3第三章整流电路.ppt
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1、整流电路,整流电路:最早出现的电力电子电路,其功能将交流电变为直流电。整流电路的分类:按器件的组成可分为不可控、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,又分为单拍电路和双拍电路,第3章,3.1 单相可控整流电路 3.1.1 单相半波可控整流电路 3.1.2 单相桥式全控整流电路 3.1.3 单相桥式半控整流电路 3.1.4 半控桥电路中的失控 现象及预防,整流电路,第3章,单相可控整流电路,3.1单相可控整流电路晶闸管可控整流电路的作用是将交流电能(单相或三相)转换为大小可以控制的直流电能。它主要依藉晶闸管的两种
2、特性:a.单向导电性:使电路输出不再具有交变性质。b.可控性:使电路输出功率可依从给定信号变化;当给定信号保持一定时,能在外扰的作用下,维持输出量不变。,3.1,整流电路从工频交流电源吸取电能,并把它转换在直流电能输送到负载端。由于整流电路的输出有较大脉动,为使电能的传递保持连续,需要在电路中加入滤波器。,单相半波可控整流电路,带电阻负载的工作情况 变压器T起变换电压和隔离的作用电阻负载的特点:电压与电流成正比,两者波形相同,图3-1 单相半波可控整流电路及波形,3.1.1,当U2在0-期间,晶闸管承受正向电压,满足导通条件之一。在此期间内只要在门极加一个触发脉冲,晶闸管就一直导通,直至晶闸管
3、承受负压而截止,即在t=时刻截止。在-2期间,晶闸管承受反压而载止。在电源U2的下一周期2+t时刻,门极触发脉冲又一次到来时,VT又一次正向导通,如此周期性重复晶闸管承受正向电压起到触发脉冲出现的电角度称为控制角,用表示,=t。,单相半波可控整流电路工作原理,基本数量关系,(2)整流输出直流电流平均值Id Id=Ud/R=0.45U2(1+Cos)/2R(3)流过晶闸管的电流有效值IT和变压器副边电流有效值I2 i2=1.414U2*Sint/R故有效值:,2p,a,p,a,p,w,w,p,p,a,-,+,=,=,2,sin,4,1,),(,/R),sin,2,(,2,1,2,2,2,U,t,
4、d,t,U,I2,当控制角=0时,I2=1.57Id,波形系数Kf=随增大而迅速增大。当增大时,可控硅导通角下降,导致负载上直流脉动电流 波形变差,从而使电流有效值比平均值大得多。,(4)有功功率、视在功率和功率因数Cos 电源供给的有功功率P:,由上式可见:当=0时,Cos=0.707;当=时,Cos=0思考题:为什么负载是电阻性的,而=0时,Cos1?,式中U为负载R上的电压有效值,电源视在功率S=U2*I2,2,2,2,UI,R,I,P,=,=,(5)最大正反向电压:,(6)移相范围 0,2.带阻感负载的工作情况阻感负载的特点:电感对电流变化有抗拒作用,使得流过电感的电流不发生突变。,图
5、3-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形,单相半波可控整流电路,3.1.1,工作原理,在 t1时刻加上触发脉冲,晶闸管立刻导通由于电感的抗拒作用,Id逐渐上升并在电感上感应出电压:UL=L*did/dt.a.在0 t1内,晶闸管承受正向电压,但无触发脉冲,故输出为0。b.在 t1时刻加上触发脉冲,晶闸管立刻导通。由于电感的抗拒作用,id慢慢上升,并在电感上感应出电压:UL=L*did/dt.在 t1=后,由于UL+U20,故晶闸管仍继续导通,直至t2时刻 c.在t2至2期间,晶闸管承受反压关断,输出为0。如图中电阻R很小、电感L很大,而导通角=2-2,这样输出电压正负面积接近相等,使得整流输
6、出的直流平均电压Ud接近于零 感性负载与阻性负载相比,平均值减小,有效值增加 为解决大电感时,整流输出的直流电压和电流小的矛盾。可在负载两端并联一个二极管作为续流二极管。,3.1.1 单相半波可控整流电路,对单相半波电路的分析可基于上述方法进行:当VT处于断态时,相当于电路在VT处断开,id=0。当VT处于通态时,相当于VT短路。,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,电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化,将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。,3.1.1 单相半波可控整流电路,当VT处于通态时,如下方程
7、成立:,b)VT处于导通状态,(3-2),(3-4),初始条件:t=a,id=0。求解式(3-2)并将初始条件代入可得,当t=+a 时,id=0,代入式(2-3)并整理得,为避免Ud太小,在整流电路的负载两端并联续流二极管 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,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。续流期间ud为零,ud中不再出现负的部分。,基本数量关系:,加续流二极管后,电路导通角=-,而续流二极管的导通角为+。因流过负载的电流平均值为Id,故流过晶闸管的电流平均值为:IdVT=(-)Id/2续流管电流平均
8、值为:IdVDR=(+)Id/2流过晶闸管的电流有效值IVT为:流过续流二极管的电流有效值为:,3.1.1 单相半波可控整流电路,VT的a 移相范围为180。简单,但输出脉动大,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。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。,单相半波可控整流电路的特点,单相桥式全控整流电路,带电阻负载的工作情况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。一个周期内整流电压波
9、形脉动两次,双脉波电路。变压器二次绕组电流直流分量为零。,图3-5 单相桥式全控带电阻负载时的电路及波形,3.1.2,数量关系(3-9)a 角的移相范围为180。(1)向负载输出的平均电流值为:(2)流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半,即:,单相桥式全控整流电路,2.2,(3-10),(3-11),单相桥式全控整流电路,3.1.2,(3)流过晶闸管的电流有效值:(4)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:(5)由式(3-12)和式(3-13)不考虑变压器的损耗时,要求变压器的容量 S=U2I2。,(3-12),(3-13),(3-14),(6)整流输出负载上电压有效
