變壓器漏感對(duì)整流電路的影響3.4

3.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響3.4電容濾波的不可控整流電路3.5整流電路的諧波和功率因數(shù)3.3

變壓器漏感對(duì)整流電路的影響前面分析中的假設(shè)：

晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷過程，即換流過程都是瞬間完成的。真正要做到瞬間換流需要兩個(gè)條件：

1.整流元件支路中無電感

2.晶閘管的開通與關(guān)斷不需要時(shí)間對(duì)于第一條，由于在電路中始終存在變壓器繞組，在變壓器上會(huì)產(chǎn)生漏感，再加上線路的雜散電感，所以實(shí)際整流電路中各晶閘管支路中總存在電感。對(duì)于第二條，晶閘管無論導(dǎo)通與關(guān)斷過程都需要一定時(shí)間，由于時(shí)間較?。ㄎ⒚爰?jí)），我們也無法消除，所以在本節(jié)中不加討論?？紤]包括變壓器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，該漏感可用一個(gè)集中的電感LB表示?，F(xiàn)以三相半波為例，然后將其結(jié)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(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ikik=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。

換相重疊角——換相過程持續(xù)的時(shí)間，用電角度γ表示。在換流期間，短路電流ik的增長(zhǎng)，會(huì)在電感LB上產(chǎn)生電勢(shì)：對(duì)于a相左（-）右（+），對(duì)于b相相左（+）右（-），若忽略變壓器次級(jí)繞組中電阻壓降，則有式：

換相過程中，整流電壓ud為同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)相電壓的平均值。從式中可以看出，在換流重疊過程中，負(fù)載電壓既不是ua,也不是ub，而是兩相電壓的平均值。在圖上也可清楚地看出，與不計(jì)換流重疊角相比，Ud少了一塊陰影部分的電壓，會(huì)使平均電壓Ud有所減少，這減少的電壓△Ud，稱為換流壓降。為使上式更有普遍意義，公式可變?yōu)椋簃指:整流電路在一個(gè)工作周期內(nèi)換流的次數(shù)，所以每個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)間。三相半波m=3;三相橋式m=6；單相橋式m=4XB是可以從變壓器銘牌數(shù)據(jù)中求出的：由公式可以看出，換流壓降正比于負(fù)載電流Id，可以看作是由整流電路直流側(cè)增加了值為的等效

內(nèi)電阻所引起的。這個(gè)等效內(nèi)阻不產(chǎn)生有功損耗，只有壓降效果。

變壓器漏抗對(duì)各種整流電路的影響表各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計(jì)算電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路注：①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；

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。換相重疊角γ的計(jì)算：由后2式得：與1式比較得出：因?yàn)椋涸趽Q流重疊期間進(jìn)行積分：可得：∴從上式可以看出：只要m、U2、XB確定，給出Id和控制角α，就可算出換流重疊角。

γ

隨其它參數(shù)變化的規(guī)律：

（1）

Id越大，則γ

越大；（2）

XB越大，γ越大；（3）當(dāng)a≤90時(shí)，越大γ

越小。變壓器漏感對(duì)整流電路影響的一些結(jié)論:出現(xiàn)換相重疊角γ

，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?？紤]換流重疊角后的直流平均電壓直流平均電壓Ud在α至α+γ的范圍內(nèi)不再單純?yōu)槟诚嚯妷褐担枰侄斡?jì)算。例題：某直流電動(dòng)機(jī)由三相半波可控整流電路供電，整流變壓器次級(jí)繞組電壓U2=220V，變壓器繞組每相折算到次級(jí)的漏感LB=100μH，輸出直流電流平均值為300A。試計(jì)算換流壓降，

α=0o時(shí)的換流重疊角及考慮換流重疊現(xiàn)象后的實(shí)際直流電壓平均值。解：①三相半波可控整流電路，m=3，Id=300A∴②而：當(dāng)α=0o

時(shí)：∴③不計(jì)換流重疊角時(shí)：∴考慮換流重疊角后直流平均電壓為：另有公式：將代入上式可得：3.4電容濾波的不可控整流電路在交—直—交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應(yīng)用場(chǎng)合中，大量應(yīng)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。3.4.1電容濾波的單相不可控整流電路

1.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wt=0期間，因u2<ud，故二極管均不導(dǎo)通，電容C向R放電，提供負(fù)載所需電流。

至wt=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。電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形詳細(xì)分析（簡(jiǎn)要講解得出的結(jié)論，關(guān)鍵在于求出d和q）將u2代入并求解得：而負(fù)載電流為：于是：

設(shè)VD1和VD4的導(dǎo)通角為q，則當(dāng)wt=q

時(shí)，VD1和VD4關(guān)斷。將id

(q)=0代入上式，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。

注意到d+q為第2象限的角，由上兩式得：

在wRC已知時(shí)，即可上式求出d

，進(jìn)而求出q

。顯然d

和q僅由乘積wRC決定。下圖給出了根據(jù)以上兩式求得的d和q角隨wRC變化的曲線二極管VD1和VD4關(guān)斷的時(shí)刻，即ωt達(dá)到θ的時(shí)刻，還可用另一種方法確定：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(ωt)|，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(ωt)|

p（下標(biāo)表示假設(shè)）。d、q

與wRC的關(guān)系曲線

2.主要的數(shù)量關(guān)系

1）輸出電壓平均值

整流電壓平均值Ud可根據(jù)前述波形及有關(guān)計(jì)算公式推導(dǎo)得出，但推導(dǎo)繁瑣?？蛰d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。

