电力电子技术教学课件作者高锋阳第3章节整流电路课件幻灯片

第3章 整流电路,1,第9章 电力电子技术的应用,3.1 概述 3.2 单相可控整流电路 3.3 三相可控整流电路 3.4 带有滤波电路的不可控整流电路 3.5 大功率可控整流电路 3.6 相控整流电路的换流重叠现象 3.7 相控整流电路的有源逆变工作状态 3.8 整流电路的谐波和功率因数 本章小结,2,电阻负载、电感负载、反电动势负载及电容性负载情况下相控整流电路的电路拓扑、工作原理及相关计算。 相控有源逆变电路。 相控整流电路的换相重叠现象。 单相桥式和三相全桥整流电路的功率因数及谐波问题。,学习指导,3,3.1 整流电路概述,4,整流电路的分类 按电路的结构可分为：半波、全波、桥式电路。 按电源相数可分为：单相、三相、多相电路。 按电路组成的器件分为：不可控、半控整流、全控整流电路。,3.2 单相可控整流电路,3.2.1 单相半波可控整流电路 3.2.2 单相桥式全控整流电路 3.2.3 单相桥式全控整流电路,5,3.2.1 单相半波可控整流电路,6,带电阻负载的工作情况 电灯、电炉和电炊及工业所用的电解、电镀、电焊等为阻性负载。电阻负载的特点是负载上的电压、电流同相位，波形相同，而且电阻只能消耗电能而不能储存和释放电能。 在分析时，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。 变压器T起变换电压和隔离的作用，使整流电路输入输出电压间获得合理的匹配，提高整流电路的性能指标，尤其是整流电路功率因数。,图3-1 单相半波可控整流电路及波形,3.2.1 单相半波可控整流电路,7,工作原理及波形分析 晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2； 在t1时刻，给晶闸管VT门极触发信， VT导通，uVT=0,ud=u2。 在t1，,即使VT门极出发电压消失VT仍导通。当t=时，u2=0，此后电源负半周期晶闸管承受反向电压uVT=u2关断，id=0,ud=0。 到下一个周期，VT处于正向电压、给门极施加脉冲，VT再次导通，重复上述过程。 从上述分析可知，在电源电压一周工作期间，负载上得到的整流输出电压是一个极性不变幅值变化的脉动直流电压，其脉动频率与电源频率一致，故此电路是单脉波电路(若整流输出电压的脉动频率是电源频率的二、三或六倍，则分别称为二脉波、三脉波或六脉波电路)。,另外，电路只在电源电压的正半周内实现整流，所以又称为半波可控整流电路。,3.2.1 单相半波可控整流电路,8,改变施加的触发脉冲电压的相位（即控制脉冲的触发时刻），输出电压ud的值随之改变，所以把这种通过相位控制来调节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，相应的整流电路称为相控整流电路。,相控整流电路的几个基本概念 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称为触发延迟角，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称为导通角，=-。 移相：改变触发延迟角的大小。 移相范围：触发延迟角从0°开始到最大触发电角度的区间。 同步：每个周期中触发延迟角都相同，所以要求触发信号和电源电压在频率和相位上协调配合，这种相互协调配合的关系，称为同步。,3.2.1 单相半波可控整流电路,9,基本数量关系 直流输出电压平均值 负载电流平均值 整流输出电压有效值 负载电流有效值 随着增大，Ud减小，该电路中VT的移相范围为180,（3-1）,（3-2）,（3-3）,（3-4）,3.2.1 单相半波可控整流电路,10,基本数量关系 通过变压器二次侧绕组电流有效值I2等于负载电流有效值，故在阻性负载下单相半波整流电路负载电流有效值与平均值之比为 式中，kf为波形系数，当=0°时，kf=1.57；当=/2时，kf=2.2。不同时波形系数kf不一样。 流过晶闸管的有效值 流过晶闸管的平均值 从图图3-1可知晶闸管承受的最大正向电压和最大反向电压均为变压器二次绕组电压最大值，为 。 功率因数 (3-6),（3-5）,（3-4）,尽管是电阻性负载，但是电源的功率因数不会等于1，而且随着的增加，功率因数减小。,3.2.1 单相半波可控整流电路,11,带阻感负载的工作情况 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当电感中电流增加时，电感产生自感电势阻止电流增加；而当电感中电流减小时，自感电势又将阻止电流的减小。 电路分析 晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。 在t1时刻，触发角处 ，VT导通ud=u2。由于L的存在使id不能突变，id从0开始增加。电感自感电动势eL的方向为上正下负，但与u2极性相反，但作用在晶闸管上的阳极电压eL+u20 ，晶闸管导通。这时交流电网除了电阻R所消耗的能量外，还要供给电感所吸收的磁场能量。在t2 时刻，id达到最大值， L(di/dt)=0。 之后，id开始减小，电感自感电动势eL的方向为上负下正，其极性有助于VT导通。L释放能量，释放的能量除消耗在电阻R上外，还通过变压器二次侧绕组将能量反送回电网。,图3-2 带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形,3.2.1 单相半波可控整流电路,12,带阻感负载的工作情况 在t=时刻，电源电压u2=0，但由于电感L中能量未释放完，还要继续释放能量，自感电势极性为上负下正，作用在晶闸管上的阳极电压eL+u2仍然大于零，晶闸管继续维持导通，id0。 在t3t4电源电压过零变负，负载电流继续减小，自感电势极性仍为上负下正， 只要作用在晶闸管上的阳极电压eL+u2仍然大于零，晶闸管仍然导通。直至L中能量释放完毕，电流将为零时(相当于t4时刻)，晶闸管关断。