第3章_晶閘管可控整流電路(1)(08[1].10).ppt

1、第三章 晶閘管可控整流電路,3.1 整流電路的構(gòu)成原理 3.2 單相可控整流電路分析 3.3 三相可控整流電路分析 3.4 電動勢負(fù)載三相可控整流電路分析 3.5 交流電源回路電感效應(yīng) 3.6 全控變流電路的有源逆變工作狀態(tài),3.1 整流電路的構(gòu)成原理,整流電路的整流原理 整流電路的基本類型 整流電路的換相規(guī)律 負(fù)載性質(zhì)對電路工作的影響 分析整流電路的假設(shè)條件 整流電路研究、學(xué)習(xí)的基本內(nèi)容,一. 整流電路的整流原理,原理： 利用整流管和晶閘管的單相導(dǎo)電開關(guān)特性，構(gòu)成輸出單一極性的電力變換電路，從而將輸入的交流電能轉(zhuǎn)換為輸出的直流電能。 整流電路通常由整流變壓器將電源電壓變換為適宜的電壓幅值，為

2、負(fù)載提供需要的直流電壓及合理的電壓調(diào)整范圍。,二. 整流電路的基本類型,圖1：單相半波不可控整流電路,圖3：單相半波可控整流電路,圖2：三相半波不可控整流電路,圖4：三相半波可控整流電路,圖6：三相全橋可控整流電路,圖5：單相全橋可控整流電路,整流電路的原理圖,1. 橋式整流電路,半波整流電路的電源變壓器次級繞組只通過單方向電流，變壓器利用率低，且有的電路存在直流磁勢，造成鐵芯直流磁化。 利用開關(guān)器件的單向?qū)щ婇_關(guān)特性可構(gòu)成整流橋，可使電源變壓器次級繞組通過正反兩個方向的電流。 由于變壓器次級繞組正負(fù)半周都工作，從而提高了變壓器的利用率。,2半波整流電路,據(jù)整流電路中開關(guān)元件的連接方式，可分為

3、共陰極組接法和共陽極組接法。 當(dāng)整流電路中各開關(guān)元件的陰極接于一 點，而陽極分別接于各相電源時，稱為共陰極組接法。 共陰極組接法為高通電路，輸出電壓極性為共陰極點為正，變壓器次級中點為負(fù)。 當(dāng)整流電路中各開關(guān)元件的陽極接于一點，而陰極分別接于各相電源時，稱為共陽極組接法。 共陽極組接法為低通電路，輸出電壓極性為共陽極點為負(fù)，變壓器次級中點為正。,三相半波電路 a)共陰極接法 b)共陽極接法,三. 整流電路的換相規(guī)律,對電源系統(tǒng)電壓的要求 整流電路在工作過程中，要按照電源電壓的變化規(guī)律周期性地切換整流工作回路。為保證在穩(wěn)定工作狀態(tài)下能均衡工作，使輸出電壓電流波形變化盡可能小，要求電源系統(tǒng)為對稱的

4、，且電壓波動在一定范圍之內(nèi)。,2自然換相與自然換相點,自然換相點: 在不可控整流電路中，整流管將按電源電壓變化規(guī)律自然換相，自然換相的時刻稱為自然換相點。 控制角 ：從自然換相點計起，到發(fā)出控制脈沖使晶閘管導(dǎo)通為止的時間間隔，以電角度表示，稱為控制角。,對于共陰極組接法的半波不可控整流電路而言，為高通電路，即總是相電壓最高的一相元件導(dǎo)通。所以，自然換相點在相鄰兩相工作回路電源電壓波形正半周交點，輸出電壓波形為電源電壓波形正半周包絡(luò)線。 對于共陽極組接法的半波不可控整流電路而言，為低通電路，即總是相電壓最低的一相元件導(dǎo)通。所以，自然換相點在相鄰兩相工作回路電源電壓波形負(fù)半周交點，輸出電壓波形為電