10、值,(7)功率因数COS,同半波电路相比,桥式整流电路的功率因数增加了,(8)可控硅所承受的最大正反向电压:可控硅所承受的最大反向电压 可控硅所承受的最大正向电压,(9)移相范围 0,2.带阻感负载的工作情况为便于讨论,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,由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id,并不关断。至t=+a 时刻,给VT2和VT3加触发脉冲,因VT2和VT3本已承受正电压,故两管导通。VT2和VT3导通后,u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断,流过VT1和VT4的电
11、流迅速转移到VT2和VT3上,此过程称换相,亦称换流。,图3-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,单相桥式全控整流电路,3.1.2,数量关系(3-15)晶闸管移相范围为90。晶闸管承受的最大正反向电压均为 U2。晶闸管导通角与a无关,均为180 和 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。,单相桥式全控整流电路,3.1.2,移相范围 0/2,3.带反电动势负载时的工作情况 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。与电阻负载时相比,晶闸管提前了电角度
12、停止导电,称为停止导电角。(3-16)在a 角相同时,整流输出电压比电阻负载时大。,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,单相桥式全控整流电路,3.1.2,当 d时,触发脉冲到来时,晶闸管承受负电压,不可能导通。,b),i,d,O,E,u,d,w,t,I,d,O,w,t,a,q,d,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,电流连续,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:,反电动势负载,2.2,负载为直流电动
13、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,用来减 少电流的脉动和延长晶闸 管导通的时间。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同,ud的计算公式亦一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出(3-17),图3-8 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器,电流连续的临界情况,反电动势负载,2.2,3.1.3 单相全波可控整流电路,单相全波可控整流电路(Single Phase Full Wave Controlled Rectifier),又称单相双半波可控整流电路。,单相全波与单
14、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3-10 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。,单相桥式半控整流电路,单相全控桥中,每个导电回路中有2个晶闸管,为了对每个导电回路进行控制,只需1个晶闸管就可以了,另1个
15、晶闸管可以用二极管代替,从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路(先不考虑VDR)半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。,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,2.3,单相半控桥带阻感负载的情况 假设负载中电感很大,且电路已工作于稳态在u2正半周,触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲,u2经VT1和VD4向负载供电。u2过零变负时,因电感作用使电流连续,VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位,使得电流从VD4转移至VD2,VD4关断,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,则向VT
16、1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又为零。,单相桥式半控整流电路,2.3,续流二极管的作用若无续流二极管,则当a 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,称为失控。有续流二极管VDR时,续流过程由VDR完成,晶闸管关断,避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时,续流期间导电回路中只有一个管压降,有利于降低损耗。,单相桥式半控整流电路,2.3,单相桥式半控整流电路的另一种接法 相当于
17、把图2-4a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4,这样可以省去续流二极管VDR,续流由VD3和VD4来实现。,图3-12 单相桥式半控整流电路的另一接法,单相桥式半控整流电路,2.3,3.2 三相可控整流电路,三相可控整流电路可分为:a.三相零式 b.三相全控桥式 c.三相半控桥式 d.双反星型 e.多脉整流 等,三相可控整流电路的基本分析步骤:,a.根据元件的导通条件来判定电路中哪些元件在什么时间处于导通状态。b.通过定性分析,确定电路各处的波形。c.对电路做定量分析,确定工作指标与电路参数的数学关系。在分析电路的基础上便有可能进行电路的综合设计,即根据给定的工作指标选择电路参数。,对
