第3章_晶闸管可控整流电路1(1单相).ppt

第三章晶闸管相控整流电路,3.1整流电路的构成原理3.2单相可控整流电路分析3.3三相可控整流电路分析3.4电容滤波不可控整流电路分析3.5交流电源回路电感效应3.6全控变流电路的有源逆变工作状态3.7谐波和无功功率分析基础,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,整流电路主要分为相控整流电路和PWM整流电路相控整流原理：利用整流管和晶闸管的单相导电开关特性，构成输出单一极性的电力变换电路，从而将输入的交流电能转换为输出的直流电能。整流电路通常先由整流变压器将电源电压变换为幅值适宜的交流电压，再由直流变换电路变换后得到负载所需要的直流电压。,二.整流电路的基本类型,图1：单相半波不可控整流电路,图2：单相半波可控整流电路,图4：三相半波不可控整流电路,图5：三相半波可控整流电路,图6：三相全桥可控整流电路,图3：单相全桥半控整流电路,整流电路的原理图,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,三相半波公阴级电路分析,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（书上没有）,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。控制角：从自然换相点计起，到发出控制脉冲使晶闸管导通为止的时间间隔，以电角度表示，称为控制角。,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。,四.负载性质对电路工作的影响,、电阻负载特点：电压、电流的波形形状相同、电感性负载（主要指电感与电阻串联的电路）特点：负载电流不能突变，波形分为连续和不连续两种情况。、电容性负载（整流输出接大电容滤波）特点：由于电容电压也不能突变，所以晶闸管刚一触发导通时，电容电压为零，相当于短路，因而就有很大的充电电流流过晶闸管，电流波形呈尖峰状。因此为了避免晶闸管遭受过大的电流上升率而损坏，一般不宜在整流输出端直接接大电容。,负载性质对电路工作的影响,、反电势负载（整流输出供蓄电池充电或直流电动机，即负载有反电势）特点：只有当输出电压大于反电动势时才有电流流通，电流波形也呈较大的脉动。,五.分析整流电路的假设条件,1、假定开关元件的开关特性是理想的的开关特性饱和压降为零,漏电流为零2、电源变压器是理想变压器内阻为零，漏抗为零3、电源为理想电动势内阻为零在理想条件下所得出的结论，大都适用于实际的电路。对因与假定理想条件不符合而产生的影响，可进一步根据实际特性进行修正。,六.整流电路研究、学习的基本内容,依据开关元件的理想开关特性和负载性质，分析电路的工作过程。据电路工作过程得出波形分析，包括输出电压ud、各晶闸管端电压uVT、负载电流id、通过各晶闸管电流iVT、以及变压器次级和初电流i2和i1等。在波形分析基础上，求得一系列电量间的基本数量关系，以便对电路进行定量分析。在设计整流电路时，数量关系可作为选择变压器和开关元件的依据。,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,3.2.4单相整流电路电动势负载,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。,3.2.1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：正向阻断、正向导通、反向阻断,(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，以表示。,电阻性负载,单相半波可控整流电路及波形,相位控制：周期性控制，通过控制触发角的大小（也是控制导通角）实现调压相位控制特点：需要知道主电路的电压相位,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：,电力电子电路特点,1、电力电子电路的输出一般是非正弦周期量,2、电力电子电路的电网侧输入的正弦电压，非正弦周期电流,3、电力电子电路会带来严重谐波和无功问题，是非线性装置,阻感负载的波形,单相半波可控整流电路,1.主电路负载中含有储能元件电感，电路中电流不能突变。,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：,阻感负载,3.纯电感负载（LR）,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。,阻感负载（数量关系）,4.数量关系,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,4.数量关系、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,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。,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。,注意：不管断续连续一个周期内，电感电压的平均值为零，不做功能,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（LR）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（wLR）,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。,复习：电力电子电路特点,1、电力电子电路的输出一般是非正弦周期量,2、电力电子电路的电网侧输入的正弦电压，非正弦周期电流,3、电力电子电路会带来严重谐波和无功问题，是非线性装置,电阻负载波形,阻感负载的波形,复习：单相半波电路,有续流二极管电流断续,有续流二极管电流连续,复习：单相半波电路,复习：有续流二极管的阻感负载,电感L充分大时（wLR）,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,3.2.2单相桥式全控整流电路,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，得到触发脉冲时导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲时导通，当u2过零时关断。,0,VT1、VT2、VT3、VT4关断,VT1、VT4导通，VT2、VT3关断,VT1、VT2、VT3、VT4关断,VT1、VT4关断，VT2、VT3导通,触发VT1、VT2,触发VT3、VT4,电压过零,3.2.2单相桥式全控整流电路,单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,一.电阻性负载,2.