《电力电子技术》第五版第3章整流电路正.ppt

,1.1 单相可控整流电路1.2 三相可控整流电路1.3整流电路的谐波和功率因数 1.4 整流电路的有源逆变工作状态整流电路（Rectifier）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。1.1 单相可控整流电路1.1.1 单相半波可控整流电路1.1.2 单相桥式全控整流电路1.1.3 单相全波可控整流电路1.1.4 单相桥式半控整流电路1.1.1 单相半波可控整流电路重点注意：工作原理（波形分析）、定量计算、不同负载的影响。交流侧接单相电源,变压器T起变换电压和隔离的作用。,一、电阻性负载 1、工作原理及波形分析,特点：电压与电流成正比，两者波形相同,图1-1 单相半波可控整流电路及波形,2、几个重要的基本概念1）自然换相点：元件开始承受正向电压的时刻。2）控制角：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，也称触发延迟角。3）导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度。特点：+=4）触发脉冲移相范围：ud 从最大到0变化时，变化范围。5）同步：脉冲与晶闸管的阳极电压在相位和频率的配合关系。6）整流输出电压为平均值。,3、基本数量关系1)直流输出电压平均值、电流平均值,=0 Ud=0.45 U2，=180 Ud=0 移相范围为0 180,2)直流输出电压有效值U、电流有效值I,当=0 说明谐波严重。,3)功率因数与的关系,=0 cos=0.707，=180 cos=0说明：虽然是纯电阻负载，由于谐波的存在，即使=0，cos 1。,二、阻感性负载1、工作原理及波形分析特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。电感使电流波形平滑（滤波作用）。,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。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。,t2,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。,t2,三、加接续流二极管，提高Ud1）在整流电路的负载两端并联一个二极管，称为续流二极管，用VDR表示。2）VDR的工作情况当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。,a）,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。,图3-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,加接VDR后，整流电压波形与纯电阻负载时相同。电流波形变平，若L足够大，id连续，且id波形接近一条水平线。,3）整流电压和电流,4）基本数量关系 流过晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT,续流二极管的电流平均值IdDR和有效值IDR,其移相范围为0 180，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：结构简单，输出电压低，脉动大，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。,1.1.2 单相桥式全控整流电路一、电阻性负载1、工作原理及波形分析在u2为正半周，VT1和VT4经触发导通，电流id从aVT1RVT4ba。在u2为负半周，VT2和VT3经触发导通，电流id从b VT3RVT2 a b。,a),u,(,i,),p,w,t,w,t,w,t,0,0,0,i,2,u,d,i,d,b),c),d),d,d,a,a,u,VT,1,4,图3-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,VT2和VT3的=0处为t=,2、基本数量关系晶闸管承受的最大正向电压 反向电压 整流电压平均值、电流平均值,=0 时，Ud=0.9U2。=180时，Ud=0。角的移相范围为0 180。,晶闸管电流平均值IdT、电流有效值IT,负载电压有效值U、电流有效值I,=0，cos=1,变压器二次侧电流有效值I2、功率因数,变压器得到充分利用，无直流磁化，体积小。在一个周期内有二个整流波头，比单相半波脉动小。cos 高，IT小。,优点,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,二、阻感性负载1、工作原理及波形分析,在u2正半周期 触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。负载电感很大，id不能突变且波形近似为一条水平线。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，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，此过程称为换相（换流）。,2、基本数量关系,整流电压平均值,当=0 时，Ud0=0.9U2。=90时，Ud=0。移相范围为0 90,晶闸管承受的最大正反向电压均为,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。,晶闸管导通角与无关，均为180。,1.1.3 单相全波可控整流电路一、电阻性负载1、工作原理及波形分析,图3-10 单相全波可控整流电路及波形,变压器T带中心抽头。u2正半周，VT1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。u2负半周，VT2工作，变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。变压器不存在直流磁化的问题。,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。单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。,1.1.4 单相桥式半控整流电路1、（先不考虑VDR）晶闸管触发导通和二极管自然导通，形成了自然续流支路（VT1、VD2；VT3和VD4）。整流电压波形与全控电路电阻负载时的工作情况相同。在u2正半周，处触发VT1，u2经VT1和VD4向负载供电。,图3-11 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,d,u2过零变负时，VD2自然导通，因电感放能，VT1继续导通，由VT1和VD2续流，ud=0。