相控整流电路.ppt

第2章 相控整流电路,整流电路：出现最早、应用最广的电力电子电路。,功率从电网流向负载、将交流电变换为固定或可调的直流电称为“整流”，即AC/DC变换器；反之，功率从负载流向电网、将直流电变换为交流电称为“有源逆变”，即DC/AC变换器。,有源逆变电路可以看成是整流电路的另外一种工作方式，同一装置既可工作在整流状态，又可工作在逆变状态。,控制方式：相位控制 触发角 输出直流电压平均值,第2章 相控整流电路,整流电路的分类：按器件组成：不可控、半控、全控按电网、交流电相数：单相、三相、多相按接线方式：半波、全波,第2章 相控整流电路,整流电路形式繁杂，重点掌握：电路拓扑控制策略工作原理、波形分析数量关系,第2章 相控整流电路,2.1 单相可控整流电路2.2 三相可控整流电路2.3 变压器漏感对整流电路的影响2.4 有源逆变电路2.5 电容滤波的不可控整流电路2.6 整流电路的谐波和功率因数2.7 其他可控整流电路本章小结,2.1 单相可控整流电路,2.1.1 单相半波可控整流电路2.1.2 单相桥式可控整流电路2.1.3 单相全波可控整流电路,2.1.1 单相半波可控整流电路,2.1.1 单相半波可控整流电路,1.电阻负载,变压器T,变换电压,隔离,交流输入为单相，直流输出电压波形只在交流输入的正半周内出现，故称为单相半波可控整流电路。,特点：电压与电流波形相同,2.1.1 单相半波可控整流电路,工作过程,0t区域,t=时刻,t=时刻,重要概念触发延迟角 从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a 表示,也称触发角或控制角。移相范围 使输出电压从最大值到最小值变化的触发延迟角的变化范围 导通角 晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示。,数量关系,这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为 相位控制方式（相控方式）,当触发角=0时，直流输出电压平均值Ud最大，随着触发角的增大，Ud减少，到=时，Ud=0。单相半波可控整流电路的最大移相范围是0，相应Ud调节范围为0.45U20，=-。,晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源电压的峰值,变压器二次侧有功功率、视在功率、功率因数,是的函数，越大，功率因数越低。即使是电阻性负载，由于存在谐波电流，最大功率因数小于1，为0.707。,2.阻感负载,2.阻感负载,阻感负载的特点电感对电流变化有抗拒作用，使流过电感的电流不发生突变。,初始条件：t=a，id=0。,当VT处于通态时，如下方程成立：,当t=+a 时，id=0-,工作过程,0t区域,t=时刻 id=0,t+区域,电感元件的一个重要特性：在稳态条件下，电感两端的电压平均值恒等于零。换言之，在一个周期内，电感储存的能量等于释放的能量。,负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系,若j为定值，a 越大，在u2正半周L储能越少，维持导电的能力就越弱，越小若a为定值，j(L)越大，则L贮能越多，越大；且j 越大，在u2负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通的时间，ud中负的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。,为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管,当u2过零变负时，VDR导通，ud为零。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。续流期间ud为零，ud中不再出现负的部分。,续流二极管的作用：a.提高整流平均电压Ud。当u2为正时，VD承受反向电压呈关断状态，不起作用。当u2进入负半周时VD导通，负载电流通过VD继续流通，负载上的电压箝位在零电位，ud中负电压消失，使输出平均电压Ud得以提高。b.减轻晶闸管的负担。u2负半周时段。c.消除失控事故。在整流电路中，电感L大而储能大时有可能使晶闸管在整个u2负半周区域都导通，使晶闸管不会关断，造成失控事故。加入续流二极管后，L中的电流通过VD形成通路，晶闸管自然关断。,数量关系 与电阻负载相同,移相范围是0,导通角是a,晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源电压的峰值,若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有,单相半波可控整流电路的特点简单，但输出脉动大。交流回路中含有直流分量，造成换流变压器铁芯饱和，设备利用率下降。分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。,2.1 单相可控整流电路,2.1.1 单相半波可控整流电路2.1.2 单相桥式可控整流电路2.1.3 单相全波可控整流电路,2.1.2 单相桥式可控整流电路,单相桥式全控整流电路单相桥式半控整流电路,单相桥式全控整流电路,特点：VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通。,1.