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1、1,第二章 可控整流及有源逆变电路,2,本章主要内容,单相可控整流电路 三相可控整流电路 变压器漏感对整流电路的影响 电容滤波的不可控整流电路 整流电路的有源逆变工作状态 整流电路的谐波和功率因数,3,传统电力技术如何将交流电变为直流电？交流机组实现电力变换。,2.1 概述,4,整流电路的定义：一种把交流电源电压转换成所需的直流电压的一种电路。出现最早的电力电子电路。,整流电路的性能指标： 直流输出电压的平均值 直流输出中的交流分量 功率因数 网侧谐波电流等,2.1 概述,5,按电路结构分 半波电路：每根电源进线流过单向电流，又称为零式电路或单拍电路。 全波电路：每根电源进线流过双向电流，又称
2、为桥式电路或双拍电路。 按电源相数分类 单相电路：单脉波或双脉波 三相电路：三脉波或六脉波 多相电路：多脉波 按电路的工作范围分类 单象限电路 多象限电路,整流电路的分类,6,按电路控制特点分类 不可控电路：电路的直流输出电压平均值同交流电源电压的比值固定不变，且功率流向只能由电源流向负载，为单向变流器。这种电路的控制器件一般是二极管。 半控电路：电路的直流输出电压平均值与交流电源电 压的比值可以改变，但功率流向仍为单向，只能由电源侧流向负载侧。这种电路的控制器件一般是晶闸管和二极管同时存在。 全控电路：电路的直流输出电压值可以改变，且功率 流向是双向的。全控整流电路中控制器件主要为晶闸管,整
3、流电路的分类,7,2.2 单相可控整流电路,整流电路形式 单相半波可控整流电路 单相桥式全控整流电路 单相全波可控整流电路 单相桥式半控整流电路 负载形式：阻性负载，阻感负载，反电动势负载,8,2.2.1单相半波可控整流电路,(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier),假定：开关器件为理想器件，不考虑变压器漏抗对电路的影响 。 电路的工作状态 阻性负载 感性负载 反电动势负载,9,单相半波可控整流电路阻性负载,变压器的作用 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。 注意：输出电压和电流波形，晶闸管承受的电压波形,10,单相半波可控整流电路
4、阻性负载,波形分析 电源电压一个周期中，负载上得到脉动的直流电压，脉动频率与电源频率一致，故此电路是单脉波整流电路（若整流输出电压的脉动频率是电源频率的二、三或六倍，则分别称为二脉波、三脉波或六脉波电路）。 电路只在交流电源电压的正半周内整流，电源进线电流为单方向，又称为半波可控整流电路。,11,单相半波可控整流电路阻性负载,几个基本概念： 触发延迟角a 导 通角 移相：改变触发角的大小，即改变触发脉冲电压出现的相位。,12,单相半波可控整流电路阻性负载,同步：要使整流输出电压稳定，则要求每个周期中触发角都相同，所以要求触发脉冲信号与电源电压在频率和相位上要协调配合，这种相互协调配合的关系，称
5、之为同步。,移相范围：触发角 从 开始到最大触发电角度的区间称为移相范围。,几个基本概念：,13,单相半波可控整流电路阻性负载,a 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。,基本数量关系,直流输出电压平均值为,14,单相半波可控整流电路阻性负载,基本数量关系,负载电流有效值,负载电流平均值,整流输出电压有效值,15,单相半波可控整流电路阻性负载,基本数量关系,负载电流波形系数,整流变压器二次电流有效值,16,单相半波可控整流电路阻性负载,晶闸管电流有效值,基本数量关系,晶闸管选用： a） 有效值相等的原则，并考虑一定裕量。 b） 考
6、虑散热，选择与之相应的散热器。,晶闸管电流平均值,17,单相半波可控整流电路阻性负载,晶闸管承受的最大正向和反向电压,基本数量关系,整流电路的功率因数,18,例21. 单相半波可控整流电路，电阻性负载，不经整流变压器直接与220V交流电源相接，要求输出的直流平均电压为85V，最大输出直流平均电流为20A，求此电路中 、R、U、I2、IT、IdT和 ，并选择晶闸管（考虑2倍裕量）。,解：1. 已知 ,根据公式,2. 已知 ， ，可计算负载电阻,单相半波可控整流电路阻性负载,3. 整流输出电压有效值,19,4. 交流侧电流有效值,单相半波可控整流电路阻性负载,5. 流过晶闸管的电流有效值和平均值,
7、晶闸管电流定额，应选额定电流为50A的晶闸管；,6. 功率因数,7. 选择晶闸管定额,晶闸管的电压定额，应选额定电压为700V左右的晶闸管。,20,单相半波可控整流电路感性负载,当负载的感抗（ ）与电阻R相比不可 忽略时称为感性负载，例如各种电机的励磁绕 组、电磁铁线圈等。 电感存在对电路的影响：对电流的变化起抗拒作用，流过电感器件的电流不能突变，当电感中电流增加时，电感产生一自感电势阻止电流增加，而当电感中电流减小时，自感电势又将阻止电流的减小。,21,单相半波可控整流电路感性负载,讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。,波形分析 由于电感的存在，使晶闸管导通角度加大，其大小与负载
8、电感大小有关。 输出电压波形中出现负值，输出电压减小。,22,单相半波可控整流电路感性负载,单相半波可控整流电路带大电感负载，输出直流电压总是很小，平均电流也很小。所以此电路是无法使用的。 为了解决这个问题，通常是在整流电路的负载两端并联一个硅整流二极管DR，称为续流二极管。,23,单相半波可控整流电路感性负载,带续流二极管电路,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。,24,若晶闸管触发角为 ，则导通角为 ，续流二极管导通角即为 。,单相半波可控整流电路感性负载,带续流二极管电路,整流输出电压平均值
