第2章整流电路ppt课件

.,2-1,第2章整流电路,2.1单相可控整流电路2.2三相可控整流电路2.3变压器漏感对整流电路的影响2.4电容滤波的不可控整流电路2.5整流电路的谐波和功率因数2.6大功率可控整流电路2.7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,.,2-2,第2章整流电路引言,整流电路的分类：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。,整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。,.,2-3,2.1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,.,2-4,2.1.1单相半波可控整流电路,图2-1单相半波可控整流电路及波形,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：电压与电流成正比，两者波形相同。,单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier),.,2-5,2.1.1单相半波可控整流电路,VT的a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，简称相控方式。,首先，引入两个重要的基本概念：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a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。,基本数量关系,直流输出电压平均值为,(2-1),.,2-6,2.1.1单相半波可控整流电路,2)带阻感负载的工作情况,图2-2带阻感负载的单相半波电路及其波形,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发生突变。,讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。,.,2-7,2.1.1单相半波可控整流电路,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。,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,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。,.,2-8,2.1.1单相半波可控整流电路,当VT处于通态时，如下方程成立：,b)VT处于导通状态,（2-2）,（2-4）,初始条件：t=a，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得,当t=+a时，id=0，代入式（2-3）并整理得,.,2-9,2.1.1单相半波可控整流电路,续流二极管,图2-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。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。,数量关系(id近似恒为Id）,（2-5）,（2-6）,（2-7）,（2-8）,.,2-10,2.1.1单相半波可控整流电路,VT的a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。,单相半波可控整流电路的特点,.,2-11,2.1.2单相桥式全控整流电路,1)带电阻负载的工作情况,a),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。,电路结构,单相桥式全控整流电路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier),.,2-12,2.1.2单相桥式全控整流电路,数量关系,（2-9）,a角的移相范围为180。,向负载输出的平均电流值为：,流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：,（2-10）,(2-11),.,2-13,2.1.2单相桥式全控整流电路,流过晶闸管的电流有效值：,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：,由式（2-12）和式（2-13）得：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2。,（2-12）,（2-13）,（2-14）,.,2-14,2.1.2单相桥式全控整流电路,2）带阻感负载的工作情况,u,图2-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,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=+a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，亦称换流。,.,2-15,2.1.2单相桥式全控整流电路,数量关系,（2-15）,晶闸管移相范围为90。,晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：,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。,晶闸管承受的最大正反向电压均为。,.,2-16,2.1.2单相桥式全控整流电路,3）带反电动势负载时的工作情况,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,在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。,在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,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。,.,2-17,2.1.2单相桥式全控整流电路,当30的情况（图2-14）特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120。,b),c),d),e),f),u,2,u,a,u,b,u,c,a,=0,O,w,t,1,w,t,2,w,t,3,u,G,O,u,d,O,O,u,ab,u,ac,O,i,VT,1,u,VT,1,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,动画演示,.,2-29,2.2.1三相半波可控整流电路,（2-18）,当a=0时，Ud最大，为。,(2-19),整流电压平均值的计算,a30时，负载电流连续，有：,a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,.,2-30,2.2.1三相半波可控整流电路,Ud/U2随a变化的规律如图2-15中的曲线1所示。,图2-15三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,.,2-31,2.2.1三相半波可控整流电路,负载电流平均值为,晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即,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,（2-20）,（2-21）,（2-22）,.,2-32,2.2.1三相半波可控整流电路,2）阻感负载,图2-16三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a=60时的波形,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2-16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。阻感负载时的移相范围为90。,u,d,i,a,u,a,u,b,u,c,i,b,i,c,i,d,u,ac,O,w,t,O,w,t,O,O,w,t,O,O,w,t,a,w,t,w,t,动画演示,.,2-33,2.2.1三相半波可控整流电路,数量关系,由于负载电流连续，Ud可由式（2-18）求出，即,Ud/U2与a成余弦关系，如图2-15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。,图2-15三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,.,2-34,2.2.1三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,晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值,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。,（2-23）,（2-24）,（2-25）,.,2-35,2.2.2三相桥式全控整流电路,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）,共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）,图2-17三相桥式全控整流电路原理图,导通顺序：VT1VT2VT3VT4VT5VT6,.,2-36,2.2.2三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（图218）a=30（图219）a=60（图220）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（图221）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,.,2-37,2.2.2三相桥式全控整流电路,晶闸管及输出整流电压的情况如表21所示,请参照图218,.,2-38,2.2.2三相桥式全控整流电路,（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。,三相桥式全控整流电路的特点,（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。,.,2-39,2.2.2三相桥式全控整流电路,（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。,三相桥式全控整流电路的特点,.,2-40,a60时（a=0图222；a=30图223）ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。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,2.2.2三相桥式全控整流电路,2)阻感负载时的工作情况,主要包括,a60时（a=90图224）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。,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。,.,2-41,2.2.2三相桥式全控整流电路,3)定量分析,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：,带电阻负载且a60时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为：Id=Ud/R,（2-26）,（2-27）,.,2-42,2.2.2三相桥式全控整流电路,当整流变压器为图2-17中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-23中所示，其有效值为：,（2-28）,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：,（2-29）,式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。