电力电子技术基础之第2-1章 单相整流

2020/2/12电力电子技术1第二章整流电路2020/2/12电力电子技术22.1.1单相半波可控整流电路一.电阻性负载交流侧接单相电源变压器T起变换电压和隔离的作用电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同U2是u2有效值u2峰值tSinUu222U222.1单相可控整流电路U222020/2/12电力电子技术3未加门极触发脉冲VT不能导通，ud=0uT=u2；加门极触发脉冲后VT导通，uT很小ud=u2晶闸管一旦导通以后，门极便失去控制，故ug仅是一个触发脉冲。工作过程：u2正半周：uT（uAK）为正。未加门极触发脉冲VT不能导通，ud=0uT=u2；加门极触发脉冲后VT导通，uT很小ud=u2晶闸管一旦导通以后，门极便失去控制，故ug仅是一个触发脉冲。2020/2/12电力电子技术4u2过零时：当iAIH维持电流,晶闸管关断。u2负半周：晶闸管承受反向电压不能导通，ud=0uT=u2。id=ud/R与ud波形相同。以后重复。u2负半周：晶闸管承受反向电压不能导通，ud=0uT=u2。id=ud/R与ud波形相同。以后重复。动画2020/2/12电力电子技术5ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路2020/2/12电力电子技术6控制角（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a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，用θ表示2020/2/12电力电子技术7基本数量关系：直流输出电压平均值：（2-1）aaa2cos145.0)cos1(22)(sin221222dUUttdUUUd是a的函数：a0Ud0.45U2全导通aUdaUd0全截止VT的a移相范围为180晶闸管承受的最大正反向电压是U22Ud是a的函数：a0Ud0.45U2全导通aUdaUd0全截止VT的a移相范围为180晶闸管承受的最大正反向电压是U222020/2/12电力电子技术8二.电感性负载负载的感抗与电阻R的数值相比不可忽略时，称“电感性负载”2020/2/12电力电子技术9电感中电流与感应电动势的关系：电感中电流发生变化电感产生的感应电动势将阻止电流变化。电感中电流愈大其储存的能量愈大。电流增大。电流的方向与电压方向相同，电流从高电位流到低电位，电感吸收能量。电流减小。电流的方向与电压方向相反，电流从低电位流到高电位，电感释放能量。2020/2/12电力电子技术10电流从电源正端流出，电源输出能量。电流从负载正端流入，负载吸收能量。不管内部电路是什么，只要看电流电压的关系，就可以判别能量是输入还是输出。2020/2/12电力电子技术11往往在一个周期中一部分时间吸收能量，另一部分时间释放能量。u和i极性相同，负载吸收能量u和i极性相同，负载吸收能量u和i极性相反，负载回送能量u和i极性相反，负载回送能量若一个周期中吸收能量大于释放能量，此元件是在损耗（吸收）能量；一个周期中释放能量大于吸收能量，此元件是在回送能量。2020/2/12电力电子技术12工作过程：u2从最大值减小后，id也逐步减小，L上的感应电势为上负下正阻止电流减小。由于存在电感L，负载电流id只能从零逐步增大，L上的感应电势为上正下负阻止电流增大。交流电网提供负载R消耗的能量及电感L吸收的能量。2020/2/12电力电子技术13u2过零变负，id不等于零，L中能量未释放完。L上的感应电势使VT继续导通。电感能量反送电网。当u2与eL相等，id等于零，L中能量释放完。VT才阻断。ud出现负值。输出直流电压平均值下降。动画2020/2/12电力电子技术14为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管。工作过程：u2正半周：VDR反向截止不影响电路工作。2020/2/12电力电子技术15当u2过零变负时，VDR导通，ud为零。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。续流期间ud为0，ud中不再出现负的部分。动画2020/2/12电力电子技术16数量关系:Ud计算与电阻性负载相同。Id=Ud/R若近似认为id为一条水平线，恒为Id。ddTIIa2ddDRIIa2晶闸管电流平均值：（2-2）二极管电流平均值：（2-3）2020/2/12电力电子技术17ddTItdIIaa2)(212ddDRItdIIaa2)(2122晶闸管电流有效值：（2-4）二极管电流有效值：（2-5）2020/2/12电力电子技术18晶闸管的a移相范围为180单相半波可控整流电路的特点：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。为使铁芯不饱和，需增大铁芯的截面积。实际上很少应用此种电路晶闸管和整流二极管承受的最大正反向电压是(P24)U22？！习题：1、2（P35）2020/2/12电力电子技术192.1.2单相桥式全控整流电路一.电阻性负载工作原理及波形分析：u2正半周：VT1和VT4承受正向电压，加触发脉冲即导通，u2过零时关断。