9、,25,单相半波可控整流电路感性负载,带续流二极管电路,晶闸管电流平均值,续流二极管的电流平均值,26,晶闸管可能承受的最大正、反向电压均为 ，续流二极管可能承受的最大反向电压也为 。,单相半波可控整流电路感性负载,晶闸管电流有效值,续流二极管电流有效值,带续流二极管电路,27,当整流电路接大电感负载时，由于晶闸 管触发导通瞬间，电流从零开始缓慢上升，如 触发脉冲宽度不够，有可能发生电流未上升到 晶闸管擎住电流，触发脉冲就已消失的情况， 使晶闸管在触发脉冲消失后又恢复正向阻断状 态，所以要求触发脉冲有足够的宽度。,单相半波可控整流电路感性负载,28,VT移相范围为180。 简单，但输出脉动大，
10、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，需加大铁芯的截面积，所以设备容量大。 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,29,2.2.2 单相桥式全控整流电路-阻性负载,Single Phase Bridge Contrelled Rectifier,工作原理及波形分析 VT1、VT4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、VT3在u2负半周承受电压-u2，即正向阳极电压，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,电路结构,30,2.2.2 单相桥式全控整流电路-阻性
11、负载,结论： 电路在交流电压的正、负半周都能实现整流，为全波可控整流电路。 又由于输出整流电压在一个周期内脉动两次，又称为双脉波整流电路。其输出整流电压脉动程度比半波整流电路要小。 变压器二次侧绕组中不存在单相半波整流电路中的直流磁化现象，变压器利用率较高。,31,电路移相范围是 。,单相桥式全控整流电路-阻性负载,数量关系,整流输出电压平均值 是单相半波整流电路的2倍。,32,单相桥式全控整流电路-阻性负载,数量关系,负载平均电流值,晶闸管电流平均值 晶闸管承受的最大正向电压 为电源电压峰值的一半，最 大反向电压为电源电压峰值。,33,晶闸管电流有效值,变压器二次测电流有效值I2,单相桥式全
12、控整流电路-阻性负载,数量关系,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2,34,例22. 单相全控桥式整流电路，阻性负载，要求输出直流电压 连续可调，负载平均电流恒定为20A，晶闸管最小触发角限制为 ，计算变压器二次侧电压、电流值，估算其容量以及晶闸管导通角的变化范围并选择晶闸管。,单相桥式全控整流电路-阻性负载举例,解题思路： 1.本题给出了输出电压调节范围和最小触发角，需要注意的是最小触发角对应最大输出电压。 2.负载电流恒定，即最低电压时同样需要输出直流电流20A，而最低电压对应最大触发角，此时晶闸管导通时间很短，显然，平均值一定情况下，晶闸管导通角小其电流有效值大，而变压器
13、容量应该考虑最高电压和最大电流情况。,35,例22. 单相全控桥式整流电路，阻性负载，要求输出直流电压 连续可调，负载平均电流恒定为20A，晶闸管最小触发角限制为 ，计算变压器二次侧电压、电流值，估算其容量以及晶闸管导通角的变化范围并选择晶闸管。,单相桥式全控整流电路-阻性负载举例,解：1. 已知,对应的,所以,36,晶闸管导通角的变化范围为,当 一定时， 越大，所需 越大， 时有,2. 在整个可调电压范围内， 恒为20A，考虑严重情 况，即在 时，电路仍能输出20A电流，据此可求出最大触发角,所以变压器二次侧绕组的电流为,单相桥式全控整流电路-阻性负载举例,37,本题中应注意，若按 计算，则
14、变压器二次侧绕组中电流 ，较上面的42.8A小得多，据此计算的变压器容量偏小，显然无法满足运行要求。,单相桥式全控整流电路-阻性负载举例,3. 变压器容量估算,38,晶闸管承受的最大反向电压为 若考虑2倍裕量为338V，则可选取型号为KP50-5的晶闸管，其通态平均电流为50A，正向重复峰值电压为5级（500V）。,单相桥式全控整流电路-阻性负载举例,4. 选择晶闸管 流过晶闸管的电流有效值,所以，考虑2倍裕量时晶闸管额定电流,39,单相桥式全控整流电路-感性负载,假设电路稳态，id的平均值不变。 假设负载电感很大，id连续且近似为一水平线。,40,单相桥式全控整流电路-感性负载,u2过零变负
15、时，VT1和VT4不关断。 t=+a ，VT1和VT4关断，VT2和VT3导通。 VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1、VT4的电流迅速转移到VT2、VT3上，此过程称换相，亦称换流。,41,单相桥式全控整流电路-感性负载,数量关系,晶闸管移相范围为90。,晶闸管承受的最大正反向电压均为 。,整流输出电压为,42,单相桥式全控整流电路-感性负载,与a无关，为180。 晶闸管电流：,变压器二次电流：,数量关系,43,单相桥式全控整流电路-感性负载,电感不足够大，负载电流断续。 负载电压 最小电感,数量关系,44,单相桥式全控整流电路-感性负载,结论：可提高输出电压。为什么？,带续流二极管电路,45,单相桥式全控整流电路-带反电动势负载,在|u2|E时，晶闸管承有导通可能。,Electro-motive-force (EMF) load,46,单相桥式全控整流电路-带反电动势负载,晶闸管导通后，有,|u2|=E，id降至0使晶闸管关断，则,47,单相桥式全控整流电路-带反电动势负载,结论：相同a 角时，整流输出电压比电阻负载时大。,与电阻负载时比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。,48,单相桥式全控整流电路-带反电动势负载,结论：相同a 角时，整流输出电压比电阻负载时大。,晶闸管导通角 输出电压,49,单相桥式全控整流电路-带反电
