整流电路本.pptx
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1、1第3章 整流电路3.1单相可控整流电路单相可控整流电路3.2三相可控整流电路三相可控整流电路3.3变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响3.4电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路3.5整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数3.6大功率可控整流电路大功率可控整流电路3.7整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态3.8整流电路相位控制的实现整流电路相位控制的实现本章小结本章小结2第3章 整流电路引言整流电路的分类整流电路的分类:按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种。按电路结构可分为桥式电路桥式电路和零式电路零式电路。按交流输入相数
2、分为单相电路单相电路和多相电路多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向,又分为单拍电路单拍电路和双拍电路双拍电路。整流电路整流电路:利用半导体电力开关器件的通、断控制,将交流电能变为直流电能称为整流。33.1 单相可控整流电路3.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路3.1.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路3.1.3单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路3.1.4单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路4学习要求1.掌握SCR的开通与关断条件,针对不同负载应能够分析出SCR适合开通的区间2.掌握不同负载条件下的基本工作原理及其特点3.掌握相关公式的推导过程以及一些重要
3、名词术语4.了解单相桥式半控整流电路的失控现象及解决办法。5整流电路分析原理:利用了半控开关器件晶闸管的开通可控特性(承受正向电压,且有触发脉冲)和单向导电性。相控整流:控制晶闸管触发相位角(脉冲施加时刻)就控制了电源电压送至负载的起始时刻,从而控制整流电压。整流电路结构不同、负载性质不同,工作情况也就不同。电路分析时要抓住晶闸管的导通时刻(满足导通条件时)和受到反压被强迫关断的时刻。6理想化假设:(1)开关元件是理想的开关:通态压降=0;断态电阻无穷大;漏电流=0;开关过程瞬间完成;(2)变压器是理想的:漏抗、绕组电阻、励磁电流=0;(3)电网电压是理想的正弦波。73.1.1单相半波可控整流
4、电路图3-1 单相半波可控整流电路及波形1 1)带电阻负载的工作情况)带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电电阻阻负负载载的的特特点点:电压与电流成正比,两者波形相同。tTVTR0a)u1u2uVTudidt1p2ptttu2uguduVTq0b)c)d)e)00单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)83.1.1单相半波可控整流电路(续)(3)移相)移相:改变触发脉冲出现时刻,即改变控制角大小。改变角的大小就可以控制输出电压的大小实现“移相控制”,简称“相控”。(4)移相范围:)移相范围:控制
5、角能够变化的范围。(5)换相(换流):)换相(换流):电流从一个元件转移到另一个元件的过程。引入基本概念:(1)触触发发延延迟迟角角:从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用表示,也称触发角或控制角。(2)导导通通角角:晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度,用表示。93.1.1单相半波可控整流电路(续)VT的 移相范围为180 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式相位控制方式,简称相控方式相控方式。基本数量关系基本数量关系(3-1)(1)直流输出电压平均值为10基本数量关系基本数量关系(2)输出直流电流平均值(3)晶闸管电流有效值(4)变压器次
6、级绕组电流有效值和负载电流有效值(5)负载电阻上电压有效值(6)功率因数PF113.1.1单相半波可控整流电路(续)2)带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况 图3-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形阻阻感感负负载载的的特特点点:电感对电流变化有抗拒作用,使得流过电感的电流不发生突变。讨论负载阻抗角j、触发角、晶闸管导通角的关系。ttttu20t1p2 ptug0ud0id0uVT0qb)c)d)e)f)+123.1.1单相半波可控整流电路(续)对单相半波电路的分析可基于上述方法进行:当VT处于断态时,相当于电路在VT处断开,id=0。当VT处于通态时,相当于VT短路。图3-3单相半波可
7、控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态b)VT处于导通状态电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化,将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。133.1.1单相半波可控整流电路(续)当VT处于通态时,如下方程成立:VTb)RLu2b)VT处于导通状态(3-2)(3-4)初始条件:t=,id=0。求解式(3-2)并将初始条件代入可得当t=+时,id=0,代入式(3-3)并整理得(3-3)其中 ,143.1.1单相半波可控整流电路续流二极管续流二极管u2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOOp-p+b)c)d)e)f)g)iVDRa)图3-4
8、 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 当u2过零变负时,VDR导通,ud为零,VT承受反压关断。L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通,此过程通常称为续流续流。数量关系数量关系(id近似恒为Id)(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)153.1.1单相半波可控整流电路VT的 移相范围为180。简单,但输出脉动大,变压器二次侧电流中含直流分量,造成变压器铁芯直流磁化。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。单相半波可控整流电路的特点单相半波可控整流电路的特点163.1.2单相桥式全控整流电路1)带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况a)u(
