(tài)時，相當于VT短路。圖2-3 單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關斷狀態(tài) b)VT處于導通狀態(tài) a)b)VTRLVTRLu2u2電力電子電路的一種基本分析方法通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電路。器件的每種狀態(tài)對應于一種線性電路拓撲。2-82.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 當VT處于通態(tài)時，如下方程成立：VTb)RLu

5、2b) VT處于導通狀態(tài)tURitiLwsin2dd2dd（2-2）)sin()sin(tanjaqjajqe（2-4） 初始條件：t= a ，id=0。求解式（2-2）并將初始條件代入可得 當t=+a 時，id=0，代入式（2-3）并整理得 )sin(2)sin(22)(2djwjaawwtZUeZUitLR（2-3）22)( LRZwRLwjarctan其中 ，2-92.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路續(xù)流二極管續(xù)流二極管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)圖2-4 單相半波帶阻感負載有續(xù)

6、流二極管的電路及波形 當u2過零變負時，VDR導通，ud為零，VT承受反壓關斷。 L儲存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續(xù)流續(xù)流。 數(shù)量關系數(shù)量關系(id近似恒為Id）ddVT2IIpap（2-5）d2dVT2)(21ItdIIpapwppa（2-6）ddVDRIIpap2（2-7）d22dVD2)(21RItdIIpapwpapp（2-8）2-102.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 VT的a 移相范圍為180 。 簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。 實際上很少應用此種電路。 分析該電路的主要目的建立起整流

7、電路的基本概念。 單相半波可控整流電路的特點單相半波可控整流電路的特點2-112.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路1) 帶電阻負載的工作情況帶電阻負載的工作情況a)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖2-5 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形工作原理及波形分析工作原理及波形分析 VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。 VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。電路結構電路結構單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路(Single

8、 Phase Bridge Contrelled Rectifier)2-122.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 數(shù)量關系數(shù)量關系paaapwwp2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU（2-9）a 角的移相范圍為180。 向負載輸出的平均電流值為： 流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTaRUII（2-10）2cos19 . 02cos12222ddaapRURURUI(2-11)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,42-132.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整

9、流電路 流過晶閘管的電流有效值： 變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等： 由式（2-12）和式（2-13）得：不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量 S=U2I2。papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（2-12）papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（2-13）II21VT（2-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,42-142.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路2）帶阻感負載的工作情況）帶阻感負載的工作情況 u2OwtOwtOwtudidi2b)Owt

10、OwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4圖2-6 單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形 假設電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設負載電感很大，負載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。 u2過零變負時，晶閘管VT1和VT4并不關斷。 至t=+a 時刻，晶閘管VT1和VT4關斷，VT2和VT3兩管導通。 VT2和VT3導通后，VT1和VT4承受反壓關斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉移到VT2和VT3上，此過程稱換相換相，亦稱換流換流。2-152.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 數(shù)量關系數(shù)量關系apaaapwwpcos9 . 0cos22)(ds

11、in21222dUUttUU（2-15） 晶閘管移相范圍為90。 晶閘管導通角與a無關，均為180。電流的平均值和有效值： 變壓器二次側電流i2的波形為正負各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。ddT21IIddT707. 021III 晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。22U2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,42-162.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路3） 帶反電動勢負載時的工作情況圖2-7 單相橋式全控整流電路接反電動勢電阻負載時的電路及波形 在|u2|E時，才有晶閘管承 受正

12、電壓，有導通的可能。在a 角相同時，整流輸出電壓比電阻負載時大。導通之后， ud=u2， ， 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶閘管關斷，此后ud=E 。REuidd與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度停止導電， 稱為停止導電角，212sinUE（2-16）b)idOEudwtIdOwtaq2-172.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 當 30 的情況（的情況（圖2-14 ） 特點：負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角小于120 。b)c)d)e)f)u2uaubuca =0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)R2-292.2.1

13、三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路aapwwpapapcos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU（2-18）當a=0時，Ud最大，為 。2d0d17.1UUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262dapappwwppapUttdUU(2-19)整流電壓平均值的計算整流電壓平均值的計算a30時，負載電流連續(xù)，有：a30時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時有：2-302.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路 Ud/U2隨a變化的規(guī)律如圖2-15中的曲線1所示。03060901201501.1732

