第3章电力电子剖析.

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1、电力电子技术,第三章：整流电路 （ 第 一 部 分 ）,3.1 单相可控整流电路 3.2 三相可控整流电路 整流电路 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 3.8 晶闸管直流电动机系统 3.9 相控电路的驱动控制 本章小结,第三章 整流电路,整流电路是出现最早的电力电子电路，电路的功能是将交流电变为直流电。 按组成的器件可分为不可控（二极管）、半控（SCR)、全控(全控器件）三种； 按电路结构可分为桥式电路和半波电路； 按交流输入相数分为单相电路和三相电路

2、。,引 言,需掌握的内容： 各种典型整流电路的工作原理、波形分析、 基本数量关系、负载性质的影响； 变压器漏抗对整流电路的影响； 整流电路的谐波和功率因数分析； 大功率场合的整流电路； 相位控制电路的驱动控制。,引 言,3.1 单相可控整流电路,交流侧接单相电源 重点注意：工作原理（波形分析）、定量计算、不同负载的影响。 3.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波） Single Phase Half Wave Controlled Rectifier 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； 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同 。,图3-1 单相半波可控 整流

3、电路及波形,图3-1 单相半波可控整流电路及波形,工作过程和特点： （1）在u2的正半周，VT承受正向电压，0t1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，uVTu2，ud=0; （2） t1以后，VT由于触发脉冲ug的作用而导通，则ud=u2, uVT=0,id=u2/R，一直到时刻； （3） 2期间，u2反向，VT由于承受反向电压而关断,uVT=u2,ud=0。 以后不断重复以上过程。 特点：为单拍电路，易出现变压器直流磁化，应用较少。,这时电流的变化不会再使磁通产生变化,变压器的阻抗很小,导致绕组的电流大增,导线发热,损耗增加,3.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）,若干概念 单拍电

4、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； “半波”整流：ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称之。 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称为，用表示。在半波电路中，。 的移相范围：指触发角可以变化的角度范围。在不同的电路中， 有不同的角度范围。如在单相半波电路中， 的移相角度范围是0。 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。,基本

5、数量关系 直流输出电压平均值Ud （3-1） 说明：使用万用表直流档测量Ud即为该数值； U2为电源电压有效值（220V）； 时，Ud=0，可见可以通过调整 来调整Ud。 直流输出电压有效值U(使用万用表交流档测量) （3-2）,3.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）,SCR的若干参数关系： (1) IdT （流过SCR电流的平均值） （3-3） (2) IT （流过SCR电流的有效值） （3-4） (3) U VT （SCR承受的正反向峰值电压）为 注同学们对于这些符号定义，可以参看教材的符号说明。,3.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）,2. 单相半波电路带电感性负载的工作情况

6、 电感的特点: (1)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。(2)在电感两端产生的感应电动势Ldi/dt。它的极性是阻止电流的变化。(3)电感在电路的工作过程中，不消耗能量。即产生多少能量，就消耗多少。 负载阻抗角arctg(L/R) ，反映出负载中电感所占的比重，该角度越大（0900之间），则电感量越大。当负载中的感抗L和R相比不可忽略时，称为电感性负载。 在生产实践中，常见的电感性负载如电机的励磁绕组。 电感在电力电子线路中大量使用，大容量、大功率电感常常又称为电抗器。,图3-2 带电感性负载的 单相半波电路及其波形,3.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）,图3-

7、2 带电感性负载的 单相半波电路及其波形,工作过程和特点： （1）在u2的正半周，VT承受正向电压，0t1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，uVTu2，ud=0; （2） t1以后，VT由于触发脉冲UG的作用而导通，则ud=u2, uVT=0，一直到时刻。但由于L的作用，在时刻，ud=0，而L中仍蓄有磁场能， id 0； （3） t2期间，L释放磁场能，使id逐渐减为0，此时负载反给电源充电，电感L感应电势极性是上负下正，使电流方向不变，只要该感应电动势比u2大，VT仍承受正向电压而继续维持导通，直至L中磁场能量释放完毕， VT承受反向电压而关断；,t2,t2,t2,t2,图3-2 带电

8、感性负载的 单相半波电路及其波形,工作过程和特点： 请同学们思考： （a） L两端的电压何时变为上负下正，如何简单判断？ （b） id能否抵达2点？为什么？ （c)一个周期中L两端的电压波形如何？ （4） t2 2期间，VT承受反向电压而处于关断状态，uVTu2，ud=0。 以后不断重复以上过程。,t2,t2,t2,t2,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,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，电路拓扑发生改变。 以前述单相半波电路为例

