第二章 晶闸管相控整流电路.ppt

第二章第二章 晶闸管相控整流电路晶闸管相控整流电路v本章所要讲述的内容本章所要讲述的内容1)1)单相可控整流电路单相可控整流电路2)2)三相可控整流电路三相可控整流电路3)3)变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响4)4)整流电路的谐波分析整流电路的谐波分析5)5)电力公害及其抑制措施电力公害及其抑制措施v本章重点本章重点 单相桥式全控整流电路和三相桥式全控整流单相桥式全控整流电路和三相桥式全控整流电路组电路组成和工作原理成和工作原理、不同性质的负载不同性质的负载下一些重要物理量的下一些重要物理量的波波形分析和数值计算形分析和数值计算。第第1页页2.1 概述概述图图2.1 部分常用的整流电路部分常用的整流电路c）d）除除c）、）、d）外外a）e）f）、）、g）b）、）、f）c）、）、d）、）、e）、）、g）a）、）、b）、）、f）c）、）、d）、）、e）、）、g）整整流流电电路路2不同性质的负载不同性质的负载对于整流电路输出的电压电流波形有很大对于整流电路输出的电压电流波形有很大影影响响。负载的性质负载的性质大致分为以下几种大致分为以下几种（p42）a)电阻性负载电阻性负载如电阻加热炉、电解、电镀和电焊等。如电阻加热炉、电解、电镀和电焊等。b)电感性负载电感性负载各种电机的励磁绕组，经电抗器滤波各种电机的励磁绕组，经电抗器滤波的负载。的负载。c)电容性负载电容性负载整流输出端接大电容滤波的情况。整流输出端接大电容滤波的情况。d)反电势负载反电势负载整流装置输出供蓄电池充电或供直流整流装置输出供蓄电池充电或供直流电动机作电动机作 电源时用。电源时用。实际上属于单纯的某一种性质的负载是很少的。实际上属于单纯的某一种性质的负载是很少的。确定负载性质必须根据实际情况作具体分析。确定负载性质必须根据实际情况作具体分析。2.1 概述概述32.2 单相可控整流电路单相可控整流电路2.2.1 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路（p45）1.电阻负载电阻负载电路结构及其工作原理电路结构及其工作原理 图图2.2 单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及工作原理（不可控）单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及工作原理（不可控）aD4D1i22ubTu1D3idRudD2u2(a)D1RD4u2(b)u2 04图图2.2 单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及工作原理（不可控）单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及工作原理（不可控）aD4D1i22ubTu1D3idRudD2u2 02.2.1 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid图图2.3 单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及工作原理（全控）单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及工作原理（全控）6RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid图图2.3 单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及工作原理（全控）单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及工作原理（全控）u2(b)VT3RVT2u2(a)u2 0b)c)d)wtwtwtpaa000i2udiduVT1,4u(i)dd转转u2负半周负半周8图图2.4 单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及波形（单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及波形（ud、id）RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udida)u2 02.2.1 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路10图图2.4 单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及波形（单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及波形（uVT1，4）RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udida)u2 02.2.1 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路12图图2.4 单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及波形（单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及波形（i2）RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udida)u2 30300 0，负载电流断续，负载电流断续的移相范围的移相范围:0:00 01501500 0。