14、1a/( )Ud/U2圖2-15 三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關系1電阻負載 2電感負載 2-電阻電感負載2-312.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路 負載電流平均值為 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正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即RUIdd（2-20）222RM45. 2632UUUU（2-21）22UUFM（2-22）2-322.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路2）阻感負載）阻感負載圖2-16 三相半波可控整流電路，阻感負載時的電路及a =60時的波形 特點：阻感負載，L值很大，id波形基本平直

15、。 a30時：整流電壓波形與電阻負載時相同。 a30時（如a=60時的波形如圖2-16所示）。u2過零時，VT1不關斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，ud波形中出現(xiàn)負的部分。id波形有一定的脈動，但為簡化分析及定量計算，可將id近似為一條水平線。 阻感負載時的移相范圍為90。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt2-332.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路數(shù)量關系數(shù)量關系 由于負載電流連續(xù)， Ud可由式（2-18）求出，即21.17cosUUUadd0 Ud/U2與a成余弦關系，如圖2-15中的曲線2所示。如果負載中的電感量不是很大，Ud/

16、U2與a的關系將介于曲線1和2之間，曲線3給出了這種情況的一個例子。03060901201501.17321a/( )Ud/U2圖2-15 三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關系1電阻負載 2電感負載 2-電阻電感負載2-342.2.1 三相半波可控整流電路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 三相半波的主要缺點在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應用較少。ddVT2577. 031IIII（2-23）dVTVT(AV)368. 057. 1III（2-24）2RMFM4

17、5. 2UUU（2-25）2-352.2.2 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路三相橋是應用最為廣泛的整流電路共陰極組共陰極組陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組共陽極組陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）圖2-17 三相橋式全控整流電路原理圖導通順序： VT1VT2 VT2- VT4 VT5VT62-362.2.2 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路1）帶電阻負載時的工作情況）帶電阻負載時的工作情況當a60 時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù) 波形圖： a =0 （圖2-18 ） a =30 （圖2-19）

18、 a =60 （圖2-20）當a60 時，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負值 波形圖： a =90 （ 圖2-21）帶電阻負載時三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是1202-372.2.2 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路晶閘管及輸出整流電壓的情況如表2-1所示時 段IIIIIIIVVVI共陰極組中導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 請參照圖2-182-382.2.2 三相橋式全

19、控整流電路三相橋式全控整流電路（2）對觸發(fā)脈沖的要求： 按VT1-VT2-VT2-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。 共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。 同一相的上下兩個橋臂，即VT1與與VT4，VT3與與VT6，VT5與與VT2，脈沖相差180。 三相橋式全控整流電路的特點特點（1）2管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。2-392.2.2 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路（3）ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時導通的2個晶閘管均

20、有脈沖 可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā) 一種是雙脈沖觸發(fā)（常用） (5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同。 三相橋式全控整流電路的特點特點2-40a60 時時（a =0 圖2-22；a =30 圖2-23） ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負載時十分相似。 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2.2.2 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路2) 阻感負載時的工作情況阻感負載時的工作情況主要包括a 60 時（時（ a =90圖2-24） 阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同。 電阻負載時，ud波形不會出現(xiàn)負的部分。 阻感負

21、載時，ud波形會出現(xiàn)負的部分。帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90 。 區(qū)別在于：得到的負載電流id波形不同。 當電感足夠大的時候， id的波形可近似為一條水平線。2-412.2.2 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路3) 定量分析定量分析當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a60 時）的平均值為： 帶電阻負載且a 60時，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ：Id=Ud /Rawwpapapcos34.2)(sin63123232dUttdUU（2-26）)3cos(134.2)(sin63232dapwwppapUttdUU（2-27）2-422.2.

