电力电子技术 第3章 整流电路n.ppt

第11页,引言,整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种按交流输入相数分为和多相电路,交流电动机,直流发电机,直流电动机,负载,整流装置,第1章第2页,引言,本章内容：可控整流电路：工作原理（波形分析）、基本数量关系、负载性质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,3.1单相可控整流电路,首先假设以下几点：(1)开关元件是理想的，即开关元件(晶闸管)导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大；(2)变压器是理想的，即变压器漏抗为零，绕组的电阻为零、励磁电流为零。,第1章第4页,3.1单相可控整流电路,重点：工作原理（波形分析）、定量计算、不同负载的影响。3.1.1单相半波可控整流电路SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier基本概念：单相：交流侧接单相电源半波：ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流可控：采用了可控器件晶闸管,第1章第5页,1.带电阻负载的工作情况Resistiveload,图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,电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同,3.1.1单相半波可控整流电路,基本工作原理,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。,图3-2单相半波可控整流电路及波形图(纯电阻负载),第1章第7页,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。移相：改变的大小，即改变触发脉冲在每个周期内出现的时刻，称为移相。,a移相范围为这种通过控制触发脉冲的相位来控制输出电压大小的方式称为相位控制方式（相控方式）,0180,a越大，输出电压越小,第1章第8页,直流输出电压平均值（1-1）0时，Ud=0.45U2；时，Ud=0，可见可以通过改变触发角，调整来调整Ud直流电流平均值（1-2）,基本数量关系,第1章第9页,输出电压有效值（均方根值）（1-3）电流有效值（1-4）电流有效值用于选择器件、选择导线以及计算负载的有功功率等。例题中有体现。,第1章第10页,3.1.1单相半波可控整流电路,图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resistor-inductorload,阻感负载负载中感抗L与电阻R相比不可忽略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能发生突变。与电阻负载波形图的不同之处：图2ed,第1章第11页,3.1.1单相半波可控整流电路,图2带阻感负载单相半波可控整流电路及波形,工作情况分段描述：t1t2,晶闸管导通，电源电压全部加到负载上；由于电感的作用，电路电流只能够从零逐渐增加；到t2时，电流达到最大值，此时电感存储的能量也达到最大；电流达到最大值的时间稍微滞后与电压最大值。,第1章第12页,3.1.1单相半波可控整流电路,图2带阻感负载单相半波可控整流电路及波形,t1t2期间，感应电动势,电流上升期间，感应电动势的方向阻碍电流变大，方向与电源电压方向相反，上正下负。,第1章第13页,3.1.1单相半波可控整流电路,图2带阻感负载单相半波可控整流电路及波形,工作情况分段描述：t2t3,t2t3期间，电流从最大值开始下降；此时电感产生的电动势阻碍电流下降；在t3=,电源电压过零。但由于电感中感应电动势的作用，使晶闸管仍然承受正向电压，仍维持导通；,第1章第14页,3.1.1单相半波可控整流电路,电感作用分析,电感的存在，使负载电压波形出现负电压；电感越大，导通角越大，负面积也越大；当电感增大到使负面积接近正面积时，整流输出的直流电压Ud接近0。,第1章第15页,带阻感负载工作情况的详细分析*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。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。,3.1.1单相半波可控整流电路,第1章第16页,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3-3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,分段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。,第1章第17页,当VT处于通态时，如下方程成立：,b)VT处于导通状态,（3-2）,（3-4）,初始条件：t=a，id=0。求解式（3-2）并将初始条件代入可得,当t=+a时，id=0，代入式（1-8）并整理得,（3-3）,其中,，,第1章第18页,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。,第1章第19页,为了使电源电压过零变负时能及时地关断晶闸管，使ud波形不出现负值，避免Ud太小，又能给电感线圈L提供续流的旁路，可以在负载两端并联二极管，如图所示。,3.1.1单相半波可控整流电路3.负载侧接续流二极管的工作情况rectifierwithfreewheelingdiode,第3章第20页,图4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,1当u2为正时（0区间），晶闸管承受正向电压，触发脉冲在时刻触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流。在此期间续流二极管VD承受反向电压而关断。,1,第1章第21页,图4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,2当u2变负时(2区间)，电感的感应电压使续流二极管VD承受正向电压导通续流;此时电源电压u20，u2通过续流二极管使晶闸管承受反向电压而关断;负载两端的输出电压仅为续流二极管的管压降。,2,第1章第22页,如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使电流id连续，且id波形近似为一条水平直线，大小为Id，则基本的物理量计算公式如下：,1流过晶闸管电流的平均值IdVT和有效值IVT为：,2流过续流二极管电流的平均值IdVD和有效值IVD,输出电流平均值Id=Ud/R,4从波形图可以看出，晶闸管和续流二极管承受的最大电压：,电压：波形和电阻负载相同，所以计算公式也相同。3输出电压平均值Ud为：,结论：电阻负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，可见续流二极管的作用是为了提高输出电压。负载电流波形连续且近似为一条直线，如果电感为无穷大，则负载电流为一直线。