电力电子技术 第2章 整流电路 自学最佳课件.doc

本文由vipcuibo贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第2章 章 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 整流电路 单相可控整流电路 三相可控整流电路 变压器漏感对整流电路的影响 电容滤波的不可控整流电路 整流电路的谐波和功率因数 大功率可控整流电路 整流电路的有源逆变工作状态 2.8 晶闸管直流电动机系统 2.9 相控电路的驱动控制 本章小结 2-1 第2章 章 整流电路： 整流电路引言 整流电路 引言 出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。 整流电路的分类： 整流电路的分类 按组成的器件可分为不可控 半控 全控 不可控、半控 全控三种。 不可控 半控、全控 按电路结构可分为桥式电路 零式电路。 桥式电路和零式电路 桥式电路 零式电路。 按交流输入相数分为单相电路 多相电路。 单相电路和多相电路 单相电路 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 单拍电路 双拍电路。 双拍电路 2-2 第2章 章 2.1 整流电路 单相可控整流电路 2.1.1 单相半波可控整流电路 2.1.2 单相桥式全控整流电路 2.1.3 单相全波可控整流电路 2.1.4 单相桥式半控整流电路 2-3 2.1.1 单相半波可控整流电路 单相半波可控整流电路(Single Phase Half Controlled Rectifier) T Wave VT u VT 2 id u d 1）带电阻负载的工作情况 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 电阻负载的特点 与电流成正比，两者波 a) u 1 u R u b) 2 0 u c) 0 u d) 0 u VT e) d g t 1 2 t t t 形相同。 0 t 单相半波可控整流电路及波形 2-4 2.1.1 单相半波可控整流电路 基本数量关系 首先，引入两个重要的基本概念： 触发延迟角： 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，用表示 。 导通角 直流输出电压平均值为 1 2U2 1+ cos (1+ cos) = 0.45U2 Ud = 2U2 sin td(t) = 2 2 2 VT的 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 相位控制方式，简称相控方式 相控方式。 相位控制方式 相控方式 2-5 2.1.1 单相半波可控整流电路 2) 带阻感负载的工作情况 阻感负载的特点：电感 阻感负载的特点 u2 对电流变化有抗拒作用， 使得流过电感的电流不 发生突变。 讨论负载阻抗角 ? 、触发 角a、晶闸管导通角的 关系。 b) 0 ug c) 0 ud t 1 2 t t + d) 0 id e) 0 u f) 0 VT + t t t 带阻感负载的 单相半波电路及其波形 2-6 2.1.1 单相半波可控整流电路 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。 VT VT L u2 R a) b) u2 L R 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。 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 2-7 2.1.1 单相半波可控整流电路 VT 当VT处于通态时，如下方程 成立： di L d + Rid = 2 2 sint U dt 初始条件：t= ，id=0。求解上式并将初始 条件代入可得 id = ? 2U2 sin( ?)e Z R ? (t ? ) L L u 2 R b) b) VT处于导通状态 + L ? = arctan ? 其中 Z = R + (L) ， R 2 2 2U2 sin( t ?) Z 当t=+时，id=0，代入上式并整理得 sin ?)e ( tan? = sin + ?) ( 2-8 2.1.1 单相半波可控整流电路 续流二极管 当u2过零变负时，VDR导通， 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。 续流 a) ud为零，VT承受反压关断。 b) u2 O ud c) O id d) O i VT e) O i VD f) O u VT g) O R t1 t t Id 数量关系( 数量关系 id近似恒为Id） IdVT t Id - + 1 2 ? IVT = Id d(t) = Id 2 2 + IdVDR = Id 2 1 2 + 2 + IVDR = Id d(t) = Id 2 2 ? = Id 2 t t t 单相半波带阻感负载 有续流二极管的电路及波形 2-9 2.1.1 单相半波可控整流电路 单相半波可控整流电路的特点 VT的 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。 2-10 2.1.2 单相桥式全控整流电路 单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier) 1) 带电阻负载的工作情况 电路结构 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。 a) d ud id b) 0 u VT c) 0 i2 d) 0 u d (i ) t 1,4 t t 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形 2-11 2.1.2 单相桥式全控整流电路 数量关系 2 2U2 1+ cos 1+ cos Ud = 2U2 sin td(t) = = 0.9U2 2 2 a 角的移相范围为180。 1 向负载输出的平均电流值为： Id = Ud 2 2U2 1+ cos U 1+ cos = = 0.9 2 R R 2 R 2 ud id b) 0 u VT c) 0 i2 d) 0 d d 流过晶闸管的电流平均值只有 输出直流平均值的一半，即： 1 U2 1+ cos IdVT = Id = 0.45 2 R 2 t 1,4 t t 2-12 2.1.2 单相桥式全控整流电路 流过晶闸管的电流有效值： ? U2 1 1 2U2 2 IVT = ( R sin t) d(t) = 2R 2 sin 2 + 2 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： 2U2 U2 2 I = I2 = ( R sint) d(t) = R 1 由以上两式得： 1 ? sin 2 + 2 ud id d d IVT 1 = I 2 b) 0 u VT t 1,4 不考虑变压器的损耗时，要 求变压器的容量 S=U2I2。 c) 0 i2 d) 0 t t 2-13 2.1.2 单相桥式全控整流电路 2）带阻感负载的工作情况 ） 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 t=+ 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 换相，亦称换流 换流。 