第3章_AC-DC变换技术

1、1第第3章章 AC-DCAC-DC变换技术变换技术23.1 将交流电变为直流电称为整流，实现将交流电变为直流电称为整流，实现 AC/DC变换，相变换，相应的电路称为整流电路应的电路称为整流电路（Rectifier） 。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。整流电路的分类整流电路的分类 按组成的器件可分为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。三种。 按电路结构可分为按电路结构可分为桥式桥式电路和电路和零式（如半波）零式（如半波） 电路。电路。 按交流输入相数分为按交流输入相数分为单相单相电路和电路和多相（如三相）多相（如三相） 电路电路

2、。33.2 不可控整流电路不可控整流电路3.2.1 单相桥式不可控整流电路单相桥式不可控整流电路3.2.2 三相半波不可控整流电路三相半波不可控整流电路3.2.3 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路43.2.1 单相桥式不可控整流电路单相桥式不可控整流电路图3-1 单相桥式不可控整流电路原理图和工作波形d222012 22sind()0.9UUttUU (3-1) ddUIR (3-2) VDVD1 1和和VDVD4 4的的自然换相点自然换相点VDVD2 2和和VDVD3 3的的自然换相点自然换相点1.1.电感性负载时工作情况电感性负载时工作情况53.2.1 单相桥式不可控整流电路单

3、相桥式不可控整流电路2.2.电容滤波时工作情况电容滤波时工作情况图3-2带电容滤波的单相桥式不可控整流电路原理图及其工作波形(3 5)/ 2RCT (3-3) ddRUIIR (3-4) 22 . 1 UUd63.2.2 三相半波不可控整流电路三相半波不可控整流电路 三相半波不可控整流电路三相半波不可控整流电路T：三相整流变压器：三相整流变压器 /Y接法接法 uu、uv和和uw 是互差是互差120o的正弦的正弦 交流电，交流电，相电压有效值为相电压有效值为U2， 线电压线电压有效值有效值为为U2L。 VD VD1 1 、VDVD3 3、VDVD5 5: : 共阴极接法，共阴极接法， 1 1、3

4、 3、5 5点称为点称为自然换相点自然换相点。 22265617. 1263)(sin223UUttdUUd26UUDM73.2.3 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路T：三相整流变压器三相整流变压器 /Y接法接法 ，ua、ub和和uc 是互差是互差120o的正弦交流电，的正弦交流电， 相电压有效值为相电压有效值为U2，线电压，线电压有效值有效值为为U2L。 VD1 、VD3、VD5 称共阴极组，称共阴极组，自然换相点自然换相点为为d、e、f 等点等点。 VD2 、VD4、VD6 称共阳极组，称共阳极组，自然换相点自然换相点为为g、h、i 等点。等点。图3-3三相桥式不可控整流电路原

5、理图图3-4三相桥式不可控整流电路变形后的原理图3.2.3 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路2322313( 2sin)d()2.343dUUttU (3-5) 93.3 单相相控整流电路单相相控整流电路3.3.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路3.3.3 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路103.3.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路可控整流电路常带的负载有可控整流电路常带的负载有电阻电阻、电感电感和和反电动势反电动势三种。三种。 电阻性负载电阻性负载如电解、电镀等。如电解、电镀等。 电感性负载电感性负

6、载如各类电机的励磁绕组、输出串如各类电机的励磁绕组、输出串接平波电抗器的负载等接平波电抗器的负载等 。 反电动势反电动势如蓄电池、直流电动机的电枢等。如蓄电池、直流电动机的电枢等。同一整流电路，负载不同，差距很大。同一整流电路，负载不同，差距很大。 113.3.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路tTVTR0a)u1u2uVTudidt12 tttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图图3-6 单相半波相控整流电路及波形单相半波相控整流电路及波形1 1、电阻性负载电阻性负载tUusin222 a a：从晶闸管开始承受正向阳极：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

