第3章 整流电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,/,131,第,3,章 整流电路,3.1,单相可控整流电路,3.2,三相可控整流电路,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,3.5,整流电路的谐波和功率因数,3.7,整流电路的有源逆变工作状态,3.8,整流电路相位控制的实现,本章小结,引言,整流电路（,Rectifier,）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。,整流电路的分类,按组成的器件可分为,不可控,、,半控,、,全控,三种。,按电路结构可分为,桥式,电路和,零式,电路。,按交流输入相数分为,单相,电路和,多相,电路,。,按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为,单拍,电路和,双拍,电路。,3.1,单相可控整流电路,3.1.1,单相半波可控整流电路,3.1.2,单相桥式全控整流电路,3.1.3,单相全波可控整流电路,3.1.4,单相桥式半控整流电路,3.1.1,单相半波可控整流电路,w,w,w,w,t,T,VT,R,0,a),u,1,u,2,u,VT,u,d,i,d,w,t,1,p,2,p,t,t,t,u,2,u,g,u,d,u,VT,a,q,0,b),c),d),e),0,0,图,3-1,单相半波可控整流电路及波形,一、带电阻负载的工作情况,变压器,T,起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用,u,1,和,u,2,表示，有效值分别用,U,1,和,U,2,表示，其中,U,2,的大小根据需要的直流输出电压,u,d,的平均值,U,d,确定。,电阻负载的特点是,电压与电流成正比，两者波形相同,。,在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为,理想器件,，即晶闸管导通时其管压降等于零。,5,/,131,在电源电压正半周，晶闸管承受正向电压，在,t=,处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上的电压等于变压器输出电压,u,2,。在,t,=,时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。,在电源电压负半周，,u,AK,0,，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有输出电压，直到电源电压,u,2,的下一周期，直流输出电压,u,d,和负载电流,i,d,的波形相位相同。,通过改变触发角,的大小，直流输出电压,u,d,的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化,，显然,=180,时，,U,d,=,0,。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压,u,d,为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称,“,半波,”,整流。,3.1.1,单相半波可控整流电路,w,w,w,w,t,T,VT,R,0,a),u,1,u,2,u,VT,u,d,i,d,w,t,1,p,2,p,t,t,t,u,2,u,g,u,d,u,VT,a,q,0,b),c),d),e),0,0,图,3-1,单相半波可控整流电路,（电阻性负载）及波形,6,/,131,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,表示,也称触发角或控制角。,导通角,：,晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角，用,表示。,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,，简称,相控方式,。,在单相半波可控整流电阻性负载电路中,移相角,的控制范围为,:,0,，,对应的导通角,的可变范围是,0,，,两者关系为,=,。,3.1.1,单相半波可控整流电路,7,/,131,基本数量关系,(1),直流输出电压平均值,U,d,与输出电流平均值,I,d,3.1.1,单相半波可控整流电路,输出电流平均值,I,d,:,直流输出电压平均值,U,d,:,8,/,131,(2),输出电压有效值,U,与输出电流有效值,I,3.1.1,单相半波可控整流电路,输出电流有效值,I,:,直流输出电压有效值,U,:,9,/,131,3.1.1,单相半波可控整流电路,(3),晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值,单相半波可控整流电路中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：,(4),晶闸管承受的最大正反向电压,U,TM,晶闸管承受的最大正反向电压,U,TM,是相电压峰值。,3.1.1,单相半波可控整流电路,u,w,t,t,w,w,t,w,t,w,2,0,w,t,1,p,2,p,t,u,g,0,u,d,0,i,d,0,u,VT,0,q,a,b),c),d),e),f),+,+,图,3-2,带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形,二、带阻感负载的工作情况,阻感负载的特点：,电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。