整流与有源变教学幻灯片

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1、第2章 整流与有源逆变,2.1 概述,将交流电转换成直流电的变换称之为整流，实现整流变换的装置称之为整流器。,可控整流,不控整流,整流,逆变,在整流变换过程中，其平均功率（或能量）的流向是从交流电源流向直流负载。,工业应用中常常需要把直流电能转换成交流电能，这种对应于整流的逆向过程称之为逆变 。,有源逆变,无源逆变,在逆变过程中，其平均功率（或能量）是从直流侧流向交流侧的。,图2-1 整流与逆变的功率流向,图2-2 部分常用的整流电路,可控整流电路的主元件在采用晶闸管时，其控制方式都采用相位控制，故这类整流电路又称之为相控整流。,c） d） 除c）、d）外 a）e） f）、g） b）、f） c

2、）、d）、e）、g） a）、b）*、f） c）、d）、e）、g）,2.2 单相可控整流电路,图2-3 电阻性负载的单相半波整流电路及其 工作波形,2.2.1电阻性负载的单相半波可控整流,理想化假设 : 1.开关元件是理想的 2.变压器是理想的 3.电网电压是理想的正弦波,（一）工作原理 （二）控制角、元件导通角 （三）输出电压 （四）输出电流 （五）元件电压,（二）有续流二极管电路的工作原理,为了提高整流器输出电压的平均值和减小变压器的发热损耗，按图2-5a)所示极性在负载两端并联一功率二极管VD， VD称为续流二极管。,图2-5 有续流二极管的单相半波可控整流电路及其工作波形,（三）有续流二

3、极管电路工作时的数学表达式,1输出电压 在电流断续、电流连续或电感足够大的几种情况下，有续流二极管电路的输出电压在一个周期内的表达式都为 输出电压 的直流分量（平均值） 为 2负载电阻R上电压平均值 3输出电流平均值 4元件电压、元件电流 晶闸管VT所承受的断态正向峰值电压、反向峰值电压及二极管VD的反向峰值电压都为 。 5控制角的有效移相范围为 .,6晶闸管VT的元件导通角 。,2.2.3 电阻负载的单相桥式全控整流电路,图2-6 电阻负载的单相桥式可控整流电路及工作波形,（一）工作原理 图2-6的桥式整流电路与图2-3的单相半波整流电路相比，桥式整流把电源电压的负半波也利用起来了，使输出电

4、压在一个电源周期中由原来的只有一个脉波变成了有二个脉波，改善了波形，提高了输出。在变压器的副方绕组中，绕组电流的波形如图2-6h）所示，两个半周期的电流方向相反且波形对称，因此不再存在半波整流电路中的变压器直流磁化问题，提高了变压器的绕组利用率。,（二）输出电压 的平均值,（三）电感L上的电压及电阻R上的电压,（四）输出电流,（五）晶闸管电流,由于两晶闸管对轮流导通，在一个正弦周期内各导通180，故流过各晶闸管上的电流是幅值为 、宽度为180的矩形波电流，所以其平均值为 晶闸管电流的有效值为,（六）元件电压 元件的最大断态正向电压、最大反向电压都为 。,（七）控制角与导通角 控制角的有效移相范

5、围为 ，但从式（2-18）可看到，当 时，输出电压的平均值为负。元件的导通角 。,2.2.5 单相桥式半控整流电路,图2-8 单相桥式半控整流电路 及其L足够大时的工作波形,（一）晶闸管共阴极接法电路,从波形图可知，输出电压的平均值为,失控现象,图2-9 单相桥式半控整流电路失控时的波形,（二） 有续流二极管的晶闸管共阴极接法电路,图2-10 有续流二极管的单相半控整流电路及其L足够大时的工作波形,（三）晶闸管在同一桥臂的电路,图2-11 晶闸管在同一桥臂的单相半控整流电路及其L足够大时的工作波形,2.3 三相半波可控整流电路,图2-12 电阻负载时的三相半波可控整流电路及 时的工作波形,（一

