交流-直流变换电路

第3章交流-直流变换电路3.1概述3.2单相可控整流电路3.3三相可控整流3.4有源逆变电路3.5整流电路的性能指标及应用技术本章小结3.1概述整流电路的分类：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。3.2单相可控整流电路3.2.1单相半波可控整流电路3.2.2单相全控桥式整流电路3.2.3单相半控桥式整流电路3-43.2.1单相半波可控整流电路一、电阻性负载电炉、电焊机及白炽灯等均属于电阻性负载变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。工作原理分析图3-2-1单相半波可控整流电路（电阻性负载）及波形)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)003-5工作原理分析•在电源电压正半周，晶闸管承受正向电压，在ωt=α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u2。在ωt=π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，uAK＜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u2的下一周期，直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。•通过改变触发角α的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然α=180º时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。3.2.1单相半波可控整流电路)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图3-2-1单相半波可控整流电路（电阻性负载）及波形3-6首先，引入两个重要的基本概念：•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α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θ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α的控制范围为:0～π，对应的导通角θ的可变范围是π～0，两者关系为α＋θ=π。3.2.1单相半波可控整流电路3-72.基本数量关系(1)直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id2cos145.02cos1π2dsin2π21222daawwpaUUttUU2cos10.452ddaRURUI3.2.1单相半波可控整流电路输出电流平均值Id:直流输出电压平均值Ud:3-8(2)输出电压有效值U与输出电流有效值Iπ2π2sinπ41d2sin2π2122aapawwUttUUπ2π2sinπ412aaRURUI3.2.1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:3-9(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：π2π2sinπ4122TaaRUIII3.2.1单相半波可控整流电路3-10(4)功率因数cosφ•整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值式中P—变压器二次侧有功功率，P=UI=I2RS—变压器二次侧视在功率，S=U2I2(5)晶闸管承受的最大正反向电压UTM晶闸管承受的最大正反向电压UTM是相电压峰值。π2π2sinπ41cos222aaIUUISPUUTM223.2.1单相半波可控整流电路3-11〖例3-1〗如图所示单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50V，直流输出平均电流为20A。试计算：(1)晶闸管的控制角。(2)输出电流有效值。(3)电路功率因数。(4)晶闸管的额定电压和额定电流。3.2.1单相半波可控整流电路3-12解:(1)0122045.0502145.02cos2dUUaA44.4π2π2sinπ412aaRURUI当α=90º时，输出电流有效值505.022020504.44cos2222UUIUUISP(3)5.22050ddIURΩ(2)则α=90º3-13(4)晶闸管电流有效值IT与输出电流有效值相等，即：IIT)2~5.1(57.1TT(AV)IIA6.56T(AV)IV311220222mUUV933~622311)3~2()3~2(mTNUU（5）晶闸管承受的最高电压：考虑(2~3)倍安全裕量，晶闸管的额定电压为根据计算结果可以选取满足要求的晶闸管。取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为：则3-143.2.1单相半波可控整流电路2）电感性负载电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等。电感性负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。图3-2-2带阻感负载的单相半波电路及其波形a)u1TVTRLu2uVTudidu20wt1p2pwtwtwtwtwtug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++3-15图3-2-3带阻感负载(不接续流管)的单相半波电路及其波形1.无续流二极管时工作原理0~α：uAK大于零，但门极没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等于零。在ωt=α时，门极有触发信号，晶闸管被触发导通，负载电压ud=u2。当ωt=π时，交流电压u2过零，由于有电感电势的存在，晶闸管的电压uAK仍大于零，晶闸管会继续导通，电感的储能全部释放完后，晶闸管在u2反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周。3.2.1单相半波可控整流电路有负面积3-16数量关系直流输出电压平均值Ud为从Ud的波形可以看出，由于电感负载的存在，电源电压由正到负过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；当大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零，则Id也很小。所以，实际的大电感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。qaawwp)(sin2212ttdUUd3.2.1单相半波可控整流电路3-172.接续流二极管时工作原理•u2＞0：uAK＞0。在ωt=α处触发晶闸管导通，ud=u2续流二极管VDR承受反向电压而处于断态。•u2＜0：电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，晶闸管承受反压关断,ud=0。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续。3.2.1单相半波可控整流电路图3-2-4带阻感负载(接续流管)的单相半波电路及其波形u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)3-18•由以上分析可以看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。•对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流电路电阻性负载相同为0～180º，且有α+θ=180º。3.2.1单相半波可控整流电路3-19基本数量关系(1)输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud输出电流平均值Id2cos145.02cos1π22dsin22π212daawwpaUUttUU2cos10.45dddaRURUI3.2.1单相半波可控整流电路3-20(2)晶闸管的电流平均值IdT与晶闸管的电流有效值IT晶闸管的电流平均值IdT：晶闸管的电流有效值IT：d2π-πdTIIad2)(2d21TItdIIpappawp3.2.1单相半波可控整流电路3-21(3)续流二极管的电流平均值IdD与续流二极管的电流有效值IDddD2ππIIad02dD2)(21ItdIIpapwpap3.2.1单相半波可控整流电路3-22•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。–实际上很少应用此种电路。–分析该电路的主要目的是建立起整流电路的基本概念。3.2.1单相半波可控整流电路3.2.2单相全控桥式整流电路1)带电阻负载的工作情况a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-2-5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。电路结构单相全控桥式整流电路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)3-24数量关系1)输出直流电压平均值Ud及有效值U（a角的移相范围为180。）paaapwwp2cos19.02cos122)(dsin21222dUUttUU2cos19.02cos12222ddaapRURURUI2cos145.0212aRUIIddT3.2.2单相全控桥式整流电路ppppppaaUaaUU2sin2122sin412222)输出直流电流平均值Id3)晶闸管电流平均值IdT和有效值ITpwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,43-253.2.2单相全控桥式整流电路papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222RUttRUITpapapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIpapap2sin21cos2IUUISP5)功率因数4)变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2。pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,43.2.2单相全控桥式整流电路2）带阻感负载的工作情况u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图3-2-6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。3.2.2单相全控桥式整流电路数量关系apaaapwwpcos9.0cos22)(dsin21222dUUttUU晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角θ与a无关，均为180。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。ddT21IIddT707.021III晶闸管承受的最大正反向电压均为。22U2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,43-28电感性负载（接续流二极管）为了扩大移相范围，使ｕｄ波形不出现负值且输出电流更加平稳，可在负载两端并接续流二极管，如图3-2-7a电路所示。接续流管后，α的移相范围可扩大到0～π。α在这区间内变化，只要电感量足够大，输出电流id就可保持连续且平稳。在电源电压u2过零变负时，续流管承受正向电压而导通，晶闸管承受反向电压被关断。这样ud波形与电阻性负载相同