第2章 整流电路ppt课件

1、 整流电路：整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。电。整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。 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)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：电压与电流成正比，两者波形相同。图2-1 单相半波可控整流电路及

2、波形l工作过程及波形分析工作过程及波形分析 首先，引入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a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 。 u20, 0 t a ; t= a a t p; t= pc) p t0 , id从0开始增加: 消耗能量 贮能 释放能量id id max 即did /dt=0 之后： 耗能 释放能量 释放u2E时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。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

3、管提前了电角度停止导电， 称为停止导电角，212sinUE（2-16）在 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。当 3030 的情况图的情况图214 214 ） 特点：负载电流断续，特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于晶闸管导通角小于120120 。图2-12 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 a30时，负载电流连续，有：cos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU（2-18）当a=0时，Ud最大，为 。2d0d17.1UUU a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2

4、321262dUttdUU(2-19) 整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算Ud/U2随随a变化的规律如图变化的规律如图2-15中的曲线中的曲线1所示。所示。图2-15 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载 负载电流平均值为RUIdd（2-20）晶闸管电流平均值为：113dVTdII 晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即222RM45.2632UUUU（2-21）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22UUFM（2-22）506触发角移相范围：2阻感负载阻感负载 特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平

5、直。 a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。 a30时如a=60时的波形如图2-16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，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。 阻感负载时的移相范围为90。图2-16 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a =60时的波形数量关系数量关系负载电流连续：5622612()1.17cos23dUU Sin t dtU Ud/U2与与a成余弦关系，如成余弦关系，如图图2-15中的曲线中的曲线2所示。如所示。如果负载中的电感量不是很大，果负载中的电感量不是很大，Ud/U2与与

6、a的关系将介于曲的关系将介于曲线线1和和2之间，曲线之间，曲线3给出了给出了这种情况的一个例子。这种情况的一个例子。ddUIR变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为ddVT2577. 031IIII（2-23） 晶闸管的电流为 负载电流平均值为：13dVTdIIdVTVT(AV)368. 057. 1III（2-24） 晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值2RMFM45. 2UUU（2-25） 移相范围102 三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。三相桥是应用最为广泛的整流电路共阴级组共阳极组导通顺序图2-17 三相桥式全控整流电路原理图1带电阻负载

7、时的工作情况带电阻负载时的工作情况当a60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218 ） a =30 （图219） a =60 （图220）当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值 波形图： a =90 （ 图221）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120晶闸管及输出整流电压的情况如表21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=ub

8、cub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb参照图218 三相桥式全控整流电路的特点（12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相器件。（2对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。（3ud一电源周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（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

9、种是双脉冲触发常用） (5晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。2) 阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况a60时时a =0 图图222；a =30 图图223）ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。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各晶闸管的通断情况 输出整流电压输出整流电压ud波形波形 晶闸管承受的电压波形晶闸管承受的电压波形 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。a 60时（时（ a =90图图224）阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。阻感负载时的工作

10、情况与电阻负载时不同。 电阻负载时，电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。波形不会出现负的部分。 阻感负载时，阻感负载时，ud波形会出现负的部分。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带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相角移相范围为范围为90 。3) 定量分析定量分析当整流输出电压连续时即带阻感负载时，或带电阻负载a60时的平均值为：cos34.2)(sin63123232dUttdUU（2-26） 带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：)3cos(134.2)(sin63232dUttdUU（2-27）输出电流平均值为 ：Id=Ud /R当整流变压器为图2-17

11、中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-23中所示，其有效值为：ddddIIIII816.03232)(3221222（2-28）晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。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，接反电势阻感负载时的Id为：REUIdd（2-29）式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。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

12、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，是逐渐增大的， 而而ia=Id-ik是逐渐减小的。是逐渐减小的。当当ik增大到等于增大到等于Id时，时，ia=0，VT1关断关断,换流过程换流过程结束。结束。图2-25 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形换相重叠角换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度换相过程持续的时间，用电角度g表示。表示。换相过程中，整流电压换相过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。应的两个相电压的平均值。2ddddbakBbkBaduu