,.,2-43,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。,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。,图2-25考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形,.,2-44,2.3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g表示。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。,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。,（2-30）,（2-31）,.,2-45,2.3变压器漏感对整流电路的影响,换相重叠角g的计算,由上式得：,进而得出：,（2-32）,（2-33）,（2-34）,.,2-46,2.3变压器漏感对整流电路的影响,由上述推导过程，已经求得：,当时，于是,g随其它参数变化的规律：（1）Id越大则g越大；（2）XB越大g越大；（3）当a90时，越小g越大。,（2-35）,（2-36）,.,2-47,2.3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,表2-2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。,.,2-48,2.3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:,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。,.,2-49,2.4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,.,2-50,2.4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。,.,2-51,2.4.1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,图2-26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,基本工作过程：,在u2正半周过零点至wt=0期间，因u2EMb）两电动势同极性EMEGc）两电动势反极性，形成短路,电路过程分析。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。,.,2-95,2.7.1逆变的概念,3)逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机,图2-45单相全波电路的整流和逆变,交流电网输出电功率,电动机输出电功率,a),b),u,10,u,d,u,20,u,10,a,O,O,w,t,w,t,I,d,i,d,U,d,E,M,u,10,u,d,u,20,u,10,O,O,w,t,w,t,I,d,i,d,U,d,/2，使Ud为负值。,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。,.,2-97,2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态,逆变和整流的区别：控制角不同,0p/2时，电路工作在整流状态。p/2g时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。,如果b60,.,2-111,2.8.2工作于有源逆变状态时,1)电流连续时电动机的机械特性,电流连续时的机械特性由决定的。逆变时由于，反接，得因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式,（2-122),（2-123),图2-52电动机在四象限中的机械特性,.,2-112,2.8.2工作于有源逆变状态时,2)电流断续时电动机的机械特性,可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把代入式（2-117）、式（2-118）和式（2-119），便可得EM、n与Id的表达式。三相半波电路为例：,(2-124),(2-125),(2-126),.,2-113,2.8.2工作于有源逆变状态时,逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：,图2-52电动机在四象限中的机械特性,理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性。逆变状态的机械特性是整流状态的延续。纵观控制角变化时，机械特性得变化。,第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以正组和反组变流器。,.,2-114,2.8.3直流可逆电力拖动系统,图2-53两组变流器的反并联可逆线路,图2-53a与b是两组反并联的可逆电路,a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线c对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况,.,2-115,2.8.3直流可逆电力拖动系统,两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论：,环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。正向运行时由正组变流器供电；反向运行时，则由反组变流器供电。根据对环流的处理方法，反并联可逆电路又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流（）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。电动机都可四象限运行。可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。,.,2-116,2.8.3直流可逆电力拖动系统,直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。,电动机反向过程分析：详见P89,a=b配合控制的有环流可逆系统对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证a=b的配合控制关系。假设正组为整流，反组为逆变，即有aP=bN，UdaP=UdbN，且极性相抵，两组变流器之间没有直流环流。但两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流。串入环流电抗器LC限制环流。,.,2-117,2.8.3直流可逆电力拖动系统,逻辑无环流可逆系统工程上使用较广泛，不需设置环流电抗器。只有一组桥投入工作（另一组关断），两组桥之间不存在环流。两组桥之间的切换过程：,首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理使主回路电流变为零，使原导通晶闸管恢复阻断能力。随后再开通原封锁着的晶闸管，使其触发导通。这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程由逻辑单元控制，称为逻辑控制无环流系统。,直流可逆电力拖动系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统”中进一步分析讨论。,.,2-118,2.9相控电路的驱动控制,2.9.1同步信号为锯齿波的触发电路2.9.2集成触发器2.9.3触发电路的定相,.,2-119,2.9相控电路的驱动控制引言,相控电路：晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。采用晶闸管相控方式时的交流电力变换电路和交交变频电路（第4章）。,相控电路的驱动控制为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。,.,2-120,2.9.1同步信号为锯齿波的触发电路,输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。,图2-54同步信号为锯齿波的触发电路,.,2-121,2.9.1同步信号为锯齿波的触发电路,1)脉冲形成环节,V4、V5脉冲形成V7、V8脉冲放大控制电压uco加在V4基极上,图2-54同步信号为锯齿波的触发电路,脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。,电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。,.,2-122,2.9.1同步信号为锯齿波的触发电路,2)锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。,恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成,V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路,图2-54同步信号为锯齿波的触发电路,.,2-123,2.9.1同步信号为锯齿波的触发电路,3)同步环节,同步要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关V2管来控制的。V2开关的频率就是锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于充电时间常数R1C1。,.,2-124,2.9.1同步信号为锯齿波的触发电路,4)双窄脉冲形成环节,内双脉冲电路V5、V6构成“或”门当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过V6）。三相桥式全控整流电路的情况(自学),.,2-125,2.9.2集成触发器,可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。KJ004与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。,图2-56KJ004电路原理图,.,2-126,2.9.2集成触发器,完整的三相全控桥触发电路3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。,图2-57三相全控桥整流电路的集成触发电路,.,2-127,2.9.2集成触发器,模拟与数字触发电路以上触发电路为模拟的，优点：结构简单、可靠；缺点：易受电网电压影响，触发脉冲不对称度较高，可达34，精度低。数字触发电路：脉冲对称度很好，如基于8位单片机的数字触发器精度可达0.71.5。,KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门。也有厂家生产了将图2-57全部电路集成的集成块，但目前应用还不多。,.,2-128,2.9.3触发电路的定相,触发电路的定相触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。措施：同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致。触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。,图2-58三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图,.,2-129,2.9.3触发电路的定相,变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结。,图2-59同步变压器和整流