整流與有源變ppt課件

1、第第2 2章章 整流與有源逆變整流與有源逆變 2.1 概述將交流電轉換成直流電的變換稱之為整流，實現(xiàn)整流變換的安裝稱之為整流器。 可控整流不控整流 整流整流 逆變在整流變換過程中，其平均功率或能量的流向是從交流電源流向直流負載。 工業(yè)運用中經(jīng)常需求把直流電能轉換成交流電能，這種對應于整流的逆向過程稱之為逆變 。有源逆變無源逆變在逆變過程中，其平均功率或能量是從直流側流向交流側的。 圖2-1 整流與逆變的功率流向 圖2-2 部分常用的整流電路全波半波按變壓器繞組電流橋式零式按電路結構六相三相單相按電源相數(shù)全控整流半控整流可控整流不控整流按組成器件可控整流電路的主元件在采用晶閘管時，其控制方式都采

2、用相位控制，故這類整流電路又稱之為相控整流。 cd除c、d外aef、gb、f c、d、e、ga、b*、fc、d、e、g2.2 單相可控整流電路圖2-3 電阻性負載的單相半波整流電路及其任務波形 2.2.1電阻性負載的單相半波可控整流理想化假設 :1.開關元件是理想的 2.變壓器是理想的 3.電網(wǎng)電壓是理想的正弦波 一任務原理 二控制角、元件導通角 三輸出電壓四輸出電流 五元件電壓 )cos1 (22sin22112200UttdUdtuTUTdtdtRUdtiTIIITVT2220020sin2211RU22sin4122.2.2 電感性負載的單相半波可控整流 圖2-4 電感負載的單相半波可控

3、整流電路 一無續(xù)流二極管電路的任務原理及波形一無續(xù)流二極管電路的任務原理及波形 電路圖如圖電路圖如圖2-4a所示，電源電壓如圖所示，電源電壓如圖2-4b所所示，觸發(fā)信號仍為與電源同步且控制角為的脈沖，示，觸發(fā)信號仍為與電源同步且控制角為的脈沖，如圖如圖2-4c所示。所示。在在 到到 階段，晶閘管階段，晶閘管VT接受正向電壓但接受正向電壓但沒有觸發(fā)信號，晶閘管不會導通，沒有觸發(fā)信號，晶閘管不會導通， 、 都等于零。都等于零。當當 的的 時辰，晶閘管時辰，晶閘管VT被觸發(fā)導通被觸發(fā)導通.導通期導通期間內(nèi)有方程間內(nèi)有方程 解此方程可得輸出電流為解此方程可得輸出電流為:當當 電源電壓過零時，由于電感的

4、存在，這時電源電壓過零時，由于電感的存在，這時的電流并不為零，晶閘管的電流并不為零，晶閘管VT不會關斷。不會關斷。 可得關可得關于導通角的方程為于導通角的方程為在在 之后，由于晶閘管之后，由于晶閘管VT關斷，關斷， 、 又都堅持又都堅持為零，直至下一個周期又反復上面分析的過程。為零，直至下一個周期又反復上面分析的過程。 0tt0u0it 1ttUdtdiLRiusin22000t22210)sin(2)sin(2)()()(gtezUtzUtititit 0)sin()sin(tge4tt 0u0i二有續(xù)流二極管電路的任務原理二有續(xù)流二極管電路的任務原理 為了提高整流器輸出電壓的平均值和減小變

5、壓器的發(fā)熱損耗，按圖2-5a)所示極性在負載兩端并聯(lián)一功率二極管VD， VD稱為續(xù)流二極管。 圖2-5 有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路及其任務波形 三有續(xù)流二極管電路任務時的數(shù)學表達式 1輸出電壓在電流斷續(xù)、電流延續(xù)或電感足夠大的幾種情況下，有續(xù)流二極管電路的輸出電壓在一個周期內(nèi)的表達式都為輸出電壓 的直流分量平均值 為 2負載電阻R上電壓平均值 3輸出電流平均值 4元件電壓、元件電流 晶閘管VT所接受的斷態(tài)正向峰值電壓、反向峰值電壓及二極管VD的反向峰值電壓都為 。5控制角的有效移相范圍為 . 20sin220tttUu0udU)cos1 (222UUUdRd)cos1 (222RURU