9、i)pttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4图3-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂,在u2正半周承受电压u2,得到触发脉冲即导通,当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂,在u2正半周承受电压-u2,得到触发脉冲即导通,当u2过零时关断。电路结构电路结构单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)173.1.2单相桥式全控整流电路(续)数量关系数量关系(3-9)角的移相范围为180。向负载输出的平均电流值为:流过晶闸管的电流平均值只有
10、输出直流平均值的一半,即:(3-10)(3-11)pttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4183.1.2单相桥式全控整流电路(续)流过晶闸管的电流有效值:变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等:由式(2-12)和式(2-13)得:不考虑变压器的损耗时,要求变压器的容量S=U2I2。(3-12)(3-13)(2-14)pttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4193.1.2单相桥式全控整流电路(续)2)带阻感负载的工作情况)带阻感负载的工作情况u2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图3-6
11、单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 假设电路已工作于稳态,id的平均值不变。假设负载电感很大,负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时,晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=+时刻,晶闸管VT1和VT4关断,VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后,VT1和VT4承受反压关断,流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上,此过程称换相换相,亦称换流换流。203.1.2单相桥式全控整流电路(续)数量关系数量关系(3-15)晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角与无关,均为180。电流的平均值和有效值:变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波,其相位由a角决定,有效值I2=
12、Id。晶闸管承受的最大正反向电压均为 。2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,421负载中电感量的大小不同,整流电路的工作情况及输出电压、电流的波形具有不同的特点(1)负载电感量L较小,负载阻抗角较小,若晶闸管延迟触发控制角较大,以致时,负载断流工作情况:22(2)电流临界连续工况:23(3)负载电感较大、较大,在触发延迟角较小以致时,电流连续工作情况:24(4)电感量很大,很大,电流连续且忽略脉动时工作情况:253.1.2单相桥式全控整流电路(续)3)带反电动势负载时的工作情况图3-7单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路
13、及波形在|u2|E时,才有晶闸管承受正电压,有导通的可能。在 角相同时,整流输出电压比电阻负载时大。导通之后,ud=u2,直至|u2|=E,id即降至0使得晶闸管关断,此后ud=E。与电阻负载时相比,晶闸管提前了电角度停止导电,称为停止导电角,(3-16)b)idOEudtIdOtqd263.1.2单相桥式全控整流电路(续)当 30 的情况(的情况(图3-14)特点:负载电流断续,晶闸管导通角小于120。b)c)d)e)f)u2uaubuc=0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttta)R40图3-13 三相半波可控整流电路,电阻负载,=30时的波形=30u2uau
14、bucOtOtOtOtOtuGuduabuact1iVT1uVT1uac41图3-14 三相半波可控整流电路,电阻负载,三相半波可控整流电路,电阻负载,=60=60 时的波形时的波形tttt=60u2uaubucOOOOuGudiVT1423.2.1三相半波可控整流电路(续)(3-18)当=0时,Ud最大,为 。(3-19)整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算30时,负载电流连续,有:30时,负载电流断续,晶闸管导通角减小,此时有:433.2.1三相半波可控整流电路Ud/U2随变化的规律如图3-15中的曲线1所示。图3-15三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载2电感负载3
15、电阻电感负载443.2.1三相半波可控整流电路负载电流平均值为 晶闸管承受的最大反向电压,为变压器二次线电压峰值,即晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值,即(3-20)(3-21)(3-22)453.2.1三相半波可控整流电路(续)2)阻感负载)阻感负载图3-16 三相半波可控整流电路,阻感负载时的电路及=60时的波形特点:阻感负载,L值很大,id波形基本平直。30时:整流电压波形与电阻负载时相同。30时(如=60时的波形如图3-16所示)。u2过零时,VT1不关断,直到VT2的脉冲到来,才换流,ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动,但为简化分析及定量计算,可将i
16、d近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为90。udiauaubucibiciduacOtOtOOtOOttt463.2.1三相半波可控整流电路(续)数量关系数量关系由于负载电流连续,Ud可由式(3-18)求出,即 当 00时,Ud/U2与 成余弦关系,如图2-15中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大,Ud/U2与a的关系将介于曲线1和2之间,曲线3给出了这种情况的一个例子。图3-15三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载2电感负载3电阻电感负载473.2.1三相半波可控整流电路变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为晶闸管的额定电流为晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次
