第五章 整流電路1.ppt

第五章：整流電路,5.1整流器的性能指標5.2單相相控整流電路5.3三相相控整流電路5.4大容量相控整流電路5.5相控整流電路的換相壓降5.6整流電路的諧波分析5.7有源逆變電路5.8晶閘管相控電路的驅動控制5.9PWM整流電路,第五章：整流電路,整流電路；交流轉換為直流,按照輸入交流電源的相數(shù):單相、三相和多相整流電路；按電路中組成的電力電子器件控制特性:不可控、半控和全控整流電路；根據(jù)整流電路的結構形式:半波、全波和橋式整流電路等類型。,相控整流電路:電壓可調；二極管整流電路:電壓固定；,整流電路的類型：,5.1整流器的性能指標,（1）輸出的直流電壓大小可以控制；（2）輸出直流側電壓和交流側電流中的紋波都必須限制在允許范圍內；（3）整流器的效率要高。,利用電力電子器件的可控開關特性把交流電能變?yōu)橹绷麟娔艿恼麟娐窐嫵傻南到y(tǒng)稱為整流器。,2、整流器電路性能和控制方式必須滿足的要求：,1、定義：,5.1整流器的性能指標,整流器的輸出電壓是脈動的，其中除了有主要的直流成分外，還有一定的交流諧波成分。定義整流器的輸出電壓的交流紋波有效值UH與直流平均值UD之比為電壓紋波系數(shù)u。即,1、電壓紋波系數(shù)u,（5.1.1）,如果直流輸出電壓有效值用U表示，則，因此有：,若第n次諧波峰值為Unm,則定義Unm與UD之比為電壓脈動系數(shù)Sn，,（5.1.3）,（5.1.2）,2、電壓脈動系數(shù)Sn,5.1整流器的性能指標,整流電路輸入端為各次諧波電流之和。輸入電流總畸變率THD（TotalHarmonicDistortion）又稱諧波因數(shù)HF（HarmonicFactor），是指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，即,3、輸入電流總畸變率THD,（5.1.4）,式中Isn為n次諧波電流有效值。,4、輸入功率因數(shù)PF,定義交流電源輸入有功功率平均值P與其視在功率S之比為輸入功率因數(shù)PF（Powerfactor）,即,對于的正弦波，諧波電流在一個周期內的平均功率為零，只有基波電流Is1形成有功功率,上式中1是輸入電壓與輸入電流基波分量之間的相位角。則稱為基波位移因數(shù)(或基波功率因數(shù))，于是輸入功率因數(shù)為:,（5.1.5）,（5.1.6）,上式表明：功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變這兩個因素共同決定。1越小，基波功率因數(shù)越大，相應的PF也越大。另一方面，輸入電流總畸變率THD越小，功率因數(shù)PF也越大。,4、輸入功率因數(shù)PF(續(xù)),（5.1.7）,中稱為基波因數(shù)，且有,所以,式,（5.1.6）,第五章：整流電路,5.1整流器的性能指標5.2單相相控整流電路5.3三相相控整流電路5.4大容量相控整流電路5.5相控整流電路的換相壓降5.6整流電路的諧波分析5.7有源逆變電路5.8晶閘管相控電路的驅動控制5.9PWM整流電路,在單相相控整流電路中，定義晶閘管從承受正向電壓起到觸發(fā)導通之間的電角度稱為控制角(或移相角)，晶閘管在一個周期內導通的電角度稱為導通角，用表示。,5.2.1單相半波相控整流電路,圖5.2.1單相半波可控整流,1.電阻性負載,（5.2.2）,5.2.1單相半波相控整流電路,上式(5.2.3)表明，只要改變控制角(即改變觸發(fā)時刻)，就可以改變整流輸出電壓的平均值，達到相控整流的目的。,1.電阻性負載時參數(shù)計算：,根據(jù)波形圖5.2.1(b)，可求出整流輸出電壓平均值為：,移相范圍：整流輸出電壓Ud的平均值從最大值變化到零時，控制角的變化范圍為移相范圍。,當=0時，Ud=0.45U2為最大值，當=時，Ud=0。,這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。,單相半波相控整流電路帶電阻性負載時移相范圍為。