1、電力電子技術教案第2章 整流電路主要內容：單相可控整流電路的工作原理、波形分析及計算，續流二極管的作用及有關波形分析。三相半波整流電路的波形分析及計算。三相全控橋的工作原理、波形分析及計算。整流變壓器原、附邊繞組電流有效值及容量計算。帶平衡電抗器的雙反星性大功率整流電路工作原理及波形分析。變壓器漏抗對整流電路的影響。電路中諧波的產生、組成及抑制方法。整流電路的諧波和功率因數。整流電路的有源逆變工作原理及實施逆變的條件，逆變顛覆及防止措施。觸發脈沖與主回路電壓的同步，移相工作原理。重點：單相可控整流電路的工作原理、波形分析及計算。三相半波整流電路的波形分析及計算。三相全控橋的工作原理、波形分析及

2、計算。變壓器漏抗對整流電路的影響。電路中諧波的產生、組成及抑制方法。整流電路的諧波和功率因數。整流電路的有源逆變工作原理及實施逆變的條件，逆變顛覆及防止措施。觸發脈沖與主回路電壓的同步，移相工作原理。難點：三相半波整流電路的波形分析及計算。三相全控橋的工作原理、波形分析及計算。整流電路的有源逆變工作原理及實施逆變的條件，逆變顛覆及防止措施。觸發脈沖與主回路電壓的同步，移相工作原理。基本要求：掌握單相各、三相半波、三相全控整流電路在不同性質負載下的工作原理及波形分析，控制角移相范圍，電流有效值、平均值的計算，對相位控制觸發脈沖的基本要求。理解以帶平衡電抗器的雙反星性電路為代表的大功率整流電路工作

3、原理。掌握變壓器漏抗對整流電路的影響。了解電路中諧波的產生、組成及擬制方法。掌握整流電路的諧波和功率因數。掌握整流電路的有源逆變工作狀態及實施逆變的條件，逆變狀態時的能量分析及其物理概念；掌握三相橋式逆變電路對觸發脈沖的要求，逆變顛覆及防止措施。掌握觸發脈沖與主回路電壓的同步問題，移相工作原理及移相范圍，了解集成觸發器的工作原理及應用。整流電路：出現最早的電力電子電路，將交流電變為直流電；按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結構可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。1 單相可控整流電路主要內容

4、：單相可控整流電路的工作原理、波形分析及計算，續流二極管的作用及有關波形分析。重點：單相可控整流電路的工作原理、波形分析及計算。基本要求：掌握單相控整流電路在不同性質負載下的工作原理及波形分析，控制角移相范圍，電流有效值、平均值的計算，對相位控制觸發脈沖的基本要求。整流電路：出現最早的電力電子電路，將交流電變為直流電。（1）單相橋式半波整流電路a、帶電阻負載的工作情況Single Phase Half Wave Controlled Rectifier.變壓器T起變換電壓和隔離的作用。 電阻負載的特點：電壓與電流成正比，兩者波形相同結合圖2-1進行工作原理及波形分析。幾個概念的解釋：Ud為脈動

5、直流，波形只在U2正半周內出現，故稱“半波”整流。采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，故該電路為單相半波可控整流電路。Ud波形在一個電源周期中只脈動1次，故該電路為單脈波整流電路。 幾個重要的基本概念：圖2-1 單相半波可控整流電路及波形觸發延遲角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發脈沖止的電角度，用a表示，也稱觸發角或控制角。導通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態的電角度稱為，用表示。 基本數量關系。直流輸出電壓平均值為：（2-1）    VT的a 移相范圍為180°。這種通過控制觸發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，簡

6、稱相控方式。直流回路的平均電流為： （2-2）回路中的電流有效值為： （2-3）由式2. 2、式2. 3可得流過晶閘管的電流波形系數： （2-4）電源供給的有功功率為： （2-5）其中U為R上的電壓有效值：電源側的輸入功率為：功率因素為： （2-6）當=0時，越大，cos越低，=。可見，盡管是電阻負載，電源的功率因素也不為1。這是單相半波電路的缺陷。例2-1 單相半波可控整流電路，電阻負載，由220V交流電源直接供電。負載要求的最高平均電壓為60V，相應平均電流為20A，試選擇晶閘管元件，并計算在最大輸出情況下的功率因數。解：(1)先求出最大輸出時的控制角，根據式(2-1)可得： (2)求回路

