电力电子技术第五版课件整流电路

1、1第3章 整流电路2第3章 整流电路引言整流电路的分类整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种。按电路结构可分为桥式电路桥式电路和零式电路零式电路。按交流输入相数分为单相电路单相电路和多相电路多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍单拍电路电路和双拍电路双拍电路。整流电路整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。33.1 单相可控整流电路43.1.1 单相半波可控整流电路图2-1 单相半波可控整流电路及波形1 1）带电阻负载的工作情况）带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点电阻负载的特点：电压与电流成正

2、比，两者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)53.1.1 单相半波可控整流电路 VT的a 移相范围为180 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位控制方式，简称相控方式相控方式。 首先，引入两个重要的基本概念：触发延迟角触发延迟角：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。导通角导通角：晶闸管在一个电源周期

3、中处于通态的电角度，用表示 。基本数量关系基本数量关系直流输出电压平均值为paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU(3-1)63.1.1 单相半波可控整流电路2) 带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况 图3-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形阻感负载的特点阻感负载的特点：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。讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +73.1.1 单相半波可控整流电路电力电子电路的一种基本分析方法

4、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。对单相半波电路的分析可对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：基于上述方法进行：当当VT处于处于断态断态时，相当于时，相当于电路在电路在VT处断开，处断开，id=0。当当VT处于处于通态通态时，相当于时，相当于VT短路。短路。图图3-3 单相半波可控整流单相半波可控整流电路的分段线性等效电路电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态处于关断状态 b)VT处于导通状态处于导通状态 a)b)VTRLVTRLu2u283.1.1 单相半波可控整流电路当VT处于通态时，如下方程成立：VTb)RLu2b) VT处于导通状态

5、tURitiLwsin2dd2dd（3-2）)sin()sin(tanjaqjajqe（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（3-3）并整理得 )sin(2)sin(22)(2djwjaawwtZUeZUitLR（3-3）22)( LRZwRLwjarctan其中 ，wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +93.1.1 单相半波可控整流电路续流二极管续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g

6、)iVDRa)图3-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。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。 数量关系数量关系(id近似恒为Id）ddVT2IIpap（3-5）d2dVT2)(21ItdIIpapwppa（3-6）ddVDRIIpap2（3-7）d22dVD2)(21RItdIIpapwpapp（3-8）103.1.1 单相半波可控整流电路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

7、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单相半波可控整流电路的特点113.1.2 单相桥式全控整流电路1) 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况a)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-5 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。电路结构电路结构单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(Single Phase B

8、ridge Contrelled Rectifier)123.1.2 单相桥式全控整流电路数量关系数量关系paaapwwp2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU（3-9）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：2cos145.0212ddVTaRUII（3-10）2cos19 . 02cos12222ddaapRURURUI(3-11)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4133.1.2 单相桥式全控整流电路流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

9、I有效值相等：由式（3-12）和式（3-13）得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（3-12）papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（3-13）II21VT（3-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4143.1.2 单相桥式全控整流电路2）带阻感负载的工作情况）带阻感负载的工作情况 u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图3-6 单相全控桥带阻感

10、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，晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=+a 时刻，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，此过程称换相换相，亦称换流换流。153.1.2 单相桥式全控整流电路 数量关系数量关系apaaapwwpcos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU（3-15）晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：变压器二次侧

11、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。ddT21IIddT707. 021III晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22U2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4163.1.2 单相桥式全控整流电路3） 带反电动势负载时的工作情况图3-7 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 。RE

12、uidd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，212sinUE（2-16）b)idOEudwtIdOwtaq173.1.2 单相桥式全控整流电路当 60 当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，此时输出电压电流为零。 负载电流断续，各晶闸管导通角小于120。 313.2.1 三相半波可控整流电路aapwwpapapcos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU（3-18）当a=0时，Ud最大，为 。2d0d17.1UUU222613 22sin()1 cos()0.6751 cos()22663UUtdtU