负载电流平均值负载电流平均值I Id d2.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路基本数量关系基本数量关系a=30u2uuuvuwOwtOwtOwtOwtOwtuGuduuvuuwwt1iVT1uVT1uuwwwttwtwta=60u2uuuvuwOOOOuGudiVT133晶闸管承受的最大反向电压晶闸管承受的最大反向电压U URMRM 晶闸管承受的最大正向电压晶闸管承受的最大正向电压U UFMFM 晶闸管的额定电压晶闸管的额定电压U UT(AV)T(AV)晶闸管的额定电流晶闸管的额定电流I IT(AV)T(AV)2.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路a=30u2uuuvuwOwtOwtOwtOwtOwtuGuduuvuuwwt1iVT1uVT1uuw34 图图2.15 三相半波可控整流电路共阴极接法电感负载三相半波可控整流电路共阴极接法电感负载时的电路及时的电路及=600的波形的波形uvwTRLu2udeLidVT1VT2VT32.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2.电感性负载（电感性负载（p54）特特点点：阻阻感感负负载载，L L值值很很大大，i id d波形基本平直。波形基本平直。a a3030 时时：整整流流电电压压波波形形与与电阻负载时相同。电阻负载时相同。a a3030 时时（如如a a=60=60 时时的的波波形形如如图图2-162-16所示）。所示）。u u2 2过过零零时时，VTVT1 1不不关关断断，直直到到VTVT2 2的的脉脉冲冲到到来来，才才换换流流，u ud d波形中出现负的部分。波形中出现负的部分。i id d波波形形有有一一定定的的脉脉动动，但但为为简简化化分分析析及及定定量量计计算算，可可将将i id d近似为一条水平线。近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为阻感负载时的移相范围为9090。udiauuuvuwibiciduuwOwtOwtOOwtOOwtawtwt35输出电压平均值输出电压平均值U Ud d 由上式，由上式，a a的移相范围的移相范围 0 00 090900 0。输出电流平均值输出电流平均值I Id d I I2 2即晶闸管电流的有效值即晶闸管电流的有效值I IT T 晶闸管电流的平均值晶闸管电流的平均值I IdTdT2.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路基本数量关系基本数量关系udiauuuvuwibiciduuwOwtOwtOOwtOOwtawtwt36 晶闸管最大正反向电压晶闸管最大正反向电压 晶闸管的额定电流晶闸管的额定电流 晶闸管的额定电压晶闸管的额定电压 三相整流电路的功率因数三相整流电路的功率因数2.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路udiauuuvuwibiciduuwOwtOwtOOwtOOwtawtwt37图图2.16 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路(p57，图2.15)2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路电感性负载（电感性负载（p56）共共阴阴极极组组阴阴极极连连接接在在一一起起的的3 3个晶闸管（个晶闸管（VTVT1 1，VTVT3 3，VTVT5 5）共共阳阳极极组组阳阳极极连连接接在在 一一 起起 的的 3 3个个 晶晶 闸闸 管管（VTVT4 4，VTVT6 6，VTVT2 2）导通顺序：导通顺序：VTVT1 1VTVT2 2 VTVT3 3 VTVT4 4 VTVT5 5VTVT6 6电路电路38图图2.17 三相桥式全控整流电路工作原理三相桥式全控整流电路工作原理(p57，图2.15)i i2 2工作原理工作原理1 12.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路wu2uuuwuvOta=039工作原理工作原理2 2图图2.17 三相桥式全控整流电路工作原理三相桥式全控整流电路工作原理(p57，图2.15)wu2uuuwuvwt1Ota=02.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路40工作原理工作原理3 3图图2.17 三相桥式全控整流电路工作原理三相桥式全控整流电路工作原理(p57，图2.15)wu2uuuwuvwt1Ota=02.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路41工作原理工作原理4 4图图2.17 三相桥式全控整流电路工作原理三相桥式全控整流电路工作原理(p57，图2.15)wu2uuuwuvwt1Ota=02.