电阻负载,工作过程,0t区域,t=时刻至t=时刻 VT1、VT4导通 VT2、VT3承受反压阻断,t=时刻,t+区域,t=+时刻至t=2时刻 VT2、VT3导通 VT1、VT4承受反压阻断,全波电路,移相范围：0,流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即,数量关系,流过晶闸管的电流有效值：,变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流有效值相等：,变压器无直流磁化问题,晶闸管在工作中可能承受的最大正向电压、反向电压分别为0.5电源电压的峰值、电源电压的峰值,假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。,2.阻感负载,u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。至t=+a 时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。,晶闸管承受的最大正反向电压均为 晶闸管导通角与a 无关，均为180，平均值和有效值分别为：,变压器二次侧电流 i2 的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。,数量关系,移相范围：0/2,3.反电动势负载,|u2|E 时，晶闸管承受正电压，才有导通的可能。导通之后,ud=u2，,直至|u2|=E，id 即降至 0 使得晶闸管关断，此后 ud=E与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度 停止导电，称为停止导电角,在 a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,数量关系,3.反电动势负载,电流断续 id 波形在一周期内有部分时间为 0 的情况电流连续 id 波形在一周期内不出现为 0 的情况 当 a 时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不能导通。为使晶闸管可靠导通，触发脉冲需足够的宽度，保证当 t=时，晶闸管承受正电压，触发脉冲仍然存在，相当于触发角被推迟为，即 a=若a，触发脉冲宽度足够，相当于a=,负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机 的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。,2.1.2 单相桥式可控整流电路,单相桥式全控整流电路单相桥式半控整流电路,单相桥式半控整流电路,结构 单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。特点 负载电流同时流过两只晶闸管，实际上只要其中一只可控，即可控制电流的导通时刻。,单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,1.电阻负载,半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。,2.阻感负载,在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。,实际使用的电路均接续流二极管，这种电路的基本计算均与单相全波可控整流电路电阻性负载相同。,数量关系,续流二极管的作用,避免可能发生的失控现象。若无续流二极管，则当a 突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。,2.1 单相可控整流电路,2.1.1 单相半波可控整流电路2.1.2 单相桥式可控整流电路2.1.3 单相全波可控整流电路,2.1.3 单相全波可控整流电路,单相全波可控整流电路及波形,单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。变压器不存在直流磁化的问题。,单相全波与单相全控桥的区别：,单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。,从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。,第2章 相控整流电路,2.1 单相可控整流电路2.2 三相可控整流电路2.3 变压器漏感对整流电路的影响2.4 有源逆变电路2.5 电容滤波的不可控整流电路2.6 整流电路的谐波和功率因数2.7 其他可控整流电路本章小结,单相可控整流电路简单经济、直流输出波形脉动大交流测由三相电源供电负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时采用。基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路、双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在此基础上进行分析。,2.2 三相可控整流电路,2.2 三相可控整流电路,2.2.1 三相半波可控整流电路2.2.2 三相桥式全控整流电路,2.2.1 三相半波可控整流电路,2.2.1 三相半波可控整流电路,电路的特点：变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起为共阴极接法。3个单相半波整流电路,自然换相点：当把电路中所有的可控元件用不可控元件代替时，各元件的导电转换点，又称为自然换流点。假设将电路中的晶闸管换作二极管，用VD表示，成为三相半波不可控整流电路。一周期中 在wt1wt2期间，VD1导通，ud=ua 在wt2wt3期间，VD2导通，ud=ub 在wt3 wt4期间，VD3导通，ud=uc,1.电阻负载,二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a=0 wt130度。