7、度称电压起到施加触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。为触发延迟角，也称触发角或控制角。 q q：晶闸管在一个电源周期中处晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。于通态的电角度称为导通角。 此电路中此电路中 ：aq电阻负载的特点是电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形形状相同电压与电流成正比，两者波形形状相同。通过控制触发脉冲的通过控制触发脉冲的相位相位来控制直流输出电压大小的方式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。称为相位控制方式，简称相控方式。基本数量关系基本数量关系 直流输出电压平均值直流输出电压平均值 当当a a=0时，时，Ud0

8、=0.45U2 最大最大; 随着随着a a增大，增大， Ud减小；减小； a a=180 时，时，Ud=0。 a a移相范围移相范围为为0180 。 21450122221222aaacosU.)cos(U)t(tdsinUUd（3-7）直流输出电流平均值：直流输出电流平均值：2cos145. 02aRURUIdd3.3.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路（3-9）133.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路u (i )ttt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图图3-9 单相桥式单相桥式带电阻负载时的电路及波形带电阻负载时的电路及波形电路分析电路分析 晶闸

9、管晶闸管VT1和和VT4组成一对组成一对桥臂，桥臂，VT2 和和VT3组成另一对组成另一对桥臂。桥臂。 是半波电路输出的两倍是半波电路输出的两倍 。 的移相范围也是的移相范围也是0-180。1 1、电阻性负载电阻性负载aaaa2cos19 . 02cos122)(dsin21222UUttUUd基本数量关系基本数量关系 整流电压平均值为：整流电压平均值为： =0时，时，Ud= Ud0=0.9U2。=180 时，时，Ud=0。可见，。可见，角的角的移相范移相范围围为为180 。 向负载输出的直流电流平均值为：向负载输出的直流电流平均值为： 2cos19 . 02cos12222aaRURURUI

10、dd(3-19)(3-20)3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路aaa22sin)()sin(21222UtdtUUaa22sin2RURUI2cos145. 0212aRUIIddTIRUtdtRUIT2142sin2)(sin221222aaaaa22sin22RURUII22IUS （3-24）(3-21)(3-23)3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路(3-22)2 2、电感性负载、电感性负载（大电感）（大电感）电路分析电路分析 负载电感很大，负载电感很大，id不能突变且波形不能突变且波形近似为一条水平线。近似为一条水平线。 在在u2正半周期正半周期,

11、触发角触发角a a处给晶闸管处给晶闸管VT1和和VT4加触发脉冲使其开通，加触发脉冲使其开通，ud=u2。 u2过零变负时，由于电感的作用晶过零变负时，由于电感的作用晶闸管闸管VT1和和VT4中仍流过电流中仍流过电流id，并不关，并不关断。断。 t= +a a时刻，触发时刻，触发VT2和和VT3，使，使其导通，其导通，u2通过通过VT2和和VT3 3分别向分别向VT1和和VT4施加反压使施加反压使VT1和和VT4关断，流过关断，流过VT1和和VT4的电流迅速转移到的电流迅速转移到VT2和和VT3上，此过程称为上，此过程称为换相换相，亦称，亦称换流换流。 2OtOtOtudidi2OtOtuVT

12、1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u图图3-10 单相桥式相控整流电流带阻感单相桥式相控整流电流带阻感负载时的电路及波形负载时的电路及波形3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路基本数量关系基本数量关系 直流输出电压的平均值直流输出电压的平均值Ud： 当当a a=0时，时，Ud0=0.9U2; a a=90 时，时，Ud=0。晶闸管。晶闸管移相范围移相范围为为090 。 直流输出电流的平均值直流输出电流的平均值Id为为: aaaacos9 . 0cos22)(sin21222UUttdUUdacos9 . 02RURUIdd（3-25）3.3.2 单相桥式相

13、控整流电路单相桥式相控整流电路（3-26）流过晶闸管的电流的平均值和有效值分别为流过晶闸管的电流的平均值和有效值分别为: 流过变压器二次侧绕组的电流有效值流过变压器二次侧绕组的电流有效值 晶闸管可能承受的正反向峰值电压为晶闸管可能承受的正反向峰值电压为ddTII21dTII21dIII222UUTM3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路（3-28, 3-29）（3-30）3 3、反动势负载反动势负载 （3-31）电路分析电路分析 |u2|E时，才有晶闸管承受时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。正电压，有导通的可能。 晶闸管导通之后，晶闸管导通之后，ud=u2， ，直至，直至|