13、tiLutiLuu（2-30） 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。dB0B6565B6565Bbb6565dbd23d23)(ddd23)(d)dd(23)(d)(3/21IXiLttiLttiLuutuuUIdkkk（2-31）换相重叠角g的计算B2Bab2)65sin(62)(ddLtULuutik由上式得：)65sin(26ddB2tXUtik进而得出：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2tXUttXUitk当 时， ，于是65tdkIi)cos(cos26B2dXUI（2-35）2dB62)cos(cosUIX（2-36） 随其它参数变化的

14、规律：随其它参数变化的规律： （1 1） I I越大则越大则 越大；越大； （2 2） XB XB越大越大 越大；越大； （3 3） 当当 9090时，时， 越小越小 越大。越大。 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表2-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算 dUdBIXdB2IXdB23IXdB3IXdB2ImX)cos(cos2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIsin22Bd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 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

15、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。23U23U变压器漏感对整流电路影响的一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 ，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。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 power)问题日益严重，引起了关注。无功的危害：导致

16、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。引言引言带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：适用于低电压、大电流的场合。多重化整流电路的特点：在采用相同器件时可达到更大的功率。可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰。 二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路。 二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。 平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。 与三相桥式

17、电路相比，双反星形电路的输出电流可大一倍。图2-35 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路电路结构的特点电路结构的特点 绕组的极性相反的目的：消除直流磁通势 如图可知，虽然两组相电流的瞬时值不同，但是平均电流相等而绕组的极性相反，所以直流安匝互相抵消。图2-36 双反星形电路， =0时两组整流电压、电流波形接平衡电抗器的原因：接平衡电抗器的原因：当电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流。两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等。两个星形的中点n1和n2间的电压等于ud1和ud2之差。该电压加在Lp上，产生电流ip ，它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流。为了使两组电流尽可能

18、平均分配，一般使Lp值足够大，以便限制环流在负载额定电流的1%2%以内。双反星形电路中如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路： 只能有一个晶闸管导电，其余五管均阻断，每管最大导通角为60o，平均电流为Id/6。 当=0o 时，Ud为1.35U2，比三相半波时的1.17U2略大些。 因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，极少采用。平衡电抗器的作用：平衡电抗器的作用：使得两组三相半波整流电路同时导电。使得两组三相半波整流电路同时导电。对平衡电抗器作用的理解是掌握双反星形电对平衡电抗器作用的理解是掌握双反星形电路原理的关键。路原理的关键。平衡电抗器使得两组三相半波整流电路同时导电的原理分析： 平衡电

19、抗器Lp承担了n1、n2间的电位差，它补偿了ub和ua的电动势差，使得ub和ua两相的晶闸管能同时导电。 时，ubua，VT6导通，此电流在流经LP时，LP上要感应一电动势up，其方向是要阻止电流增大。可导出Lp两端电压、整流输出电压的数学表达式如下：1td1d2puuu)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuu（2-97）（2-98）图2-37 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形图2-38 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况 虽然 ，但由于Lp的平衡作用，使得晶闸管VT6和VT1同时导通。 时间推迟至ub与ua的交点时， ub = ua ， 。 之后 ub

20、 ub ，电流才从VT6换至VT2。此时VT1、VT2同时导电。 每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导电。21dduu0pu原理分析：原理分析：图2-37 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形图2-38 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况由上述分析以可得： 平衡电抗器中点作为整流电压输出的负端，其输出的整流电压瞬时值为两组三相半波整流电压瞬时值的平均值。波形如图2-37 a。)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuu（2-98）谐波分析 分析详见P75-P76。 ud中的谐波分量比直流分量要小得多，且最低次谐波为六次谐波。 直流平均电压为：0

21、21.17dUU图2-37 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形 =30 、 =60 和和 =90 时输出电压的波形分析时输出电压的波形分析分析输出波形时，可先求出ud1和ud2波形，然后根据式2-98做出波形( ud1+ud2 ) / 2。输出电压波形与三相半波电路比较，脉动程度减小了，脉动频率加大一倍，f=300Hz。电感负载情况下，移相范围是90。电阻负载情况下，移相范围为120。图2-39 当 =30、60、90时，双反星形电路的输出电压波形 整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为: Ud=1.17 U2 cos 将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下结论