通常在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C值，使，T為交流電源的周期，此時(shí)輸出電壓為：Ud≈1.2U2

2）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/23）二極管承受的電壓

感容濾波的二極管整流電路實(shí)際應(yīng)為此情況，但分析復(fù)雜。ud波形更平直，電流i2的上升段平緩了許多，這對(duì)于電路的工作是有利的。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3.4.2電容濾波的三相不可控整流電路1.基本原理某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于交流側(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。電容濾波的三相橋式不可控整流電路及其波形考慮實(shí)際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感時(shí)的工作情況：電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。隨著負(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?？紤]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2.主要數(shù)量關(guān)系

1）輸出電壓平均值

Ud在（2.34U2~2.45U2）之間變化

2）電流平均值

輸出電流平均值IR為：IR=Ud/R

與單相電路情況一樣，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/33）二極管承受的電壓

二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為。

許多電力電子裝置要消耗無功功率，會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)帶來不利影響。

1.會(huì)導(dǎo)致電流增大，視在功率增加，使設(shè)備容量增加。

2.無功功率增加，會(huì)使總電流增加，使設(shè)備線路損耗增加。

3.使線路壓降增大，沖擊性無功負(fù)載還會(huì)使電壓劇烈波動(dòng)。電力電子裝置還會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害。1.使元件產(chǎn)生附加諧波損耗，降低發(fā)電、輸電、及用電設(shè)備的效率，大量3次諧波流過中線會(huì)使線路過熱，甚至發(fā)生火災(zāi)。2.影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，噪聲或過熱。3.引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，從而使諧波放大。4.使繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)。5.對(duì)鄰近的通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。3.5整流電路的諧波和功率因數(shù)1.諧波滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級(jí)數(shù)基波（fundamental）——在傅里葉級(jí)數(shù)中，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n次諧波電流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示

電流諧波總畸變率THDi（TotalHarmonicdistortion）定義為

3.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)2.功率因數(shù)正弦電路中的情況

電路的有功功率就是其平均功率：

視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI

無功功率定義為：Q=UIsinj

功率因數(shù)l定義為有功功率P和視在功率S的比值：此時(shí)無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關(guān)系：

功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差j決定的：l=cosj

非正弦電路中的情況有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功率因數(shù)仍由式定義。公用電網(wǎng)中，通常電壓的波形畸變很小，而電流波形的畸變可能很大。因此，不考慮電壓畸變，研究電壓波形為正弦波、電流波形為非正弦波的情況有很大的實(shí)際意義。非正弦電路的有功功率設(shè)正弦波電壓有效值為U，畸變電流有效值為I，基波電流有效值及與電壓的相位差分別為I1和j1。這時(shí)有功功率為：P=UI1

cosj1

功率因數(shù)為：

基波因數(shù)——n=I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）——cosj1可見，功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變這兩個(gè)因素共同決定的。

非正弦電路的無功功率定義很多，但尚無被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義一種簡(jiǎn)單的定義是：

這樣定義的無功功率Q反映了能量的流動(dòng)和交換，目前被較廣泛的接受，但該定義對(duì)無功功率的描述很粗糙。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)分析單相橋式全控整流電路

忽略換相過程和電流脈動(dòng)，帶阻感負(fù)載，直流電感L為足夠大

變壓器二次側(cè)電流諧波分析：n=1,3,5,…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)功率因數(shù)計(jì)算基波電流有效值為

i2的有效值I=Id，結(jié)合上式可得基波因數(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

所以，功率因數(shù)為

2.三相橋式全控整流電路阻感負(fù)載，忽略換相過程和電流脈動(dòng)，直流電感L為足夠大以

=30為例，交流側(cè)電壓和電流波形如圖中的ua和ia波形所示。此時(shí)，電流為正負(fù)半周各120的方波，其有效值與直流電流的關(guān)系為

三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=30時(shí)的波形變壓器二次側(cè)電流諧波分析：

電流基波和各次諧波有效值分別為

電流中僅含6k1（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)功率因數(shù)計(jì)算由前式可得基波因數(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

3.5.3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1.單相橋式不可控整流電路實(shí)用的單相不可控整流電路采用感容濾波，由于數(shù)學(xué)表達(dá)式十分復(fù)雜，直接給出有關(guān)的結(jié)論。

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：（1）諧波次數(shù)為奇次；

（2）諧波次數(shù)越高，諧波幅值越??；（3）與帶阻感負(fù)載的單相全控橋整流電路相比，諧波與基波的關(guān)系是不固定的，wRC越大，則諧波越大，而基波越小。這是因?yàn)?，wRC越大，意味著負(fù)載越輕，二極管的導(dǎo)通角越小，則交流側(cè)電流波形的底部就越窄，波形畸變也越嚴(yán)重。（4）越大，則諧波越小，這是因?yàn)榇?lián)電感L抑制沖擊電流從而抑制了交流電流的畸變。關(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下：（1）通常位移因數(shù)是滯后的，并且隨負(fù)載加重（wRC

減?。蟮慕嵌仍龃?，隨濾波電感加大滯后的角度也增大。（2）由于諧波的大小受負(fù)載大?。╳RC）的影響，隨

wRC增大，諧波增大，而基波減小，也就使基波因數(shù)減小，使得總的功率因數(shù)降低。同時(shí)，諧波受濾波電感的影響，濾波電感越大，諧波越小，基波因數(shù)越大，總功率因數(shù)越大。2.三相橋式不可控整流電路實(shí)際應(yīng)用的電容濾波三相不可控整流電路中通常有濾波電感。交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：（1）諧波次數(shù)為6k±