1、5.1 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 5.2 晶閘管電路及其控制晶閘管電路及其控制 5.3 單相整流器單相整流器 5.4 三相整流器三相整流器 5.5 其它的三相整流器其它的三相整流器小結(jié)小結(jié)首首 頁(yè)頁(yè)下 頁(yè)返回 大功率、高電壓、大電流的可控開(kāi)關(guān)使交流到直大功率、高電壓、大電流的可控開(kāi)關(guān)使交流到直流的可控轉(zhuǎn)換技術(shù)變得簡(jiǎn)單。流的可控轉(zhuǎn)換技術(shù)變得簡(jiǎn)單。 晶閘管整流器主要用于三相大功率之中，希望它晶閘管整流器主要用于三相大功率之中，希望它能夠控制交流電網(wǎng)與直流電路之間的潮流。能夠控制交流電網(wǎng)與直流電路之間的潮流。 基于晶閘管的相位可控整流與逆變的變流器中的基于晶閘管的相位可控整流與逆變的變流器中的晶閘管導(dǎo)通或關(guān)斷取決于

2、工頻交流電壓的波形和晶閘管導(dǎo)通或關(guān)斷取決于工頻交流電壓的波形和控制輸入信號(hào)。控制輸入信號(hào)。 可控整流器的直流電流可控整流器的直流電流id連續(xù)。連續(xù)。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 l換流換流 電流從一個(gè)器件到另一個(gè)器電流從一個(gè)器件到另一個(gè)器件的轉(zhuǎn)換件的轉(zhuǎn)換 單相或三單相或三相交流電相交流電50/60HZid+-UdUdid0電路結(jié)構(gòu)及輸電路結(jié)構(gòu)及輸入電壓限制入電壓限制整流整流逆變逆變器件電流限制器件電流限制下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.2.1 晶閘管的基本電路晶閘管的基本電路 iGudUs+-+ uT -iRw wt0a ap p2p2p0iudus0w wtiGiG|us(t)處于正半波時(shí)處于正半波時(shí),在在

3、w wt=a a之前，線路電流為零。之前，線路電流為零。|w wt=a瞬間，瞬間，給晶閘管施加正極性觸發(fā)脈沖，晶閘管給晶閘管施加正極性觸發(fā)脈沖，晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通，使開(kāi)始導(dǎo)通，使 ud(t)=us(t)。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 |正半波期間內(nèi)，線路電流在正半波期間內(nèi)，線路電流在w wt=p p時(shí)達(dá)到零。時(shí)達(dá)到零。|us(t)的負(fù)半波期間，線路電流一直為零。的負(fù)半波期間，線路電流一直為零。w wt=2p p+a a時(shí)時(shí)刻，重復(fù)上一周波的導(dǎo)通過(guò)程。刻，重復(fù)上一周波的導(dǎo)通過(guò)程。 只要改變只要改變a a，就能控制負(fù)載電壓，就能控制負(fù)載電壓ud的平均值。的平均值。 iGudUs+-+ uT -iRw wt0a

4、ap p2p2p0iudus0w wtiGiGw wt2p2p00p puRA2q q2 2A1q q1 1下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 udus0w wtiGiGiGudUs+-+ uT -iRuR+ uL -)()()(tutudtdiLtuRsL晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，us(t)正半波的其余時(shí)間內(nèi)，正半波的其余時(shí)間內(nèi)，晶閘管所承受的電壓均為正，電感上的電壓為：晶閘管所承受的電壓均為正，電感上的電壓為：電阻上的電壓電阻上的電壓 uR(t)=Ri(t)下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 w wt2p2p00p puRA2q q2 2A1q q1 1udus0w wtiGiGiGudUs+-+ uT -iR

5、uR+ uL -TuR(t)曲線與線路電流成正比曲線與線路電流成正比 T電感電壓電感電壓uL(t)=us(t)-uR(t)T在在a a到到q q1期間，期間，uL(t)為正，電流為：為正，電流為： tLduLtiwaww)(1)( 為積分為積分變量變量下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 w wt2p2p00p pA2q q2 2A1q q1 1uRudus0w wtiGiGT在在w wt=q q1之后，之后，uL(t)變?yōu)樨?fù)值，電流及與變?yōu)樨?fù)值，電流及與uR(t)開(kāi)始下降。開(kāi)始下降。tLduLtiwaww)(1)(T當(dāng)線路電流下降到零后，下式積分關(guān)系無(wú)效。當(dāng)線路電流下降到零后，下式積分關(guān)系無(wú)效。Tw wt=q

6、 q2時(shí)，面積時(shí)，面積A1等于等于A2。TR和和L串聯(lián)負(fù)載條件下串聯(lián)負(fù)載條件下 ，電壓，電壓us(t)變?yōu)樨?fù)值后，線變?yōu)樨?fù)值后，線路電流仍維持繼續(xù)導(dǎo)通路電流仍維持繼續(xù)導(dǎo)通 。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 iGudUs+-+ uT -iLEd+ uL -+-w wt2p2pp p00iA2q q3 3q q2 2A1q q1 1q q4 4udusw wt0uTw wt0iGw wt=q q1之前，晶閘管不導(dǎo)通。之前，晶閘管不導(dǎo)通。w wt=q q1后的后的w wt=q q2時(shí)刻觸發(fā)晶閘管，電感電壓為：時(shí)刻觸發(fā)晶閘管，電感電壓為： dsLEtudtdiLtu)()(下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 w wt2p2pp

