電力電子技術(shù)第五課件整流電路

1、第1章第1頁整流電路整流電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路， 將交流電變?yōu)橹绷麟姲唇M成的器件可分為不可控、半控、全控不可控、半控、全控三種按交流輸入相數(shù)分為單相電路單相電路和多相電路多相電路交流電動機(jī)直流發(fā)電機(jī)直流電動機(jī)負(fù)載整流裝置第3章 整流電路引言21.電路分析前提；2.課本中的標(biāo)識符號定義3.電路模型；4.不同負(fù)載的各類波形分析；5.重要名詞的理解掌握；6.相關(guān)數(shù)值計算；7.元器件選擇；掌握內(nèi)容掌握內(nèi)容3.1.1 單相半波可控整流電路返回返回33.1 單相整流電路返回返回41.開關(guān)器件為理想器件，無開通、關(guān)斷延時時間，無功率損耗；2.iA=0，晶閘管關(guān)斷； iA0，晶閘管不關(guān)斷；3.不考慮變壓

2、器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感；4.換相過程是瞬時完成的；5.電源為理想的50HZ正弦波；6.不考慮變壓器的損耗；電路分析前提電路分析前提3.1.1 單相半波可控整流電路返回返回5模擬放大電路中電壓和電流的符號模擬放大電路中電壓和電流的符號 直流分量（靜態(tài)值）：大寫大注直流分量（靜態(tài)值）：大寫大注 IB IC UBE UCE總電量（瞬時值）：總電量（瞬時值）： 小寫大注小寫大注 iB iC uBE uCE 交流分量（瞬時值）：小寫小注交流分量（瞬時值）：小寫小注 ib ic ube uce 交流分量（有效值）：大寫小注交流分量（有效值）：大寫小注 Ib Ic Ube Uce 6 瞬時值符號瞬時值符號

3、u1 ：一次電壓瞬時值； u2：二次電壓瞬時值； ud ：直流輸出電壓瞬時值； id：直流輸出電流瞬時值； uVT：晶閘管承受的電壓瞬時值； iVT ：晶閘管流過的電流瞬時值； iVD ：二極管流過的電流瞬時值； i2：變壓器二次側(cè)電流瞬時值；3.1.1 單相半波可控整流電路課本中的標(biāo)識符號定義課本中的標(biāo)識符號定義返回返回7 有效值符號有效值符號 U1：一次電壓有效值；U2：二次電壓有效值； U：負(fù)載輸出電壓有效值；I：負(fù)載輸出電流有效值； I IVTVT: :流過晶閘管電流有效值；I I2 2: :變壓器二次側(cè)電流有效值; I IVDRVDR: :流過二極管電流有效值；3.1.1 單相半波可

4、控整流電路課本中的標(biāo)識符號定義課本中的標(biāo)識符號定義返回返回8平均值符號平均值符號 Ud：直流輸出電壓平均值； Id：直流輸出電流平均值； IdVT:流過晶閘管電流平均值； I IdVDRdVDR: :流過二極管電流平均值;3.1.1 單相半波可控整流電路課本中的標(biāo)識符號定義課本中的標(biāo)識符號定義返回返回代表什么含義？IB、Ib、 ib 、iB 、ud 、 iVT 、iVD、i2、Ud、Id、IdVT、U2物理量小寫物理量小寫-瞬時值瞬時值 （交流瞬時值、總（交流瞬時值、總量瞬時值）量瞬時值）物理量大寫物理量大寫-非瞬時值（有效值、直流量、非瞬時值（有效值、直流量、平均值平均值（d）第1章第10頁

5、3.13.1單相可控整流電路單相可控整流電路v 重點(diǎn)：工作原理（波形分析）、重點(diǎn)：工作原理（波形分析）、定量計算、不同負(fù)載的影響定量計算、不同負(fù)載的影響。3.1.1單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路Single Phase Half Wave Controlled Rectifier基本概念： 單相：交流側(cè)接單相電源 半波：ud為脈動直流，波形只在u2正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱“半波”整流 可控：采用了可控器件晶閘管變壓器變壓器T起變換電壓起變換電壓隔離隔離第1章第11頁1. 帶電阻負(fù)載的工作情況Resistive load圖 1 單相半波可控整流電路及波形電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與

