第3章整流电路4.

1/1313.3变压器漏感对整流电路的影响◆变压器漏感对整流电路影响的一些结论:☞出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud降低。☞整流电路的工作状态增多。☞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。☞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。☞换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。2/1313.3变压器漏感对整流电路的影响例：三相桥式不可控整流电路，阻感负载，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：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路＝0°时的情况。Ud＝2.34U2cos－ΔUdΔUd＝3XBId∕Id＝Ud∕R解方程组得：Ud＝3.34U2cos∕（1＋3XB/R）＝486.9（V）Id＝97.38（A）又∵－=2∕U2即得出=0.892换流重叠角＝26.93°二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为IVD＝Id∕3＝97.38∕3＝33.46（A）I2a＝Id＝79.51（A）ud、iVD1和i2a的波形如图3-27所示。cos)cos(BdXI6cos323/1313.4电容滤波的不可控整流电路3.4.1电容滤波的单相不可控整流电路3.4.2电容滤波的三相不可控整流电路4/1313.4电容滤波的不可控整流电路·引言■交—直—交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合大都采用不可控整流电路。■最常用的是单相桥式和三相桥式两种接法。■由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为二极管整流电路。5/131idiCiR+-RCa)b)0iud2tVD1VD3udVD4VD2u1u2i23.4.1电容滤波的单相不可控整流电路■工作原理及波形分析◆基本工作过程☞在u2正半周过零点至t=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时ud下降。☞至t=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。☞电容被充电到t=时，ud=u2，VD1和VD4关断。电容开始以时间常数RC按指数函数放电。☞当t=，即放电经过-角时，ud降至开始充电时的初值，另一对二极管VD2和VD3导通，此后u2又向C充电，与u2正半周的情况一样。图3-28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6/131◆和的确定☞指VD1和VD4导通的时刻与u2过零点相距的角度，指VD1和VD4的导通角。☞在VD1和VD4导通期间式中，ud(0)为VD1、VD4开始导通时刻直流侧电压值。将u2代入并求解得：而负载电流为：于是3.4.1电容滤波的单相不可控整流电路)sin(222tUu2021)0(sin2)0(udtiCuUutCdd)cos(22tCUiC)sin(222tRURuiR)sin(2)cos(222tRUtCUiiiRCd(3-37)(3-38)(3-39)(3-40)(3-41)7/1313.4.1电容滤波的单相不可控整流电路RC)(tgsin2)sin(222UeURC)(arctgRCsin1)()(arctg2RCRCRCeeRCRC0102030405060/6/3/25/6RC/rad2/3/rad可由式（3-45）求出，进而由式（3-44）求出,显然和仅由乘积RC决定。(3-42)(3-43)(3-44)(3-45)图3-29、与RC的关系曲线则当t=时，VD1和VD4关断。将id()=0代入式（3-41），得：二极管导通后u2开始向C充电时的ud与二极管关断后C放电结束时的ud相等，故有下式成立：由式（3-42）和（3-43）得8/1313.4.1电容滤波的单相不可控整流电路☞的另外一种确定方法：VD1和VD4的关断时刻，从物理意义上讲，就是两个电压下降速度相等的时刻，一个是电源电压的下降速度|du2/d(t)|，另一个是假设二极管VD1和VD4关断而电容开始单独向电阻放电时电压的下降速度|dud/d(t)|p（下标表示假设），据此即可确定。0102030405060/6/3/25/6RC/rad2/3图3-29、与RC的关系曲线9/131■主要的数量关系◆输出电压平均值☞空载时，☞重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性。☞在设计时根据负载的情况选择电容C值，使,此时输出电压为：Ud≈1.2U2(3-46)◆电流平均值☞输出电流平均值IR为：IR=Ud/R(3-47)Id=IR(3-48)☞二极管电流iD平均值为：ID=Id/2=IR/2(3-49)◆二极管承受的电压☞为变压器二次侧电压最大值，即。3.4.1电容滤波的单相不可控整流电路22UUd2/5~3TRC22U10/1313.4.1电容滤波的单相不可控整流电路a)b)u2udi20ti2,u2,ud■感容滤波的单相桥式不可控整流电路◆实际应用中为了抑制电流冲击，常在直流侧串入较小的电感。◆ud波形更平直，电流i2的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的。图3-31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11/1313.4.2电容滤波的三相不可控整流电路uduuua)b)Oiaiddabac0t3t■基本原理◆当某一对二极管导通时，输出直流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。■电流id断续和连续◆比如在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的。◆VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。