电力电子技术-第五章 AC-DC变换器2ppt课件

1、杨淑英合肥工业大学电气与自动化工程学院电 力 电 子 技 术Power Electronic Technology12345相控有源逆变电路相控有源逆变电路 PWM整流电路整流电路 同步整流电路同步整流电路 6概述概述 不控整流电路不控整流电路 相控整流电路相控整流电路基本内容 5.3 相控整流电路相控整流电路 开关管导通位置完全有外电路决定，而器件自身不能对输出电压平均值加以调整。可控整流电路 若将不控整流电路中的整流二极管换成晶闸管或GTR等可控器件，则整流电路就成为可控整流电路。 其中以晶闸管为整流器件的相控整流电路是经典的可控整流电路，该整流电路有多种形式，其负载有电阻负载、阻感负载和

2、反电势负载等，负载的性质不同，晶闸管整流电路的工作情况也不一样，但它们都基于一个工作原理移相控制技术。 5.3 相控整流电路相控整流电路 1.1. 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路 5.3.1 移相控制技术 为便于分析，可将为便于分析，可将SCR作作为理想开关元件，即导通为理想开关元件，即导通时管压降为零，关断漏电时管压降为零，关断漏电流为零，且导通与关断为流为零，且导通与关断为瞬时完成的瞬时完成的 5.3.1 移相控制技术 几个概念的解释：几个概念的解释： udud为脉动直流，波形只在为脉动直流，波形只在u2u2正半周正半周内出现，故称内出现，故称“半波半波整流整流 采用了可控器件晶

3、闸管，且交流输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入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路控整流电路 udud波形在一个电源周期中只脉动波形在一个电源周期中只脉动1 1次次，故该电路为单脉波整流电路，故该电路为单脉波整流电路 5.3.1 移相控制技术 几个重要的基本概念：几个重要的基本概念： 触发延迟角：从晶闸管开始承受正触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度电角度, ,用用表示表示, ,也称触发角或控也称触发角或控制角，晶闸管整流电路是通过控制制角，晶闸管整流电路是通过控制触发脉冲的起始相位对输出电压大触发脉冲

4、的起始相位对输出电压大小进行控制，故称之为相控电路。小进行控制，故称之为相控电路。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用通态的电角度，用(=- )(=- )表示表示 5.3.1 移相控制技术 几个重要的基本概念：几个重要的基本概念： 移相：改变触发脉冲出现的时刻，移相：改变触发脉冲出现的时刻，即改变触发角的大小称为移相。并即改变触发角的大小称为移相。并且这种改变触发角的大小可使整流且这种改变触发角的大小可使整流平均电压发生变化的控制方式称为平均电压发生变化的控制方式称为移相控制。移相控制。 移相范围：改变触发角移相范围：改变触发角使得整使得整流输出

5、电压的平均值从最大值降流输出电压的平均值从最大值降到零，此时，到零，此时， 角对应的范围称角对应的范围称为移相范围。为移相范围。 5.3.1 移相控制技术 几个重要的基本概念：几个重要的基本概念：同步：使触发脉冲与相控整流同步：使触发脉冲与相控整流电路的电源电压之间保持频率电路的电源电压之间保持频率和相位的协调关系称为同步。和相位的协调关系称为同步。 换流：在相控整流电路中，由一换流：在相控整流电路中，由一路晶闸管导通变换为另一路晶闸路晶闸管导通变换为另一路晶闸管导通的过程称为换流，也称换管导通的过程称为换流，也称换相相communicationcommunication）。）。 5.3.1

6、移相控制技术 基本数量关系基本数量关系 直流输出电压平均值为直流输出电压平均值为2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222UUttdUUd Ud是的函数， =0，Ud=0.45U2， =180o时，Ud=0，因而， 的移相范围为180o或者表示为0180o。 5.3.1 移相控制技术 2.2.单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路 5.3.1 移相控制技术 克服了直流磁化现象电压的脉动频率增加 5.3.1 移相控制技术 3. 3. 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路1 1带电阻负载工作带电阻负载工作 5.3.1 移相控制技术 5.3.1 移相控制技术 3. 单相桥式相

