河南理工大学电力电子课件234电容滤波的不可控整流电路和大功率可控整流电路

1、好学力行河南理工大学明德任责电力电子技术电力电子技术河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院朱艺锋朱艺锋email:email:power electronics technology好学力行河南理工大学明德任责第第2 2章章 整流电路整流电路好学力行河南理工大学明德任责 内容提要内容提要v2.1 单相整流电路单相整流电路v2.2 三相整流电路三相整流电路v2.3 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路v2.4 大功率可控整流电路大功率可控整流电路v2.5 有源逆变电路有源逆变电路v2.6 整流电路的谐波及功率因数整流电路的谐波及功率因数v2.7 晶闸管晶闸管-直流电动机系统直流电动

2、机系统v2.8 相控电路的驱动电路相控电路的驱动电路v2.9 pwm整流电路整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.3 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.3 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路在交在交直直交变频器、不间断电源、开关电源等交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用。由不可控整流电路提供应用场合中，大量应用。由不可控整流电路提供直流电源，供后级的逆变器和斩波器等使用。直流电源，供后级的逆变器和斩波器等使用。最常用的是最常用的是单相桥单相桥和和三相桥三相桥两种接法。两种接法。由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，

3、故也由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为称这类电路为二极管整流电路二极管整流电路。好学力行河南理工大学明德任责2.3.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路常用于常用于小功率单相交流输入的场合小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中。的微机、电视机等家电产品中。1） 工作原理及波形分析工作原理及波形分析图图2-24 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a) 电路电路 b) 波形波形在在u2正半周过零点至正半周过零点至wt=0期间，因期间，因u2ud，故二极管，故

4、二极管均不导通，电容均不导通，电容c向向r放电，提供负载所需电流。放电，提供负载所需电流。至至wt=0之后，之后，u2将要超过将要超过ud，使得，使得vd1和和vd4开通，开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载，交流电源向电容充电，同时向负载r供电。供电。b)0iudq qd dp p2p pw wti,uda)+rcu1u2i2vd1vd3vd2vd4idicirud好学力行河南理工大学明德任责2.3.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路导通角导通角的确定：的确定：b)0iudq qd dp p2p pw wti,udu2过了峰值之后，过了峰值之后， u2和电

5、容电压和电容电压uc 都开始下降。都开始下降。 vd1和和 vd4的关断时刻，从物理意义上讲，就是的关断时刻，从物理意义上讲，就是两个电压下降速度相等的时刻。两个电压下降速度相等的时刻。)(/2tdduwpdtddu)(/w好学力行河南理工大学明德任责2) 主要的数量关系主要的数量关系 输出电压平均值输出电压平均值 电流平均值电流平均值 输出电流平均值输出电流平均值ir为：为： ir = ud /r id =ir 二极管电流二极管电流id平均值为：平均值为： id = id / 2=ir/ 2 二极管承受的电压二极管承受的电压 22u空载时，空载时， 。重载时，重载时，ud逐渐趋近于逐渐趋近于

6、0.9u2，即趋近于接近电阻负载，即趋近于接近电阻负载时的特性。时的特性。在 设 计 时 根 据 负 载 的 情 况 选 择 电 容在 设 计 时 根 据 负 载 的 情 况 选 择 电 容 c 值 ，值 ，使使 , 此时输出电压为：此时输出电压为： ud1.2 u2。2d2uu 2/)53(trc 2.3.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责 感容滤波的二极管整流电路感容滤波的二极管整流电路实际应用为此情况，但分析复杂。实际应用为此情况，但分析复杂。ud波形更平直，电流波形更平直，电流i2的上升段平缓了许多，这的上升段平缓了许多，这对于电路的

7、工作是有利的。对于电路的工作是有利的。图图2-27 感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a） 电路图电路图 b）波形）波形2.3.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责感容滤波的二极感容滤波的二极管整流电路管整流电路:a)b)u2udi20d dq qp pw wti2,u2,ud2.3.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路b)0iudq qd dp p2p pw wti,ud好学力行河南理工大学明德任责2.3.2电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路1）

