3--二极管整流器

第3章二极管整流器整流(Rectification)：把交流电变换成直流电。整流器(Rectifier)：实现整流的变换器。整流器是出现最早的电力电子变换器。最常用的变流电路。二极管整流器方框图电源为由电网提供的50Hz交流电。通过二极管整流器变换为不控的直流电。二极管整流器价格低廉，应用广泛：如开关电源、交流电机驱动、直流电机伺服驱动。很多场合下，整流器直接由电网供电而不通过工频变压器。对许多电力设备来讲，省去体积大、价格高的变压器是很重要的。学习目的：整流器的拓扑结构整流电路的分析方法单相整流器工作原理三相整流器工作原理电力电子电路的计算机仿真3.1整流器的拓扑结构和基本概念根据交流电源的相数和整流输出对交流电源正负半波的利用情况，AC－DC变换器可分为以下两大类。半波整流器1相，1脉冲整流器2相，2脉冲整流器3相，3脉冲整流器全波整流器1相，2脉冲整流器3相，6脉冲整流器脉冲数指交流电1个周期内整流输出电压中包含的正弦波的波数。单相变压器副边绕组有中心抽头，可获得2相交流电。3.1.1整流器的分类3.1.2整流器的拓扑结构单相半波两相半波三相半波单相桥式三相桥式开关器件工作特点开关两端电压为正时，导通。开关两端电压反转时，关断。常采用二极管（晶闸管）作为开关器件。二极管理想特性晶闸管理想特性3.1.3开关器件的选择LRE电阻（R）阻感（R-L）（如：电磁铁）电感－恒压型负载(voltagesink)（L-E）（如：直流电动机）恒流型负载(currentsink)（L极大）（如：直流电动机,电磁铁）电容－电阻（R－E，E为电容）恒压型负载（E，E为大电容）3.1.4整流器负载的基本形式纯电阻负载3.1.5整流器在不同负载下的工作特点特点：负载上电压、电流同相位。svRi阻感负载sdivRiLdt1,sRtvviL之前，建立，储能增加13,sRttvviL～，减小，储能释放230,0sttviL～，，储能使D1导通特点：负载电流滞后于电压，电感储能使二极管导通时间延长。()diodesLRvvvv3330000LttLtdivLdtdivdtLdtdtLdiAreaAAreaB•电感的作用储存电能释放电能=包含恒压型负载•二极管导通时刻•后，二极管仍可导通一段时间sdvEsdvE特点：负载中的电势影响了二极管的导通时刻()diodesLdvvvE3.2单相二极管桥式整流器电路结构滤波电容电压源•电路虽然简单，但求取电压、电流波形的函数形式是很繁琐的。因而往往要借助仿真工具来分析电路。内阻抗市电供电模型理想化的二极管桥式整流电路首先以电阻和恒流型负载形式为例分析简化整流电路工作原理，然后讨论实际的二极管整流电路。二极管的通断规律•电流从共阴组流出，从共阳组流入共阴极组共阳极组在共阴组中，阳极电位最高的器件正偏导通，其它器件反偏截止在共阳组中，阴极电位最低的器件正偏导通，其它器件反偏截止课间•输出电压vd和电流id1,23,40,0,sdssdsvDvvvDvv导通,导通,()dsvtv3.2.1电阻型负载下理想电路的工作原理wtvsO-vswtvsO-vs•输入电流（电源电流)isif0if0dssdsiviivwtvsO-vs•输出电压vd和电流id()dsvtv特点：vd表达式同电阻负载，只是id电流波形不同3.2.2恒流型负载下理想电路的工作原理wtvsO-vs•输入电流（电源电流)isif0if0dssdsiviiv特点：is表达式同电阻负载，只是电流波形不同012sin()01(2cos)220.9dssssVVtdtVtVVwwwdV3.2.3对理想电路的定量分析•整流输出电压平均值Vd•交流侧电流(恒流型负载）对交流侧输入电流is傅立叶分解2211()2(sinsin3sin5)35sditItttdIdI输入电流总有效值基波有效值谐波有效值电流畸变率sdII122sdII10hhshsIIh为偶数为奇数2211148.43%ssdisissIIITHDII基波因数位移因数•交流侧功率因数(恒流型负载）•负载为大电容时可近似看作直流侧电压为恒定3.2.4恒压型负载下电路的工作原理电源侧电感直流侧电压为恒定电压电流波形1,2btDw导通pdtiw＝达最大12fdtiDw＝=0,关断tw整流器特性（1）直流侧电流对交流输入电流畸变及功率因数的影响输入电流畸变率功率因数位移因数sshortcircuitsVILw•Id较小时，THD较高，PF较低。•Ls增大时，THD下降，PF提高。整流器特性（2）直流侧电流与整流输出电压的关系•Id变化时，整流输出电压Vd在一定范围内波动,speaksIcrestfactorI振幅系数•实际电路中，电容不会无穷大，则电容上的电压会出现脉动。与恒压型负载时有所区别.