7、p00iA2q q3 3q q2 2A1q q1 1q q4 4udw wt0uTw wt0iGtdsdEuLtiwqww2)(1)(線路電流變量線路電流變量wt為：為：q q3時(shí)刻，時(shí)刻，ud(t)=Ed w wt=q q4時(shí)刻，電流下降到零，時(shí)刻，電流下降到零，A1=A2iGudUs+-+ uT -iLEd+ uL -+-下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.2.2 晶閘管的晶閘管的門極觸發(fā)門極觸發(fā) 通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻，即可控制交流電源給負(fù)通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻，即可控制交流電源給負(fù)載提供多少功率。載提供多少功率。比較與邏比較與邏輯輸出輯輸出門極觸門極觸發(fā)信號(hào)發(fā)信號(hào)鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器交流輸

8、交流輸入電源入電源usynuctr+ -ustt簡(jiǎn)單的門極觸發(fā)控制的方塊圖簡(jiǎn)單的門極觸發(fā)控制的方塊圖 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 ttt門極觸門極觸發(fā)信號(hào)發(fā)信號(hào)usyna/wa/wUst.ma/wa/wustuctr交流電壓正向過(guò)零交流電壓正向過(guò)零后的某一后的某一a a角處發(fā)出觸角處發(fā)出觸發(fā)脈沖。發(fā)脈沖。當(dāng)電壓處于負(fù)半波當(dāng)電壓處于負(fù)半波時(shí)，觸發(fā)信號(hào)在交流時(shí)，觸發(fā)信號(hào)在交流電壓負(fù)向過(guò)零后的電壓負(fù)向過(guò)零后的a a角角處產(chǎn)生。處產(chǎn)生。 mstctrooUu.180a控制控制角角 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.2.3 Ls0時(shí)的晶閘管整流器時(shí)的晶閘管整流器Udid+-Ldus-+Ls負(fù)載負(fù)載單相全橋整流器單相全橋整

9、流器接線圖，直流側(cè)電感接線圖，直流側(cè)電感可看成是負(fù)載的一部可看成是負(fù)載的一部分。分。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 UdidnLdubn-+Ls負(fù)載負(fù)載LsLsuanucn三相全三相全橋整流器橋整流器接線圖，接線圖，直流側(cè)電直流側(cè)電感可看成感可看成是負(fù)載的是負(fù)載的一部分。一部分。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.3.1 Ls=0和和id(t)=Id的理想電路的理想電路Udid+-Ldus-+Ls負(fù)載負(fù)載T2usIdisT4T3T1令令Ls=0id(t)=Id 理想電路理想電路 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 T2usIdisT4T3T1T2usIdisT4T3T1usAa aT1,T2T3,T4a a =0下 頁(yè)上 頁(yè)返

10、回 0p p2p pw wtisusud02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisusT1,T2T3,T4l自然導(dǎo)通現(xiàn)象自然導(dǎo)通現(xiàn)象 始終保持晶閘管始終保持晶閘管的門極觸發(fā)電流，的門極觸發(fā)電流，晶閘管在自然換晶閘管在自然換流點(diǎn)導(dǎo)通流點(diǎn)導(dǎo)通 。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回usAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtisusud02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisusT1,T2T3,T4自然導(dǎo)通點(diǎn)自然導(dǎo)通點(diǎn)w wt=0的的時(shí)刻，晶閘管時(shí)刻，晶閘管1和和2自自然導(dǎo)通。然導(dǎo)通。w wt=p p時(shí)，晶閘管

11、時(shí)，晶閘管3和和4自然導(dǎo)通。自然導(dǎo)通。 延遲角或觸發(fā)延遲角或觸發(fā)角或控制角角或控制角 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回w wt=0之前，直流電之前，直流電壓壓ud(t)=-us(t) w wt=0之后，晶閘管之后，晶閘管1和和2的電壓變?yōu)檎碾妷鹤優(yōu)檎鼈儾粚?dǎo)通。它們不導(dǎo)通。 到到w wt=a時(shí)，晶閘管時(shí)，晶閘管1和和2導(dǎo)通，晶閘管導(dǎo)通，晶閘管3和和4自然關(guān)斷。自然關(guān)斷。 usAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtisusud02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisusT1,T2T3,T4下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 當(dāng)當(dāng)a a0時(shí)，時(shí)，Ud

12、由控制角由控制角a控制，其表達(dá)式為：控制，其表達(dá)式為：aapwwpapaacos9 . 0cos22)(sin21sssdUUtdtUU令令Ud0為圖中對(duì)應(yīng)于為圖中對(duì)應(yīng)于a a=0o、Ls=0時(shí)的平均時(shí)的平均直流輸出電壓，即：直流輸出電壓，即：0p p2p pw wtisudsssdUUtdtUU9 . 022)(sin2100pwwpp下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 a a0所帶來(lái)的電壓降為：所帶來(lái)的電壓降為： )cos1 (9 . 00aaasdddUUUUusAa a02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisus電壓降電壓降 Uda a等于圖等于圖中的電壓波形

13、與用弧中的電壓波形與用弧度表示的橫坐標(biāo)之間度表示的橫坐標(biāo)之間的面積除以的面積除以p p。 逆變模式逆變模式下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 整流模式整流模式01.0-1.0090180a a0ddUUF當(dāng)當(dāng)a a90o時(shí)，整流器時(shí)，整流器運(yùn)行在逆變狀態(tài)。運(yùn)行在逆變狀態(tài)。 整流器的平均功率為：整流器的平均功率為：TddTdtiuTdttpTP001)(1直流電流為恒定值時(shí)，直流電流為恒定值時(shí)，id=I，所以有：，所以有： acos9 . 0)(10dsddTddIUUIdttuTIP下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 直流側(cè)電壓直流側(cè)電壓ud根據(jù)下式得到直流側(cè)電壓平均電壓分量根據(jù)下式得到直流側(cè)電壓平均電壓分量