8、 基本原理基本原理某一对二极管导通时，某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最输出电压等于交流侧线电压中最大的一个大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规按指数规律下降。律下降。图图2-28 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt好学力行河南理工大学明德任责32=+t)-32( - trc1232=+t2t)(d32sin6d)(d)+tsin(6dpdwdp

9、wwpdwwpwqweutu 电流电流id 断续和连续的临界条件断续和连续的临界条件wrc=33在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，是连续的， 分界点就是分界点就是r= /wc。3由由 “电压下降速度相等电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。的原则，可以确定临界条件。假设在假设在wt+d d =2p p/3的时刻的时刻“速度相等速度相等”恰好发生，则有恰好发生，则有由上式可得由上式可得（2-50）2.3.2电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路)(/tdduabw)(/tddudw好学力行河南理工大学明德任责

10、在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是是连续的，分界点就是r= /wc。3图图2-29电容滤波的三相桥式整流电路当电容滤波的三相桥式整流电路当wrc等于和小于等于和小于 时的电流波形时的电流波形 a）wrc=b）wrc333a)b)wtwtwtwtaidaidoooo2.3.2电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况：电流而串联的电感时的工作情况：电流波形的前沿平缓了

11、许多，有利于电路的正常电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。工作。 随着负载的加重，电流波形与电阻负载时随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。的交流侧电流波形逐渐接近。图图2-32 考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形 a）电路原理图）电路原理图 b）轻载时的交流侧电流波形）轻载时的交流侧电流波形 c）重载且滤波电感很大时的交流侧电流波形）重载且滤波电感很大时的交流侧电流波形2.3.2电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责2) 主要数量关系主要数量关系（1）输出电

12、压平均值）输出电压平均值 ud在（在（2.34u2 2.45u2）之间变化）之间变化（2）电流平均值）电流平均值 输出电流平均值输出电流平均值ir为：为：ir = ud /r 与单相电路情况一样，电容电流与单相电路情况一样，电容电流ic平均值为零，平均值为零， 因此：因此： id =ir 二极管电流平均值为二极管电流平均值为id的的1/3，即：，即：id = id / 3=ir/ 3 （3）二极管承受的电压）二极管承受的电压 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为 26u2.3.2电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路好学力行河南

13、理工大学明德任责小小 结结 重点：重点：1 1）带电容滤波的二极管整流电路的输出）带电容滤波的二极管整流电路的输出 电压范围；电压范围； 2 2）该电路的）该电路的rcrc经验取值范围以及对应经验取值范围以及对应的输出电压；的输出电压；2.3 带电容滤波的二极管带电容滤波的二极管整流电路整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.4 大功率可控整流电路大功率可控整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.4 大功率可控整流电路大功率可控整流电路引言引言采用大功率器件、器件串并联、整流电路串并联采用大功率器件、器件串并联、整流电路串并联带带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：平衡电抗器的双反星形可控

14、整流电路的特点：适用于适用于低电压、大电流低电压、大电流的的场合，简称双反星型电路。场合，简称双反星型电路。多重化整流电路的特点：多重化整流电路的特点：在采用相同器件时可达到更大的功率。在采用相同器件时可达到更大的功率。可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰。减小对供电电网的干扰。好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路为消除直流磁化，变压器二为消除直流磁化，变压器二次侧为两组次侧为两组匝数相同极性相匝数相同极性相反反的绕阻，分别接成两组三的绕阻，分别接

15、成两组三相半波整流电路。相半波整流电路。电解电镀领域需用低电压大电解电镀领域需用低电压大电流可调直流电源电流可调直流电源. .思考：采用什么样的拓扑？思考：采用什么样的拓扑？单相单相/ /三相？半波还是全控桥三相？半波还是全控桥？采用三相半波电路的并联，采用三相半波电路的并联，电压不变，电流增倍。电压不变，电流增倍。aubucuau bu cu 好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路两组三相半波整流电路直接两组三相半波整流电路直接并联并联-六相半波整流电路六相半波整流电路。任何时刻仅有一只管导通，任何时刻仅有一只管导通，每管