换相 换流 u2 O ud O id i VT O 1,4 t t Id Id Id Id Id t t t t t i VT O 2,3 O i2 u VT O 1,4 O b) 单相全控桥带 阻感负载时的电路及波形 2-14 2.1.2 单相桥式全控整流电路 数量关系 Ud = 1 + 2U2 sintd(t) = 2 2 U2 cos = 0.9U2 cos 2 晶闸管移相范围为90。 晶闸管承受的最大正反向电压均为 电流的平均值和有效值： 2U 2。 O ud O id i VT O 1,4 t t Id Id Id Id Id 晶闸管导通角与a无关，均为180。 t t t t t i VT O 2,3 O i2 IdT = 1 Id 2 IT = 1 2 Id = 0.707Id u VT O 1,4 O b) 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。 2-15 2.1.2 单相桥式全控整流电路 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 ? E ud=u2， id = ， R 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶闸管关断，此后ud=E 。 ud E O id Id O t t b) 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 与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电， E 称为停止导电角， = sin?1 2 2 U 在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。 2-16 2.1.2 单相桥式全控整流电路 如图所示id波形： ud E O i d t I 电流连 续 d O 电流断续 t b) 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻 电阻负载时的波形 电阻 当 30的情况 ? 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。 u2 =60 u a ub uc O uG O ud O 1 t t t iVT O t 三相半波可控整流电路，电阻负载， a=60时的波形 2-30 2.2.1 三相半波可控整流电路 整流电压平均值的计算 a30时，负载电流连续，有： 1 Ud = 2 3 5 + 6 + 2 2 sin td(t) = U 6 3 6 U2 cos =1.17U2 cos 2 当a=0时，Ud最大，为Ud =Ud0 =1.17 2 。 U a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此 时有： Ud = 1 2 3 6 + 2U2 sin td(t) = 3 2 ? ? ? ? U2 ?1+ cos( +)? = 0.675?1+ cos( +)? 2 6 6 ? ? ? ? 2-31 2.2.1 三相半波可控整流电路 Ud/U2随a变化的规律如图中的曲线1所示。 1.2 1.17 Ud/U2 / 0.8 0.4 2 0 30 60 90 /( ) 120 150 1 3 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系 1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载 2-32 2.2.1 三相半波可控整流电路 负载电流平均值为 Ud Id = R 晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值， 即 URM = 2 3 2 = 6U2 = 2.45 2 U U 晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二 次相电压的峰值，即 UFM = 2 2 U 2-33 2.2.1 三相半波可控整流电路 2）阻感负载 ） 特点：阻感负载，L值很大， id波形基本平直。 a30时：整流电压波形与 电阻负载时相同。 a30 时 （ 如 a=60 时 的 波 形如图所示）。 u2 过零时，VT1 不关断，直到 VT2 的脉冲到来，才换流， ud波形中出现负的部分。 id 波形有一定的脉动，但为简 化分析及定量计算，可将id 近 似为一条水平线。 ud ua ub uc O ia t ib O ic O id O t t t O 阻 感 负 载 时 的 移 相 范 围 为 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及 90。 =60时的波形 2-34 O O u ac t t 2.2.1 三相半波可控整流电路 数量关系 由于负载电流连续， Ud可由前面的公式求出，即 Ud =Ud0 =1.17U2 Ud/U2与a成余弦关系，如图 中的曲线2所示。如果负载 中的电感量不是很大， Ud/U2与a的关系将介于曲线 1和2之间，曲线3给出了这 种情况的一个例子。 1.2 1.17 Ud/U2 0.8 0.4 2 0 30 60 90 /( ) 120 150 1 3 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系 1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载 2-35 2.2.1 三相半波可控整流电路 变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为 晶闸管的额定电流为 1 I2 = IVT = Id = 0.577Id 3 IVT(AV) IVT = = 0.368Id 1.57 晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线 电压峰值 UFM =URM = 2.45U2 三相半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。 