电力电子技术及实验教学课件第3章整流电路

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1、第3章 整流电路,任课教师：,第3章 整流电路引言,整流电路的分类： 按组成的器件分：不可控、半控、全控三种。 按电路结构分：桥式电路和零式电路。 按交流输入相数分：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：单拍电路和双拍电路。,整流电路： 将交流电变为直流电。,3.1 单相可控整流电路,3.1.1 单相半波可控整流电路 1.带电阻负载的工作情况 （1）电路工作原理分析： （2）输出电压的特点： 极性不变但瞬时值变 化的脉动直流。只在u2 的正半周出现，称“半 波”整流。 (3)术语概念： 触发角：控制角或触发延迟角 导通角： 移相范围：,3.1.1 单相半波可控整流电路,

2、1.带电阻负载工作情况 （4）基本数量关系： 触发角和导通角的关系： += 输出电压平均值：,3.1.1 单相半波可控整流电路电阻负载,输出电压的有效值： 直流输出平均电流： 直流电流有效值：,3.1.1 单相半波可控整流电路电阻负载,（5）电路特点： 移相范围：0180 相位控制方式： （6）晶闸管所承受的最大 正向电压和最大反向电压： 电源电压的峰值。,3.1.1 单相半波可控整流电路,2.带阻感负载工作情况 （1）阻感性负载的特点： （2）电路工作原理分析： （3）输出电压的特点：,图2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形,3.1.1 单相半波可控整流电路,电力电子电路的基本分析方法

3、 把器件理想化，忽略器件的开通和关断过程，电力电子器件只工作在通态或断态。 器件看做理想开关，通态时认为开关闭合，其阻抗为零，断态时认为开关断开，其阻抗为无穷大。 以前述单相半波电路为例,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,3.1.1 单相半波可控整流电路,当VT处于通态时，如下方程成立：,代入初始条件：t= a ，id=0解得：,当t=+a 时，id=0，代入上式并整理得,3.1.1 单相半波可控整流电路,阻抗角、控制角、导通角的关系,输出电压随的变化情况,3.1.1 单相半波可控整流电路,3.带阻感性负载有续流二极管工作情况,

4、图3-4 单相半波带阻感负载 有续流二极管的电路及波形,（1）电路工作原理分析： 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。,3.1.1 单相半波可控整流电路,图2-4 单相半波带阻感负载 有续流二极管的电路及波形,（2）基本数量关系：,3.1.1 单相半波可控整流电路,图3-4 单相半波带阻感负载 有续流二极管的电路及波形,（3）移相范围： （4）晶闸管承受的最大正向电压和最大反向电压： （5）续流二极管承受的最大正向电压和反向电压: （6）单相半波可控整流电路的特点：,结构简单，输出脉动大，变压器二

5、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。,输出电压随的变化情况,3.1.2 单相桥式全控整流电路,1.带电阻负载的工作情况,a),图3-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,（1）工作原理及波形分析 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正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,（2）基本数量关系,a 角的移相范围为0180。,向负载输出的平均电流值为：,流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：,3.1.

6、2 单相桥式全控整流电路,向负载输出的电压平均值为：,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：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。,3.1.2 单相桥式全控整流电路,（3）晶闸管承受的最大正向电压和最大反向电压,3.1.2 单相桥式全控整流电路,（4）电路特点： 在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，为全波整流，在电源电压的一个周期内，整流电压波形脉动2次，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，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率高。,输出电压随的变化情况,输出电压随的变化情

7、况,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，亦称换流。,3.1.2 单相桥式全控整流电路,数量关系,晶闸管移相范围为090。,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

8、管承受的最大正反向电压均为 。,3.1.2 单相桥式全控整流电路,3.带反电动势负载时的工作情况,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,在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。,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 。,3.1.2 单相桥式全控整流电路,3.带反电动势负载时的工作情况,在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,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）,3.1.2 单相桥式全控整流电路,3.1.2 单相桥式全控整流电路,当 d时，触发脉冲到来时，晶闸

9、管承受负电压，不可能导通。,图3-7b 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,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。,如图3-7b所示id波形所示：,电流连续,3.1.2 单相桥式全控整流电路,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 。,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。,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：,3.1.3 单相全波可控整流电路,又

10、称单相双半波可控整流电路,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。,图3-9 单相全波可控整流电路及波形,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。,3.1.4 单相桥式半控整流电路,电路结构 单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶

11、闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。 即成为单相桥式半控整流电路。,电阻负载 半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。,3.1.4 单相桥式半控整流电路,单相半控桥带阻感负载的情况,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。,失控现象：,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

12、为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控。,3.1.4 单相桥式半控整流电路,续流二极管的作用,有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。 续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。,例1：单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50 V，直流输出平均电流为20A 试计算：(1) 晶闸管的控制角。(2) 输出电流有效值。(3) 晶闸管的额定电压和额定电流。,解：（1） ，=90 （2） 当=90时，输出电流有效值： （3）晶闸管电流有效值IT 与输出电流有效值相等，即： ,则 取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为IT(AV)=56.6

13、A。 （4）晶闸管承受的最高电压为 ，考虑（2- 3）倍安全裕量，晶闸管的额定电压为：,例1：单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50 V，直流输出平均电流为20A 试计算：(1) 晶闸管的控制角。(2) 输出电流有效值。(3) 晶闸管的额定电压和额定电流。,3.2 三相可控整流电路,用在整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小的场合。 3.2.1 三相半波可控整流电路 1.电阻负载,图3-12 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,3.2.1 三相半波可控整流电路电阻负载,（1）自然换相点（=0）： 把电路中所有的可控元件用

14、不可控元件代替时，各元件的导电转换点，又称自然换相点。,3.2.1 三相半波可控整流电路电阻负载,（2）=0时工作情况 在三相半波可控整流电路中，自然换相点就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的起点，即=0。要改变触发角只能是在此基础上增大，即沿时间轴向右移动。,3.2.1 三相半波可控整流电路电阻负载,（3）=30时工作情况,从波形可以看出， =30各相导通时输出电压和电流处于连续和断续的临界点。,3.2.1 三相半波可控整流电路电阻负载,（3）=60时工作情况,3.2.1 三相半波可控整流电路电阻负载,（4）=90时工作情况,3.2.1 三相半波可控整流电路电阻负

15、载,（5）=120和150时工作情况,随着角的增大，输出电压逐渐减小，直到=150 时，输出电压为零，所以三相半波可控整流电路带电阻性负载的移相范围是：0150,1）输出电压平均值Ud =30是ud波形连续和断续的分界点。分两种情况： 30时，负载电流连续，有： 当=0时， Ud= Ud0 =1.17U2达到最大值。,3.2.1 三相半波可控整流电路电阻负载,（6）基本数量关系,30时，负载电流断续，每个晶闸管的导通角为： 当=150时， Ud =0,3.2.1 三相半波可控整流电路电阻负载,（6）基本数量关系,2）输出电流平均值Id： 晶闸管电流平均值IdT： 晶闸管电流有效值IT： 30时 30时,3.2.1 三相半波可控整流电路电阻负载,（6）基本数量关系,3.2.1 三相半波可控整流电路电阻负载,3）晶闸管承受的最大正、反向电压： 晶闸管承受的最大反压为线电压的峰值即： 晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压ud，其最小值为零，晶闸管阳极与零线间的最高电压等于变压器二次相电压的峰值，因此晶闸管所承受的最大正向电压为变压器二次侧相点压的峰值，即：,3.2.1 三相半波可控整流电路,2.阻感负载 假设L值很大，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。 （1）当30时 直流电压波形与电阻负载时相同，只是电流波形不同。,3.2.1 三