6、IIRdRdd22U06晶閘管VT的元件導通角 。2.2.3 2.2.3 電阻負載的單相橋式全控整流電路電阻負載的單相橋式全控整流電路 圖2-6 電阻負載的單相橋式可控整流電路及任務波形一任務原理一任務原理圖圖2-6的橋式整流電路與圖的橋式整流電路與圖2-3的單相半波整的單相半波整流電路相比，橋式整流把電源電壓的負半流電路相比，橋式整流把電源電壓的負半波也利用起來了，使輸出電壓在一個電源波也利用起來了，使輸出電壓在一個電源周期中由原來的只需一個脈波變成了有二周期中由原來的只需一個脈波變成了有二個脈波，改善了波形，提高了輸出。在變個脈波，改善了波形，提高了輸出。在變壓器的副方繞組中，繞組電流的波

7、形如圖壓器的副方繞組中，繞組電流的波形如圖2-6h所示，兩個半周期的電流方向相反所示，兩個半周期的電流方向相反且波形對稱，因此不再存在半波整流電路且波形對稱，因此不再存在半波整流電路中的變壓器直流磁化問題，提高了變壓器中的變壓器直流磁化問題，提高了變壓器的繞組利用率。的繞組利用率。 二輸出電壓二輸出電壓 的平均值的平均值cos9 . 0cos22sin21122200UUttdUdtuTUTd三電感三電感L L上的電壓及電阻上的電壓及電阻R R上的電壓上的電壓dRRdRUuUu00uuuuuRLL四輸出電流四輸出電流 RURUIIIddcos9 . 0220五晶閘管電流五晶閘管電流 由于兩晶閘

8、管對輪番導通，在一個正弦周期內(nèi)各導通180，故流過各晶閘管上的電流是幅值為 、寬度為180的矩形波電流，所以其平均值為晶閘管電流的有效值為dIdTdII212dTII六元件電壓六元件電壓 元件的最大斷態(tài)正向電壓、最大反向電壓都為元件的最大斷態(tài)正向電壓、最大反向電壓都為 。22U七控制角與導通角七控制角與導通角 控制角的有效移相范圍為控制角的有效移相范圍為 ，但從式，但從式2-18可看到，當可看到，當 時，時，輸出電壓的平均值為負。元件的導通角輸出電壓的平均值為負。元件的導通角 。 02/ 2.2.5 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路圖2-8 單相橋式半控整流電路及其L足夠大時的任務波形

9、一晶閘管共陰極接法電路從波形圖可知，輸出電壓的平均值為)cos1(22UUd失控景象失控景象圖2-9 單相橋式半控整流電路失控時的波形二 有續(xù)流二極管的晶閘管共陰極接法電路圖2-10 有續(xù)流二極管的單相半控整流電路及其L足夠大時的任務波形 三晶閘管在同一橋臂的三晶閘管在同一橋臂的電路電路圖2-11 晶閘管在同一橋臂的單相半控整流電路及其L足夠大時的任務波形 2.3 2.3 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路圖2-12 電阻負載時的三相半波可控整流電路及 時的任務波形 0一控制角及觸發(fā)脈沖順序三個晶閘管的導照射序是 1531VTVTVTVT二 時輸出電壓在一個周期中的分段表達式為輸出電壓的

10、平均值為 電流是延續(xù)的 ，其平均值為 0390270270150150300tututuuWVU2226560017.1263sin2231UUttdUdtuTUTddddddRURURUI2217. 1263三 時300圖2-13 時電阻負載的三相半波可控整流電路波 形 30圖2-14 電阻負載三相半波可控整流 時的任務波形圖 60 時，輸出電壓的平均值為 ：輸出電流的平均值元件電流的平均值元件電流的有效值 、變壓器副方繞組電流的有效值 為300UttdUUdcos263sin22322656cos2632ddddRURUIcos2632ddTdRUIITI2I2cos4331)sin2(2