16、最大的导通角为每管最大的导通角为60o。 =0o时，输出电压波形为时，输出电压波形为6相正弦的包络线相正弦的包络线；ud =1.35 u2cos 6相半波整流电路晶闸管导相半波整流电路晶闸管导电时间短，变压器利用率低，电时间短，变压器利用率低，故极少采用。故极少采用。aubucuau bu cu 好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路两组三相半波整流电路直接两组三相半波整流电路直接并联并联-六相半波整流电路六相半波整流电路。 =0o 由于由于6个晶闸管阴极接在一起，任意时刻，电压高的一相个晶闸管阴极接在一起，任意时刻，电压高

17、的一相导通后，其它导通后，其它5个管子授反向电压不能导通，任意时刻只有个管子授反向电压不能导通，任意时刻只有一个晶闸管工作，并未真正实现并联工作。一个晶闸管工作，并未真正实现并联工作。 如何使正反组如何使正反组同时各有一只管子导通，提高输出电流？同时各有一只管子导通，提高输出电流？ 解决办法：解决办法：加平衡电抗器加平衡电抗器。好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路图图2-33 2-33 带平衡电抗器的带平衡电抗器的双反星形可控整流电路双反星形可控整流电路平衡电抗器：平衡电抗器：带有中心抽头，带有中心抽头，数值一般较大；接在

18、数值一般较大；接在两个星两个星形的中点间形的中点间；平衡电抗器作用平衡电抗器作用：平衡两组：平衡两组三相半波整流电路瞬时电压，三相半波整流电路瞬时电压，保证两组三相半波整流电路保证两组三相半波整流电路能同时导通，实现能同时导通，实现并联运行并联运行。与三相桥式电路相比，双反与三相桥式电路相比，双反星形电路的输出电流可星形电路的输出电流可大一大一倍倍。双反星型整流电路双反星型整流电路带平衡电抗器带平衡电抗器好学力行河南理工大学明德任责绕组的极性相反的目的：绕组的极性相反的目的：消除直流磁通势消除直流磁通势如图可知，虽然两组相如图可知，虽然两组相电流的瞬时值不同，但电流的瞬时值不同，但是是平均电流

19、相等平均电流相等而而绕组绕组的极性相反的极性相反，所以直流，所以直流安匝互相抵消。安匝互相抵消。i1、i2的的正负半周对称。正负半周对称。图 双反星形电路， =0时两组整流电压、电流波形2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路好学力行河南理工大学明德任责平衡电抗器使得两组三相半波整流电路同时导电平衡电抗器使得两组三相半波整流电路同时导电的的原理分析原理分析：2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路以以vt1和和vt6同时导通为例；在同时导通为例；在wt1处，处， ，给两管门极同时加触发，给两管门极同时加触发脉冲。控

20、制角脉冲。控制角=0。0bauu好学力行河南理工大学明德任责图2-36 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路在在wt1处，给两管门极同时加触处，给两管门极同时加触发脉冲。控制角发脉冲。控制角=0。等效电。等效电路如右。路如右。由于由于 ，vt6先导通，先导通，形成负载电流，此电流在形成负载电流，此电流在 lp上上感应一电动势，左负右正，其值感应一电动势，左负右正，其值设为设为up/2 ，同时在，同时在 另一侧感应另一侧感应出出 up/2 ，极性如图。极性如图。两管两管vt1和和vt6共阴极，现以中共阴极，现以中

21、心抽头为参考点，分析两管的阳心抽头为参考点，分析两管的阳极电位。极电位。0bauu1/ 2,apuuu6/ 2bpuuu好学力行河南理工大学明德任责图2-36 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况时间推迟至时间推迟至ub与与ua的交点时，的交点时， ub = ua ， 。之后之后 ub ub ，电流才从，电流才从vt6换至换至vt2。此时。此时vt1、vt2同时导通。同时导通。每一组中的每一个晶闸管仍按三相半每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导通。波的导电规律而各轮流导通。0pu2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路可见，平衡电抗

