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3 1整流电路的构成原理 整流电路的整流原理整流电路的基本类型整流电路的换相规律负载性质对电路工作的影响分析整流电路的假设条件整流电路研究 学习的基本内容 一 整流电路的整流原理 原理 利用整流管和晶闸管的单相导电开关特性 构成输出单一的电力变换电路 从而将输入的交流电能转换为输出的直流电能 整流电路通常由整流变压器将电源电压变换为适宜的电压幅值 为负载提供需要的直流电压及合理的电压调整范围 二 整流电路的基本类型 1 半波整流电路 据整流电路中开关元件的连接方式 可分为共阴极组接法和共阳极组接法 当整流电路中各开关元件的阴极接于一点 而阳极分别接于各相电源时 称为共阴极组接法 共阴极组接法为高通电路 输出电压极性为共阴极点为正 变压器次级中点为负 当整流电路中各开关元件的阳极接于一点 而阴极分别接于各相电源时 称为共阳极组接法 共阳极组接法为低通电路 输出电压极性为共阳极点为负 变压器次级中点为正 三相半波电路a 共阴极接法b 共阳极接法 2 桥式整流电路 半波整流电路的电源变压器次级绕组只通过单方向电流 变压器利用率低 且有的电路存在直流磁势 造成铁芯直流磁化 利用开关器件的单向导电开关特性可构成整流桥 可使电源变压器次级绕组通过正反两个方向的电流 由于变压器次级绕组正负半周都工作 从而提高了变压器的利用率 三 整流电路的换相规律 对电源系统电压的要求整流电路在工作过程中 要按照电源电压的变化规律周期性地切换整流工作回路 为保证在稳定工作状态下能均衡工作 使输出电压电流波形变化尽可能小 要求电源系统为对称的 且电压波动在一定范围之内 2 自然换相与自然换相点在不可控整流电路中 整流管将按电源电压变化规律自然换相 自然换相的时刻称为自然换相点 在同一接线组中 除导通的一相元件外 其他相元件均应承受反向电压 对于共阴极组接法的半波不可控整流电路而言 为高通电路 即总是相电压最高的一相元件导通 所以 自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形正半周交点 输出电压波形为电源电压波形正半周包络线 对于共阳极组接法的半波不可控整流电路而言 为低通电路 即总是相电压最低的一相元件导通 所以 自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形负半周交点 输出电压波形为电源电压波形负半周包络线 单相可控整流电路 基本特点 交流侧接单相电源重点注意 主电路形式 工作过程及波形分析 数量关系 不同负载的影响 3 2单相可控整流电路分析 3 2 2单相桥式全控整流电路 3 2 1单相半波可控整流电路 3 2 3单相桥式半控整流电路 3 2 1单相半波可控整流电路 单相半波可控整流电路是组成各种类型可控整流电路的基础 所有可控整流电路的工作回路都可等效为单相半波可控整流电路 因此 对于单相半波可控整流电路的分析是十分重要的 可作为研究各种可控整流电流的基础 单相半波可控整流电路可以为各种性质的负载供电 以下主要介绍电阻性负载和阻感负载 单相半波可控整流电路及波形 单相半波可控整流电路 一 电阻性负载 1 主电路输入为单相正弦交流电压源 经整流变压器变压 设次级电压为 2 工作过程及波形分析 分为三个阶段 1 控制角 从晶闸管开始承受正向电压到开始导通的这一角度 以 表示 电阻性负载 2 3 单相半波可控整流电路及波形 导通角 晶闸管在一个周期中处于导通的电角度 以 表 电阻性负载 3 数量关系 电阻性负载 移相范围 控制角 的有效变化范围 电阻性负载移相范围 电阻性负载导通角 电阻性负载 整流电路的功率因数主要受控制角 的影响 当 0时当 时可见 尽管是电阻负载 由于存在谐波电流 电源的功率因数也不会是1 而且 越大 功率因数小 阻感负载的波形 单相半波可控整流电路 1 主电路输入为单相正弦交流电压源 经整流变压器变压 设次级电压为 2 工作过程及波形分析 分为三个阶段 1 二 阻感负载 阻感负载 2 3 阻感负载 阻感负载移相范围 阻感负载导通角 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 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 阻感负载 3 数量关系 当VT处于通态时 如下方程成立 VT处于导通状态 3 1 3 2 3 3 初始条件 t a id 0 求解式 3 1 并将初始条件代入可得 当 t a时 id 0 代入式 3 2 并整理得 阻感负载 阻感负载 数量关系 阻感负载 负载阻抗角j 触发角a 晶闸管导通角 的关系 若j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 越小 若a为定值 j越大 则L贮能越多 越大 