11、12226562ddTRUtdtRUII2.3.2 2.3.2 電感負載的三相半波可控整流電路電感負載的三相半波可控整流電路圖2-15 電感性負載三相半波可控整流 時的任務波形 60一任務原理一任務原理二輸出直流電壓的平均值二輸出直流電壓的平均值 dtuTUTd0016562sin223ttdUcos17. 1cos26322UU三輸出電流的平均值三輸出電流的平均值cos2632dddRURUI)2(四晶閘管元件電流四晶閘管元件電流 dTdII31ddTItdIII332123202五晶閘管電壓五晶閘管電壓 最大反壓，最大正向阻斷電壓都為26U六控制角的移相范圍六控制角的移相范圍 的移相范圍應

12、是 ，有續(xù)流二極管時 90015002.3.3 2.3.3 共陽極銜接的三相半波可控整流電路共陽極銜接的三相半波可控整流電路 圖2-17 共陽極銜接的三相半波可控整流電路及a)波形電路圖 b0時的波形圖 c30時的波形圖 2.4 三相橋式全控整流電路 三相半波整流電路雖然較單相整流電路來說在安裝容量、輸出電壓的脈動等許多方面有了很大的改善，但三相半波整流電路的輸出在每個電源周期中仍只需3個脈波，且整流變壓器中還存在著嚴重的直流磁化電流問題。因此在工業(yè)消費中最大量運用的是三相橋式整流電路 本節(jié)將只討論三相橋式全控整流器的理想任務形狀。所謂理想任務形狀是假設具有如下的理想條件： 理想變壓器。即變壓

13、器的漏抗、繞組電阻和勵磁電流都可忽略。 晶閘管元件是理想的。 電感性負載時，直流電感Ld足夠大，輸出電流的紋波可以不計。 電源為三相對稱系統(tǒng)，其表達式如式)34-tsin(2)32sin(2sin2222UutUutUuWVU2.4.1 2.4.1 電阻性負載電阻性負載 時時0圖2-18 電阻性負載三相橋式全控整流 時的任務波形 0一任務原理一任務原理 那末，對上組共陰銜接組晶閘管，在 RS之間是 導通， 、 接受反壓而關斷；在 之間是 導通；在 之間是 導通。 15030t3VT5VT270150t3VT390270t5VT同理，對下組共陽銜接組晶閘管， 的導通區(qū)間是 ， 的導通區(qū)間是 ，

14、的導通區(qū)間是 。 2VT)(21090BA4VT)(330210CB6VT)(450330AC六只晶閘管導通的順序是 。 1VT2VT3VT4VT5VT6VT1VT1VT 二三相橋式可控整流電路二三相橋式可控整流電路觸發(fā)脈沖的方式觸發(fā)脈沖的方式圖2-19 觸發(fā)脈沖的三種方式在晶閘管需導通的區(qū)域僅用初始的一個窄脈沖去觸發(fā)的方式稱“單窄脈沖觸發(fā) 每個元件除了在各自的換流點處有一個脈沖之外，還在60度電角度之后的下一個導通元件的導通時辰補了一個脈沖。所補的脈沖在電流延續(xù)的穩(wěn)態(tài)任務時并不起任何作用，但它卻是電路啟動及在電流斷續(xù)時使電路正常任務所不可短少的，這種觸發(fā)方式稱之為“雙窄脈沖觸發(fā)。 假設把上面

15、的雙窄脈沖連成一個寬脈沖，電路當然也可正常任務，這種觸發(fā)方式稱之為“寬脈沖觸發(fā) 2.4.2 電阻性負載 時 0圖2-20 電阻性負載三相全控整流橋的任務波形 60一 時 06電路穩(wěn)態(tài)任務時，電流在 時是延續(xù)的；在 時電流處于臨界延續(xù)形狀。輸出電壓的平均值為 60600tdtUtdudtuTUUVTd)6sin(2332612262600cos34. 2cos6322UU 60二 時輸出電壓平均值為)3cos(1 63)6sin(232622656UtdtUUd圖2-21 電阻性負載三相全控整流橋 的任務波形 902.4.3 2.4.3 電感性負載時電感性負載時圖2-22 大電感負載時三相橋式全

