电力电子技术第3章_整流电路

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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,2/131,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。按控制原理可分为相

2、控整流和高频PWM整流（也叫斩控整流）。,3/131,本章首先讨论最基本最常用的几种可控整流电路，分析和研究其工作原理、基本数量关系以及负载性质对整流电路的影响。然后集中分析变压器漏抗对整流电路的影响。,对目前应用极其广泛的电容滤波的二极管不控整流电路，本章也详细讨论。,在上述分析讨论的基础上，对整流电路的谐波和功率因数进行分析。,应用于大功率场合的整流电路有其特点，本章也进行介绍。,最后介绍整流电路相位控制的实现。,4/131,学习整流电路的工作原理时，要根据电路中的开关器件通、断状态及交流电源电压波形和负载的性质，分析其输出直流电压、电路中各元器件的电压和电流波形。在重点掌握各种整流电路中

3、波形分析方法的基础上，得到整流输出电压与移相控制角之间的关系。,5/131,3.1 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,6/131,3.1.1 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（在工业生产中，很多负载呈现电阻特性，如电阻加热炉，电解、电镀装置等）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

4、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。,7/131,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：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，

5、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，简称相控方式。,3.1.1 单相半波可控整流电路,（3-1）,8/131,带阻感负载的工作情况（实际生产中，更常见的负载是既有电阻也有电感，当负载中感抗wLR，则负载主要呈现为电感，称为电感负载，例如电机的励磁绕组）电感对电流的变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势，其极性是阻止电流变化的，当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电

6、流减小。这使得流过电感的电流不能发生突变，这是阻感负载的特点，也是理解整流电路带阻感负载工作情况的关键之一。,9/131,10/131,11/131,3.1.1 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,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,这时交流电源一方面供给电阻消耗的能量，另一方面供给电感吸收的磁场能量。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。此后，电感中储存的能量逐渐释放，一方面供给电阻消耗的能量，另一方面

7、供给变压器二次绕组吸收的能量。 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，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。,wt2,12/131,3.1.1 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处于通态时，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) V

8、T处于关断状态 b) VT处于导通状态,13/131,3.1.1 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,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),式（3-4）为超越方程，可采用迭代法借助计算机求解,14/131,3.1.1 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

9、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,15/131,16/131,晶闸管触发信号的移相范围为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

10、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。实际上很少用这种电路。,17/131,3.1.2 单相桥式全控整流电路,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

11、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=,18/131,交流电源的正负半波都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。,一周期内，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。,19/131,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：=0时，Ud= Ud0=0.9U2。=180时，Ud=0。可见，角

12、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),20/131,晶闸管轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流的一半 ：,3.1.2 单相桥式全控整流电路,(3-11),21/131,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,(3-12),(3-13),(3-14),为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此要计算电流有效值,22/13

13、1,3.1.2 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 （假设电路已工作于稳态）触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用。假设负载电感很大，id连续且波形近似为一条水平线，如图3-6d所示。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

14、和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。,a),b),c),d),e),f),g),h),主意3-6h此处与3-5c的区别,23/131,3.1.2 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),24/131,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

15、，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),同时也表征了晶闸管可能导通的最小触发角度,25/131,3.1.2 单相桥式全控整流电路,为了使晶闸管可靠导通，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，要求触发脉冲的宽度必须大于-。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时间为0的情况，称为电流断续。,26/131,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。解释如下：电流平均值与电流波形的面积成正比。当导通角越小，电流波形底部就越窄，为保证相同电流平均值则峰值电流就越大，这就要求较多地降低反电动势。随着Id电流的增大，与反电动势成比例的转速降落更大，因此其机械特性较软。,