第一章整流电路.ppt.ppt

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1、第一章：整流电路,整流电路；交流转换为直流,按照输入交流电源的相数:单相、三相和多相整流电路；按电路中组成的电力电子器件控制特性:不可控、半控和全控整流电路；根据整流电路的结构形式:半波、全波和桥式整流电路等类型。,相控整流电路:电压可调；二极管整流电路:电压固定；,整流电路的类型：,整流器的性能指标,（1）输出的直流电压大小可以控制；（2）输出直流侧电压和交流侧电流中的纹波都必须限制在允许范围内；（3）整流器的效率要高。,利用电力电子器件的可控开关特性把交流电能变为直流电能的整流电路构成的系统称为整流器。,2、整流器电路性能和控制方式必须满足的要求：,1、定义：,整流器的性能指标,整流器的输

2、出电压是脉动的，其中除了有主要的直流成分外，还有一定的交流谐波成分。定义整流器的输出电压的交流纹波有效值UH与直流平均值UD之比为电压纹波系数u。即,1、电压纹波系数u,如果直流输出电压有效值用U表示，则，因此有：,若第n次谐波峰值为Unm,则定义Unm与UD之比为电压脉动系数Sn，,2、电压脉动系数Sn,整流器的性能指标,整流电路输入断为各次谐波电流之和。输入电流总畸变率THD（Total Harmonic Distortion）又称谐波因数HF（Harmonic Factor），是指除基波电流以外的所有谐波电流有效值与基波电流有效值之比，即,3、输入电流总畸变率THD,式中Isn为n次谐波

3、电流有效值。,4、输入功率因数PF,定义交流电源输入有功功率平均值P与其视在功率S之比为输入功率因数PF（Power factor）,即,对于无畸变的正弦波，谐波电流在一个周期内的平均功率为零，只有基波电流Is1形成有功功率,上式中1是输入电压与输入电流基波分量之间的相位角。则 称为基波位移因数(或基波功率因数)，于是输入功率因数为:,上式表明：功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定。1越小，基波功率因数 越大，相应的PF也越大。另一方面，输入电流总畸变率THD越小，功率因数PF也越大。,4、输入功率因数PF(续),中 称为基波因数，且有,所以,式,在单相相控整流电路中，定义晶

4、闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度称为控制角(或移相角)，晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，用表示。,单相半波相控整流电路,单相半波可控整流,1.电阻性负载,单相半波相控整流电路,上式表明，只要改变控制角(即改变触发时刻)，就可以改变整流输出电压的平均值，达到相控整流的目的。,1.电阻性负载时参数计算：,根据波形图5.2.1(b)，可求出整流输出电压平均值为：,移相范围：整流输出电压Ud的平均值从最大值变化到零时，控制角的变化范围为移相范围。,当=0时，Ud=0。45U2为最大值，当=时，Ud=0,这种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

5、方式。,单相半波相控整流电路带电阻性负载时移相范围为。,单相半波可控 整流波形图,单相半波相控整流电路,1.电阻性负载时参数计算（续）：,单相半波可控 整流波形图,根据有效值的定义，整流输出电压的有效值为,那么，整流输出电流的平均值Id和有效值I分别为,电流的波形系数Kf为,（5.2.5）,上式表明，控制角越大，波形系数Kf越大。,单相半波相控整流电路,1.电阻性负载时参数计算（续）：,单相半波可控 整流原理,如果忽略晶闸管T的损耗，则变压器二次侧输出的有功功率为,电源输入的视在功率为,（5.2.10）,从上式可知，功率因数是控制角的函数，且越大，相控整流输出电压越低，功率因数PF越小。当=0

6、时，PF=0.707为最大值。这是因为电路的输出电流中不仅存在谐波，而且基波电流与基波电压(即电源输入正弦电压)也不同相，即是使电阻性负载，PF也不会等于1。,电路的功率因数,单相半波相控整流电路,2.电感性负载,（等效为电感L和电阻R串联）,感性负载单相半波可控整流电路及其波形,工作原理,2.电感性负载,单相半波相控整流电路,感性负载上的输出电压平均值Ud为,故,上式表明,感性负载上的电压平均值等于负载电阻上的电压平均值。,由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸管的流通角变大，且负载中L越大，越大，输出电压波形图上负压的面积越大，从而使输出电压平均值减小。在大电感负载LR的情况

7、下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论为何值，都有。,2.电感性负载（大电感）,单相半波相控整流电路,LR 时不同时的电流波形,2.电感性负载（大电感）,单相半波相控整流电路,大电感负载时输出平均电压为零，解决的办法是在负载两端并联续流二极管D，如图(a)所示。,大电感负载接续流管的单相 半波整流电路及电流电压波形,在电源电压正半周，负载电流由晶闸管导通提供；电源电压负半周时，续流二极管D维持负载电流；因此负载电流是一个连续且平稳的直流电流。大电感负载时，负载电流波形是一条平行于横轴的直线，其值为Id；,晶闸管与续流管承受的最大电压均为,单相半波相控整流电路,2.电感性负载（大电感）参数计算

