电力电子技术课件 程汉湘 第二章_1 整流电路.ppt

1,PowerElectronics,广东工业大学,第2章整流电路(AC/DC变换）,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晶闸管滞留电动机系统2.9相控电路的驱动控制本章小结,2,PowerElectronics,广东工业大学,第2章整流电路(AC/DC变换）,整流电路：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：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,3,PowerElectronics,广东工业大学,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单相全波全控整流电路2.1.4单相桥式半控整流电路,4,PowerElectronics,广东工业大学,2.1.1单相半波可控整流电路,1.带电阻负载的工作情况,图2-1单相半波可控整流电路及波形,变压器T,起变换电压,隔离,交流输入为单相，直流输出电压波形只在交流输入的正半周内出现，故称为单相半波可控整流电路。,特点：电压与电流成正比，两者波形相同,5,PowerElectronics,广东工业大学,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称为，用表示。直流输出电压平均值为,a移相范围为180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（相控方式）,（2-1）,6,PowerElectronics,广东工业大学,图2-2带阻感负载单相半波可控整流电路及波形,2.带阻感负载的工作情况,阻感负载当负载中感抗与电阻相比不可忽略时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。电力电子电路中存在非线性的电力电子器件，决定了电力电子电路时非线性电路。若将器件看作理想开关，则可将电力电子电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算。,7,PowerElectronics,广东工业大学,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,初始条件：t=a，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得,其中,，,（2-2）,当VT处于通态时，如下方程成立：,当t=+a时，id=0，代入式（2-3）并整理得,（2-3）,（2-4）,8,PowerElectronics,广东工业大学,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。,9,PowerElectronics,广东工业大学,为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管当u2过零变负时，VDR导通，ud为零。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，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。续流期间ud为零，ud中不再出现负的部分。,图2-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,10,PowerElectronics,广东工业大学,若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有,（2-5）,（2-6）,（2-7）,（2-8）,VT的a移相范围为180,11,PowerElectronics,广东工业大学,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。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。,12,PowerElectronics,广东工业大学,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单相全波全控整流电路2.1.4单相桥式半控整流电路,13,PowerElectronics,广东工业大学,2.1.2单相桥式全控整流电路,图2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,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。,1.带电阻负载的工作情况,14,PowerElectronics,广东工业大学,（2-10）,（2-11）,数量关系,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,（2-9）,15,PowerElectronics,广东工业大学,（2-12）,（2-13）,（2-14）,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：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2,由式（2-12）和式（2-13）,16,PowerElectronics,广东工业大学,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，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。至t=+a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。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。,2.带阻感负载的工作情况,17,PowerElectronics,广东工业大学,数量关系,晶闸管移相范围为90晶闸管承受的最大正反向电压均为晶闸管导通角与a无关，均为180，平均值和有效值分别为：,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a角决定，有效值I2=Id。,（2-15）,和,18,PowerElectronics,广东工业大学,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,3.带反电动势负载时的工作情况,|u2|E时，晶闸管承受正电压，才有导通的可能。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与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角,（2-16）,在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,电流续断id波形在一周期内有部分时间为0的情况电流连续id波形在一周期内不出现为0的情况当a时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不能导通。为使晶闸管可靠导通，触发脉冲需足够的宽度，保证当t=时，晶闸管承受正电压，触发脉冲仍然存在，相当于触发角被推迟为，即a=,19,PowerElectronics,广东工业大学,图2-8单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况,负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出,（2-17）,20,PowerElectronics,广东工业大学,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单相全波全控整流电路2.1.4单相桥式半控整流电路,21,PowerElectronics,广东工业大学,2.1.3单相全波可控整流电路,图2-9单相全波可控整流电路及波形,单相全波可控整流电路又称单相双半波可控整流电路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。,22,PowerElectronics,广东工业大学,单相全波与单相全控桥的区别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。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。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。,23,PowerElectronics,广东工业大学,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单相全波全控整流电路2.1.4单相桥式半控整流电路,24,PowerElectronics,广东工业大学,2.1.4单相桥式半控整流电路,图2-10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,假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态在u2正半周，触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电。u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。,带阻感负载的情况,在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。,25,PowerElectronics,广东工业大学,续流二极管的作用若无续流二极管，则当a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。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。