,电路分析,晶闸管,VT,处于断态,i,d,=0,u,d,=0,u,VT,=,u,2,。,在,t,1,时刻，即触发角,处,u,d,=,u,2,。,L,的存在使,i,d,不能突变,，,i,d,从,0,开始增加。,u,2,由正变负的过零点处，,i,d,已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此,VT,仍处于通态,。,t,2,时刻，电感能量释放完毕，,i,d,降至零，,VT,关断并立即承受反压,。,由于电感的存在延迟了,VT,的关断时刻，使,u,d,波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值,U,d,下降。,3.1.1,单相半波可控整流电路,三、有续流二极管的电路,电路分析,u,2,正半周时，与没有续流二极管时的情况是一样的。,当,u,2,过零变负时，,V,DR,导通，,u,d,为零，此时为负的,u,2,通过,VD,R,向,VT,施加反压使其关断，,L,储存的能量保证了电流,i,d,在,L-R-VD,R,回路,中流通，此过程通常称为,续流,。,若,L,足够大，,i,d,连续,，且,i,d,波形接近一条水平线。,u,2,u,d,i,d,u,VT,i,VT,I,d,I,d,w,t,1,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,O,O,O,O,O,O,p,-,a,p,+,a,b),c),d),e),f),g),i,VD,R,a),图,3-4,单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,基本数量关系,流过晶闸管的电流平均值,I,dT,和有效值,I,T,分别为：,续流二极管的电流平均值,I,dDR,和有效值,I,DR,分别为,移相范围为,180,，其承受的最大正反向电压均为,u,2,的峰值即 。,续流二极管承受的电压为,-,u,d,，其最大反向电压为 ，亦为,u,2,的峰值。,单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯,直流磁化,。,3.1.1,单相半波可控整流电路,(3-5),(3-6),(3-7),(3-8),3.1.2,单相桥式全控整流电路,u,(,i,),p,w,t,w,t,w,t,0,0,0,i,2,u,d,i,d,b),c),d),d,d,a,a,u,VT,1,4,图,3-5,单相全控桥式,带电阻负载时的电路及波形,a),一、带电阻负载的工作情况,电路分析,闸管,VT,1,和,VT,4,组成一对桥臂，,VT,2,和,VT,3,组成另一对桥臂。,在,u,2,正半周（即,a,点电位高于,b,点电位）,若,4,个晶闸管均不导通，,i,d,=0,u,d,=0,VT,1,、,VT,4,串联承受电压,u,2,。,在触发角,处给,VT,1,和,VT,4,加触发 脉冲，,VT,1,和,VT,4,即导通，电流从电源,a,端经,VT,1,、,R,、,VT,4,流回电源,b,端。,当,u,2,过零时，流经晶闸管的电流也降到零，,VT,1,和,VT,4,关断。,在,u,2,负半周，仍在触发角,处触发,VT,2,和,VT,3,，,VT,2,和,VT,3,导通，电流从电源,b,端流出，经,VT,3,、,R,、,VT,2,流回电源,a,端。,到,u,2,过零时，电流又降为零，,VT,2,和,VT,3,关断。,VT,2,和,VT,3,的,=0,处为,t,=,基本数量关系,晶闸管承受的最大,正向电压,和,反向电压,分别为 和 。,整流电压平均值为：,=0,时，,U,d,=,U,d0,=0.9,U,2,。,=180,时，,U,d,=0,。可见，,角的,移相范围,为,180,。,向负载输出的直流电流平均值为：,3.1.2,单相桥式全控整流电路,(3-9),(3-10),流过晶闸管的电流平均值：,流过晶闸管的电流有效值为：,变压器二次侧电流有效值,I,2,与输出直流电流有效值,I,相等，为,由式（,3-12,）和（,3-13,）可见：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为,S,=,U,2,I,2,。,3.1.2,单相桥式全控整流电路,(3-11),(3-12),(3-13),(3-14),3.1.2,单相桥式全控整流电路,2,O,w,t,O,w,t,O,w,t,u,d,i,d,i,2,O,w,t,O,w,t,u,VT,1,4,O,w,t,O,w,t,I,d,I,d,I,d,I,d,I,d,i,VT,2,3,i,VT,1,4,u,图,3-6,单相桥式全控整流电流带阻感负载时的电路及波形,二、带阻感负载的工作情况,电路分析,在,u,2,正半周期,触发角,处给晶闸管,VT,1,和,VT,4,加触发脉冲使其开通，,u,d,=,u,2,。,负载电感很大，,i,d,不能突变且波形近似为一条水平线。,u,2,过零变负时，由于电感的作用晶闸管,VT,1,和,VT,4,中仍流过电流,i,d,，并不关断。,t,=,+,时刻，触发,VT,2,和,VT,3,，,VT,2,和,VT,3,导通，,u,2,通过,VT,2,和,VT,3,分别向,VT,1,和,VT,4,施加反压使,VT,1,和,VT,4,关断，流过,VT,1,和,VT,4,的电流迅速转移到,VT,2,和,VT,3,上，此过程称为,换相,，亦称,换流,。