8、,若设T和D分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，则容易得出晶闸管的电压平均值为,流过续流二极管的电流平均值为,流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为,1）优点：线路简单，调整方便；2）缺点：（1）输出电压脉动大，负载电流脉动大（电阻性负载时）。（2）整流变压器次级绕组中存在直流电流分量，使铁芯磁化，变压器容量不能充分利用。若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗。3）应用：单相半波可控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。,3、单相半波可控整流电路特点：,单相半波相控整流电路,单相桥式相控整流电路,1、阻性负载,图5.2.6 单相全控桥式整流电路带电阻性负载的

9、电路与工作波形,（的移相范围是0180）,工作原理分析：,单相桥式相控整流电路,1、阻性负载参数计算：,3）输出电流的平均值和有效值分别为,2）整流输出电压的有效值为,即Ud为最小值时，=180，Ud为最大值时=0，所以单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，的移相范围是0180。,1）整流输出电压的平均值,单相桥式相控整流电路,1、阻性负载参数计算：,4）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即,5）流过每个晶闸管的电流有效值为,6）晶闸管承受的最大反向电压为 U2。,7）在一个周期内每个晶闸管只导通一次，流过晶闸管的电流波形系数为,单相桥式相控整流电路,1、阻性负载参数计算：,9）在

10、一个周期内电源通过变压器两次向负载提供能量，因此负载电流有效值d与变压器次级电流有效值I2相同。那么电路的功率因数可以按下式计算,8）负载电流的波形系数为,单相桥式相控整流电路,、的移相范围相等，均为0180；、输出电压平均值Ud是半波整流电路的倍；、在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减 小一半；、功率因数提高了 倍。,通过上述数量关系的分析，电阻负载时，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：,单相桥式相控整流电路,2大电感负载,单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与波形图,工作原理分析：,电路控制角的移相范围为0/2,单相桥式相控整流电路,2大电感负载参数计算：,1）在电流

11、连续的情况下整流输出电压的平均值为,2）整流输出电压有效值为,3）晶闸管承受的最大正反向电压为 U2。,(090),4）在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通，变压器次级中的电流是正负对称的方波，电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为。,5.2.2 单相桥式相控整流电路,2大电感负载参数计算：,5）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为,单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器次级中电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器的利用率高。在大电感负载情况下，接近/2时，输出电压的平均值接近于零，负载上的电压太小。且理想的大电感负载是不存在的，故实际电流

12、波形不可能是一条直线，而且在之前，电流就出现断续。电感量越小，电流开始断续的值就越小。,6）结论：,单相全控桥式整流电路带反电势负载电路与波形图,3反电势负载工作原理,单相桥式相控整流电路,反电动势负载：对于可控整流电路来说，被充电的蓄电池、电容器、正在运行的直流电动机的电枢（电枢旋转时产生感应电动势E）等本身是一个直流电压的负载。,图 单相全控桥式整流电路 带反电势负载电路波形图,3反电势负载工作原理,单相桥式相控整流电路,导电角时，整流电流波形出现断流。其波形如图(c)所示，图中的为停止导电角。也就是说与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电。,时，若触发脉冲到来，晶闸管因承受负电压不

13、可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当 时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样就要求触发角。,3反电势负载参数计算,单相桥式相控整流电路,1）整流器输出端直流电压平均值,2）整流电流平均值,1大电感负载时的工作情况,单相桥式半控整流电路,单相半控桥式整流电路带大电感负载时的电压、电流波形图,晶闸管在触发时刻被迫换流，二极管则在电源电压过零时自然换流；由于自然续流的作用，整流输出电压ud的波形没有负半波的部分，与全控桥电路带电阻性负载相同。的移相范围为0180，Ud、d的计算公式和全控桥带电阻性负载时相同；流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为180的方波且与无

14、关，交流侧电流为正负对称的交变方波。,工作特点：,1大电感负载时的工作情况,单相桥式半控整流电路,单相半控桥式整流电路带大电感负载时的电压、电流波形图,在实际运行中，当突然把控制角 增大到180以上或突然切断触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通两个二极管轮导通的失控现象。此时触发信号对输出电压失去了控制作用，失控在使用中是不允许的，为了消除失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需加接续流二极管。,续流二极管的作用：,消除失控,2大电感负载时参数计算,单相桥式半控整流电路,输出电压平均值为,输出电压有效值为,单相桥式半控整流电路,在控制角为时，每个晶闸管一周期内的导通角为，续流管的流通角为