14、Udaaapwwpapaacos9 . 0cos22)(sin21sssdUUtdtUUusAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtisusuda aa aa a 0usudFud中的各次諧波中的各次諧波幅值可以由傅里幅值可以由傅里葉級(jí)數(shù)的分解來(lái)葉級(jí)數(shù)的分解來(lái)計(jì)算。計(jì)算。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 usAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtis02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisusT1,T2T3,T4usud 線電流線電流isw wtusisis1F F1 1 a a1 sI 2下 頁(yè)上 頁(yè)

15、返 回 is為為180o方波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：方波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： )(5sin2)(3sin2)sin(2)(531awawawwtItItItissssh=0 00111( )( )cos()sin()2hhhhhf tFf taah tbh tww201( )cos()d()haf th ttpwwp201( )sin()d()hbf th ttpwwp各項(xiàng)電流有效值可借助下式計(jì)算：各項(xiàng)電流有效值可借助下式計(jì)算： 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 w wtusisis1F F1 1 a a1 sI 2圖中基波電流分量圖中基波電流分量is1的的有效值為：有效值為：ddsIII9 . 0221p各次諧波電流

16、有效值為：各次諧波電流有效值為：hIIssh1諧波次數(shù)諧波次數(shù)SS1Q1P090180a a17 19 21 231.01/31/51/71/91/111/131/15 1/171/191/211/231sshII下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 交流有效值等于對(duì)應(yīng)的直流電流交流有效值等于對(duì)應(yīng)的直流電流: Is =Id 根據(jù)上式和根據(jù)上式和 得總諧波畸變率為：得總諧波畸變率為： ddsIII9 . 0221p%43.48%100%1212sssIIITHDSS1Q1P090180a a17 19 21 231.01/31/51/71/91/111/131/

17、15 1/171/191/211/231sshII下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 功率、功率因數(shù)、無(wú)功功率和視在功率功率、功率因數(shù)、無(wú)功功率和視在功率w wtusisis1F F1 1 a a1 sI 2T2usIdisT4T3T1位移功率因數(shù)為：位移功率因數(shù)為：DPF=cosF F1=cosa a 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 ddsIII9 . 0221p Is =IdDPF=cosF F1=cosa a 由式由式 得得180o方波電流的功率因數(shù)為：方波電流的功率因數(shù)為： acos9 . 01DPFIIPFss交流側(cè)送到整流器的功率為：交流側(cè)送到整流器的功率為： P=Us Is1 cosF F1

18、 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 ddsIII9 . 0221p將將和和 DPF=cosF F1=cosa a 代入到代入到 P=Us Is1 cosF F1得：得： P=0.9Us Id cosa a 基波分量消耗的無(wú)功功率為：基波分量消耗的無(wú)功功率為： Q1 =Us Is1 sinF F1 =0.9Us Id sina a 基波電流所產(chǎn)生的視在功率為：基波電流所產(chǎn)生的視在功率為： 21211QPIUSssSS1Q1P090180a a下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.3.2 Ls的影響的影響Udis+-Idus-+Ls+ uLs -T4T2T1T3!給定控制角給定控制角a a，交流側(cè)，交流側(cè)電流在晶閘管換流時(shí)會(huì)

19、電流在晶閘管換流時(shí)會(huì)存在換流時(shí)間存在換流時(shí)間g g 。 a aArg gArw wtusisis121w wtusud 對(duì)直流輸出電壓的影響對(duì)直流輸出電壓的影響 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 Udis+-Idus-+Ls+ uLs -T4T2T1T3F直 流 輸 出 電 壓直 流 輸 出 電 壓ud(t)=0，電感電壓，電感電壓uLs(t)=us(t)，即，即:dtdiLtutussLss)()(對(duì)上式兩邊同乘以對(duì)上式兩邊同乘以d(w wt)，并在整個(gè)換流期間進(jìn)行，并在整個(gè)換流期間進(jìn)行積分，由此可得：積分，由此可得：dsIIsssILdiLtdtUddwwwwgaa2)()(sin2下 頁(yè)

20、上 頁(yè)返 回 gaagww)(sin2tdtUAs對(duì)對(duì) 進(jìn)行積分進(jìn)行積分dsIIsssILdiLtdtUddwwwwgaa2)()(sin2將結(jié)果代入下式：將結(jié)果代入下式：a aArg gArw wtusisis121w wtusud下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 dssILUAwgaag2)cos(cos2sdsUIL22cos)cos(wagadssIUL221coswg相等相等a a=0時(shí)時(shí)二極管二極管整流器整流器下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 a aArg gArw wtusisis121w wtusudLs的引入產(chǎn)生一個(gè)的引入產(chǎn)生一個(gè)附加的平均電壓降附加的平均電壓降 Udg g，它與面積，它與面積Ag g成

21、正比：成正比：pwpggdsdILAU2usAa a02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisus下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 當(dāng)存在線路電感當(dāng)存在線路電感Ls時(shí)，根據(jù)時(shí)，根據(jù) aapwwpapaacos9 . 0cos22)(sin21sssdUUtdtUUpwpggdsdILAU2導(dǎo)出單相橋式晶閘管整流電路的輸出電壓為：導(dǎo)出單相橋式晶閘管整流電路的輸出電壓為： dssdILUUwpa2cos9 . 0下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 例例w wtusisis1F F1 1 a a1 sI 2 已知圖中，交流電的額定電壓為已知圖中，交流電的額定電壓為230V，工作，工作頻率為