7、中的電流有效值，根據式(2-4)可得：(3)求晶閘管兩端承受的正、反向峰值電壓Um：(4)選擇晶閘管：晶閘管通態平均電流，可按下式計算與選擇：晶閘管電壓定額可按下式計算與選擇：取 V可選用KP50-10型晶閘管。(5)由式（2-6）計算最大輸出情況下功率因數：b 帶阻感負載的工作情況：  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能發生突變。  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，分段進行分析計算。  對單相半波電路的分析可基于上述方法進行：當VT處于斷態時，相當于電路在VT處斷開，id=0。當VT處于通

8、態時，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 b) VT處于導通狀態圖2-2 帶阻感負載的單相半波電路及其波形為避免Ud太小，在整流電路的負載兩端并聯續流二極管與沒有續流二極管時的情況比較，在u2正半周時兩者工作情況一樣。當u2過零變負時，VDR導通，ud為零。此時為負的u2通過VDR向VT施加反壓使其關斷，L儲存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續流。續流期間ud為0，ud中不再出現負的部分。  數量關系若近似認為id為一條水平線，恒為Id，則有：（2-5）   （2-6）（2-7） （

9、2-8） 單相半波可控整流電路的特點簡單，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在于利用其簡單易學的特點，建立起整流電路的基本概念。圖2-4 單相半波帶阻感負載有續流二極管的電路及波形（2） 單相橋式全控整流電路單相整流電路中應用較多的a 帶電阻負載的工作情況工作原理及波形分析見圖2-5：VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發脈沖即導通，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，得到觸發脈沖即導通，當u2過零時關斷。 數量關系：（2-9）a 角的移相范圍為180&#

10、176;。圖2-5 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形（2-10）（2-11） （2-12）（2-13） （2-14）不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為S=U2I2 。b 帶阻感負載的工作情況為便于討論，假設電路已工作于穩態，id的平均值不變。假設負載電感很大，負載電流id連續且波形近似為一水平線u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關斷。至t=+ a時刻，給VT2和VT3加觸發脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導通。VT2和VT3導通后，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉移

11、到VT2和VT3上，此過程稱換相，亦稱換流。（2-15）晶閘管移相范圍為90°。晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。晶閘管導通角與a無關，均為180°。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。圖2-6 單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形c 帶反電動勢負載時的工作情況在|u2|>E時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能，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。   （2-16）圖2-7 單相

12、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a 角相同時，整流輸出電壓比電阻負載時大。如圖2-7b所示id波形在一周期內有部分時間為0的情況，稱為電流斷續。與此對應，若id波形不出現為0的點的情況，稱為電流連續。當觸發脈沖到來時，晶閘管承受負電壓，不可能導通。為了使晶閘管可靠導通，要求觸發脈沖有足夠的寬度，保證當wt=時刻有晶閘管開始承受正電壓時，觸發脈沖仍然存在。這樣，相當于觸發角被推遲為。負載為直流電動機時，如果出現電流斷續則電動機的機械特性將很軟。為了克服此缺點，一般在主電路中直流輸出側串聯一個平波電抗器，用來減少電流的脈動和延長晶閘管導通的時間。這時整流電壓ud的波形和負載電流i

13、d的波形與電感負載電流連續時的波形相同，ud的計算公式亦一樣。為保證電流連續所需的電感量L可由下式求出：    （2-17）圖2-8 單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載串平波電抗器，電流連續的臨界情況（3）單相全波可控整流電路圖2-9 單相全波可控整流電路及波形 單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。 兩者的區別：（1）單相全波中變壓器結構較復雜，繞組及鐵芯對銅、鐵等材料的消耗多；（2）單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，相應地，門極驅動電路也少2個；但是晶閘管承受的最大電壓為 ，是單相全控橋的2倍；（3）單相全波導電回路只含1個