,3.1.2,单相桥式全控整流电路,基本数量关系,整流电压平均值为：,当,=0,时，,U,d0,=0.9,U,2,。,=90,时，,U,d,=0,。晶闸管,移相范围,为,90,。,晶闸管承受的最大,正反向电压,均为 。,晶闸管导通角,与,无关，均为,180,，其电流平均值和有效值分别为：和 。,变压器二次侧电流,i,2,的波形为正负各,180,的矩形波，其相位由,角决定，有效值,I,2,=,I,d,。,(3-15),带反电动势负载时的工作情况,当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。,电路分析,|,u,2,|,E,时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。,晶闸管导通之后，,u,d,=,u,2,，直至,|,u,2,|=,E,，,i,d,即降至,0,使得晶闸管关断，此后,u,d,=,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,。,当,30,负载电流,断续,，各晶闸管导通角,小于,120,。,a,移相范围,：,0,15,0,37,/,131,3.2.1,三相半波可控整流电路,当,a,=0,时，,U,d,最大，为 。,基本数量关系,整流电压平均值,a,30,时，负载电流连续,a,30,时，负载电流断续，晶闸管导通角减小,u,u,u,O,2,a,=30,u,a,b,c,w,t,u,O,d,u,u,u,O,2,a,=60,u,a,b,c,w,t,u,d,38,/,131,负载电流平均值为,流过晶闸管的电流平均值为,晶闸管承受的最大电压，为变压器二次侧线电压峰值，即,3.3.1,三相半波可控整流电路,3.2.1,三相半波可控整流电路,阻感负载,电路分析,L,值很大，整流电流,i,d,的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近,矩形波,。,30,时，整流电压波形与电阻负载时相同。,30,时，当,u,2,过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而,VT1,继续导通，直到下一相晶闸管,VT,2,的触发脉冲到来，才发生换流，由,VT,2,导通向负载供电，同时向,VT,1,施加反压使其关断。,u,u,u,u,d,i,a,a,b,c,i,b,i,c,i,d,u,ac,O,w,t,O,w,t,O,O,w,t,O,O,w,t,a,w,t,w,t,u,图,3-17,三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及,=60,时的波形,3.2.1,三相半波可控整流电路,基本数量关系,的,移相范围,为,90,。,整流电压平均值,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，即,三相半波可控整流电路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。,3.2.2,三相桥式全控整流电路,原理图,阴极连接在一起的,3,个晶闸管（,VT,1,，,VT,3,，,VT,5,）称为,共阴极组,；阳极连接在一起的,3,个晶闸管（,VT,4,，,VT,6,，,VT,2,）称为,共阳极组,。,共阴极组中与,a,，,b,，,c,三相电源相接的,3,个晶闸管分别为,VT,1,，,VT,3,，,VT,5,，共阳极组中与,a,，,b,，,c,三相电源相接的,3,个晶闸管分别为,VT,4,，,VT,6,，,VT,2,。,图,3-18,三相桥式全控整流电路原理图,42,/,131,3.2.2,三相桥式全控整流电路,w,w,w,w,u,2,u,d1,u,d2,u,2L,u,d,u,ab,u,ac,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,a,u,c,u,b,w,t,1,O,t,O,t,O,t,O,t,a,=0,i,VT,1,u,VT,1,图,3-19,三相桥式全控整流电路带电阻负载,=0,时的波形,晶闸管的导通顺序为,VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6,。,3.2.2,三相桥式全控整流电路,带电阻负载时的工作情况,电路分析,各自然换相点既是,相电压,的交点，同时也是,线电压,的交点。,当,60,时,u,d,波形均,连续,，对于电阻负载，,i,d,波形与,u,d,波形的形状是一样的，也,连续,。,=0,时，,u,d,为线电压在正半周的,包络线,。波形见,图,3-19,时段,共阴极组中导通的晶闸管,VT,1,VT,1,VT,3,VT,3,VT,5,VT,5,共阳极组中导通的晶闸管,VT,6,VT,2,VT,2,VT,4,VT,4,VT,6,整流输出电压,u,d,u,a,-u,b,=u,ab,u,a,-u,c,=u,ac,u,b,-u,c,=u,bc,u,b,-u,a,=u,ba,u,c,-u,a,=u,ca,u,c,-u,b,=u,cb,表,3-1,三相桥式全控整流电路电阻负载,=0,时晶闸管工作情况,3.2.2,三相桥式全控整流电路,=30,时，晶闸管起始导通时刻推迟了,30,，组成,u,d,的每一段线电压因此推迟,30,，,u,d,平均值降低，波形见,图,3-20,。