5、源電壓波形負(fù)半周包絡(luò)線。,四.負(fù)載性質(zhì)對電路工作的影響,、電阻負(fù)載 特點：電壓、電流的波形形狀相同 、電感性負(fù)載（主要指電感與電阻串聯(lián)的電路） 特點：負(fù)載電流不能突變，波形分為連續(xù)和不連續(xù)兩種情況。 、電容性負(fù)載（整流輸出接大電容濾波） 特點：由于電容電壓也不能突變，所以晶閘管剛一觸發(fā)導(dǎo)通時，電容電壓為零，相當(dāng)于短路，因而就有很大的充電電流流過晶閘管，電流波形呈尖峰狀。 因此為了避免晶閘管遭受過大的電流上升率而損壞，一般不宜在整流輸出端直接接大電容。,負(fù)載性質(zhì)對電路工作的影響,、反電勢負(fù)載 （整流輸出供蓄電池充電或直流電動機，即負(fù)載有反電勢） 特點：只有當(dāng)輸出電壓大于反電動勢時才有電流流通，電

6、流波形也呈較大的脈動。,五.分析整流電路的假設(shè)條件,1、假定開關(guān)元件的開關(guān)特性是理想的的開關(guān)特性 飽和壓降為零,漏電流為零 2、電源變壓器是理想變壓器 內(nèi)阻為零，漏抗為零 3、電源為理想電動勢 內(nèi)阻為零 在理想條件下所得出的結(jié)論，大都適用于實際的電路。對因與假定理想條件不符合而產(chǎn)生的影響，可進一步根據(jù)實際特性進行修正。,六. 整流電路研究、學(xué)習(xí)的基本內(nèi)容,依據(jù)開關(guān)元件的理想開關(guān)特性和負(fù)載性質(zhì)，分析電路的工作過程。 根據(jù)電路工作過程分析波形，包括輸出電壓 ud 、各晶閘管端電壓 uVT、負(fù)載電流 id 、通過各晶閘管電流 iVT 、以及變壓器次級和初電流 i2 和 i1 等。 在波形分析基礎(chǔ)上，

7、求得一系列電量間的基本數(shù)量關(guān)系，以便對電路進行定量分析。在設(shè)計整流電路時，數(shù)量關(guān)系可作為選擇變壓器和開關(guān)元件的依據(jù)。,3.2 單相可控整流電路分析,3.2.2 單相橋式全控整流電路,3.2.1 單相半波可控整流電路,3.2.3 單相橋式半控整流電路,3.2.4 單相整流電路電動勢負(fù)載,單相可控整流電路,基本特點：交流側(cè)接單相電源 重點注意： 主電路形式、工作過程及波形分析、數(shù)量關(guān)系、不同負(fù)載的影響。,3.2.1 單相半波可控整流電路,單相半波可控整流電路是組成各種類型可控整流電路的基礎(chǔ)，所有可控整流電路的工作回路都可等效為單相半波可控整流電路。因此，對于單相半波可控整流電路的分析是十分重要的，

8、可作為研究各種可控整流電流的基礎(chǔ)。單相半波可控整流電路可以為各種性質(zhì)的負(fù)載供電。以下主要介紹電阻性負(fù)載和阻感負(fù)載。,單相半波可控整流電路及波形,單相半波可控整流電路,一.電阻性負(fù)載,1.主電路 輸入為單相正弦交流電壓源，經(jīng)整流變壓器變壓，設(shè)次級電壓為：,2.工作過程及波形分析： 分為三個階段,(1),控制角：從晶閘管開始承受正向電壓到開始導(dǎo)通的這一角度，以 表示。,電阻性負(fù)載,(2),(3),單相半波可控整流電路及波形,導(dǎo)通角：晶閘管在一個周期中處于導(dǎo)通的電角度，以表示。,電阻性負(fù)載,3.數(shù)量關(guān)系,電阻性負(fù)載,移相范圍：控制角 的有效變化范圍。,電阻性負(fù)載移相范圍：,電阻性負(fù)載導(dǎo)通角：,電阻性

9、負(fù)載,整流電路的功率因數(shù)主要受控制角 的影響。 當(dāng) = 0 時 當(dāng) = 時 可見，盡管是電阻負(fù)載，由于存在諧波電流，電源的功率因數(shù)也不會是1， 而且 越大，功率因越數(shù)小。,阻感負(fù)載的波形,單相半波可控整流電路,1.主電路 輸入為單相正弦交流電壓源，經(jīng) 整流變壓器變壓，設(shè)次級電壓為：,2. 工作過程及波形分析： 分為三個階段,(1),二.阻感負(fù)載,阻感負(fù)載,(2),(3),阻感負(fù)載,阻感負(fù)載移相范圍：,阻感負(fù)載導(dǎo)通角：,電力電子電路的一種基本分析方法 通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電路，分段進行分析計算。 對單相半波電路的分析可基于上述方法進行： 當(dāng)VT處于斷態(tài)時，相當(dāng)于電路在VT處斷開