14、晶閘管，比單相橋少1個，因而管壓降也少1個從上述（2）、（3）考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應用。（4）單相橋式半控整流電路圖2-10 單相橋式半控整流電路，有續流二極管，阻感負載時的電路及波形單相全控橋中，每個導電回路中有2個晶閘管，為了對每個導電回路進行控制，只需1個晶閘管就可以了，另1個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個電路。如此即成為單相橋式半控整流電路（先不考慮VDR）。 半控電路與全控電路在電阻負載時的工作情況相同，單相半控橋帶阻感負載的情況，假設負載中電感很大，且電路已工作于穩態。在u2正半周，觸發角a處給晶閘管VT1加觸發脈沖，u2經VT1和VD4向負載供電u2過

15、零變負時，因電感作用使電流連續，VT1繼續導通。但因a點電位低于b點電位，使得電流從VD4轉移至VD2，VD4關斷，電流不再流經變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續流在u2負半周觸發角a時刻觸發VT3，VT3導通，則向VT1加反壓使之關斷，u2經VT3和VD2向負載供電。u2過零變正時，VD4導通，VD2關斷。VT3和VD4續流，ud又為零續流二極管的作用。若無續流二極管，則當a突然增大至180°或觸發脈沖丟失時，會發生一個晶閘管持續導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期ud為零，其平均值保持恒定，稱為失控。有續流二極管VDR時，續流過

16、程由VDR完成，晶閘管關斷，避免了某一個晶閘管持續導通從而導致失控的現象。同時，續流期間導電回路中只有一個管壓降，有利于降低損耗單相橋式半控整流電路的另一種接法相當于把圖2-4a中的VT3和VT4換為二極管VD3和VD4，這樣可以省去續流二極管VDR，續流由VD3和VD4來實現。圖2-11 單相橋式半控整流電路的另一接法592 三相可控整流電路主要內容：三相半波整流電路的波形分析及計算。三相全控橋的工作原理、波形分析及計算。重點：三相全控橋的工作原理、波形分析及計算。難點：三相半波整流電路的波形分析及計算。三相全控橋的工作原理、波形分析及計算。基本要求：掌握三相半波、三相全控整流電路在不同性質

17、負載下的工作原理及波形分析，控制角移相范圍，電流有效值、平均值的計算，對相位控制觸發脈沖的基本要求。理解以帶平衡電抗器的雙反星性電路為代表的大功率整流電路工作原理。圖2-12 三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負載時的電路及a =0°時的波形  負載容量較大，或要求直流電壓脈動較小、易濾波時基本的是三相半波可控整流電路，三相橋式全控整流電路應用最廣。（1）三相半波可控整流電路a 電阻負載  電路的特點：變壓器二次側接成星形得到零線，而一次側接成三角形避免3次諧波流入電網三個晶閘管分別接a、b、c三相電源，其陰極連接在一起共陰極接a =0°時的工作原理分析

18、假設將電路中的晶閘管換作二極管，成為三相半波不可控整流電路。此時，相電壓最大的一個所對應的二極管導通，并使另兩相的二極管承受反壓關斷，輸出整流電壓即為該相的相電壓一周期中，在t1wt2期間，VD1導通，ud=ua在wt2wt3期間， VD2導通，ud=ub在wt3 wt4期間，VD3導通，ud=uc二極管換相時刻為自然換相點，是各相晶閘管能觸發導通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發角a的起點，即a =0°變壓器二次側a相繞組和晶閘管VT1的電流波形，變壓器二次繞組電流有直流分量晶閘管的電壓波形，由3段組成：圖2-13 三相半波可控整流電路，電阻負載，a =30°時的波形第

19、1段，VT1導通期間，為一管壓降，可近似為uT1=0第2段，在VT1關斷后，VT2導通期間，uT1=ua-ub=uab，為一段線電壓第3段，在VT3導通期間，uT1=ua-uc=uac為另一段線電壓增大a值，將脈沖后移，整流電路的工作情況相應地發生變化  a=30°時的波形負載電流處于連續和斷續之間的臨界狀態  a>30°的情況。特點：負載電流斷續，晶閘管導通角小于120°電阻負載時a角的移相范圍為150°整流電壓平均值的計算（2-18）（1）a30°時，負載電流連續，有圖2-14 三相半波可控整流電路，電阻負載，a

