第六講 整流與有源逆變1

電力電子技術(shù)

PowerElectronicTechnology整流與有源逆變_單相整流電路5.1引言整流電路：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、全控三種按交流輸入相數(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5.2單相不控整流電路

利用二極管的單相導(dǎo)電性可以十分簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)交流—直流電力變換。由于二極管整流電路輸出的直流電壓只與交流輸入電壓的大小有關(guān)，不能控制其數(shù)值，故稱為不控整流電路。

“半波”整流：ud為脈動(dòng)直流，波形只在u2正半周內(nèi)出現(xiàn)。電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同。5.2單相不控整流電路

負(fù)載為感性，在電源電壓過(guò)零變負(fù)后，由于電感有阻止電流下降的作用，會(huì)在電感L兩端感應(yīng)電勢(shì)eL，其極性為下正上負(fù)，與電源電壓疊加，使得VD1在電源電壓為負(fù)時(shí)仍然在一段時(shí)間內(nèi)仍承受正壓而導(dǎo)通，這會(huì)造成負(fù)載兩端的電壓ud會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

單相半波整流電路帶阻感負(fù)載

為避免負(fù)載兩端電壓ud出現(xiàn)負(fù)值，應(yīng)反并二極管VD2為負(fù)載電流提供續(xù)流的通路。在電源電壓為正時(shí)，VD2承受反壓處于關(guān)斷狀態(tài)，而負(fù)載電壓變負(fù)時(shí)，L釋放能量，VD2承受正壓而導(dǎo)通，維持負(fù)載電流通過(guò)VD2構(gòu)成回路，將ud近似限制在零值。5.2單相不控整流電路5.2單相不控整流電路5.3.1單相半波可控整流電路

(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)帶電阻負(fù)載的工作情況變壓器T起變換電壓和隔離的作用電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同圖2-1單相半波可控整流電路及波形5.3.1單相半波可控整流電路

(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)圖2-1單相半波可控整流電路及波形工作過(guò)程：（1）在u2的正半周，VT承受正向電壓，0～ωt1期間，無(wú)觸發(fā)脈沖，VT處于正向阻斷狀態(tài)，uVT＝u2，ud=0;（2）ωt1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π時(shí)刻；（3）π～2π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(guò)程。5.3.1單相半波可控整流電路〔若干概念〕單拍電路：指變壓器副邊在工作過(guò)程中只流過(guò)一個(gè)方向的電流，此時(shí)變壓器有直流磁化現(xiàn)象；雙拍電路：指變壓器副邊在工作過(guò)程中流過(guò)正反雙向電流；觸發(fā)延遲角α

：從晶閘管開(kāi)始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用α表示,也稱觸發(fā)角或控制角。5.3.1單相半波可控整流電路〔若干概念〕導(dǎo)通角θ

：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度，用θ表示。在半波電路帶電阻負(fù)載時(shí)，θ＋α＝π。α的移相范圍：指觸發(fā)角α可以變化的角度范圍。在不同的電路中，α有不同的角度范圍。如在單相半波電路帶電阻負(fù)載時(shí)，α的移相角度范圍是0～π。相控方式：通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。5.3.1單相半波可控整流電路

〔基本數(shù)量關(guān)系〕直流輸出電壓平均值Ud

U2為電源電壓有效值；α＝π時(shí)，Ud=0。SCR的若干參數(shù)關(guān)系：(1)IdT（流過(guò)SCR電流的平均值）(2)IT

（流過(guò)SCR電流的有效值）

(3)UVT（SCR承受的正反向峰值電壓）為5.3.1單相半波可控整流電路

圖2-2帶阻感負(fù)載的單相半波電路及其波形5.3.1單相半波可控整流電路〔基本數(shù)量關(guān)系〕直流輸出電壓平均值Ud

由于從ud的波形可以看出，此時(shí)輸出的平均電壓Ud和電阻負(fù)載相比，有所下降。

5.3.1單相半波可控整流電路單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形為避免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(guò)零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零。此時(shí)為負(fù)的u2通過(guò)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(guò)程通常稱為續(xù)流。續(xù)流期間ud為0，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5.3.1單相半波可控整流電路帶續(xù)流二極管的單相半波電路基本數(shù)量關(guān)系：輸出直流電壓的平均值Ud（和純阻性負(fù)載相同）