在u2负半周，处触发触发VT3，向VT1加反压使之关断，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=0。,2、失控现象 若无续流二极管，则当突然增大至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成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，称为失控。3、加接续流二极管VDR，杜绝失控 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，少了一个管压降，有利于降低损耗。,相当于把图3-5(a)中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。两个晶闸管阴极电位不同，二者的触发电路需要隔离。,图2-11 单相桥式半控整流电路的另一接法,图3-4(a)单相全控桥式电路,单相桥式半控整流电路的另一种接法,1.2 三相可控整流电路 1.2.1 三相半波可控整流电路 1.2.2 三相桥式全控整流电路,1.2 三相可控整流电路引言其交流侧由三相电源供电。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时，应采用三相整流电路。最基本的是三相半波可控整流电路。应用最为广泛的三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等。,1.2.1 三相半波可控整流电路一、电阻性负载（共阴极接法为例）1、整流变压器的连接型式,a),R,id,为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。,2、工作原理1）自然换相点 在相电压的交点t1、t2、t3处，将其作为的起点，即=0。,图3-13 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及=0时的波形,2）=0三个晶闸管轮流导通120，ud波形为三个相电压在正半周期的包络线。对脉冲的安排：每隔120 依次给晶闸管门极送出Ug。晶闸管承受的电压由一段管压降和两段线电压组成。正向峰值 反向峰值,2)=30负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120。,图3-14 三相半波可控整流电路，电阻负载，=30时的波形,图3-15 三相半波可控整流电路，电阻负载，=60时的波形,4)30,当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，此时输出电压电流为零。负载电流断续，各晶闸管导通角小于120。每个元件导通角=150-电阻负载时角的移相范围0 150,整流电压平均值30时，负载电流连续。当=0时，Ud最大，为Ud=Ud0=1.17U2。30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小。,3、基本数量关系,负载电流平均值晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值 晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于变压器二次相电压的峰值,二、阻感负载1、工作原理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。30时，整流电压波形与电阻负载时相同。30时，当u2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。,图3-17 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及=60时的波形,Ud/U2与的关系 L很大，如曲线2所示。L不是很大，则当30后，ud中负的部分可能减少，整流电压平均值Ud略为增加，如曲线3 所示。,图3-16 三相半波可控整流电路Ud/U2与的关系,2、基本数量关系,的移相范围为0 90。,整流电压平均值,变压器二次电流即晶闸管电流的有效值,晶闸管的额定电流,三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。,晶闸管最大正反向电压峰值,1.2.2 三相桥式全控整流电路,三相全控桥是由两组三相半波电路（一组共阴极，另一组共阳极）串联而成。,图3-18 三相桥式全控整流电路原理图,一、原理图,VT1，VT3，VT5-共阴极组 VT4，VT6，VT2-共阳极组,二、工作原理,1、自然换相点,各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。,2、元件编号：按自然换相点的顺序编号,晶闸管的导通顺序:VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6,ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，波形连续。=0时，ud为线电压在正半周的包络线。波形见图3-19,表3-1 三相桥式全控整流电路电阻负载=0时晶闸管工作情况,3、电阻性负载,1）当60时,=30时，ud平均值降低，波形见图3-20。=60时，ud平均值继续降低。=60时ud出现了为零的点，波形见图3-21。,因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值。=90时的波形见图3-22。,2）当 60时,每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。对触发脉冲的要求 6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。,4、三相桥式全控整流电路的工作特点,整流输出电压ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲。,宽脉冲触发：使脉冲宽度大于60（一般取80100）双脉冲触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为2030。常用的是双脉冲触发。晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也一样。,ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压uVT波形等都一样。区别在于电流，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的波形在导通段都可近似为一条水平线。,5、阻感性负载,1）当60时,由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。