,圖5.2.1單相半波可控整流波形圖,5.2.1單相半波相控整流電路,1.電阻性負載時參數(shù)計算（續(xù)）：,圖5.2.1單相半波可控整流波形圖,根據(jù)有效值的定義，整流輸出電壓的有效值為,（5.2.4）,那么，整流輸出電流的平均值Id和有效值I分別為,電流的波形系數(shù)Kf為,（5.2.7）,（5.2.5）,（5.2.6）,上式(5.2.7)表明，控制角越大，波形系數(shù)Kf越大。,5.2.1單相半波相控整流電路,1.電阻性負載時參數(shù)計算（續(xù)）：,圖5.2.1單相半波可控整流原理,（5.2.8）,如果忽略晶閘管T的損耗，則變壓器二次側輸出的有功功率為,電源輸入的視在功率為,（5.2.10）,（5.2.9）,從上式可知，功率因數(shù)是控制角的函數(shù)，且越大，相控整流輸出電壓越低，功率因數(shù)PF越小。當=0時，PF=0.707為最大值。這是因為電路的輸出電流中不僅存在諧波，而且基波電流與基波電壓(即電源輸入正弦電壓)也不同相，即是使電阻性負載，PF也不會等于1。,電路的功率因數(shù),5.2.1單相半波相控整流電路,2.電感性負載,（等效為電感L和電阻R串聯(lián)）,圖5.2.3感性負載單相半波可控整流電路及其波形,工作原理,2.電感性負載,5.2.1單相半波相控整流電路,感性負載上的輸出電壓平均值Ud為,故,（5.2.11）,（5.2.12）,（5.2.13）,式(5.2.13)表明,感性負載上的電壓平均值等于負載電阻上的電壓平均值。,由于負載中存在電感，使負載電壓波形出現(xiàn)負值部分，晶閘管的流通角變大，且負載中L越大，越大，輸出電壓波形圖上負壓的面積越大，從而使輸出電壓平均值減小。在大電感負載LR的情況下，負載電壓波形圖中正負面積相近，即不論為何值，都有,2.電感性負載（大電感）,5.2.1單相半波相控整流電路,圖5.2.4LR時不同時的電流波形,2.電感性負載（大電感）,5.2.1單相半波相控整流電路,大電感負載時輸出平均電壓為零，解決的辦法是在負載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管D，如圖5.2.5(a)所示。,圖5.2.5大電感負載接續(xù)流管的單相半波整流電路及電流電壓波形,在電源電壓正半周，負載電流由晶閘管導通提供；電源電壓負半周時，續(xù)流二極管D維持負載電流；因此負載電流是一個連續(xù)且平穩(wěn)的直流電流。大電感負載時，負載電流波形是一條平行于橫軸的直線，其值為Id；,晶閘管與續(xù)流管承受的最大電壓均為,5.2.1單相半波相控整流電路,2.電感性負載（大電感）參數(shù)計算,若設T和D分別為晶閘管和續(xù)流二極管在一個周期內的導通角，則容易得出晶閘管的電壓平均值為,流過續(xù)流二極管的電流平均值為,流過晶閘管和續(xù)流管的電流有效值分別為,（5.2.17）,（5.2.14）,（5.2.15）,（5.2.16）,1）優(yōu)點：線路簡單，調整方便；2）缺點：（1）輸出電壓脈動大，負載電流脈動大（電阻性負載時）。（2）整流變壓器次級繞組中存在直流電流分量，使鐵芯磁化，變壓器容量不能充分利用。若不用變壓器，則交流回路有直流電流，使電網波形畸變引起額外損耗。3）應用：單相半波可控整流電路只適于小容量、波形要求不高的場合。,3、單相半波可控整流電路特點：,5.2.1單相半波相控整流電路,5.2.2單相橋式相控整流電路,1、阻性負載,圖5.2.6單相全控橋式整流電路帶電阻性負載的電路與工作波形,（的移相范圍是0180,理論上）,工作原理分析：,5.2.2單相橋式相控整流電路,1、阻性負載參數(shù)計算：,3）輸出電流的平均值和有效值分別為,2）整流輸出電壓的有效值為,即Ud為最小值時，=180，Ud為最大值時=0，所以單相全控橋式整流電路帶電阻性負載時，的移相范圍是0180。,1）整流輸出電壓的平均值,（5.2.18）,（5.2.19）,（5.2.20）,（5.2.21）,5.2.2單相橋式相控整流電路,1、阻性負載參數(shù)計算：,4）流過每個晶閘管的平均電流為輸出電流平均值的一半，即,5）流過每個晶閘管的電流有效值為,（5.2.23）,（5.2.22）,6）晶閘管承受的最大反向電壓為U2。