2-36 2.2.2 三相桥式全控整流电路 导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6 三相桥是应用最为广泛的整流电路 共 阴 极 组 阴 极连接在一起的 3个晶闸管（VT1 ， VT3，VT5） 三相桥式全控整流电路原理图 共阳极组阳 共阳极组 极连接在一起的 3个晶闸管（VT4， VT6，VT2） 2-37 2.2.2 三相桥式全控整流电路 1）带电阻负载时的工作情况 ） 当a60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形 与ud波形形状一样，也连续 波形图： a =0 a =30 a =60 当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不 能出现负值 波形图： a =90 带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范 围是120 2-38 u2 = 0ua ud1 ub uc O ud2 u 2L ud t1 u ab uac u bc u ba uca u cb t u ab uac O t i VT 1 O u VT 1 u ab uac u bc u ba uca ucb u ab uac t O t u ab uac 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形 2-39 u d1 = 30u a ub uc O u d2 ud t1 u ab u ac u bc u ba u ca u cb t u ab u ac O t u VT 1 u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac O t ia O u ab u ac t 三相桥式全控整流电路带电阻负载a= 30 时的波形 2-40 = 60 u d1 ua ub uc t1 O u d2 ud u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab t u ac O t u VT 1 u ac u ac O t u ab 三相桥式全控整流电路带电阻负载a= 60 时的波形 2-41 u d1 ua ub uc ua ub O u d2 ud u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc u ba t O t id O i VT 1 t O ia t O t 三相桥式全控整流电路带电阻负载a= 90 时的波形 2-42 2.2.2 时 段 三相桥式全控整流电路 晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示 I VT1 VT6 ua-ub =uab II VT1 VT2 ua-uc =uac III VT3 VT2 ub-uc =ubc IV VT3 VT4 ub-ua =uba V VT5 VT4 uc-ua =uca VI VT5 VT6 uc-ub =ucb 共阴极组中导通 的晶闸管 共阳极组中导通 的晶闸管 整流输出电压ud 2-43 2.2.2 三相桥式全控整流电路 三相桥式全控整流电路的特点 特点 （1）2管同时通形成供电回路，其中 共阴极组和共阳极组各1，且不 能为同1相器件。 （2）对触发脉冲的要求： 按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组 VT4、VT6、VT2也依次差120。 同一相的上下两个桥臂，即VT1 与 VT4 ，VT3 与 VT6 ， VT5与VT2，脉冲相差180。 2-44 2.2.2 三相桥式全控整流电路 三相桥式全控整流电路的特点 特点 （3）ud 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 一种是双脉冲触发（常用） (5）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。 2-45 2.2.2 三相桥式全控整流电路 2) 阻感负载时的工作情况 a60时（a =0 ；a =30 ） ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。 主要 包括 各晶闸管的通断情况 输出整流电压ud波形 晶闸管承受的电压波形 区别在于：得到的负载电流id波形不同。 当电感足够大的时候， id的波形可近似为一条水平线。 a 60时（ a =90） 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。 阻感负载时，ud波形会出现负的部分。 带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相 范围为90 。 2-46 u2 = 0ua ud1 O t1 ud2 u2L ud uab uac ub uc t ubc uba uca ucb uab uac O t id O iVT 1 t t O 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 0 时的波形 2-47 u d1 = 30 ua ub uc O u d2 ud t1 u ab u ac u bc u ba u ca u cb t u ab u ac O t id O ia O t t 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 30 时的波形 2-48 = 90 u d1 ub uc ua O u d2 ud t1 u ac u bc u ba u ca u cb u ab t u ab u ac O t u VT 1 u ac u ac O u ab t 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 90 时的波形 2-49 2.2.2 3) 定量分析 三相桥式全控整流电路 当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻 负载a60时）的平均值为： Ud = 1 2 + 3 + 6 2 sin td(t) = 2.34 2 cos U U 3 3 带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为： Ud = 3 + 3 ? ? 6 2 sin td(t) = 2.34 2 ?1+ cos( +)? U U 3 ? ? 输出电流平均值为 ：Id=Ud /R 2-50 2.2.2 三相桥式全控整流电路 当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二 次侧电流波形如上面图所示，其有效值为： I2 = 1 ? 2 2 2 ? 2 Id + (?Id )2 ? = Id = 0.816Id ? 2 ? 3 3 ? 3 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 接反电势阻感负载时，在负载电流连续的情况下，电路 工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流 波形均相同。 仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为： Id = Ud ? E R 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。 2-51 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 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。 现以三相半波为例，然后将其结论推广。 VT1换相至VT2的过程： 因a、b两相均有漏感，故ia、 、 ib均不能突变。于是VT1和VT2 同时导通，相当于将a、b两相 短路，在两相组成的回路中产 生环流ik。 ik=ib是逐渐增大的， 而ia=Id-ik是逐渐减小的。 