16、控整流電路及其在 時的波形 30一任務原理二輸出電壓tdtUdtuTUTd)6sin(2326122600cos34. 2cos6322UU三輸出電流 cos632ddddRURUI 四元件電流和變壓器副方繞組電流 dTTTdIdtiTI3110ddUTItdIdtiTI322212656202五元件電壓 圖2-23給出了三相橋式全控整流電路大電感負載在不同控制角時的輸出電壓波形，從圖中可看到當控制角變化時輸出電壓的變化情況。圖2-23 三相橋式全控整流電路大電感負載在不同控制角時的波形圖2.5 整流電路換流過程 2.5.1 換流過程分析圖2-24 有交流電感的三相橋式全控整流電路及 時的波形

17、 30同一組中有兩管同時導通的期間稱之為換流期間 VT5與VT1換流期間的等值電路可畫成如圖2-25所示，圖中在思索到直流側電感的作用后把負載電路已作為恒流源處置。 圖2-25 VT5與VT1換流時的等效電路換流期間，有方程： UWTCTCdTTudtdiLdtdiLIii5151一換流期間的電壓一換流期間的電壓 02121651dtdILdtdiLuudtdiLuudtdiLudCTCLCVUWTCLCWUWTCLCU輸出電壓為 ：)(2121210UVWVUWUVVUWUNPuuuuuuuuuu 對于其它換流期間，也可得到類似的表達式，由此可以得到的結論是： 1。換流期間參與換流的交流側電

18、感上的壓降其大小等于參與換流的兩相線電壓的1/2兩個相電壓之差的1/2，不參與換流相電感上的壓降為零； 2。換流期間換流元件處輸出點的電位等于參與換流的兩相電壓的算術平均值兩個相電壓之和的1/2； 3。換流期間的輸出電壓是不計時的輸出電壓減去換流電感上的電壓值，或者說是換流前與換流后兩個輸出線電壓的算術平均值兩個線電壓之和的1/2。 ULICd)32(coscos21二換流期間的電流二換流期間的電流 )6cos(cos2621tLUiCT)6cos(cos26215tLUIiIiCdTdT換流期間的換流電流是按余弦曲線規(guī)律變化的曲線，其波形如圖2-24d所示。三換流角 換流過程所對應的時間用電

19、角度表示，叫換流角 2.5.2 2.5.2 換流對整流電路的影響換流對整流電路的影響 一交流電感上的電壓 CdCdAXILIS式中 整流電路交流側的等效內(nèi)電抗。CCLX二交流電感對輸出電壓平均值的影響CddCddXIUXIUU3)(3cos632三交流電感對元件電流變化率的影響)(262dtdiULsC四思索交流側電感后的元件電壓以晶閘管VT1為例，所受的電壓在思索交流側電感后應為 PLCUUTuuuu12.6 有源逆變電路 把直流變換成交流的變換稱之為逆變，實現(xiàn)逆変的電路及安裝稱逆変電路、逆変器 有源逆變是把直流電能所轉換的交流電能保送給交流電網(wǎng)。 對既需在整流形狀任務又需在逆變形狀任務的整

20、流器可稱之為整流/逆變變換器或籠統(tǒng)地稱之為變換器。 2.6.1 有源逆變產(chǎn)生條件 一電源間能量傳送的條件 當變換器進入有源逆變形狀時，當變換器進入有源逆變形狀時，從能量傳送的角度看是把直流從能量傳送的角度看是把直流側的能量傳送到交流電網(wǎng)中去，側的能量傳送到交流電網(wǎng)中去，因此直流側必需求有一個能量因此直流側必需求有一個能量源，也即直流側要有一個直流源，也即直流側要有一個直流電源或等效的直流電源如儲電源或等效的直流電源如儲能的電感線圈。能的電感線圈。 二有源逆變條件 直流側必需有一個直流電源。其電動勢極性必需和變換器所允許的電流流動方向一致；在無特別的附加限流電阻的情況下，其電勢值應小于變換器所能