22、2 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路 當整流變壓器為圖2-17中所示采用星形接法，帶阻感負載時，變壓器二次側電流波形如圖2-23中所示，其有效值為：ddddIIIII816. 03232)(3221222ppp（2-28）晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時一致。接反電勢阻感負載時，在負載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同。僅在計算Id時有所不同，接反電勢阻感負載時的Id為：REUIdd（2-29）式中R和E分別為負載中的電阻值和反電動勢的值。2-43ik=ib是逐漸增大的， 而ia=Id-ik是逐漸減小的。當ik增大到等于Id時，ia

23、=0，VT1關斷,換流過程結束。2.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響 考慮包括變壓器漏感在內的交流側電感的影響，該漏感可用一個集中的電感LB表示。 現(xiàn)以三相半波為例，然后將其結論推廣。VT1換相至VT2的過程：因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時導通，相當于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產生環(huán)流ik。圖2-25 考慮變壓器漏感時的三相半波可控整流電路及波形udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca2-442.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響 換相重疊角換相重疊角換相過程持續(xù)的時間，用電角度g

24、 g表示。 換相過程中，整流電壓ud為同時導通的兩個晶閘管所對應的兩個相電壓的平均值。 換相壓降與不考慮變壓器漏感時相比，ud平均值降低的多少。2ddddbakBbkBaduutiLutiLuu（2-30）dB0B6565B6565Bbb6565dbd23d23)(ddd23)(d)dd(23)(d)(3/21IXiLttiLttiLuutuuUIpwpwpwpwppgapapgapapgapadkkk（2-31）2-452.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響 換相重疊角g g的計算B2Bab2)65sin(62)(ddLtULuutipwk由上式得：)65sin(26d

25、dB2pwwtXUtik進而得出：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2pwawpwwpatXUttXUitk（2-32）（2-33）（2-34）2-462.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響 由上述推導過程，已經求得：)65cos(cos26)(d )65sin(26B265B2pwawpwwpatXUttXUitk 當 時， ，于是65pgawtdkIig g 隨其它參數(shù)變化的規(guī)律： （1） Id越大則g g 越大； （2） XB越大g g 越大； （3） 當a a90 時，a a 越小g g 越大。)cos(cos26B2dgaaXUI（2-3

26、5）2dB62)cos(cosUIXgaa（2-36）2-472.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響 變壓器漏抗對各種整流電路的影響變壓器漏抗對各種整流電路的影響 dUdBIXpdB2IXpdB23IXpdB3IXpdB2ImXp)cos(cosgaa2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22Bd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 表2-2 各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計算23U23U注：單相全控橋電路中，環(huán)流ik是從-Id變?yōu)镮d。本表所列通用公式不適用； 三相橋等效為相電壓等于 的6脈波整流電路，故

27、其m=6，相電壓按 代入。23U23U2-482.3 變壓器漏感對整流電路的影響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論變壓器漏感對整流電路影響的一些結論:出現(xiàn)換相重疊角g g ，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。 有時人為串入進線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。換相時晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產生正的du/dt，可能使晶閘管誤導通，為此必須加吸收電路。 換相使電網電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。2-492.4 電容濾波的不可控整流電路電容濾波的不可控整流電路2-502.4 電容濾波的不可控整流電路電容濾波的不可控整流

28、電路 在交直交變頻器、不間斷電源、開關電源等應用場合中，大量應用。 最常用的是單相橋和三相橋兩種接法。 由于電路中的電力電子器件采用整流二極管，故也稱這類電路為二極管整流電路。2-512.4.1電容濾波的單相不可控整流電路電容濾波的單相不可控整流電路常用于小功率單相交流輸入的場合，如目前大量普及的微機、電視機等家電產品中。1） 工作原理及波形分析工作原理及波形分析圖2-26 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) 波形基本工作過程基本工作過程：在u2正半周過零點至w wt=0期間，因u2ud，故二極管均不導通，電容C向R放電，提供負載所需電流。至w wt=0之后，u2將要

29、超過ud，使得VD1和VD4開通，ud=u2，交流電源向電容充電，同時向負載R供電。b)0iudqp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud2-522.4.1電容濾波的單相不可控整流電路電容濾波的單相不可控整流電路2) 主要的數(shù)量關系主要的數(shù)量關系 輸出電壓平均值輸出電壓平均值 電流平均值電流平均值 輸出電流平均值IR為： IR = Ud /R Id =IR 二極管電流iD平均值為： ID = Id / 2=IR/ 2 二極管承受的電壓二極管承受的電壓 （2-47）（2-48）（2-49）22U 空載時， 。 重載時，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于接近

