整流與有源變課件

第2章整流與有源逆變

2.1概述將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的變換稱之為整流，實(shí)現(xiàn)整流變換的裝置稱之為整流器。

可控整流不控整流整流

逆變?cè)谡髯儞Q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(fù)載。

工業(yè)應(yīng)用中常常需要把直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，這種對(duì)應(yīng)于整流的逆向過程稱之為逆變。無(wú)源逆變?cè)谀孀冞^程中，其平均功率（或能量）是從直流側(cè)流向交流側(cè)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◤可控整流電路的主元件在采用晶閘管時(shí)，其控制方式都采用相位控制，故這類整流電路又稱之為相控整流。◢

c）d）除c）、d）外a）～e）f）、g）b）、f）c）、d）、e）、g）a）、b）*、f）c）、d）、e）、g）2.2單相可控整流電路圖2-3電阻性負(fù)載的單相半波整流電路及其工作波形

2.2.1電阻性負(fù)載的單相半波可控整流理想化假設(shè):1.開關(guān)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）工作原理（二）控制角、元件導(dǎo)通角（三）輸出電壓（四）輸出電流（五）元件電壓（二）有續(xù)流二極管電路的工作原理為了提高整流器輸出電壓的平均值和減小變壓器的發(fā)熱損耗，按圖2-5a)所示極性在負(fù)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工作波形

（三）有續(xù)流二極管電路工作時(shí)的數(shù)學(xué)表達(dá)式

1．輸出電壓在電流斷續(xù)、電流連續(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(gè)周期內(nèi)的表達(dá)式都為輸出電壓的直流分量（平均值）為

2．負(fù)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所承受的斷態(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.

6．晶閘管VT的元件導(dǎo)通角。2.2.3電阻負(fù)載的單相橋式全控整流電路圖2-6電阻負(fù)載的單相橋式可控整流電路及工作波形（一）工作原理圖2-6的橋式整流電路與圖2-3的單相半波整流電路相比，橋式整流把電源電壓的負(fù)半波也利用起來(lái)了，使輸出電壓在一個(gè)電源周期中由原來(lái)的只有一個(gè)脈波變成了有二個(gè)脈波，改善了波形，提高了輸出。在變壓器的副方繞組中，繞組電流的波形如圖2-6h）所示，兩個(gè)半周期的電流方向相反且波形對(duì)稱，因此不再存在半波整流電路中的變壓器直流磁化問題，提高了變壓器的繞組利用率。

（二）輸出電壓的平均值（三）電感L上的電壓及電阻R上的電壓（四）輸出電流

（五）晶閘管電流

由于兩晶閘管對(duì)輪流導(dǎo)通，在一個(gè)正弦周期內(nèi)各導(dǎo)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（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。（七）控制角與導(dǎo)通角控制角的有效移相范圍為，但從式（2-18）可看到，當(dāng)時(shí)，輸出電壓的平均值為負(fù)。元件的導(dǎo)通角。

（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(shí)的工作波形

（三）晶閘管在同一橋臂的電路圖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(shí)的工作波形

2.3三相半波可控整流電路圖2-12電阻負(fù)載時(shí)的三相半波可控整流電路及時(shí)的工作波形

（一）控制角及觸發(fā)脈沖順序三個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序是

（二）時(shí)輸出電壓在一個(gè)周期中的分段表達(dá)式為輸出電壓的平均值為

電流是連續(xù)的，其平均值為（三）時(shí)圖2-13時(shí)電阻負(fù)載的三相半波可控整流電路波形

圖2-14電阻負(fù)載三相半波可控整流時(shí)的工作波形圖

時(shí)，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2.3.3共陽(yáng)極連接的三相半波可控整流電路

圖2-17共陽(yáng)極連接的三相半波可控整流電路及a)波形電路圖b）α＝0°時(shí)的波形圖

c）α＝30°時(shí)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(lái)說(shuō)在裝置容量、輸出電壓的脈動(dòng)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(gè)電源周期中仍只有3個(gè)脈波，且整流變壓器中還存在著嚴(yán)重的直流磁化電流問題。因此在工業(yè)生產(chǎn)中最大量使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工作狀態(tài)。所謂理想工作狀態(tài)是假設(shè)具有如下的理想條件：①理想變壓器。即變壓器的漏抗、繞組電阻和勵(lì)磁電流都可忽略。②

晶閘管元件是理想的。③電感性負(fù)載時(shí)，直流電感Ld足夠大，輸出電流的紋波可以不計(jì)。④電源為三相對(duì)稱系統(tǒng)，其表達(dá)式如式2.4.1電阻性負(fù)載時(shí)圖2-18電阻性負(fù)載三相橋式全控整流時(shí)的工作波形（一）工作原理那末，對(duì)上組（共陰連接組）晶閘管，在（R～S）之間是導(dǎo)通，、承受反壓而關(guān)斷；在之間是導(dǎo)通；在之間是導(dǎo)通。

