電力電子技術(shù)整流電路

電力電子技術(shù)整流電路第1頁/共55頁2第2章整流電路·引言整流電路的分類：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。整流電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姟５?頁/共55頁32.1單相可控整流電路2.1.1單相半波可控整流電路2.1.2單相橋式全控整流電路2.1.3單相全波全控整流電路2.1.4單相橋式半控整流電路第3頁/共55頁42.1.1單相半波可控整流電路1.帶電阻負(fù)載的工作情況圖2-1單相半波可控整流電路及波形變壓器T起變換電壓隔離交流輸入為單相，直流輸出電壓波形只在交流輸入的正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱為單相半波可控整流電路。特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同第4頁/共55頁5兩個(gè)重要的基本概念觸發(fā)延遲角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)角或控制角。導(dǎo)通角晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為，用θ表示。直流輸出電壓平均值為

a移相范圍為180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（相控方式）（2-1）第5頁/共55頁6圖2-2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)載的工作情況阻感負(fù)載當(dāng)負(fù)載中感抗與電阻相比不可忽略時(shí)阻感負(fù)載的特點(diǎn)電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變。電力電子電路中存在非線性的電力電子器件，決定了電力電子電路時(shí)非線性電路。若將器件看作理想開關(guān)，則可將電力電子電路簡(jiǎn)化為分段線性電路，分段進(jìn)行分析計(jì)算。第6頁/共55頁7對(duì)單相半波電路的分析可基于上述方法進(jìn)行：當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí)，相當(dāng)于電路在VT處斷開，id=0。當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，相當(dāng)于VT短路。圖2-3單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關(guān)斷狀態(tài)b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)電力電子電路的一種基本分析方法通過器件的理想化，將電路簡(jiǎn)化為分段線性電路。器件的每種狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一種線性電路拓?fù)洹５?頁/共55頁8VTRLu2VTRLu2圖2-3單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關(guān)斷狀態(tài)

b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)初始條件：ωt=

a

，id=0。求解式（2-2）并將初始條件代入可得其中，（2-2）當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，如下方程成立：當(dāng)ωt=θ+a時(shí)，id=0，代入式（2-3）并整理得（2-3）（2-4）第8頁/共55頁9負(fù)載阻抗角j、觸發(fā)角a

、晶閘管導(dǎo)通角θ的關(guān)系若j為定值，a越大，在u2正半周L儲(chǔ)能越少，維持導(dǎo)電的能力就越弱，θ越小若a為定值，j越大，則L貯能越多，θ越大；且j

越大，在u2負(fù)半周L維持晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就越接近晶閘管在u2正半周導(dǎo)通的時(shí)間，ud中負(fù)的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，輸出的直流電流平均值也越小。第9頁/共55頁10為避免Ud太小，在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管

當(dāng)u2過零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零。此時(shí)為負(fù)的u2通過VDR向VT施加反壓使其關(guān)斷，L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續(xù)流。續(xù)流期間ud為零，ud中不再出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2-4單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形第10頁/共55頁11若近似認(rèn)為id為一條水平線，恒為Id，則有（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）VT的a移相范圍為180第11頁/共55頁12單相半波可控整流電路的特點(diǎn)簡(jiǎn)單，但輸出脈動(dòng)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。分析該電路的主要目的在于利用其簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，建立起整流電路的基本概念。

第12頁/共55頁13

2.1.2單相橋式全控整流電路圖2-5單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形工作原理及波形分析

VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，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(shí)關(guān)斷。

VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，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(shí)關(guān)斷。

1.帶電阻負(fù)載的工作情況第13頁/共55頁14（2-10）（2-11）數(shù)量關(guān)系a

角的移相范圍為180向負(fù)載輸出的平均電流值為：流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即（2-9）第14頁/共55頁15（2-12）（2-13）（2-14）過晶閘管的電流有效值：變壓器二次測(cè)電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量S=U2I2由式（2-12）和式（2-13）第15頁/共55頁16圖2-6單相全控橋帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。u2過零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關(guān)斷。至ωt=π+a

時(shí)刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4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。2.帶阻感負(fù)載的工作情況第16頁/共55頁17

數(shù)量關(guān)系晶閘管移相范圍為90晶閘管承受的最大正反向電壓均為晶閘管導(dǎo)通角θ與a

無關(guān)，均為180，平均值和有效值分別為：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。（2-15）和第17頁/共55頁18圖2-7單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)—電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形3.帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況|u2|>E時(shí)，晶閘管承受正電壓，才有導(dǎo)通的可能。導(dǎo)通之后

ud=u2

，直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud=E與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度δ停止導(dǎo)電，δ稱為停止導(dǎo)電角（2-16）在a角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。第18頁/共55頁19電流續(xù)斷

id波形在一周期內(nèi)有部分時(shí)間為0的情況電流連續(xù)

id波形在一周期內(nèi)不出現(xiàn)為0的情況當(dāng)a

﹤δ

時(shí)，觸發(fā)脈沖到來時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不能導(dǎo)通。為使晶閘管可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖需足夠的寬度，保證當(dāng)ωt=δ