6、）控制角及触发脉冲顺序 三个晶闸管的导通顺序是,（二） 时 输出电压在一个周期中的分段表达式为 输出电压的平均值为 电流是连续的 ，其平均值为,（三） 时,图2-13 时电阻负载的三相半波可控整流电路波形,图2-14 电阻负载三相半波可控整流 时的工作波形图,时，输出电压的平均值为 ： 输出电流的平均值 元件电流的平均值 元件电流的有效值 、变压器副方绕组电流的有效值 为,2.3.2 电感负载的三相半波可控整流电路,图2-15 电感性负载三相半波可控整流 时的工作波形,（一）工作原理,（二）输出直流电压的平均值,（三）输出电流的平均值,（四）晶闸管元件电流,（五）晶闸管电压,最大反压，最大正向

7、阻断电压都为,（六）控制角的移相范围,的移相范围应是 ，有续流二极管时,2.3.3 共阳极连接的三相半波可控整流电路,图2-17 共阳极连接的三相半波可控整流电路及 a)波形电路图 b）0时的波形图 c）30时的波形图,2.4 三相桥式全控整流电路,三相半波整流电路虽然较单相整流电路来说在装置容量、输出电压的脉动等许多方面有了很大的改善，但三相半波整流电路的输出在每个电源周期中仍只有3个脉波，且整流变压器中还存在着严重的直流磁化电流问题。因此在工业生产中最大量使用的是三相桥式整流电路,本节将只讨论三相桥式全控整流器的理想工作状态。所谓理想工作状态是假设具有如下的理想条件： 理想变压器。即变压器

8、的漏抗、绕组电阻和励磁电流都可忽略。 晶闸管元件是理想的。 电感性负载时，直流电感Ld足够大，输出电流的纹波可以不计。 电源为三相对称系统，其表达式如式,2.4.1 电阻性负载 时,图2-18 电阻性负载三相桥式全控整流 时的工作波形,（一）工作原理,那末，对上组（共阴连接组）晶闸管，在 （RS）之间是 导通， 、 承受反压而关断；在 之间是 导通；在 之间是 导通。,同理，对下组（共阳连接组）晶闸管， 的导通区间是 ， 的导通区间是 ， 的导通区间是 。,六只晶闸管导通的顺序是 。,（二）三相桥式可控整流电路触发脉冲的形式,图2-19 触发脉冲的三种形式,在晶闸管需导通的区域仅用初始的一个窄

9、脉冲去触发的方式称“单窄脉冲触发” 每个元件除了在各自的换流点处有一个脉冲之外，还在60度电角度之后的下一个导通元件的导通时刻补了一个脉冲。所补的脉冲在电流连续的稳态工作时并不起任何作用，但它却是电路启动及在电流断续时使电路正常工作所不可缺少的，这种触发方式称之为“双窄脉冲触发”。 若把上面的双窄脉冲连成一个宽脉冲，电路当然也可正常工作，这种触发方式称之为“宽脉冲触发” ,2.4.2 电阻性负载 时,图2-20 电阻性负载三相全控整流桥 的工作波形,（一） 时,电路稳态工作时，电流在 时是连续的；在 时电流处于临界连续状态。输出电压的平均值为,（二） 时,输出电压平均值为,图2-21 电阻性负

10、载三相全控整流桥 的工作波形,2.4.3 电感性负载时,图2-22 大电感负载时三相桥式全控整流电路及其在 时的波形,（一）工作原理,（二）输出电压,（三）输出电流,（四）元件电流和变压器副方绕组电流,（五）元件电压,图2-23给出了三相桥式全控整流电路大电感负载在不同控制角时的输出电压波形，从图中可看到当控制角变化时输出电压的变化情况。,图2-23 三相桥式全控整流电路大电感负载 在不同控制角时的波形图,2.5 整流电路换流过程,2.5.1 换流过程分析,图2-24 有交流电感的三相桥式全控整流电路及 时的波形,同一组中有两管同时导通的期间称之为换流期间 VT5与VT1换流期间的等值电路可画

11、成如图2-25所示，图中在考虑到直流侧电感的作用后把负载电路已作为恒流源处理。 ,图2-25 VT5与VT1换流时的等效电路 换流期间，有方程：,（一）换流期间的电压,输出电压为 ：,对于其它换流期间，也可得到类似的表达式，由此可以得到的结论是： 1。换流期间参与换流的交流侧电感上的压降其大小等于参与换流的两相线电压的1/2（两个相电压之差的1/2），不参与换流相电感上的压降为零； 2。换流期间换流元件处输出点的电位等于参与换流的两相电压的算术平均值（两个相电压之和的1/2）； 3。换流期间的输出电压是不计时的输出电压减去换流电感上的电压值，或者说是换流前与换流后两个输出线电压的算术平均值（两