22、頻率為50Hz，線路電感，線路電感Ls上的壓降為額定電壓的上的壓降為額定電壓的5%，線路的傳輸容量，線路的傳輸容量S=5kVA、控制角、控制角a a=30o、有、有功消耗為功消耗為3kW。試計(jì)算在額定輸入電壓下的換流。試計(jì)算在額定輸入電壓下的換流重疊角重疊角g g和和Ud各為多少？各為多少？解解 根據(jù)已知條件，根據(jù)已知條件，求得線路電流的額定求得線路電流的額定值為：值為： AUSIss74.212305000下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 系統(tǒng)等效阻抗的模數(shù)為：系統(tǒng)等效阻抗的模數(shù)為：Zb=Us /Is=10.58W W線路的等效電感為：線路的等效電感為：Ls=0.05Zb /w w=1.684mH 根據(jù)式

23、根據(jù)式 dssdILUUwpa2cos9 . 0整流器吸收的有功功率為：整流器吸收的有功功率為：kWILIUIUPdsdsdd32cos9 . 02wpa將已知條件代入上式中得：將已知條件代入上式中得：032.10714236.6402ddIIId=17.196A下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 將將Id=17.196A分別代入分別代入sdsUIL22cos)cos(wagadssdILUUwpa2cos9 . 0解得：解得： g g = 5.9o Ud = 173.47V 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 線路電流線路電流isa aArg gArw wtusisis121w wtusud)2/cos(g

24、aDPFis的基波電流分量從的基波電流分量從下式得到：下式得到：ddssIUDPFIU1根據(jù)以上兩式及根據(jù)以上兩式及dssdILUUwpa2cos9 . 0可得：可得： )2/cos()/2(cos9 . 021gawpasdsdssUILIUI下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.3.3 Ls0的晶閘管整流計(jì)算的晶閘管整流計(jì)算Udid+-Ldus-+Ls負(fù)載負(fù)載udis+-Edus-+LsLd+ +- -rdid 電流連續(xù)電流連續(xù) 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 0w wtEda ag gidusud如果電流如果電流id是連續(xù)是連續(xù)的，則直流電壓的，則直流電壓ud的平均值為：的平均值為： min.2co

25、s9 . 0dssdILUUwpaId.min：id的最小值，大約位于的最小值，大約位于w wt=a a的位置。的位置。電路的基爾霍夫電壓方程為：電路的基爾霍夫電壓方程為： ddddddEdttdiLtirtu)()()(下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 直流電壓的平均值為：直流電壓的平均值為：dTiiddTddTddEdiTLdttiTrdttuTUdd)()0(00)()(1在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下 ddddEIrU 根據(jù)式根據(jù)式 ，通過(guò)控制角，通過(guò)控制角a a來(lái)控制整流器輸出的平均直流電壓來(lái)控制整流器輸出的平均直流電壓Ud，以及由此產(chǎn)，以及由此產(chǎn)生的生的Id，進(jìn)而達(dá)到控制負(fù)載功率的目的。，進(jìn)而

26、達(dá)到控制負(fù)載功率的目的。 min.2cos9 . 0dssdILUUwpa下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 例例 設(shè)圖中的單相晶閘管整流器由設(shè)圖中的單相晶閘管整流器由240V、50Hz的的交流電作為電源。已知交流電作為電源。已知Ls=1.4mH，控制角，控制角a a=45o，Ld=9mH，Ed=145V，rd=0。試采用。試采用PSpice仿真軟仿真軟件繪出件繪出ud(t)和和is(t)的波形，并計(jì)算的波形，并計(jì)算Is1、Is、DPF、PF和和THD的值各為多少？的值各為多少？ udis+-Edus-+LsLdrdid+-解解 用用SCR子電路描述晶子電路描述晶閘管，由電壓控制的開(kāi)關(guān)閘管，由電壓控制的開(kāi)關(guān)模

27、擬晶閘管，用模擬晶閘管，用0V的電壓的電壓源監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)的電流。源監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)的電流。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 當(dāng)門極有脈沖或有門極電流時(shí)，晶閘管處于導(dǎo)通當(dāng)門極有脈沖或有門極電流時(shí)，晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)。關(guān)于程序的詳細(xì)情況，在調(diào)用這個(gè)子程序狀態(tài)。關(guān)于程序的詳細(xì)情況，在調(diào)用這個(gè)子程序之前，先要設(shè)置門極脈沖的延時(shí)以及門極電壓。之前，先要設(shè)置門極脈沖的延時(shí)以及門極電壓。w wt0usis1isa a =45F F1 =54.84Is1=59.68AIs=60.1ADPF=0.576PF=0.572THD=12.3%下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 電流的斷續(xù)電流的斷續(xù) w wt0usudida aEd電流斷電流斷

28、續(xù)區(qū)間續(xù)區(qū)間FEd=180V時(shí)的有關(guān)時(shí)的有關(guān)波形，波形，Ed的值越大，的值越大，直流電流直流電流Id的平均值的平均值越小。越小。 udis+-Edus-+LsLdrdid+-Ls=1.4mH，a a=45o，Ld=9mH，Ed=145V，rd=0 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 |當(dāng)當(dāng)a a為某一固定為某一固定值時(shí)，若值時(shí)，若Id逐漸減逐漸減小，直至達(dá)到某小，直至達(dá)到某一臨界電流值時(shí)，一臨界電流值時(shí)，電壓電壓Ud快速上升。快速上升。050Id /A10 20 30 40 50 60 70 80Ud /V100150200250300350a a =0a a =30a a =45a a =60o|為了維持為