時(shí)，晶閘管承受正電壓，觸發(fā)脈沖仍然存在，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為δ，即a=δ

第19頁/共55頁20圖2-8單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況

負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動(dòng)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(gè)平波電抗器，用來減少電流的脈動(dòng)和延長(zhǎng)晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間。這時(shí)整流電壓ud的波形和負(fù)載電流id的波形與電感負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的波形相同，ud的計(jì)算公式亦一樣。為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出（2-17）第20頁/共55頁212.1.3單相全波可控整流電路圖2-9單相全波可控整流電路及波形

單相全波可控整流電路又稱單相雙半波可控整流電路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。

第21頁/共55頁22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，繞組及鐵芯對(duì)銅、鐵等材料的消耗多。單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，相應(yīng)地，門極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)；但是晶閘管承受的最大電壓為，是單相全控橋的2倍。單相全波導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，因而管壓降也少1個(gè)。從上述（2）、（3）考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場(chǎng)合應(yīng)用。第22頁/共55頁232.1.4單相橋式半控整流電路圖2-10單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形帶阻感負(fù)載的情況在u2負(fù)半周觸發(fā)角a

時(shí)刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，則向VT1加反壓使之關(guān)斷，u2經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載供電。u2過零變正時(shí)，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。

假設(shè)負(fù)載中電感很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài)在u2正半周，觸發(fā)角a處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。

u2過零變負(fù)時(shí)，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通。但因a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，使得電流從VD4轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。第23頁/共55頁24續(xù)流二極管的作用若無續(xù)流二極管，則當(dāng)a

突然增大至180或觸發(fā)脈沖丟失時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期ud為零，其平均值保持恒定，稱為失控。有續(xù)流二極管VDR時(shí)，續(xù)流過程由VDR完成，晶閘管關(guān)斷，避免了某一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通從而導(dǎo)致失控的現(xiàn)象。同時(shí)，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，有利于降低損耗。第24頁/共55頁25單相橋式半控整流電路的另一種接法相當(dāng)于把圖2-5a中的VT3和VT4換為二極管VD3和VD4，這樣可以省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD3和VD4來實(shí)現(xiàn)。圖2-5單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形圖2-11單相橋式半控整流電路的另一接法第25頁/共55頁26第2章整流電路(AC/DC變換）2.1單相可控整流電路2.2三相可控整流電路2.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響2.4電容濾波的不可控整流電路2.5整流電路的諧波和功率因數(shù)2.6大功率可控整流電路2.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)2.8晶閘管滯留電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2.9相控電路的驅(qū)動(dòng)控制

本章小結(jié)第26頁/共55頁27PowerElectronics2.2三相可控整流電路2.2.1三相半波可控整流電路2.2.2三相橋式全控整流電路第27頁/共55頁28交流測(cè)由三相電源供電負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小、易濾波時(shí)用?；镜氖侨喟氩煽卣麟娐?，三相橋式全控整流電路、雙反星形可控整流電路、十二脈波可控整流電路等，均可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析

。2.2三相可控整流電路

引言第28頁/共55頁292.2.1三相半波可控整流電路圖2-12三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路及a=0時(shí)的波形

電路的特點(diǎn)：變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。三個(gè)晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起為共陰極接法。1.電阻負(fù)載自然換相點(diǎn)：假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，用VD表示，成為三相半波不可控整流電路。一周期中在wt1~wt2期間，

VD1導(dǎo)通，ud=ua

在wt2~wt3期間，

VD2導(dǎo)通，ud=ub

在wt3~wt4期間，

VD3導(dǎo)通，ud=uc第29頁/共55頁30二極管換相時(shí)刻為自然換相點(diǎn)，是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角a的起點(diǎn)，即a

=0。

圖2-12三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路及a=0時(shí)的波形

a

=0時(shí)的工作原理分析：變壓器二次側(cè)a相繞組和晶閘管VT1的電流波形，變壓器二次繞組電流有直流分量。晶閘管的電壓波形，由3段組成：第1段，VT1導(dǎo)通期間，為一管壓降，可近似為uT1=0

第2段，在VT1關(guān)斷后，VT2導(dǎo)通期間，

uT1=ua-ub=uab，為一段線電壓。第3段，在VT3導(dǎo)通期間，

uT1=ua-uc=uac為另一段線電壓。第30頁/共55頁31圖2-13三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，a=30時(shí)的波形a=30時(shí)的波形負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)，各相仍導(dǎo)電120第31頁/共55頁32a>30的情況負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120

