電力電子技術(shù)-整流電路

1、第4章 整流電路,整流電路的分類：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和半波電路。按輸入交流電源相數(shù)分為單相電路和多相電路。,整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。,4.1 整流器的性能指標(biāo),要求：,輸出的直流電壓大小可以控制；,輸出直流側(cè)電壓中的紋波和交流側(cè)電流的 紋波都必須限制在允許范圍之內(nèi)；,整流器的效率要高。

2、,性能指標(biāo)：,1.電壓紋波系數(shù) ：,UH為輸出電壓的交流紋波有效值,UD為輸出電壓的直流平均值,U為輸出電壓的有效值,2.電壓脈動(dòng)系數(shù)Sn：,Unm為n次諧波峰值,3.輸入電流總畸變率THD：,Isn為n次諧波電流有效值,除基波電流以外的所有諧波電流有效值與基波電流有效值之比。,4.2 單相相控整流電路,一、單相半波相控整流電路二、單相橋式相控整流電路三、單相橋式半控整流電路,一、單相半波相控整流電路,電阻性負(fù)載,◆變壓

3、器起變換電壓和隔離的作用，其一次側(cè)和二次側(cè)電壓瞬時(shí)值分別用u1和u2表示，有效值分別用U1和U2表示。 ◆電阻負(fù)載的特點(diǎn)是電壓與電流成正比，兩者波形相同。,◆晶閘管（開(kāi)關(guān)器件）為理想器件，即導(dǎo)通時(shí)其管壓降等于零，晶閘管阻斷時(shí)其漏電流等于零，除非特意研究晶閘管的開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程，一般認(rèn)為晶閘管的開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程瞬時(shí)完成,,一、單相半波相控整流電路,,,,,,,,Ud,,,,,,,,a,θ,θ,a,電阻性負(fù)載,,,a：控制角(移相角)

4、,θ：導(dǎo)通角,,id ，,,從晶閘管開(kāi)始承受正向電壓起到晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通的電角度,晶閘管一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的電角度,基本數(shù)量關(guān)系：,(3)整流輸出電壓有效值,(2)整流輸出電壓平均值,(1)晶閘管承受的最大電壓：,單相半波相控整流電路,移相范圍：使直流輸出電壓從最大至最小的控制角變化范圍： 0～ π,相位控制方式(相控方式)：通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式,(4)整流輸出電流的平均值Id

5、和有效值I,(5)變壓器二次側(cè)輸出的有功功率P、視在功率S和功率因數(shù)PF,當(dāng)α=0時(shí)，PF=0.707為最大值。,單相半波相控整流電路,2、阻感性負(fù)載,單相半波相控整流電路,◆阻感負(fù)載的特點(diǎn)是電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不能發(fā)生突變。,2、阻感性負(fù)載,ω,t,t,ω,ω,t,ω,t,ω,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,u,2,0,ω,t

6、,1,p,2p,t,u,g,0,u,d,0,i,d,0,u,T,0,q,a,b),c),d),e),f),+,+,-,,ωt2,,單相半波相控整流電路,◆電路分析 ?晶閘管T處于斷態(tài), id=0, ud=0, uT=u2。 ?在?t1時(shí)刻，即觸發(fā)角?處 √ud=u2 √L的存在使id不能突變，id從0開(kāi)始增加 ?u2由正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)處，id已經(jīng)處于減小的

7、過(guò)程中，但尚未降到零，因此T仍處于通態(tài) ??t2時(shí)刻，電感能量釋放完畢，id降至零，T關(guān)斷并立即承受反壓 ?由于電感的存在延遲了T的關(guān)斷時(shí)刻，使ud波形出現(xiàn)負(fù)的部分，與帶電阻負(fù)載時(shí)相比其平均值Ud下降,并聯(lián)續(xù)流二極管,晶閘管導(dǎo)通角：,續(xù)流二極管導(dǎo)通角：,單相半波相控整流電路,在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)二極管,當(dāng)u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，D導(dǎo)通，ud為零，此時(shí)為負(fù)的u2通過(guò)D向T施加反壓使其關(guān)斷，L儲(chǔ)存的能量保證了電

8、流id在L-R-D回路中流通，此過(guò)程稱為續(xù)流。,(1)晶閘管承受的最大電壓：,(2)整流輸出電壓平均值,(3)流過(guò)晶閘管的平均值和有效值,(4)流過(guò)續(xù)流二極管的平均值和有效值,基本數(shù)量關(guān)系：,單相半波相控整流電路,單相半波可控整流電路的特點(diǎn),移相范圍為180° 線路簡(jiǎn)單 輸出脈動(dòng)大 功率因數(shù)低,單相半波相控整流電路,,例：如圖所示是中小型同步發(fā)電機(jī)采用單相半波晶閘管自激恒壓激磁的原理圖。發(fā)電機(jī)相電壓為220V，要求激磁