•分别通过解析计算和电路仿真手段来研究电源模型滤波电容等效负载3.2.5实际的二极管整流器的解析计算等效电路（不出现换流重叠现象）()bfatttdssdsddivRiLvdtddddloaddvviCdtR•电流不连续时条件下的电路解析计算分两段计算：a)二极管导通段b)二极管截至段bfttt12fbtttT化为矩阵微分方程形式（状态方程）xAxBu11110sdssdssddddloadRdiLLidtLvvdvCCRdtXABu上式可求得解析解，也可通过MATLAB计算求解1()2fbbtttT0di1dddloaddvvdtCR()()()fdloadttCRddfvtvte工业应用中，三相整流电路较为常用三相整流电路的优点：输出波形脉动小，功率更大三相6脉冲桥式整流电路最为常用3.3三相二极管桥式整流器dPnNnvvv共阴组和共阳组中二极管导通规律与单相桥式整流器类似利用交流电源中点n来分析波形3.3.1理想化的电路（Ls=0)dPnNnvvv每个电源周期中，vd由6段线电压组成1.整流输出电压wtOuaubucPnvNnv课间wtOuaubucuduabuacubcubaucaucbuabuacwtO每个电源周期中，vd的波形为电源线电压正向包络线•每个器件导通120°14140dadIDiIDD，通通断2.交流电源电流uduabuacubcubaucaucbuabuacwtOai•器件顺序：1～6器件的标号表示其导通的顺序。•每一时刻有2个器件导通3.器件导通规律t=0选在vab最大值处LLV电源线电压有效值3.输出电压平均值2cos(~)66dabLLvvVtw6612cos()1.35/3doLLLLVVtdtVww•线电流有效值•基波有效值•功率因数•谐波有效值15,7,11,13sshIIhh611112(sinsin5sin7sin11sin13)571113adiIttttt4.功率因数23sdII10.78sdII•假设id断续•任何时候只有2个二极管导通•等效电路如（b）所示1352,4,6inPNvDDDD，，为某一线电压为中一个为中一个3.3.2恒压型负载•直流侧电流对交流输入电流畸变及功率因数的影响1/3LLshortcircuitsVILw•电流小时，THD很高•Ls增加会使THD减小•直流侧电流与整流输出电压的关系•电流变化时，平均电压波动较小3.3.3实际的三相桥式二极管整流电路小电感Ls可使电流id连续3.4二极管整流器的应用问题•输入电流畸变3.4.1单相与三相整流器的比较单相桥式整流三相桥式整流单相整流器畸变更大•功率因数单相桥式整流三相桥式整流三相整流器功率因数更高•输出电压的脉动三相桥式整流单相桥式整流三相整流输出电压脉动小，频率高，所需滤波电容较小•直流电压Vd变化范围单相桥式整流负载变化时三相整流器Vd变化范围小于5％，远小于单相整流器的变化范围结论:在大功率系统中，建议采用三相桥式整流器。三相桥式整流•整流器的交流侧输入电流是非正弦的，且畸变很严重。•由于线电流中含有大量谐波导致功率因数较差。•随着电力电子装置的增加，整流器发挥着越来越重要的作用。•众多整流器产生的大量谐波电流注入电网后，对电力系统及其他用电设备带来很多不利的影响。3.4.2线电流谐波和功率因数补偿问题本章内容3.1整流器的拓扑结构和基本概念3.2单相二极管桥式整流器•3.2.1电阻型负载下理想电路的工作原理•3.2.2恒流型负载下理想电路的工作原理•3.2.3对理想电路的定量分析•3.2.4恒压型负载下电路的工作原理•3.2.5实际的二极管整流器的解析计算•3.2.6实际的二极管整流器的电路仿真3.3三相二极管桥式整流器•3.3.1理想化的电路（Ls=0)•3.3.2恒压型负载•3.3.3实际的三相桥式二极管整流电路3.4二极管整流器的应用问题3.4.1单相与三相整流器的比较3.4.2线电流谐波和功率因数补偿问题1)二极管整流器的种类和拓扑结构。2）单相二极管桥式整流电路单相二极管桥式整流电路的电路结构理想化的二极管桥式整流电路：电阻和恒流负载下的波形，整流输出电压平均值的计算，输入电流谐波的特点，功率因数的计算。反电势负载时的工作特性：恒压负载时的波形，直流侧电流对交流输入电流畸变、功率因数及整流输出电压的影响。本章重点3）三相二极管桥式整流电路三相二极管桥式整流电路的电路结构理想化的三相二极管桥式整流电路：二极管的通断规律，波形分析的方法，恒流负载下的波形，整流输出电压平均值的计算，输入电流谐波的特点，功率因数的计算。反电势负载时的工作特性：恒压负载时的波形，直流侧电流对交流输入电流畸变、功率因数及整流输出电压的影响。4）二极管整流器的应用问题单相与三相整流器的比较：输入电流畸变、功率因数、输出电压脉动及输出电压的稳定程度。结束