单相整流电路,a=0时的工作原理分析：变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形，由3段组成：第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为uVT1=0 第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，uT1=ua-ub=uab，为一段线电压。第3段，在VT3导通期间，uT1=ua-uc=uac 为另一段线电压。,a=30负载电流处于连续和断续之间的临界状态，各相仍导电120,a 30负载电流断续，晶闸管导通角小于120。,基本数量关系：（1）a 30时，负载电流连续，有：,当a=0时，Ud最大，为 Ud=Ud0=1.17U2（2）a 30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,当a=150时，Ud=0,负载电流平均值为,晶闸管电流平均值为,晶闸管电流有效值为,a 30时，负载电流连续,a 30时，负载电流断续,晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值,晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值。为什么？,2.阻感负载,特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。a 30时整流电压波形与电阻负载时相同a 30时u2过零时，VT1不关断，直到VT2 的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为90,2.阻感负载,数量关系由于负载电流连续，,变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为,晶闸管的额定电流为,晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值,三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。,2.2 三相可控整流电路,2.2.1 三相半波可控整流电路2.2.2 三相桥式全控整流电路,2.2.2 三相桥式全控整流电路,2.2.2 三相桥式全控整流电路,共阴极组 阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组 阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）导通顺序：晶闸管编号方法 VT1VT2VT3 VT4VT5VT6自然换相（三相桥式不可控整流电路）时，每时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。,1.电阻负载,假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发角a=0。三相桥式不可控整流电路。二极管导通与关断由外加三相电压决定 共阴极组的3个二极管、晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。共阳极组的3个二极管、晶闸管，阴极所接交流电压值最低的一个导通。任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。,a=0时，各晶闸管均在自然换相点换相共阴极组处于通态的晶闸管对应最大的相电压共阳极组处于通态的晶闸管对应最小的相电压输出整流电压ud为这两个相电压相减输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线双脉冲触发,晶闸管及输出整流电压的情况如表所示6个晶闸管导通顺序 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6,当a 60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，连续,三相桥式全控整流电路的特点（1）2个晶闸管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组 各1个，且不能为同1相器件（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120。共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。,（3）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲,宽脉冲触发双脉冲触发（常用）,可采用两种方法,（4）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。,（5）当0/3时，电流连续，每个晶闸管导通2/3；当/32/3时，电流断续，每个晶闸管导通小于2/3。=/3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。（6）同三相半波可控整流电路相比，变压器二次侧流过正、负对称的交变电流，不含直流分量，避免直流磁化。,2阻感负载,当a 60时，ud波形均连续，电路的工作情况与电阻负载相似 各晶闸管的通断情况 输出整流电压ud波形 晶闸管承受的电压波形区别:负载不同时，同样的整流输出电压加在负载上，得到的负载电流id波形不同，电阻负载时id波形与的ud波形形状一样。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流id的波形可近似为一条水平线。