,7）在一個周期內每個晶閘管只導通一次，流過晶閘管的電流波形系數(shù)為,（5.2.24）,5.2.2單相橋式相控整流電路,1、阻性負載參數(shù)計算：,9）在一個周期內電源通過變壓器兩次向負載提供能量，因此負載電流有效值與變壓器次級電流有效值I2相同。那么電路的功率因數(shù)可以按下式計算,8）負載電流的波形系數(shù)為,（5.2.26）,（5.2.25）,5.2.2單相橋式相控整流電路,、的移相范圍相等，均為0180；、輸出電壓平均值Ud是半波整流電路的倍；、在相同的負載功率下，流過晶閘管的平均電流減小一半；、功率因數(shù)提高了倍。,通過上述數(shù)量關系的分析，電阻負載時，對單相全控橋式整流電路與半波整流電路可作如下比較：,單相全波整流的電壓、電流比值、功率因數(shù)與的關系曲線,特點：電感電流不能突變；電流滯后電壓過零。根據(jù)負載中電感量L的大小不同，電路有4種可能工況：,二、電感性負載,（一）L、較小，較大，且時，負載斷流；（二）當時，電流臨界連續(xù)；（三）L、較大，較小,且，電流連續(xù)；（四）L、很大，wLR，iD斷流情況L較小則較小，較大，負載斷流，元件的導電角R，90，30時，負載電流斷續(xù)，輸出電壓平均值d為,(4)晶閘管承受的最大反向電壓為電源線電壓峰值，即，最大正向電壓為電源相電壓，即。,5.3.1三相半波相控整流電路,1、電阻性負載數(shù)量關系,(5.3.4),（5）負載電流的平均值,流過每個晶閘管的平均電流,（負載周期為，晶閘管為）流過每個晶閘管的電流有效值為,(5.3.5),(5.3.3),(5.3.6),5.3.1三相半波相控整流電路,1、大電感負載,(1)在30時，ud的波形與電阻性負載時相同。(2)30時ud波形出現(xiàn)部分負壓。(3)盡管30，由于大電感負載的作用，仍然使各相晶閘管導通120，保證了電流的連續(xù)。,電路特點：,圖5.3.3大電感負載的三相半波整流電路及波形,續(xù)流二極管,接續(xù)流二極管,5.3.1三相半波相控整流電路,1、大電感負載數(shù)量關系,流過每個晶閘管的平均電流與有效電流分別為,當=0時Ud最大，當=90時，Ud=0。因此，大電感負載時，三相半波整流電路的移相范圍為090。,整流輸出電壓平均值ud為（注意=150對應t=180）,(5.3.8),(5.3.7),(5.3.9),5.3.1三相半波相控整流電路,1、大電感負載接續(xù)流二極管時,4）續(xù)流二極管在一周期內導通三次，其導通角D=3(30)。,1）ud的波形與純電阻性負載時一樣，Ud的計算公式也一樣。,圖5.3.3大電感負載的三相半波整流電路,2）負載電流id=iT1+iT2+iT3+iD。,3）一周期內晶閘管的導通角,T=150。,5.3.1三相半波相控整流電路,1、大電感負載接續(xù)流二極管時,圖5.3.3大電感負載的三相半波整流電路,（5.3.13）,5）流過晶閘管的平均電流和有效電流分別為,6）流過續(xù)流管的平均電流和有效電流分別為,（5.3.10）,（5.3.11）,（5.3.12）,5.3.2三相橋式相控整流電路,共陰極組的自然換流點(=0)在t1、t、t時刻，分別觸發(fā)、晶閘管。共陽極組的自然換流點(=0)在t、t、t時刻，分別觸發(fā)、晶閘管。晶閘管的導通順序為：123456。,圖5.3.4三相橋式相控整流電路帶電阻負載時的情況,1、電阻性負載工作原理,2、三相橋式全控整流電路的特點,5.3.2三相橋式相控整流電路,（l）每個時刻均需2個不同組的晶閘管同時導通，形成向負載供電的回路，且不能為同一相的晶閘管；（對于每一個晶閘管，承受正向電壓最大的一相導通，承受負向電壓最小即最負的一相導通）,（2）對觸發(fā)脈沖的要求：6個晶閘管的觸發(fā)脈沖按ug1ug2ug3ug4ug5ug6的順序（相位依次差60）分別觸發(fā)晶閘管123456；共陰極組1、3、5的觸發(fā)脈沖依次相差120，共陽極組、的觸發(fā)脈沖也依次差120,同一相的上下兩個橋臂，即T1與T4，T3與T6，T5與T2脈沖相差180；,2、三相橋式全控整流電路的特點,5.3.2三相橋式相控整流電路,寬脈沖觸發(fā)：使脈沖寬度大于60(一般取80100);雙脈沖觸發(fā)：用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60，脈寬一般為2030。