流过晶闸管和续流二极管的电流波形是矩形波。,第1章第25页,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,3.1.2单相桥式全控整流电路,3.1.2单相桥式全控整流电路,(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier),电路结构,3.1.2单相桥式全控整流电路,1)带电阻负载的工作情况,图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。,图5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,在电源正半周，a正b负；VT1和VT4会承受正向阳极电压，给VT1和VT4同时加脉冲，则VT1和VT4会导通；电流id从电源a端经VT1、负载Rd及VT4回到电源b端，负载上得到电压ud为电源电压u2（忽略VT1和VT4的导通压降），方向为上正下负；VT2和VT3因承受反压而不会导通；电流波形id与ud相同。,工作原理及波形分析正半周,+,-,图5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,u2负半周，a-，b+；VT2和VT3会承受正向电压，在时刻给VT2和VT3同时加脉冲，会被触发导通。电流id从电源b端经VT3、负载Rd及VT2回电源a端，负载上得到电压ud仍为电源电压u2，方向也还为上正下负，与正半周一致。VT1和VT4则承受反压u2而处于截止状态。u2过零时，id也过零，使VT2和VT3关断。,工作原理及波形分析负半周,-,+,图5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,从图中可看出，负载上的直流电压输出波形比单相半波时多了一倍，晶闸管的控制角可从0180，导通角为-。晶闸管承受的最大电压为。该部分内容要理解。,工作原理及波形分析小结,电路参数的计算,a角的移相范围为0180,向负载输出的平均电流值为：,输出电压平均值的计算公式：,流过每只晶闸管的电流平均值，只有输出直流平均值的一半，即：,流过晶闸管的电流有效值：,由上两式得：,iVT1,4,由上两式得：,变压器的容量S=U2I2。从而可以得出电路功率因数。,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：,2）带阻感负载的工作情况,u,图6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,假设负载电感很大，负载电流id连续，且波形近似为一条直线。ud的波形出现了负半周部分,正半周,u,图6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,电源u2正半周，触发VT1和VT4导通，输出电压ud=u2。至电源电压过零变负时，由于电感产生的自感电动势会使VT1和VT4继续导通，输出电压仍为udu2，所以出现了负电压输出。VT2和VT3虽然已承受正向电压，但还没有触发脉冲，所以不会导通。,负半周,图6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,至t=+a时刻，给VT2和VT3同时加触发脉冲，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。,图6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,两组管子轮流导通，每只晶闸管的导通时间比电阻性负载时延长了；导通角=，与a无关；正半周电流由VT1、4流过，负半周电流由VT2、3流过；形状均为方波；变压器二次侧的波形为正负交替的方波。,在时，输出电压Ud最小，等于零。因此，a的移相范围是090。,在时，输出电压Ud最大，,输出电压平均值：,单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算,负载电流平均值的计算公式：,晶闸管导通角与a无关，均为180。所以，流过一只晶闸管的电流平均值和有效值：,晶闸管可能承受的最大正反向电压均为：,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=id。,反并联续流二极管,为扩大移相范围，去掉输出电压的负值，提高Ud的值，可在负载两端并联续流二极管，如图所示。接续流二极管以后，的移相范围可以扩大到0180。,反并联续流二极管,负载电压ud波形不再出现负值负载电流波形仍为一条水平线晶闸管的导通角变小，=a续流管的导通角为2a变压器二次电流导通角度每周期减少2a,（例题，p27）单相桥式全控整流电路大电感负载。U2=220V,Rd=4，试计算时不接续流管与接续流管两种情况的Ud，Id值，以及晶闸管的平均电流和有效电流解：1)不接续流管,接续流管时,3）带反电动势负载时的工作情况,图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。,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。,当Up后，使内电阻rbl迅速减小，电流迅速增加，Ue也迅速减小，得曲线上的V点。V点称为谷点，谷点所对应的电压称为谷点电压Uv。这一区间称为特性曲线的负阻区。,单结晶体管特性描述,当Ue从零逐渐增加，但Ue小于一定值时，单结晶体管只有很小的漏电流。直到当发射结电位Ue增加到一定值时，单结晶体管由截止状态进入到导通状态，对应的电压称为峰点电压Up。当UeUp后，使内电阻rbl迅速减小，电流迅速增加，Ue也迅速减小到谷点电压Uv，恢复阻断。这一特性称为负阻特性。,2单结晶体管张驰振荡电路,利用单结晶体管的负阻特性和电容的充放电，可以组成单结晶体管张驰振荡电路。单结晶体管振荡电路的电路图和波形图如图1-5所示。,图15单结晶体管张驰振荡电路电路图和波形图（a）电路图（b）波形图,电路工作过程描述,设电容器初始没有电压，电路接通以后，单结晶体管是截止的，电源经电阻R、RP对电容C进行充电，电容电压从零起按指数充电规律上升，充电时间常数为REC；当电容两端电压达到单结晶体管的峰点电压UP时，单结晶体管导通，电容开始放电，由于放电回路的电阻很小，因此放电很快，放电电流在电阻R4上产生了尖脉冲。随着电容放电，电容电压降低，当电容电压降到谷点电压UV以下，单结晶体管截止，接着电源又重新对电容进行充电如此循环，在电容C两端会产生一个锯齿波，在电阻R4两端将产生一个尖脉冲波。如图15（b）所示。,3单结晶体管触发电路,上述单结晶体管张驰振荡电路输出的尖脉冲可以用来触发晶闸管，但不能直接用做触发电路，还必须解决触发脉冲与主电路的同步问题。图1-2所示为单结晶体管触发电路，是由同步电路和脉冲移相与形成两部分组成的。,1）什么是同步触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调的关系叫同步。例如，在单相半波可控整流电路中，触发脉冲应出现在电源电压正半周范围内，而且每个周期的角相同，确保电路输出波形不变，输出电压稳定。,2）同步电路组成同步电路由同步变压器、桥式整流电路VD1