电力电子技术整流电路

1、整流电路整流电路整流电路的分类整流电路的分类：l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。l按电路形式可分为半波，全波和桥式。l按交流输入相数分为单相电路单相电路和多相电路。多相电路。4.1.1单相半波不可控整流电路v1.电阻负载Disu = U sintsmuoR电路图；工作原理；输出波形（电压，电流）数量关系： 输出电压和电流的平均值和有效值v则整流输出电压平均值为：v输出电流平均值为：v由有效值定义，输出电压和电流有效值为：mmTmUUdttUTU5 . 02sin12020.5mUIR 2000011sin0.318TTmmmUUUt dtUtdtUTT000.318mm

2、UUUIRRRv2.R-L负载电路图；输出波形（电压，电流）二极管延迟导通的原因v二极管延迟导通的原因交流电源Us的负半周期中，可将Us看成一个上负下正的直流电源，同时电感L为了阻止回路中电流i的减小，会产生一个感应电势VL，其方向为上负下正。此时加在VD两端的电压为VL-Us，在Us刚刚过零变负的一小段时间内Us的绝对值较小，则VD主要承受VL提供的正向电压，所以VD继续导通。随着Us的慢慢变大，当Us的绝对值大于VL时VD就会承受方向电压而关断。3.R-C负载（略）4.1.2单相半波可控整流电路v1.电阻负载电路图；工作原理；t输出波形数量关系)cos1 (2(sin210mmVttdVV

3、）由有效值定义，整流输出电压、电流的有效值为： 整流输出电流有效值与其平均值之比为波形系数：)22sin(12sin2122mmVttdVUcos1)22sin(00UUIIKf例1.某一电热负载，要求直流电压60V，电流30A，采用单相半波可控整流电路，直接由220V电网供电，计算晶闸管的导通角及电流有效值。 2cos145. 02UUdVUd60VU220221. 0122045. 0602coso78ooo10278180VUU4 .12322sin41223060ddIURAARUI7 .6124 .123v2.感性负载与续流二极管电路图；工作原理；输出波形ttttu20t12tug0

4、ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +使用续流二极管的原因续流二极管的工作原理：在电源电压的正半周期，二极管截止，其工作情况与不接续流二极管时的情况相同当u u2 2过零变负时，VDR导通，u ud d为零，VT承受反压关断。L储存的能量保证了电流i id d在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流续流。使用续流二极管后的输出波形：u2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO- +b)c)d)e)f)g)iVDRa)特点：I. 感性负载加上续流二极管后其输出平均电压Ud的波形与阻性负载相同；II. 由于负载电感较大，可把负载上的输出电流Id近似的看成一个常数；

5、III.晶闸管与二极管的平均电流分别是ddVT2IIddVDRII2IV.晶闸管与二极管的有效电流分别是d2dVT2)(21ItdIId22dVD2)(21RItdII4.2.1单相桥式（单相全桥）不可控整流电路v1.电阻负载电路图；工作原理 工作原理v单相全桥整流电路中，整流二极管分两组轮流导通，对角二极管同时导通，同时截止；带中心抽头的全波整流电路中，两个二极管轮流导通。 数量关系v输出直流电压平均值：mmmoVVtdtVV637. 02sin10单相全桥与单相全波（带抽头）的区别v2.R-L负载电路图；输出电压波形输出电压波形是否有反向（二极管是否存在延迟导通的情况）？4.2.2单相桥式

6、可控整流电路v1.电阻负载电路图；工作原理；工作原理与单相桥式不可控类似，只是单相桥式可控整流电路的输出波形（阻性）（阻性）u( i)ttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4数量关系)cos1 (0mUV)cos1 (RUIm2)cos(19 . 0)(sin2122UttdUUdv1.R-L负载电路图；输出波形与工作原理输出波形与工作原理2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4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tt= =+ +a 时刻，晶闸管VT2和

7、VT3得到控制脉冲，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。数量关系22sincos2mdmUUUtd t 2sin222122mmUttdUU带反电动势负载时的工作情况带反电动势负载时的工作情况b)idOEudtIdOtd在| |u u2 2|E E时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。导通之后， ud=u2， ， 直至| |u u2 2|=|=E E，i id d即降至0使得 晶闸管关断，此后ud=E 。REuidd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

8、电角，212sinUEd电流连电流连续续ub)idOEdtIdOtd电流断续电流断续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tOud0Eidtd = 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。如果，触发脉冲到来时，晶闸管因承受反向电压而不能被触发导通。例2.单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=20，L值极大，当=/6时，要求： 作出输出平均电压作出输出平均电压UdUd、平均电流、平均电流IdId和变压器二次电流和变压器二次电流I2I2的波形；的波形； 求整流输出平均电压、