7、控整流电路单相桥式相控整流电路1带电阻负载工作带电阻负载工作 由以上分析可知，在交流电源u2的正负半周内，VT1、VT4和VT2、VT3两组SCR轮流触发导通，将交流电转变为脉动的直流电。 改变触发时刻即改变输出电压电流波形。直流平均值也相应改变。 SCR承受的最大反向电压为 假定两晶闸管漏电阻相等，则每个元件承受的最大正向电压等于 变压器二次侧电流波形正负半周方向相反，波形对称，平均值为0，则直流分量为0。不存在变压器直流磁化。22U22/2U 5.3.1 移相控制技术移相控制技术 数量关系数量关系22212sind()2 21 cos1 c0.9os22UUttUUd2cos19.02co

8、s12222RURURUIdd2cos145. 0212ddVTRUII角的移相范围为180。 5.3.1 移相控制技术 数量关系数量关系2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII2sin212)(d)sin2(21222RUttRUIVT 5.3.1 移相控制技术 2 2带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况 工作原理及波形分析工作原理及波形分析LRLR）为便于讨论，假设电路已工作为便于讨论，假设电路已工作于稳态，于稳态，idid的平均值不变的平均值不变。 5.3.1 移相控制技术 数量关系数量关系ddVTI21Idd2dVTI707. 0I21tdI21I 晶闸管移相范围为

9、90。变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由角决定，有效值： 晶闸管承受的最大正反向电压均为22Ucos9.0cos22)(dsin21222dUUttUUcos9.0cos22)(dsin21222dUUttUUd22ItdI1IId 5.3.1 移相控制技术 3 3带反电动势负载时的工作情况带反电动势负载时的工作情况 实际中有些负载可看作是直流电源，比如被充电的蓄电实际中有些负载可看作是直流电源，比如被充电的蓄电池，正在运行的直流电动机的电枢忽略电枢电池，正在运行的直流电动机的电枢忽略电枢电感）。这类负载在可控整流电路中是反电势负载，感）。这类负载在可控整流电路中是反电

10、势负载，其等效电路用电势其等效电路用电势E E和内阻和内阻R R表示。表示。在在|u2|E |u2|E 时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能 5.3.1 移相控制技术 SCR导通期间，输出整流电压ud=E+idR，在SCR关断期间，负载端电压保持为E。电流出现断流，当|u2|降至E，id即降至0，SCR关断。即晶闸管提前了停止导电，称为停止导电角。212sinUE 5.3.1 移相控制技术 在角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。E)cos(cosU21 ) t(tdsinU2E)(1U22d若3030 （6060 ）的情况）的情况负载电流断续，晶闸管导

11、通角小于120= 30为电流连续的临界状态5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾倍压不可控整流电路上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾SCR承受正向电压最大值为相电压峰值SCR承受反向电压最大值为线电压峰值5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算 （1a30时，负载电流连续，有时，负载电流连续，有 cosU.) t(tdsinUUd265621712321)cos(U.) t(tdsi

12、nUUd6167502321262（2a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算 （1a30时，负载电流连续，有时，负载电流连续，有 cosU.) t(tdsinUUd265621712321)cos(U.) t(tdsinUUd6167502321262（2a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：电阻负载时，移相范围为150o5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 晶闸管平均电流为3IIVTdd 晶闸管电流有效值IVT和变压器副方绕组电流有效值I2：622265622

13、22211503022130/VT/VTtd)RtsinU(IItd)RtsinU(II5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路2. 阻感负载阻感负载特点：阻感负载，特点：阻感负载，L值很大，值很大，id波形基本平直波形基本平直a30时：整流电压波形与电阻负载时相同时：整流电压波形与电阻负载时相同a 30时如时如a=60时的波形）时的波形）5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路3030 时的工作波形时的工作波形5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路a=60时的工作波形时的工作波形5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 数量关系数量关系 若负

14、载中电感足够大，负载电流连续，若负载中电感足够大，负载电流连续，那么：那么： 21.17cosddUUIRR2RMFM45. 2UUU5262612sin()21.17co3sUUtdtUd负载电流的平均值晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值晶闸管电流的有效值213VTdIII5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 Ud/U2随随a变化的规律如下图中的曲线变化的规律如下图中的曲线1所示。所示。03060901201500.40.81.21.17321/( )Ud/U2纯电阻负载电感足够大阻感负载移相范围090o5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路三相半