,（3）全控橋觸發(fā)脈沖類型：,（4）帶電阻負載時三相橋式全控整流電路角的移相范圍是120。,3、三相橋式全控整流電路不同時工作原理,5.3.2三相橋式相控整流電路,=30時工作波形：,圖5.3.5三相橋式相控整流電路帶電阻負載=30時的情況,3、三相橋式全控整流電路不同時工作原理,5.3.2三相橋式相控整流電路,=60時工作波形：,圖5.3.6三相橋式相控整流電路帶電阻負載=60時的情況,5.3.2三相橋式相控整流電路,=90時工作波形：,圖5.3.7三相橋式相控整流電路帶電阻負載=90時的情況,3、三相橋式全控整流電路不同時工作原理,4、三相橋式全控整流電路參數(shù)計算,5.3.2三相橋式相控整流電路,2）當60時，負載電流不連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為,1）當60時，負載電流連續(xù)，負載上承受的是線電壓設其表達式為，在內積分上、下限為和。因此當控制角為時，整流輸出電壓的平均值為,（5.3.14）,（5.3.15）,晶閘管承受的最大正、反向峰值電壓為,5、大電感負載,5.3.2三相橋式相控整流電路,圖5.3.8帶大電感負載的三相全控橋式整流電路及=0時的電流電壓波形,1）=0時工作波形,電路移相范圍為090,5、大電感負載,5.3.2三相橋式相控整流電路,圖5.3.9帶大電感負載的三相全控橋式整流電路在=30、90時的電流電壓波形,2）=30、90時工作波形,6、大電感負載參數(shù)計算,5.3.2三相橋式相控整流電路,在090范圍內負載電流連續(xù)，負載上承受的是線電壓，設其表達式為，而線電壓超前于相電壓30，在內積分上、下限為和。因此當控制角為時：,(5.3.16),1）整流輸出電壓的平均值為,（090）,2）負載電流平均值為,(5.3.17),5.3.2三相橋式相控整流電路,三相全控橋式整流電路中，晶閘管換流只在本組內進行，每隔120換流一次，即在電流連續(xù)的情況下，每個晶閘管的導通角T=120。因此,3）流過晶閘管的電流平均值和有效值,(5.3.18),(5.3.19),4）流進變壓器次級的電流有效值為,5）晶閘管承受的最大電壓為,(5.3.20),6、大電感負載參數(shù)計算,第五章：整流電路,5.1整流器的性能指標5.2單相相控整流電路5.3三相相控整流電路5.4大容量相控整流電路5.5相控整流電路的換相壓降5.6整流電路的諧波分析5.7有源逆變電路5.8晶閘管相控電路的驅動控制5.9PWM整流電路,1.帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路工作原理,5.4大容量相控整流電路,圖5.4.1帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路及其波形圖,2、帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路數(shù)量關系,5.4大容量相控整流電路,(5.4.4),圖5.4.1(a)中如果正、負整流組輸出電流和在周期內連續(xù)，則T1、T3、T5和T4、T6、T2的導電角都為，在控制角=0時,Ud1、ud2相差60即,則：,(5.4.3),(5.4.5),從上面的關系式可知，如果負載中有大電感()，三次諧波很難流入負載，三次諧波電壓產生的三次諧波電流只在兩組半波整流電路中流動，稱之為環(huán)流。,5.4大容量相控整流電路,(5.4.8),2、帶平衡電抗器的雙反星形相控整流電路數(shù)量關系,根據(jù)圖5.4.1(b)得到整流輸出電壓瞬時值為,將式（5.