9、电流，变压器二次电流有效值；求整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值；解：波形如图2 2） 求整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有求整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值；效值；)(97.7730cos1009 . 0cos9 . 02VUUd)(99.38297.77ARUIdd)(99.382AIId 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路及波形a)tb)udi1OOt2)cos(19 . 0)(sin2122UttdUUd例3. 整流电路如下图所示，由一只晶闸管与一只整流二极管组成，已知U2=220 V，=45。求：画出=45时Ud=的波形输出直流电压Ud21dddUU

10、U)(sin221)(sin22120221ttdUttdUUUUddd)cos3(222U解： 其中，Ud1为VT导通时的平均电压值，Ud2为VD导通时的平均电压值。 单相全波与单相全控桥的区别：v单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。v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。v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。单相桥式半控整流电路电路结构电路结构 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。单相桥式半控整流电路的另一种接法相当于把左

11、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。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电阻负载电阻负载 半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。u (i )ttt000i2udiddduVT1,42)cos(19 . 0)(sin2122UttdUUd例4.单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出二极管VD2，VD4在一周内承受的电压波形 分析：注意到二极管的特点，承受电压为正即导通。因此，二极管承受的电压不会出现正的部分。 单相半控桥带单相半控桥带阻感负载阻感负载的情况的情况在u2正半周，u2经VT1和V

12、D4向负载供电。 u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD3续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT2，VT2导通，u2经VT2和VD3向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD3关断。VT2和VD4续流，ud又为零。失控现象及解决办法失控现象及解决办法当a 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u ud d成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控失控。为避免这种情况的发生，可在负载侧并联一个续流二极管，感应电势经续流二极管续流，而不再经过VT1和VD3，这样就可以使VT1恢复阻断能力，Ob)2OudidI

13、dOOOOOi2IdIdIdIIdttttttt iVT1iVD4iVT2iVD3iVDR单相半控桥带阻感负载的波形单相半控桥带阻感负载的波形单相半控桥带阻感负载的数量关系单相半控桥带阻感负载的数量关系2)cos(19 . 0)(sin2122UttdUUd)cos1 (0mUVRUIddddVTItdIIS2)(212ddVItdIIDS02)(1dVIIT2dVIID输出平均电流Ud（V0）为：输出平均电流Id为：晶闸管和续流二极管的平均电流分别为：晶闸管和续流二极管的有效电流分别为：O2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdtttttttiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR例

14、5.某一电感负载要求直流电压范围是1560V，电压最高时电流是10A，采用具有续流二极管的单相桥式半控电路，从220V电源经变压器供电，考虑最小控制角min=25,计算电源有效值U2；负载电压为60V和15V时晶闸管、续流二极管的电流有效值。解：=25时，Ud=60V VVUdU7025cos19 . 0602cos19 . 022AIdIVTS6 . 62AIdIVDS73. 3当Ud=15 V时cos=5238. 0129 . 02UUd=121AAIdIVTS15 . 23601211802AIdIVDS2 电路特点 4.3.2三相半波可控整流电路 变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧

15、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 。电阻负载电阻负载工作原理工作原理b)c)d)e)f)u2Riduaubuc =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttt电阻负载电阻负载工作原理工作原理b)c)d)e)f)u2Riduaubuc =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttt电阻负载电阻负载工作原理工作原理b)c)d)e)f)u2Riduaubuc =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttt电阻负载数量关系电阻负载数量关系/6=/6是负载是负载

16、电流连续和断续的临界点电流连续和断续的临界点/6=/3时，时，负载上的电压负载上的电压输出波形断续，输出波形断续，UdUd为：为：tttt =60u2uaubucOOOOuGudiVT1)6cos(123)(sin236mmdVttdVU)6cos(12232U )6cos(1675. 0 电阻负载数量关系电阻负载数量关系/6tttt =60u2uaubucOOOOuGudiVT1阻感负载波形阻感负载波形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，i id d波形基本平直。a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。30时u2过零时，VT1不关断，直到VT2的

17、脉冲到来，才换流，ud波形中出现负的部分。若增大，波形中负的部分将增多，直到=/2时，Ud波形中正负面积相等，Ud=0udiauaubucibiciduacOtOtOOtOOtttcos323)(sin23656mmdVttdVU阻感负载带续流二极管阻感负载带续流二极管cos323)(sin23656mmdVttdVU三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及 =60时的波形 为了避免整流输出电压波形出现负值，可在大电感负载两端并联续流二极管，以提高输出平均电压值，改善负载电流的平稳性udiauaubucibiciduacOtOtOOtOOttt数量关系（与阻性一样）/6时：)6cos(123)