9、電壓為49.5V。激磁線圈的電阻為4Ω，電感為0.2H，試決定晶閘管的導(dǎo)通角、流過(guò)晶閘管與續(xù)流二極管電流的平均值與有效值。,解：因ωL=314*0.2 Ω=62.8 Ω>>R=4 Ω, 所以為大電感負(fù)載，可看成電流波形平直。,因,故cosα=0，,α=90°，,θT =180°- 90°= 90°,故,二、單相橋式相控整流電路,1、電阻性負(fù)載,單相橋式相控整流電路,工

10、作原理,T1和T2組成一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷,T3和T3組成另一對(duì)橋臂，在u2 負(fù)半周承受電壓-u2 ，得到觸發(fā)脈沖導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)晶閘管承受的最大電壓：,(2)整流輸出電壓平均值,(3)整流輸出電壓有效值,(4)整流輸出電流的平均值Id和有效值I,單相橋式相控整流電路,(5)流過(guò)每個(gè)晶閘管的平均電流為輸出電流平均值的一半，即,(6)流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流有效值

11、為,(7)功率因數(shù),單相橋式相控整流電路,2、阻感性負(fù)載,導(dǎo)通角：180°，與α無(wú)關(guān),單相橋式相控整流電路,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)晶閘管承受的最大電壓：,(2)整流輸出電壓平均值,移相范圍：π/2,(3)整流輸出電壓有效值,(4)流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值,單相橋式相控整流電路,3、反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載,單相橋式相控整流電路,在|u2|>E時(shí)，晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。,導(dǎo)通之后，ud = u2 ，,至|u2|=E

12、時(shí)，id 即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud = E 。,3、反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載,：停止導(dǎo)通角,單相橋式相控整流電路,與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度δ 停止導(dǎo)電,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,(2)整流輸出電流平均值,單相橋式相控整流電路,三、單相橋式半控整流電路,阻感性負(fù)載,單相橋式半控整流電路,在u2正半周，u2經(jīng)T1和D2向負(fù)載供電。 u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由T1和D1續(xù)流。在u2

13、負(fù)半周觸發(fā)角α?xí)r刻觸發(fā)T2，T2導(dǎo)通，u2經(jīng)T2和D1向負(fù)載供電。u2過(guò)零變正時(shí)，D2導(dǎo)通，D1關(guān)斷。T2和D2續(xù)流，ud又為零。,晶閘管在觸發(fā)時(shí)刻被迫換流， 而二極管在電源電壓過(guò)零時(shí)自然換流； 由于自然續(xù)流，整流輸出電壓無(wú)負(fù)的部分， 與全控橋帶電阻負(fù)載相同； 流過(guò)晶閘管和二極管的電流均為180°方波，與控制角無(wú)關(guān)；交流側(cè)電流為正負(fù)對(duì)稱的方波,特點(diǎn)：,帶續(xù)流二極管,晶閘管、整流二極管導(dǎo)通角：,續(xù)流二極管導(dǎo)通

14、角：,單相橋式半控整流電路,u,續(xù)流二極管的作用,避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。 若無(wú)續(xù)流二極管，則當(dāng)α突然增大至180?或觸發(fā)脈沖丟失時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，其平均值保持恒定，稱為失控。有續(xù)流二極管VDR時(shí)，續(xù)流過(guò)程由VDR完成，避免了失控的現(xiàn)象。續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，有利于降低損耗。,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,(2)整流輸出電

15、壓有效值,(3)流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值,(4)流過(guò)續(xù)流二極管和有效值,單相橋式半控整流電路,例：有一大電感負(fù)載采用單相半控橋式有續(xù)流二極管的整流電路供電，負(fù)載電阻為5Ω，輸入電壓220V，晶閘管控制角α=60°，求流過(guò)晶閘管、二極管的電流平均值及有效值。,解： 整流輸出電壓平均值,負(fù)載電流平均值,故電流的平均值與有效值分別為,晶閘管及整流二極管每周期的導(dǎo)電角是,θ =180°- α = 120

16、6;,續(xù)流二極管每周期的導(dǎo)電角是,360°- 2θ = 120°,1、單相半波相控整流電路，電阻性負(fù)載，Rd=5Ω，由220V交流電源直接供電，要求輸出平均直流電壓為49.5V。 求晶閘管的控制角α、導(dǎo)通角θ、電源容量及功率因數(shù)，并取2倍安全裕量求晶閘管的額定電壓、額定電流。,作業(yè)：,2、單相橋式相控整流電路，阻感性負(fù)載，U2=220V， R=5Ω，L足夠大，α=60°時(shí)，求： 整流輸出平均

