第五章 整流电路1.ppt

第五章：整流电路,5.1整流器的性能指标5.2单相相控整流电路5.3三相相控整流电路5.4大容量相控整流电路5.5相控整流电路的换相压降5.6整流电路的谐波分析5.7有源逆变电路5.8晶闸管相控电路的驱动控制5.9PWM整流电路,第五章：整流电路,整流电路；交流转换为直流,按照输入交流电源的相数:单相、三相和多相整流电路；按电路中组成的电力电子器件控制特性:不可控、半控和全控整流电路；根据整流电路的结构形式:半波、全波和桥式整流电路等类型。,相控整流电路:电压可调；二极管整流电路:电压固定；,整流电路的类型：,5.1整流器的性能指标,（1）输出的直流电压大小可以控制；（2）输出直流侧电压和交流侧电流中的纹波都必须限制在允许范围内；（3）整流器的效率要高。,利用电力电子器件的可控开关特性把交流电能变为直流电能的整流电路构成的系统称为整流器。,2、整流器电路性能和控制方式必须满足的要求：,1、定义：,5.1整流器的性能指标,整流器的输出电压是脉动的，其中除了有主要的直流成分外，还有一定的交流谐波成分。定义整流器的输出电压的交流纹波有效值UH与直流平均值UD之比为电压纹波系数u。即,1、电压纹波系数u,（5.1.1）,如果直流输出电压有效值用U表示，则，因此有：,若第n次谐波峰值为Unm,则定义Unm与UD之比为电压脉动系数Sn，,（5.1.3）,（5.1.2）,2、电压脉动系数Sn,5.1整流器的性能指标,整流电路输入端为各次谐波电流之和。输入电流总畸变率THD（TotalHarmonicDistortion）又称谐波因数HF（HarmonicFactor），是指除基波电流以外的所有谐波电流有效值与基波电流有效值之比，即,3、输入电流总畸变率THD,（5.1.4）,式中Isn为n次谐波电流有效值。,4、输入功率因数PF,定义交流电源输入有功功率平均值P与其视在功率S之比为输入功率因数PF（Powerfactor）,即,对于的正弦波，谐波电流在一个周期内的平均功率为零，只有基波电流Is1形成有功功率,上式中1是输入电压与输入电流基波分量之间的相位角。则称为基波位移因数(或基波功率因数)，于是输入功率因数为:,（5.1.5）,（5.1.6）,上式表明：功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定。1越小，基波功率因数越大，相应的PF也越大。另一方面，输入电流总畸变率THD越小，功率因数PF也越大。,4、输入功率因数PF(续),（5.1.7）,中称为基波因数，且有,所以,式,（5.1.6）,第五章：整流电路,5.1整流器的性能指标5.2单相相控整流电路5.3三相相控整流电路5.4大容量相控整流电路5.5相控整流电路的换相压降5.6整流电路的谐波分析5.7有源逆变电路5.8晶闸管相控电路的驱动控制5.9PWM整流电路,在单相相控整流电路中，定义晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度称为控制角(或移相角)，晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，用表示。,5.2.1单相半波相控整流电路,图5.2.1单相半波可控整流,1.电阻性负载,（5.2.2）,5.2.1单相半波相控整流电路,上式(5.2.3)表明，只要改变控制角(即改变触发时刻)，就可以改变整流输出电压的平均值，达到相控整流的目的。,1.电阻性负载时参数计算：,根据波形图5.2.1(b)，可求出整流输出电压平均值为：,移相范围：整流输出电压Ud的平均值从最大值变化到零时，控制角的变化范围为移相范围。,当=0时，Ud=0.45U2为最大值，当=时，Ud=0。,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。,单相半波相控整流电路带电阻性负载时移相范围为。,图5.2.1单相半波可控整流波形图,5.2.1单相半波相控整流电路,1.电阻性负载时参数计算（续）：,图5.2.1单相半波可控整流波形图,根据有效值的定义，整流输出电压的有效值为,（5.2.4）,那么，整流输出电流的平均值Id和有效值I分别为,电流的波形系数Kf为,（5.2.7）,（5.2.5）,（5.2.6）,上式(5.2.7)表明，控制角越大，波形系数Kf越大。,5.2.1单相半波相控整流电路,1.电阻性负载时参数计算（续）：,图5.2.1单相半波可控整流原理,（5.2.8）,如果忽略晶闸管T的损耗，则变压器二次侧输出的有功功率为,电源输入的视在功率为,（5.2.10）,（5.2.9）,从上式可知，功率因数是控制角的函数，且越大，相控整流输出电压越低，功率因数PF越小。当=0时，PF=0.707为最大值。这是因为电路的输出电流中不仅存在谐波，而且基波电流与基波电压(即电源输入正弦电压)也不同相，即是使电阻性负载，PF也不会等于1。,电路的功率因数,5.2.1单相半波相控整流电路,2.电感性负载,（等效为电感L和电阻R串联）,图5.2.3感性负载单相半波可控整流电路及其波形,工作原理,2.电感性负载,5.2.1单相半波相控整流电路,感性负载上的输出电压平均值Ud为,故,（5.2.11）,（5.2.12）,（5.2.13）,式(5.2.13)表明,感性负载上的电压平均值等于负载电阻上的电压平均值。