6、電流成正比，兩者波形相同電壓與電流成正比，兩者波形相同 3.1.1 3.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 基本工作原理基本工作原理 TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00工作過程和特點(diǎn)：（1）在U2的正半周，VT承受正向電壓，0t1期間，無觸發(fā)脈沖，VT處于正向阻斷狀態(tài)，UVTU2，Ud=0;（2） t1以后，VT由于觸發(fā)脈沖UG的作用而導(dǎo)通，則ud=u2, uVT=0,id=u2/R，一直到時刻；（3） 2期間，U2反向，VT由于承受反向電壓而關(guān)斷,UVT=U2,Ud=0。以后不斷重復(fù)以上過程。特點(diǎn)：為單拍電路，易出現(xiàn)變壓器

7、直流磁化，應(yīng)用較少。圖3-2 單相半波可控整流電路及波形圖 (純電阻負(fù)載) 13wtud ：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度，用a表示，也稱觸發(fā)角、觸發(fā)延觸發(fā)角、觸發(fā)延遲角遲角或或控制角?？刂平?。 ：即晶閘管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通的電角度，即晶閘管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通的電角度，稱導(dǎo)稱導(dǎo)通角。通角。3.1.1 單相半波可控整流電路l兩個重要的基本概念：兩個重要的基本概念：返回返回第1章第14頁 移相移相：改變的大小，即改變觸發(fā)脈沖在每個周期內(nèi)出現(xiàn)的時刻，稱為移相。 移相范圍為這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制輸出電壓大小的方式稱為 相位控制方式（相控方式）相位控制方式（相控方式）018

8、0 越大，輸出電壓越小wtud 第1章第15頁 直流輸出電壓平均值電壓平均值 （1-1） 0時，Ud=0.45U2；時，Ud=0，可見可以通過改變觸發(fā)角，調(diào)整調(diào)整來調(diào)整來調(diào)整Ud直流電流平均值電流平均值（1-2）22212sin()221cos(1cos)0.4522UUtdtUUd21cos0.452ddUUIRRdd基本數(shù)量關(guān)系第1章第16頁輸出電壓有效值電壓有效值（均方根值） （1-3） 電流有效值電流有效值（1-4）電流有效值用于選擇器件、選擇導(dǎo)線以及計算負(fù)載的有功功率等。 222112sin()sin2242UUtdtU21sin 242ddUUIRR17 思考以下問題思考以下問題：

9、1. 負(fù)載R上流過的電流平均值表達(dá)式。（輸出電流）2. 負(fù)載R上流過的電流有效值表達(dá)式。3. 晶閘管上流過的電流有效值表達(dá)式。4. 變壓器二次側(cè)流過的電流有效值表達(dá)式。5. 變壓器（電源）供給的有功功率表達(dá)式。 6. 計算這些參數(shù)的意義所在。（有效值、平均值）3.1.1 單相半波可控整流電路返回返回 練習(xí)：練習(xí)： 1、畫出當(dāng)導(dǎo)通角是30時 （1）單相半波整流電路輸出電壓的波形， （2）晶閘管上電流的波形， （3）求出晶閘管電流的有效值 （4）輸出電流的平均值第1章第19頁 3.1.1 3.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路圖2 帶阻感負(fù)載單相半波可控整流電路及波形2.帶阻感負(fù)載的

10、工作情況resistor-inductor load阻感負(fù)載阻感負(fù)載負(fù)載中感抗L與電阻R相比不可忽略 阻感負(fù)載的特點(diǎn)阻感負(fù)載的特點(diǎn)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。與電阻負(fù)載波形圖的不同之處：圖2 e d 第1章第20頁 3.1.1 3.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路圖2 帶阻感負(fù)載單相半波可控整流電路及波形工作情況分段描述：t1 t2 晶閘管導(dǎo)通，電源電壓全部加到負(fù)載上；由于電感的作用，電路電流只能夠從零逐漸增加；到t2時，電流達(dá)到最大值，此時電感存儲的能量也達(dá)到最大；電流達(dá)到最大值的時間稍微滯后與電壓最大值。212Ld dWL i當(dāng)觸發(fā)脈當(dāng)觸發(fā)脈沖

