精品电力电子技术第2章整流电路自学最佳课件.docx
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第2章章
2.12.22.32.42.52.62.7
整流电路
单相可控整流电路三相可控整流电路变压器漏感对整流电路的影响电容滤波的不可控整流电路整流电路的谐波和功率因数大功率可控整流电路整流电路的有源逆变工作状态
2.8晶闸管直流电动机系统2.9相控电路的驱动控制本章小结
2-1
第2章章
整流电路:
整流电路·引言整流电路引言
出现最早的电力电子电路,将交流电变为直流电。
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半控全控不可控、半控全控三种。
不可控半控、全控按电路结构可分为桥式电路零式电路。
桥式电路和零式电路桥式电路零式电路。
按交流输入相数分为单相电路多相电路。
单相电路和多相电路单相电路多相电路。
按变压器二次侧电流的方向是单向或双向,又分为单拍电路和双拍电路单拍电路双拍电路。
双拍电路
2-2
第2章章2.1
整流电路单相可控整流电路
2.1.1单相半波可控整流电路2.1.2单相桥式全控整流电路2.1.3单相全波可控整流电路2.1.4单相桥式半控整流电路
2-3
2.1.1单相半波可控整流电路
单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalf
ControlledRectifier)
T
Wave
VTuVT
2
idu
d
1)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。
电阻负载的特点:
电压电阻负载的特点与电流成正比,两者波
a)
u
1
u
R
ub)
2
0uc)0ud)0uVTe)
dg
ωt
1
π
2π
ωt
ωt
α
θ
ωt
形相同。
0
ωt
单相半波可控整流电路及波形2-4
2.1.1单相半波可控整流电路
基本数量关系
首先,引入两个重要的基本概念:
触发延迟角:
触发延迟角:
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α表示,也称触发角或控制角。
导通角:
晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度,用θ表示。
导通角直流输出电压平均值为
1π2U21+cosα(1+cosα)=0.45U2Ud=∫2U2sinωtd(ωt)=α2π2π2
VT的α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。
相位控制方式相控方式
2-5
2.1.1单相半波可控整流电路
2)带阻感负载的工作情况
阻感负载的特点:
电感阻感负载的特点
u2
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?
、触发角a、晶闸管导通角θ的关系。
b)0ugc)0ud
ωt1
π
2π
ωt
ωt
+d)0ide)0uf)0
VT
+
α
ωt
θ
ωt
ωt
带阻感负载的单相半波电路及其波形2-6
2.1.1单相半波可控整流电路
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。
VTVTLu2Ra)b)u2LR
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。
单相半波可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2-7
2.1.1单相半波可控整流电路
VT
当VT处于通态时,如下方程成立:
diLd+Rid=22sinωtUdt初始条件:
ωt=α,id=0。
求解上式并将初始条件代入可得
id=?
2U2sin(α?
?
)eZ
R?
(ωt?
α)ωL
Lu
2
R
b)
b)VT处于导通状态
+
ωL?
=arctan?
其中Z=R+(ωL),R
22
2U2sin(ωt?
?
)Z
当ωt=θ+α时,id=0,代入上式并整理得
sinα?
?
)e(
tan?
θ
=sinθ+α?
?
)(
2-8
2.1.1单相半波可控整流电路
续流二极管
当u2过零变负时,VDR导通,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。
续流
a)
ud为零,VT承受反压关断。
b)
u2Oudc)Oidd)OiVTe)OiVDf)OuVTg)O
R
ωt1
ωt
ωt
Id
数量关系(数量关系id近似恒为Id)
IdVT
ωt
Idπ-απ+α
1π2π?
αIVT=Idd(ωt)=Idα2π∫2ππ+αIdVDR=Id2π12π+α2π+αIVDR=Idd(ωt)=Idπ2π∫2π
π?
α=Id2π
ωt
ωt
ωt
单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形2-9
2.1.1单相半波可控整流电路
单相半波可控整流电路的特点
VT的α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。
2-10
2.1.2单相桥式全控整流电路
单相桥式全控整流电路(SinglePhase
BridgeContrelledRectifier)
1)带电阻负载的工作情况
电路结构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。
a)
d
udidb)0αuVTc)0i2d)0
ud(i)π
α
ωt
1,4
ωt
ωt
单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形
2-11
2.1.2单相桥式全控整流电路
数量关系
22U21+cosα1+cosαUd=∫2U2sinωtd(ωt)==0.9U2αππ22a角的移相范围为180°。
1
π
向负载输出的平均电流值为:
Id=Ud22U21+cosαU1+cosα==0.92RπR2R2
udidb)0αuVTc)0i2d)0
dd
流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半,即:
1U21+cosαIdVT=Id=0.452R2
π
α
ωt
1,4
ωt
ωt
2-12
2.1.2单相桥式全控整流电路
流过晶闸管的电流有效值:
π?