18、于复杂的整流电路,为方便分析,可建立等效电路,用等效电路进行电路分析.,a.等效电路构成的条件:晶闸管导通的条件是同时满足Ugk0,Uak0,凡不满足这些条件的元件便不能由阻断转为导通。因此若Ugk10,Uak10,则T1满足导通条件,构成如图31的等效电路,其它元件阻断。负载电流id沿aVT1LdR0构成通路。,b.等效电路的时间性:,上图等效电路只在工作循环的某一区间是正确的,超越这一区间,VT1导通的条件便不成立,等效电路相应改变。尽管导电元件更迭,但负载电流id的方向不变,Rd的端电压Ud仍为正向。c.等效电路的直线性:假定开关元件具有理想的输出特性如图,则电路为线性,因此各种线性电路
19、的分析方法适用。,在整流电路中与开关元件导通条件有关的因素:,电网状态(对某一开关元件来说,指瞬间的所 受电压的大小和方向)门极脉冲状态(分布情况)电路结构负载性质,三相可控整流电路,3.2,交流侧由三相电源供电2.负载容量较大,或要求直流电压脉动较小、易滤波时用。基本的三相半波可控整流电路,三相桥式 全控整流电路应用最广。,三相零式半波可控整流电路,1.电阻负载电路的特点:变压器二次侧接成星形得到零线,而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源,其阴极连接在一起共阴极接法。,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a=0时的波形,3.2.1
20、,自然换相点:假设将电路中的晶闸管换作二极极管,成为三相半波不可控整流电路 一周期中,在wt1wt2期间,VD1导通ud=ua 在wt2wt3期间,VD2导通,ud=ub 在wt3 wt4期间,VD3导通,ud=uc二极管换相时刻为自然换相点,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a的起点,即a=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a=0时的波形,三相半波可控整流电路,2.4.1,a=0时的工作原理分析变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形,变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形,由3段组成:第1段,VT1导通期间,为一管压降,
21、可近似为uT1=0。第2段,在VT1关断后,VT2导通期间,uT1=ua-ub=uab,为一段线电压。第3段,在VT3导通期间,uT1=ua-uc=uac为另一段线电压。,三相半波可控整流电路,2.4.1,分段表达式:uc uac 0300 VT3通 ua 0 301500 VT1通 ud=uVT1=ub uab 1502700 VT2通 uc uac 2703600 VT3通=30时的波形(图2-13)负载电流处于连续和断续之间的临界状态。=60的情况(图2-14)特点:负载电流断续,晶闸管导通角小于120。uc uac 0-60 0 ua 60-90 ua 0 90-180 ud=0 uV
22、T1=ua 180-210 ub uab 210-300 0 ua 300-330 uc uac 330-360,三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,三相半波可控整流电路,电阻负载,a=30时的波形,三相半波可控整流电路,电阻负载,a=60时的波形,综上所述:三相零式电路在电阻性负载时,在每个电源周期,负载上的电压和电流由三相轮流供给,三相晶闸管轮流导通.当300 时,负载电流断续,晶闸管导通角1200移相范围为01500晶闸管所承受的最大正向电压为,最大反向电压,整流电压平均值的计算(1)a30时,负载电流连续,有:当a=0时,Ud最大,为。(2)a30时,负载电
23、流断续,晶闸管导通角减小,此时有:,(3-18),(3-19),三相半波可控整流电路,3.2.1,Ud/U2随a变化的规律如图2-15中的曲线1所示。,图3-16 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载,三相半波可控整流电路,3.2.1,负载电流平均值 流过每个晶闸管的平均电流 IdVT=Id/3 流过晶闸管的电流有效值IVT和变压器副边绕组中的电流有效值I2:3,三相半波可控整流电路,3.2.1,2.阻感负载特点:阻感负载,L值很大,id波形基本平直。a30时:整流电压波形与电阻负载时相同。a 30时(如a=60时的波形如图2-16所示)。u2过零
24、时,VT1不关断,直到VT2的脉冲到来,才换流,由VT2导通向负载供电,同时向VT1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动,但为简化分析及定量计算,可将id近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为90。,图3-17 三相半波可控整流电路,阻感负载时的电路及a=60时的波形,三相半波可控整流电路,3.2.1,数量关系 A.输出电压平均值:B.负载电流平均值:Id=Ud/R=1.17U2COS/R,图3-16 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载,三相半波可控整流电路,3.2.1,C.变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为(3-23
25、)D.晶闸管的额定电流为(3-24)E.晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值三相半波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。,(3-25),三相半波可控整流电路,3.2.1,三相桥式全控整流电路,三相桥是应用最为广泛的整流电路,共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1,VT3,VT5),共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4,VT6,VT2),图3-18 三相桥式全控整流电路原理图,导通顺序:VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6,3.2.2,三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形,带电阻负载时的工作情况当a60时,ud波形均连续,对于电阻负
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