15、，,2大电感负载时参数计算,流经续流二极管的平均电流和有效电流分别为,则流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为,1）在t1t2期间，相电压比、相都高，如果在t1时刻触发晶闸管导通，负载上得到相电压uA。2）在t2t3期间，相电压最高，若在t2时刻触发导通，负载上得到B相电压uB，关断。3）在t3 t4时期间，C相电压最高，若在t3刻触发导通，负载上得到相电压uC，并关断。,三相半波相控整流电路,1、电阻性负载工作原理分析,电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形(=0),自然换流点：t1、t2和t3时刻距相电压波形过零点30电角度，它是各相晶闸管能被正常触发导通的最早时刻，在该点以前，对应的晶闸管

16、因承受反压，不能触发导通，所以把它叫做自然换流点。在三相相控整流电路中，把自然换流点作为计算控制角的起点，即该处=0（注意：这与单相可控整流电路是不同的）。,三相半波相控整流电路,1、电阻性负载工作原理分析,电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形(=0),三相半波相控整流电路,1、电阻性负载工作原理分析,当=30时，ud、id波形临界连续。,当=150时，整流输出电压为零。,在30时，输出电压和电流波形将不再连续；在电源交流电路中不存在电感情况下，晶闸管之间的电流转移是在瞬间完成的；负载上的电压波形是相电压的一部分；晶闸管处于截止状态时所承受的电压是线电压而不是相电压。整流输出电压的脉动频率为

17、 HZ(脉波数m=3)。,结论：,三相半波相控整流=18、60时的波形图,三相半波相控整流电路,1、电阻性负载数量关系,若A相电源输入相电压，B、C相相应滞后 则有如下数量关系：,式中为整流变压器二次侧相电压有效值。,当30时，负载电流连续，各相晶闸管每周期轮流导电120，即导通角T=120。输出电压平均值为,当=0时整流输出电压平均值d最大。增大，Ud减小，当=150时，Ud=0。所以带电阻性负载的三相半波相控整流电路的移相范围为0150,5.3.1 三相半波相控整流电路,1、电阻性负载数量关系,(5.3.1),当30时，负载电流断续，输出电压平均值d为,(4)晶闸管承受的最大反向电压为电源

18、线电压峰值，即，最大正向电压为电源相电压，即。,5.3.1 三相半波相控整流电路,1、电阻性负载数量关系,(5.3.4),（5）负载电流的平均值,流过每个晶闸管的平均电流,流过每个晶闸管的电流有效值为,(5.3.5),(5.3.3),(5.3.6),5.3.1 三相半波相控整流电路,1、大电感负载,(1)在30时，ud的波形与电阻性负载时相同。(2)30时ud波形出现部分负压。(3)尽管30，由于大电感负载的作用，仍然使各相晶闸管导通120，保证了电流的连续。,电路特点：,图5.3.3 大电感负载的三相半波整流电路及波形,续流二极管,接续流二极管,5.3.1 三相半波相控整流电路,1、大电感负

19、载数量关系,流过每个晶闸管的平均电流与有效电流分别为,当=0时Ud最大，当=90时，Ud=0。因此，大电感负载时，三相半波整流电路的移相范围为090。,整流输出电压平均值ud为,(5.3.8),(5.3.7),(5.3.9),5.3.1 三相半波相控整流电路,1、大电感负载接续流二极管时,4）续流二极管在一周期内导通三次，其导通角D=3(30)。,1）ud的波形与纯电阻性负载时一样，Ud的计算公式也一样。,图5.3.3 大电感负载的 三相半波整流电路,2）负载电流id=iT1+iT2+iT3+iD。,3）一周期内晶闸管的导通角,T=150。,三相半波相控整流电路,1、大电感负载接续流二极管时,

20、大电感负载的 三相半波整流电路,5）流过晶闸管的平均电流和有效电流分别为,6）流过续流管的平均电流和有效电流分别为,5.3.2 三相桥式相控整流电路,共阴极组的自然换流点(=0)在t1、t、t时刻，分别触发、晶闸管。共阳极组的自然换流点(=0)在t、t、t时刻，分别触发、晶闸管。晶闸管的导通顺序为：123456。,图5.3.4 三相桥式相控整流电路 带电阻负载 时的情况,1、电阻性负载工作原理,2、三相桥式全控整流电路的特点,5.3.2 三相桥式相控整流电路,（l）每个时刻均需2个不同组的晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中且不能为同一相的晶闸管；,（2）对触发脉冲的要求：6个晶闸管的触

21、发脉冲按 ug1ug2ug3ug4ug5ug6的顺序（相位依次差60）分别触发晶闸管123456；共阴极组1、3、5的触发脉冲依次相差120，共阳极组、的触发脉冲也依次差 120,同一相的上下两个桥臂，即 T1、与T4，T3与 T6，T5与 T2脉冲相差180；,2、三相桥式全控整流电路的特点,三相桥式相控整流电路,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。,（3）全控桥触发脉冲类型：,（4）带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是 120。,3、三相桥式全控整流电路不同时工作原理,三相桥式相控整