9、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。,3.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）,VT处于通态时，如下方程成立： 在VT导通时刻，有t=，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,式中， ， 。由此式可得出图3-2e所示的id波形。 当t=+时，id=0，代入式（3-3）并整理得,图3-3 b) VT处于导通状态,(3-2),(3-3),(3-4),3.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）,基本数量关系 直流输出电压平均值Ud （3-6） 由于从ud的波形可以看

10、出，此时输出的平均电压Ud和电阻负载相比，有所下降。 考虑一种极端情况： 如果为大电感负载，则ud中的负面积接近正面积，输出 的直流平均电压Ud0，则id也很小，这样的电路无实际用途。所以，实际的大感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。,3.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）,2. 单相半波电路带电感性负载,工作过程和特点： （1）在u2的正半周，VDR承受反向电压，不导通，不影响电路的正常工作; （2） 2 期间，电感L的感应电势（下正上负）使VDR导通，此时，L释放能量，维持负载电流通过VDR构成回路，而不通过变压器。称为续流。在续流期间，VT承受u2的负压而关断，此时ud=0

11、。 （3) 当LR时，id不但连续而且基本上维持不变，电流波形接近一条直线。 注意：在考试中，可以直接用直线表示id。,图3-4 单相半波带电感性负载 有续流二极管的电路及波形,3.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）,带续流二极管的单相半波电路基本数量关系： 输出直流电压的平均值 Ud（和纯阻性负载相同） （3-7） 输出直流电流的平均值Id. （和纯阻性负载相同） （3-8） 若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则流过SCR的电流平均值和有效值分别为： （3-9） （3-10）,3.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）,单相半波可控整流电路的特点： 线路简单、易调整，但输出电流脉

12、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； 实际上很少应用此种电路；,3.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）,电阻负载的工作情况 晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成。在实际的电路中，一般都采用这种标注方法，即上面为1、3，下面为2、4。请同学们注意。,3.1.2 单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,图3-5 单相全控桥 带电阻负载时的电路及波形,简称为单相全控桥,图3-5 单相全控桥带电阻负载时的电路及波形,1) 工作过程和特点： （1） 0 t1: u2为正，VT1和VT4无触发脉冲截止，VT1和VT4分担U2/2的正向电压，VT2和VT3分担u2/

13、2 的反向电压, ud=0; （2） t1 : u2为正， VT1和VT4 由于触发脉冲ug的作用而导通， VT2和VT3承受u2 的反向电压， id =U2/R ； （3） t2( + t1) ： U2为负，VT2和VT3无触发脉冲截止，VT2和VT3分担u2/2的正向电压，VT1和VT4分担u2/2 的反向电压, ud=0; （4） t2( + t1) 2: U2为负， VT2和VT3 由于触发脉冲ug的作用而导通， VT1和VT4承受u2 的反向电压， id =u2/R，且方向保持不变 。,t2,t1,t2,t2,t1,t1,基本数量关系 直流输出电压平均值Ud （3-11） 可见：在同

14、样的控制角情况下，输出的平均电压Ud是单相半波的两倍； SCR可控移相范围为1800； 属于双拍电路。,2） 单相全控桥阻性负载的基本数量关系,3.1.2 单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,直流输出电流平均值Id 和SCR的平均电流idT （3-12） 由于SCR轮流导电，所以流过每个SCR的平均电流idT只有负载上平均电流的一半。 （3-13）,3.1.2 单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,直流输出电流有效值I，即为变压器二次侧绕组电流有效值I2 （3-14） SCR的有效电流IT，由于SCR轮流导电，所以 IT为： （3-15）,3.1.2 单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,带电感性

15、负载的工作情况 为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。 假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线： 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； 至t=+ 时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通，而VT1和VT4立刻承受负电压，故两管关断。,图3-6 单相全控桥带 电感性负载时的电路及波形,3.1.2 单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,图3-6 单相全控桥带 电感性负载时的电路及波形,t1,t2,2,VT2和VT3导通后，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，此过程称换相，亦称换流。,整流电路输出平均电压为： （3-16） 晶闸管移相范围为90，因为当 90 时，Ud0。 整流电路输出平均电流Id和SCR的电流平均值IdT为： 变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由角决定，有效值I2=Id。,3.1.2 单相桥式全控整流电路（单相全控桥）,带反电动势负载时的工作情况 对于象蓄电池、直流电动机的电枢（转子） 这类负载，本身有反电势，对整流电 路来说，称为反电动势负载。 在|u2|E时，晶闸管才