图3-32电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)电路b)波形12/1313.4.2电容滤波的三相不可控整流电路◆由“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件，假设在t+=2/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有可得RC=这就是临界条件。RC和RC分别是电流id断续和连续的条件。◆通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重，因此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。32=+t)]-32(-t[RC1232=+t2t)(d32sin6d)(d)]+tsin(6[deUtU333a)b)ttttaidaidOOOO图3-33电容滤波的三相桥式整流电路当RC等于和小于时的电流波形a）RC=b）RC333(3-50)13/1313.4.2电容滤波的三相不可控整流电路b)c)iaiaOOtt■考虑电感◆实际电路中存在交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。◆有电感时，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。图3-34考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形a）电路原理图b）轻载时的交流侧电流波形c）重载时的交流侧电流波形14/131■主要数量关系◆输出电压平均值☞Ud在（2.34U2~2.45U2）之间变化。◆电流平均值☞输出电流平均值IR为：IR=Ud/R电容电流iC平均值为零，因此：Id=IR☞二极管电流平均值为Id的1/3，即ID=Id/3=IR/3◆二极管承受的电压☞为线电压的峰值，为。3.4.2电容滤波的三相不可控整流电路(3-51)(3-52)(3-53)26U15/1313.5整流电路的谐波和功率因数3.5.1谐波和无功功率分析基础3.5.2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析3.5.3电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析3.5.4整流输出电压和电流的谐波分析16/1313.5整流电路的谐波和功率因数·引言■随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波(harmonics)和无功(reactivepower)问题日益严重，引起了关注。■无功的危害◆导致设备容量增加。◆使设备和线路的损耗增加。◆线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。■谐波的危害◆降低发电、输电及用电设备的效率。◆影响用电设备的正常工作。◆引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。◆导致继电保护和自动装置的误动作。◆对通信系统造成干扰。17/131■谐波◆正弦波电压可表示为式中U为电压有效值；u为初相角；为角频率，=2f=2/T；f为频率；T为周期。◆非正弦电压u(t)分解为如下形式的傅里叶级数3.5.1谐波和无功功率分析基础)sin(2)(utUtuutaantbntnnn()(cossin)01式中200)(d)(21ttua20)(dcos)(1ttntuan20)(dsin)(1ttntubnn=1,2,3…(3-54)(3-55)18/1313.5.1谐波和无功功率分析基础或utacntnnn()sin()01式中，cn、n和an、bn的关系为cabnnn22nnnarctgab(/)acnnnsinbcnnncos◆基波（fundamental）：频率与工频相同的分量。谐波：频率为基波频率大于1整数倍的分量。谐波次数：谐波频率和基波频率的整数比。◆n次谐波电流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示HRIIInn1100(%)◆电流谐波总畸变率THDi（TotalHarmonicdistortion）分别定义为（Ih为总谐波电流有效值）(%)1001IITHDhi(3-56)(3-57)(3-58)19/1313.5.1谐波和无功功率分析基础■功率因数◆正弦电路☞有功功率就是其平均功率：20cos)(21IUtiduP式中U、I分别为电压和电流的有效值，为电流滞后于电压的相位差。☞视在功率为：S=UI☞无功功率为：Q=UIsin☞功率因数为：SP☞无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间的关系：222QPS☞在正弦电路中，功率因数是由电压和电流的相位差决定的，其值为：=cos(3-59)(3-60)(3-61)(3-62)(3-63)(3-64)20/13122PSQ3.5.1谐波和无功功率分析基础11cosIUP◆非正弦电路☞有功功率为☞功率因数为：式中I1为基波电流有效值，1为基波电流与电压的相位差。11111coscoscosIIUIUISP式中，=I1/I，即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数，而cos1称为位移因数或基波功率因数。☞无功功率√定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。√一般简单定义为（反映了能量的流动和交换）：√仿照式（2-61）定义为：☞畸变功率D为：22222nnfIUQPSD(3-65)(3-66)(3-67)(3-68)(3-71)11sinIQUf21/1313.5.2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析■单相桥式全控整流电路◆电流波形如图3-6所示，将电流波形分解为傅里叶级数，可得,5,3,1,5,3,12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnnddtnItnnItttIi其中基波和各次谐波有效值为nIIdn22n=1,3,5,…可见，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。oti