10、，id=0。 當(dāng)VT處于通態(tài)時，相當(dāng)于VT短路。,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),阻感負(fù)載,3.數(shù)量關(guān)系,當(dāng)VT處于通態(tài)時，如下方程成立：,VT處于導(dǎo)通狀態(tài),（3-1）,（3-2）,（3-3）,初始條件：t= a ，id=0。求解式（3-1）并將初始條件代入可得,當(dāng)t=+a 時，id=0，代入式（3-2）并整理得,阻感負(fù)載,阻感負(fù)載（數(shù)量關(guān)系）,阻感負(fù)載,負(fù)載阻抗角j 、觸發(fā)角a、晶閘管導(dǎo)通角的關(guān)系,若j為定值， a 越大，在u2正半周L儲能越少，維持導(dǎo)電的能力就越弱， 越小。 若a為定值，j 越大，則L貯能越多， 越大；且j 越大，在u

11、2負(fù)半周L維持晶閘管導(dǎo)通的時間就越接近晶閘管在u2正半周導(dǎo)通的時間，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。,阻感負(fù)載,4.純電感負(fù)載（L R ）,特點： 電源不做功 因為Ud=0，改變a 不能控制Ud,但可控制Id的大小。,有續(xù)流二極管電流斷續(xù),三.有續(xù)流二極管的阻感負(fù)載,1.主電路 2.工作過程及波形分析,有電流斷續(xù)和電流連續(xù)兩種情況。 電流斷續(xù)：L作用較小或控制角較大時，在VD續(xù)流期間，Id衰減較快，等到下次觸發(fā)VT時，Id已經(jīng)下降到零。,(1),有續(xù)流二極管的阻感負(fù)載,(2),(3),有續(xù)流二極管電流斷續(xù),有續(xù)流二極管的阻感負(fù)載,電流連續(xù)：,有續(xù)流

12、二極管電流連續(xù),(1),(2),(3),有續(xù)流二極管的阻感負(fù)載,3. 數(shù)量關(guān)系,電流斷續(xù)：L作用較小或控制角較大時，在VD續(xù)流期間，Id衰減較快，等到下次觸發(fā)VT時，Id已經(jīng)下降到零。,有續(xù)流二極管的阻感負(fù)載,3. 數(shù)量關(guān)系,電流連續(xù)：,有續(xù)流二極管的阻感負(fù)載,電感L充分大時（LR） 負(fù)載電流id可近似為一條水平線，恒為Id，則有,圖-L充分大、帶續(xù)流二極管單相半波可控整流電路電流波形,有續(xù)流二極管的阻感負(fù)載,電感L充分大時（LR）,圖-L充分大、帶續(xù)流二極管單相半波可控整流電路電流波形,單相半波可控整流電路,單相半波可控整流電路的特點 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

13、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在于利用其簡單易學(xué)的特點，建立起整流電路的基本概念。,3.2.2 單相橋式全控整流電路,單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形,一. 電阻性負(fù)載,1.主電路,2.工作過程及波形分析：分為四個階段,VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓 u2，得到觸發(fā)脈沖時導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷。 VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2負(fù)半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖時導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷。,(1),(2),0,電阻性負(fù)載,單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形,(3),(4),電阻性負(fù)載,3.數(shù)量關(guān)系,電阻性負(fù)載（數(shù)量關(guān)系）,電阻性負(fù)載

14、（數(shù)量關(guān)系）,例3-3 某電源裝置采用單相橋式全控整流電路,向電阻負(fù)載供電,若該裝置可輸出在12v 30v 連續(xù)可調(diào)平均電壓;觸發(fā)電路最小控制角min=20;輸出平均電流Id均可達20A。按下列兩種條件求變壓器次級電壓和電流定 額、晶閘管電壓和電流定額：理想條件；整流回路兩只晶閘管總通態(tài)平均壓降2V、線路電壓損失1V、電源電壓波動范圍5%U2。,解 1.理想條件 據(jù)最高輸出平均電壓Ud=30 V和最小控制角min=20，由式（3-31） 可求得滿足工作要求的整流變壓器次級電壓為,變壓器次級電流定額應(yīng)按嚴(yán)重工作條件考慮，故以輸出平均電壓Ud=12V、輸出平均電流Id=20A為依據(jù)。 Ud=12

