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1、1,第2章 整流电路,2.1 单相可控整流电路 2.2 三相可控整流电路 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 2.4 电容滤波的不可控整流电路 2.5 整流电路的谐波和功率因数 2.7 整流电路的有源逆变工作状态 本章小结,2,第2章 整流电路引言,整流电路： 出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。 应用：直流电动机、同步发电机励磁、电池充电器、电镀、电解电源、通信系统的基础电源等。,3,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，又分为单拍电路和双拍电路
2、。,5,1）带电阻负载的工作情况,变压器T起变换电压和电气隔离的作用。 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。,单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier),6,7,波形分析： 电源正半周， 0t ； 当t = ，晶闸管导通； 晶闸管导通时，ud=u2，uVT=0； 电源负半周: t 2 ； 晶闸管截止时，ud=0，uVT=u2。,8,图2-1 单相半波可控整流电路及波形,9,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a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
3、电角度，用表示 。,基本数量关系,10,直流输出电压平均值为,(2-1),移相范围：整流输出电压平均值从最大值变化到零时所对应的角的变化范围，该电路移相范围为180. 相控方式：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。,11,2) 带阻感负载的工作情况,阻感负载的特点： 电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。,讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。,12,图2-2 带阻感负载单相半波电路及其波形,13,当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。 当VT处于通态时，相当于VT短路。,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
4、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 通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。 器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。,14,当VT处于通态时，如下方程成立：,（2-2）,（2-4）,初始条件：t= a ，id=0,当t=+a 时，id=0,15,续流二极管,当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。 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。,16,图2-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,17,在负载电感足够大的情况下，负载电流是连续且平稳的直流电流Id。 晶闸管导通时，负载电流由晶闸管提供；晶闸管截
5、止时，由续流二极管维持负载电流。,18,Ud的计算公式与电阻性负载时相同； 角的移相范围：0； 晶闸管承受的最大正反电压： 续流二极管承受的最大反向电压：,19,晶闸管电流平均值：,续流二极管电流平均值：,数量关系(id近似恒为Id）,20,晶闸管电流有效值：,续流二极管电流有效值：,21,晶闸管额定电压和额定电流的选取： 额定电压：正常工作时所承受峰值电压的23倍。 额定电流：通态平均电流IT(AV)的1.52倍。 IT(AV)可按下式计算：,例1：单相半波可控整流电路，带电阻性负载，由220V交流电源直接供电。负载要求的最高平均电压为60V，相应平均电流为20A，考虑安全裕量，确定晶闸管的
6、额定电压和额定电流。,22,解：要求晶闸管的额定电压和额定电流，应求出晶闸管承受的最大正反向电压和流过晶闸管的最大电流有效值。,由整流输出电压的平均值,代入U2=220V，Ud=60V，得,由,得,23,所以，整流输出电流有效值：,晶闸管承受的最大正反向电压：,考虑23倍安全裕量，晶闸管额定电压取 Ue=700V,流过晶闸管的电流有效值：Is = I =41.29 所以通态平均电流：IT(AV) = Is / 1.57 = 26.3A 考虑1.52倍安全裕量，晶闸管额定电流取 IS = 50A,24,VT的a 移相范围为180。 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
7、直流磁化。 实际上很少应用此种电路。 分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。,单相半波可控整流电路的特点,25,2.1.2 单相桥式全控整流电路,1) 带电阻负载的工作情况,a),单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier),VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。 VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,26,27,28,数量关系,（2-9）,a 角的移相范围为180。,向负载输出的平均电流值为：,流过晶闸管的电流平均
8、值只有输出直流平均值的一半,（2-10）,(2-11),29,流过晶闸管的电流有效值：,变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：,由式（2-12）和式（2-13）得：,（2-12）,（2-13）,（2-14）,30,2）带阻感负载的工作情况,u,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，晶闸管VT1和VT4并不关断。 至t=+a 时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。 VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，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