,=60,时，,u,d,波形中每段线电压的波形继续向后移，,u,d,平均值继续降低。,=60,时,u,d,出现了,为零的点,，波形见,图,3-21,。,当,60,时,因为,i,d,与,u,d,一致，一旦,u,d,降为至零，,i,d,也降至零，晶闸管关断，输出整流电压,u,d,为零,，,u,d,波形不能出现负值。,=90,时的波形见,图,3-22,。,移相范围,：,0,120,。,45,/,131,3.2.2,三相桥式全控整流电路,w,w,w,w,u,d1,u,d2,a,=30,i,a,O,t,O,t,O,t,O,t,u,d,u,ab,u,ac,u,a,u,b,u,c,w,t,1,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,VT,1,图,3-20,三相桥式全控整流电路带电阻负载,=30,时的波形,46,/,131,3.2.2,三相桥式全控整流电路,w,w,w,a,=60,u,d1,u,d2,u,d,u,ac,u,ac,u,ab,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,a,u,b,u,c,O,t,w,t,1,O,t,O,t,u,VT,1,图,3-21,三相桥式全控整流电路带电阻负载,=60,时的波形,47,/,131,3.2.2,三相桥式全控整流电路,u,d1,u,d2,u,d,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,O,i,a,i,d,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,i,VT,1,图,3-22,三相桥式全控整流电路带电阻负载,=90,时的波形,3.2.2,三相桥式全控整流电路,三相桥式全控整流电路的一些特点,每个时刻均需,2,个,晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的,各,1,个,，且不能为同一相的晶闸管。,对触发脉冲的要求,6,个晶闸管的脉冲按,VT,1,-VT,2,-VT,3,-VT,4,-VT,5,-VT,6,的顺序，相位依次差,60,。,共阴极组,VT,1,、,VT,3,、,VT,5,的脉冲依次差,120,，共阳极组,VT,4,、,VT,6,、,VT,2,也依次差,120,。,同一相的上下两个桥臂，即,VT,1,与,VT,4,，,VT,3,与,VT,6,，,VT,5,与,VT,2,，脉冲相差,180,。,3.2.2,三相桥式全控整流电路,整流输出电压,u,d,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,。,在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的,2,个晶闸管均有脉冲,宽脉冲,触发：使脉冲宽度大于,60,（一般取,80,100,）,双脉冲,触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差,60,，脉宽一般为,20,30,。,常用的是双脉冲触发。,晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也一样。,3.2.2,三相桥式全控整流电路,阻感负载时的工作情况,电路分析,当,60,时,u,d,波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压,u,d,波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。,区别在于,电流,，,当电感足够大的时候，,i,d,、,i,VT,、,i,a,的波形在导通段都可近似为一条水平线。,=0,时的波形见,图,3-23,，,=30,时的波形见,图,3-24,。,当,60,时,由于电感,L,的作用，,u,d,波形会出现,负的部分,。,=90,时的波形见,图,3-25,。,51,/,131,3.2.2,三相桥式全控整流电路,u,d1,u,2,u,d2,u,2L,u,d,i,d,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,O,u,a,a,=0,u,b,u,c,w,t,1,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,i,VT,1,图,3-23,三相桥式全控整流电路带阻感负载,=0,时的波形,52,/,131,3.2.2,三相桥式全控整流电路,u,d1,a,=30,u,d2,u,d,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,O,i,d,i,a,w,t,1,u,a,u,b,u,c,图,3-24,三相桥式全控整流电路带阻感负载,=30,时的波形,53,/,131,3.2.2,三相桥式全控整流电路,a,=90,u,d1,u,d2,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,ab,u,d,u,ac,u,ab,u,ac,w,t,O,w,t,O,w,t,O,u,b,u,c,u,a,w,t,1,u,VT,1,图,3-25,三相桥式整流电路带阻感负载，,=90,时的波形,3.2.2,三相桥式全控整流电路,基本数量关系,带电阻负载时三相桥式全控整流电路,角的移相范围是,120,，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的,角移相范围为,90,。