电力电子第二章整流电路课件

2.2单相可控整流电路2.3三相可控整流电路2.4整流电路的有源逆变工作状态2.5整流电路的换相压降、外特性和直流电动机的机械特性2.6晶闸管的触发控制2.7整流电路的谐波和功率因数第2章整流电路2.1概述■整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。■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，分为单拍电路和双拍电路。指变压器副边在工作过程中只流过一个方向的电流，此时变压器有直流磁化现象；双拍电路：指变压器副边在工作过程中流过正反双向电流；负载的性质可分为：电阻性负载，电感性负载，电容性负载，反电动势负载按控制方式分类：相控式整流：利用控制触发脉冲相位来控制整流输出直流电压的大小。斩波式整流：通过控制晶体管通、断时间变化来改变负载电压平均值。反电动势负载：整流输出端给蓄电池或给直流电动机做电源时，属于反电动势负载负载。特点：电源电压需大于反电动势时，器件导通，电源脉动成分大。2.1概述名词术语和概念触发延迟角α：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α表示,也称触发角或控制角。导通角θ：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用θ表示。在半波电路中，θ＋α＝π。移相:改变触发脉冲出现的时刻,即改变控制角的大小，称为移相。改变控制角的大小，使输出整流电压平均值发生变化称为移相控制。α的移相范围：指触发角α可以变化的角度范围。在不同的电路中，α有不同的角度范围。如在单相半波电路中，α的移相角度范围是0～π。相控方式：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。同步:使触发脉冲与可控整流电路的电源电压之间保持频率和相位的协调关系称为同步。使触发脉冲与电源电压保持同步是电路正常工作必不可少的条件。换流:在可控整流电路中，从一路晶闸管导通变换为另一路晶闸管导通的过程或电流从一条支路转移到另一条支路的过程称为换流，也称换相。名词术语和概念2.2单相可控整流电路2.2.1单相半波可控整流电路)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图2-1单相半波可控整流电路及波形1.带电阻负载的工作情况◆变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用u1和u2表示，有效值分别用U1和U2表示，其中U2的大小根据需要的直流输出电压ud的平均值Ud确定。◆电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。◆在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零，除非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。id◆改变触发时刻，ud和id波形随之改变，直流输出电压ud极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流。加之电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路称为单相半波可控整流电路。整流电压ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。◆基本数量关系☞a：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称为触发延迟角，也称触发角或控制角。☞q：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。☞直流输出电压平均值☞随着a增大，Ud减小，该电路中VT的a移相范围为180。paaapwwp2cos145.0)cos1(22)(sin221222UUttdUUd（2-1）2.2.1单相半波可控整流电路负载上，整流输出的电流平均值：2.2.1单相半波可控整流电路晶闸管上，电压与电流：21cos0.452ddddUUIRRa（2-2）VTfdVTfdIKIKIKf：电流波形系数（与触发角α有关）触发延迟角α0°30°60°90°120°150°Kf1.571.661.882.222.783.99表2-1单向半波整流电路的波形系数电流有效值：最大正反向电压：22Uuwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++图2-2带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形2.带阻感负载及续流二极管◆阻感负载的特点是电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。◆电路分析☞晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。☞在wt1时刻，即触发角a处ud=u2。L的存在使id不能突变，id从0开始增加。☞u2由正变负的过零点处，id已处于减小的过程中，但未降到零，因此VT仍处于通态。☞wt2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。☞由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。2.2.1单相半波可控整流电路触发关断晶闸管继续导通，ud为负◆电力电子电路的一种基本分析方法☞把器件理想化，将电路简化为分段线性电路。☞器件的每种状态组合对应一种线性电路拓扑，器件通断状态变化时，电路发生改变。☞以前述单相半波电路为例当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通时，相当于VT短路。两种情况的等效电路如图2-3所示。a)b)VTRLVTRLu2u2图2-3单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态b)VT处于导通状态2.2单相可控整流电路√VT处于通态时，如下方程成立：在VT导通时刻，有wt=a，id=0，这是上式的初始条件。