22、： 三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相半波并联，且后者需用平衡电抗器。 当U2相等时，双反星形的Ud是三相桥的1/2，而Id是单相桥的2倍。 两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，ud和id的波形形状一样。概述： 整流装置功率进一步加大时，所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用多重化整流电路。原理： 按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流电路 进行组合得到。目的： 移相多重联结减少交流侧输入电流谐波，串联多重整流电路采用顺序控制可提高功率因数。1) 移相多重联结移相多重联结有并联多重联结和串联多重联结。可减少输入电流谐波，减小输出电压中的

23、谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。使用平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。2个三相桥并联而成的12脉波整流电路。图2-40 并联多重联结的12脉波整流电路移相移相30构成的串联构成的串联2重联结电路重联结电路 整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差30、大小相等的两组电压。 该电路为12脉波整流电路。星形三角形图2-41 移相30串联2重联结电路 图2-42 移相30串联2重联结电路电流波形采用多重联结的方法并不能提高位移因数，但可使输入电流谐波大幅减小，从而也可以在一定程度上提高功率因数。2) 多重联结电路的顺序控制多重联结电路的顺序控制只对一个桥的角进行控制，其余各桥

24、的工作状态则根据需要输出的整流电压而定。 或者不工作而使该桥输出直流电压为零。 或者 =0而使该桥输出电压最大。根据所需总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥进行控制，因而被称为顺序控制。不能降低输入电流谐波，但是总功率因数可以提高。我国电气机车的整流器大多为这种方式。1) 什么是逆变？为什么要逆变？什么是逆变？为什么要逆变？逆变Invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路全控整流电路在一定工作条件下，可以把直流电转变为交流电，反送到电网中去。（即交流侧与电网相连结）无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即

25、把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载。对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。2) 直流发电机直流发电机电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转 电路过程分析。 两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。图2-44 直流发电机电动机之间电能的流转a两电动势同极性EG EM b两电动势同极性EM EG c两电动势反极性，形成短路3) 用整流电路代替发电机，给电动机供电，用整流电路代替发电机，给电动机供电， 分析电能流向分析电能流向 u

26、d EM电能：从交流侧 直流侧 整流状态 ud EM由于SCR的单方向导电性决定了id的单向性，要改变电能的输送方向，只能改变反电动势EM的极性，且ud n单相桥式：n三相半波：n三相全控桥：21.17cosdUU22.34cosdUU20.9cosdUU当 时，Ud l外部条件：要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值 Udl内部条件：要求晶闸管的控制角 ，使Ud为负值。4) 产生有源逆变的条件产生有源逆变的条件2l半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。l欲实现有源逆变，只能采用全控电路。逆变和整流的区别：

27、控制角逆变和整流的区别：控制角 不同不同l 0 p /2 时，电路工作在整流状态。l p /2 p /2时的控制角用p- = b表示，b 称为逆变角。逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量。三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形如图2-46所示。图2-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形有源逆变状态时各电量的计算：逆变电路的参数计算与整流情况类似，设电路内电流连续，且近似为一条直线，那么：222.34cos1.35cosdlUUU dMdUEIR3ddVTII（ Ud 0，EM0）3dVTII从交流电源送到直流侧负载的有功功率为

28、：dMddIEIRP2在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：ddVTIIII816.03222逆变失败逆变颠覆）逆变失败逆变颠覆） 逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。1) 逆变失败的原因逆变失败的原因v触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。v晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。v交流电源缺相或突然消失。v换相的裕量角不足，引起换相失败。2) 确定最小逆变角确定最小逆变角bmin的依据的依据逆变时允许采用的最小逆变角逆变时允

29、许采用的最小逆变角b 应等于应等于bmin=d +g+q （2-109） 晶闸管的关断时间晶闸管的关断时间tt折合的电角度折合的电角度, 4, 455 换相重叠角换相重叠角 安全裕量角，安全裕量角，1010左右左右 这样， bmin一般取3035。对于可逆直流拖动系统，整流电压与逆变电压间要相互配合，因此，对min也必须加以限制。l相控电路：相控电路：l晶闸管可控整流电路，通过控制触发角晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。制输出电压大小。l 相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制l 为保证相控电路正常工作，很重要的是

30、应保证按触发为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。的触发脉冲。l 晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。l 大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。l输出可为双窄脉冲适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。l三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。1) 脉冲形成环节脉冲形成环节l V4、V5 脉冲形成l V7、V8 脉冲放大l 控制电压u