,一样,a 60时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电阻负载时，ud波形不会出现负的部分 阻感负载时，ud波形会出现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90,当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a 60时）的平均值为：以线电压uab过零点作为时间起点。,3定量分析,带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为：Id=Ud/R,当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为：,晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与阻感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：,第2章 相控整流电路,2.1 单相可控整流电路2.2 三相可控整流电路2.3 变压器漏感对整流电路的影响2.4 有源逆变电路2.5 电容滤波的不可控整流电路2.6 整流电路的谐波和功率因数2.7 其他可控整流电路本章小结,2.3 变压器漏感对整流电路的影响,考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，换相过程不能瞬间完成。以三相半波为例，然后将其结论推广。,VT1换相至VT2的过程：,因a、b两相均有漏感，ia、ib均不能突变。VT1和VT2同时导通。相当于将a、b两相短路，两相间电压差为ub ua在两相组成的回路中产生环流ik。ik=ib逐渐增大，ia=Id-ik逐渐减小。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断，换流过程结束。,换相压降与换流重叠角的计算:,换相压降 换相导致ud均值降低多少，用Ud 表示,换相重叠角 换相过程持续的时间，用电角度g 表示。,整流输出电压瞬时值为,换重叠角g 的计算，,由上式得,进而得出,当 时，ik=Id,于是,g 随其它参数变化的规律：1）Id越大则g 越大；2）XB越大g 越大；3）当a 90时，越小则g 越大。,各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,注：单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用；三相桥等效为相电压等于3U2 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按3U2 代入。,变压器漏感对各种整流电路的影响,变压器漏感对整流电路影响的一些结论:1)出现换相重叠角g，整流输出电压平均值Ud降低。2)整流电路的工作状态增多。3)晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。4)换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。5)换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。,第2章 相控整流电路,2.1 单相可控整流电路2.2 三相可控整流电路2.3 变压器漏感对整流电路的影响2.4 有源逆变电路2.5 电容滤波的不可控整流电路2.6 整流电路的谐波和功率因数2.7 其他可控整流电路本章小结,逆变将直流电转变成交流电，整流的逆过程逆变电路将直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路交流侧和电网联接。应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。无源逆变电路交流侧不与电网联接，而直接接到负载。,基本概念,2.4 有源逆变电路,对于可控整流电路，满足一定条件就可以工作于有源逆变状态，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路、变流器。,基本概念,变流器工作于整流状态能量由交流侧传递至直流侧工作于有源逆变状态能量由直流侧传递至交流侧对于可控整流电路，有源逆变可以看作它的一种工作状态。在什么条件下可控整流电路将进入有源逆变工作状态？有源逆变产生的条件,2.4 有源逆变电路,2.4.1 有源逆变产生的条件2.4.2 三相桥式有源逆变电路2.4.3 逆变失败与最小逆变角的限制,2.4.1 有源逆变产生的条件,直流发电机电动机系统电能的流转,2.4.1 有源逆变产生的条件,直流发电机电动机系统电能的流转,直流发电机电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路,电路过程分析。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。,如果将 EG看作是整流电路的输出电压 Ud，EM是蓄电池或处于发电运行状态的直流电动机电势，则EG（Ud）EM相当于整流状态，EMEG（Ud）相当于逆变状态。但晶闸管具有单向导电性，电流方向不能改变，欲改变能量传送方向，只能改变EM极性，为防止两电源反极性连接形成电源间短路故障，Ud的极性也必须同时反向，即将Ud、EG均反向后再串接，且满足UdEM，则电流方向不变，但电能反送。,从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有二：,半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。,直流侧应有直流电动势，提供逆变能量，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。