15、波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路当负载为蓄电池、直流电动机的电枢时，负载可看成是一个直流电压源，对于整流电路而言，它们就是反电动势负载。设反电动势为E，若在时触发晶闸管VT1，由于此时uaE，VT1承受反压不能导通。而在t1时，由于uaE，VT1承受反压而关断，此时VT2尚未导通，id=0，而ud=E。3) 三相半波共阴极相控整流电路带反电动势负载三相半波共阴极相控整流电路带反电动势负载5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路REUIdd在角相同时，

16、该电路整流输出电压平均值比带电阻负载时大。若电路带有足够大的电感时负载电流id连续，其负载电压ud波形连续，与带大电感负载时的负载电压ud波形相同。波形近似为水平直线，但幅值即整流输出电流的平均值为4、共阳极接法、共阳极接法=0，自然换流点5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路5.3.2 三相半波相控整流电路 三相半波相控整流电路晶闸管元件少，只需三套触发装置，控制比较容易，但缺点也很明显： 1变压器每相绕组只有1/3周期流过电流，变压器利用率低；5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路2变压器二次侧的电流为单方向，易造成变压器铁心直流磁化。而且在三铁心变压器中，三相

17、直流励磁方向相同，磁通互相抵制，在铁芯中无法形成通路，只能从空气隙或外壳中通过，产生较大的漏磁通，引起附加损耗。若不用整流变压器，将三相半波相控整流电路直接接入电网，直流分量会流入电网，除引起电网额外损耗外，还会增大零线电流，则必须加大零线截面积。因此三相半波可控整流电路一般用于中、小容量设备。5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 VT1，VT3，VT5组成共阴极组，VT4，VT6，VT2组成共阳极组。1. 带电阻负载时的工作情况带电阻负载时的工作情况a =0时的情况时的情况因负载得电，至少应同时在共阳极和共因极组各有一个SCR导通。因而，在触发当前SCR时，其前紧邻序号SCR

18、依然有有效触发脉冲。5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路1. 带电阻负载时的工作情况带电阻负载时的工作情况a =0时的情况时的情况对三相桥式相控整流电路，为保证序号相邻的两个晶闸管同时有有效触发信号，触发时通常采用两种方法：一种是宽脉冲触发，即触发脉冲宽度大于60o，且小于120o；另一种是双脉冲触发，即用两个窄脉冲代替宽脉冲。5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路1. 带电阻负载时的工作情况带电阻负载时的工作情况a =0时的情况时的情况5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路1. 带电阻负载时的工作情况带电阻负载时的工作情况a =0时的情况时的情况5

19、.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路从相电压波形看，共阴极组晶闸从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，管导通时，ud1为相电压的正包络为相电压的正包络线，共阳极组导通时，线，共阳极组导通时，ud2为相电为相电压的负包络线，压的负包络线，ud=ud1 - ud2是两是两者的差值，为线电压在正半周的者的差值，为线电压在正半周的包络线包络线直接从线电压波形看，直接从线电压波形看， ud为线为线电压中最大的一个，因此电压中最大的一个，因此ud波形波形为线电压的包络线为线电压的包络线5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 三相桥式相控整流电路的特点三相桥式相控整流电路的特点

20、1任何时刻，必须有共阴极组和共阳任何时刻，必须有共阴极组和共阳极组各一个晶闸管同时通才有通路，极组各一个晶闸管同时通才有通路，且不能为同相且不能为同相 2对触发脉冲的要求：对触发脉冲的要求： 按按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺的顺序，相位依次差序，相位依次差60 共阴极组共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依的脉冲依次差次差120，共阳极组，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差也依次差120 同一相的上下两个桥臂，即同一相的上下两个桥臂，即VT1与与VT4，VT3与与VT6，VT5与与VT2，脉冲，脉冲相差相差1805.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路三相

21、桥式相控整流电路的特点三相桥式相控整流电路的特点3ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路4需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发；另一种是双脉冲触发常用）5=0晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。晶闸管一周期导通120。5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路的特点三相桥式相控整流电路的特点6与三相半波可控直流电路相比： 克服了其直流磁化问题 相同U2时，SCR耐压相同，但可输出的Ud比三相半波高5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 a=30时工作情

22、况时工作情况5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 a=60时工作情况时工作情况5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 当当a60时，如时，如a=90时的工作情况时的工作情况5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 当当a60时，如时，如a=90时的工作情况时的工作情况5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 整流电压平均值：整流电压平均值： a60时时 （以线电压（以线电压uab过零点为坐标原点）过零点为坐标原点）2322316sin()cos/2 343.UUtdtUd22336sin()1cos()2.334UUtdtUda 60时：