14、u2|=E，id即降至即降至0使得晶闸管关断，此后使得晶闸管关断，此后ud=E。 与电阻负载时相比，晶闸管与电阻负载时相比，晶闸管提前了提前了电角度电角度 停止导电，停止导电， 称为称为停止导电角停止导电角。 REuidd22arcsinUEb)idOEudtIdOtaq图图3-13单相桥式相控整流电路接反电动势负单相桥式相控整流电路接反电动势负载时的电路及波形载时的电路及波形3.3.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路 当当a a30 当导通一相的相电当导通一相的相电压过零变负时，该相晶压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，闸管因未触发而不

15、导通，此时输出电压电流为零。此时输出电压电流为零。 负载电流负载电流断续断续，各，各晶闸管导通角晶闸管导通角小于小于120 。基本数量关系基本数量关系电阻负载时电阻负载时a a角的角的移相范围移相范围为为0150 。 直流输出电压的平均值直流输出电压的平均值Ud a a30 时，时，输出电压输出电压连续连续，有，有 当当a a=0时，时，Ud最大，为最大，为Ud=Ud0=1.17U2。 a a30 时，时，输出电压输出电压断续断续，晶闸管导通角减小，此时有，晶闸管导通角减小，此时有 aaaacos17. 1cos263)(sin223222656UUttdUUd（3-36）3)6cos(117

16、. 1)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin22322226aaaaUUUttdUUd（3-37） 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路负载电流平均值负载电流平均值Id 流过晶闸管的电流的平均值和有效值流过晶闸管的电流的平均值和有效值 晶闸管两端承受的最大的峰值电压晶闸管两端承受的最大的峰值电压 RUIdd（3-38）ddTII31222245. 26322UUUUUlTM 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 （3-39）2、电感性负载、电感性负载 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

17、的电流接近闸管的电流接近矩形波矩形波。 a a30 时，整流电压波形时，整流电压波形与电阻负载时相同。与电阻负载时相同。 a a30 时，时，整流电压波整流电压波形出现负值，波形连续。形出现负值，波形连续。udiaabcibiciduacOtOtOOtOOtatt图图3-17 三相半波可控整流电路，阻感负三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及载时的电路及a a=60 时的波形时的波形 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路基本数量关系基本数量关系电感负载时电感负载时a a角的角的移相范围移相范围为为090 。 直流输出电压的平均值直流输出电压的平均值Ud 由于输出电压、电流是连

18、续的，所以输出的直流电压由于输出电压、电流是连续的，所以输出的直流电压Ud为为直流输出电流的平均值直流输出电流的平均值Id aaaacos17. 1cos263)(sin223222656UUttdUUdacos17. 12RURUIdd 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 （3-43） （3-44）流过晶闸管的电流的平均值和有效值流过晶闸管的电流的平均值和有效值 晶闸管的额定电流晶闸管的额定电流晶闸管两端承受的最大的峰值电压晶闸管两端承受的最大的峰值电压 （3-45）ddTII31ddTIIII577. 031222245. 262UUUUlTMdVTAVTIII368.

19、057. 1)(（3-46） 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路32 3.4.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路3、反电动势负载、反电动势负载 图图3-22 三相半波可控整流电路，阻感负载时的三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及电路及a a=60 时的波形时的波形dddUEIRaaacos17. 1)(sin22322656UttdUUd1 1、电阻性负载电阻性负载电路特点电路特点 阴极连接在一起的阴极连接在一起的3个晶闸管个晶闸管（VT1，VT3，VT5）称为）称为共阴极组共阴极组；阳极连接在一起的阳极连接在一起的3个晶闸管个晶闸管（ VT4，VT6，VT2