20、=60°時的波形當a=0時，Ud最大，為 。(2-18)（2）a>30°時，負載電流斷續，晶閘管導通角減小，此時有：(2-19）Ud/U2隨a變化的規律如圖2-15中的曲線1所示。負載電流平均值為：（2-20）晶閘管承受的最大反向電壓，由圖2-13e不難看出為變壓器二次線電壓峰值，即：圖2-15 三相半波可控整流電路Ud/U2與a 的關系 （2-21）由于晶閘管陰極與零點間的電壓即為整流輸出電壓ud，其最小值為零，而晶閘管陽極與零點間的最高電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，因此晶閘管陽極與陰極間的最大電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即（2-22）圖2-16 三相半波可控

21、整流電路，阻感負載時的電路及a =60°時的波形b 阻感負載  特點：阻感負載，L值很大，id波形基本平直：  a30°時：整流電壓波形與電阻負載時相同；  a >30°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，由VT2導通向負載供電，同時向VT1施加反壓使其關斷ud波形中出現負的部分阻感負載時的移相范圍為90°。  數量關系：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，則當a>30°后，u

22、d中負的部分減少， Ud略為增加，Ud/U2與a的關系將介于曲線1和2之間。變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為（2-23）晶閘管的額定電流為（2-24）晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值（2-25）圖2-16中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。 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。（2）三相橋式全控整流電路應用最為廣泛，共陰極組陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）編號：1、3、5，4、6、2圖2-17 三相橋式全控整流電路原理圖a

23、帶電阻負載時的工作情況  a =0°時的情況假設將電路中的晶閘管換作二極管進行分析對于共陰極阻的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最大的一個導通對于共陽極組的3個晶閘管，陰極所接交流電壓值最低（或者說負得最多）的導通任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導通狀態從相電壓波形看，共陰極組晶閘管導通時，ud1為相電壓的正包絡線，共陽極組導通時，ud2為相電壓的負包絡線，ud=ud1 - ud2是兩者的差值，為線電壓在正半周的包絡線直接從線電壓波形看， ud為線電壓中最大的一個，因此ud波形為線電壓的包絡線。  三相橋式全控整流電路的特點：（1）2管同時通形成供電回

24、路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。（2）對觸發脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-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VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180°。表2-1 三相橋式全控整流電路電阻負載a=0°時晶閘管工作情況時  段 III IIIIV  V VI共陰極組中導通的晶閘管VT1 VT1 VT3  VT3VT5 VT5共

25、陽極組中導通的晶閘管VT6VT2 VT2VT4 VT4VT6整流輸出電壓Ud Ua-Ub=UabUa-Uc=Uac Ub-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb（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。圖2-18 三相橋式全控整流電路帶電阻負載a =0°時的波形（4）需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發另一種方法是雙脈沖觸發（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  a=30°時的工作情況從wt1開始把一周期等分為

26、6段，ud波形仍由6段線電壓構成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合表2-1的規律區別在于：晶閘管起始導通時刻推遲了30°，組成ud的每一段線電壓因此推遲30°變壓器二次側電流ia波形的特點：在VT1處于通態的120°期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的ud波形相同，在VT4處于通態的120°期間，ia波形的形狀也與同時段的ud波形相同，但為負值。a=60°時工作情況ud波形中每段線電壓的波形繼續后移，ud平均值繼續降低。a=60°時ud出現為零的點。圖2-19 三相橋式全控整流電路帶電阻負載a =30°時的波形小結當a60

27、°時，ud波形均連續，對于電阻負載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續當a>60°時，ud波形每60°中有一段為零，ud波形不能出現負值。帶電阻負載時三相橋式全控整流電路a 角的移相范圍是120°圖2-20 三相橋式全控整流電路帶電阻負載a =60°時的波形b 阻感負載時的工作情況a60°時，ud波形連續，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等都一樣區別在于：由于負載不同，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流id波形不同。阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波

28、形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。  a >60°時阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時ud波形不會出現負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，ud波形會出現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°。圖2-21 三相橋式全控整流電路帶電阻負載a =90°時的波形c定量分析當整流輸出電壓連續時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a60°時）的平均值為：（2-26）帶電阻負載且a >60°時，整流電壓平均值為：（2-27）輸出電流平均值為 Id=Ud /R當整流

