電力電子技術-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。按電路結構可分為橋式電路和半波電路。按輸入交流電源相數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直流用電設備。,4.1 整流器的性能指標,要求：,輸出的直流電壓大小可以控制；,輸出直流側電壓中的紋波和交流側電流的 紋波都必須限制在允許范圍之內；,整流器的效率要高。

2、,性能指標：,1.電壓紋波系數 ：,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.電壓脈動系數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,電阻性負載,◆變壓

3、器起變換電壓和隔離的作用，其一次側和二次側電壓瞬時值分別用u1和u2表示，有效值分別用U1和U2表示。 ◆電阻負載的特點是電壓與電流成正比，兩者波形相同。,◆晶閘管（開關器件）為理想器件，即導通時其管壓降等于零，晶閘管阻斷時其漏電流等于零，除非特意研究晶閘管的開通、關斷過程，一般認為晶閘管的開通與關斷過程瞬時完成,,一、單相半波相控整流電路,,,,,,,,Ud,,,,,,,,a,θ,θ,a,電阻性負載,,,a：控制角(移相角)

4、,θ：導通角,,id ，,,從晶閘管開始承受正向電壓起到晶閘管被觸發(fā)導通的電角度,晶閘管一個周期內導通的電角度,基本數量關系：,(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)：通過控制觸發(fā)脈沖的相位來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)變壓器二次側輸出的有功功率P、視在功率S和功率因數PF,當α=0時，PF=0.707為最大值。,單相半波相控整流電路,2、阻感性負載,單相半波相控整流電路,◆阻感負載的特點是電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不能發(fā)生突變。,2、阻感性負載,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時刻，即觸發(fā)角?處 √ud=u2 √L的存在使id不能突變，id從0開始增加 ?u2由正變負的過零點處，id已經處于減小的

7、過程中，但尚未降到零，因此T仍處于通態(tài) ??t2時刻，電感能量釋放完畢，id降至零，T關斷并立即承受反壓 ?由于電感的存在延遲了T的關斷時刻，使ud波形出現(xiàn)負的部分，與帶電阻負載時相比其平均值Ud下降,并聯(lián)續(xù)流二極管,晶閘管導通角：,續(xù)流二極管導通角：,單相半波相控整流電路,在整流電路的負載兩端并聯(lián)一個二極管,當u2過零變負時，D導通，ud為零，此時為負的u2通過D向T施加反壓使其關斷，L儲存的能量保證了電

8、流id在L-R-D回路中流通，此過程稱為續(xù)流。,(1)晶閘管承受的最大電壓：,(2)整流輸出電壓平均值,(3)流過晶閘管的平均值和有效值,(4)流過續(xù)流二極管的平均值和有效值,基本數量關系：,單相半波相控整流電路,單相半波可控整流電路的特點,移相范圍為180° 線路簡單 輸出脈動大 功率因數低,單相半波相控整流電路,,例：如圖所示是中小型同步發(fā)電機采用單相半波晶閘管自激恒壓激磁的原理圖。發(fā)電機相電壓為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，試決定晶閘管的導通角、流過晶閘管與續(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、電阻性負載,單相橋式相控整流電路,工

10、作原理,T1和T2組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖導通，當u2過零時關斷,T3和T3組成另一對橋臂，在u2 負半周承受電壓-u2 ，得到觸發(fā)脈沖導通，當u2過零時關斷,基本數量關系：,(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)流過每個晶閘管的平均電流為輸出電流平均值的一半，即,(6)流過每個晶閘管的電流有效值

11、為,(7)功率因數,單相橋式相控整流電路,2、阻感性負載,導通角：180°，與α無關,單相橋式相控整流電路,基本數量關系：,(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)流過每個晶閘管的電流平均值和有效值,單相橋式相控整流電路,3、反電動勢負載,單相橋式相控整流電路,在|u2|>E時，晶閘管承受正電壓，有導通的可能。,導通之后，ud = u2 ，,至|u2|=E

12、時，id 即降至0使得晶閘管關斷，此后ud = E 。,3、反電動勢負載,：停止導通角,單相橋式相控整流電路,與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度δ 停止導電,基本數量關系：,(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,阻感性負載,單相橋式半控整流電路,在u2正半周，u2經T1和D2向負載供電。 u2過零變負時，因電感作用電流不再流經變壓器二次繞組，而是由T1和D1續(xù)流。在u2

13、負半周觸發(fā)角α時刻觸發(fā)T2，T2導通，u2經T2和D1向負載供電。u2過零變正時，D2導通，D1關斷。T2和D2續(xù)流，ud又為零。,晶閘管在觸發(fā)時刻被迫換流， 而二極管在電源電壓過零時自然換流； 由于自然續(xù)流，整流輸出電壓無負的部分， 與全控橋帶電阻負載相同； 流過晶閘管和二極管的電流均為180°方波，與控制角無關；交流側電流為正負對稱的方波,特點：,帶續(xù)流二極管,晶閘管、整流二極管導通角：,續(xù)流二極管導通

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。 若無續(xù)流二極管，則當α突然增大至180?或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導通而兩個二極管輪流導通的情況，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，續(xù)流過程由VDR完成，避免了失控的現(xiàn)象。續(xù)流期間導電回路中只有一個管壓降，有利于降低損耗。,基本數量關系：,(1)整流輸出電壓平均值,(2)整流輸出電

15、壓有效值,(3)流過每個晶閘管的電流平均值和有效值,(4)流過續(xù)流二極管和有效值,單相橋式半控整流電路,例：有一大電感負載采用單相半控橋式有續(xù)流二極管的整流電路供電，負載電阻為5Ω，輸入電壓220V，晶閘管控制角α=60°，求流過晶閘管、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電角是,θ =180°- α = 120