,由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸管的流通角变大，且负载中L越大，越大，输出电压波形图上负压的面积越大，从而使输出电压平均值减小。在大电感负载LR的情况下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论为何值，都有,2.电感性负载（大电感）,5.2.1单相半波相控整流电路,图5.2.4LR时不同时的电流波形,2.电感性负载（大电感）,5.2.1单相半波相控整流电路,大电感负载时输出平均电压为零，解决的办法是在负载两端并联续流二极管D，如图5.2.5(a)所示。,图5.2.5大电感负载接续流管的单相半波整流电路及电流电压波形,在电源电压正半周，负载电流由晶闸管导通提供；电源电压负半周时，续流二极管D维持负载电流；因此负载电流是一个连续且平稳的直流电流。大电感负载时，负载电流波形是一条平行于横轴的直线，其值为Id；,晶闸管与续流管承受的最大电压均为,5.2.1单相半波相控整流电路,2.电感性负载（大电感）参数计算,若设T和D分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，则容易得出晶闸管的电压平均值为,流过续流二极管的电流平均值为,流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为,（5.2.17）,（5.2.14）,（5.2.15）,（5.2.16）,1）优点：线路简单，调整方便；2）缺点：（1）输出电压脉动大，负载电流脉动大（电阻性负载时）。（2）整流变压器次级绕组中存在直流电流分量，使铁芯磁化，变压器容量不能充分利用。若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗。3）应用：单相半波可控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。,3、单相半波可控整流电路特点：,5.2.1单相半波相控整流电路,5.2.2单相桥式相控整流电路,1、阻性负载,图5.2.6单相全控桥式整流电路带电阻性负载的电路与工作波形,（的移相范围是0180,理论上）,工作原理分析：,5.2.2单相桥式相控整流电路,1、阻性负载参数计算：,3）输出电流的平均值和有效值分别为,2）整流输出电压的有效值为,即Ud为最小值时，=180，Ud为最大值时=0，所以单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，的移相范围是0180。,1）整流输出电压的平均值,（5.2.18）,（5.2.19）,（5.2.20）,（5.2.21）,5.2.2单相桥式相控整流电路,1、阻性负载参数计算：,4）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即,5）流过每个晶闸管的电流有效值为,（5.2.23）,（5.2.22）,6）晶闸管承受的最大反向电压为U2。,7）在一个周期内每个晶闸管只导通一次，流过晶闸管的电流波形系数为,（5.2.24）,5.2.2单相桥式相控整流电路,1、阻性负载参数计算：,9）在一个周期内电源通过变压器两次向负载提供能量，因此负载电流有效值与变压器次级电流有效值I2相同。那么电路的功率因数可以按下式计算,8）负载电流的波形系数为,（5.2.26）,（5.2.25）,5.2.2单相桥式相控整流电路,、的移相范围相等，均为0180；、输出电压平均值Ud是半波整流电路的倍；、在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半；、功率因数提高了倍。,通过上述数量关系的分析，电阻负载时，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：,单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与的关系曲线,特点：电感电流不能突变；电流滞后电压过零。根据负载中电感量L的大小不同，电路有4种可能工况：,二、电感性负载,（一）L、较小，较大，且时，负载断流；（二）当时，电流临界连续；（三）L、较大，较小,且，电流连续；（四）L、很大，wLR，iD断流情况L较小则较小，较大，负载断流，元件的导电角R，90，30时，负载电流断续，输出电压平均值d为,(4)晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压峰值，即，最大正向电压为电源相电压，即。,5.3.1三相半波相控整流电路,1、电阻性负载数量关系,(5.3.4),（5）负载电流的平均值,流过每个晶闸管的平均电流,（负载周期为，晶闸管为）流过每个晶闸管的电流有效值为,(5.3.5),(5.3.3),(5.3.6),5.3.1三相半波相控整流电路,1、大电感负载,(1)在30时，ud的波形与电阻性负载时相同。(2)30时ud波形出现部分负压。(3)尽管30，由于大电感负载的作用，仍然使各相晶闸管导通120，保证了电流的连续。,电路特点：,图5.3.3大电感负载的三相半波整流电路及波形,续流二极管,接续流二极管,5.3.1三相半波相控整流电路,1、大电感负载数量关系,流过每个晶闸管的平均电流与有效电流分别为,当=0时Ud最大，当=90时，Ud=0。