29、了維持Ud的穩(wěn)定，輕載時(shí)，的穩(wěn)定，輕載時(shí)，Id較小時(shí)，必須增加較小時(shí)，必須增加控制角控制角a a。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.3.4 單相橋式整流器的逆變運(yùn)行單相橋式整流器的逆變運(yùn)行單相或三單相或三相交流電相交流電50/60HZid+-UdUdid0電路結(jié)構(gòu)及電路結(jié)構(gòu)及輸入電壓限輸入電壓限制制整流整流逆變逆變器件電流限制器件電流限制晶閘管整流器在逆變模式下運(yùn)行時(shí)要求直流電壓晶閘管整流器在逆變模式下運(yùn)行時(shí)要求直流電壓Ud的的值為負(fù)值，因此，功率只能由直流側(cè)向交流側(cè)流動(dòng)。值為負(fù)值，因此，功率只能由直流側(cè)向交流側(cè)流動(dòng)。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 udis+-Idus-+LsT4T2T1T3usudT1,T2

30、T3,T4isa a1,2iG1,2iG3,4w wtw wta a3,4w wt|當(dāng) 控 制 角當(dāng) 控 制 角a a位 于位 于90oa a90o，Pac=UdIs1cosF F1也為也為負(fù)值。負(fù)值。udis+-Idus-+LsT4T2T1T3usudT1,T2T3,T4isa a1,2iG1,2iG3,4w wtw wta a3,4w wt下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 整流器的逆變模式首先要求直流側(cè)必須有一整流器的逆變模式首先要求直流側(cè)必須有一個(gè)電源來(lái)維持逆變模式的運(yùn)行。個(gè)電源來(lái)維持逆變模式的運(yùn)行。 整流器在逆變模式下，功率流向交流側(cè)。整流器在逆變模式下，功率流向交流側(cè)。 其次，整流器的交流側(cè)必須有

31、一個(gè)交流電源，其次，整流器的交流側(cè)必須有一個(gè)交流電源，它要能夠完成線路電流從一對(duì)晶閘管轉(zhuǎn)移到另一它要能夠完成線路電流從一對(duì)晶閘管轉(zhuǎn)移到另一對(duì)晶閘管的換流。對(duì)晶閘管的換流。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 udis-uT3+Edus-+LsLdT2idT4T3T10Ed=Ed1UdId=Id1Ida a3a a2a a1如果如果Ld的值足夠大，可的值足夠大，可將將id看成是恒定直流。看成是恒定直流。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 由于由于Ld上電壓降的平均值為零，此時(shí)整流器的直流上電壓降的平均值為零，此時(shí)整流器的直流輸出電壓為：輸出電壓為： dsdddILUUEwpa2cos00Ed=Ed1UdId=Id1Ida a3

32、a a2a a1如果電流如果電流Id發(fā)生變發(fā)生變化，則上式中的化，則上式中的Id要在要在w wt=a a時(shí)用瞬時(shí)時(shí)用瞬時(shí)值值id表示。表示。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 uT3isusw wta a3,4g gs s0iG3,400w wtw wtiG3,4F在逆變模式運(yùn)行在逆變模式運(yùn)行下，整流器中任一下，整流器中任一晶閘管上的電壓波晶閘管上的電壓波形形 。封鎖角：封鎖角：s s =180o(a a+g g) 在封鎖角在封鎖角s s對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)，晶閘管上的電壓為負(fù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)，晶閘管上的電壓為負(fù)值，超過(guò)這個(gè)角度之后，電壓又變?yōu)檎怠Ｖ担^(guò)這個(gè)角度之后，電壓又變?yōu)檎怠Ｏ?頁(yè)上 頁(yè)返 回 udis-

33、uT3+Edus-+LsLdT2idT4T3T1F要在圖中實(shí)現(xiàn)逆要在圖中實(shí)現(xiàn)逆變運(yùn)行，就要使控變運(yùn)行，就要使控制角制角a a足夠大。足夠大。 iG3,4w wt000Edudidusw wtw wtiG1,2逐漸減小逐漸減小a a，可得，可得到期望的到期望的Id或或Pd。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.3.5 交流電壓的波形交流電壓的波形晶閘管整流器會(huì)對(duì)運(yùn)行線路產(chǎn)生干擾。對(duì)線路電壓晶閘管整流器會(huì)對(duì)運(yùn)行線路產(chǎn)生干擾。對(duì)線路電壓而言，它會(huì)產(chǎn)生電壓跌落和電壓畸變。而言，它會(huì)產(chǎn)生電壓跌落和電壓畸變。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.4.1 理想的三相整流器理想的三相整流器udn-+iaT5IdPNicibT3T1T2T

34、4T6Idun-+iaT5PicibT3T1T2T4T6Nabc下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 Idun-+iaT5PicibT3T1T2T4T6NabcF如果對(duì)三相整流如果對(duì)三相整流器中所有的晶閘管器中所有的晶閘管都施加連續(xù)的觸發(fā)都施加連續(xù)的觸發(fā)脈沖，則該整流電脈沖，則該整流電路相當(dāng)于二極管整路相當(dāng)于二極管整流器。流器。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 理想條件下理想條件下(a a=0、Ls=0)，各相電壓和，各相電壓和a a相電流的波相電流的波形如圖所示。形如圖所示。 w wt0iduanubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=0平均直流電壓為：平均直流電壓為： LLLLdUUU35.1230puc