且j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 阻感负载 4 纯电感负载 L R 特点 电源不做功因为Ud 0 改变a不能控制Ud 但可控制Id的大小 有续流二极管 电流断续 三 有续流二极管的阻感负载 1 主电路2 工作过程及波形分析 有电流断续和电流连续两种情况 电流断续 L作用较小或控制角较大时 在VD续流期间 Id衰减较快 等到下次触发VT时 Id已经下降到零 1 有续流二极管的阻感负载 2 3 有续流二极管 电流断续 有续流二极管的阻感负载 电流连续 有续流二极管 电流连续 1 2 3 有续流二极管的阻感负载 3 数量关系 电流断续 L作用较小或控制角较大时 在VD续流期间 Id衰减较快 等到下次触发VT时 Id已经下降到零 有续流二极管的阻感负载 3 数量关系 电流连续 有续流二极管的阻感负载 电感L充分大时 L R 负载电流id可近似为一条水平线 恒为Id 则有 图 L充分大 带续流二极管单相半波可控整流电路电流波形 有续流二极管的阻感负载 电感L充分大时 L R 图 L充分大 带续流二极管单相半波可控整流电路电流波形 单相半波可控整流电路 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在于利用其简单易学的特点 建立起整流电路的基本概念 2 2单相桥式全控整流电路 图3 5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形 一 电阻性负载 1 主电路 2 工作过程及波形分析 分为四个阶段 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 1 2 3 4 2 2单相桥式全控整流电路 3 数量关系 2 2单相桥式全控整流电路 图单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 电流断续 2 2单相桥式全控整流电路 二 阻感性负载 1 主电路 2 工作过程及波形分析 根据L作用不同 有电流断续和电流连续两种情况 电流断续 L作用较小 1 2 3 4 5 6 2 2单相桥式全控整流电路 3 数量关系 2 2单相桥式全控整流电路 图单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 电流连续 电流连续 1 2 3 4 5 2 2单相桥式全控整流电路 数量关系 图单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 电流连续 电感很大 图3 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 2 2单相桥式全控整流电路 三 反电动势负载 1 主电路 只有当整流输出电压大于反电动势时 晶闸管才承受正向电压 才有导通的可能 2 工作过程及波形分析 分为五个阶段 1 2 3 4 5 2 2单相桥式全控整流电路 3 数量关系 2020 3 17 41 可编辑 2 3单相桥式半控整流电路 图单相桥式半控整流电路 无续流二极管 阻感负载时的电路及波形 半控 将全控中的VT3 VT4换成VD3 VD4 这样 VT1和VT2控制换相 VD3和VD4自然换相 VT1和VD4构成一整流回路 VT2和VD3构成一整流回路 1 主电路 2 工作过程及波形分析 一 阻感负载 a 自然续流现象 L很大 1 2 3 4 2 3单相桥式半控整流电路 b 失控现象及续流二极管 当控制角突然增大至180 或触发脉冲丢失时 会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况 这使ud成为正弦半波 即半周期ud为正弦 另外半周期ud为零 其平均值保持恒定 称为失控 例如 若在运行中 VT1和VD4导通时 切除触发脉冲 当u20时 VD4和VD3自然换相 则VT1和VD4又构成电源对负载供电的回路 这样 VT1一直导通 VD3和VD4交替导通 无法实现关断 产生失控现象 为了防止失控的发生 必须消除自然续流现象 加续流二极管 提供一条通路 有续流二极管VDR时 续流过程由VDR完成 晶闸管关断 避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象 同时 续流期间导电回路中只有一个管压降 有利于降低损耗 应当指出 实现这一功能的条件是VDR的通态电压低于自然续流回路开关元件通态电压之和 否则不能消除自然续流现象 关断导通的晶闸管 失控工作状态的电路波形 2 3单相桥式半控整流电路 二 阻感负载加续流二极管 图单相桥式半控整流电路 有续流二极管 阻感负载时的电路及波形 1 主电路 2 工作过程及波形分析 1 2 3 4 工作过程可表示为 该电路电流波形的表示式比较复杂 在讨论有关电流的数量关系时 常以负载参数满足wL R为条件 这时 