輸出直流電流的平均值Id.（和純阻性負(fù)載相同）

若近似認(rèn)為id為一條水平線，恒為Id，則流過(guò)SCR的電流平均值和有效值分別為：

5.3.1單相半波可控整流電路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實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路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5.3.2單相橋式全控整流電路1.帶電阻負(fù)載的工作情況工作原理及波形分析（1）0～ωt1:u2為正，VT1和VT4無(wú)觸發(fā)脈沖不導(dǎo)通，VT1和VT4分擔(dān)u2/2的正向電壓，VT2和VT3分擔(dān)u2/2的反向電壓,ud=0;（2）ωt1～π:u2為正，VT1和VT4由于觸發(fā)脈沖ug的作用而導(dǎo)通，VT2和VT3承受u2的反向電壓，id=u2/R；（3）π～ωt2(π+ωt1)：u2為負(fù)，VT2和VT3無(wú)觸發(fā)脈沖不導(dǎo)通，VT2和VT3分擔(dān)u2/2的正向電壓，VT1和VT4分擔(dān)u2/2的反向電壓,ud=0;（4）ωt2(π+ωt1)～2π:u2為負(fù)，VT2和VT3由于觸發(fā)脈沖ug的作用而導(dǎo)通，VT1和VT4承受u2

的反向電壓，id=u2/R，且方向保持不變。圖2-5單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形5.3.2單相橋式全控整流電路〔基本數(shù)量關(guān)系〕直流輸出電壓平均值Ud

可見(jiàn)：在同樣的控制角a情況下，輸出的平均電壓Ud是單相半波的兩倍；SCR可控移相范圍為180°；屬于雙拍電路。5.3.2單相橋式全控整流電路直流輸出電流平均值Id

由于SCR輪流導(dǎo)電，所以流過(guò)每個(gè)SCR的平均電流IdT只有負(fù)載上平均電流的一半。

直流輸出電流有效值I，即為變壓器二次側(cè)繞組電流有效值I2

SCR的有效電流IT，由于SCR輪流導(dǎo)電，所以IT為：5.3.2單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載的工作情況

為便于討論，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(guò)零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過(guò)電流id，并不關(guān)斷；至ωt=π+α

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，而VT1和VT4立刻承受負(fù)電壓，故兩管關(guān)斷。VT2和VT3導(dǎo)通后，u2通過(guò)VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過(guò)VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過(guò)程稱換相，亦稱換流。圖2-6單相全控橋帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形5.3.2單相橋式全控整流電路整流電路輸出平均電壓為：

晶閘管移相范圍為90

，因?yàn)楫?dāng)α＝90

時(shí)，Ud＝0。整流電路輸出平均電流Id和SCR的電流平均值IdT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α角決定，有效值I2=Id。5.3.2單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況

在|u2|>E

時(shí)，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能,導(dǎo)通之后，

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。

在α角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。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ud=u2（2-16）5.3.2單相橋式全控整流電路整流輸出電流的平均值為：α<δ時(shí)，觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。為了使晶閘管可靠導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)ωt=α?xí)r刻晶閘管開(kāi)始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲到δ

。5.3.2單相橋式全控整流電路5.3.3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(wèn)題。。5.3.3單相全波可控整流電路兩者的區(qū)別（1）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（2）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，門極觸發(fā)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（3）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。5.3.4單相橋式半控整流電路單相全控橋中，每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，為了對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需1個(gè)晶閘管就可以了，另1個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電路。如此即成為單相橋式半控整流電路。半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時(shí)的工作情況相同圖2-10(a)單相橋式半控整流電路，電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形5.3.4單相橋式半控整流電路

在u2電壓正半周、觸發(fā)角為α?xí)r，觸發(fā)VT1，VT1和VD4導(dǎo)通。當(dāng)u2過(guò)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VD2正偏導(dǎo)通，而VD4反偏截止，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。此時(shí)整流橋輸出電壓為VT1和VD2的正向壓降，接近于零，所以整流輸出電壓ud沒(méi)有負(fù)半波。這種現(xiàn)象被稱為自然續(xù)流，在這點(diǎn)上，半控橋與全控橋是不同的。在u2電壓負(fù)半周，具有與正半周相似的特性，觸發(fā)角α?xí)r觸發(fā)VT3，VT3和VD2導(dǎo)通，u2過(guò)零變正時(shí)經(jīng)VT3和VD4自然續(xù)流。5.3.4單相橋式半控整流電路

單相半控橋式整流電路帶大電感負(fù)載時(shí)的工作特點(diǎn)是：晶閘管在觸發(fā)時(shí)刻換流，二極管在電源電壓過(guò)零時(shí)換流；由于自然換流的作用，整流輸出電壓的波形與全控橋整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)相同，α角的移相范圍為0～180°，流過(guò)晶閘管和二極管的