30、電阻負載時的特性。 在設計時根據(jù)負載的情況選擇電容C值，使 , 此時輸出電壓為： Ud1.2 U2。2d2UU 2/)53(TRC （2-46）2-532.4.1電容濾波的單相不可控整流電路電容濾波的單相不可控整流電路 感容濾波的二極管整流電路感容濾波的二極管整流電路 實際應用為此情況，但分析復雜。 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2-29 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a)b)u2udi20qpwti2,u2,ud2-542.4.2電容濾波的三相不可控整流電路電容濾波的三相不可控整流電路1） 基本原理基本原理 某一對

31、二極管導通時，輸出電壓等于交流側線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。 當沒有二極管導通時，由電容向負載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。圖2-30 電容濾波的三相橋式不可控整流電路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0qwtpp3wt2-5532=+t)-32( - tRC1232=+t2t)(d32sin6d)(d)+tsin(6dpwpwwpwwpwqweUtU 電流id 斷續(xù)和連續(xù)的臨界條件臨界條件w wRC=33在輕載時直流側獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時是連續(xù)的，分界點就是R= /w wC。32.4.2電容濾波的三相不可控整流電路電容濾波的三相不可控整流電路由

32、“電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設在wt+d =2p/3的時刻“速度相等”恰好發(fā)生，則有圖2-31電容濾波的三相橋式整流電路當w wRC等于和小于 時的電流波形 a）w wRC=b）w wRCua，VT6導通，此電流在流經LP時，LP上要感應一電動勢up，其方向是要阻止電流增大?？蓪С鯨p兩端電壓、整流輸出電壓的數(shù)學表達式如下：1twwupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub2-802.6.1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原理分析原理分析(續(xù)續(xù))：圖2-37 平衡電抗器作用下輸出電壓的波形和平衡電

33、抗器上電壓的波形圖2-38 平衡電抗器作用下兩個晶閘管同時導電的情況 雖然 ，但由于Lp的平衡作用，使得晶閘管VT6和VT1同時導通。 時間推遲至ub與ua的交點時， ub = ua ， 。 之后 ub ub ，電流才從VT6換至VT2。此時VT1、VT2同時導電。 每一組中的每一個晶閘管仍按三相半波的導電規(guī)律而各輪流導電。21dduu0puwupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub2-812.6.1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由上述分析以可得：圖2-37 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

34、 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兩組三相半波整流電壓瞬時值的平均值。波形如圖2-37 a。)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuu（2-98）諧波分析 分析詳見P75-P76。ud中的諧波分量比直流分量要小得多，且最低次諧波為六次諧波。直流平均電壓為：2017.1UUdu ,uwupd1d2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub2-822.6.1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a a =30 、 a a =60 和和a a =90 時輸出電壓的波形分析時輸出電壓的波形分析圖2-39 當a

35、 a =30、60、90時，雙反星形電路的輸出電壓波形 分析輸出波形時，可先求出ud1和ud2波形，然后根據(jù)式（2-98）做出波形( ud1+ud2 ) / 2。 輸出電壓波形與三相半波電路比較，脈動程度減小了，脈動頻率加大一倍，f=300Hz。 電感負載情況下，移相范圍是90。 電阻負載情況下，移相范圍為120。90a。60a。30audududwtOwtOwtOuaubucucuaububucucuaububucucuaub2-832.6.1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整流電壓平均值與三相半波整流電路的相等，為: Ud=1.17 U2 cos a a

36、 將雙反星形電路與三相橋式電路進行比較可得出以下結論：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。當U2相等時，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，晶閘管的導通及觸發(fā)脈沖的分配關系一樣，ud和id的波形形狀一樣。2-842.6.2 多重化整流電路多重化整流電路概述： 整流裝置功率進一步加大時，所產生的諧波、無功功率等對電網的干擾也隨之加大，為減輕干擾，可采用多重化整流電路。原理： 按照一定的規(guī)律將兩個或更多的相同結構的整流電路 進行組合得到。目標： 移項多重聯(lián)結減少交流側輸入電流諧波，串聯(lián)多重整流電路采用順序控制可提高功率因數(shù)。2