求解式（3-2）并将初始条件代入可得VTb)RLu2tURitiLwsin2dd2dd)sin(2)sin(22)(2waawwtZUeZUitLRd式中，，。由此式可得出图3-2e所示的id波形。当wt=q+a时，id=0，代入上式并整理得22)(LRZwRLtgw1)sin()sin(aqaqtge图2-3b)VT处于导通状态2.2.1单相半波可控整流电路略讲若为定值，a角大，q越小。若a为定值，越大，q越大，且平均值Ud越接近零。为解决上述矛盾，在整流电路的负载两端并联一个二极管，称为续流二极管，用VDR表示。◆有续流二极管的电路电路分析☞u2正半周时，与没有续流二极管时的情况是一样的。☞当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，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。☞若L足够大，id连续，且id波形接近一条水平线。u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图2-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形2.2.1单相半波可控整流电路RLtgw1感性越强，负向导通导致α失控，ωL10R14/131电感＞10电阻，储能释放较慢，负载电流趋于平直☞基本数量关系整流输出电压负载直流电流平均值：21()22VTddIIdtIpapawpp22VTdVTddIIIqpapp221()22VDddIIdtIpappawpp(2-3)(2-4)(2-5)(2-8)21cos0.452dUUadddUIR流过晶闸管的电流平均值IdVT和有效值IVT分别为：续流二极管的电流平均值IdVT和有效值IDV分别为：(2-6)22VDdVDddIIIqpapp(2-7)2.2.1单相半波可控整流电路移相范围为：0~π晶闸管移相范围为180，其承受的最大正反向电压均为u2的峰值即。续流二极管承受的电压为-ud，其最大反向电压为，亦为u2的峰值。■单相半波可控整流电路的特点是简单，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。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了设备的容量。22U2.2.1单相半波可控整流电路22U2.2.2单相桥式全控整流电路u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形a)1.带电阻负载的工作情况◆电路分析☞闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。☞在u2正半周（即a点电位高于b点）若4个晶闸管均不导通，id=0,ud=0,VT1、VT4串联承受电压u2。在a角处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。☞当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。☞在u2负半周，仍在a角处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。☞到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。VT2和VT3的a=0处为wt=pVT1和VT4触发VT2和VT3触发正向偏压为方向偏压的1/2单相桥式全控整流电路的特点：由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。一个周期内，整流电压波形脉动2次，属于双脉波整流电路。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。2.2.2单相桥式全控整流电路◆基本数量关系☞晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为和。☞整流输出电压平均值为：☞整流输出电流平均值为：α=0时，Ud=Ud0=0.9U2。α=180时，Ud=0。可见，α角的移相范围为180。☞晶闸管电流平均值IdVT为：222U22Upaaapwwp2cos19.02cos122)(dsin21222UUttUUd22221cos1cos0.922ddddUUUIRRRaap(2-9)(2-10)211cos0.4522dVTddUIIRa(2-11)2.2.2单相桥式全控整流电路☞流过晶闸管的电流有效值为：☞变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为由式（2-12）和（2-13）可见：☞不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。222211sind()sin2222VTddUUIttRRpapawwappp2222211sin()sin22ddUUIItdtRRpapawwappp(2-12)(2-13)2.2.2单相桥式全控整流电路2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u2-6单相桥式全控整流电流带阻感负载时的电路及波形2.带阻感负载的工作情况☞在u2正半周期触发角a处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。负载电感很大，id不能突变且波形近似为一条水平线。☞u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。☞wt=p+a时刻，触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。2.2.2单相桥式全控整流电路αVT1和VT4触发VT2和VT3触发α23/131◆基本数量关系☞整流电压平均值为：当a=0时，Ud0=0.9U2。a=90时，Ud=0。晶闸管移相范围为90。☞晶闸管承受的最大正反向电压均为。☞晶闸管导通角q与a无关，均为180，其电流平均值和有效值分别为：和。☞变压器二次侧电流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。apaaapwwpcos9.0cos22)(dsin21222dUUttUU22U12dVTdII10.7072VTddIII(2-14)2.2.2单相桥式全