11、到來時沖到來時第1章第21頁 3.1.1 3.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路圖2 帶阻感負(fù)載單相半波可控整流電路及波形t1 t2期間，感應(yīng)電動勢電流上升期間，感應(yīng)電動勢的方向阻礙電流變大，方向與電源電壓方向相反，上正下負(fù)。第1章第22頁 3.1.1 3.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路圖2 帶阻感負(fù)載單相半波可控整流電路及波形工作情況分段描述：t2 t3 t2 t3 期間，電流從最大值開始下降；此時電感產(chǎn)生的電動勢阻礙電流下降； 在t3=,電源電壓過零。但由于電感中感應(yīng)電動勢的作用，使晶閘管仍然承受正向電壓，仍維持導(dǎo)通；第1章第23頁 3.1.1 3.1.1

12、單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路電感作用分析 電感的存在，使負(fù)載電壓波形出現(xiàn)負(fù)電壓；電感越大，導(dǎo)通角越大，負(fù)面積也越大；當(dāng)電感增大到使負(fù)面積接近正面積時，整流輸出的直流電壓Ud接近0。243.1.1 單相半波可控整流電路3）加續(xù)流二極管的情況）加續(xù)流二極管的情況u2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRa)圖3-4 單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形 當(dāng)u2過零變負(fù)時，VDR導(dǎo)通，ud為零，VT承受反壓關(guān)斷。L儲存的能量保證了u2過零變負(fù)時，電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程稱為續(xù)流續(xù)流。 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系(id近似

13、恒為Id）ddVT2II（2-5）d2dVT2)(21ItdII（2-6）ddVDRII2（2-7）d22dVD2)(21RItdII（2-8）返回返回253.1.1 單相半波可控整流電路VT的 移相范圍為0180 。簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。實際上很少應(yīng)用此種電路。分析該電路的主要目的建立起整流電路的基本概念。 單相半波可控整流電路的特點(diǎn)：單相半波可控整流電路的特點(diǎn)：返回返回 1、阻感負(fù)載相對于電阻性負(fù)載而言，前者輸出電壓的平均值，輸出電流的平均值都有什么樣的變化？ 2、在阻感負(fù)載的兩端反并聯(lián)二極管的作用是什么？ 3、當(dāng)電感很大時，畫出阻感負(fù)載

14、兩端反并聯(lián)二極管時， （1）導(dǎo)通角為60度時的輸出電壓波形 （2）流過晶閘管電流的波形 （3）流過二極管電流的波形3.1.2 3.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路3.1.2 3.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)掌握掌握電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)觸發(fā)脈沖的規(guī)律觸發(fā)脈沖的規(guī)律晶閘管導(dǎo)通的規(guī)律晶閘管導(dǎo)通的規(guī)律波形波形-輸出波形：電壓、電流波形輸出波形：電壓、電流波形 -晶閘管波形：電壓、電流波形晶閘管波形：電壓、電流波形 -變壓器二次側(cè)電流波形變壓器二次側(cè)電流波形導(dǎo)通角范圍、晶閘

15、管承受的最大電壓值導(dǎo)通角范圍、晶閘管承受的最大電壓值數(shù)量參數(shù)計算：數(shù)量參數(shù)計算：輸出、晶閘管、變壓器輸出、晶閘管、變壓器3.1.2 3.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)觸發(fā)脈沖的規(guī)律觸發(fā)脈沖的規(guī)律晶閘管導(dǎo)通的規(guī)律晶閘管導(dǎo)通的規(guī)律3.1.23.1.2單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路1) 帶電阻負(fù)載的工作情況帶電阻負(fù)載的工作情況圖5 單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形工作原理及波形分析工作原理及波形分析VT1和和VT4組成一對橋臂組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，