,整流输出电压平均值,带阻感负载时，或带电阻负载,60,时,带电阻负载且,60,时,(3-26),(3-27),3.2.2,三相桥式全控整流电路,输出电流平均值为,I,d,=,U,d,/,R,。,当整流变压器为图,3-17,中所示采用,星形接法,，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图,3-23,中所示，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,时的,I,d,为：,式中,R,和,E,分别为负载中的电阻值和反电动势的值。,(3-28),(3-29),触发电路,56,/,131,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏感,实际上变压器绕组总有,漏感,，该漏感可用一个集中的电感,L,B,表示，并将其折算到,变压器二次侧,。,由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此,换相,过程不能瞬间完成，而是会,持续一段时间,。,57,/,131,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,u,d,i,d,w,t,O,w,t,O,g,i,c,i,a,i,b,i,c,i,a,I,d,u,a,u,b,u,c,a,假设负载中电感很大，,负载电流为水平线,。,分析从,VT,1,换相至,VT,2,的过程,在,t,1,时刻之前,VT,1,导通，,t,1,时刻触发,VT,2,，因,a,、,b,两相均有漏感，故,i,a,、,i,b,均不能突变，于是,VT,1,和,VT,2,同时导通，相当于将,a,、,b,两相短路,，两相间电压差为,u,b,-u,a,，它在两相组成的回路中产生,环流,i,k,如图所示。,i,k,=i,b,是逐渐增大的，而,i,a,=I,d,-i,k,是逐渐减小的。,当,i,k,增大到等于,I,d,时，,i,a,=,0,，,VT,1,关断，换流过程结束。,换相过程持续的时间用电角度,表示，称为,换相重叠角,。,t,1,时刻,图,3-3-1,考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形,58,/,131,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,基本数量关系,换相过程中，整流输出电压瞬时值为,换相压降：与不考虑变压器漏感时相比，,u,d,平均值降低的多少，即,(3-3-1),(3-3-2),59,/,131,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,换相重叠角,由式（,3-3-1,）得出：,由上式得：,进而得出：,当 时，于是,(3-3-3),60,/,131,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,随其它参数变化的规律：,I,d,越大则,越大；,X,B,越大,越大；,当,90,时，,越小,越大。,其它整流电路的分析结果,电路形式,单相全波,单相全控桥,三相半波,三相全控桥,m,脉波整流电路,注：单相全控桥电路中，,X,B,在一周期的两次换相中都起作用，等效为,m=4,；,三相桥等效为相电压等于 的,6,脉波整流电路，故其,m=6,，相电压按 代入。,表,3-3-1,各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,61,/,131,3.3,变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏感对整流电路影响的一些结论,:,出现换相重叠角,，整流输出电压平均值,U,d,降低。,整流电路的工作状态增多。,晶闸管的,d,i,/d,t,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,d,i,/d,t,。,换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的,d,u,/d,t,，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,。,62,/,131,电力电子装置要消耗无功功率，会对公用电网带来不利影响。,无功功率会导致视在功率增大，从而使设备容量增大；无功功率增加，造成设备和线路损耗增加；使线路压降增大，冲击性无功电流还会使电压剧烈波动。,电力电子装置会产生谐波，对公用电网产生危害。,谐波损耗将降低发电、输电和用电设备的效率；谐波影响电网上其它电气设备的正常工作。如造成电动机机械振动、噪声和过热，使变压器局部过热，电缆、电容器设备过热等；谐波会引起电网局部的串联和并联谐振，从而使谐波放大。谐波会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确；谐波对通信系统产生干扰。,许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。,国家标准（,GB/T14549-93,）,电能质量公用电网谐波,从,1994,年,3,月,1,日起开始实施。