整流电路电力电子

《电力电子技术》电子教案第2章整流电路(Rectifier)PowerElectronicsTechnology《电力电子学－电力电子变换和控制技术》，陈坚，高等教育出版社，2002.1JaiP.Agrawal《PowerElectronicsSystems-TheoryandDesign》，方承远编，机械工业出版社，2001.8引言整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电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本章内容：可控整流电路：工作原理（波形分析）、基本数量关系、负载性质的影响变压器漏抗对整流电路的影响电容滤波的二极管整流电路(X)整流电路的谐波和功率因数分析大功率场合的整流电路(X)相位控制电路的驱动控制知识点回顾：L、C是储能元件，L上电流不能突变，C上电压不能突变。分析方法：将电力电子器件理想化，当器件导通时，阻抗为0；当器件断开时，阻抗为无穷大。通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算。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计算公式：1、平均电流计算公式2、电流有效值计算公式TdttiTI0)(1TMdttiTI02)(13.1单相可控整流电路交流侧接单相电源重点注意：工作原理（波形分析）、定量计算、不同负载的影响。3.1.1单相半波可控整流电路SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier1.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：电压与电流成正比，两者波形相同TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)003.1.1单相半波可控整流电路几个概念的解释：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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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:θ=-TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)002cos145.0)cos1(22)(sin221222UUttdUUd直流输出电压平均值VT的移相范围为0--180这种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TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00基本数量关系阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变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，分段进行分析计算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a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++图2-2带阻感负载的单相半波电路及其波形2.带阻感负载的工作情况tURitiLsin2dd2dd)sin(2)sin(22)(2dtZUeZUitLR22)(LRZRLarctan)sin()sin(tanea)b)VTRLVTRLu2u2图2-3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（2-3）（2-2）（2-4）VT处于通态时：初始条件：ωt=，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得其中当ωt=θ+时，id=0，代入式（2-3）并整理得负载阻抗角、触发角a、晶闸管导通角的关系若为定值，a越大，在u2正半周L储能越少，维持导电的能力就越弱，θ越小若a为定值，越大，则L贮能越多，θ越大；且越大，在u2负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通的时间，ud中负的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。)sin()sin(tane超越方程，用迭代法求解a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++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a)LTVTRu1u2uVTudVDRidu2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRiVDR图2-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管ddVDRII2ddVDRItdII2)(2122ddVT2IId2dVT2)(21ItdII若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有VTVDR数量关系a)LTVTRu1u2uVTudVDRidu2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRiVDR2cos145.0)(sin22122UttdUUd直流输出电压平均值a)LTVTRu1u2uVTudVDRidu2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRiVDR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在于利用其简单易学的特点，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3.1.2单相桥式全控整流电路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RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,4图2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形1.带电阻负载的工作情况双脉波整流电路变压器无磁化现象2cos19.02cos122)(dsin21222UUttUUd2cos19.02cos12222ddRURURUI数量关系a角的移相范围为180。RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,42sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIII21VT2sin212)(d)sin2(21222RUttRUIVT不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,42cos145.0212ddVTRUII为便于讨论，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，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断至ωt=π+时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图2-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形2.带阻感负载的工作情况cos9.0cos22)(dsin21222dUUttUUVT2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，亦称换流晶闸管移相范围为90。晶闸管承受的最大正反向电压均为晶闸管导通角θ与a无关，均为18022uTabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4ddT21IIddT707.021III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。TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4RUIdd3.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即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E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。（2-16）在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。a)b)REidudidOEudtIdOt图2-7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REuidd212sinUE如图2-7b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的点的情况，称为电流连续。当时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，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电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。a)b)REidudidOEudtIdOtOud0Eidtt=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a)b)REidudidOEudtIdOt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为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出（2-17）][1087.222dmin23dmin2HIUIUL3.1.3单相全波可控整流电路a)b)u1TRu2u2i1VT1VT2ududi1OOtt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两者的区别（1）单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多（2）单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压为U2，是单相全控桥的2倍（3）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22图2-9单相全波可控整流电路及波形a)b)u1TRu2u2i1VT1VT2ududi1OOttRTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,4a)b)u1TRu2u2i1VT1VT2ududi1OOtt=90°0-110-2-10120