αU211π2U22IVT=∫α(Rsinωt)d(ωt)=2R2πsin2α+π2π
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:
2U2U22I=I2=∫α(Rsinωt)d(ωt)=Rπ1
由以上两式得:
π
1π?
αsin2α+2ππ
udid
dd
IVT
1=I2
b)
0αuVT
π
α
ωt
1,4
不考虑变压器的损耗时,要求变压器的容量S=U2I2。
c)0i2d)0
ωt
ωt
2-13
2.1.2单相桥式全控整流电路
2)带阻感负载的工作情况)
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ωt=π+α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。
换相换流
u2OudOidiVTO
1,4
ωt
ωt
IdIdIdIdId
ωtωtωtωtωt
iVTO
2,3
Oi2uVTO
1,4
Ob)
单相全控桥带阻感负载时的电路及波形2-14
2.1.2单相桥式全控整流电路
数量关系
Ud=
απ∫
1
π+α
2U2sinωtd(ωt)=
22
π
U2cosα=0.9U2cosα
2
晶闸管移相范围为90°。
晶闸管承受的最大正反向电压均为电流的平均值和有效值:
2U2。
OudOidiVTO
1,4
ωt
ωt
IdIdIdIdId
晶闸管导通角θ与a无关,均为180°。
ωtωtωtωtωt
iVTO
2,3
Oi2
IdT=
1Id2
IT=
12
Id=0.707Id
uVT
O
1,4
Ob)
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=Id。
2-15
2.1.2单相桥式全控整流电路
3)带反电动势负载时的工作情况
在|u2|>E时,才有晶闸管承受正电压,有导通的可能。
导通之后,ud?
Eud=u2,id=,R直至|u2|=E,id即降至0使得晶闸管关断,此后ud=E。
udEOidIdO
α
θ
δ
ωt
ωt
b)
单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形
与电阻负载时相比,晶闸管提前了电角度δ停止导电,Eδ称为停止导电角,δ=sin?
1
22U
在a角相同时,整流输出电压比电阻负载时大。
2-16
2.1.2单相桥式全控整流电路
如图所示id波形:
udE
Oi
d
α
θ
δ
ωt
I
电流连续
d
O
电流断续
ωt
b)
单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻电阻负载时的波形电阻
当α<δ时,触发脉冲到来时,晶闸管承受负电压,不可能导通。
触发脉冲有足够的宽度,保证当ωt=δ时刻有晶闸管开始承受正电压时,触发脉冲仍然存在。
这样,相当于触发角被推迟为δ。
2-17
2.1.2单相桥式全控整流电路
负载为直流电动机时,如果出现电流断续,则电动机的机械特性将很软。
为了克服此缺点,一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。
ud
αδ
0
θ=π
Eπ
ωt
idO
ωt
单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器,电流连续的临界情况
这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同,ud的计算公式也一样。
为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出:
222U?
3U2L==2.87×10IinIdmπωdmin
2-18
2.1.3单相全波可控整流电路
单相全波可控整流电路(单相全波可控整流电路(SinglePhaseFullWaveControlledRectifier),又称单相双半波可控整流电路。
,又称单相双半波可控整流电路。
udOαi1O
ωt
ωt
a)
b)
单相全波可控整流电路及波形
单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。
变压器不存在直流磁化的问题。
2-19
2.1.3单相全波可控整流电路
单相全波与单相全控桥的区别:
单相全波与单相全控桥的区别:
单相全波中变压器结构较复杂,材料的消耗多。
单相全波只用2个晶闸管,比单相全控桥少2个,相应地,门极驱动电路也少2个;但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。
单相全波导电回路只含1个晶闸管,比单相桥少1个,因而管压降也少1个。
从上述后两点考虑,单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。
2-20
2.1.4单相桥式半控整流电路
电路结构
单相全控桥中,每个导电回路中有2个晶闸管,1个晶闸管可以用二极管代替,从而简化整个电路。
如此即成为单相桥式半控单相桥式半控整流电路(先不考虑整流电路VDR)。
u2b)
Oud
ωtαωt
IdIdπ?
αIdIdπ?