37、-852.6.2 多重化整流電路多重化整流電路1) 移相多重聯(lián)結移相多重聯(lián)結圖2-40 并聯(lián)多重聯(lián)結的12脈波整流電路有并聯(lián)多重聯(lián)結和串聯(lián)多重聯(lián)結?？蓽p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。使用平衡電抗器平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路脈波整流電路。2-862.6.2 多重化整流電路多重化整流電路移相移相30 構成的串聯(lián)構成的串聯(lián)2重聯(lián)結電路重聯(lián)結電路圖2-41 移相30串聯(lián)2重聯(lián)結電路 圖2-42 移相30串聯(lián)2重聯(lián)結電路電流波形 整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法構成相位相差30、大小相等的兩組電壓。 該電路

38、為12脈波整流電路。星形三角形0a)b)c)d)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+ )Id323(1+)Id33Id132-872.6.2 多重化整流電路多重化整流電路 iA基波幅值Im1和n次諧波幅值Imn分別如下：)32(34dd1IIImpp單橋時為（2-103）（2-104）, 3 , 2 , 1, 112341dkknInImnp即輸入電流諧波次數(shù)為12k1，其幅值與次數(shù)成反比而降低。該電路的其他特性如下：直流輸出電壓 位移因數(shù) cosj j1 1=cosa a （單橋時相同）功率因數(shù) l l= cosj

39、 j1 1 =0.9886cosa aUUdcos266p2-882.6.2 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20，可將三組橋構成串聯(lián)串聯(lián)3重聯(lián)結電路重聯(lián)結電路：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在每個電源周期內脈動18次，故此電路為18脈脈波整流電路波整流電路。交流側輸入電流諧波更少，為18k1次（k=1, 2, 3），ud的脈動也更小。輸入位移因數(shù)和功率因數(shù)分別為：cosj j1 1=cosa a l l=0.9949cosa a2-892.6.2 多重化整流電路多重化整流電路將整流變壓器的二次繞組移相15，可構成串聯(lián)串

40、聯(lián)4重聯(lián)結電路重聯(lián)結電路： 為為24脈波整流電路脈波整流電路。 其交流側輸入電流諧波次為24k1，k=1，2，3。 輸入位移因數(shù)功率因數(shù)分別為：cosj j1 1=cosa al l=0.9971cosa a采用多重聯(lián)結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)。2-902.6.2 多重化整流電路多重化整流電路2) 多重聯(lián)結電路的順序控制多重聯(lián)結電路的順序控制只對一個橋的a a角進行控制，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a a =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

41、，按順序依次對各橋進行控制，因而被稱為順序控制順序控制。不能降低輸入電流諧波，但是總功率因數(shù)可以提高。我國電氣機車的整流器大多為這種方式。2-912.6.2 多重化整流電路多重化整流電路 3重晶閘管整流橋順序控制重晶閘管整流橋順序控制 圖2-43 單相串聯(lián)3重聯(lián)結電路及順序控制時的波形 控制過程可詳見教材P78。 從電流i的波形可以看出，雖然波形并為改善，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)。a)db)c)iId2 IduOap +a2-922.7 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)2-932.7.1 逆變的概念逆變的概念1) 什么是逆變？為什么

42、要逆變？什么是逆變？為什么要逆變？逆變（Invertion）把直流電轉變成交流電，整流的逆過程。逆變電路把直流電逆變成交流電的電路。有源逆變電路交流側和電網連結。 應用：直流可逆調速系統(tǒng)、交流繞線轉子異步電動機串級調速以及高壓直流輸電等。無源逆變電路變流電路的交流側不與電網聯(lián)接，而直接接到負載，將在第5章介紹。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)，稱為變流電路變流電路。2-942.7.1 逆變的概念逆變的概念2) 直流發(fā)電機直流發(fā)電機電動機系統(tǒng)電能的流轉電動機系統(tǒng)電能的流轉圖2-44 直流發(fā)電機電動機之間電能的