35、bAa a Aa aw wt0iduanubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=00w wtw wt=0a auanubnucnuPnuNnw wt0iaw wt0uabubcuduanubnucnudaa audaF在在w wt=a a之前，之前，T5一直保 持一直保 持導(dǎo) 通 ， 因?qū)?通 ， 因Ls= 0 ， 在， 在w wt=a a時(shí)刻，時(shí)刻，電 流 瞬 間 轉(zhuǎn)電 流 瞬 間 轉(zhuǎn)換到換到T1。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 Aa aAa aw wt0iduanubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=00w wtw wt=0a auanubnucnuPnuNnw w

36、t0iaw wt0uabucbubcuduanubnucnudaa auda所有晶閘管的所有晶閘管的控制角取相同的控制角取相同的控制角控制角a a，晶閘，晶閘管可順序觸發(fā)導(dǎo)管可順序觸發(fā)導(dǎo)通。通。輸出電壓為：輸出電壓為：3/0paaAUUdd下 頁(yè)上 頁(yè)返 回下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 定義線電壓起始時(shí)刻定義線電壓起始時(shí)刻 根據(jù)根據(jù)tUtuLLacwwsin2)(則有：則有：)cos1 (2)(sin20awwaaLLLLUttdUA將上式帶入到式將上式帶入到式 中，同時(shí)考慮中，同時(shí)考慮式式 的關(guān)系，最后可得：的關(guān)系，最后可得：3/0paaAUUddLLLLdUUU35. 1230paaapacosco

37、s35. 1cos230dLLLLdUUUU下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 w wt0uda aw wtw wtw wtw wtw wtw wt000000ududududududa aa aa aa aa a 00a a 6060a a 3030a a 9090a a 120120a a 150150a a 180180F在不同控制角在不同控制角a a下的直流電壓波形下的直流電壓波形如圖所示，對(duì)應(yīng)的如圖所示，對(duì)應(yīng)的平均功率為：平均功率為： acos35. 1dLLddIUIUP下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 直流側(cè)電壓直流側(cè)電壓 w wt0uda aw wtw wtw wtw wtw wtw wt0

38、00000ududududududa aa aa aa aa a 00a a 6060a a 3030a a 9090a a 120120a a 150150a a 180180F圖圖中平均直流電壓中平均直流電壓為：為：Uda=1.35ULLcosaFud中的交流紋波頻中的交流紋波頻率是交流電源頻率的率是交流電源頻率的六倍，各次諧波分量六倍，各次諧波分量可通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)的可通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)的分析得到。分析得到。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 輸入線電流輸入線電流 w wt0iaucna aubnuania1w wt=0F F1 a aw wt0iduanubnucnuPn351uNn246

39、iaUd0w wt=0F三相交流輸入的三相交流輸入的線電流有線電流有ia、ib和和ic，它們都是幅值為它們都是幅值為Id的矩形波。的矩形波。F上圖中的上圖中的a a相電相電流流ia的波形與下圖的波形與下圖中的波形相比偏移中的波形相比偏移了了a a角度。角度。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 若將若將uan(t)的正向過(guò)零點(diǎn)定義為時(shí)間坐標(biāo)的原點(diǎn)，則的正向過(guò)零點(diǎn)定義為時(shí)間坐標(biāo)的原點(diǎn)，則將將a相電流波形用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)后可得：相電流波形用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)后可得：)(19sin2)(17sin2)(13sin2)(11sin2)(7sin2)(5sin2)sin(2)(19171311751awawawawawaw

40、awwtItItItItItItItisssssssa諧波次數(shù)為：諧波次數(shù)為： h=6n1 (n=1,2) 基波電流的有效值為：基波電流的有效值為： Is1=0.78Id諧波分量的有效值與諧波次數(shù)成反比，即諧波分量的有效值與諧波次數(shù)成反比，即 Ish=Is1 /h (h=6n1) 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 51h015 71113171923 25s1shII11113171171231251191w wt0iaucna aubnuania1w wt=0F F1 a a相電流的有效值為：相電流的有效值為：ddsIII816. 032因因Ls=0、id(t)=Id，由上，由上式和式和Ish=Is1 /

41、h可得：可得： 955. 0=3=1pssIIis的電流總諧波畸變率為：的電流總諧波畸變率為： THD%=31.08% 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 有功、無(wú)功和功率因數(shù)有功、無(wú)功和功率因數(shù) 如如Ls=0、F F1=a，則，則DPF=cosF F1=cosa a w wt0iaucna aubnuania1w wt=0F F1 a a下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 DPF=cosj j11ssIPFDPFI根據(jù)根據(jù)DPF=cosF F1=cosa a955. 0=3=1pssIITHD%=31.08%對(duì)位移功率因數(shù)和對(duì)位移功率因數(shù)和功率因數(shù)的定義功率因數(shù)的定義apcos3=PF可得：可得：下 頁(yè)上

42、頁(yè)返 回 w wt00000a a =60Uanj 0j 0Ia1Uania1iaa aa aa aa aa a0UanUanUanUanUaniaIdIdIdIdiaiaiaIdIdiaw wtw wtw wtw wtw wta a =0a a =120a a =90a a =30a a =150Uanj 30j 30Ia1Uanj 60j 60Ia1Uanj 0j 0Ia1Uanj 0j 0Ia1Uanj 0j 0Ia1線電流隨控制角線電流隨控制角a a的變化的變化下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.4.2 Ls的影響的影響 udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6Id&三相晶