α
OidiVTOiVD1
4
ωtωtωt
IdId
电阻负载
半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。
iVTOiVD2
3
iVDO
R
Oi2O
α
ωtωt
单相桥式半控整流电路,有续流二极管,阻感负载时的电路及波形2-21
2.1.4单相桥式半控整流电路
单相半控桥带阻感负载的情况
在u2正半周,u2经VT1和VD4向负载供电。
u2过零变负时,因电感作用b)电流不再流经变压器二次绕组,而是由VT1和VD2续流。
在u2负半周触发角a时刻触发VT3,VT3导通,u2经VT3和VD2向负载供电。
u2过零变正时,VD4导通,VD2关断。
VT3和VD4续流,ud又为零。
u
2
Oud
ωtαωt
IdIdπ?
αIdIdπ?
α
OidiVTOiVD1
4
ωtωtωt
Id
iVTOiVD2
3
iVDO
R
Oi2O
α
ωtωt
单相桥式半控整流电路,有续流二极管,阻感负载时的电路及波形
2-22
2.1.4单相桥式半控整流电路
续流二极管的作用
避免可能发生的失控现象。
若无续流二极管,则当a突然增大至180°或触发脉冲丢失时,会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况,这使ud成为正弦半波,其平均值保持恒定,称为失控。
失控有续流二极管VDR时,续流过程由VDR完成,避免了失控的现象。
续流期间导电回路中只有一个管压降,有利于降低损耗。
2-23
2.1.4单相桥式半控整流电路
单相桥式半控整流电路的另一种接法
单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形
单相桥式半控整流电路的另一接法
相当于把图中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4,这样可以省去续流二极管VDR,续流由VD3和VD4来实现。
2-24
2.2
三相可控整流电路
2.2.1三相半波可控整流电路2.2.2三相桥式全控整流电路
2-25
2.2
三相可控整流电路·引言三相可控整流电路引言
交流测由三相电源供电。
负载容量较大,或要求直流电压脉动较小、容易滤波。
基本的是三相半波可控整流电路,三相桥式全控整流电路应用最广。
2-26
2.2.1三相半波可控整流电路
1)电阻负载电阻负载
电路的特点:
a)
变压器二次侧接成星形得到零线,而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。
三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源,其阴极连接在一起——共阴极接法。
c)b)
u2
α=0ua
ub
uc
R
id
O
ωt1
ωt2
ωt3
ωt
uGOudd)OiVT
1
ωt
ωt
自然换相点:
二极管换相时刻为自然换相点自然换相点,自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻,将其作为计算各晶闸管触发角a的起点,即a=0°。
°
e)uf)O
VT
ωtωt
1
O
uab
uac
三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=0°时的波形
2-27
2.2.1三相半波可控整流电路
a=0°时的工作原理分析°变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形,变压
器二次绕组电流有直流分量。
晶闸管的电压波形,由3段组成。
a)
R
u2b)
α=0uaωt2
ub
uc
Oωt1uG
ωt3
ωt
c)Oudd)OiVT
1
ωt
ωt
e)f)uVTO
1
ωtωt
uabuac
O
三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=0°时的波形
2-28
a=30°的波形°?
特点:
负载电流处于连续和断续之间的临界状态。
u2
α=30°
ua
0
ub
uc
ωt
uGud
0
ωtωt1ωt
iVT
0
1
uVT
0
1
ωt
uac
0
ωt
uabuac
三相半波可控整流电路,电阻负载,a=30°时的波形
2-29
a>30°的情况°?
特点:
负载电流断续,晶闸管导通角小于120°。
u2
α=60°u
a
ub
uc
OuGOudO
1
ωt
ωtωt
iVT
O
ωt
三相半波可控整流电路,电阻负载,a=60°时的波形
2-30
2.2.1三相半波可控整流电路
整流电压平均值的计算a≤30°时,负载电流连续,有:
1Ud=2π3
∫π
5π+α6+α
22sinωtd(ωt)=U
6
36U2cosα=1.17U2cosα2π
当a=0时,Ud最大,为Ud=Ud0=1.172。
U
a>30°时,负载电流断续,晶闸管导通角减小,此时有:
Ud=12π3
∫
ππ
6
+α
2U2sinωtd(ωt)=
ππ32?
?
?
?
U2?
1+cos(+α)?
=0.675?
1+cos(+α)?
2π66?
?
?
?
