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1、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3 8相控电路的驱动控制本章小结 2 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 3 1单相可控整流电路 3 1 1单相半
2、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 3 1 1单相半波可控整流电路 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
3、成 5 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 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 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 增大 Ud减小 该电路中VT的 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
4、控方式 3 1 1单相半波可控整流电路 3 1 6 3 1 1单相半波可控整流电路 u 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 t1时刻 即触发角 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 t2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
5、比其平均值Ud下降 7 3 1 1单相半波可控整流电路 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 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 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 3 1 1单相半波可控整流电路 VT处于通态时 如下方程成立 在VT导通时刻 有 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
6、 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 3b VT处于导通状态 3 2 3 3 3 4 9 3 1 1单相半波可控整流电路 若 为定值 角大 越小 若 为定值 越大 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
7、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 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 3 5 3 6 3 7 3 8 11 3 1 2单相桥式全控整流电路 a 带电阻负载的工
8、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 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 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 0处为 t 12 3 1 2单相桥式全控整流电路 单相桥式全控
9、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 13 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 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 3 1 2单相桥式全控整流电路 3 9 3 10 14 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
10、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 3 11 3 12 3 13 3 14 15 3 1 2单相桥式全控整流电路 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 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 t 时刻 触发VT2和VT3 VT2和VT3导通 u2通过VT2和VT3分别向VT1
11、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 16 3 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 0时 Ud0 0 9U2 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 与 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 角决定 有效值I2 Id 3 15 17 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
12、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 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 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 3 16 18 3 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 t 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 角相同时 整流输出电压比电阻负载时大 电流断续 id波形在一周期内有部分
13、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 19 3 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 3 17 20 3 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 2 L值极大 反电势E 60V 当 30 时 要
14、求 作出ud id和i2的波形 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 考虑安全裕量 确定晶闸管的额定电压和额定电流 解 ud id和i2的波形如图3 9 图3 9ud id和i2的波形图 21 3 1 2单相桥式全控整流电路 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 9U2cos 0 9 100 cos30 77 97 A Id Ud E R 77 97 60 2 9 A I2 Id 9 A 晶闸管承受的最大反向电压为 U2 100 141 4 V 流过每个晶闸管的电流的有效值为 IVT Id 6 36 A 故晶闸管的额定电压为 UN 2
15、 3 141 4 283 424 V 晶闸管的额定电流为 IN 1 5 2 6 36 1 57 6 8 A 晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取 22 3 1 3单相全波可控整流电路 图3 10单相全波可控整流电路及波形 带电阻负载时 电路分析 变压器T带中心抽头 在u2正半周 VT1工作 变压器二次绕组上半部分流过电流 u2负半周 VT2工作 变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流 变压器也不存在直流磁化的问题 23 3 1 3单相全波可控整流电路 单相全波与单相全控桥的区别 单相全波中变压器结构较复杂 材料的消耗多 单相全波只用2个晶闸管 比单相全控桥少2个 相应地 门
16、极驱动电路也少2个 但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍 单相全波导电回路只含1个晶闸管 比单相桥少1个 因而管压降也少1个 从上述后两点考虑 单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用 24 3 1 4单相桥式半控整流电路 图3 11单相桥式半控整流电路 有续流二极管 阻感负载时的电路及波形 与全控电路在电阻负载时的工作情况相同 带电感负载 电路分析 先不考虑VDR 每一个导电回路由1个晶闸管和1个二极管构成 在u2正半周 处触发VT1 u2经VT1和VD4向负载供电 u2过零变负时 因电感作用使电流连续 VT1继续导通 但因a点电位低于b点电位 电流是由VT1和VD2续流 ud 0 在u2负半周 处触发触发VT3 向VT1加反压使之关断 u2经VT3和VD2向负载供电 u2过零变正时 VD4导通 VD2关断 VT3和VD4续流 ud又为零 25 3 1 4单相桥式半控整流电路 续流二极管VDR 若无续流二极管 则当 突然增大至180 或触发脉冲丢失时 会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况 这使ud成为正弦半波 即半周期ud为正弦 另外半周期ud为零 其平均值保持恒
