电力电子课件---第二讲(整流电路).

第2讲可控整流电路2.0单相桥式不可控整流电路2.1单相可控整流电路2.2三相可控整流电路2.3变压器漏抗对整流电路的影响2.6大功率可控整流电路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(三相半波）。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，又分为单拍电路和双拍电路。第2讲可控整流电路整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。在整流电路的分析中，我们要假定的理想条件有：（1）理想电源交流电网相对于整流电路可看作具有无穷大容量，因此整流电路的输入电源电压为无畸变的正弦波。（2）理想器件整流电路中所有器件均具有理想特性。所采用的电力电子器件阻断时，阻抗为无穷大，漏电流为零；导通时，管压降为零；开通与关断均是瞬时完成的；du/dt和di/dt的承受能力为无穷大。（3）理想运行状态分析过程中假设电路已经达到稳态工作阶段。2.0单相桥式不可控整流电路2.0单相桥式不可控整流电路利用电力二极管的单向导电性可以实现整流。由于电力二极管的通断只与其承受的电压方向有关，因此由其构成的整流电路的输出电压只与交流输入电压的大小有关，不能控制其数值，故称为不可控整流电路。变压器T—整流变压器，其作用：①变换电压②抑制电网干扰③故障隔离。2.0单相桥式不可控整流电路1.电感性负载时工作情况假设电感L的值为无穷大。电感的特点：①对电流变化有抗拒作用，使得流过的电流不能发生突变；②在其两端产生感应电动势，其极性是阻止电流变换的；③在电路的工作过程中，不消耗能量。/Ldidt自然换流点单相桥式不可控整流电路工作原理：（1）正半周时，A点电位高于B点电位，则VD1、VD4承受正向电压而导通，VD2、VD3承受反向电压而截止，负载电压与波形相同，由于电感L的平波作用，负载电流的波形近似为直线；（2）负半周时，B点电位高于A点电位，则VD1、VD4承受反向电压而截止，VD2、VD3承受正向电压而导通，负载电压与波形相反，负载电流的方向不变。中间为VD1、VD4两端电压波形2.0单相桥式不可控整流电路直流输出电压平均值为直流输出电流平均值二极管承受的最大反向电压变压器二次侧电流有效值22201222sin()0.9dUUtdtUUddUIR22U2dII2.0单相桥式不可控整流电路2.1单相可控整流电路2.1.1电阻性负载2.1.2电感性负载2.1.3反电动势负载2.1单相可控整流电路整流电路有各种各样的形式，不同电路特点不同。整流电路的形式主要有：1．单相可控整流电路：（1）单相半波可控整流电路（2）单相全波可控整流电路（3）单相桥式可控整流电路a.单相全控桥式整流电路b.单相半控桥式整流电路不同性质的负载对于整流电路的电压、电流波形影响很大，负载的性质主要有：1．电阻性特点是：流过它的电流波形与它两端的电压波形形状相同、相位一致。2．电感性特点是：由于感抗的作用，电感中电流的变化要滞后于电压的变化，因此可以使晶闸管的导通时间延长，电流波形容易连续，脉动小，甚至能接近一条直线。2.1单相可控整流电路2.1单相可控整流电路3．电容性其特点为：当晶闸管被触发导通时，马上就有大的充电电流流过晶闸管，容易损坏晶闸管，所以一般不能在整流电路的输出端接大电容。4．反电动势其特点为：只有电源电压大于反电动势时，晶闸管才能被触发导通。