43、閘管整流電三相晶閘管整流電路中線路電感的最路中線路電感的最小感抗值為電源等小感抗值為電源等效基波電抗的效基波電抗的5%，即即: 1305. 0sLLsIUL w下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 NnPbLsLsLsacT5T1icT6udIdibiaid8在在w wt=a a之前，電流之前，電流在晶閘管在晶閘管T5和晶閘管和晶閘管T6中導(dǎo)通，中導(dǎo)通，8在在w wt=a a時(shí)，電流開(kāi)時(shí)，電流開(kāi)始從晶閘管始從晶閘管T5向晶閘向晶閘管管T1換流。換流。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 8在晶閘管在晶閘管T1的自的自然換流點(diǎn)之后，然換流點(diǎn)之后，uan比比ucn越來(lái)越大。越來(lái)越大。8在換流間隔在換流間隔g g時(shí)時(shí)間內(nèi)，由于晶閘間

44、內(nèi)，由于晶閘管管T1和和T5同時(shí)導(dǎo)同時(shí)導(dǎo)通，使通，使a、c兩相兩相通過(guò)各相的通過(guò)各相的Ls發(fā)生短路。發(fā)生短路。 Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 8在換流期間，在換流期間，a a相相電流電流ia由零逐漸向由零逐漸向Id增加，增加，c相電流相電流ic由由Id逐漸減小到零。逐漸減小到零。8換流結(jié)束時(shí)，換流結(jié)束時(shí)，ia=Id，ic=0，晶閘，晶閘管管T5中的電流完全中的電流完全由晶閘管由晶閘管T1取代。取代。Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a a

45、w wt=0w wtic=i50Ag g下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 w wt0ucna aia1uanucnia21gaFg gF 電流電流ia的完的完整波形整波形 換流期間換流期間a aw wta a+g g 內(nèi)有：內(nèi)有： LsanpnuuudtdiLuasLsId35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 )( tduALswgaag假定電流假定電流ia在在a aw wta a+g g期間由零逐漸增加到期間由零逐漸增加到Id，根據(jù)，根據(jù)上式和上式和 的關(guān)系可得：的關(guān)系可得： dtdiLuasLs換流使直

46、流輸出電換流使直流輸出電壓降低的電壓壓降低的電壓-弧弧度面積為：度面積為： dsIasILdiLAdwwg0Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 上式的面積除以上式的面積除以p p/3即為減少的平均直流電壓。即為減少的平均直流電壓。 dsIasILdiLAdwwg0aaapacoscos35. 1cos230dLLLLdUUUU中減去這個(gè)減少的平均直流電壓后可得到考慮中減去這個(gè)減少的平均直流電壓后可得到考慮Ls后的后的直流側(cè)平均輸出電壓為：直流側(cè)平均輸出電壓為：從從dsLLdILUUpwa

47、p3cos23下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 換流期間內(nèi)換流期間內(nèi)a、c兩相短路，因此有：兩相短路，因此有： dtdiLuuasanPn同理同理dtdiLuucscnPn將上兩式相加后即得：將上兩式相加后即得：)(22dtdidtdiLuuucascnanpn下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 設(shè)在換流期間設(shè)在換流期間ia+ic=Id為恒定值，因此，一個(gè)電流的為恒定值，因此，一個(gè)電流的增加量與另一個(gè)電流的減少量一定相等，即：增加量與另一個(gè)電流的減少量一定相等，即：dtdidtdica=式式 可簡(jiǎn)化為：可簡(jiǎn)化為：)(22dtdidtdiLuuucascnanpn2cnanpnuuu下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 F uPn在換流期間在

48、換流期間的波形如圖所示的波形如圖所示dtdiLuuasanPndtdiLuuasanPn和和2cnanpnuuu得：得： 222accnanasuuudtdiL合并合并Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 假設(shè)假設(shè)tUuLLacwsin2可得：可得：sLLaLtUtddiwww2sin2)(Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 在換流期間在換流期間a aw wta a+g g時(shí)間段內(nèi)進(jìn)

49、行積分，并認(rèn)為電時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行積分，并認(rèn)為電流流ia在該時(shí)間段內(nèi)從零增大到在該時(shí)間段內(nèi)從零增大到Id，因此：，因此：sLLaLtUtddiwww2sin2)(對(duì)式對(duì)式gaawww)(sin220ttdLUdisLLIad整理后得：整理后得： dLLsIUL22cos)cos(waga下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 線電流線電流isw wt0ucna aia1uanucnia21gaFg gF圖中的圖中的ia波形大致波形大致為梯形波，在這種為梯形波，在這種近似條件下有：近似條件下有：)2/cos(gaDPF位移功率因數(shù)為：位移功率因數(shù)為： )cos(cos21gaaDPF下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 g

50、 gh=5161820a0a05 5151530 -900 010102020(%)15II101214g gh=7a0a05 5151530-9010102020(%)17II0 0G 存在存在Ls時(shí)的諧波電流標(biāo)幺值時(shí)的諧波電流標(biāo)幺值下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 456789g gh=11a0a05 5151510102020(%)111II0 030 -9056732h=13(%)113II30 -904g g10100 0a0a05 515152020G 存在存在Ls時(shí)的諧波電流標(biāo)幺值時(shí)的諧波電流標(biāo)幺值下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 典型諧波限值和理想條件的諧波限值典型諧波限值和理想條件的諧波限值典型值典型值

