第3章 整流电路(PPT修改10.16)

1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3.4电容滤波的不可控整流电路3.5整流电路的谐波和功率因数3.6大功率可控整流电路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2第3章整流电路·引言整流电路的分类：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，又分为单拍电路和双拍电路。整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。3•将交流电源变换成直流电源的电路称为AC-DC变换或整流电路。功率由电源传向负载的变换被称为整流，功率由负载传回电源的变换被称为“有源逆变”，整流电路按交流输入相数大致可分为单相和多相整流；按导通角可控与否可分为可控和不可控整流；按电路形式可分为半波、全波与桥式整流等。对于需要改变直流输出电压的场合，可以采用相控整流方案，也可采用其它高性能的调节方案（如斩波或高频调制技术）。42.1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53.1.1单相半波可控整流电路图3-1单相半波可控整流电路及波形1）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，◆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，晶闸管阻断时其漏电流等于零，除非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)6改变触发时刻，ud和id波形随之改变，直流输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流。加之电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路称为单相半波可控整流电路。整流电压ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。73.1.1单相半波可控整流电路（续）首先，引入几个重要的基本概念：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。移相范围：能使输出电压从最大到最小的延迟角的变化。自然换流（相）点：交流电路由负电压（或正电压）过零的时刻。换流：在电路中，电流从一个支路向另一个支路转换的过程。8直流输出电压平均值为paaapwwp2cos145.0)cos1(22)(sin221222dUUttdUU(3-1)VT的a移相范围为180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。93.1.1单相半波可控整流电路（续）uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)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■带阻感负载的工作情况◆阻感负载的特点是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,id=0,ud=0,uVT=u2。在wt1时刻，即触发角a处ud=u2。L的存在使id不能突变，id从0开始增加。u2由正变负的过零点处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。wt2时刻，电感能量释放完毕，id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ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。103.1.1单相半波可控整流电路（续）对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路。图3-3单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态b)VT处于导通状态a)b)VTRLVTRLu2u2电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。113.1.1单相半波可控整流电路（续）当VT处于通态时，如下方程成立：VTb)RLu2b)VT处于导通状态tURitiLwsin2dd2dd（3-2）)sin()sin(tanaqaqe（3-4）初始条件：ωt=a，id=0。求解式（3-2）并将初始条件代入可得当ωt=θ+a时，id=0，代入式（3-3）并整理得)sin(2)sin(22)(2dwaawwtZUeZUitLR（3-3）22)(LRZwRLwarctan•其中，12分析（3-4）式若为定值，a角大，q越小。若a为定值，越大，q越大，且平均值Ud越接近零，但整流电路仍有较大电流输出。为解决上述矛盾，在整流电路的负载两端并联一个二极管，称为续流二极管，用VDR表示。133.1.1单相半波可控整流电路（续）续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图3-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。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。数量关系(id近似恒为Id）ddVT2IIpap（3-5）d2dVT2)(21ItdIIpapwppa（3-6）ddVDRIIpap2（3-7）d22dVD2)(21RItdIIpapwpapp（3-8）143.1.1单相半波可控整流电路（续）VT的a移相范围为180。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。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。单相半波可控整流电路的特点153.1.2单相桥式全控整流电路1)带电阻负载的工作情况a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)163.1.2单相桥式全控整流电路（续）数量关系paaapwwp2cos19.02cos122)(dsin21222dUUttUU（3-9）a角的移相范围为180。向负载输出的平均电流值为：两组晶闸管轮流导通，所以流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTaRUII（3-10）2cos19.02cos12222ddaapRURURUI(3-11)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4173.1.2单相桥式全控整流电路（续）流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测正负半周均流过电流，其有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由式（3-12）和式（3-13）得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2。papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（3-12）papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（3-13）II21VT（3-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4183.1.2单相桥式全控整流电路（续）2）带阻感负载的工作情况u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图3-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。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，晶闸管VT1和VT4并不关断。至ωt=π+a时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，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。193.1.2单相桥式全控整流电路（续）数量关系apaaapwwpcos9.0cos22)(dsin21222dUUttUU（3-15）晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角θ与a无关，均为180。晶闸管电流的平均值和有效值：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。晶闸管承受的最大正反向电压均为。22U2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4ddvT21IIddvT707.021III203.1.2单相桥式全控整流电路（续）3）带反电动势负载时的工作情况图3-7单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。导通之后，ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。REuidd与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角，212sinUE（3-16）b)idOEudwtIdOwtaq213.1.2单相桥式全控整流电路（续）当时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。图3-7b单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的波形电流断续触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。如图3-7b所示id波形所示：电流连续ub)idOEdwtIdOwtαq223.1.2单相桥式全控整流电路（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。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。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：dmin23dmin21087.222IUIULpw（3-17）图3-8单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况twwOud0Eidtpaq=p233.1.3单相全波可控整流电路（SinglePhaseFullWaveControlledRectifier)，又称单相双半波可控整流电路。单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。变压器不存在直流磁化的问题。图3-9单相全波可控整流电路及波形a)wtwab)udi1OOt243.1.3单相全波可控整流电路（续）单相全波与单相全控桥的区别：单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应的，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。253.1.4单相桥式半控整流电路图3-10单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形■电阻负载与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。■带电感负载（讨论）◆电路分析（先不考虑VDR）每一个导电回路由1个晶闸管和1个二极管构成。在u2正半周，a处触发VT1，u2经VT1和VD4向负载供电。u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通，但因a点电位低于b点电位，电流是由VT1和VD2续流