晶闸管的控制角/2，Ud0，使Ud为负值。,2.4 有源逆变电路,2.4.1 有源逆变产生的条件2.4.2 三相桥式有源逆变电路2.4.3 逆变失败与最小逆变角的限制,2.4.2三相桥式有源逆变电路,2.4.2三相桥式有源逆变电路,逆变和整流的区别：控制角 不同,0 p/2 时，电路工作在整流状态。p/2 p时，电路工作在逆变状态。,可沿用处理整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题。把a p/2时的控制角用p-=b表示，b 称为逆变角、超前角。逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自起始点向左方计量。,三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形如图所示。,有源逆变状态时各电量的计算：,输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即,当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。,2.4 有源逆变电路,2.4.1 有源逆变产生的条件2.4.2 三相桥式有源逆变电路2.4.3 逆变失败与最小逆变角的限制,2.4.3 逆变失败与最小逆变角的限制,逆变失败（逆变颠覆）,逆变时，一旦换相失败，使变流器的输出平均电压成为正值，和直流电动势顺向串联，形成很大的短路电流。,触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。晶闸管发生故障，应该阻断时不具备阻断能力，或应该导通时不能导通。换相的裕量角不足，引起换相失败。交流电源异常。,1)逆变失败的原因,换相重叠角的影响：,交流侧电抗对逆变换相过程的影响,当b g 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。,如果b g 时，该通的晶闸管（VT1）会关断，而应关断的晶闸管（VT3)不能关断，最终导致逆变失败。,2.4.3 逆变失败与最小逆变角的限制,2)最小逆变角确定的方法逆变时允许采用的最小逆变角b 应等于bmin=d+g+q,d 晶闸管的关断时间tq折合的电角度,g 换相重叠角,q安全裕量角,tq大的可达200300ms，折算到电角度约45。,随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。,主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。值约取为10。,g 换相重叠角的确定：查阅有关手册 举例如下：,参照整流时g 的计算方法,bmin一般取3035。,第2章 相控整流电路,2.1 单相可控整流电路2.2 三相可控整流电路2.3 变压器漏感对整流电路的影响2.4 有源逆变电路2.5 电容滤波的不可控整流电路2.6 整流电路的谐波和功率因数2.7 其他可控整流电路本章小结,2.5 电容滤波的不可控整流电路,在实际的工业应用中，还经常使用不可控整流电路经电容滤波，以抑制电压的脉动，以达到滤波的目的。,广泛应用到交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合。在前述的各种可控整流电路，只要将其中的晶闸管换为整流二极管，就是不可控整流电路。最常用的是单相桥和三相桥两种接法。,2.5 电容滤波的不可控整流电路,2.5.1 电容滤波的单相半波不可控整流电路2.5.2 电容滤波的单相桥式不可控整流电路2.5.3 电容滤波的三相桥式不可控整流电路2.5.4 感容滤波的二极管整流电路,电容C并联于负载R的两端，uduC。在没有并入电容C之前，整流二极管在u2的正半周导通，负半周截止。并入电容之后，则当u2由零逐渐增大至电容电压时，二极管D导通，除有一电流id流向负载以外还有一电流iC向电容C充电，充电电压uC的极性为上正下负。当u2uc时，D因反偏而截止；当u2uc时，D又导通。,2.5.1电容滤波的单相半波不可控整流电路,电容滤波的单相半波不可控整流电路及波形,2.5 电容滤波的不可控整流电路,2.5.1 电容滤波的单相半波不可控整流电路2.5.2 电容滤波的单相桥式不可控整流电路2.5.3 电容滤波的三相桥式不可控整流电路2.5.4 感容滤波的二极管整流电路,2.5.2电容滤波的单相桥式不可控整流电路,常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中。,1）工作原理及波形分析,基本工作过程：,在u2正半周过零点至wt=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。,至wt=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。,图2-26 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a)电路 b)波形,a),+,R,C,u,1,u,2,i,2,VD,1,VD,3,VD,2,VD,4,i,d,i,C,i,R,u,d,2)主要的数量关系,输出电压平均值,2.5 电容滤波的不可控整流电路,2.5.1 电容滤波的单相半波不可控整流电路2.5.2 电容滤波的单相桥式不可控整流电路2.5.3 电容滤波的三相桥式不可控整流电路2.5.4 感容滤波的二极管整流电路,2.5.3 电容滤波的三相桥式不可控整流电路,1）基本原理,某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。