17、電壓Ud、整流輸出平均電流Id 、 變壓器二次電流有效值I2，并考慮2倍安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。,4.3 三相相控整流電路,一、三相半波相控整流電路二、三相橋式相控整流電路,交流測(cè)由三相電源供電。負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小、容易濾波。基本的是三相半波可控整流電路，三相橋式全控整流電路應(yīng)用最廣 。,4.3 三相相控整流電路,一、三相半波相控整流電路,1、電阻性負(fù)載,R,i,d,共陰極接法,自然換相點(diǎn)

18、：控制角 的起點(diǎn)。距相電壓波形過(guò)零點(diǎn)30°電角度,三相半波相控整流電路,是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角α的起點(diǎn)，即α =0?。,一、三相半波相控整流電路,1、電阻性負(fù)載,R,i,d,共陰極接法,自然換相點(diǎn)：控制角 的起點(diǎn)。距相電壓波形過(guò)零點(diǎn)30°電角度,三相半波相控整流電路,換向規(guī)律：陽(yáng)極電壓最高的器件導(dǎo)通,一、三相半波相控整流電路,1、電阻性負(fù)載,R,i,d,每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120&

19、#176;,三相半波相控整流電路,三相半波相控整流電路,R,i,d,三相半波相控整流電路,R,i,d,α =60° 時(shí)的特點(diǎn)：負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120?,α=30°時(shí)的特點(diǎn)：負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài),α30°：輸出電壓和電流波形將不再連續(xù)；α=150°：整流輸出電壓為零。 負(fù)載電壓波形是相電壓的一部分； 晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)所承受的電壓是線電壓 而不是相電壓

20、。 一周期脈波數(shù)：3,結(jié)論：,三相半波相控整流電路,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,移相范圍：150°,(2)負(fù)載電流平均值,(3)流過(guò)每個(gè)晶閘管的平均電流,(4)晶閘管承受的最大電壓：,三相半波相控整流電路,2、阻感性負(fù)載,a≤30?：整流電壓波 形與電阻負(fù)載時(shí)相同； a>30?：與電阻負(fù)載時(shí)不同。,接續(xù)流二極管,續(xù)流二極管,三相半波相控整流電路,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,移相范圍

21、：90°,(2)流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值,(3)晶閘管承受的最大電壓：,三相半波相控整流電路,接續(xù)流二極管：,基本數(shù)量關(guān)系：,ud的波形與純電阻性負(fù)載時(shí)一樣，可解決控制角接近90°時(shí)電感負(fù)載輸出電壓平均值接近零的問(wèn)題。,(1)流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值,(2)流過(guò)續(xù)流二極管的電流平均值和有效值,三相半波相控整流電路,已知三相半波可控整流電路帶大電感負(fù)載，工作在α=60°，負(fù)載電阻為2Ω，變

22、壓器二次相電壓200V，求不接續(xù)流管與接續(xù)流管兩種情況下的Id值，并考慮2倍安全裕量求晶閘管的額定電流。,作業(yè)：,二、三相橋式相控整流電路,共陰極組——陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）,共陽(yáng)極組——陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）,導(dǎo)通順序： VT1－VT2 －VT3－ VT4 －VT5－VT6,1、電阻性負(fù)載,三相橋式相控整流電路,三相橋式相控整流電路,晶閘管及輸出整流電壓的情況,三相橋式

23、相控整流電路,三相橋式相控整流電路,三相橋式相控整流電路,三相橋式相控整流電路,特點(diǎn)：,(1)每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)不同組的晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成供電回路，且不能為同一相的晶閘管；,(2)對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60?。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120?，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120?。同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5

24、與VT2，脈沖相差180?。,三相橋式相控整流電路,(3) Ud波形一周期脈動(dòng)6次,(4) 需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖,,雙窄脈沖觸發(fā)（常用）,寬脈沖觸發(fā),三相橋式相控整流電路,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,移相范圍：120°,(2)晶閘管承受的最大電壓：,三相橋式相控整流電路,2、阻感性負(fù)載,三相橋式相控整流電路,a≤60?：工作情況與電阻負(fù)載相似,三相橋式相控整流電路,a >60?：工作情況與電

25、阻負(fù)載時(shí)不同,三相橋式相控整流電路,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,,移相范圍：90°,(2)負(fù)載電流平均值,(3)流過(guò)晶閘管的電流平均值和有效值,三相橋式相控整流電路,(5)變壓器二次側(cè)電流有效值,(4)晶閘管承受的最大電壓：,三相橋式相控整流電路,4.5 相控整流電路的換相壓降,LB：把變壓器漏感和 交流回路其他電感 都折算到變壓器副側(cè)