22、器起到了电势平可见，平衡电抗器起到了电势平衡的作用，补偿了衡的作用，补偿了 的电势的电势差差,使得使得vt1和和vt6能够同时导通。能够同时导通。 bauu和1/ 2,apuuu6/ 2bpuuu好学力行河南理工大学明德任责由上述分析可得，并联运行时有：由上述分析可得，并联运行时有：图图2-35 平衡电抗器作用下输平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形上电压的波形12uuudd2pu ,uwupd1d2oo60360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路12uuu

23、dd1p1()2uuudd1d2p2uuudd1好学力行河南理工大学明德任责 =30 、 =60 和和 =90 时输出电压的波形分析时输出电压的波形分析图图2-37 当当 =30 、60 、90 时，时，双反星形电路的输出电压波形双反星形电路的输出电压波形 分析输出波形时，可先求出分析输出波形时，可先求出ud1和和ud2波形，然后根据式（波形，然后根据式（3-98）做出波形做出波形( ud1+ud2 ) / 2。输出电压波形与三相半波电路输出电压波形与三相半波电路比较，脉动程度减小了，比较，脉动程度减小了，脉动脉动频率加大一倍频率加大一倍，f=300hz。电感负载电感负载情况下，移相范围是情况

24、下，移相范围是90 。电阻负载电阻负载情况下，移相范围为情况下，移相范围为120 。9090 。6060 。3030 udududw wtow wtow wtouaubucucuaububucucuaububucucuaub2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路好学力行河南理工大学明德任责整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为: ud=1.17 u2 cos 将将双反星形电路与三相桥式电路进行比较双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得可得出以下结论：出以下结论：三相桥为两组三相半波三相桥为两组三相半波串联串

25、联，而双反星形为两组三，而双反星形为两组三相半波相半波并联并联，且后者需用平衡电抗器。，且后者需用平衡电抗器。当当u2相等时，双反星形的相等时，双反星形的ud是三相桥的是三相桥的1/2，而，而id是是三相桥的三相桥的2倍。倍。两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，一样，ud和和id的的波形形状一样，均为波形形状一样，均为6脉波脉波。2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.4.2 多重化整流电路多重化整流电路概述：概述： 整流装置功率进一步加大时，所产生的谐波、整流装置

26、功率进一步加大时，所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用，可采用多重化整流电路多重化整流电路。原理：原理： 按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流电路进行组合得到。电路进行组合得到。目标：目标： 移相多重联结移相多重联结减少交流侧输入电流谐波。减少交流侧输入电流谐波。好学力行河南理工大学明德任责1) 移相多重联结移相多重联结图图2-38 并联多重联结的并联多重联结的12脉波整脉波整流电路流电路有有并联多重联结并联多重联结和和串联多串联多重联结重联结。可减少输入电流谐波，减可减少

27、输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小高纹波频率，因而可减小平波电抗器。平波电抗器。使用使用平衡电抗器平衡电抗器来平衡来平衡2组整流器的电流。组整流器的电流。2个三相桥并联而成的个三相桥并联而成的12脉波整流电路脉波整流电路。2.4.2 多重化整流电路多重化整流电路好学力行河南理工大学明德任责移相移相30 构成的串联构成的串联2重联结电路重联结电路图图2-39 移相移相30 串联串联2重联结电路重联结电路 图图2-40 移相移相30 串联串联2重联结重联结电路电流波形电路电流波形整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成整流变压器二次绕组分别采用

28、星形和三角形接法构成相位相差相位相差30 、大小相等的两组电压。、大小相等的两组电压。该电路为该电路为12脉波整流电路。脉波整流电路。星形星形三角形三角形2.4.2 多重化整流电路多重化整流电路相移相移60折算到折算到原边原边叠加叠加:d=a+c好学力行河南理工大学明德任责ia基波幅值基波幅值im1和和n次谐波幅值次谐波幅值imn分别如下：分别如下：)32(34dd1iiimpp单桥时为, 3 , 2 , 1, 112341dkkninimnp即输入电流谐波次数为即输入电流谐波次数为12k1，其幅值与次数成反，其幅值与次数成反比而降低。比而降低。该电路的其他特性如下：该电路的其他特性如下：直流输出电压直流输出电压 位移因数位移因数 cosj j1 1=cos （单桥时相同）（单桥时相同）功率因数功率因数 l l= cosj j1 1