15、V時的控制角最大，由式（3-31）可得,電阻性負(fù)載,=arccos(-0.224)=102.95,可見,按理想條件計算時,變壓器次級電壓定額應(yīng)為U2=34.37 V;次級電流定額應(yīng)為I2=34.28 A。 嚴(yán)重工作條件下，通過晶閘管電流有效值應(yīng)為,例3-3,Ue=(23) URm=(97.20145.80) V,按理想條件計算時，可選用KP30-2型晶閘管。,則晶閘管通態(tài)平均電流 ITa應(yīng)為,例3-3,2.考慮晶閘管通態(tài)平均壓降等條件 考慮到晶閘管通態(tài)平均壓降（2V）、線路電壓損失（1V）時，為保證整流裝置能輸出最高平均電壓為30V，要求最高整流平均電壓為 Ud=30+2+1=33 V 為保證

16、在電源電壓波動范圍內(nèi)，均能輸出要求的電壓，應(yīng)按電源電壓要求最低（0.95U2）的條件確定變壓器次級電壓定額，由式（3-31）可得,同樣，以輸出平均電壓為12V、輸出平均電流為20A為嚴(yán)重工作條件，計算變壓器次級電流定額。為保證輸出平均電壓為12V，整流平均電壓應(yīng)為,例3-3,Ud=12+2+1=15V,在電源電壓為最高（1.05U2）時，Ud=15V對應(yīng)的控制角最大， 由式（3-31）可得,=arccos(-0.202)=101.68,例3-3,則晶閘管通態(tài)平均電流ITa應(yīng)為,Ue=(23) URm=(118.2177.3) V,可選用KP30-2型晶閘管。,可見，考慮到有關(guān)條件時，變壓器次級

17、電壓定額應(yīng)為U2=39.8V；次級電流定額應(yīng)為I2 =34 A。 嚴(yán)重工作條件時，通過晶閘管電流有效值為,例3-3,單相橋式全控整流電路,二. 阻感負(fù)載,1.主電路 2.工作過程及波形分析 根據(jù)L作用不同，有電流斷續(xù)和電流連續(xù)兩種情況。 電流斷續(xù)：L作用較小，,(1),(2),阻感負(fù)載電流斷續(xù),阻感負(fù)載,阻感負(fù)載電流斷續(xù),(3),(4),阻感負(fù)載,阻感負(fù)載電流斷續(xù),(5),(6),阻感負(fù)載（電流斷續(xù)）,3.數(shù)量關(guān)系,導(dǎo)通角：,移項范圍：, ,阻感負(fù)載,阻感負(fù)載電流連續(xù),電流連續(xù)：,(1),(2),阻感負(fù)載,阻感負(fù)載電流連續(xù),電流連續(xù)：,(3),(4),阻感負(fù)載（電流連續(xù)）,3.數(shù)量關(guān)系,阻感負(fù)

18、載（電流連續(xù)）,數(shù)量關(guān)系,當(dāng)a j 時，I00，id連續(xù),有效移項范圍：要使id連續(xù):,導(dǎo)通角： =,阻感負(fù)載（電流連續(xù)）,數(shù)量關(guān)系,3.2.3 單相橋式半控整流電路,阻感負(fù)載電路及波形,1.主電路 半控：將全控中的VT3,VT4換成VD3,VD4；這樣，VT1和VT2控制換相， VD3和VD4自然換相。 VT1和VD4 構(gòu)成一整流回路，VT2和VD3構(gòu)成一整流回路。,2.工作過程及波形分析,一. 阻感負(fù)載,a.自然續(xù)流現(xiàn)象：（以id連續(xù)為例）,(1),阻感負(fù)載,(2),阻感負(fù)載,(3),阻感負(fù)載,(4),阻感負(fù)載(工作過程及波形分析),b.失控現(xiàn)象及續(xù)流二極管,當(dāng)控制角突然增大至180或觸發(fā)