22、流电路,=30时工作波形：,三相桥式相控整流电路 带电阻负载=30 时的情况,3、三相桥式全控整流电路不同时工作原理,三相桥式相控整流电路,=60时工作波形：,图 三相桥式相控整流电路 带电阻负载=60 时的情况,三相桥式相控整流电路,=90时工作波形：,三相桥式相控整流电路 带电阻负载=90 时的情况,3、三相桥式全控整流电路不同时工作原理,4、三相桥式全控整流电路参数计算,三相桥式相控整流电路,2）当60时，负载电流不连续，整流输出电压的平均值为,1）当60时，负载电流连续，负载上承受的是线电压设其表达式为，在 内积分上、下限为 和。因此当控制角为时，整流输出电压的平均值为,晶闸管承受的最

23、大正、反向峰值电压为,5、大电感负载,三相桥式相控整流电路,带大电感负载的三相全控桥式 整流电路及=0时的电流电压波形,1）=0时工作波形,电路移向范围为090,5、大电感负载,三相桥式相控整流电路,带大电感负载的三相全控桥式整流电路在=30、90时的电流电压波形,2）=30、90时工作波形,6、大电感负载参数计算,三相桥式相控整流电路,在090范围内负载电流连续，负载上承受的是线电压，设其表达式为，而线电压超前于相电压30，在内 积分上、下限为 和。因此当控制角为时：,1）整流输出电压的平均值为,（090）,2）负载电流平均值为,三相桥式相控整流电路,三相全控桥式整流电路中，晶闸管换流只在本

24、组内进行，每隔120换流一次，即在电流连续的情况下，每个晶闸管的导通角T=120。因此,3）流过晶闸管的电流平均值和有效值,4）流进变压器次级的电流有效值为,5）晶闸管承受的最大电压为,6、大电感负载参数计算,相控整流电路的换相压降,图 考虑变压器的漏抗后相控整流电路 的等效电路及输出电压电流的波形,实际工作中，整流变压器存在漏抗，晶闸管之间的换流不能瞬时完成，会出现参与换流的两个晶闸管同时导通的现象，同时导通的时间对应的电角度称为换相重叠角。,1、换相重叠角,Ll为变压器的每相绕组 折合到二次侧的漏抗,相控整流电路的换相压降,图 考虑变压器的漏抗后相控整流电路 的等效电路及输出电压电流的波形

25、,当t时刻触发时，相电流不能瞬时上升到d值，相电流不能瞬时下降到零，电流换相需要时间t，换流重叠角所对应的时间为t=/。在重叠角期间，、同时导通，产生一个虚拟电流Ik，,2、工作过程,Ll为变压器的每相绕组 折合到二次侧的漏抗,相控整流电路的换相压降,图 考虑变压器的漏抗后相控整流电路 的等效电路及输出电压电流的波形,而整流输出电压为,由图可知,2、工作过程,相控整流电路的换相压降,图 考虑变压器的漏抗后相控整流电路 的等效电路及输出电压电流的波形,在期间，直流输出电压比uA或uB都小，使输出电压波形减少了一块阴影面积,降低的电压值为。,式 ud,表明：,图中的阴影面积大小为：,2、工作过程,

26、相控整流电路的换相压降,图 考虑变压器的漏抗后 相控整流电路的等效电路,1）换相压降U,3、参数计算,上式中 是变压器每相漏感折合到二次则的漏电抗。,在图5.5.1(a)所示的三相半波可控整流电路中，整流输出电压为3相波形组合（即一周期内换相3次），每个周期内有3个阴影面积，这些阴影面积之和3S除以周期2，即为换相重叠角期间输出平均电压的减少量，称为换相压降U。,换相压降U正比于负载电流d，它相当于整流电源增加了一项等 效电阻，但这个等效内阻并不消耗有功功率。,相控整流电路的换相压降,上式表明，当Ll或Id增大时，将增大；当增大时，减小。必须指出，如果在负载两端并联续流二极管，将不会出现换流重叠的现象，因为换流过程被续流二极管的存在所改变。,2、换相重叠角,计算过程,图 考虑变压器的漏抗后相控整流电路的等效电路及输出电压电流的波形,相控整流电路的换相压降,2、换相重叠角计算过程,在图5.5.1(b)中为便于计算，将坐标原移到、相的自然换流点，设,由式(5.5.1)可得,将上式两边同乘以得,从电路工作原理可知，当电感Ll中电流从变到Id时，正好对应t从变到+，将此条件代入式(5.5.5)得,即,则换相重叠角为,相控整流电路的换相压降,2、换相重叠角的计算过程,表1 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,