,电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形,电流id 断续和连续的临界条件wRC=,由“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在wt+d=2p/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有,由上式可得,（2-50）,在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=/wC。,在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=/wC。,电容滤波的三相桥式电路时的波形,2)基本数量关系,（1）输出电压平均值 Ud在（2.34U2 2.45U2）之间变化,（2）电流平均值 输出电流平均值IR为：IR=Ud/R（2-51）与单相电路情况一样，电容电流iC平均值为零，因此：Id=IR（2-52）二极管电流平均值为Id的1/3，即：ID=Id/3=IR/3（2-53）,（3）二极管承受的电压 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为。,2.5 电容滤波的不可控整流电路,2.5.1 电容滤波的单相半波不可控整流电路2.5.2 电容滤波的单相桥式不可控整流电路2.5.3 电容滤波的三相桥式不可控整流电路2.5.4 感容滤波的二极管整流电路,2.5.4感容滤波的二极管整流电路,感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a）电路图 b）波形,考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况：电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。,考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形 a）电路图 b）轻载时的交流侧电流波形 c）重载时的交流侧电流波形,第2章 相控整流电路,2.1 单相可控整流电路2.2 三相可控整流电路2.3 变压器漏感对整流电路的影响2.4 有源逆变电路2.5 电容滤波的不可控整流电路2.6 整流电路的谐波和功率因数2.7 其他可控整流电路 本章小结,整流电路整流输出电压是脉动的直流电压，整流输出电流波形对于大电感负载是平直的，但对于电阻、小电感负载仍然是脉动的。同时，交流电源的电流波形，即整流变压器二次侧电流波形是畸变的、非正弦的。这些的波形可以通过谐波和功率因数进行分析，首先介绍谐波和功率因数的相关概念。,2.6 整流电路的谐波与功率因数,2.6 整流电路的谐波与功率因数,2.6.1 谐波和无功功率分析的基础2.6.2 谐波和功率因数对电网的影响2.6.3 整流电路交流侧谐波与功率因数分析（带阻感负载时可控）2.6.4 整流电路直流测谐波分析,2.6.1 谐波和无功功率分析的基础,1.谐波,正弦波电压式中=2f=2/T 正弦波电压施加在线性电路上时，电流为正弦波。正弦波电压施加在非线性电路上时，电流变为非正弦波。非正弦电流在电网阻抗上产生压降，使电压波形也变为非正弦波。非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为T=2/的非正弦电压u(t)或非正弦电流i(t),满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数，,式中,n=1,2,3,或,式中，cn、jn、an和bn的关系为,基波 在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量谐波 频率为基波频率整数倍（大于1）的分量谐波次数 谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电压含有率以HRUn（Harmonic Ratio for Un）表示 电压谐波总畸变率THDu（Total Harmonic distortion）定义为,n次谐波电流含有率以 HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 电流谐波总畸变率 THDi（Total Harmonic distortion）定义为,正弦电路的有功功率就是其平均功率 视在功率为电压、电流有效值的乘积，即 S=UI无功功率定义为 Q=U I sinj功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值 此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系 功率因数是由电压和电流的相位差j 决定的l=cos j,2.功率因数,在非正弦电路中，有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同。公用电网中，通常电压的波形畸变很小，但电流波形的畸变可能很大，因此研究电压波形为正弦波，电流波形为非正弦波有实际意义。,设正弦波电压有效值为 U，畸变电流有效值为 I，基波电流有效值为 I1、基波电流与电压的相位差为 j1，这时有功功率为 同频率 产生 平均功率功率因数为式中，=I1/I,基波电流有效值和总电流有效值之比，为基波因数、畸变因数cosj1为位移因数（基波功率因数）,第2章 相控整流电路,2.1 单相可控整流电路2.2 三相可控整流电路2.3 变压器漏感对整流电路的影响2.4 有源逆变电路2.5 电容滤波的不可控整流电路2.6 整流电路的谐波和功率因数2.7 其他可控整流电路本章小结,2.6 整流电路的谐波与功率因数,2.6.1 谐波和无功功率分析的基础2.6.2 谐波和功率因数对电网的影响2.6.3 整流电路交流侧谐波与功率因数分析（带阻感负载时可控）2.6.4 整流电路直流测谐波分析,2.6.2 谐波和功率因数对电网的影响,电力电子装置产生谐波，对公用电网产生危害：使供电电源电压和电流波形畸变。