17、线电压峰值三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量,为此其应用较少。(3-23)(3-24)(3-25)48三相半波可控整流电路特点:(1)负载电流连续时各晶闸管的导电角均为120;(2)若电源交流电路中不存在电感,晶闸管之间的电流转移是瞬间完成的;(3)负载电压波形是相电压波形的一部分;(4)晶闸管截止态所承受的电压是线电压而非相电压;(5)整流输出电压的脉动频率为3f(脉波数m=3);(6)交流侧只有单方向电流(缺点);(7)若交流电源相电压,电流连续,每个晶闸管导电120时,输出直流电压平均值为:493.2.2三相桥式全控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路共共阴阴极极组组
18、阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1,VT3,VT5)共共阳阳极极组组阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4,VT6,VT2)图3-17三相桥式全控整流电路原理图导通顺序:VT1VT2VT3VT4VT5VT650学习要求学习要求1.掌握三相系统中SCR的开通与关断条件,针对不同负载能够分析SCR适合开通的区间2.掌握不同负载条件下的基本工作原理及其特点3.掌握相关公式的推导过程51三相桥电路形式52晶闸管的触发脉冲安排:(1)晶闸管触发次序:按1234561的顺序循环;(2)各脉冲依次互差60;(3)T1、T3、T5的触发脉冲间相位相差120(T2、T4、T6亦如此);(4)晶闸管最大导电角为120
19、;(5)每个触发脉冲的宽度要超过1/6Ts;或双脉冲触发方式:给晶闸管发一个窄触发脉冲后,间隔60再补发一个脉冲。533.2.2三相桥式全控整流电路(续)1)带电阻负载时的工作情况)带电阻负载时的工作情况当60 时,ud波形均连续,对于电阻负载,id波形与ud波形形状一样,也连续 波形图:=0 (图318)=30(图319)=60(图320)当60 时,ud波形每60中有一段为零,ud波形不能出现负值 波形图:=90(图321)带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是12054图3-18三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的波形u2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcu
20、baucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubt1OtOtOtOt=0iVT1uVT15556图3-19三相桥式全控整流电路带电阻负载=30 时的波形ud1ud2=30iaOtOtOtOtuduabuacuaubuct1uabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuVT15758图3-20三相桥式全控整流电路带电阻负载=60 时的波形=60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtt1OtOtuVT159图3-21三相桥式全控整流电路带电阻负载=
21、90 时的波形ud1ud2uduaubucuaubtOtOtOtOtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1603.2.2三相桥式全控整流电路(续)晶闸管及输出整流电压的情况如表31所示时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 参照图318613.2.2三相桥式全控整流电路(续)(2)对触发脉冲的要求:按VT1-VT2-VT3-VT
22、4-VT5-VT6的顺序,相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120,共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂,即VT1与与VT4,VT3与与VT6,VT5与与VT2,脉冲相差180。三相桥式全控整流电路的特点特点(1)2管同时通形成供电回路,其中共阴极组和共阳极组各1,且不能为同1相器件。623.2.2三相桥式全控整流电路(续)(3)ud一周期脉动6次,每次脉动的波形都一样,故该电路为6脉波整流电路。(4)需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法:一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发(常用)(5)晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同,晶闸管
23、承受最大正、反向电压的关系也相同。三相桥式全控整流电路的特点特点63 60 时时(=0 图322;=30 图323)ud波形连续,工作情况与带电阻负载时十分相似。各晶闸管的通断情况 输出整流电压ud波形 晶闸管承受的电压波形3.2.2三相桥式全控整流电路(续)2)阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况主要包括 60 时(时(a=90图324)阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电阻负载时,ud波形不会出现负的部分。阻感负载时,ud波形会出现负的部分。带阻感负载时,三相桥式全控整流电路的 角移相范围为90。区别在于:得到的负载电流id波形不同。当电感足够大的时候,id的波形可近似为一条水平线
24、。64图3-22三相桥式全控整流电路带阻感负载=0 时的波形ud1u2ud2u2LudidtOtOtOtOua=0ubuct1uabuacubcubaucaucbuabuaciVT165图3-23三相桥式全控整流电路带阻感负载=30 时的波形ud1=30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuactOtOtOtOidiat1uaubuc66图3-24三相桥式全控整流电路带阻感负载=90 时的波形=90ud1ud2uacubcubaucaucbuabuacuabuduacuabuactOtOtOubucuat1uVT1672.2.2三相桥式全控整流电路(续)3)定量分析定量分析当整
25、流输出电压连续时(即带阻感负载时,或带电阻负载 60 时)的平均值为:带电阻负载且 60时,整流电压平均值为:输出电流平均值为:Id=Ud/R(3-26)(3-27)683.2.2三相桥式全控整流电路(续)当整流变压器为图3-17中所示采用星形接法,带阻感负载时,变压器二次侧电流波形如图3-23中所示,其有效值为:(3-28)晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。接反电势阻感负载时,在负载电流连续的情况下,电路工作情况与电感性负载时相似,电路中各处电压、电流波形均相同。仅在计算Id时有所不同,接反电势阻感负载时的Id为:(3-29)式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。69ik
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