电力电子技术3PPT课件

1、第3 3章 AC-DC AC-DC 变换技术3.8 相控电路的驱动控制本章小结第1页/共71页3.1 整流电路概述 所谓整流就是将交流电转变为直流电的过程，而完成整流过程的电力电子电路称为整流电路。1整流电路的应用整流电路主要应用于以下领域。(1) 电化学处理，例如：电镀、金属精炼以及化学气体(氢气、氧气、氯气)的生产等。(2) 可调速的直流传动系统和交流传动系统。(3) 高压直流输电系统。(4) 通用交一直一交电源，包括不问断电源系统。(5) 新能源发电技术，例如：太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池等的电能转换电路。第2页/共71页2整流电路的分类 整流电路的分类方法有很多种。 (1) 根据

2、所采用的器件，可分为不可控整流电路、半控整流电路和全控整流电路。 (2) 根据电路结构，可分为半波整流电路和桥式整流电路。 (3) 根据整流电路交流输入相数，可分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。 (4) 根据整流电路输出电压方向、电流方向及功率流向，可分为单象限整流电路、两象限整流电路和四象限整流电路。 (5) 根据控制方式，可分为不可控整流电路、相控整流电路和PWM整流电路。第3页/共71页3.2 桥式不可控整流电路在交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用。最常用的是单相桥和三相桥两种接法。由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为二极管整流电路。

3、第4页/共71页单相桥式不可控整流电路1.电感性负载时工作情况(1)u2正半周时，A点电位高于B点电位，则VD1、VD4承受正向电压而导通，VD2、VD3承受反向电压而截止，负载电压ud与u2 波形相同，由于电感L的平波作用，负载电流 的波形近似为直线。(2)u2负半周时，B点电位高于A点电位，则VD1、VD4承受反向电压而截止，VD2、VD3承受正向电压而导通，负载电压ud与u2 波形相反，负载电流id的方向不变。第5页/共71页由于不可控整流电路的换流不需外加控制信号，故， 这些点称为VD2、VD3的自然换流点， 这些点称为VD1、VD4的自然换流点，统称自然换流点。(21) (0,1,2

4、,)tnn2(0,1,2,)tnn直流输出电压平均值为d222012 22sind()0.9UUttUU直流输出电流平均值为ddUIR二极管承受的最大反向电压为22U变压器二次侧电流之的波形为矩形波，其有效值2dII第6页/共71页2. 带电容滤波时的工作情况基本工作过程如下(1) 在u2正半周过零点至t=0期间，因为u2E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 。REuidd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，212sinUEb

5、)idOEudtIdOta第25页/共71页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。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：dmin23dmin21087.222IUIUL图3-14 （b）单相桥式相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tOud0Eidta = 第26页/共71页单相全波可控整流电路 单相全波可控整流电路（Single Phase Full Wave Controlled R

6、ectifier)，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。图3-15 单相全波可控整流电路及波形a)tab)udi1OOt第27页/共71页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，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。从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。第28页/共71页单相桥式半控整流电路电路结构 单相全控桥中，

7、每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。 如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdatttttttaaaiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR 图3-16 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电阻负载 半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。第29页/共71页在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。 u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，u2经VT3和VD2向负载供电。

8、u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。单相半控桥带电感性负载的情况 图3-16 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Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdatttttttaaaiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR第30页/共71页续流二极管的作用避免可能发生的失控现象。 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，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，避免了失控的现象。 续流期间导电回路中只有一个管

9、压降，有利于降低损耗。第31页/共71页单相桥式半控整流电路的另一种接法相当于把图3-9a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3-9 单相桥式相控整流电路带电阻性负载时的电路图3-17 单相桥式半控整流电路的另一接法第32页/共71页3.4 三相相控整流电路三相半波相控整流电路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、容易滤波。基本的是三相半波相控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广 。第33页/共71页电路的特点：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、

10、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法 。图3-18 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 1. 电阻性负载自然换相点：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。b)c)d)e)f)u2Riduaubuca =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttta)动画演示第34页/共71页(1) 工作原理 a=0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。图3-18 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及