当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1 关断,换流过程结束。 ud ua ub uc O t ia ib ic ia Id id ic O t 考虑变压器漏感时的 三相半波可控整流电路及波形 2-52 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度表示。 换相重叠角 换相过程中，整流电压ud 为同时导通的两个晶闸管所对 应的两个相电压的平均值。 dik dik ua + ub ud = ua + LB = ub ? LB = dt dt 2 换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值 降低的多少。 di 1 + +56 3 + +56 ?Ud = (ub ? ud )d(t) = 5 ub ? (ub ? LB k )d(t) 5 2 / 3 + 6 2 + 6 dt 3 + +56 dik 3 Id 3 = 5 LB d(t) = LBdik = X BI d 0 2 + 6 dt 2 2 2-53 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 换相重叠角的计算 dik = (ub ? ua ) 2LB = dt 6 2 sin( t ? U 2LB 5 ) 6 由上式得： dik 6 2 U 5 = si ( t ? n ) dt 2X B 6 进而得出： ik = t 5 6 + 6U2 5 6U2 5 sin( t ? )d(t) = cos ? cos(t ? ) 2X B 6 2X B 6 2-54 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 由上述推导过程，已经求得： t 6U2 5 6U2 5 ik = 5 sin( t ? )d(t) = cos ? cos(t ? ) + 6 6 2X B 6 2X B 5 当 t = + + 时，ik = Id，于是 6 2 U Id = cos ? cos( + ) 2X B 2X BId cos ? cos( + ) = 6U2 6 随其它参数变化的规律： （1） Id越大则 越大； （2） XB越大 越大； （3） 当90时， 越小 越大。 2-55 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 变压器漏抗对各种整流电路的影响 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算 电路形式 单相 全波 XB 单相全 控桥 2X B Ud Id Id 三相 半波 3X B Id 2 2X B I d 6U2 三相全 控桥 3X B m脉波 整流电路 mX B Id 2 Id XB 2U2 sin Id cos ? cos( + ) Id XB 2U2 2I d X B 2U2 2X B I d 6 2 U m 注：单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所 列通用公式不适用； 三相桥等效为相电压等于 3U2的6脉波整流电路， 3U2 故其m=6，相电压按 3U2 代入。 3U2 2-56 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 变压器漏感对整流电路影响的一些结论: 变压器漏感对整流电路影响的一些结论 出现换相重叠角 ，整流输出电压平均值Ud降低。 整流电路的工作状态增多。 晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。 有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可 能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。 2-57 2.4 电容滤波的不可控整流电路 2.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路 2.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路 2-58 2.4 电容滤波的不可控整流电路 在交直交变频器、不间断电源、开关电源等应 用场合中，大量应用。 最常用的是单相桥和三相桥两种接法。 由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也 称这类电路为二极管整流电路。 2-59 2.4.1电容滤波的单相不可控整流电路 电容滤波的单相不可控整流电路 常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及 的微机、电视机等家电产品中。 1） 工作原理及波形分析 ） 基本工作过程： 基本工作过程： 在u2正半周过零点至t=0期间，因u2ud，故二极管均不 导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。 至t=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2， 交流电源向电容充电，同时向负载R供电。 i d i,u d iC iR C R 0 i ud VD 1 i2 u1 u2 VD 2 VD 3 ud + 2 t VD 4 b) a) 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形 a) 电路 b) 波形 2-60 2.4.1电容滤波的单相不可控整流电路 电容滤波的单相不可控整流电路 2) 主要的数量关系 输出电压平均值 空载时， d = 2U2 。 U 重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性。 在设计时根据负载的情况选择电容C值，使 RC (3 5)T / 2 , 此 时输出电压为： Ud1.2 U2。 电流平均值 输出电流平均值IR为： 二极管电流iD平均值为： IR = Ud /R Id =IR ID = Id / 2=IR/ 2 二极管承受的电压 2U2 2-61 2.4.1电容滤波的单相不可控整流电路 电容滤波的单相不可控整流电路 感容滤波的二极管整流电路 实际应用为此情况，但分析复杂。 ud波形更平直，电流i2的上升段平缓了许多，这 对于电路的工作是有利的。 i2,u2,ud u2 i2 ud 0 t a) b) 感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形 a） 电路图 b）波形 2-62 2.4.2电容滤波的三相不可控整流电路 电容滤波的三相不可控整流电路 1） 基本原理 ） 某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最 大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。 当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规 律下降。 ud u ab u uac d ia 0 3 t id O a) b