2.1.1电阻性负载图2-1单相全控桥式整流电路电阻性负载及波形t2i2t2Uvt1,4t2udid2.1.1单相桥式全控整流电路一、阻性负载2222211cos1cos2sind0.922UUUttUd2cos19.02cos12222ddRURURUI2cos145.0212ddVTRUII2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI2sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIII21VTVT1VT2VT3VT4Ru2U1udidabi2ααt2u22.1.1电阻性负载晶闸管VT1、VT4为一对桥臂，VT2、VT3为另一对桥臂在0－α期间，晶闸管不导通，VT1、VT4共同承受正向电源电压，VT2、VT3共同承受反向电源电压，负载Rd中没有电流流过，负载两端电压ud＝0。当ωt＝α时，VT1、VT4导通，电流从M端经VT1、Rd、VT4流回N端，电源电压u2全部加在Rd上，VT2、VT3承受反相电压而截止。当u2过零时，id也降到零，VT1、VT4关断。在u2的正半周内，M端为正，N端为负2.1.1电阻性负载在ug2、ug3到来之前，晶闸管VT2、VT3不导通，VT1、VT4共同承受反向电源电压，VT2、VT3共同承受正向电源电压，整流电路无输出，负载中也没有电流，当ωt＝π＋α时，VT2、VT3导通，电流从N端经VT2、Rd、VT3流回M端,电源电压u2全部加在Rd上，VT1、VT4承受反向电源电压截止，当一个周期结束，u2过零时，id也降到零，VT2、VT3关断。当u2电压的每个周期都以恒定的α角加上触发脉冲时，负载Rd上就能得到稳定的缺角全波电压波形，这是一个脉动直流电压，由于是电阻性负载，电流id＝ud/Rd与ud波形相同。在u2的负半周内，M端为负，N端为正2.1.1电阻性负载在单相电路中，把晶闸管承受正向电压起到触发导通之间的电角度α称为控制角。晶闸管在一个周期内导通的电角度用θ表示，称为导通角。改变α的大小即改变触发脉冲在每个周期内出现的时刻称为移相。对单相全控桥式电路而言，α的移相范围为0～π，对应的θ在π～0范围内变化。α＋θ＝π2.1.1电阻性负载控制角：把晶闸管承受正向电压起到触发导通之间的电角度α称为控制角移相：改变α的大小即改变触发脉冲在每个周期内出现的时刻称为移相。可控整流最重要的几个概念导通角：晶闸管在一个周期内导通的电角度用θ表示，称为导通角对单相全控桥式电路而言，α的移相范围为0～π，对应的θ在π～0范围内变化。α＋θ＝π2.1.1电阻性负载输出的直流电压平均值Ud为：π1π22cos1Ud＝u2sinωtd(ωt)＝0.9U2（2－1）直流电流的平均值Id为：d2RU2cos1Id＝0.9（2－2）2.1.1电阻性负载输出电压的有效徝U为：π22t)d(sinωt)(1U2ππαπ2sinπ21U＝＝U2（2－3）电流有效徝I为：dRUd2RUπαπ2sinπ21I＝＝（2－4）电流的波形系数Kf为：dII2cosα1π22παπsin2α2π1)αcos1(2)απ(π2α2sinπKf＝＝＝（2－5）2.1.1电阻性负载功率因数为：SP2UUπαπα2sinπ21cosΦ＝＝＝（2－6）21流过每个晶闸管的平均电流IdT＝Id21流过每个晶闸管的有效电流IT=I2.1.1电阻性负载2晶闸管承受的最大正反向电压为电源电压的峰值，即有效徝的倍。晶闸管移相范围为0～π；晶闸管导通角θ与a有关，为180-a如果整流电路的负载既有电阻又有电感，且感抗ωLd与电阻Rd相比又不能忽略时，这种负载叫电感性负载。图2-2单相全控电感性负载时电路及波形2.1.2电感性负载ααt2idudt2i2t2ivt1，4ivt2，3t2u2换相换流cos9.0cos22)(dsin21222dUUttUURLVT1VT2VT3u2U1udidabVT4晶闸管移相范围为90；晶闸管导通角θ与a无关，均为180。dVTd12II晶闸管电流平均值晶闸管电流有效值ddT707.021III2.1.2电感性负载不带续流二极管电感为储能元件，有储存、释放能量的功能。