29、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，為正負半周各寬120°、前沿相差180°的矩形波，其有效值為：（2-28）圖2-22三相橋式整流電路帶阻感負載，a =30°時的波形晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時一致。三相橋式全控整流電路接反電勢阻感負載時，在負載電感足夠大足以使負載電流連續的情況下，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：（2-29）圖2-23 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a =90°時的波形式中R和E分別為

30、負載中的電阻值和反電動勢的值。電力電子技術教案3 變壓器漏感對整流電路的影響主要內容：變壓器漏抗對整流電路的影響。電路中諧波的產生、組成及抑制方法。整流電路的諧波和功率因數。重點：變壓器漏抗對整流電路的影響。電路中諧波的產生、組成及抑制方法。難點： 無。基本要求：掌握變壓器漏抗對整流電路的影響。圖2-24考慮變壓器漏感時的三相半波可控整流電路及波形  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表示以三相半波為例，然后將結論推廣 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

31、組成的回路中產生環流ik。ik=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=0，VT1關斷，換流過程結束。    換相重疊角換相過程持續的時間，用電角度表示：    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：（2-30）2-31）    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：（2-31）    換相重疊角的計算：（2-32）2-31）由上式得：（2-33）2-31）進而得出：（2-34）2-

32、31）當wt=a+時，ik=Id，于是（2-35）2-31）    隨其它參數變化的規律：（1） Id越大則 越大；（2） XB越大越大；（3） 當a90°時，越小 越大。表2-2 各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計算電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路變壓器漏抗對各種整流電路的影響。注： 單相全控橋電路中，XB在一周期的兩次換相中都起作用，等效為m=4；    三相橋等效為相電壓等于 的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按代入變壓器漏感對整流電路影響的一些結論。（1） 出現換相重疊角，整流輸出電壓平

33、均值Ud降低。（2） 整流電路的工作狀態增多（3） 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。（4） 換相時晶閘管電壓出現缺口，產生正的du/dt，可能使晶閘管誤導通，為此必須加吸收電路。（5） 換相使電網電壓出現缺口，成為干擾源。5 整流電路的諧波和功率因數隨著電力電子技術的發展，其應用日益廣泛，由此帶來的諧波(harmonics)和無功(reactive power)問題日益嚴重，引起了關注。Ø 無功的危害：a 導致設備容量增加。b 使設備和線路的損耗增加。c 線路壓降增大，沖擊性負載使電壓劇烈波動。Ø 諧波的危害：

34、a 降低設備的效率。b 影響用電設備的正常工作。c 引起電網局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。d 導致繼電保護和自動裝置的誤動作。e 對通信系統造成干擾(1) 諧波和無功功率分析基礎正弦波電壓可表示為：對于非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級數：基波（fundamental）頻率與工頻相同的分量諧波頻率為基波頻率大于1整數倍的分量諧波次數諧波頻率和基波頻率的整數比n次諧波電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）定義為在正弦電路中，電路的有功功率就是其平均功率：視在功率為電壓、

35、電流有效值的乘積，即S=UI 無功功率定義為：Q=UIsinj功率因數cosjj 定義為有功功率P和視在功率S的比值：此時無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關系：功率因數是由電壓和電流的相位差決定的：l =cosjj 在非正弦電路中，有功功率、視在功率、功率因數的定義均和正弦電路相同，功率因數仍由式 定義。不考慮電壓畸變，研究電壓為正弦波、電流為非正弦波的情況有很大的實際意義。非正弦電路的有功功率：P=UI1 cosj1 功率因數：基波因數：n =I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比位移因數（基波功率因數）：cosj1功率因數由基波電流相移和電流波形畸變這兩個因素共同決定的。

36、非正弦電路的無功功率： 無功功率Q反映了能量的流動和交換，目前被較廣泛的接受。忽略電壓中的諧波時有：Qf =UI1 sinj1 在非正弦情況下， 因此引入畸變功率D，使得：Qf為由基波電流所產生的無功功率，D是諧波電流產生的無功功率。(2)帶阻感負載時可控整流電路交流側諧波和功率因數分析a、單相橋式全控整流電路忽略換相過程和電流脈動，在阻感負載且電感L足夠大時電流i2的波形見下圖。 （2-36）n=1,3,5,其中：由變壓器二次側電流諧波分析可知：Ø 電流中僅含奇次諧波。Ø 各次諧波有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。基波電流有效值為： i2的有效