26、 的漏感 。,換相重疊角γ：換相過(guò)程所對(duì)應(yīng)的電角度,整流電路的換相壓降,ik=ib是逐漸增大的， 而ia=Id-ik是逐漸減小的。當(dāng)ik增大到等于Id時(shí)，ia=0，VT1關(guān)斷,換流過(guò)程結(jié)束。,因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik。,,4.5 相控整流電路的換相壓降,LB：把變壓器漏感和 交流回路其他電感

27、 都折算到變壓器副側(cè) 的漏感 。,換相重疊角γ：換相過(guò)程所對(duì)應(yīng)的電角度,整流電路的換相壓降,換相壓降：,換相重疊角：,整流電路的換相壓降,,,,,,g 隨其它參數(shù)變化的規(guī)律： （1） Id越大則g 越大； （2） XB越大g 越大； （3） 當(dāng)a≤90?時(shí)，? 越小g 越大。,整流電路的換相壓降,變壓器漏感對(duì)整流電路影響的一些結(jié)論：,(1)出現(xiàn)

28、換相重疊角g ，整流輸出電壓平均值Ud降低。(2)整流電路的工作狀態(tài)增多。(3)晶閘管的di/dt 減小，有利于晶閘管的安全開(kāi)通。,整流電路的換相壓降,4.6 整流電路的諧波和功率因數(shù)分析,無(wú)功功率的危害：導(dǎo)致設(shè)備容量增加。使設(shè)備和線路的損耗增加。線路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動(dòng)。,諧波的危害：降低設(shè)備的效率。影響用電設(shè)備的正常工作。引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。對(duì)通

29、信系統(tǒng)造成干擾。,整流電路的諧波分析,一、 諧波和無(wú)功功率分析基礎(chǔ),1、諧波,正弦波電壓可表示為：,非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級(jí)數(shù)：,整流電路的諧波分析,基波：頻率與工頻相同的分量諧波：頻率為基波頻率整數(shù)倍(大于1)的分量諧波次數(shù)：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比,n次諧波電流含有率

30、 電流諧波總畸變率,整流電路的諧波分析,2、功率因數(shù),正弦電路：,有功功率,視在功率,功率因數(shù),非正弦電路(電壓為正弦波、電流為非正弦波)：,有功功率,功率因數(shù),整流電路的諧波分析,二、帶阻感負(fù)載的相控整流電路 諧波和功率因數(shù)分析,1、單相橋式相控整流電路,基波和各次諧波有效值：,n=1,3,5,…,整流電路的諧波分析,電流中僅含奇次諧波。各次諧波有效值與諧波次數(shù)

31、成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。,,,基波因數(shù)：,位移因數(shù)：,功率因數(shù)：,整流電路的諧波分析,2、三相橋式相控整流電路,電流有效值：,電流基波和各次諧波有效值：,整流電路的諧波分析,基波因數(shù)：,位移因數(shù)：,功率因數(shù)：,電流中僅含6k?1（k為正整數(shù)）諧波。各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。,,整流電路的諧波分析,4.7 整流電路的有源逆變工作狀態(tài),一、逆變的概念,1、什么是逆變,2、發(fā)

32、電機(jī)--電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn),有源逆變,a）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EG >EM b）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EM >EG c）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路,3、有源逆變的條件,有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向 一致，其值大于變流器直流側(cè)平均電壓。晶閘管的控制角? > /2，使Ud為負(fù)值。,有源逆變,二、三相半波有源逆變電路,逆變角的衡量：,時(shí)刻向左算起,輸出電壓平均值：,有源逆變,三、三相橋式

33、有源逆變電路,有源逆變,四、逆變顛覆與最小逆變角的限制,1、逆變失敗的原因,觸發(fā)電路工作不可靠，如脈沖丟失、脈沖延時(shí)等。晶閘管發(fā)生故障。交流電源缺相或突然消失。換相重疊角的影響,有源逆變,有源逆變,2、確定最小逆變角,d ——晶閘管的關(guān)斷時(shí)間折合的電角度,q ——安全裕量角,g —— 換相重疊角,有源逆變,三相半波電路，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載，R=1Ω，L足夠大，U2=220V，變壓器每相繞組折合到二次側(cè)的漏感L1=1mH, EM=

34、-400V，β=60°。若不考慮漏抗，畫出輸出電壓ud的波形，并計(jì)算輸出電壓平均值Ud、輸出電流平均值Id；若考慮漏抗，求出換相重疊角 g 。,作業(yè)：,4.8 晶閘管相控電路的驅(qū)動(dòng)控制,一、觸發(fā)電路要求,1、采用脈沖觸發(fā)信號(hào)；,2、觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率；,3、觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖前沿盡可能陡；,4、觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓同步； 并滿足移相范圍的要求。,二、同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路,1、鋸齒波形成