20、）称为称为共阳极组共阳极组。 晶闸管的导通顺序为晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。 每个时刻均需每个时刻均需2个个晶闸管同时导晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的极组的和共阳极组的各各1个个，且不能，且不能为同一相的晶闸管。为同一相的晶闸管。 输出电压波形为线电压的某部输出电压波形为线电压的某部分，分，一个一个2周期有周期有6个脉波。故该电个脉波。故该电路又称为路又称为6脉波整流电路。脉波整流电路。 图图3-24 三相桥式全控整流电路原理图三相桥式全控整流电路原理图 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相

21、控整流电路 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脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位的顺序，相位依次差依次差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 ，共阳极组，共阳极组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 。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VT6VT2VT2VT4V

22、T4VT6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表表3-1 三相桥式全控整流电路电阻负载三相桥式全控整流电路电阻负载a a=0 时晶闸管工作情况时晶闸管工作情况图图3-25 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 在整流电路合闸启动过程在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路中或电流断续时，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：使脉冲宽度大于大于60 （一般取（一般取80

23、100 ） 双窄脉冲双窄脉冲触发触发 ：用两个窄：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差的前沿相差60 ，脉宽一般为，脉宽一般为20 30 。 常用的是双窄脉冲触发。常用的是双窄脉冲触发。 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路电路分析电路分析 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交点。的交点。 是是计算计算 的起点。的起点。 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波形的形状是一波形的形状是一样的，也样的，也连续连续。 a a=0 时，时

24、，ud为线电压在正半周的为线电压在正半周的包络线包络线。波形见。波形见图图3-25 。 a a=30 时，晶闸管起始导通时刻推迟了时，晶闸管起始导通时刻推迟了30 ，组成，组成ud的每一段的每一段线电压因此推迟线电压因此推迟30 ，ud平均值降低，波形见平均值降低，波形见图。图。 a a=60 时，时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值平均值继续降低。继续降低。a a=60 时时ud出现了出现了为零的点为零的点，波形见，波形见图图3-26 。a 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流

25、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也降至零，晶闸管关也降至零，晶闸管关断，输出整流电压断，输出整流电压ud为零为零，ud波形不能出现负值。波形不能出现负值。 a a=90 时的波形见时的波形见图图3-27。 电阻负载时电阻负载时a a角的角的移相范围移相范围为为0120 。u2ud1ud2u2Luduuvuuwuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuuwuvt1OtOtOtOta = 0iT1uT1图图3-25 三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载a

26、a=0 时的波形时的波形 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路ud1ud2a = 30iuOtOtOtOtuduuvuuwuuuvuwt1uuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuT1图图 三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载a a=30 时的波形时的波形 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路a = 60ud1ud2uduuwuuwuuvuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuuvuwOtt1OtOtuT1图图3-26 三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带

27、电阻负载a a=60 时的波形时的波形 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路ud1ud2uduuuvuwuuuvtOtOtOtOtOiuiduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuvwuvuiT1图图3-27 三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载a a=90 时的波形时的波形 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路2 2、电感性负载电感性负载说明：说明： 三相桥式全控整流电路一般多三相桥式全控整流电路一般多用于电感性负载及反电动势负载。用于电感性负载及反电动势负载。 反电动势负载，常指直流电动反电动势负载，常指直流电动机电枢绕组。

28、为了改善电流波形，机电枢绕组。为了改善电流波形，有利于直流电动机换向及减小火花，有利于直流电动机换向及减小火花，一般都要串入电感量足够大的一般都要串入电感量足够大的平波平波电抗器电抗器，分析时等同于电感性负载。，分析时等同于电感性负载。 重点讨论电感性负载时的工重点讨论电感性负载时的工作波形和参数计算。作波形和参数计算。 电路特点与阻性负载一致。电路特点与阻性负载一致。 3.4.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路图图3-28三相桥式相控整流电路带电感性三相桥式相控整流电路带电感性负载原理图负载原理图电路分析电路分析 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 时的波形见时的波形见图图3-25，a a=30 时的波形见时的波形见图图3-29。 当当a a60 时时 由于电感由于电感L的作用，的作用，ud波形会出现波形会出现负的部分负的部分，波形仍连