电力电子技术第二章整流

电力电子技术,第二章：整流电路（第一部分）,第二章整流电路（重点）,引言2.1单相可控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路（单相半波）2.1.2单相桥式全控整流电路（单相全控桥）2.1.3单相桥式半控整流电路（单相半控桥）2.2三相可控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路2.2.2三相桥式全控整流电路2.3变压器漏感对整流电路的影响（难点）,2.4电容滤波的不可控整流电路（不作要求）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2.5整流电路的谐波和功率因数2.5.1谐波和无功功率分析基础2.5.2带电感性负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析2.5.3电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析2.5.4整流输出电压和电流的谐波分析2.6大功率可控整流电路（不作要求）2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路2.6.2多重化整流电路,整流电路是出现最早的电力电子电路，电路的功能是将交流电变为直流电。按组成的器件可分为不可控（二极管）、半控（SCR)、全控(全控器件）三种；按电路结构可分为桥式电路和半波电路；按交流输入相数分为单相电路和三相电路。,引言,需掌握的内容：各种典型整流电路的工作原理、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；整流电路的谐波和功率因数分析；相位控制电路的驱动控制。,引言,2.1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。2.1.1单相半波可控整流电路（单相半波）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。,图2-1单相半波可控整流电路及波形,图2-1单相半波可控整流电路及波形,工作过程和特点：（1）在U2的正半周，VT承受正向电压，0t1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，UVTU2，Ud=0;（2）t1以后，VT由于触发脉冲UG的作用而导通，则Ud=U2,UVT=0,Id=U2/R，一直到时刻；（3）2期间，U2反向，VT由于承受反向电压而关断,UVT=U2,Ud=0。以后不断重复以上过程。特点：为单拍电路，易出现变压器直流磁化，应用较少。,2.1.1单相半波可控整流电路（单相半波）,若干概念“半波”整流：ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现触发延迟角：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,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的移相范围：指触发角可以变化的角度范围。相控方式：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。,基本数量关系直流输出电压平均值Ud（2-1）说明：使用万用表直流档测量Ud即为该数值；U2为电源电压有效值（220V）；时，Ud=0，可见可以通过调整来调整Ud。直流输出电压有效值U（2-2）,2.1.1单相半波可控整流电路（单相半波）,SCR的若干参数关系：(1)IdT（流过SCR电流的平均值）（2-3）(2)IT（流过SCR电流的有效值）（2-4）(3)UVT（SCR承受的正反向峰值电压）为,2.1.1单相半波可控整流电路（单相半波）,整流电路的功率因数cos：cos（有功功率P）/（电源视在功率S）S电源的电压有效值电源的电流有效值（2-5）,2.1.1单相半波可控整流电路（单相半波）,2.单相半波电路带电感性负载的工作情况电感的特点:(1)抗拒电流变化，使得流过电感的电流不能发生突变。(2)在电感两端产生的感应电动势Ldi/dt。它的极性是阻止电流的变化。(3)电感在电路的工作过程中，不消耗能量。负载阻抗角arctg(L/R)，反映出负载中电感所占的比重，该角度越大（0900之间），则电感量越大。当负载中的感抗L和R相比不可忽略时，称为电感性负载。常见的电感性负载如电机的励磁绕组。电感在电力电子线路中大量使用，大容量、大功率电感常常又称为电抗器。,图2-2带电感性负载的单相半波电路及其波形,2.1.1单相半波可控整流电路（单相半波）,图2-2带电感性负载的单相半波电路及其波形,工作过程和特点：（1）在U2的正半周，VT承受正向电压，0t1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，UVTU2，Ud=0;（2）t1以后，VT由于触发脉冲UG的作用而导通，则Ud=U2,UVT=0，一直到时刻。但由于L的作用，在时刻，Ud=0，而L中仍蓄有磁场能，id0；（3）t2期间，L释放磁场能，使id逐渐减为0，此时负载反给电源充电，电感L感应电势极性是上负下正，使电流方向不变，只要该感应电动势比U2大，VT仍承受正向电压而继续维持导通，直至L中磁场能量释放完毕，VT承受反向电压而关断；,t2,t2,t2,t2,图2-2带电感性负载的单相半波电路及其波形,工作过程和特点：请同学们思考：（a）L两端的电压何时变为上负下正，如何简单判断？（b）id能否抵达2点？为什么？（c)一个周期中L两端的电压波形如何？（4）t22期间，VT承受反向电压而处于关断状态，UVTU2，Ud=0。以后不断重复以上过程。,t2,t2,t2,t2,直流输出电压平均值Ud（2-6）输出的平均电压Ud和电阻负载相比，有所下降。如果为大电感负载，则ud中的负面积接近正面积，输出的直流平均电压Ud0，id也很小，这样的电路无实际用途。所以，实际的大感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。,2.1.1单相半波可控整流电路（单相半波）,2.单相半波电路带电感性负载,工作过程和特点：（1）在U2的正半周，VDR承受反向电压，不导通，不影响电路的正常工作;（2）2期间，电感L的感应电势（下正上负）使VDR导通，此时，L释放能量，维持负载电流通过VDR构成回路，而不通过变压器。称为续流。在续流期间，VT承受u2的负压而关断，此时Ud=0。（3)当LR时，id不但连续而且基本上维持不变，电流波形接近一条直线。注意：在考试中，可以直接用直线表示id。讨论：纯电感负载能不能用二极管续流？,图2-4单相半波带电感性负载有续流二极管的电路及波形,2.1.1单相半波可控整流电路（单相半波）,带续流二极管的单相半波电路基本数量关系：输出直流电压的平均值Ud（和纯阻性负载相同）（2-7）输出直流电流的平均值Id.