供电电源电压和电流波形不但影响电网的其他用户，也会祸及电力电子装置本身，例如同步电压畸变将使触发角不稳定，导致整流波形不规则。增大负载和线路的电流，占用电源的容量，使电网中的元件产生附加损耗，功率因数下降，效率降低。谐波对电动机不产生负载转矩，引起附加谐波损耗与发热，缩短设备使用寿命。对临近的通信系统产生干扰。由于开关过程的快速性等因素，在高电压大电流下，在一定范围内将产生电磁干扰，影响通信设备的正常工作。并联在电源上用于补偿功率因数的电容器过热。因为电容器的高频阻抗低，很容易通过大量的谐波电流，造成高次谐波电流放大，严重的谐波过载会损坏电容器。可能产生谐波谐振过电压使谐波放大，引起电缆击穿事故。谐波的负序特性容易使继电保护和自动装置等敏感元件误动作。使测量仪表的精度降低。大量的3次谐波和3的倍数次谐波流过中性线，会使线路中线过载。,电力电子装置消耗无功功率，会对公用电网带来不利影响：导致视在功率的增加，从而增加了电源的容量。使总电流增加，从而使线路的损耗增加。冲击性无功负载会使电网电压剧烈波动。,提高功率因数的途径主要有：选择合适的输入电压，在满足控制和调节范围的情况下尽可能减小控制角a。增加整流相数，改善交流电流的波形，减少谐波成分。设置补偿电容器和滤波器。采用高功率因数的整流电路，如PWM整流电路。,2.6 整流电路的谐波与功率因数,2.6.1 谐波和无功功率分析的基础2.6.2 谐波和功率因数对电网的影响2.6.3 整流电路交流侧谐波与功率因数分析（带阻感负载时可控）2.6.4 整流电路直流测谐波分析,2.6.3 整流电路交流侧谐波与功率因数分析,1.单相桥式全控整流电路,忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流电感L为足够大时变压器二次电流波形近似为理想方波，正负半周180度,1.单相桥式全控整流电路,电流中仅含奇次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。基波电流有效值为i2的有效值I=Id，基波因数为,n=1,3,5,变压器二次侧电流谐波分析与功率因数计算其中基波和各次谐波有效值为,电流基波与电压的相位差等于控制角，故位移因数为,功率因数为,2.三相桥式全控整流电路,三相桥式全控整流电路,2.三相桥式全控整流电路,阻感负载，忽略换相过程和电流脉动，直流电感L为足够大 以=30为例，交流侧电流波形为正负半周各120的方波，其有效值与直流电流的关系为,2.三相桥式全控整流电路,将电流波形分解为傅里叶级数，则有,电流基波和各次谐波有效值分别为,基波因数位移因数功率因数为,2.6 整流电路的谐波与功率因数,2.6.1 谐波和无功功率分析的基础2.6.2 谐波和功率因数对电网的影响2.6.3 整流电路交流侧谐波与功率因数分析（带阻感负载时可控）2.6.4 整流电路直流测谐波分析,2.6.4 整流电路直流测谐波分析,a=0时，m脉波整流电路的整流电压波形,整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含高次谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。当=0时，整流电压的表达式为,整流输出电压谐波分析,当=0时，整流电压的表达式为,式中，k=1，2，3，且,电压纹波系数 为ud谐波分量有效值与平均值之比,其中,整流电压有效值U为,不同脉波数m时的电压纹波因数值,整流输出电流谐波分析负载电流的傅里叶级数可由整流电压的傅里叶级数求得,大电感负载，电流输出电流恒定，仅含直流分量,当负载为R、L和反电动势E串联时，上式中 n次谐波电流的幅值dn为 n次谐波电流的滞后角为,=0时整流电压、电流中的谐波有如下规律（1）m脉波整流电压ud的谐波次数为mk（k=1，2，3.）次，即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，也为 mk次。（2）当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低次（m次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值的减小更为迅速。（3）m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速下降。,第2章 相控整流电路,2.1 单相可控整流电路2.2 三相可控整流电路2.3 变压器漏感对整流电路的影响2.4 有源逆变电路2.5 电容滤波的不可控整流电路2.6 整流电路的谐波和功率因数2.7 其他可控整流电路本章小结,为适应不同的工业要求，还存在许多种不同的整流电路，如带平衡电抗器的双反星形可控整流电路等。本节将分别介绍几种常用的整流电路。,2.7 其他可控整流电路,2.7 其他可控整流电路,2.7.1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 2.7.2 多重化整流电路,2.7.1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,三相整流变压器二次侧设有两套互为反相的星形绕组，将中点相连，便得到六相电源。仿照三相半波整流电路可构成六相半波整流电路。此电路输出电压波形脉动较小，一周内六次，但每只管子仅1/6周期导通，利用率太低，且一次绕组电流中三次谐波成分很大，所以很少采用，而是多用带平衡电抗器的双反星形整流电路。电路的实质是变压器二次为互差的两星形绕组，其匝数相同、极性相反