12、个线电压之和的1/2）。,（二）换流期间的电流,换流期间的换流电流是按余弦曲线规律变化的曲线，其波形如图2-24d）所示。,（三）换流角,换流过程所对应的时间用电角度表示，叫换流角,2.5.2 换流对整流电路的影响,（一）交流电感上的电压,式中 整流电路交流侧的等效内电抗。,（二）交流电感对输出电压平均值的影响,（三）交流电感对元件电流变化率的影响,（四）考虑交流侧电感后的元件电压,以晶闸管VT1为例，所受的电压在考虑交流侧电感后应为,2.6 有源逆变电路,把直流变换成交流的变换称之为逆变，实现逆変的电路及装置称逆変电路、逆変器 有源逆变是把直流电能所转换的交流电能输送给交流电网。 对既需在整

13、流状态工作又需在逆变状态工作的整流器可称之为整流/逆变变换器或笼统地称之为变换器。 ,2.6.1 有源逆变产生条件,（一）电源间能量传递的条件,当变换器进入有源逆变状态时，从能量传递的角度看是把直流侧的能量传送到交流电网中去，因此直流侧必须要有一个能量源，也即直流侧要有一个直流电源或等效的直流电源（如储能的电感线圈）。,（二）有源逆变条件,直流侧必须有一个直流电源。其电动势极性必须和变换器所允许的电流流动方向一致；在无特别的附加限流电阻的情况下，其电势值应小于变换器所能产生的最大负压的幅值（三相桥式为）。 变换器应是可输出负压的全控整流桥，且控制角能移到 的区域内。因为对于全控整流桥，若控制角

14、移相范围不够，移不到大于区域 中去时，则无法得到负电压；同样，对于半控桥或带有续流二极管的整流桥，即使 也无法得到负电压。 当上述两条同时满足，使电路投入工作，调节控制角大于 ，且使 略小于 时有源逆变就可正常工作。,2.6.2 三相桥式有源逆变电路,图2-28 三相桥式有源逆变电路a）原理电路 b） 时的工作波形 c）逆变颠覆时的输入波形,（一）工作原理,各元件的工作情况和整流状态时一样：在非换流期间，上、下元件组各有一个元件导通，在换流的期间内，电路中有三个元件导通。 电路每隔 出现一次元件换流，并 按的次序轮番进行。每个元件的导通角 。 由于控制角 ，其输出电压的平均值为负值，三相桥式全

15、控整流器运行在逆变工作，其 的波形如图2-28b)所示。,（二）输出电压的平均值,由上述情况可知，有源逆变电路的工作规律与整流时相同，当忽略换流过程时，其逆変器直流侧平均电压可以直接用式（2-44）求得,式中 为 时的输出电压平均值，也即可输出的最大直流电压。,考虑换流过程时，设换流区间为 ，输出电压的平均值：,（三）晶闸管电压,在逆变工作状态运行时，晶闸管端电压的波形如图2-28b）所示 。,2.7 电动势负载和电容性负载的整流电路,2.7.1 电动势负载的可控整流电路,(一) 时的工作情况,图2-31 三相桥式整流电路反电势负载 时的电路及波形,电流连续时输出电压的平均值及输出电流平均值分

16、别为,电流断续时，输出电压,电流断续时输出电压的平均值为,（二）,图2-32 三相桥式整流电路反电势负载 且 时的电路及波形,2.7.2 电容滤波的不控整流电路,图2-33 电容滤波、单相半波整流电路及其波形,（一）工作原理,设当 时合闸，使电路投入工作。合闸时电容两端的电压初始值 。合闸后，二极管VD导通，导通后电路的方程为,时，将过零而使VD关断，VD导通阶段结束。这时电容上的电压值记为，有,（二）滤波电容C对整流电路的影响,1对输出电压的影响,图2-33 电容滤波、单相半波整流电路及其波形,结论是，电容滤波的不控整流电路其输出电压平均值不是一个定数，它将随着RC的变化而变化。当电阻R减小（负载电流增大），或当电容容量C减小，则输出电压降低、电压波动加大。输出电压平均值的最大值是输出电压瞬时值的峰值，输出电压平均值的最小值是该电路在电阻负载情况下的输出电压平均值。输出电压