,3.5.1,谐波和无功功率分析基础,63,/,131,3.5.1,谐波和无功功率分析基础,当电网中的电压或电流波形非理想的正弦波时，即说明其中含有频率高于,50Hz,的电压或电流成分，将频率高于,50Hz,的电流或电压成分称之为,谐波,。,当谐波频率为工频频率的整数倍时，称为,整数次谐波,这类谐波通常用次数来表示。,当谐波频率不是工频频率的整数倍时，称为,分数谐波,这类谐波通常直接使用谐波频率来表示。,64,/,131,1,、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,式中,n=1,2,3,(3-5-1),(3-5-2),65,/,131,3.5.1,谐波和无功功率分析基础,或,式中，,c,n,、,n,和,a,n,、,b,n,的关系为,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,HRI,n,（,Harmonic Ratio for In,）表示（,In,为第,n,次谐波电流有效值，,I,1,为基波电流有效值）,电流谐波总畸变率,THD,i,（,Total Harmonic distortion,）定义为（,I,h,为总谐波电流有效值）,(3-5-3),(3-5-4),(3-5-5),66,/,131,3.5.1,谐波和无功功率分析基础,2,、功率因数,正弦电路,有功功率就是其平均功率：,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：,无功功率,Q,与有功功率,P,、视在功率,S,之间的关系：,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,67,/,131,3.5.1,谐波和无功功率分析基础,非正弦电路,有功功率为,功率因数为：,式中,I,1,为基波电流有效值，,1,为基波电流与电压的相位差。,式中，,=I,1,/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）：,或定义为：,畸变功率,D,为：,68,/,131,3.5.2,带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,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,其中基波和各次谐波有效值为,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。,图,3-6,i,2,的波形,69,/,131,3.5.2,带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,功率因数,基波电流有效值为,i,2,的有效值,I=I,d,，可得基波因数为,电流基波与电压的相位差就等于,控制角,，故位移因数为,功率因数为,70,/,131,3.5.2,带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,图,3-24,i,a,的波形,三相桥式全控整流电路,以,=,30,为例，电流有效值为,电流波形分解为傅立叶级数,71,/,131,3.5.2,带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,可得电流基波和各次谐波有效值分别为,结论：电流中仅含,6k,1,（,k,为正整数）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。,功率因数,基波因数为,电流基波与电压的相位差仍为,，故位移因数仍为,功率因数为,72,/,131,3.5.4,整流输出电压和电流的谐波分析,图,3-3-1,=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是周期性的非正弦函数，其中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。,=0,时，,m,脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析,整流电压表达式为,73,/,131,3.5.4,整流输出电压和电流的谐波分析,对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出：,式中，,k,=1,，,2,，,3,；且：,电压纹波因数,其中,74,/,131,3.5.4,整流输出电压和电流的谐波分析,m,2,3,6,12,u,（,%,）,48.2,18.27,4.18,0.994,0,不同脉波数,m,时的电压纹波因数值,75,/,131,3.5.4,整流输出电压和电流的谐波分析,负载电流的傅里叶级数,上式中：,76,/,131,3.5.4,整流输出电压和电流的谐波分析,=0,时整流电压、电流中的谐波有如下规律：,m,脉波整流电压,u,d0,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。,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,d,n,的减小更为迅速。,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。,77,/,131,3.5.4,整流输出电压和电流的谐波分析,不为,0,时的情况,整流电压分解为傅里叶级数为：,以,n,为参变量，,n,次谐波幅值对,的关系如图所示：,当,从,0,90,变化时，,u,d,的谐波幅,值随,增大而增大，,=90,时谐波,幅值最大,。