23、输出电流平均值为 ：Id=Ud /Rud 1ud 2 = 3 0 iaOtOtOtOtudua bua cuaubuct1ua bua cub cub auc auc bua bua cua bua cub cub auc auc bua bua cuV T1ud 1ud 2uduaubucuaubtOtOtOtOtOiaidua bua cub cub auc auc bua bua cub cub aiV T15.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 小结小结 当当a60时，时，ud波形均连续，对波形均连续，对于电阻负载，于电阻负载，id波形与波形与ud波形形波形形状一样，也连

24、续状一样，也连续 当当a60时，时，ud波形每波形每60中有中有一段为零，一段为零，ud波形不能出现负值波形不能出现负值 带电阻负载时三相桥式全控整流带电阻负载时三相桥式全控整流电路电路角的移相范围是角的移相范围是120。= 120对应线电压过零点对应线电压过零点5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路2阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况a =0时时5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路3030 时时ud1= 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuactOtOtOtOidiat1uaubucTVT2VT1VT3RbcaVT5VT6VT4d1d

25、2udLid5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路TVT2VT1VT3RbcaVT5VT6VT4d1d2udLid60，电压电流波形连续，与带电阻负载时非常相似。6060 时时5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路2阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况a =90时时5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路TVT2VT1VT3RbcaVT5VT6VT4d1d2udLid2阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况a =90时时5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 整流电压平均值整流电压平均值ud1= 30ud2uduabuacubcuba

26、ucaucbuabuactOtOtOtOidiat1uaubuccos34.2)(sin63/123232UttdUUd 输出电流平均值为 ：Id=Ud /RddddI816. 0I3232)I(32I21I222 变压器二次侧电流有效值：负载电流为直线时，电感感应电动势？负载电流为直线时，电感感应电动势？5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，为了对每个导电回路进行控制，只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路。5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路 单相桥式半控整流电

27、路在电阻负载时与单相桥式全控整流电路的工作情况基本相同。 单相桥式半控整流电路在阻感负载时，波形有所不同5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路假设电感足够大5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路假设电感足够大缺失失控现象由于下一触发脉冲的消失使得当前晶闸管无法关断5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路 单相半控桥带阻感负载单相半控桥带阻感负载、有续流二极管的情况、有续流二极管的情况5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路 续流二极管的作用续流二极管的作用 有续流二极管有续流二极管VDRVDR时，续时，续流过程由流过程由VDRVD

28、R完成，晶闸完成，晶闸管关断，避免了某一个管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导晶闸管持续导通从而导致失控的现象。致失控的现象。 续流期间导电回路中只续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于有一个管压降，有利于降低损耗降低损耗 单相桥式半控整流电路的另一种接法单相桥式半控整流电路的另一种接法这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路 基本数量关系：基本数量关系：2cos1U9 . 0) t(tdsinU21U22d2cos1RU9 . 0RUI2dd2ItdI21IId2DVTdddDdVT

29、I2IId02VDRItdI1IddVDRIId22ItdI1Id不会出现负值上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾 考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示换相重叠角表示5.3.5 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响kBdadiLuudt()kBdbdiLuudt 2abduuu显然，实际电压比理想情况低5.3.5 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响 换相压降换相压降与不考虑变压器漏感时相比，每次换向与不考虑变压器漏感时相比，每次换向ud波形均少了一块，导致波形均少了一块，导致Ud平均值降低平均值降低Ud表示，称为换表示，称

30、为换相压降相压降kBbddiLuudt56561() ()2 /3dbdUuudt 56561() ()2 /3kbbBdiuuLdtdt 56561() ()2/3kBdiLdtdt 565612 /3BkL di 32BdX I012 /3dIBkL di5.3.5 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响三脉波32dBdUX I一般表达式2dBdmUX I例如：单相全波m=222dBdUX I 三相全桥m=662dBdUX I 单相全桥？5.3.5 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响u2OtOtOtudidi2OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,42dBdmUX I 单相全桥？单相全桥：m=2，Id=2Id222dBdUXI5.3.5 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响 换相重叠角的计算，以三相半波为例： a22sinuUtb222sin()3uUtakdBdiuuLd