（和纯阻性负载相同）（2-8）若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则流过SCR的电流平均值和有效值分别为：（2-9）（2-10）,2.1.1单相半波可控整流电路（单相半波）,单相半波可控整流电路的特点：线路简单、易调整，但输出电流脉动大，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；实际上很少应用这种电路,2.1.1单相半波可控整流电路（单相半波）,电阻负载的工作情况晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在实际的电路中，一般都采用这种标注方法，即上面为1、3，下面为2、4。,2.1.2单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,图2-5单相全控桥带电阻负载时的电路及波形,简称为单相全控桥,图2-5单相全控桥带电阻负载时的电路及波形,1)工作过程和特点：（1）0t1:U2为正，VT1和VT4无触发脉冲截止，VT1和VT4分担U2/2的正向电压，VT2和VT3分担U2/2的反向电压,Ud=0;（2）t1:U2为正，VT1和VT4由于触发脉冲UG的作用而导通，VT2和VT3承受U2的反向电压，id=U2/R；（3）t2(+t1)：U2为负，VT2和VT3无触发脉冲截止，VT2和VT3分担U2/2的正向电压，VT1和VT4分担U2/2的反向电压,Ud=0;（4）t2(+t1)2:U2为负，VT2和VT3由于触发脉冲UG的作用而导通，VT1和VT4承受U2的反向电压，id=U2/R，且方向保持不变。,t2,t1,t2,t2,t1,t1,基本数量关系直流输出电压平均值Ud（2-11）可见：在同样的控制角情况下，输出的平均电压Ud是单相半波的两倍；SCR可控移相范围为1800；属于双拍电路（一个周期内，变压器电流改变一次方向）。,2）单相全控桥阻性负载的基本数量关系,2.1.2单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,直流输出电流平均值Id和SCR的平均电流idT（2-12）由于SCR轮流导电，所以流过每个SCR的平均电流idT只有负载上平均电流的一半。（2-13）,2.1.2单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,直流输出电流有效值I，即为变压器二次侧绕组电流有效值I2（2-14）SCR的有效电流IT，由于SCR轮流导电，所以IT为：（2-15）,2.1.2单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,带电感性负载的工作情况为便于讨论，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，在电感作用下VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断；至t=+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，VT1和VT4立刻承受负电压关断。,图2-6单相全控桥带电感性负载时的电路及波形,2.1.2单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,图2-6单相全控桥带电感性负载时的电路及波形,t1,t2,2,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。整流电路输出平均电压为：（2-16）晶闸管移相范围为90，因为当90时，Ud0。整流电路输出平均电流Id和SCR的电流平均值IdT为：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I2=Id。,2.1.2单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,带反电动势负载时的工作情况蓄电池、直流电动机电枢（转子）等负载，本身有电势，称为反电动势负载。u2E时SCR才承受正电压，可能导通；导通后ud=u2，直至u2=E，id降至0使SCR关断，此后ud=E与电阻负载相比，晶闸管提前了电角度停止导通，称为停止导电角。（2-16）在角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。整流输出电流的平均值为：,图2-7单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载,2.1.2单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,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,2.1.2单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,电流断续：id波形在一周期内有部分时间为0。(反之称为电流连续）。Ua，此时VT2承受正压，但由于没有触发脉冲，所以仍旧处于关断状态，隔断b相电压，从而使a相的VT1继续导通，直至VT2触发脉冲的到来。晶闸管导通角等于120,2.2.1三相半波可控整流电路,5)30的情况特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120。请同学们分析电阻负载时角的移相范围？,2.2.1三相半波可控整流电路,可以这样分析：其实三相半波电路，相当于三个单相半波电路的并联。对于单相电路，移相范围为1800。由于三相电路移相范围的起点从换相点开始计算，所以为150。,6)整流输出电压平均值的计算（1）30时，负载电流连续，有当=0时，Ud最大，为。（2）30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,（2-20）,(2-21),2.2.1三相半波可控整流电路,7)其它的参数计算负载电流平均值为（2-22）晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即（2-23）由于晶闸管阴极与零点间的电压即为整流输出电压ud，其最小值为零，而晶闸管阳极与零点间的最高电压等于变压器二次相电压的峰值，因此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，即综合以上两点，选择SCR时，以为标准。,2.2.1三相半波可控整流电路,2.三相半波可控整流电路电感性负载1)特点：电感性负载，L值很大，id波形基本平直30时：整流电压波形与电阻负载时相同30时（如=60时的波形如图2-16所示）ua过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分。2)电感性负载时，的移相范围为90（请同学分析原因）原因是由于当90时，Ud的波形正负对称，平均值为0，失去意义。所以的移相范围为90。请同学们自己完成90时的工作波形。