43、流轉a）兩電動勢同極性EG EM b）兩電動勢同極性EM EG c）兩電動勢反極性，形成短路 電路過程分析。 兩個電動勢同極性相接時，電流總是從電動勢高的流向低的，回路電阻小，可在兩個電動勢間交換很大的功率。2-952.7.1 逆變的概念逆變的概念3) 逆變產生的條件逆變產生的條件單相全波電路代替上述發(fā)電機圖2-45 單相全波電路的整流和逆變交流電網輸出電功率電動機輸出電功率a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUd /2，使Ud為負值。p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)負值，也不允許直流側出現(xiàn)負極性的電動勢，

44、故不能實現(xiàn)有源逆變。欲實現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。2-972.7.2三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)逆變和整流的區(qū)別逆變和整流的區(qū)別：控制角 a a 不同 0a a p p /2 時，電路工作在整流狀態(tài)。 p p /2 a a p p /2時的控制角用pp a a = b b表示，b b 稱為逆變角逆變角。 逆變角b b和控制角a a的計量方向相反，其大小自b =0的起始點向左方計量。2-982.7.2三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) 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2-46所

45、示。圖2-46 三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時的電壓波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb =p4b =p3b =p6b =p4b =p3b =p6wt1wt3wt22-992.7.2三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)有源逆變狀態(tài)時各電量的計算：REUId輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式，即bbcos35. 1cos34. 222UUUd（2-105）每個晶閘管導通2p p/3，故流過晶閘管的電流有

46、效值為：ddVTIII577. 03（2-106）從交流電源送到直流側負載的有功功率為：dMddIEIRP2（2-107）當逆變工作時，由于EM為負值，故Pd一般為負值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。（2-108）在三相橋式電路中，變壓器二次側線電流的有效值為：ddVTIIII816.032222-1002.7.3 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逆變失敗逆變失?。孀冾嵏玻?逆變時，一旦換相失敗，外接直流電源就會通過晶閘管電路短路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯(lián)順向串聯(lián)，形成很大短路電流短路電流。觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時、準確地給各晶閘管分配

47、脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時等，致使晶閘管不能正常換相。晶閘管發(fā)生故障，該斷時不斷，或該通時不通。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。1) 逆變失敗的原因逆變失敗的原因2-1012.7.3 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換相重疊角的影響：圖2-47 交流側電抗對逆變換相過程的影響 當b g 時，換相結束時，晶閘管能承受反壓而關斷。 如果b giVT1iVTiVT3iVTiVT3222-1022.7.3 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2) 確定確定最小逆變角最小逆變角b bmin的依據(jù)的依據(jù)逆變時允許采用的最小逆變角b b 應等于b

48、bmin= +g g+q q （2-109） 晶閘管的關斷時間tq折合的電角度g g 換相重疊角q q安全裕量角tq大的可達200300ms，折算到電角度約45。隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。主要針對脈沖不對稱程度（一般可達5）。值約取為10。2-1032.7.3 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g g 換相重疊角的確定：查閱有關手冊 舉例如下：整流電壓 整流電流變壓器容量短路電壓比Uk%g g220V800A240kV。A5%1520參照整流時g g 的計算方法mUXIBdpgaasin2)cos(cos2（2-110）（2-111）根據(jù)逆變工作時 ，并設 ，上式

49、可改寫成bpagbmUXIBdpgsin21cos2這樣， b bmin一般取3035。2-1042.8 晶閘管直流電動機系統(tǒng)晶閘管直流電動機系統(tǒng)2-1052.8 晶閘管直流電動機系統(tǒng)晶閘管直流電動機系統(tǒng)引言引言晶閘管直流電動機系統(tǒng)晶閘管直流電動機系統(tǒng)晶閘管可控整流裝置帶直流電動機負載組成的系統(tǒng)。 是電力拖動系統(tǒng)中主要的一種。 是可控整流裝置的主要用途之一。 對該系統(tǒng)的研究包括兩個方面： 其一是在帶電動機負載時整流電路的工作情況。 其二是由整流電路供電時電動機的工作情況。本節(jié)主要從第二個方面進行分析。2-1062.8.1 工作于整流狀態(tài)時工作于整流狀態(tài)時整流電路接反電動勢負載時，負載電流斷續(xù)，