21、產(chǎn)生的最大負壓的幅值三相橋式為。 變換器應是可輸出負壓的全控整流橋，且控制角能移到 的區(qū)域內(nèi)。由于對于全控整流橋，假設控制角移相范圍不夠，移不到大于區(qū)域 中去時，那么無法得到負電壓；同樣，對于半控橋或帶有續(xù)流二極管的整流橋，即使 也無法得到負電壓。 當上述兩條同時滿足，使電路投入任務，調(diào)理控制角大于 ，且使 略小于 時有源逆變就可正常任務。 9090 9090dUBE2.6.2 三相橋式有源逆變電路 圖2-28 三相橋式有源逆變電路a原理電路 b 時的任務波形 c逆變顛覆時的輸入波形 150 一任務原理 各元件的任務情況和整流形狀時一樣：在非換流期間，上、下元件組各有一個元件導通，在換流的期間

22、內(nèi)，電路中有三個元件導通。 電路每隔 出現(xiàn)一次元件換流，并 按的次序輪番進展。每個元件的導通角 。 由于控制角 ，其輸出電壓的平均值為負值，三相橋式全控整流器運轉在逆變?nèi)蝿?，?的波形如圖2-28b)所示。 3/RCTBSAR120 900u二輸出電壓的平均值 由上述情況可知，有源逆變電路的任務規(guī)律與整流時一樣，當忽略換流過程時，其逆変器直流側平均電壓可以直接用式2-44求得 UUUdmdcoscos632式中 為 時的輸出電壓平均值，也即可輸出的最大直流電壓。 0dmU思索換流過程時，設換流區(qū)間為 ，輸出電壓的平均值： tdutduUUWUVd2126266626 三晶閘管電壓 在逆變?nèi)蝿招?/p>

23、狀運轉時，晶閘管端電壓的波形如圖2-28b所示 。 t150max 30min2.7 電動勢負載和電容性負載的整流電路 2.7.1 電動勢負載的可控整流電路(一) 時的任務情況 0dL圖2-31 三相橋式整流電路反電勢負載 時的電路及波形 0dL電流延續(xù)時輸出電壓的平均值及輸出電流平均值分別為REUIUUddddcos632電流斷續(xù)時，輸出電壓 dUVEtUuu)6sin(620)2()6()6()6(00tt電流斷續(xù)時輸出電壓的平均值為tdEtdutduUdUVd26660366003326)3(3)62cos(2sin660002dEU二 00ddRL，圖2-32 三相橋式整流電路反電勢負

24、載 且 時的電路及波形 0dL)23cos()2sin22cos(6300002ddLUIsin2178. 0sin)631 (63)(22mindddLULUI)() 1 . 005. 0(10693. 0)(2sin)(10693. 023min23HIUHIULdNdd)() 1 . 005. 0(693. 02mHIUdNdNdII%)10%5()(mintdiId0660262.7.2 電容濾波的不控整流電路圖2-33 電容濾波、單相半波整流電路及其波形 一任務原理 設當 時合閘，使電路投入任務。合閘時電容兩端的電壓初始值 。合閘后，二極管VD導通，導通后電路的方程為)sin(2co

25、s2sin2sin2222222tzUiiitCUdtduCitRURuitUuuuCRCCRRRC0t0)0(cu 時，將過零而使VD關斷，VD導通階段終了。這時電容上的電壓值記為，有t)sin(220UUCsin22U)(10tRCCRCeUuuRCRCCCeUeUuUUusin2sin2)2sin(22)2(10222RCesinsin二濾波電容二濾波電容C C對整流電路的對整流電路的影響影響 1對輸出電壓的影響 圖2-33 電容濾波、單相半波整流電路及其波形 結論是，電容濾波的不控整流電路其輸出電壓平均值不是一個定數(shù)，它將隨著RC的變化而變化。當電阻R減小負載電流增大，或當電容容量C減