13、Uppappwwaappd(3-19)整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算a30时，负载电流连续，有：a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：32/1313.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路Ud/U2随随a a变化的规律变化的规律 03060901201501.17321a/( )Ud/U2图3-16 三相半波可控整流电路Ud/U2与a的关系电阻负载电感负载电阻电感负载33/1313.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路负载电流平均值为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晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线

14、电压峰值,即即 晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于变压器二次相电压的晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于变压器二次相电压的峰值，即峰值，即 RUIdd22245. 2632UUUURM22UUFM(3-20)(3-21)(3-22)34/1313.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路阻感负载阻感负载 电路分析电路分析 L值很大，整流电流值很大，整流电流id的的波形基本是平直的，流过晶波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近闸管的电流接近矩形波矩形波。 a a30 时，整流电压波时，整流电压波形与电阻负载时相同。形与电阻负载时相同。 a a30 时，当时，当u2过零时，过零时，由于电感的存在

15、，阻止电流由于电感的存在，阻止电流下降，因而下降，因而VT1继续导通，继续导通，直到下一相晶闸管直到下一相晶闸管VT2的触的触发脉冲到来，才发生换流，发脉冲到来，才发生换流，由由VT2导通向负载供电，同导通向负载供电，同时向时向VT1施加反压使其关断。施加反压使其关断。 uuuudiaabcibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwtu图3-17 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35/1313.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路原理图 （VT1，VT3，VT5）称为共阴极组；（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。 共阴极组中与a，b，c三相电

16、源相接的3个晶闸管分别为VT1，VT3，VT5，共阳极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2。 晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。 图3-18 三相桥式全控整流电路原理图36/1313.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路带电阻负载时的工作情况带电阻负载时的工作情况 电路分析电路分析 各自然换相点既是各自然换相点既是相电压相电压的交点，同时也是的交点，同时也是线电压线电压的的交点。交点。 当当a a60 时时 ud波形均波形均连续连续，对于电阻负载，对于电阻负载，id波形与波形与ud波形的波形的形状是一样的，也形状是一样

17、的，也连续连续。 时段时段共阴极组中导通的晶闸管共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb表3-1 三相桥式全控整流电路电阻负载a=0时晶闸管工作情况37/131wwwwu2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubwt1OtOtOtOta = 0iVT1uVT1图3

18、-19 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形a=0时，ud为线电压在正半周的包络线。波形见图3-1938/131wwwwud1ud2a = 30iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1图3-20 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30时的波形a=30时，晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30，ud平均值降低，波形见图3-2039/131wwwa = 60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaubu

19、cOtwt1OtOtuVT1图3-21 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60时的波形a=60时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。a=60时ud出现了为零的点，波形见图3-21。40/1313.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 当当a a60 时时 因为因为id与与ud一致，一旦一致，一旦ud降为至零，降为至零，id也降至也降至零，晶闸管关断，输出整流电压零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零为零，ud波波形不能出现负值。形不能出现负值。41/1313.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtO

20、wtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1图3-22 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=90时的波形 a a=90 时的波形见图时的波形见图3-22。 42/1313.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路的一些特点三相桥式全控整流电路的一些特点 每个时刻均需每个时刻均需2个个晶闸管同时导通，形成向负载供电的晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的回路，共阴极组的和共阳极组的各各1个个，且不能为同一相，且不能为同一相的晶闸管。的晶闸管。 对触发脉冲的要求对触发脉冲的要求 6个晶闸管的脉冲按个晶闸管的

21、脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，的顺序，相位依次差相位依次差60 。 共阴极组共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差的脉冲依次差120 ，共阳极，共阳极组组VT4、VT6、VT2也依次差也依次差120 。 同一相的上下两个桥臂，即同一相的上下两个桥臂，即VT1与与VT4，VT3与与VT6，VT5与与VT2，脉冲相差，脉冲相差180 。43/1313.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路整流输出电压整流输出电压ud一周期一周期脉动脉动6次次，每次脉动的波形都一样，每次脉动的波形都一样，故该电路为故该电路为6脉波整流电路脉波整流电路。在整流电路合闸启动过