37、值I=Id，結合上式可得基波因數為：電流基波與電壓的相位差就等于控制角a，故位移因數為所以，功率因數為：b、三相橋式全控整流電路以a =30°為例，在阻感負載時，忽略換相過程和電流脈動，且直流電感L為足夠大。此時，電流為正負半周各120°的方波，如下圖所示，其有效值與直流電流的關系為：圖2-25 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a =30°時的波形由變壓器二次側電流諧波分析可知，電流基波和各次諧波有效值分別為：Ø 電流中僅含6k±1（k為正整數）次諧波。Ø 各次諧波有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。基波因數：

38、位移因數仍為：功率因數為：(3) 電容濾波的不可控整流電路交流側諧波和功率因數分析a、單相橋式不可控整流電路實用的單相不可控整流電路常采用感容濾波。電容濾波的單相不可控整流電路交流側諧波組成有如下規律：Ø 諧波次數為奇次。Ø 諧波次數越高，諧波幅值越小。Ø 諧波與基波的關系是不固定的。Ø 越大，則諧波越小。電容濾波的單相不可控整流電路的功率因數具有如下結論：Ø 位移因數接近1，輕載超前，重載滯后。Ø 諧波大小受負載和濾波電感的影響。b、三相橋式不可控整流電路常用的電容濾波三相不可控整流電路中通常都帶有濾波電感。其交流側諧波組成有如下規

39、律：Ø 諧波次數為6k±1次，k =1，2，3。Ø 諧波次數越高，諧波幅值越小。Ø 諧波與基波的關系是不固定的。電路的功率因數有如下結論：Ø 位移因數通常是滯后的,但與單相時相比,位移因數更接近1。Ø 隨負載加重（wRC的減小），總的功率因數提高；同時，隨濾波電感加大，總功率因數也提高。(4) 整流輸出電壓和電流的諧波分析整流電路的輸出電壓中主要成分為直流，同時包含各種頻率的諧波，這些諧波對于負載的工作是不利的。a、a =0°時，m脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析圖2-26 a =0°時，m脈波整流電路的

40、整流電壓波形如圖2-26，當a=0°時，m脈波整流電路的整流電壓和電流中的諧波有如下規律：m脈波整流電壓ud0的諧波次數為mk（k=1，2，3.）次，即m的倍數次；整流電流的諧波由整流電壓的諧波決定，也為mk次。當m一定時，隨諧波次數增大，諧波幅值迅速減小，表明最低次（m次）諧波是最主要的，其它次數的諧波相對較少；當負載中有電感時，負載電流諧波幅值dn的減小更為迅速。當m增加時，最低次諧波次數增大，且幅值迅速減小，電壓紋波因數迅速下降。 b、a不為0 °時的情況整流電壓諧波的一般表達式十分復雜，下面只說明諧波電壓與a 角的關系。以n為參變量，n次諧波幅值對a 的關系如圖2-

41、27所示：當a 從0°90°變化時，ud的諧波幅值隨a 增大而增大，a =90°時諧波幅值最大。a 從90°180°之間電路工作于有源逆變工作狀態，ud的諧波幅值隨a增大而減小。圖2-27 三相全控橋電流連續時，以n為參變量的與a 的關系6 大功率可控整流電路（1）帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路在電解電鍍等工業中，常用到低電壓大電流（例如幾十伏，幾千至幾萬安）可調直流電源。圖2-28 為帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路。其變壓器二次側為兩組匝數相同極性相反的繞阻，分別接成兩組三相半波電路。變壓器二次側兩繞組的極性相反可消除圖2-28 帶平

42、衡電抗器的雙反星形可控整流電路圖2-29 雙反星形電路，a=0°時兩組整流電壓、電流波形           鐵芯的直流磁化，設置電感量為Lp的平衡電抗器是為保證兩組三相半波整流電路能同時導電。與三相橋式電路相比，在采用相同晶閘管的條件下，雙反星形電路的輸出電流可大一倍。平衡電抗器的作用：Ø 兩個直流電源并聯時，只有當電壓平均值和瞬時值均相等時，才能使負載均流，Ø 雙反星形電路中，兩組整流電壓平均值相等，但瞬時值不等，Ø 兩個星形的中點n1和n2間的電壓等