9、流。,31,图2-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,32,数量关系,（2-15）,晶闸管移相范围为90。,晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：,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。,晶闸管承受的最大正反向电压均为 。,33,3） 带反电动势负载时的工作情况,在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。,在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,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，,（2-16）,导通之后, Ud=U2
10、，,34,35,图2-7b 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的波形,电流断续,电流连续,36,当 d时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。,触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=d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d。,37,38,这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。 为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：,（2-17）,39,2.1.3 单相全波可控整流电路,单相全波可控整流电路（Single Phase Full Wave Controlled Rectifier)，又称
11、单相双半波可控整流电路。,图2-9 单相全波可控整流电路及波形,40,41,单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。 变压器不存在直流磁化的问题。,变压器副边绕组中点接至负载端，A、B两端经二极管接至负载另一端。 U2正半周，VT1导通，ud=uAO； U2负半周，VT2导通，ud=uBO。,42,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
12、考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。,43,图2-10 单相桥式半控整流电路,VT1、VT2触发脉冲互差180，可控，共阴极； VD1、VD2不可控，共阳极。,+,-,+,-,2.1.4 单相桥式半控整流电路,44,单相半控桥带阻感负载的情况 假定负载电感L足够大，则负载电流连续并保持恒值。,在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。 u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。 在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，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。,45,虽
13、然单相桥式半控整流电路自身具有自然换流的能力，但在实际运行中，可能会出现失控现象，触发脉冲对输出电压失去控制作用。 例：在正半周VT1导通期间，VD1,2轮换导通，VT1的关断以VT2的触发导通为条件的。若此时触发电路出现问题，触发消失，则VT2不再触发导通，会形成VT1总是导通，VD1,2轮换导通的失控现象，ud变为正弦半波。,解决办法：在负载电路两端并联一个续流二极管，取代二极管起续流作用。,46,47,图2-11 并联续流二极管的单相桥式半控整流电路,48,单相桥式半控整流电路的另一种接法,相当于把图2-5a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由
14、VD3和VD4来实现。,图2-5 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形,图2-11 单相桥式半控整流电路的另一接法,49,2.2 三相可控整流电路,2.2.1 三相半波可控整流电路 2.2.2 三相桥式全控整流电路,50,2.2 三相可控整流电路引言,交流测由三相电源供电。 负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。 基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广 。,51,电路的特点： 变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。 三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法 。,1)电阻负载,52,a),t1t2，uAuB、
15、uC，VT1导通，ud=uA； t2t3，uBuA、uC，VT2导通，ud=uB； t3t4，uCuA、uB，VT3导通，ud=uC。 每个周期中的整流输出电压有三个脉波。,53,图2-12 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a =0时的波形,54,自然换相点： 二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a =0。,a =0时的工作原理分析,变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。 晶闸管的电压波形，由3段组成。,55,=30o时波形： 经过自然换相点时，由于VT1触发脉冲未到，VT3继
16、续导通，ud=uc； t=60o时，VT1触发导通，VT3关断，ud=ua。 同理，VT2、 VT3均在各自的自然换相点后30导通。 id与ud波形相同，临界断续，各相仍导通120 。 SCR有一段时间承受正向电压。,56,=60o波形： uc过零时，VT3关断，此时VT1触发脉冲未到，不会导通，三只管子均不导通，ud=0。从而使ud、id断续，SCR导通角=90o。 问： 30o时导通角？ 三个SCR均不导通时，各SCR承受的电压为各相的相电压，所以SCR承受的最大正向电压为：,57,150时，SCR获得触发脉冲时，承受的相电压已为负值，不可能导通，整流输出电压为0。 所以，三相半波可控整流电路带电阻性负载时移相范围为150,58,基本数量关系：,当30时，负载电流连续，各SCR均导通120，输出电压平均值：,当=0时，Ud最大，为 。,59,当30 150 时，负载电流断续，SCR导通角120，输出电压平均值：,负载电流平均值为：,60,Ud/