=90时的波形见图3-25。,=0时的波形见图3-23，=30时的波形见图3-24。,2)当 60 时,带电阻负载时，角的移相范围是0 120。带阻感负载时，角移相范围为0 90。整流输出电压平均值 带阻感负载时，或带电阻负载60时，id 连续。带电阻负载且60时，id 断续。,三、基本数量关系,输出电流平均值 Id=Ud/R,带大阻感负载时，id 连续，近似为直线,晶闸管承受的峰值电压,接反电势阻感负载时的Id,电阻性负载,阻感性负载,1.3.1 逆变的概念,既可工作在整流状态又可工作在逆变状态的晶闸管装置，称为变流装置或变流器。,一、变流装置的两种工作状态,整流（rectification):交流直流 逆变（invertion）：直流交流,逆变电路：把直流电逆变成交流电的电路。,可控整流电路若满足一定条件就可工作于有源逆变，电路形式未变，只是电路工作条件转变。,二、逆变的两大类型,1、有源逆变,变流器的交流侧和电网连结，将直流电能变换为与电网同频率的交流电能馈送给电源。,2、无源逆变,变流器的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载。,图3-46 直流发电机电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EGEM b）两电动势同极性EMEG c）两电动势反极性，形成短路,M作电动运转，EGEM，电流Id从G流向M，电能由G流向M，转变为M轴上输出的机械能。回馈制动状态中，M作发电运转，EMEG，电流反向，从M流向G，M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。,三、直流发电机电动机系统电能的流转,两电动势顺向串联，向电阻R供电，G和M均输出功率，由于R一般都很小，实际上形成短路，故障状态。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向电动势低的，由于回路电阻很小，即使很小的电动势差值也能产生大的电流，使两个电动势之间交换很大的功率，这对分析有源逆变电路是十分有用的。,电动机M作电动机运行，全波电路应工作在整流状态，的范围在0/2间，直流侧输出Ud为正值，并且UdEM，交流电网输出电功率，电动机则输入电功率。,图3-47 单相全波电路的整流,四、有源逆变的能量分析,电动机M作发电回馈制动运行，由于晶闸管器件的单向导电性，电路内Id的方向依然不变，欲改变电能的输送方向，只能改变EM的极性，为了避免两电动势顺向串联，Ud的极性也必须反过来，故的范围在/2，且|EM|Ud|。,图3-47 单相全波电路的逆变,1、要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。2、要求晶闸管的控制角/2，使Ud为负值。3、电路中应串接电抗器，以改善电流波形，改善有源逆变工作情况。4、凡具有二极管的变流器均不能进行有源逆变，否则，当一只晶闸管导通时，直流电势E便被二极管和这只晶闸管短路。故半控桥或有续流二极管的电路，不能实现有源逆变，欲实现有源逆变，只能采用全控电路。,五、实现有源逆变的条件,1.3.2 三相桥整流电路的有源逆变工作状态,通常把/2时的控制角用-=表示，称为逆变角。以=180作为逆变角 的起始点，的大小自=0的起始点向左方计量。+=,一、有源逆变电路的工作特征,1、逆变电压Ud为“-”,2、逆变角,图3-48 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形,1、输出电压波形、晶闸管两端电压波形,二、三相桥式有源逆变电路,三相桥式电路的输出电压,Ud=-2.34U2cos=-1.35U2lcos,输出直流电流的平均值,流过晶闸管的电流有效值,2、基本的数量关系,从交流电源送到直流侧负载的有功功率,变压器二次侧线电流的有效值,当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。,1.3.3 逆变失败与最小逆变角的限制,逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。,一、逆变失败,触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。交流电源缺相或突然消失。换相的裕量角不足，引起换相失败。,二、逆变失败的原因,考虑变压器漏抗引起重叠角对逆变电路换相的影响 以VT3和VT1的换相过程来分析，在 时，经过换相过程后，a相电压ua仍高于c相电压uc，所以换相结束时，能使VT3承受反压而关断。,图3-49 交流侧电抗对逆变换相过程的影响,当 时，换相尚未结束，电路的工作状态到达自然换相点p点之后，uc将高于ua，晶闸管VT1承受反压而重新关断，使得应该关断的VT3不能关断却继续导通，且c相电压随着时间的推迟愈来愈高，电动势顺向串联导致逆变失败。为了防止逆变失败，不仅逆变角不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。,确定最小逆变角min的依据 逆变时允许采用的最小逆变角应等于,晶闸管的关断时间tq折合的电角度,约45。,为换相重叠角，可查阅相关手册，也可根据表3-2计算，即,根据逆变工作时=-，并设=，上式可改写成,为安全裕量角，主要针对脉冲不对称程度（一般可达5），约取为10。,设计逆变电路时，必须保证，因此常在触发电路中附加一保护环节，保证触发脉冲不进入小于min的区域内。,选择可靠性高的触发电路。正确选择晶闸管的电压等级。减小晶闸管所承受的电压变化率和电流变化率。对晶闸管采用快速熔断器进行短路保护。,三、防止逆变失败的措施,1.3.2 三相桥式全控整流电路,图3-19 三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的波形,3.2.2 三相桥式全控整流电路,图3-20 三相桥式全控整流电路带电阻负载=30时的波形,3.2.2 三相桥式全控整流电路,图3-21 三相桥式全控整流电路带电阻负载=60时的波形,3.2.2 三相桥式全控整流电路,图3-22 三相桥式全控整流电路带电阻负载=90时的波形,3.2.2 三相桥式全控整流电路,图3-23 三相桥式全控整流电路带阻感负载=0时的波形,3.2.2 三相桥式全控整流电路,图3-24 三相桥式全控整流电路带阻感负载=30时的波形,3.2.2 三相桥式全控整流电路,图3-25 三相桥式整流电路带阻感负载，=90时的波形,图3-48 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形,1.3 整流电路的有源逆变工作状态,1.3.1 逆变的概念 1.3.2 三相桥整流电路的 有源逆变工作状态 1.3.3 逆变失败与最小逆 变角的限制,