工作过程及波形分析：分为四个阶段,(1)VT1、VT2、VT3、VT4关断,(2)VT1、VT4导通，VT2、VT3关断,电阻性负载,单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,(3)VT1、VT2、VT3、VT4关断,(4)VT1、VT4关断，VT2、VT3导通,电阻性负载,3.数量关系,电阻性负载（数量关系）,电阻性负载（数量关系）,单相桥式全控整流电路,二.阻感负载,1.主电路2.工作过程及波形分析根据L作用不同，分电流断续和电流连续电流断续：L作用较小，,(1),阻感负载电流断续,单相桥式全控整流电路,二.阻感负载,1.主电路2.工作过程及波形分析根据L作用不同，分电流断续和电流连续电流断续：L作用较小，,(2),阻感负载电流断续,阻感负载,阻感负载电流断续,(3),(4),阻感负载,阻感负载电流断续,(5),(6),阻感负载（电流断续）,3.数量关系,导通角：,移项范围：,阻感负载,阻感负载电流连续,电流连续：,(1),(2),阻感负载,阻感负载电流连续,电流连续：,(3),(4),阻感负载（电流连续）,3.数量关系,导通角：=,有效移相范围：要使id连续:,阻感负载（电流连续）,数量关系,当aj时，I00，id连续,阻感负载（电流连续）,数量关系,为了提高平均值可以负载两端反并联二极管周期触发时VT3由于驱动电路原因脉冲丢失,得到什么结果？,单相桥式阻感电路,例1某电源装置采用单相桥式全控整流电路,向电阻负载供电,若该装置可输出在12v30v连续可调平均电压;触发电路最小控制角min=20;输出平均电流Id均可达20A。按下列两种条件求变压器次级电压和电流定额、晶闸管电压和电流定额：理想条件；整流回路两只晶闸管总通态平均压降2V、线路电压损失1V、电源电压波动范围5%U2。,电阻性负载题目,例2某电源装置采用单相桥式全控整流电路,向阻感负载供电，wLR,若该装置可输出在12v30v连续可调平均电压;触发电路最小控制角min=20;输出平均电流Id均可达20A。按下列两种条件求变压器次级电压和电流定额、晶闸管电压和电流定额：理想条件；整流回路两只晶闸管总通态平均压降2V、线路电压损失1V、电源电压波动范围5%U2。,阻性负载题目,半桥阻感负载时的电路及波形,单相全桥半控电路,失控工作状态的电路波形,自然续流现象,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在正、负半周轮流导通的情况，这种异常现象称为失控。(无法用切除脉冲的方式使电路停止工作),3.2.3单相桥式半控整流电路,阻感负载电路及波形,1.主电路半控：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。,2.工作过程及波形分析,一.阻感负载,a.自然续流现象：（以id连续为例）,(1),阻感负载,(2),单相全桥半控电路等效图,自然续流,阻感负载,(3),阻感负载,(4),阻感负载(工作过程及波形分析),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在正、负半周轮流导通的情况，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，这种异常现象称为失控。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。,失控工作状态的电路波形,阻感负载,b.失控现象及续流二极管,为了防止失控的发生，必须消除自然续流现象：负载两端反并联续流二极管VDR，提供另外一条通路。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。,VT1和VT2共阴极接法，VT3和VT4共阳极接法,VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周得到触发脉冲时肯定导通VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周得到触发脉冲时肯定导通。,单相全桥电路复习,电阻负载时的电路及波形,单相全桥电路复习,=,并上续流二极管？,单相全桥电路复习,半桥阻感负载时的电路及波形,单相全桥半控电路复习,失控工作状态的电路波形,自然续流现象,WLR时,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在正、负半周轮流导通的情况，这种异常现象称为失控。(无法用切除脉冲的方式使电路停止工作),单相全桥半控电路等效图,自然续流失控现象,阻感负载加续流二极管,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LR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。,阻感负载-有续流二极管,单相桥式半控整流电路,二.阻感负载加续流二极管（电流连续）,阻感负载-有续流二极管,1.主电路2.工作过程及波形分析,(1),(2),阻感负载加续流二极管,(3),(4),阻感负载-有续流二极管,阻感负载加续流二极管,3.数量关系：,单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。变压器不存在直流磁化的问题。,单相全波可控整流电路,单相全波与单相全控桥的区别（1）单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多。（2）单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压为，是单相全控桥的2倍。（3）单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。从上述（2）、（3）考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。,单相全波可控整流电路,单相全波可控整流电路,单相桥式半控整流电路,单相桥式半控整流电路的另一种接法把单相桥式全控整流电路中的VT2和VT4换为二极管VD2和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD2和VD4来实现。两个晶闸管的阴极电位不同,触发电路需要隔离.,3.2.4单相整流电路电动势负载,整流电路的负载中，有一种带直流电动势的含源负载，由整流电路供给电能，实现能量传递与转换功能。作为负载的电动势，对整流电路而言为反向电势性质，故常称之为反电动势负载。从负载的构成看，带电动势E的负载可分为RE和RLE两种类型。,一、RE负载1、电动势对晶闸管开、关条件的影响,半波可控整流电路RE负载及桥式全控整流电路如图所示。,RE负载单相半波可控整流电路及波形,RE负载,电源正半周u20时：,当0t时u2EVT反向阻断，不可能导通当t-时u2EVT正向阻断，具备开通条件通当-t时u2EVT反向阻断,电源电压为：,晶闸管导通时晶闸管关断时负载电压：ud=u2，负载电压：ud=E负载电流：id=（ud-E）/R负载电流：id=0终止导电角：从t=起向左计量到终止导电时刻为止的时间间隔，以电角度表