。圖2-14三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，a=60時(shí)的波形第32頁/共55頁33整流電壓平均值的計(jì)算：（1）a≤30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有：（2-18）

當(dāng)a=0時(shí)，Ud最大，為Ud=Ud0=1.17U2

（2）a>30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有：（2-19）第33頁/共55頁34

負(fù)載電流平均值為晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值，即晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即（2-20）（2-21）（2-22）圖2-15三相半波可控整流03060901201500.40.81.21.17321a/(°)Ud/U2第34頁/共55頁35圖2-16三相半波可控整流電路，阻感負(fù)載時(shí)的電路及a=60時(shí)的波形特點(diǎn)：阻感負(fù)載，L值很大，id波形基本平直。a≤30時(shí)整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同a>30時(shí)u2過零時(shí)，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，由VT2導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時(shí)向VT1施加反壓使其關(guān)斷——ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分。

id波形有一定的脈動(dòng)，但為簡(jiǎn)化分析及定量計(jì)算，可將id近似為一條水平線。阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為902.阻感負(fù)載第35頁/共55頁36數(shù)量關(guān)系由于負(fù)載電流連續(xù)，

Ud可由式（2－18）求出，即變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為晶閘管的額定電流為晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值三相半波的主要缺點(diǎn)在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少。（2-23）（2-24）（2-25）第36頁/共55頁372.2.2三相橋式全控整流電路三相橋是應(yīng)用最為廣泛的整流電路圖2-17三相橋式全控整流電路原理圖共陰極組陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）導(dǎo)通順序：

VT1－〉VT2－〉VT3－〉VT4－〉VT5－〉VT6自然換向時(shí)，每時(shí)刻導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管分別對(duì)應(yīng)陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)和陰極所接交流電壓值最低的一個(gè)。第37頁/共55頁381.帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況

假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角a=0時(shí)，共陰極組的3個(gè)晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。共陽極組的3個(gè)晶閘管，陰極所接交流電壓值最低的一個(gè)導(dǎo)通。任意時(shí)刻共陽極組和共陰極組中各有一個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。第38頁/共55頁39a=0時(shí)，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)換相分析Ud波形，可從相電壓波形分析，也可從線電壓波形分析圖2-18三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載

a=0時(shí)的波形從相電壓波形共陰極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線共陽極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線總的整流輸出電壓ud=ud1-ud2是兩條包絡(luò)線的差值將其對(duì)應(yīng)在線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線第39頁/共55頁40時(shí)段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb晶閘管及輸出整流電壓的情況如表2－1所示6個(gè)晶閘管導(dǎo)通順序VT1

－VT2

－VT3

－VT4

－VT5

－VT6表2-1三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載a=0時(shí)晶閘管工作情況第40頁/共55頁41三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)（1）2個(gè)晶閘管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1個(gè)，且不能為同1相器件（2）對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120。共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。第41頁/共55頁42

（3）ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖寬脈沖觸發(fā)雙脈沖觸發(fā)（常用）可采用兩種方法（5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。晶閘管一周期中有1200處于通態(tài)，2400處于斷態(tài)，由于負(fù)載為電阻，故晶閘管處于通態(tài)時(shí)的電流波形與相應(yīng)時(shí)段的Ud波形相同。第42頁/共55頁43當(dāng)a

≤60時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)波形圖：

a

=0（圖2－18）

a=30（圖2－19）

a=60（圖2－20）第43頁/共55頁44每一段導(dǎo)通晶閘管的編號(hào)仍符合表2-1的規(guī)律區(qū)別在于：晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了300,組成ud的每一段線電壓因此推遲300，ud平均值降低。圖2-19三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=300

時(shí)的波形a=30（圖2－19）第44頁/共55頁45Ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)向后移，平均值降低。a=600時(shí)Ud出現(xiàn)了零點(diǎn)圖2-20三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=600

時(shí)的波形a=60（圖2－20）第45頁/共55頁46a

>60時(shí)，ud波形每600中有一段為零一旦ud降為零，id也降為零，流過晶閘管的電流即降為零，晶閘管關(guān)斷，輸出整流電壓ud為零，波形ud不能出現(xiàn)負(fù)值。帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是120圖2-21三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=900

時(shí)的波形第46頁/共55頁47a≤60時(shí)（a=0

圖2－22；a=30圖2－23）ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似。各晶閘管的通斷情況輸出整流電壓ud波形晶閘管承受的電壓波形2阻感負(fù)載時(shí)的工作情況主要包括a>60時(shí)（a=90圖2－24）阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同。

電阻負(fù)載時(shí)，ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。阻感負(fù)載時(shí)，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90

。區(qū)別在于：得到的負(fù)載電流id波形不同。

當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，id的波形可近似為一條水平線。第47頁/共55頁48圖2-22三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=0時(shí)的波形晶閘管VT1導(dǎo)通段，iVT!波形由負(fù)載電流波i