同理，對(duì)下組（共陽(yáng)連接組）晶閘管，的導(dǎo)通區(qū)間是，的導(dǎo)通區(qū)間是，的導(dǎo)通區(qū)間是。

六只晶閘管導(dǎo)通的順序是→→→→→→。

2.4.2電阻性負(fù)載時(shí)

圖2-20電阻性負(fù)載三相全控整流橋的工作波形（一）時(shí)電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電流在時(shí)是連續(xù)的；在時(shí)電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)。輸出電壓的平均值為（二）時(shí)輸出電壓平均值為圖2-21電阻性負(fù)載三相全控整流橋的工作波形

2.4.3電感性負(fù)載時(shí)圖2-22大電感負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路及其在時(shí)的波形（一）工作原理（二）輸出電壓（三）輸出電流

（四）元件電流和變壓器副方繞組電流（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(fù)載在不同控制角時(shí)的輸出電壓波形，從圖中可看到當(dāng)控制角變化時(shí)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(fù)載在不同控制角時(shí)的波形圖

（一）換流期間的電壓

輸出電壓為：對(duì)于其它換流期間，也可得到類似的表達(dá)式，由此可以得到的結(jié)論是：

1。換流期間參與換流的交流側(cè)電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(gè)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(diǎn)的電位等于參與換流的兩相電壓的算術(shù)平均值（兩個(gè)相電壓之和的1/2）；3。換流期間的輸出電壓是不計(jì)時(shí)的輸出電壓減去換流電感上的電壓值，或者說(shuō)是換流前與換流后兩個(gè)輸出線電壓的算術(shù)平均值（兩個(gè)線電壓之和的1/2）。

（二）換流期間的電流

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(duì)應(yīng)的時(shí)間用電角度表示，叫換流角

2.5.2換流對(duì)整流電路的影響

（一）交流電感上的電壓

式中——整流電路交流側(cè)的等效內(nèi)電抗。（二）交流電感對(duì)輸出電壓平均值的影響（三）交流電感對(duì)元件電流變化率的影響（四）考慮交流側(cè)電感后的元件電壓以晶閘管VT1為例，所受的電壓在考慮交流側(cè)電感后應(yīng)為

2.6有源逆變電路

◤把直流變換成交流的變換稱之為逆變，實(shí)現(xiàn)逆変的電路及裝置稱逆変電路、逆変器◢◤有源逆變是把直流電能所轉(zhuǎn)換的交流電能輸送給交流電網(wǎng)。◢◤對(duì)既需在整流狀態(tài)工作又需在逆變狀態(tài)工作的整流器可稱之為整流/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）電源間能量傳遞的條件

當(dāng)變換器進(jìn)入有源逆變狀態(tài)時(shí)，從能量傳遞的角度看是把直流側(cè)的能量傳送到交流電網(wǎng)中去，因此直流側(cè)必須要有一個(gè)能量源，也即直流側(cè)要有一個(gè)直流電源或等效的直流電源（如儲(chǔ)能的電感線圈）。

（二）有源逆變條件直流側(cè)必須有一個(gè)直流電源。其電動(dòng)勢(shì)極性必須和變換器所允許的電流流動(dòng)方向一致；在無(wú)特別的附加限流電阻的情況下，其電勢(shì)值應(yīng)小于變換器所能產(chǎn)生的最大負(fù)壓的幅值（三相橋式為）。變換器應(yīng)是可輸出負(fù)壓的全控整流橋，且控制角能移到的區(qū)域內(nèi)。因?yàn)閷?duì)于全控整流橋，若控制角移相范圍不夠，移不到大于區(qū)域中去時(shí)，則無(wú)法得到負(fù)電壓；同樣，對(duì)于半控橋或帶有續(xù)流二極管的整流橋，即使也無(wú)法得到負(fù)電壓。當(dāng)上述兩條同時(shí)滿足，使電路投入工作，調(diào)節(jié)控制角大于，且使略小于時(shí)有源逆變就可正常工作。

（二）輸出電壓的平均值

由上述情況可知，有源逆變電路的工作規(guī)律與整流時(shí)相同，當(dāng)忽略換流過程時(shí)，其逆変器直流側(cè)平均電壓可以直接用式（2-44）求得式中為時(shí)的輸出電壓平均值，也即可輸出的最大直流電壓。

考慮換流過程時(shí)，設(shè)換流區(qū)間為，輸出電壓的平均值：

（三）晶閘管電壓

◤在逆變工作狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，晶閘管端電壓的波形如圖2-28b）所示。◢2.7電動(dòng)勢(shì)負(fù)載和電容性負(fù)載的整流電路

2.7.1電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的可控整流電路(一)時(shí)的工作情況

圖2-31三相橋式整流電路反電勢(shì)負(fù)載時(shí)的電路及波形

電流連續(xù)時(shí)輸出電壓的平均值及輸出電流平均值分別為電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓

電流斷續(xù)時(shí)輸出電壓的平均值為（二）

圖2-32三相橋式整流電路反電勢(shì)負(fù)載

且時(shí)的電路及波形

（二）濾波電容C對(duì)整流電路的影響

1．對(duì)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(jié)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(gè)定數(shù)，它將隨著RC的變化而變化。當(dāng)電阻R減小（負(fù)載電流增大），或當(dāng)電容容量C減小，則輸出電壓降低、電壓波動(dòng)加大。輸出電壓平均值的最大值是輸出電壓瞬時(shí)值的峰值，輸出電壓平均值的最小值是該電路在電阻負(fù)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形式下的值如下表所示：?jiǎn)蜗鄻蚴讲豢卣?/p>

三相半波不控整流

三相橋式不控整流

2．對(duì)輸入電流的影響

從上面的分析可知，若R一定，C增加大時(shí)，輸出電壓的平均值增加，的平均值也將增大，而這時(shí)VD的導(dǎo)通角將減小，必然的結(jié)果是的幅值要增加，因此，為了要減小電壓波動(dòng)而增大電容C的結(jié)果是使輸入電流的有效值大大增加，使的脈動(dòng)增加，其結(jié)果是必須要增加整流二極管的電流容量。這在參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)給予注意。

3．初始合閘相位的影響在三相橋式整流電路中，無(wú)論何時(shí)合閘，總有一相處在較高的正電壓位置，這就必須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(gè)小電感，以限制其過大的合閘電流。

（三）濾波電容的工程計(jì)算

圖2-34單相橋式整流電路濾波電容計(jì)算的波形圖

單相橋式整流電路

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(jì)算公式為2.8可控整流器主電路的參數(shù)選擇2.8.1整流變壓器參數(shù)計(jì)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：變換電壓抑制干擾故障隔離

(一）二次側(cè)相電壓有效值的計(jì)算

（二）二次側(cè)相電流有效值的計(jì)算

（三）一次側(cè)相電流有效值的計(jì)算

（四）二次側(cè)容量和一次側(cè)容量的計(jì)算圖2-35三相零式整流電路a）D/Y聯(lián)結(jié)的原理電路b）電流波形

2.8.2

電抗器電感量的計(jì)算（一）反電勢(shì)負(fù)載維持電流連續(xù)所需的電感量式中，常系數(shù)0.693是與整流電路形式及電源頻率有關(guān)的，若三相半波則為1.46，單相橋式則為2.86（二）為限制短路電流所需的的計(jì)算（三）限制電流脈動(dòng)所需的電感量

2.8.3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須承受的最高電壓為

元件正反向重復(fù)峰值電壓必須滿足

（一）電壓容量選擇

（二）電流容量選擇

而元件的電流容量必須滿足

電流的安全系數(shù)，在一般工頻運(yùn)行條件下取2.9晶閘管觸發(fā)電路2.9.1晶閘管觸發(fā)電路的基本要求①觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有合適的功率（電壓及電流）。②觸發(fā)信號(hào)的起始時(shí)刻應(yīng)滿足主電路的要求。③觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，以保證晶閘管在需要導(dǎo)通的區(qū)域都能可靠地開通。④觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖波形應(yīng)滿足主電路的需要。

2.9.2觸發(fā)電路的輸出級(jí)

圖2-36無(wú)電隔離的觸發(fā)信號(hào)輸出級(jí)電路a）單結(jié)晶體管輸出b）晶體管功放輸出c）輸出脈沖波形圖2-37脈沖信號(hào)隔離輸出電路圖2-38脈沖變壓器電路磁路及波形a）電路磁路圖b）不飽和時(shí)的工作波形

c）飽和時(shí)的工作波形圖2-39脈沖變壓器的幾種續(xù)流電路a）u1=-0.7Vb)u1=-0.7V-i1R1c)u1=-0.7V-Uzd)u1=-0.7V圖2-40觸發(fā)信號(hào)脈沖列輸出方式a）信號(hào)調(diào)制方式b）電源調(diào)制方式2．9．3同步移相（一）同步概念

在各種相控變換電路中，各晶閘管的觸發(fā)脈沖必須與加于晶閘管的交流主電源有相對(duì)固定的相位關(guān)系，即各管的觸發(fā)時(shí)刻與主電源的某一個(gè)固定的相位點(diǎn)之間相差一個(gè)控制角，獲得這一觸發(fā)時(shí)刻的方法稱之為同步。（二）相位信號(hào)電壓主電路晶閘管工作時(shí)，會(huì)使電源電壓發(fā)生畸變或有附加的尖峰毛刺電壓，它們會(huì)嚴(yán)重干擾檢零環(huán)節(jié)的工作，所以常常在同步變壓器的二次側(cè)接有