当流过电感的电流变化时，在电感中要产生自感电动势eL＝-Ld阻碍电流的变化2.1.2电感性负载1、电路工作情况分析当id（0)增大时,eL阻碍电流的增大，Ld中储存能量，当id（0)减小时,eL阻碍电流的减少，Ld中释放能量dtdiddtdiddtdid在电源电压u2为正半周时，M端为正，N端为负，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，电感释放能量。u2过零变负时，M端为负，N端为正，晶闸管VT1、VT4仍然承受正向电压而继续导通，自感电动势力图阻止电流的减小，此时输出电压ud的波形出现负面积。2.1.2电感性负载1、电路工作情况分析在ωt＝π到ωt＝π＋α期间，虽然VT2、VT3已经承受正向电压，但在ug2、ug3到来之前是不会导通的。直到ωt＝π＋α时，ug2、ug3来到，VT2、VT3导通，VT1、VT4因承受反向电压而关断。2.1.2电感性负载只要电感足够大，满足ωLd＞＞Rd，可以认为输出电流连续并且平直，实际上，无论Ld多么大，电流也是脉动的，只不过Ld越大脉动越小。输出电压平均值为：α=0°时，Ud＝0.9U2，α＝90°时，Ud＝0，所以α的移相范围为0°～90°。在整流电路中，α＞90°时，输出电压Ud不会为负值，当ωLd＞＞Rd时，Ud≈0。电流波形接近平直时，VT1、VT4和VT2、VT3轮流导通，在每个周期各导通180°，流过每个晶闸管的电流有效徝IT＝21Id＝0.707Id。π1π2Ud=U2sinωtd(ωt)＝0.9U2cosα（2－7）2.1.2电感性负载为了提高输出电压，使负载端不出现负电压，在负载两端并联一个二极管VD，如图2－3（a）所示。图2-3单相全控电感性负载带续流二极管时的电路和波形2、续流二极管2.1.2电感性负载当电源电压U2为正半周时，晶闸管VT1、VT4触发导通，此时负载两端电压为正向，二极管VD承受反向电压不导通，负载上电压波形与不加二极管时相同。当电源电压变负时，自感电动势经二极管VD形成回路，使负载电流继续流通，此二极管称为续流二极管。当续流二极管导通时，反向电源电压U2经VD使晶闸管承受反向电压而关断。在这期间，负载两端电压仅为二极管的管压降，接近于零，因此不出现负电压。2、续流二极管2.1.2电感性负载当Ug2、Ug3来到时，晶闸管VT2、VT3导通，二极管VD关断。从图2－3（b）可以看出，输出电压Ud的波形与电阻性负载时一样，但电流波形却不同。接续流二极管VD除了可提高Ud外，还可减轻晶闸管的负担，在每个周期内，每个晶闸管的导通角θT＝π-α,续流二极管的导通角θD＝2α。2、续流二极管2.1.2电感性负载1）、输出电压平均值与电阻性负载相同，为：Ud＝0.9U22cosα1Id＝Ud/Rd（2－9）（2－8）2）、输出电流平均值为：3）、晶闸管的电流平均值为：IdT＝2παπId（2－10）2、续流二极管2.1.2电感性负载4）、晶闸管的电流有效徝为：2παπId（2－11）IT＝5）、二极管的电流平均值为：2π2απαIdD＝IdId＝（2－12）6）、二极管的电流有效徝为：ID＝παId（2－13）2、续流二极管晶闸管移相范围为0~90º见课本P42例2-1单相桥式全控整流电路，U2＝100V，负载中R＝2Ω，L值极大，当α＝30°时，要求：①作出ud、id、和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。例2-0u2OtOtOtudidi2OtIdId②输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2分别为Ud＝0.9U2cosα＝0.9×100×cos30°＝77.97（V）Id＝Ud/R＝77.97/2＝38.99（A）I2＝Id＝38.99（A）③晶闸管承受的最大反向电压为：考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：UN＝（2~3）×141.4＝283~424（V）流过晶闸管的电流有效值为：IVT＝Id∕＝27.57（A）考虑安全裕