,2.2.1三相半波可控整流电路,图2-16三相半波可控整流电路，电感性负载时的电路及=60时的波形,3)基本参数计算直流输出电压平均值Ud：变压器二次电流即晶闸管电流的有效值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,（2-27）,2.2.1三相半波可控整流电路,（2-26）,（2-25）,图2-16中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。,图2-16三相半波可控整流电路，电感性负载时的电路及=60时的波形,2.2.1三相半波可控整流电路,2.2.2三相桥式全控整流电路（三相全桥）,三相全桥的特点应用最为广泛；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）；编号顺序：1、3、5和4、6、2，一般不特别说明，均采用这样的编号顺序。由于零线平均电流为零，所以可以不用零线。,图2-17三相桥式全控整流电路原理图,一个工作周期中，每相二次电源既有正电流，也有负电流，所以不存在直流磁化问题，提高了绕组利用率。,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1)=0时对于共阴极阻的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通；对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低的导通；任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个SCR处于导通状态。其余均关断。触发角的起点，仍然是从自然换相点开始计算，注意正负方向均有自然换相点。,图2-18三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的波形,图2-18三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的波形,从线电压波形看，ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。,表2-1三相桥式全控整流电路电阻负载=0时晶闸管工作情况,2.2.2三相桥式全控整流电路（三相全桥）,2)三相桥式全控整流电路的特点：（1)两个SCR同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个SCR导通，且不能为同相的两个SCR（否则没有输出）。（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。,2.2.2三相桥式全控整流电路（三相全桥）,（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，所以三相全桥电路称为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(大于600)另一种是双脉冲触发（常用）：在Ud的六个时间段，均给应该导通的SCR提供触发脉冲，而不管其原来是否导通。所以每隔600就需要提供两个触发脉冲。实际提供脉冲的顺序为：1,2-2,3-3,4-4,5-5,6-6,1-1,2，不断重复。（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为：,2.2.2三相桥式全控整流电路（三相全桥）,3)=30时的工作情况(波形图）晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30；从t1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表2-1的规律；变压器二次侧电流iu波形的特点：在VT1处于通态的120期间，iu为正，iu波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120期间，iu波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。,2.2.2三相桥式全控整流电路（三相全桥）,4)=60时工作情况ud波形中每段线电压的波形继续后移，ud平均值继续降低。=60时ud出现零点。,图2-20三相桥式全控整流电路带电阻负载=60时的波形,2.2.2三相桥式全控整流电路（三相全桥）,5)当60时，如=90时电阻负载情况下的工作波形如图2-21所示：,图2-21三相桥式全控整流电路带电阻负载=90时的波形,2.2.2三相桥式全控整流电路（三相全桥）,6)小结（阻感负载）当60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形一样，也连续；当60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值；带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120,2.2.2三相桥式全控整流电路（三相全桥）,2电感性负载时的工作情况1)60时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等都一样；区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。电感性负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。,2.2.2三相桥式全控整流电路（三相全桥）,图2-22三相桥式全控整流电路带电感性负载=0时的波形,图2-23三相桥式全控整流电路带电感性负载=30时的波形,2.2.2三相桥式全控整流电路（三相全桥）,2.2.2三相桥式全控整流电路,2)60时电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负值，而电感性负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分；带电感性负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90。90时，Ud波形上下对称，平均值为零。,图2-24三相桥式整流电路带电感性负载，=90时的波形,3基本参数关系当整流输出电压连续时（即带电感性负载时，或带电阻负载60时）的平均值为：带电阻负载且60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为：Id=Ud/R,（2-28）,（2-29）,2.2.2三相桥式全控整流电路（三相全桥）,带电感性负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为：（2-30）晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。接反电势电感性负载时，在负载电感足够大足以使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，接反电势电感性负载时的Id为：（2-31）式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动