16、當(dāng)u2過零時關(guān)斷。VT2和和VT3組成另一對橋組成另一對橋臂，臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷。圖5 單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形p在電源正半周，在電源正半周，a正正b負(fù)；負(fù)；VT1和VT4會承受正向陽極電壓，給VT1和VT4同時加脈沖，則VT1和VT4會導(dǎo)通；電流id從電源a端經(jīng)VT1、負(fù)載Rd及VT4回到電源b端，負(fù)載上得到電壓ud為電源電壓u2（忽略VT1和VT4的導(dǎo)通壓降），方向為上正下負(fù)；VT2和VT3因承受反壓而不會導(dǎo)通；電流波形id與ud相同。工作原理及波形分析工作原理及波形分析 正半周正半周+-圖5 單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波

17、形pu2負(fù)半周，a-，b+；VT2和VT3會承受正向電壓，在時刻給VT2和VT3同時加脈沖，會被觸發(fā)導(dǎo)通。電流id從電源b端經(jīng)VT3、負(fù)載Rd及VT2回電源a端，負(fù)載上得到電壓ud仍為電源電壓u2，方向也還為上正下負(fù)也還為上正下負(fù)，與正半周一致。VT1和VT4則承受反壓u2而處于 截止截止 狀狀態(tài)。u2過零時，id也過零，使VT2和VT3關(guān)斷。工作原理及波形分析工作原理及波形分析 負(fù)半周負(fù)半周-+圖5 單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形從圖中可看出，負(fù)載上的直流電壓輸出波形比單相半波時多了一倍，晶閘管的控制角可從0180，導(dǎo)通角為-。晶 閘 管 承 受 的 最 大 電 壓為 。一個周期內(nèi)觸發(fā)

18、脈沖的觸發(fā)次數(shù)_。該部分內(nèi)容要理解。該部分內(nèi)容要理解。工作原理及波形分析工作原理及波形分析 小結(jié)小結(jié)電路參數(shù)的計算電路參數(shù)的計算 2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUUa 角的移相范圍為向負(fù)載輸出的平均電流值為：2cos19 . 02cos12222ddRURURUI輸出電壓平均值的計算公式： 0180流過每只晶閘管的電流平均值，只有輸出直流平均值流過每只晶閘管的電流平均值，只有輸出直流平均值的一半，即：的一半，即：2cos145. 0212ddVTRUII 流過晶閘管的電流有效值：流過晶閘管的電流有效值：由上兩式得：2sin212)(d)sin2(21222

19、VTRUttRUIII21VTiVT1,4變壓器的容量 S=U2I2。從而可以得出電路功率因數(shù)。2221cossin2,0,cos?2U IPUSU IU 變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII2）帶阻感負(fù)載的工作情況）帶阻感負(fù)載的工作情況 u圖6 單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形 假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)，且波形近似為一條直線 。ud的波形出現(xiàn)了負(fù)半周部分此時的導(dǎo)通角是多大？正半周正半周u圖6 單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形 電源u2正半周，觸發(fā)VT1和VT4導(dǎo)通，輸出電壓ud=u2。至電源電壓過零變負(fù)時

20、至電源電壓過零變負(fù)時，由于電感產(chǎn)生的自感電動勢會使自感電動勢會使VT1和VT4繼續(xù)導(dǎo)通，輸出電壓仍為udu2，所以出現(xiàn)了負(fù)電壓輸出。VT2和VT3雖然已承受正向電壓，但還沒有觸發(fā)脈沖，所以不會導(dǎo)通。 負(fù)半周負(fù)半周圖6 單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形 至t=+ 時刻，給VT2和VT3同時加觸發(fā)脈沖，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱換相，亦稱換流。此過程稱換相，亦稱換流。圖6 單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形 兩組管子輪流導(dǎo)通，每只晶閘管的導(dǎo)通時間比電阻性負(fù)載時延長