2-31
2.2.1三相半波可控整流电路
Ud/U2随a变化的规律如图中的曲线1所示。
1.21.17Ud/U2/0.80.420306090α/(°)12015013
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
2-32
2.2.1三相半波可控整流电路
负载电流平均值为
UdId=R晶闸管承受的最大反向电压,为变压器二次线电压峰值,
即
URM=2×32=6U2=2.452UU
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
UFM=22U
2-33
2.2.1三相半波可控整流电路
2)阻感负载)
特点:
阻感负载,L值很大,id波形基本平直。
a≤30°时:
整流电压波形与电阻负载时相同。
a>30°时(如a=60°时的波形如图所示)。
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id近似为一条水平线。
uduaubuc
Oia
α
ωt
ibOicOidO
ωtωtωt
O
阻感负载时的移相范围为三相半波可控整流电路,阻感负载时的电路及90°。
α=60°时的波形
2-34
OOuac
ωt
ωt
2.2.1三相半波可控整流电路
数量关系
由于负载电流连续,Ud可由前面的公式求出,即
Ud=Ud0=1.17U2
Ud/U2与a成余弦关系,如图中的曲线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。
1.21.17Ud/U20.80.420306090α/(°)12015013
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
2-35
2.2.1三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
1I2=IVT=Id=0.577Id3
IVT(AV)IVT==0.368Id1.57
晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值
UFM=URM=2.45U2
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。
2-36
2.2.2
三相桥式全控整流电路
导通顺序:
VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6
三相桥是应用最为广泛的整流电路
共阴极组——阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1,VT3,VT5)
三相桥式全控整流电路原理图
共阳极组——阳共阳极组极连接在一起的3个晶闸管(VT4,VT6,VT2)
2-37
2.2.2
三相桥式全控整流电路
1)带电阻负载时的工作情况)
当a≤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:
a=0
a=30°a=60°
当a>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:
a=90°
带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120°
2-38
u2α=0°uaud1
ub
uc
Oud2u2Lud
ωt1
ⅠuabⅡuacⅢubcⅣubaⅤucaⅥucb
ωt
uab
uac
O
ωt
iVT
1
OuVT
1
uab
uac
ubc
uba
uca
ucb
uab
uac
ωt
O
ωt
uab
uac
三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0°时的波形2-39
ud1
α=30°u
a
ub
uc
Oud2ud
ωt1
ⅠuabⅡuacⅢubcⅣubaⅤucaⅥucb
ωt
uab
uac
O
ωt
uVT
1
uab
uac
ubc
uba
uca
ucb
uab
uac
O
ωt
iaO
uab
uac
ωt
三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30°时的波形2-40
α=60°
ud1
ua
ub
uc
ωt1
Oud2uduabⅠuacⅡubcⅢubaⅣucaⅤucbⅥuab
ωt
uac
O
ωt
uVT
1
uac
uac
O
ωt
uab
三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60°时的波形2-41
ud1
ua
ub
uc
ua
ub
Oud2uduabuacubcubaucaucbuabuacubcuba
ωt
O
ωt
id
OiVT
1
ωt
Oia
ωt
O
ωt
三相桥式全控整流电路带电阻负载a=90°时的波形2-42
2.2.2
时段
三相桥式全控整流电路
晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示
IVT1VT6
ua-ub=uab
IIVT1VT2ua-uc=uac
IIIVT3VT2ub-uc=ubc
IVVT3VT4ub-ua=uba
VVT5VT4uc-ua=uca
VIVT5VT6uc-ub=ucb
共阴极组中导通的晶闸管共阳极组中导通的晶闸管整流输出电压ud
2-43
2.2.2
三相桥式全控整流电路
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。
(2)对触发脉冲的要求:
按VT1-VT2-VT3-VT4-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VT4,VT3与VT6,VT5与VT2,脉冲相差180°。
2-44
2.2.2
三相桥式全控整流电路
三相桥式全控整流电路的特点特点
(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,晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。
2-45
2.2.2
三相桥式全控整流电路
2)阻感负载时的工作情况
a≤60°时(a=0°;a=30°)°
ud波形连续,工作情况与带电阻负载时十分相似。
主要包括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
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。
a>60°时(a=90°)°
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a角移相范围为90°。
2-46
u2α=0°uaud1Oωt1ud2u2LudⅠⅡuabuac
ub
uc
ωt
ⅢⅣⅤⅥubcubaucaucbuabuac
O
ωt
idOiVT
1
ωtωt
O
三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0°时的波形2-47
ud1
α=30°
ua
ub
uc
Oud2ud
ωt1
ⅠuabⅡuacⅢubcⅣubaⅤucaⅥucb
ωt
uab
uac
O
ωt
idOiaO
ωtωt
三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30°时的波形2-48
α=90°
ud1
ub
uc
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