26、小，那么輸出電壓降低、電壓動搖加大。輸出電壓平均值的最大值是輸出電壓瞬時值的峰值，輸出電壓平均值的最小值是該電路在電阻負載情況下的輸出電壓平均值。輸出電壓平均值的最大值與最小值在不同電路方式下的值如下表所示： maxdU22U22U26UmindU222U2263U263U單相橋式不控整流 三相半波不控整流 三相橋式不控整流 2對輸入電流的影響 從上面的分析可知，假設R一定，C添加大時，輸出電壓的平均值添加， 的平均值也將增大，而這時VD的導通角將減小，必然的結果是 的幅值要添加，因此，為了要減小電壓動搖而增大電容C的結果是使輸入電流 的有效值大大添加，使 的脈動添加，其結果是必需求添加整流二

27、極管的電流容量。這在參數(shù)選擇時應給予留意。 Ri2i2i2i3初始合閘相位的影響 在三相橋式整流電路中，無論何時合閘，總有一相處在較高的正電壓位置，這就必需在合閘的過程中要加有限流措施，或在電路中串入限流電阻，合閘完成后再切除短路限流電阻，或串入一個小電感，以限制其過大的合閘電流。 三濾波電容的工程計算 圖2-34 單相橋式整流電路濾波電容計算的波形圖 單相橋式整流電路 2max2%)1ln() 1%(2%)1arcsin(%)1ln(2%)1arcsin(UUUIURUUCd根據(jù)同樣的方法，可求得三相橋式不控整流電路濾波電容的計算公式為RUUC%)1ln(6%)1arcsin(2.8 可控整

28、流器主電路的參數(shù)選擇2.8.1 整流變壓器參數(shù)計算 在整流電路中，整流變壓器處于交流電網(wǎng)和整流電路之間，其作用是：變換電壓 抑制干擾 缺點隔離 (一二次側相電壓有效值 的計算 2UdUUcos233232102KUKKKUdN 二二次側相電流有效值 的計算2IddIII816. 0322 三一次側相電流有效值 的計算1I2121INNI 四二次側容量和一次側容量 的計算1S圖2-35 三相零式整流電路aD/Y結合的原理電路 b電流波形 dddIIII578. 031322122ddddIIIII472. 03234)31(32)32(21221)(2121SSS2.8.2 電抗器電感量的計算一

29、反電勢負載維持電流延續(xù)所需的電感量 dNdIUL) 1 . 005. 0(693. 02式中，常系數(shù)0.693是與整流電路方式及電源頻率有關的，假設三相半波那么為1.46，單相橋式那么為2.86 二為限制短路電流所需的的 計算dL)(847. 5)(65 . 122mHIKUIIULdNddtdmd三限制電流脈動所需的電感量 )(22)/(2122HISUhfkISUfUUIULdNihdNihhMhMhhMd2.8.3 晶閘管參數(shù)選擇 由前面分析可知，晶閘管在三相橋式電路中必需接受的最高電壓為元件正反向反復峰值電壓必需滿足 26UUTm26UKUUurrmdrm一電壓容量選擇 二電流容量選擇 而元件的電流容量必需滿足dTaiTaIKIKI357. 1電流的平安系數(shù)，在普通工頻運轉條件下取 5 . 12 . 1iK2.9 晶閘管觸發(fā)電路2.9.1 晶閘管觸發(fā)電路的根本要求觸發(fā)信號應有適宜的功率電壓及電流。觸發(fā)信號的起始時辰應滿足主電路的要求。 觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，以保證晶閘管在需求導通的區(qū)域都能可靠地開通。 觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖波形應滿足主電路的需求。 2.9.2 觸發(fā)電路的輸出級 圖2-36 無電隔離的觸發(fā)信號輸出級電路a單結晶體管輸出 b晶體管功放輸出 c輸出脈沖波形圖2-