50、對整流電路和電動機的工作都很不利。圖2-48 三相半波帶電動機負載且加平波電抗器時的電壓電流波形通常在電樞回路串聯(lián)一平波電抗器，保證整流電流在較大范圍內連續(xù)，如圖2-48。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR2-1072.8.1 工作于整流狀態(tài)時工作于整流狀態(tài)時 此時，整流電路直流電壓的平衡方程為 （2-112） 式中， 。 為電動機的反電動勢 負載平均電流Id所引起的各種電壓降，包括： 變壓器的電阻壓降 電樞電阻壓降 由重疊角引起的電壓降 晶閘管本身的管壓降，它基本上是一恒值。系統(tǒng)的兩種工作狀態(tài)：電流連續(xù)工作狀態(tài) 電流斷續(xù)工作狀態(tài)UIREUdMdp23BMBXR

51、RRMEdIRBdRIMdRI)2(3pdBIXU2-1082.8.1 工作于整流狀態(tài)時工作于整流狀態(tài)時 轉速與電流的機械特性關系式為 1) 電流連續(xù)時電動機的機械特性電流連續(xù)時電動機的機械特性 在電機學中，已知直流電動機的反電動勢為nCEeM（2-113）可根據(jù)整流電路電壓平衡方程式（2-112），得UIRUEdMacos17. 12（2-114）edeCUIRCUnacos17. 12（2-115）圖2-49 三相半波電流連續(xù)時以電流表示的電動機機械特性 其機械特性是一組平行的直線，其斜率由于內阻不一定相同而稍有差異。 調節(jié)a a 角，即可調節(jié)電動機的轉速。Ona1a2 60a)3cos(

52、22paU 當Id減小至某一定值Id min以后，電流變?yōu)閿嗬m(xù)，這個 是不存在的，真正的理想空載點遠大于此值。0E圖2-50 電流斷續(xù)時電動勢的特性曲線斷續(xù)區(qū)特性的近似直線斷續(xù)區(qū)連續(xù)區(qū)EE0E0OIdminId(0.585U2)( U2)22-1102.8.1 工作于整流狀態(tài)時工作于整流狀態(tài)時電流斷續(xù)時電動機機械特電流斷續(xù)時電動機機械特性的特點：性的特點：圖2-50 電流斷續(xù)時電動勢的特性曲線 電流斷續(xù)時理想空載轉速抬高。 機械特性變軟，即負載電流變化很小也可引起很大的轉速變化。 隨著a 的增加，進入斷續(xù)區(qū)的電流值加大。斷續(xù)區(qū)特性的近似直線斷續(xù)區(qū)連續(xù)區(qū)EE0E0OIdminId(0.585 U

53、2)( U2)2Oa3a2a1Id分界線斷續(xù)區(qū)連續(xù)區(qū)a5a4E0E圖2-51 考慮電流斷續(xù)時不同a 時反電動勢的特性曲線a a 1 a 2 a 3 a 460 2-1112.8.2 工作于有源逆變狀態(tài)時工作于有源逆變狀態(tài)時1) 電流連續(xù)時電動機的機械特性電流連續(xù)時電動機的機械特性電流連續(xù)時的機械特性由 決定的。 逆變時由于 ， 反接，得 因為EM=Cen，可求得電動機的機械特性方程式RIEUdMdbcos0ddUUME)cos(0RIUEddMb（2-122)cos(10RIUCnddeb（2-123)圖2-52 電動機在四象限中的機械特性正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4

54、b1a =b =p2a =b =p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向2-1122.8.2 工作于有源逆變狀態(tài)時工作于有源逆變狀態(tài)時2) 電流斷續(xù)時電動機的機械特性電流斷續(xù)時電動機的機械特性 可沿用整流時電流斷續(xù)的機械特性表達式，把 代入式（2-117）、式（2-118）和式（2-119），便可得EM、n與Id的表達式。三相半波電路為例：bpajqjqjbpjqbpjtantan21)67sin()67sin(cos2ccMeeUE(2-124)jqjqjbpjqbpjtantan2)67sin(