因此，大电感负载时，三相半波整流电路的移相范围为090。,整流输出电压平均值ud为（注意=150对应t=180）,(5.3.8),(5.3.7),(5.3.9),5.3.1三相半波相控整流电路,1、大电感负载接续流二极管时,4）续流二极管在一周期内导通三次，其导通角D=3(30)。,1）ud的波形与纯电阻性负载时一样，Ud的计算公式也一样。,图5.3.3大电感负载的三相半波整流电路,2）负载电流id=iT1+iT2+iT3+iD。,3）一周期内晶闸管的导通角,T=150。,5.3.1三相半波相控整流电路,1、大电感负载接续流二极管时,图5.3.3大电感负载的三相半波整流电路,（5.3.13）,5）流过晶闸管的平均电流和有效电流分别为,6）流过续流管的平均电流和有效电流分别为,（5.3.10）,（5.3.11）,（5.3.12）,5.3.2三相桥式相控整流电路,共阴极组的自然换流点(=0)在t1、t、t时刻，分别触发、晶闸管。共阳极组的自然换流点(=0)在t、t、t时刻，分别触发、晶闸管。晶闸管的导通顺序为：123456。,图5.3.4三相桥式相控整流电路带电阻负载时的情况,1、电阻性负载工作原理,2、三相桥式全控整流电路的特点,5.3.2三相桥式相控整流电路,（l）每个时刻均需2个不同组的晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，且不能为同一相的晶闸管；（对于每一个晶闸管，承受正向电压最大的一相导通，承受负向电压最小即最负的一相导通）,（2）对触发脉冲的要求：6个晶闸管的触发脉冲按ug1ug2ug3ug4ug5ug6的顺序（相位依次差60）分别触发晶闸管123456；共阴极组1、3、5的触发脉冲依次相差120，共阳极组、的触发脉冲也依次差120,同一相的上下两个桥臂，即T1与T4，T3与T6，T5与T2脉冲相差180；,2、三相桥式全控整流电路的特点,5.3.2三相桥式相控整流电路,宽脉冲触发：使脉冲宽度大于60(一般取80100);双脉冲触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为2030。,（3）全控桥触发脉冲类型：,（4）带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120。,3、三相桥式全控整流电路不同时工作原理,5.3.2三相桥式相控整流电路,=30时工作波形：,图5.3.5三相桥式相控整流电路带电阻负载=30时的情况,3、三相桥式全控整流电路不同时工作原理,5.3.2三相桥式相控整流电路,=60时工作波形：,图5.3.6三相桥式相控整流电路带电阻负载=60时的情况,5.3.2三相桥式相控整流电路,=90时工作波形：,图5.3.7三相桥式相控整流电路带电阻负载=90时的情况,3、三相桥式全控整流电路不同时工作原理,4、三相桥式全控整流电路参数计算,5.3.2三相桥式相控整流电路,2）当60时，负载电流不连续，整流输出电压的平均值为,1）当60时，负载电流连续，负载上承受的是线电压设其表达式为，在内积分上、下限为和。因此当控制角为时，整流输出电压的平均值为,（5.3.14）,（5.3.15）,晶闸管承受的最大正、反向峰值电压为,5、大电感负载,5.3.2三相桥式相控整流电路,图5.3.8带大电感负载的三相全控桥式整流电路及=0时的电流电压波形,1）=0时工作波形,电路移相范围为090,5、大电感负载,5.3.2三相桥式相控整流电路,图5.3.9带大电感负载的三相全控桥式整流电路在=30、90时的电流电压波形,2）=30、90时工作波形,6、大电感负载参数计算,5.3.2三相桥式相控整流电路,在090范围内负载电流连续，负载上承受的是线电压，设其表达式为，而线电压超前于相电压30，在内积分上、下限为和。因此当控制角为时：,(5.3.16),1）整流输出电压的平均值为,（090）,2）负载电流平均值为,(5.3.17),5.3.2三相桥式相控整流电路,三相全控桥式整流电路中，晶闸管换流只在本组内进行，每隔120换流一次，即在电流连续的情况下，每个晶闸管的导通角T=120。因此,3）流过晶闸管的电流平均值和有效值,(5.3.18),(5.3.19),4）流进变压器次级的电流有效值为,5）晶闸管承受的最大电压为,(5.3.20),6、大电感负载参数计算,第五章：整流电路,5.1整流器的性能指标5.2单相相控整流电路5.3三相相控整流电路5.4大容量相控整流电路5.5相控整流电路的换相压降5.6整流电路的谐波分析5.7有源逆变电路5.8晶闸管相控电路的驱动控制5.9PWM整流电路,1.带平衡电抗器的双反星形相控整流电路工作原理,5.4大容量相控整流电路,图5.4.1带平衡电抗器的双反星形相控整流电路及其波形图,2、带平衡电抗器的双反星形相控整流电路数量关系,5.4大容量相控整流电路,(5.4.4),图5.4.1(a)中如果正、负整流组输出电流和在周期内连续，则T1、T3、T5和T4、T6、T2的导电角都为，在控制角=0时,Ud1、ud2相差60即,则：,(5.4.3),(5.4.5),从上面的关系式可知，如果负载中有大电感()，三次谐波很难流入负载，三次谐波电压产生的三次谐波电流只在两组半波整流电路中流动，称之为环流。,5.4大容量相控整流电路,(5.4.8),2、带平衡电抗器的双反星形相控整流电路数量关系,根据图5.4.1(b)得到整流输出电压瞬时值为,将式（5.