,从,90,180,之间电路工作于有源,逆变工作状态，,u,d,的谐波幅值随,增大而减小。,图,3-5-2,三相全控桥电流连续时，以,n,为参变量的 与,的关系,3.7,整流电路的有源逆变工作状态,3.7.1,逆变的概念,3.7.2,三相桥整流电路的有源逆变工作状态,3.7.3,逆变失败与最小逆变角的限制,3.7.1,逆变的概念,什么是逆变？为什么要逆变？,逆变（,invertion,）,：把直流电转变成交流电的过程。,逆变电路：把直流电逆变成交流电的电路。,当交流侧和电网连结时，为,有源逆变,电路。,变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为,无源逆变,。,对于,可控整流电路,，满足一定条件就可工作于,有源逆变,，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,。,3.7.1,逆变的概念,图,3-7-1,直流发电机,电动机之间电能的流转,a,）两电动势同极性,E,G,E,M,b,）两电动势同极性,E,M,E,G,c,）两电动势反极性，形成短路,M,作,电动运转,，,E,G,E,M,，电流,I,d,从,G,流向,M,，电能由,G,流向,M,，转变,为,M,轴上输出的机械能,。,直流发电机,电动机系统电能的流转,回馈制动,状态中，,M,作发电运转，,E,M,E,G,，电流反向，从,M,流向,G,，,M,轴上输入的机械能转变为电能反送给,G,。,两电动势,顺向串联,，向电阻,R,供电，,G,和,M,均输出功率，由于,R,一般都很小，实际上形成短路，在工作中须严防这类事故发生。,两个电动势,同极性相接,时，电流总是从电动势高的流向电动势低的，由于回路电阻很小，即使很小的电动势差值也能产生大的电流，使两个电动势之间交换很大的功率。,3.7.1,逆变的概念,逆变产生的条件,以单相全波电路来分析,电动机,M,作,电动机,运行，全波电路应工作在,整流状态,，,的范围在,0,/2,间，直流侧输出,U,d,为正值，并且,U,d,E,M,，交流电网输出电功率，电动机则输入电功率。,电动机,M,作,发电回馈制动,运行，由于晶闸管器件的,单向导电性,，,I,d,方向不变，而,M,轴上输入的机械能转变为电能反送给,G,，只能改变,E,M,的极性,，为了避免两电动势顺向串联，,U,d,的极性,也必须反过来，,Ud,为,负值,，,因此,的范围在,/2,，且,|,E,M,|,U,d,|,。,图,3-7-2,单相全波电路的整流和逆变,3.7.1,逆变的概念,产生逆变的条件,要有,直流电动势,，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。,要求晶闸管的控制角,/2,，使,U,d,为负值。,两者必须同时具备才能实现有源逆变。,半控桥或有续流二极管的电路,，因其整流电压,u,d,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,。,83,/,131,三相有源逆变电路（三相半波接电动机负载）,U,d,=-1.17,U,2,cos,图,3-7-3,三相半波有源逆变电路原理,逆变角,通常把,/2,时的控制角用,-=,表示，,称为逆变角,。,的大小自,=0,的起始点向,左方,计量,3.7.2,三相桥整流电路的有源逆变工作状态,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,2,u,d,w,t,O,w,t,O,b,=,p,4,b,=,p,3,b,=,p,6,b,=,p,4,b,=,p,3,b,=,p,6,w,t,1,w,t,3,w,t,2,图,3-7-4,三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形,3.7.2,三相桥整流电路的有源逆变工作状态,基本的数量关系,三相桥式电路的输出电压,U,d,=-2.34U,2,cos,输出直流电流的平均值,流过晶闸管的电流有效值,从交流电源送到直流侧负载的有功功率为,变压器二次侧线电流的有效值,当逆变工作时，由于,E,M,为负值，故,P,d,一般为负值,，表示功率由直流电源输送到交流电源。,3.7.3,逆变失败与最小逆变角的限制,逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为,逆变失败,，或称为,逆变颠覆,。,逆变失败的原因,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，该断时不断，或该通时不通。,交流电源,缺相或突然消失。,换相的,裕量角,不足，引起换相失败。,3.7.3,逆变失败与最小逆变角的限制,u,d,O,O,i,d,w,t,w,t,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,p,b,g,b,g,i,VT,1,i,VT,i,VT,3,i,VT,i,VT,3,2,2,考虑变压器漏抗引起重叠角对逆变电路换相的影响（以,VT,3,和,VT,1,的换相过程来分析）,在,时，经过换相过程后，,a,相电压,u,a,仍高于,c,相电压,u,c,，所以换相结束时，能使,VT,3,承受反压而,关断,。,当,时，换相尚未结束，电路的工作状态到达自然换相点,p,点之后，,u,c,将高于,u,a,，晶闸管,VT,1,承受