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路42工作原理工作原理5 5图图2.17 三相桥式全控整流电路工作原理三相桥式全控整流电路工作原理(p57，图2.15)wu2uuuwuvwt1Ota=02.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路43工作原理工作原理6 6图图2.17 三相桥式全控整流电路工作原理三相桥式全控整流电路工作原理(p57，图2.15)uuuwu2uwvwt1Ota=02.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路442.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路工作原理小结工作原理小结表表21晶闸管及输出整流电压的情况晶闸管及输出整流电压的情况时时 段段I IIIIIIIIIIIIVIVV VVIVI共阴极组中导通共阴极组中导通的晶闸管的晶闸管VTVT1 1VTVT1 1VTVT3 3VTVT3 3VTVT5 5VTVT5 5共阳极组中导通共阳极组中导通的晶闸管的晶闸管VTVT6 6VTVT2 2VTVT2 2VTVT4 4VTVT4 4VTVT6 6整流输出电压整流输出电压u ud du uu u-u uv v=u uuvuvu uu u-u uw w=u uuwuwu uv v-u uw w=u uvwvwu uv v-u uu u=u uvuvuu uw w-u uu u=u uwuwuu uw w-u uv v=u uwvwv45三相桥式全控整流电路的特点三相桥式全控整流电路的特点（1 1）2 2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各阳极组各1 1，且不能为同，且不能为同1 1相器件。相器件。2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路工作原理工作原理小结小结（2 2）u ud d一一周周期期脉脉动动6 6次次，每每次次脉脉动动的的波波形形都都一一样样，故该电路为故该电路为6 6脉波整流电路。脉波整流电路。46波形分析波形分析1（=00）2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路wvuwwu2u2Luduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuuwt1OtOta=0图图2.18 三相桥式全控整流电三相桥式全控整流电路电感性负载路电感性负载=00时的波形时的波形（p57，图2.16）u ud d波形波形47wwuuvuuwuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwOtOtiT1uT1图图2.18 三相桥式全控整流电三相桥式全控整流电路电感性负载路电感性负载=00时的波形时的波形（p57，图2.16）波形分析波形分析1（=00）2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路idwtOwvuwu2uuuwt1Ota=0id d、iT1、uT1波形波形48wvu波形分析波形分析2（=300）wu2uuuwt1Ot2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路wt图图2.19 三相桥式全控整流电三相桥式全控整流电路电感性负载路电感性负载=300时的波形时的波形（p57，图2.16）uduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwwtOidwtOa=30iT1wtOwtOud、id d、iT1波形波形49wvu波形分析波形分析2（=300）wu2uuuwt1Ot2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路wt图图2.19 三相桥式全控整流电三相桥式全控整流电路电感性负载路电感性负载=300时的波形时的波形（p57，图2.16）u T1uvuwvwvuwuwvuvuwwtOi2wtOa=30uT1、i2波形波形iT1iT450图图2.20 三相桥式全控整流电路电感性负载三相桥式全控整流电路电感性负载=600时的波形时的波形（p58，图2.17）波形分析波形分析3（=600）wvuwu2uuuwt1OtwtuduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwwtOidwtOa=60iT1wtO2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路51图图2.20 三相桥式全控整流电路电感性负载三相桥式全控整流电路电感性负载=600时的波形时的波形（p58，图2.17）波形分析波形分析3（=600）wvuwu2uuuwt1OtwtuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwwtOOa=60i2wtO2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路u T1iT4iT152触发脉冲分析触发脉冲分析图图2.21 三相桥式全控整流电三相桥式全控整流电路的触发脉冲路的触发脉冲（p58，图2.17）2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 对触发脉冲的要求：对触发脉冲的要求：按按VTVT1 1-VT-VT2 2-VT-VT3 3-VT-VT4 4-VT-VT5 5-VT-VT6 6的的顺顺序序，相相位位依次差依次差6060。