11、a =0时的波形 a=/6的波形（图3-19） 特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。a/6的情况（图3-20 ） 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。动画演示b)c)d)e)f)u2Riduaubuca =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttt a)第35页/共71页aaaacos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU当a=0时，Ud最大，为 。2d0d17.1UUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262daaaUttdUU（2）整流电压平均值的计算a/6时，负载电流连续，有：a/6时

12、，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：第36页/共71页 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RUIdd222RM45.2632UUUU22UUFM第37页/共71页2 电感性负载图3-21 三相半波可控整流电路，电感性负载时的电路及a =/3时的波形特点：电感性负载，L值很大，id波形基本平直。a/6时：整流电压波形与电阻负载时相同。a/6时（如a=/3时的波形如图3-21所示）。u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，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

13、及定量计算，可将id近似为一条水平线。电感性负载时的移相范围为/2。uuu动画演示udiaabcibiciduacOtOtOOtOOtatt第38页/共71页三相半波相控整流电路带电感性负载时，晶闸管承受的最大正反向电压均为 。数量关系输出电压平均值输出电流平均值晶闸管电流平均值和有效值变压器二次侧电流有效值值ddTIII577.031TII2aaaacos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUURUIdddTIId3126U第39页/共71页3反电动势负载图3-22 三相半波可控整流电路带反电动势 负载串接平波电抗器图3-22（a）是三相半波可控整流电路带直流电动机

14、电枢时的电路，它与单相电路一样，为了能使电流平稳连续，一般也要在负载回路串接电感量足够大的平波电抗器Ld，此时电路的分析同电感性负载时一致，波形如图3-22（b）所示。它与图3-21(b)-(e) 相似，电路分析以及各电量的计算也都一致，只是负载上的直流电流的平均值的计算为dddUEIR以上电路为了扩大移相范围以及使电流id平稳，也可在负载两端并接续流二极管第40页/共71页 三相半波相控整流电路还有另外一种接法，即把3个晶闸管的阳极连接在一起，而3个阴极分别接入电源的a、b、c相，也就是共阳极接法。 共阳极接法时晶闸管只能在相电压的负半周工作，换流总是换到阴极更负的那一相去。其工作情况、波形

15、及数量关系与共阴极接法时相同，仅输出极性相反。第41页/共71页三相桥式相控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路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）图3-24 三相桥式全控整流电路原理图导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6第42页/共71页当a/3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3-25 ） a =/3 （图3-26） 当a/3时，ud波形每/3中有一段为零，ud波形不能出现负值 波形图： a =/2（ 图3-27）l带电阻负载时

16、三相桥式全控整流电路a角的移相范围是2/3.1 电阻性负载第43页/共71页图3-25第44页/共71页图3-26第45页/共71页图3-27第46页/共71页晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 请参照图3-25第47页/共71页主要数量关系当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a/3时）的平均值为： 带电阻负载且a

17、 /3时，整流电压平均值为：输出电流平均值为 ：Id=Ud /Raaacos34.2)(sin63123232dUttdUU)3cos(134.2)(sin63232daaUttdUU晶闸管电流平均值 ddT3II第48页/共71页晶闸管电流有效值 变压器二次侧电流有效值 222T362332sind()2sin2223UUIttRRaa2T2II2电感性负载1) 工作原理第49页/共71页a/3时（a =/6图3-29）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2) 电感性负载时的工作情况主要包括a /3时（ a =/2图3

18、-30）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波形不会出现负的部分。 电感负载时，ud波形会出现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90 。区别在于：得到的负载电流id波形不同。 当电感足够大的时候， id的波形可近似为一条水平线。第50页/共71页图3-29三相桥式相控整流电路带电感性负载= 时的工作波形第51页/共71页图3-30 三相桥式相控整流电路带电感性负载 时的工作波形第52页/共71页第53页/共71页接反电势阻感负载时，在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

19、电势阻感负载时的Id为：REUIdd式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。3反电动势负载三相桥式相控整流电路带反电动势性负载时，保证电流连续的电感量可以根据下式计算32dmin0.693 10ULI第54页/共71页（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差/3。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差2/3，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差2/3。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差。 三相桥式全控整流电路的特点（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器