43、于ud1和ud2之差。該電壓加在Lp上，產生電流ip，它通過兩組星形自成回路，不流到負載中去，稱為環流或平衡電流，Ø 考慮到ip后，每組三相半波承擔的電流分別為 。為了使兩組電流盡可能平均分配，一般使Lp值足夠大，以便限制環流在負載額定電流的1%2%以內。圖2-30 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  雙反星形電路中如不接平衡電抗器，即成為六相半波整流電路，只能有一個晶閘管導電，其余五管均阻斷，每管最大導通角60o ，平均電流Id/6。當=0時，Ud 為1.35U2，比三相半波時的1.17U2略大些。六相半波整流電路因晶閘管導電時間短，變壓器利用率低，

44、極少采用。    雙反星形電路與六相半波電路的區別就在于有無平衡電抗器，對平衡電抗器作用的理解是掌握雙反星形電路原理的關鍵。由于平衡電抗器的作用使得兩組三相半波整流電路同時導電的，平衡電抗器Lp承擔了n1、n2間的電位差，它補償了ub和ua的電動勢差，使得兩相的晶閘管能同時導電 將圖2-29中ud1和ud2的波形用傅氏級數展開，可得當a =0°時的ud1、ud2，即（2-37）（2-38）圖2-31 平衡電抗器作用下兩個晶閘管同時導電的情況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。圖2-32 當a =30°、60&#

45、176;、90°時，雙反星形電路的輸出電壓波形  需要分析各種控制角時的輸出波形時，可先求出兩組三相半波電路的ud1和ud2波形，然后做出波形( ud1+ud2 ) / 2。圖2-32 為a =30°、60°、90°時，雙反星形電路的輸出電壓波形。    雙反星形電路的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，a = 90°時, 輸出電壓波形正負面積相等，Ud=0，移相范圍是90°  

46、  如果是電阻負載，則ud波形不應出現負值，僅保留波形中正的部分。同樣可以得出，當a =120°時，Ud=0，因而電阻負載要求的移相范圍為120°。 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：Ø 三相橋為兩組三相半波串聯，而雙反星形為并聯，且后者需用平衡電抗器Ø 當U2相等時，雙反星形的Ud是三相橋的1/2，而Id是三相橋的2倍Ø 兩種電路中，晶閘管的導通及觸發脈沖的分配關系一樣，ud和id的波形形狀一樣877 有源逆變 （1）逆變的概念逆變

47、（invertion）把直流電轉變成交流電，整流的逆過程。如電力機車下坡行駛，機車的位能轉變為電能，反送到交流電網中去。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。如直流可逆調速系統、交流繞線轉子異步電動機串級調速以及高壓直流輸電等。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。既工作在整流狀態又工作在逆變狀態，稱為變流電路。圖2-34 單相全波電路的整流和逆變無源逆變變流電路的交流側不與電網聯接，而直接接到負載。圖2-33 直流發電機電動機之間電能的流轉a） 兩電動勢同極性EG >EM b）兩電動勢同極性EM >EG

48、c）兩電動勢反極性，形成短路 a、直流發電機電動機系統電能的流轉圖2-33a M電動，EG>EM，電流Id從G流向M，M吸收電功率；圖2-33b 回饋制動狀態，M作發電運轉，此時，EM>EG，電流反向，從M流向G，故M輸出電功率，G則吸收電功率，M軸上輸入的機械能轉變為電能反送給G；圖2-33c 兩電動勢順向串聯，向電阻R 供電，G和M均輸出功率，由于R 一般都很小，實際上形成短路，在工作中必須嚴防這類事故發生。b、逆變產生的條件用單相全波電路代替上述發電機，如圖2-34a，M電動運行，全波電路工作在整流狀態，a 在0 /2間，Ud為正值，并且Ud >EM，才能輸出