2020/2/12电力电子技术20在u2正半周期间，四个VT均不导通时，VT1和VT4承受的正向电压是u2电压的一半，VT1和VT4导通后其压降近似为零。2020/2/12电力电子技术21u2负半周：VT2和VT3承受正向电压，有触发脉冲即导通，u2过零时关断。2020/2/12电力电子技术22动画四个VT均不导通时，VT1和VT4承受的反向电压是u2电压的一半，VT2和VT3导通后VT1和VT4承受的反向电压是全部的u2电压。2020/2/12电力电子技术23数量关系：输出电压平均值：aaa2cos19.02cos122)(dsin21222dUUttUU（2-6）2020/2/12电力电子技术242cos19.02cos12222ddaaRURURUIU22222Ua角的移相范围为180。晶闸管承受的最大反向电压为，晶闸管承受的最大正向电压为。（2-7）输出电流平均值：2020/2/12电力电子技术25（2-8）aaa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII2cos145.0212aRUIIddT（2-9）晶闸管电流平均值：负载电流有效值（变压器二次绕组电流有效值）：2020/2/12电力电子技术26变压器付边电流中无直流分量。I21aaa2sin212)(d)sin2(21222RUttRUIT晶闸管电流有效值：（2-10）2020/2/12电力电子技术27电源供给的有功功率：222UIRIPU为负载R上的电压有效值：aaa221)()2(1222SinUtdtSinUU电源的表观功率（视在功率）：22IUS功率因数：aa221222SinIUUISPCos（2-11）2020/2/12电力电子技术28a愈大，COS愈小；变压器二次绕组电流有效值I2愈大。a大，变压器伏安容量和晶闸管的电流额定值显著增大。图2–5（P26）电路设计时，在满足Ud要求下，U2应尽量小一些，以免a过大。2020/2/12电力电子技术29二.电感性负载为便于讨论，假设电路已工作于稳态。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。2020/2/12电力电子技术30VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流动画u2负半周时，VT2和VT3承受正向电压，至ωt=π+a时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，两管导通。2020/2/12电力电子技术31aaaacos9.0cos22)(dsin21222dUUttUU（2-12）RUIdd输出电压平均值：输出电流平均值：晶闸管移相范围为90。晶闸管承受的最大正反向电压均为。U222020/2/12电力电子技术32变压器付边电流中无直流分量。电流不连续时的Ud见书P27式（2-13）dTAVTIII45.057.1)(ddTIII707.021晶闸管导通角θ与a无关，均为180变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。2020/2/12电力电子技术33三.带反电动势负载时的工作情况在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。导通之后，ud=u2，直至|u2|=E，id降至0使得晶闸管阻断，此后|u2|E而ud=E。REuidd2020/2/12电力电子技术34与无反电势时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角。（2-14）在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。212sinUE2020/2/12电力电子技术35当t时，加触发脉冲时，晶闸管承受反向电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当t=时刻，晶闸管开始承受正向电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。2020/2/12电力电子技术36如图所示id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。与此对应，若id波形不出现为0的情况，称为电流连续。负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软2020/2/12电力电子技术37为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样，而为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出（2-21）REUIdddmin23dmin21087.222IUIUL2020/2/12电力电子技术38动画单相桥式全控整流电路，如负载呈电感性，则当控制角达90º时，输出波形正负面积相等，Ud为零。当a90º时，ud亦将是一串正负面积相等的断续的交变波形，Ud亦是零。（P29）如果此时在负载端接一蓄电池或其他直流电源，其极性与整流时的相反，幅值大些，能使晶闸管在a90º时继续工作，功率从直流电源反送到交流电网中去，这时电路工作在有源逆变状态。