共共阴阴极极组组VTVT1 1、VTVT3 3、VTVT5 5的的脉脉冲冲依依次次差差120120，共共阳阳极极组组VTVT4 4、VTVT6 6、VTVT2 2也也依依次次差差120120。同同一一相相的的上上下下两两个个桥桥臂臂，即即VTVT1 1与与VTVT4 4，VTVT3 3与与VTVT6 6，VTVT5 5与与VTVT2 2，脉冲相差脉冲相差180180。53触发脉冲分析触发脉冲分析 需需保保证证同同时时导导通通的的2个个晶晶闸闸管管均均有脉有脉 可可采采用用两两种种方方法法：一一种种是是宽宽脉脉冲冲触触发发，一一种种是是双双窄窄脉脉冲冲触触发发（常用）（常用）2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路54 输出电压平均值输出电压平均值U Ud d（连续时）（连续时）带电阻负载且带电阻负载且60600 0时，整流电压平均值时，整流电压平均值U Ud d 输出电流平均值输出电流平均值I Id d 如果是反电势负载带平波电抗器，则输出电流如果是反电势负载带平波电抗器，则输出电流I Id d2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路基本数量关系基本数量关系55 流过晶闸管的电流值有效值流过晶闸管的电流值有效值I IT T 晶闸管承受的最大正向电压晶闸管承受的最大正向电压 晶闸管承受的最大反向电压晶闸管承受的最大反向电压 晶闸管的额定电压晶闸管的额定电压2.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路基本数量关系基本数量关系562.4 大功率可控整流主电路大功率可控整流主电路接线形式及特点接线形式及特点2.4.1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路（p62）（1）双反星形整流电路）双反星形整流电路二次侧为两组二次侧为两组匝数相同极性相反匝数相同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路。的绕阻，分别接成两组三相半波电路。二次侧两绕组的极性相反可二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化消除铁芯的直流磁化（2）平衡电抗器的作用）平衡电抗器的作用图图2.22 带平衡电抗器的双反星形可控整流带平衡电抗器的双反星形可控整流电路电路（p63，图2.23）平平衡衡电电抗抗器器是是为为保保证证两两组组三三相相半半波波整整流流电路能同时导电。电路能同时导电。与与三三相相桥桥式式电电路路相相比比，双双反反星星形形电电路路的的输出电流可输出电流可大一倍大一倍。57（1）移相多重联结）移相多重联结有有并联多重联结并联多重联结和和串联多重联结串联多重联结。可减少输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提高纹波频可减少输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。率，因而可减小平波电抗器。使用使用平衡电抗器平衡电抗器来平衡来平衡2 2组整流器的电流。组整流器的电流。2 2个三相桥并联而成的个三相桥并联而成的1212脉波整流电路脉波整流电路。（2）串联多重联结电路的顺序控制）串联多重联结电路的顺序控制图图2.23 2重联结的重联结的12脉波整流电路脉波整流电路（p65，图2.27）2.4.2 多重化整流电路多重化整流电路582.5 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响考考虑虑包包括括变变压压器器漏漏感感在在内内的的交交流流侧侧电电感感的的影影响响，该该漏漏感感可用一个集中的电感可用一个集中的电感LB表示。表示。以三相半波为例，将其结论推广。以三相半波为例，将其结论推广。LRuvwTLudiwiviuBLBLBikVT1VT2VT3udidwtOwtOgiwiuiviwiuIduuuvuwai ik k=i iv v是逐渐增大的，是逐渐增大的，而而i iu u=I Id d-i ik k是逐渐减小的。是逐渐减小的。当当i ik k增大到等于增大到等于I Id d时，时，i iu u=0=0，VTVT1 1关断关断,换流过程结束。换流过程结束。VTVT1 1换相至换相至VTVT2 2的过程：的过程：因因a a、b b两相均有漏感，故两相均有漏感，故i iu u、i iv v均不能突变。于是均不能突变。