第3章 整流电路 江苏大学 电力电子技术 课件 电气工程及其自动化

第3章整流电路3.1单相可控整流电路3.2三相可控整流电路3.3变压器漏感对整流电路的影响3.4电容滤波的不可控整流电路3.5整流电路的谐波和功率因数3.6大功率可控整流电路3.7整流电路的有源逆变工作状态本章小结2/131引言■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。3/1313.1单相可控整流电路3.1.1单相半波可控整流电路3.1.2单相桥式全控整流电路3.1.3单相全波可控整流电路3.1.4单相桥式半控整流电路4/1313.1.1单相半波可控整流电路)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图3-1单相半波可控整流电路及波形■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。5/131◆改变触发时刻，ud和id波形随之改变，直流输出电压ud为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。◆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。3.1.1单相半波可控整流电路paaapwwp2cos145.0)cos1(22)(sin221222UUttdUUd（3-1）6/1313.1.1单相半波可控整流电路uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++图3-2带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形■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。◆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已经处于减小的过程中，但尚未降到零，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。7/1313.1.1单相半波可控整流电路◆电力电子电路基本分析方法☞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，电路拓扑发生改变。☞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3-3所示。a)b)VTRLVTRLu2u2图3-3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8/1313.1.1单相半波可控整流电路VTb)RLu2√VT处于通态时，如下方程成立：在VT导通时刻，有wt=a，id=0，这是式（3-2）的初始条件。求解式（3-2）并将初始条件代入可得tURitiLwsin2dd2dd)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，代入式（3-3）并整理得22)(LRZwRLtgw1)sin()sin(aqaqtge图3-3b)VT处于导通状态(3-2)(3-3)(3-4)u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)9/1313.1.1单相半波可控整流电路√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。图3-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形10/131☞基本数量关系√流过晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT分别为：√续流二极管的电流平均值IdDR和有效值IDR分别为√其移相范围为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。3.1.1单相半波可控整流电路ddTIIpap2ddTItdIIpapwppa2)(212ddDRIIpap2ddDRItdIIpapwpapp2)(2122(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)22U22U11/1313.1.2单相桥式全控整流电路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a)■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a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，仍在触发角a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=p12/131◆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。☞整流电压平均值为：α=0时，Ud=Ud0=0.9U2。α=180时，Ud=0。可见，α角的移相范围为180。☞向负载输出的直流电流平均值为：3.1.2单相桥式全控整流电路222U22Upaaapwwp2cos19.02cos122)(dsin21222UUttUUd2cos19.02cos12222aapRURURUIdd(3-9)(3-10)13/131☞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，为由式（3-12）和（3-13）可见：☞不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。3.1.2单相桥式全控整流电路2cos145.0212aRUIIddTpapapwwppa2sin212)(d)sin2(21222RUttRUITpapapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIIIT21(3-11)(3-12)(3-13)(3-14)14/1313.1.2单相桥式全控整流电路2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u图3-6单相桥式全控整流电流带阻感负载时的电路及波形■带阻感负载的工作情况◆电路分析☞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。15/1313.1.2单相桥式全控整流电路◆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)(dsin21222dUUttUU22UddT21IIddT707.021III(3-15)16/131■带反电动势负载时的工作情况◆当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。◆电路分析☞|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。☞晶闸管导通之后，ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。☞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。☞当a时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。3.1.2单相桥式全控整流电路b)idOEudwtIdOwtaq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REuidd212sinUE(3-16)17/1313.1.2单相桥式全控整流电路☞触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。☞在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时◆电流断续☞id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。☞负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。18/131twwOud0Eidtpaq=p3.1.2单相桥式全控整流电路☞为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。☞电感量足够大使电流连续，晶闸管每次导通180，这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。☞为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：图3-8单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况dmin23dmin21087.222IUIULpw(3-17)19/1313.1.2单相桥式全控整流电路■例：单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当a=30时，要求：①作出ud、id和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①ud、id和i2的波形如图3-9：u2OwtOwtOwtudidi2OwtIdIdIdppaa图3-9ud、id和i2的波形图20/1313.1.2单相桥式全控整流电路②整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为Ud＝0.9U2cosa＝0.9×100×cos30°＝