16、6;,續(xù)流二極管每周期的導電角是,360°- 2θ = 120°,1、單相半波相控整流電路，電阻性負載，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、導通角θ、電源容量及功率因數，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，阻感性負載，U2=220V， R=5Ω，L足夠大，α=60°時，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,交流測由三相電源供電。負載容量較大，或要求直流電壓脈動較小、容易濾波?；镜氖侨喟氩煽卣麟娐?，三相橋式全控整流電路應用最廣 。,4.3 三相相控整流電路,一、三相半波相控整流電路,1、電阻性負載,R,i,d,共陰極接法,自然換相點

18、：控制角 的起點。距相電壓波形過零點30°電角度,三相半波相控整流電路,是各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發(fā)角α的起點，即α =0?。,一、三相半波相控整流電路,1、電阻性負載,R,i,d,共陰極接法,自然換相點：控制角 的起點。距相電壓波形過零點30°電角度,三相半波相控整流電路,換向規(guī)律：陽極電壓最高的器件導通,一、三相半波相控整流電路,1、電阻性負載,R,i,d,每個晶閘管導通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° 時的特點：負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角小于120?,α=30°時的特點：負載電流處于連續(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。 負載電壓波形是相電壓的一部分； 晶閘管處于截止狀態(tài)時所承受的電壓是線電壓 而不是相電壓

20、。 一周期脈波數：3,結論：,三相半波相控整流電路,基本數量關系：,(1)整流輸出電壓平均值,移相范圍：150°,(2)負載電流平均值,(3)流過每個晶閘管的平均電流,(4)晶閘管承受的最大電壓：,三相半波相控整流電路,2、阻感性負載,a≤30?：整流電壓波 形與電阻負載時相同； a>30?：與電阻負載時不同。,接續(xù)流二極管,續(xù)流二極管,三相半波相控整流電路,基本數量關系：,(1)整流輸出電壓平均值,移相范圍

21、：90°,(2)流過每個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：,基本數量關系：,ud的波形與純電阻性負載時一樣，可解決控制角接近90°時電感負載輸出電壓平均值接近零的問題。,(1)流過每個晶閘管的電流平均值和有效值,(2)流過續(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載，工作在α=60°，負載電阻為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個晶閘管（VT1，VT3，VT5）,共陽極組——陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）,導通順序： VT1－VT2 －VT3－ VT4 －VT5－VT6,1、電阻性負載,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：,(1)每個時刻均需2個不同組的晶閘管同時導通，形成供電回路，且不能為同一相的晶閘管；,(2)對觸發(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?，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120?。同一相的上下兩個橋臂，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6次,(4) 需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖,,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,基本數量關系：,(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、阻感性負載,三相橋式相控整流電路,a≤60?：工作情況與電阻負載相似,三相橋式相控整流電路,a >60?：工作情況與電

25、阻負載時不同,三相橋式相控整流電路,基本數量關系：,(1)整流輸出電壓平均值,,移相范圍：90°,(2)負載電流平均值,(3)流過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

26、 的漏感 。,換相重疊角γ：換相過程所對應的電角度,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ik增大到等于Id時，ia=0，VT1關斷,換流過程結束。,因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時導通，相當于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產生環(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 的漏感 。,換相重疊角γ：換相過程所對應的電角度,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 隨其它參數變化的規(guī)律： （1） Id越大則g 越大； （2） XB越大g 越大； （3） 當a≤90?時，? 越小g 越大。,整流電路的換相壓降,變壓器漏感對整流電路影響的一些結論：,(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通。,整流電路的換相壓降,4.6 整流電路的諧波和功率因數分析,無功功率的危害：導致設備容量增加。使設備和線路的損耗增加。線路壓降增大，沖擊性負載使電壓劇烈波動。,諧波的危害：降低設備的效率。影響用電設備的正常工作。引起電網局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。導致繼電保護和自動裝置的誤動作。對通

29、信系統(tǒng)造成干擾。,整流電路的諧波分析,一、 諧波和無功功率分析基礎,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，可分解為傅里葉級數：,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倍(大于1)的分量諧波次數：諧波頻率和基波頻率的整數比,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,正弦電路：,有功功率,視在功率,功率因數,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,整流電路的諧波分析,二、帶阻感負載的相控整流電路 諧波和功率因數分析,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

31、成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。,,,基波因數：,位移因數：,功率因數：,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：,位移因數：,功率因數：,電流中僅含6k?1（k為正整數）諧波。各次諧波有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。,,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--電動機系統(tǒng)電能的流轉,有源逆變,a）兩電動勢同極性EG >EM b）兩電動勢同極性EM >EG c）兩電動勢反極性，形成短路,3、有源逆變的條件,有直流電動勢，其極性和晶閘管導通方向 一致，其值大于變流器直流側平均電壓。晶閘管的控制角? > /2，使Ud為負值。,有源逆變,二、三相半波有源逆變電路,逆變角的衡量：,時刻向左算起,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 ——晶閘管的關斷時間折合的電角度,q ——安全裕量角,g —— 換相重疊角,有源逆變,三相半波電路，反電動勢阻感負載，R=1Ω，L足夠大，U2=220V，變壓器每相繞組折合到二次側的漏感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動控制,一、觸發(fā)電路要求,1、采用脈沖觸發(fā)信號；,2、觸發(fā)信號應有足夠的功率；,3、觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖前沿盡可能陡；,4、觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步； 并滿足移相范圍的要求。,二、同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路,1、鋸齒波形成