51、 理想條件值理想條件值 h Ih/I1 Ih/I1 5 0.17 197 17 2311 130.03 0.020.10 0.040.040.010.010.01250.050.060.070.04下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.4.3 實(shí)際的三相橋式整流電路實(shí)際的三相橋式整流電路 UdidnLdubn-+Ls負(fù)載負(fù)載LsLsuanucn+ +- -udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6LdEdrdid下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 例例+ +- -udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6LdEdrdid 如圖所示，已知三如圖所示，已知三相橋式晶閘管整流電

52、路的相橋式晶閘管整流電路的輸入線電壓輸入線電壓ULL=480V，頻率頻率50Hz，電源內(nèi)電感，電源內(nèi)電感Ls1=0.2mH，交流側(cè)的線，交流側(cè)的線路電感路電感Ls2=1.0mH。負(fù)載。負(fù)載參數(shù)為：參數(shù)為：Ld=5mH，rd=0，Ed=600V，此外，控制角，此外，控制角a a=20o。 試?yán)迷嚴(yán)肞Spice進(jìn)行仿真分析，畫(huà)出進(jìn)行仿真分析，畫(huà)出us，is和和ud的波形，的波形，并計(jì)算出并計(jì)算出Is1，Is，DPF，PF和和THD。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 解解 仿真得到的波形如圖所示，其他的結(jié)果分別為：仿真得到的波形如圖所示，其他的結(jié)果分別為：Is1=22.0A，Is =22.94A，DPF=0

53、.928，PF=0.89和和THD=29.24%。 w wt0udEduaiau/i下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 + +- -udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6LdEdrdid當(dāng)控制角當(dāng)控制角a一定時(shí)，一定時(shí)，只要圖中所示電路的只要圖中所示電路的直流平均電流減小到直流平均電流減小到一定程度，則電流就一定程度，則電流就會(huì)變得不連續(xù)。會(huì)變得不連續(xù)。隨著隨著Ed的增加，的增加，Id將不將不斷減小。為了穩(wěn)定斷減小。為了穩(wěn)定Ud，在在Id較小時(shí)，須增大控較小時(shí)，須增大控制角制角a a。0udEdidu/iw wt下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.4.4 三相橋式整流電路的逆變運(yùn)行三相橋式整流電路的逆變

54、運(yùn)行 udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6IdF假定整流電路直流假定整流電路直流側(cè)電流源具有恒定側(cè)電流源具有恒定的幅值的幅值Id。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 w wt0ucna aia1uanubnidg gUdudiaw wts s352164F F1 1F控制角控制角90oa a180o時(shí)的電壓、時(shí)的電壓、電流波形。電流波形。 根據(jù)下式可知，當(dāng)根據(jù)下式可知，當(dāng)90oa a180o時(shí)，時(shí)，Ud的平均值為負(fù)的平均值為負(fù)值。值。 dsLLdILUUpwap3cos23下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6Ed+-Ld+ uL -功率方向功率方向

55、id整整流流0Uda a1a a0a a2A A3=90a a4a a5Id逆逆變變f在恒定直流電壓下晶閘管整流器的逆變運(yùn)行在恒定直流電壓下晶閘管整流器的逆變運(yùn)行 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 w wt0ucna auanubnidg gupns s3521644uT5ucaw wt0a ap pLLU2F圖中晶閘管的封圖中晶閘管的封鎖角度鎖角度s s =180o-a a-g g大于晶閘管的關(guān)大于晶閘管的關(guān)斷角度斷角度w wtq。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 5.4.5 交流側(cè)電壓波形交流側(cè)電壓波形 udNnPb-+Ls1Ls1Ls1acT5T3T1T2T4T6idCsLs2Ls2Ls2id連連續(xù)續(xù)CsCsca

56、b線路上的線路上的其它設(shè)備其它設(shè)備吸收吸收電路電路F三相橋式整流電路三相橋式整流電路 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 0uanubnucnw wt0a ag gAn=2w wLsIduabw wtw wt =0LLU2asin2LLnUU An/2=2w wLsId 在每個(gè)換流在每個(gè)換流期間，三相電期間，三相電壓中就有兩相壓中就有兩相電壓都會(huì)經(jīng)過(guò)電壓都會(huì)經(jīng)過(guò)自身線路的自身線路的Ls發(fā)生斷路。發(fā)生斷路。 線電壓的電壓跌落線電壓的電壓跌落 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g 每次電壓跌

57、每次電壓跌落所形成的面落所形成的面積應(yīng)該是圖中積應(yīng)該是圖中面積面積Ag g的兩倍的兩倍 。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 根據(jù)式根據(jù)式 得知，電壓跌落得知，電壓跌落對(duì)應(yīng)的面積對(duì)應(yīng)的面積An為：為： dsIasILdiLAdwwg0An=2w wLsId (伏特伏特弧度弧度) 根據(jù)下式計(jì)算電壓跌落的寬度根據(jù)下式計(jì)算電壓跌落的寬度g g ： dLLsIUL22cos)cos(waga如果如果g g較小，可近似將跌落深度較小，可近似將跌落深度H寫(xiě)為：寫(xiě)為：asin2LLUH 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 由式由式 An=2w wLsId 和和 直接求的電壓直接求的電壓跌落的寬度跌落的寬度w w： asin2LLUH awsin22LLdsUILW跌落深度跌落面積(弧度弧度) 當(dāng)當(dāng)g g不是太小時(shí)，可