,26,PowerElectronics,广东工业大学,图2-11单相桥式半控整流电路的另一接法,单相桥式半控整流电路的另一种接法相当于把图2-5a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。,图2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路,27,PowerElectronics,广东工业大学,第2章整流电路(AC/DC变换）,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晶闸管滞留电动机系统2.9相控电路的驱动控制本章小结,28,PowerElectronics,广东工业大学,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,29,PowerElectronics,广东工业大学,交流测由三相电源供电负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时用。基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路、双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在此基础上进行分析。,2.2三相可控整流电路,30,PowerElectronics,广东工业大学,2.2.1三相半波可控整流电路,图2-12三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,电路的特点：变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起为共阴极接法。,自然换相点：假设将电路中的晶闸管换作二极管，用VD表示，成为三相半波不可控整流电路。一周期中在wt1wt2期间，VD1导通，ud=ua在wt2wt3期间，VD2导通，ud=ub在wt3wt4期间，VD3导通，ud=uc,1.电阻负载,31,PowerElectronics,广东工业大学,二极管换相时刻为自然换相点，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触发角a的起点，即a=0。,图2-12三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,a=0时的工作原理分析：变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形，由3段组成：第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为uT1=0第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，uT1=ua-ub=uab，为一段线电压。第3段，在VT3导通期间，uT1=ua-uc=uac为另一段线电压。,32,PowerElectronics,广东工业大学,图2-13三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30时的波形,a=30时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态，各相仍导电60,33,PowerElectronics,广东工业大学,a30的情况负载电流断续，晶闸管导通角小于120。,图2-14三相半波可控整流电路，电阻负载，a=60时的波形,34,PowerElectronics,广东工业大学,整流电压平均值的计算：（1）a30时，负载电流连续，有：,（2-18）,当a=0时，Ud最大，为Ud=Ud0=1.17U2（2）a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,（2-19）,35,PowerElectronics,广东工业大学,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）,图2-15三相半波可控整流,36,PowerElectronics,广东工业大学,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u2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。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90,2.阻感负载,37,PowerElectronics,广东工业大学,数量关系由于负载电流连续，Ud可由式（218）求出，即,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）,38,PowerElectronics,广东工业大学,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,39,PowerElectronics,广东工业大学,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,图2-17三相桥式全控整流电路原理图,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）导通顺序：VT1VT2VT3VT4VT5VT6自然换向时，每时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。,40,PowerElectronics,广东工业大学,1.带电阻负载时的工作情况,假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发角a=0时，共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低的一个导通。任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。,41,PowerElectronics,广东工业大学,a=0时，各晶闸管均在自然换相点换相分析Ud波形，可从相电压波形分析，也可从线电压波形分析,从相电压波形共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线共阳极组晶闸管导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线总的整流输出电压ud=ud1-ud2是两条包络线的差值将其对应在线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线,从线电压波形共阴极组处于通态的晶闸管对应最大的相电压共阳极组处于通态的晶闸管对应最小的相电压输出整流电压ud为这两个相电压相减输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线,图2-18三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形,返回,42,PowerElectronics,广东工业大学,晶闸管及输出整流电压的情况如表21所示6个晶闸管导通顺序VT1VT2VT3VT4VT5VT6,表2-1三相桥式全控整流电路电阻负载a=0时晶闸管工作情况,43,PowerElectronics,广东工业大学,三相桥式全控整流电路的特点（1）2个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，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。,44,PowerElectronics,广东工业大学,（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,宽脉冲触发双脉冲触发（常用）,可采用两种方法,（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。晶闸管一周期中有1200处于通态，2400处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的Ud波形相同。,45,PowerElectronics,广东工业大学,每一段导通晶闸管的编号仍符合表2-1的规律区别在于：晶闸管起始导通时刻推迟了300,组成ud的每一段线电压因此推迟300，ud平均值降低。,图2-19三相桥式全控整流电路带电阻负载a=300时的波形,返回,46,PowerElectronics,广东工业大学,Ud波形中每段线电压的波形继续向后移，平均值降低。a=600时Ud出现了零点,图2-20三相桥式全控整流电路带电阻负载a=600时的波形,返回,47,PowerElectronics,广东工业大学,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）,48,PowerElectronics,广东工业大学,a60时，ud波形每600中有一段为零一旦ud降为零，id也降为零，流过晶闸管的电流即降为零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，波形ud不能出现负值。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,图2-21三相桥式全控整流电路带电阻负载a=900时的波形,49,PowerElectronics,广东工业大学,图2-22三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0时的波形,晶闸管VT1导通段，iVT!波形由负载电流波id形决定，与ud波形不同,2阻感负载时的工作情况,返回,50,PowerElectronics,广东工业大学,给出了变压器二次侧a相电流id波形,图2-23三相桥式全控整流电路带阻感负载a=300时的波形,返回,51,PowerElectronics,广东工业大学,当a60时，见图222a=0；图223a=30ud波形均连