19、脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個二極管在正、負(fù)半周輪流導(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，這種異?，F(xiàn)象稱為失控。 例如：若在運行中，VT1和VD4導(dǎo)通時，切除觸發(fā)脈沖。當(dāng)u20時， VD4和VD3自然換相， 則VT1和VD4又構(gòu)成電源對負(fù)載供電的回路。這樣，VT1一直導(dǎo)通， VD3和VD4交替導(dǎo)通，無法實現(xiàn)關(guān)斷，產(chǎn)生失控現(xiàn)象。,失控工作狀態(tài)的電路波形,阻感負(fù)載,b.失控現(xiàn)象及續(xù)流二極管,為了防止失控的發(fā)生，必須消除自然續(xù)流現(xiàn)象： 負(fù)載兩端反并聯(lián)續(xù)流二極管VDR ，提供另外一條通路。 有續(xù)流二極管VDR時，續(xù)流過程由VDR完成，晶

20、閘管關(guān)斷，避免了某一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通從而導(dǎo)致失控的現(xiàn)象。同時，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個管壓降，有利于降低損耗。應(yīng)當(dāng)指出，實現(xiàn)這一功能的條件是VDR的通態(tài)電壓低于自然續(xù)流回路開關(guān)元件通態(tài)電壓之和，否則不能消除自然續(xù)流現(xiàn)象，關(guān)斷導(dǎo)通的晶閘管。,單相橋式半控整流電路,二. 阻感負(fù)載加續(xù)流二極管,阻感負(fù)載-有續(xù)流二極管,1.主電路 2.工作過程及波形分析,(1),(2),阻感負(fù)載加續(xù)流二極管,(3),(4),阻感負(fù)載-有續(xù)流二極管,阻感負(fù)載加續(xù)流二極管,工作過程可表示為：,該電路電流波形的表示式比較復(fù)雜，在討論有關(guān)電流的數(shù)量關(guān)系時，常以負(fù)載參數(shù)滿足 L R 為條件。這時，負(fù)載電流的變化量相對于平均電

21、流是很小的，可以認(rèn)為負(fù)載電流波形是平直的。相關(guān)波形見圖。,阻感負(fù)載-有續(xù)流二極管,阻感負(fù)載加續(xù)流二極管,3.數(shù)量關(guān)系：,單相橋式半控整流電路,單相橋式半控整流電路 的另一種接法 把單相橋式全控整流電路中的VT2和VT4換為二極管VD2和VD4，這樣可以省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD2和VD4來實現(xiàn)。 兩個晶閘管的陰極電位不同,觸發(fā)電路需要隔離.,0,3.2.4 單相整流電路電動勢負(fù)載,整流電路的負(fù)載中，有一種帶直流電動勢的含源負(fù)載，由整流電路供給電能，實現(xiàn)能量傳遞與轉(zhuǎn)換功能。作為負(fù)載的電動勢，對整流電路而言為反向電勢性質(zhì)，故常稱之為反電動勢負(fù)載。從負(fù)載的構(gòu)成看，帶電動勢E的負(fù)載可分為RE和R

22、LE兩種類型。,一、RE負(fù)載 1、電動勢對晶閘管開、關(guān)條件的影響,半波可控整流電路RE負(fù)載及橋式全控整流電路如圖所示。,RE負(fù)載單相半波可控整流電路及波形,RE負(fù)載,電源正半周u20時：,當(dāng)0t時 u2E VT反向阻斷，不可能導(dǎo)通 當(dāng)t-時 u2E VT正向阻斷，具備開通條件通 當(dāng)-t時 u2E VT反向阻斷,電源電壓為：,0,晶閘管導(dǎo)通時 晶閘管關(guān)斷時 負(fù)載電壓：ud=u2， 負(fù)載電壓： ud=E 負(fù)載電流：id =（ud-E）/ R 負(fù)載電流：id =0 終止導(dǎo)電角：從t= 起向左計量到終止導(dǎo)電時刻 為止的時間間隔，以電角度表示。 可由下式求得表示終止導(dǎo)電的時刻,電動勢對晶閘管開、關(guān)條件的影響,0,RE負(fù)載單相橋式全控整流