22、程中或电流断续时，为确保电路的在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲个晶闸管均有脉冲 宽脉冲宽脉冲触发触发 ：使脉冲宽度大于：使脉冲宽度大于60 （一般取（一般取80 100 ） 双脉冲双脉冲触发触发 ：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差前沿相差60 ，脉宽一般为，脉宽一般为20 30 。 常用的是双脉冲触发。常用的是双脉冲触发。 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最最大正、反向电压的关系也一样大正、反向

23、电压的关系也一样。44/1313.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况 电路分析电路分析 当当a a60 时时 ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，波形连续，电路的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、晶闸管承受的电波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。压波形等都一样。 区别在于区别在于电流电流，当电感足够大的时候，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的波形的波形在导通段都可近似为一条水平线。在导通段都可近似为一条水平线。 a a=0 时的波形见图时的波形见图

24、3-23，a a=30 时的波形见图时的波形见图3-24。 45/1313.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路ud1u2ud2u2LudidwtOwtOwtOwtOuaa = 0ubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuaciVT1图3-23 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0时的波形46/1313.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路ud1a = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacwtOwtOwtOwtOidiawt1uaubuc图3-24 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形47ik=ib是逐渐增大的， 而i

25、a=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。3.3 变压器漏感对整流电路的影响考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示。现以三相半波为例，然后将其结论推广。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。图3-25 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca483.3 变压器漏感对整流电路的影响换相重叠角换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度g g表

26、示。换相过程中，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。换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。2ddddbakBbkBaduutiLutiLuu（3-30）dB0B6565B6565Bbb6565dbd23d23)(ddd23)(d)dd(23)(d)(3/21IXiLttiLttiLuutuuUIpwpwpwpwppgapapgapapgapadkkk（3-31）492.3 变压器漏感对整流电路的影响换相重叠角g g的计算B2Bab2)65sin(62)(ddLtULuutipwk由上式得：)65sin(26ddB2pwwtXUtik进而得出：)65c

27、os(cos26)(d)65sin(26B265B2pwawpwwpatXUttXUitk（3-32）（3-33）（3-34）503.3 变压器漏感对整流电路的影响由上述推导过程，已经求得：)65cos(cos26)(d )65sin(26B265B2pwawpwwpatXUttXUitk 当 时， ，于是65pgawtdkIig g 随其它参数变化的规律： （1） Id越大则g g 越大； （2） XB越大g g 越大； （3） 当a a90 时，a a 越小g g 越大。)cos(cos26B2dgaaXUI（3-35）2dB62)cos(cosUIXgaa（3-36）513.3 变压器漏

28、感对整流电路的影响 变压器漏抗对各种整流电路的影响变压器漏抗对各种整流电路的影响 dUdBIXpdB2IXpdB23IXpdB3IXpdB2ImXp)cos(cosgaa2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22Bd电路形式单相全波单相全控桥三相半波三相全控桥m脉波整流电路 表3-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算23U23U注：单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用； 三相桥等效为相电压等于 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按 代入。23U23U523.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路影响的一

29、些结论变压器漏感对整流电路影响的一些结论:出现换相重叠角g g ，整流输出电压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多。晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。 有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。533.4 电容滤波的不可控整流电路543.4 电容滤波的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。553.4.1电容滤

30、波的单相不可控整流电路常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中。1） 工作原理及波形分析工作原理及波形分析图2-26 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a) 电路 b) 波形基本工作过程基本工作过程：在u2正半周过零点至w wt=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至w wt=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。b)0iudqp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud至 之后，VD1和VD4关断，电容开始以指数规律放电。twq563.4.1电容滤波的单相不可控整流电路2) 主要的数量关系主要的数量关系 输出电压平均值输出电压平均值 电流平均值电流平均值 输出电流平均值IR为： IR = Ud /R Id =IR 二极管电流iD平均值为： ID = Id / 2=IR/ 2 二极管承受的电压二极管承受的电压 （3-47）（3-48）（3-49）22U空载时， 。重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性。在设计时根据负载的情况选择电容C值，使 , 此时输出电压为：