于是VTVT1 1和和VTVT2 2同时导通，相当于将同时导通，相当于将u u、v v两相两相短路，在两相组成的回路中产短路，在两相组成的回路中产生环流生环流i ik k。图图2.24 考考虑虑变变压压器器漏漏抗抗时时的的三三相相半半波波可可控控整整流流电路及波形（电路及波形（p67，图，图2.29）592.5.1 换相过程中的输出电压换相过程中的输出电压两个概念两个概念换相压降换相压降与不考虑变压器漏感时相比，与不考虑变压器漏感时相比，u ud d平均值降低的多少。平均值降低的多少。换相重叠角换相重叠角g g 换相过程持续的时间，用电角度换相过程持续的时间，用电角度g g表示。表示。换相压降的计算换相压降的计算角的计算角的计算602.6 整流电路的谐波分析整流电路的谐波分析（p70）2.6.1 谐波分析目的谐波分析目的 随随着着电电力力电电子子技技术术的的发发展展，其其应应用用日日益益广广泛泛，由由此此带带来来的的谐谐波波(harmonics)和和无功无功(reactive power)问题日益严重，引起了关注。问题日益严重，引起了关注。在在电电力力电电子子装装置置接接入入电电网网前前，必必须须进进行行谐谐波波分分析析，弄弄清清楚楚谐谐波波分分布布和和注注入入电电网网的的谐谐波波值值，以以便便制制定定谐谐波波治治理理方方案案，是是电电力力电电子子装装置置能能够够满满足足标准所规定的允许值。标准所规定的允许值。谐波的定义谐波的定义对于非正弦波电压，满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数：对于非正弦波电压，满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数：正弦波电压可表示为：正弦波电压可表示为：基波基波（fundamentalfundamental）频率与工频相同的分量频率与工频相同的分量谐波谐波频率为基波频率大于频率为基波频率大于1 1整数倍的分量整数倍的分量谐波次数谐波次数谐波频率和基波频率的整数比谐波频率和基波频率的整数比612.6.2 谐波分析方法谐波分析方法2.6.3 几个重要的物理概念几个重要的物理概念 2.6 整流电路的谐波分析整流电路的谐波分析（p70）（1）n次谐波电流含有率次谐波电流含有率HRIn（2）电流谐波总畸变率）电流谐波总畸变率THDi （3）电压纹波因数）电压纹波因数um23612u/%48.218.274.180.9940表表1 1 不同脉波数不同脉波数m m时的电压纹波因数值时的电压纹波因数值62m脉波整流电压脉波整流电压ud0的谐波的谐波次数为次数为mk(k=1,2,3,)次，即次，即m的整数倍次。的整数倍次。当当m一定时，随着谐波次一定时，随着谐波次数的增加，谐波幅值迅速数的增加，谐波幅值迅速减小；当负载中有电感时，减小；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值负载电流谐波幅值dn的减的减小更为迅速。小更为迅速。各次谐波幅值与各次谐波幅值与角的关角的关系如图系如图20所示。所示。图图2.25 三相全控桥电流连续时三相全控桥电流连续时n次谐波幅值与次谐波幅值与的关系的关系（p73，图2.32）2.6.4 谐波分析几个重要结论谐波分析几个重要结论632.7 电力公害及其抑制措施电力公害及其抑制措施（p73）2.7.1 何谓电力公害何谓电力公害 电力公害就是指使用电力电子装置时存在着电力公害就是指使用电力电子装置时存在着网侧功率因数低网侧功率因数低、谐谐波电流波电流和和电磁干扰严重等问题电磁干扰严重等问题。2.7.2 谐波公害的影响及其抑制措施谐波公害的影响及其抑制措施（1）影响（）影响（p73）（2）抑制措施）抑制措施(p74)2.7.3 功率因数公害的影响及其抑制措施功率因数公害的影响及其抑制措施 （1）按照电力法规定，用户的功率因数不得低于）按照电力法规定，用户的功率因数不得低于0.85，低于这个，低于这个指标则要对用户进行处罚。指标则要对用户进行处罚。（2）提高）提高PF的途径及方法的途径及方法2.7.4 电磁干扰公害的影响及其抑制措施电磁干扰公害的影响及其抑制措施64 本章小结本章小结1)可可控控整整流流电电路路，重重点点掌掌握握：单单相相全全控控桥桥式式整整流流电电路路和和三三相相全全控控桥桥式式整整流流电电路路的的原原理理分分析析与与计计算算、各各种种负负载载对整流电路工作情况的影响；对整流电路工作情况的影响；2)与整流电路相关的一些问题，包括：与整流电路相关的一些问题，包括：3)(1)变变压压器器漏漏抗抗对对整整流流电电路路的的影影响响，重重点点建建立立换换相相压压降降、重重叠叠角角等概念，并掌握相关的计算，熟悉漏抗对整流电路工作情况的影响。等概念，并掌握相关的计算，熟悉漏抗对整流电路工作情况的影响。4)(2)整整流流电电路路的的谐谐波波和和功功率率因因数数分分析析，重重点点掌掌握握谐谐波波的的概概念念、各各种种整整流流电电路路产产生生谐谐波波情情况况的的定定性性分分析析，功功率率因因数数分分析析的的特特点点、各各种种整整流流电路的功率因数分析。电路的功率因数分析。5)可可控控整整流流电电路路的的有有源源逆逆变变工工作作状状态态，重重点点掌掌握握产产生生有有源源逆逆变变的的条条件件、三三相相可可控控整整流流电电路路有有源源逆逆变变工工作作状状态态的分析计算、逆变失败及最小逆变角的限制等。的分析计算、逆变失败及最小逆变角的限制等。65课间休息课间休息66