49、Id，交流電網輸出電功率，電動機則輸入電功率。圖2-34b表示在回饋制動時，由于晶閘管的單向導電性，Id方向不變，欲改變電能的輸送方向，只能改變EM極性。為了防止兩電動勢順向串聯，Ud極性也必須反過來，即Ud應為負值，且|EM| > |Ud |，才能把電能從直流側送到交流側，實現逆變。電能的流向與整流時相反，M輸出電功率，電網吸收電功率。Ud可通過改變a 來進行調節，逆變狀態時Ud為負值，逆變時a在 /2 間。由此而可知產生逆變的條件是：Ø 有直流電動勢，其極性和晶閘管導通方向一致，其值大于變流器直流側平均電壓；Ø 晶閘管的控制角a >/2，使Ud為負值。半控橋

50、或有續流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現負值，也不允許直流側出現負極性的電動勢，故不能實現有源逆變。欲實現有源逆變，只能采用全控電路。圖2-35 三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態時的電壓波形（2）三相橋整流電路的有源逆變工作狀態逆變和整流的區別：控制角不同    0<</2時，電路工作在整流狀態   /2< a < 時，電路工作在逆變狀態可沿用整流的辦法來處理逆變時有關波形與參數計算等各項問題，把a > /2時的控制角用表示， 稱為逆變角，而逆變角和控制角a的計量方向相反，其大小自 =0的起始點向左方計量。

51、三相橋式電路工作于有源逆變狀態時的波形如圖2-35所示。有源逆變狀態時各電量的計算：Ud= -2.34U2cos =-1.35U2Lcos （2-39）每個晶閘管導通2 /3，故流過晶閘管的電流有效值為（忽略直流電流id的脈動）IT =0.577Id （2-40）從交流電源送到直流側負載的有功功率為Pd=R Id2+EMId （2-41）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。在三相橋式電路中，變壓器二次側線電流的有效值為I2= IT=0.816 Id （2-42）（3）逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失敗（逆變顛覆）是指逆變時，一旦換相失敗，外接直流電源

52、就會通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯，形成很大短路電流。a、逆變失敗的原因Ø 觸發電路工作不可靠，不能適時、準確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時等，致使晶閘管不能正常換相；Ø 晶閘管發生故障，該斷時不斷，或該通時不通；Ø 交流電源缺相或突然消失；Ø 換相的裕量角不足，引起換相失敗。b、換相重疊角的影響當 > 時，換相結束時，晶閘管能承受反壓而關斷。如果< 時（從圖2-36右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT2）會關斷，而應關斷的晶閘管（VT1）不能關斷，最終導致逆變失敗。c、確定最小逆

53、變角min的依據逆變時允許采用的最小逆變角應等于min=+q （2-43） 晶閘管的關斷時間tq折合的電角度，tq大的可達200300ms，折算到電角度約4°5° 換相重疊角，隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。為對重疊角的范圍有所了解，舉例如下：某裝置整流電壓為220V，整流電流800A， 整流變壓器容量為240kVA，短路電壓比Uk%為5%的三相線路，其的值約15°20°。或參照整流時 的計算方法：（2-44）根據逆變工作時 ，并設=- ，上式可改寫成圖2-36 交流側電抗對逆變換相過程的影響（2-45）q安全裕量角。主要針對脈沖不對稱程度（一般可

54、達5°）。q值約取為10°8  晶閘管直流電動機系統晶閘管直流電動機系統是指晶閘管可控整流裝置帶直流電動機負載組成的系統。是電力拖動系統中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。對該系統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。本節主要從第二個方面進行分析。（1）工作于整流狀態時不考慮電動機的電樞電感時，只有晶閘管導通相的變壓器二次側電壓瞬時值大于反電動勢時才有電流輸出，此時負載電流斷續，對整流電路和電動機的工作都不利，要盡量避免。故在電樞回路串聯一平波電抗器，以保證整流電流在較大范圍內連續，如圖2-37。圖2-37 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電動機穩態時，雖然Ud波形脈動較大，但由于電動機有較大的機械慣量，故其轉速和反電動勢都基本無脈動。此時整流電壓的平均值由電動機的反電動勢及電路中負載平均電流Id所引起的各種電壓降所平衡。整流電壓的交流分量則全部降落在電抗器上。由Id引起的壓降有下列四部分：變壓器的電阻壓降