负载电流的变化量相对于平均电流是很小的 可以认为负载电流波形是平直的 相关波形见图 2 3单相桥式半控整流电路 3 数量关系 2 3单相桥式半控整流电路 三 反电动势负载 有续流二极管 反电动势加阻感负载时的电路及波形 1 主电路 2 工作过程及波形分析 1 电流断续 2 3 电流连续 1 2 单相可控整流电路小结 电阻负载单相半波可控整流电路阻感负载单相可控整流电路电阻负载 工作过程 波形 单相桥式全控整流电路阻感负载反电动势负载数量关系 阻感负载单相桥式半控整流电路反电动势负载 第三节三相可控整流电路分析 3 2三相桥式全控整流电路 3 1三相半波可控整流电路 3 3三相桥式半控整流电路 三相可控整流电路分析 对于三相对称电源系统而言 单相可控整流电路为不对称负载 可影响电源三相负载的平衡性和系统的对称性 负载容量较大时 通常采用三相或多相电源整流电路 三相或多相电源可控整流电路是三相电源系统的对称负载 输出整流电压的脉动小 控制响应快 在许多场合得到了广泛应用 三相可控整流电路电源变压器一般采用D y或Y d接线方式 以提供一条3及3的倍数次谐波电流通路 对于三相半波可控整流电路而言 次级绕组必须接成星形 以获得整流电源的中性点 故通常采用D y接线方式 3 1三相半波可控整流电路 图3 12三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a 0 时的波形 一 电阻负载 1 主电路 2 工作过程及波形分析 自然换相点 是各相晶闸管能触发导通的最早时刻 将其作为计算各晶闸管控制角a的起点 即a 0 对共阴极组接法 是相电压正半周的交点 3 数量关系 3 1三相半波可控整流电路 3 1三相半波可控整流电路 图三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a 60 时的波形 3 数量关系 3 1三相半波可控整流电路 3 1三相半波可控整流电路 二 阻感负载 图三相半波可控整流电路共阴极接法阻感负载时的电路及a 90 电流断续时的波形 1 主电路 2 工作过程及波形分析 3 1三相半波可控整流电路 图三相半波可控整流电路共阴极接法阻感负载时的电路及a 60 电流断续时的波形 3 数量关系 电流连续时 3 1三相半波可控整流电路 Ud U2随a变化的规律如图3 15所示 图3 15三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 3 1三相半波可控整流电路 3 2三相桥式全控整流电路 一 工作规律及触发方式 图3 17三相桥式全控整流电路原理图 1 主电路 由两组桥臂构成 共阴极组 阴极连接在一起的3个晶闸管 VT1 VT3 VT5 共阳极组 阳极连接在一起的3个晶闸管 VT4 VT6 VT2 通过对两组桥臂晶闸管的有序控制 可构成对负载供电的6条整流回路 每一整流回路中含有2只晶闸管 1只为共阴极组的某相元件 另一只则应为共阳极组的另一相元件 各整流回路的交流电源电压为两相元件所在相间的线电压 等值电路和单相半波可控整流电路相同 6条整流回路的构成如下 2 触发方式 3 2三相桥式全控整流电路 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 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 另一种是双窄脉冲触发 宽脉冲触发方式 触发脉冲的宽度大于60 一般取为80 120 因为相邻编号两元件的自然换相点间的时间间隔为60 所以触发某一号元件时 前一号元件的触发脉冲尚未结束 这样 就可以保证各整流回路中两个晶闸管元件同时具有触发脉冲 并具有足够的脉冲宽度 双窄脉冲触发方式 顺序触发某一号元件的同时 为其前一号元件再补发一个触发脉冲 以保证整流回路两元件同时具有触发脉冲 这种触发方式每一晶闸管在一个周期内有两个时间间隔为60 的脉冲 故称为双窄脉冲触发方式 3 2三相桥式全控整流电路 二 电阻负载 电阻负载a 0 时的波形 1 主电路 2 工作过程及波形分析 自然换相点 在相电压波形图上 由相电压交点确定了6只晶闸管的自然换相点 在线电压波形图上 由线电压正半波交点也可以确定6条整流回路中编号与其序号相同的晶闸管的自然换相点 3 2三相桥式全控整流电路 电阻负载a 30 时的波形 电阻负载a 60 时的波形 3 2三相桥式全控整流电路 电阻负载a 90 时的波形 对导通的整流回路而言 当交流电源电压过零时 负载电流为零 整流回路的晶闸管自然关断 电路出现6只晶闸管全为阻断工作状态 电流断续 3 2三相桥式全控整流电路 3 数量关系 3 2三相桥式全控整流电路 三 阻感负载 阻感负载a 90 时的波形 1 主电路 2 工作过程及波形分析 3 2三相桥式全控整流电路 3 数量关系 第五节交流电源回路电感效应 前面在讨论整流电路工作过程和数量关系时 认为换流是瞬间完成的 