一旦晶闸管关断，立即承受反向电压，如图3-2(f)所示。 在下一个脉冲信号到来时继续上述过程。,此电路中，由于电感的存在，使晶闸管导通时间增加，导通角度加大，不再 是-。同时，由于晶闸管在u2的负半周一段时间内还处于导通状态，所以整流 电压ud波形中出现负值，使输出直流电压平均值减小。 如果触发延迟角大，则电流正半周期内提供给电感的储能少，维持晶闸管 的导通能力差，导通角小。如果负载阻抗角大，说明负载电感L大，储能多， 维持晶闸管导通能力强，导通角将大。当L比R大很多时，负载阻抗角(/2)， ud波形中正、负面积接近相等，则输出电流电压平均值Ud0，造成直流平均电 流很小，负载上得不到所需的功率。,3.2.1 单相半波可控整流电路,13,带续流二极管阻感负载的工作情况 电路分析 晶闸管VT处于态,id=0,ud=0,uVT=u2。 在t1时刻，触发角处 ，VT导通ud=u2。有电流流过VT、L、R，由于L的存在使id不能突变，id从0开始增加。续流二极管VDR承受反向电压关断。ud=0。 u2由正变负的过零点处，id已经处于减小的过程中趋势，由于L的存在，自感电动势eL方向为上正下负，VDR承受正向电压导通。VT承受反向电压关断。 有了续流二极管后，电路输出电压波形及平均值和阻性负载时一样，只与触发延迟角有关，与L无关 。但id的波有较大不同，由于大电感，id不但连续，且基本维持不变。,图3-3 带阻感负载、带有续流二极管的单相半波可控整流电路及其波形,3.2.1 单相半波可控整流电路,14,基本数量关系 单相半波可控整流电路带续流二极管、大电感负载时，输出电压平均值与阻性负载时相同，电路移相范围仍为0°180°。 若触发延迟角为，则流过晶闸管平均值为 IdVT 及有效值IdVT分别为 流过续流二极管平均值为 IdVDR及有效值IVDR分别为 晶闸管可能承受的最大正、反向电压均为 ，续流二极管承受的最大反向电压也为 。 单相半波整流电路只适合容量小、质量轻及波形要求不高的场合。,（3-7）,（3-8）,（3-9）,（3-10）,3.2.2 单相桥式全控整流电路,15,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点电位） 若4个晶闸管均不导通，id=0,ud=0, VT1、VT4串联承受电压u2。 在触发角处给VT1和VT4加触发 脉冲，VT1和VT4即导通，电流途经：bVT2RVT4a 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，仍在触发角处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流途经：aVT3RVT2b 到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。,VT1、VT4和VT2、VT3在相位上相差 180°,每对晶闸管导通角为-,3.2.2 单相桥式全控整流电路,16,基本数量关系 整流电压平均值为： 当=0时，Ud= Ud0=0.9U2。=180时，Ud=0。可见，角的移相范围为0°180。 向负载输出的直流电流平均值为： 晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 和,（3-11）,（3-12）,3.2.2 单相桥式全控整流电路,17,基本数量关系 整流电压平均值为： 当=0时，Ud= Ud0=0.9U2。=180时，Ud=0。可见，角的移相范围为180。 向负载输出的直流电流平均值为： 晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 和,（3-11）,（3-12）,3.2.2 单相桥式全控整流电路,流过晶闸管的电流平均值 ： 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 电路的功率因数,（3-13）,（3-14）,（3-15）,（3-16）,18,3.2.2 单相桥式全控整流电路,根据式（3-11）、式（3-12）、式（3-15）、式（3-16），将不同时的Ud/U2、I2/Id和cos数值列于表3-1中。,表3-1 三相桥式全控整流电路电压电流比及功率因数与触发延迟角的关系,整流输出的有功功率即负载的直流功率，在=0°时，整流输出的有功功率 P=Ud0Id，而变压器视在功率有一次侧视在功率S1和二次侧视在功率S2之分， 此时Ud0= 0.9U2，I2=1.11Id，因此，S2=U2 I2=1.23P 。 若变压器一次、二次侧绕组的匝数相等，i2正、负半周期 大小相等，是正弦 电流，没有直流分量。若忽略励磁电流，则I1=I2、U1=U2 ，S1=S2=1.23P，此 时变压器容量为：SN=（S1+S2）/2=1.23P 即变压器容量为整流功率的1.23倍。,19,3.2.2 单相桥式全控整流电路,带阻感负载的工作情况 电路分析 在u2正半周期 ，触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，电流途aVT3R、LVT2b，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，下正上负eL 与u2加在晶闸管上，只要|eL|u2|,则eL+u20 ，将维持VT1、VT4导通晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。 t=+时刻，触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流途经aVT2R、LVT3b流通。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。 到下一周期重复上述过程。,图3-5 单相桥式全控整流电流带阻感负载时的电路及波形,20,3.2.2 单相桥