21、了； 導(dǎo)通角 = ，與無關(guān)； 正半周電流由VT1、4流過，負(fù)半周電流由VT2、3流過；形狀均為方波； 變壓器二次側(cè)的波形為正負(fù)交替的方波。在 時，輸出電壓Ud最小，等于零。因此，因此， a 的移相范圍是的移相范圍是090。在 時，輸出電壓Ud最大，輸出電壓平均值：單相全控橋式整流電路 帶電感性負(fù)載電路參數(shù)的計算d212sind()UUtt 0209 . 0 UUd 90負(fù)載電流平均值的計算公式： cos9 . 02ddddRURUI20.9cosU晶閘管導(dǎo)通角晶閘管導(dǎo)通角與與a無關(guān)，均為無關(guān)，均為180 。所以，流過一只晶閘管的電流平均值和有效值：ddT21IITd12II晶閘管可能承受的最大

22、正反向電壓均為：晶閘管可能承受的最大正反向電壓均為： 22TMUU變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id=id。反并聯(lián)續(xù)流二極管為擴(kuò)大移相范圍，去掉輸出電壓的負(fù)值，提高Ud的值，可在負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，如圖所示。接續(xù)流二極管以后，的移相范圍可以擴(kuò)大到0180。 反并聯(lián)續(xù)流二極管負(fù)載電壓ud波形不再出現(xiàn)負(fù)值負(fù)載電流波形仍為一條水平線變小， = 續(xù)流管的導(dǎo)通角為2 變壓器二次電流導(dǎo)通角度每周期減少2 （例題，（例題，p27p27）單相橋式全控整流電路大電感負(fù)）單相橋式全控整流電路大電感負(fù)載。載。U U2 2=220V, =220V, Rd=4，當(dāng)觸

23、發(fā)角為，當(dāng)觸發(fā)角為3030度度時不接續(xù)流管與接續(xù)流管兩種情況下：輸出電壓波形、輸電流波形 晶閘管兩端電壓、電流波形 續(xù)流二極管電流波形 輸出電壓的平均值、二極管電流的平均值接續(xù)流管時21 cos1 0.50.90.9 220148.522dUUVV148.5374dddUIAR1801203712.3360360dTdIIAA1203721.4360360TTdIIA3） 帶反電動勢負(fù)載時的工作情況帶反電動勢負(fù)載時的工作情況圖7 單相橋式全控整流電路接反電動勢電阻負(fù)載時的電路及波形 在|u2|E時，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。在a 角相同時，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時大。導(dǎo)通之后， ud

24、=u2， ，直至|u2|=E，id即降至0使得 晶閘管關(guān)斷，此后ud=E 。REuidd與電阻負(fù)載時相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電， 稱為停止導(dǎo)電角。當(dāng)當(dāng) d d 時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。圖7b 單相橋式全控整流電路接反電動勢電阻電阻負(fù)載時的波形 觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng) t =d d 時刻有晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為觸發(fā)角被推遲為d d。 如圖如圖7b所示所示id波形所示：波形所示：b)u電流斷續(xù)電流斷續(xù)電流連電流連續(xù)續(xù)idOEdtIdOtd負(fù)載為直流電動機(jī)時，如果出現(xiàn)

25、電流斷續(xù)，則電動機(jī)的機(jī)械特性將很軟 。為了克服此缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個平波電抗器平波電抗器。輸出電流波形基本連續(xù)。圖8 單相橋式全控整流電路帶反電動勢負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況臨界情況（Single Phase Full Wave Controlled Rectifier)單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。變壓器不存在直流磁化的問題。圖9 單相全波可控整流電路及波形3.1.3 單相全波可控整流電路3.1.3單相全波可控整流電路單相全波與單相全控橋的區(qū)別：單相全波與單相全控橋的區(qū)別：單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材料的消耗多。單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，相應(yīng)地，門極驅(qū)動電路也少2個；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。單相全波導(dǎo)電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，因而管壓降也少1個。從上述后兩點(diǎn)考慮，單相全波電路有利于在低輸出低輸出電壓的場合電壓的場合應(yīng)用。3.1.4單相橋