忽略了交流电源回路的电感 但是 实际交流回路中总要存在一定的电感 如输电线路的自感 变压器的漏感 专门附加的电感等 在分析其影响时 通常用一个接于变压器出口的等效集中电感表示 由于交流电源回路电感的作用 整流电路的换相不能瞬间完成 存在一个换相过程 各种整流电路都是同一接线组元件间换相 换相过程的等效电路是相同的 现以三相半波为例进行分析 其结论推广可以推广到其它电路 第五节交流电源回路电感效应 一 三相半波可控整流电路 图3 25考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形 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 ia 0 VT1关断 换流过程结束 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 1 主电路 2 换相过程及波形分析 图中LS为交流电源回路总电感 在无附加电感的条件下 该电感主要是整流变压器的漏感LT 为简化换相过程的分析 假定换相过程负载电流为定值 并忽略回路电阻的影响 3 换相过程公式推导 第五节交流电源回路电感效应 二 换相过程对整流电路的影响 图考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路输出电压及电流的波形 换相压降 与不考虑变压器漏感时相比 ud平均值降低的数值 第五节交流电源回路电感效应 三 换相重叠角 定义 换相过程持续的时间 用电角度g表示 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 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的6脉波整流电路 故其m 6 相电压按代入 第五节交流电源回路电感效应 变压器漏感对整流电路影响的一些结论 出现换相重叠角g 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 第五节交流电源回路电感效应 一 逆变的概念逆变 把直流电转变成交流电 即整流的逆过程 实例 电力机车下坡行驶 机车的位能转变为电能 反送到交流电网中去逆变电路 把直流电逆变成交流电的电路 有源逆变电路 交流侧和电网连结 电路将直流电逆变成交流电 反送到电网中去应用 直流可逆调速系统 交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等无源逆变电路 变流电路的交流侧不与电网联接 而直接接到负载 即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载对于可控整流电路 满足一定条件就可工作于有源逆变 其电路形式未变 只是电路工作条件改变 既工作在整流状态又工作在逆变状态 称为变流电路 第六节全控整流电路的有源逆变工作状态 二 直流发电机 电动机系统电能的转换 图3 44直流发电机 电动机之间电能的转换a 两电动势同极性EG EMb 两电动势同极性EM EGc 两电动势反极性 形成短路 图2 44aM电动运转 EG EM 电流Id从G流向M M吸收电功率 图2 44b回馈制动状态 M作发电运转 此时 EM EG 电流反向 从M流向G 故M输出电功率 G则吸收电功率 M轴上输入的机械能转变为电能反送给G 图2 44c两电动势顺向串联 向电阻R供电 G和M均输出功率 由于R一般都很小 实际上形成短路 在工作中必须严防这类事故发生 三 逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机 图3 45单相全波电路的整流和逆变 交流电网输出电功率 电动机输入电功率 电动机输出电功率 交流电网输入电功率 图3 45aM电动运行 全波电路工作在整流状态 在0 2间 Ud为正值 并且Ud EM 才能输出Id 图3 45bM回馈制动 由于晶闸管的单向导电性 Id方向不变 欲改变电能的输送方向 只能改变EM极性 为了防止两电动势顺向串联 Ud极性也必须反过来 即Ud应为负值 且 EM Ud 才能把电能从直流侧送到交流侧 实现逆变 从上述分析中 可以归纳出产生逆变的条件有二 1 有直流电动势 其极性和晶闸管导通方向一致 其值大于变流器直流平均电压 半控桥或有续流二极管的电路 因其整流电压ud不能出现负值 也不允许直流侧出现负极性的电动势 故不能实现有源逆变 欲实现有源逆变 只能采用全控电路 逆变和整流的区别 控制角 不同0 p 2时 电路工作在整流状态 p 2 p时 电路工作在逆变状态 可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题 把a p 2时的控制角用p b表示 b称为逆变角 逆变角b和控制角a的计量方向相反 其大小自b 0的起始点向左方计量 图3 46三相桥式变流电路工作于