20、件。第55页/共71页（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。其基波频率为300Hz。 （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, 一种是双脉冲触发（常用） (5）电感性负载时晶闸管两端承受的电压的波形同三相半波时是一样的，但其整流后的输出电压的平均值Ud是三相半波时的2倍，所以当要求同样的输出电压Ud时，三相桥式电路对管子的电压要求降低了一半。 （6）电感性负载时变压器一周期有有电流通过，变压器的利用率高，且由于流过变压器的电流是正负对称的，没有直流分量，所以变压器没有直流磁化现象。 三相桥式全控整流电路的特点第56页/共71

21、页三、三相桥式半控整流电路图3-31 三相桥式半控整流电路及波形第57页/共71页3.5 交流侧电抗对相控整流电路性能的影响换流过程中的输出电压 现以三相半波为例，分析交流侧电抗对相控整流电路性能的影响，然后将其结论推广到m相。VT1换相至VT2的过程：因a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变。于是VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流ik。ik=ib是逐渐增大的， 而ia=Id-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断,换流过程结束。图3-32 考交流侧电抗对相控整流电路整流输出电压、电流波形的影响udidtOtOgiciaibi

22、ciaIduaubuca换相重叠角换相过程所对应的时间，用电角度g表示。第58页/共71页3.5 交流侧电抗对相控整流电路性能的影响换流过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。换流压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。22ddddddbadabbdaduuuuutiLtiLuutiLuukBkBkB第59页/共71页033() ()()2233 22dBbdBIBbBddiUuudtLdtdtL diX Ia ga ggaa() ()22bdBdmmUuudtX Ia gga2kbaBdiuudtL如果整流电路为m相整流，则换流压降为式中：m为一个电

23、源周期内的换流次数，三相半波电路m=3，三相桥式电路m=6。单相桥式电路，m=4。22cos3auUt22cos3auUt22 2sinsin3bauuUt第60页/共71页212sinsin()3kBdiUtdtL2012sinsin()3dIkBdiUtdtLa ga22sin3coscos()dBUIXaag222coscos()62sin3dBdBI XI XUUaag对于单相桥式相控整流电路2222coscos()22sin2dBdBI XI XUUaag第61页/共71页注：单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。因此计算时用2Id 代替式中的Id； 三相桥等效为相电压等于

24、的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按 代替式中的 。对于三相桥式相控整流电路，通式表示式中：m为一个电源周期内的换流次数，单相桥式电路m=2，三相半波电路m=3，三相桥式电路m=6。222coscos()62 3sin6dBdBI XI XUUaag2coscos()2sindBI XUmaag2U23U23U通过上述分析，可得换流重叠角g 随其他参数变化的规律：Id越大，g越大；XB越大，g越大；当 时，a越小则g越大。/ 2a第62页/共71页3.6 相控整流电路的谐波和功率因数随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波(harmonics)和无功(reactive powe

25、r)问题日益严重，引起了关注。无功的危害：导致设备容量增加。使设备和线路的损耗增加。线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害：降低设备的效率。影响用电设备的正常工作。引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。导致继电保护和自动装置的误动作。对通信系统造成干扰。第63页/共71页谐波和无功功率1. 谐波例如，前面几节分析的各种电路的输出电压、变压器二次侧电流等均为周期性非正弦量，而且一般满足狄利赫利条件，可用周期为 的通式 表示。 可分解为如下形式的傅里叶级数 所谓谐波，就是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到频率与工频相同的分量(该分量称为基波)，还得到一系列大于工频的分量

26、，这部分分量称为谐波。2/T ()ft()ft01()(cossin)nnnftaan tbn t2001() ()2aft dt201()cos()naftn tdt201()sin()nbftn tdt式中n=1的分量为基波， n1的分量为谐波。谐波频率与基波频率的比值( )称为谐波次数。式中1/nn ff第64页/共71页2） 无功功率正弦电路中的情况电路的有功功率就是其平均功率：20cos)(21UItuidP视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI 无功功率定义为： Q=U I sin 功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值：SPl 此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系：222QPS功率因数是由电压和电流的相位差 决定的：l =cos 第65页/共71页非正弦电路中的情况有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由式 定义。不考虑电压畸变，研究电压为正弦波、电流为非正弦波的情况有很大的实