55、)67sin(cos2cceeMeeCUCEn(2-125)2)67cos()67cos(cos22322nUCZUIedqqbpbpjp(2-126)2-1132.8.2 工作于有源逆變狀態(tài)時工作于有源逆變狀態(tài)時逆變電流斷續(xù)時電動機的機械特性，與整流時十分相似：圖2-52 電動機在四象限中的機械特性 理想空載轉速上翹很多，機械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性。 逆變狀態(tài)的機械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)。 縱觀控制角 變化時，機械特性得變化。a第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標以正組和反組變流器。正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b

56、3b4b1a =b =p2a =b =p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向2-1142.8.3 直流可逆電力拖動系統(tǒng)直流可逆電力拖動系統(tǒng)圖2-53 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路圖2-53a與b是兩組反并聯(lián)的可逆電路 a三相半波有環(huán)流接線 b三相全控橋無環(huán)流接線 c對應電動機四象限運行時兩組變流器工作情況2-1152.8.3 直流可逆電力拖動系統(tǒng)直流可逆電力拖動系統(tǒng)兩套變流裝置反并聯(lián)兩套變流裝置反并聯(lián)連接的可逆電路的相關概念和結論： 環(huán)流環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動而不經過負載的電流。 正向運行時

57、由正組變流器供電；反向運行時，則由反組變流器供電。 根據(jù)對環(huán)流的處理方法，反并聯(lián)可逆電路又可分為不同的控制方案，如配合控制有環(huán)流（ ）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流和錯位控制無環(huán)流等。 電動機都可四象限運行四象限運行。 可根據(jù)電動機所需運轉狀態(tài)來決定哪一組變流器工作及其工作狀態(tài)：整流或逆變。ba2-1162.8.3 直流可逆電力拖動系統(tǒng)直流可逆電力拖動系統(tǒng)直流可逆拖動系統(tǒng)，除能方便地實現(xiàn)正反轉外，還能實現(xiàn)電動機的回饋制動。電動機反向過程分析電動機反向過程分析：詳見P89abab 配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng) 對正、反兩組變流器同時輸入觸發(fā)脈沖，并嚴格保證a=b b 的配合控制關系 。 假設正組為整流，

58、反組為逆變，即有a Pb b N N ，Uda aP=Udb bN，且極性相抵，兩組變流器之間沒有直流環(huán)流。 但兩組變流器的輸出電壓瞬時值不等，會產生脈動環(huán)流。 串入環(huán)流電抗器LC限制環(huán)流。2-1172.8.3 直流可逆電力拖動系統(tǒng)直流可逆電力拖動系統(tǒng)邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng) 工程上使用較廣泛，不需設置環(huán)流電抗器。 只有一組橋投入工作（另一組關斷），兩組橋之間不存在環(huán)流。 兩組橋之間的切換兩組橋之間的切換過程：首先應使已導通橋的晶閘管斷流，要妥當處理使主回路電流變?yōu)榱悖乖瓕ňчl管恢復阻斷能力。隨后再開通原封鎖著的晶閘管，使其觸發(fā)導通。 這種無環(huán)流可逆系統(tǒng)中，變流器之間的切換過程

59、由邏輯單元控制，稱為邏輯控制無環(huán)流邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。直流可逆電力拖動系統(tǒng)，將在后繼課“電力拖動自動控制系統(tǒng)”中進一步分析討論。2-1182.9 相控電路的驅動控制相控電路的驅動控制2-1192.9 相控電路的驅動控制相控電路的驅動控制引言引言 相控電路：相控電路： 晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a 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。 采用晶閘管相控方式時的交流電力變換電路和交交變頻電路（第4章）。 相控電路的驅動控制相控電路的驅動控制 為保證相控電路正常工作，很重要的是應保證按觸發(fā)角a a的大小在正確的時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，習慣稱為觸發(fā)

60、電路。 大、中功率的變流器廣泛應用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應用最多。2-1202.9.1 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路 輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個晶閘管同時導通的電路），也可為單窄脈沖。 三個基本環(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，還有強觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。圖2-54 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路2-1212.9.1 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路1) 脈沖形成環(huán)節(jié)脈沖形成環(huán)節(jié) V4、V5 脈沖形成 V7、V8 脈沖放大 控制電壓uco加在V4基極上圖2-54 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路