18、(sin236mmdVttdVU晶闸管的平均电流IvtdTII360150例6.三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载， R=5 ，L值极大，当=/3时，要求： 画出Ud、Id和Ivt1的波形； 计算Ud、Id和Idvt。 例7. 三相半波可控整流电路，负载电感极大，电阻R=2 、U2=220V，当=/3，求出不接续流二极管和接续流二极管两种电路结构下的负载平均电压Ud、平均电流Id和流过晶闸管的平均电流Ivt。)(5 .5860cos10017. 1cos17. 12VUUd)(7 .1155 .58ARUIdd)(9 . 337 .113AIIddVT不接续流二极管时： )(

19、11760cos22017. 1cos17. 12VUUd)(5 .582117ARUIddd)(5 .195 .583131AIIdVT 接续流二极管时：6cos1675. 02UUd)(13536cos1220675. 0V)(5 .672135ARUIddd )(8 .165 .67360150360150AIIdT4.3.2 三相桥式全控整流电路共阴极组共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）电路结构三相桥式可控整流电路带电阻负载a=0时的波形u2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubc

20、ubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubt1OtOtOtOt = 0iVT1uVT1整流原理u2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubt1OtOtOtOt = 0iVT1uVT1整流原理分段分析a=0时的波形电流流向：aVT1 负载VT6 b此时负载R上的电压是多大呢？整流原理等效分析由于此时电流从a点VT1 负载VT6 b点，其中a点电位为正，b点为负。也就是说负载上端电位为正，下端为负。找到负载中电势为零的点O，将负载一分为二，同时由于三

21、相电源的中点O也是零电位，故将O与O用辅助线连接起来，这样就得到了下面的等效电路图。整流原理等效分析依据等效电路可以将电流流向做如下分解：a点VT1 负载VT6 b点a点VT1 R1O O点O点 O R2VT6 b点此时R1上的电压Upo为a相的相电压Ua，R2上的电压Uoq为b相的相电压，且是负的即Uoq=-Ub，所以整个负载上的电压Upq= Upo+ Uoq=Ua+（-Ub）=Ua-Ub=Uab，此处Uab为线电压这样就可以把三相桥式全控看成两个三相半波的叠加，上面的是共阴的三相半波，下面一个是共阳的三相半波相电压与线电压)120sin(2)120sin(2sin2222ocobatUUt

22、UUtUU)60cos(62obaabtUUUUu2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubt1OtOtOtOt = 0iVT1uVT1整流原理分段分析u2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubt1OtOtOtOt = 0iVT1uVT1整流原理分段分析u2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuau

23、cubt1OtOtOtOt = 0iVT1uVT1整流原理分段分析时 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晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示（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-VT6VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组V

24、T1VT1、VT3VT3、VT5VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4VT4、VT6VT6、VT2VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1VT1与与VT4VT4，VT3VT3与与VT6VT6，VT5VT5与与VT2VT2，脉冲相差180。（3）u ud d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。三相桥式可控控整流电路带电阻负载a= 30 时的波形ud1ud2 = 30iaOt

25、OtOtOtuduabuacuaubuct1uabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1三相桥式可控整流电路带电阻负载a= 60 时的波形 = 60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtt1OtOtuVT1 三相桥式全控整流电路带电阻负载a= 90 时的波形ud1ud2uduaubucuaubtOtOtOtOtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120a a6060 时时u ud d波形

26、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u ud d波形 晶闸管承受的电压波形阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况主要包括a a 60 60 时时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时，u ud d波形不会出现负的部分。 阻感负载时，u ud d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 a角移相范围为90 。区别在于：得到的负载电流i id d波形不同。 当电感足够大的时候， i id d的波形可近似为一条水平线。定量分析定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a a6060 时）的平均值为： 带电阻负载且a

27、60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为 ：I Id d= =U Ud d / /R Rcos34.2)(sin63123232dUttdUU)3cos(134.2)(sin63232dUttdUU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I Id d时有所不同，接反电势阻感负载时的I Id d为：REUIdd式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。例8. 三相桥式全控，直流电机负载。E=200v Rd=1，U2=220v，=30度。当1）电源漏感Lb=0 2）Lb=1mH时，分别求Ud，Id，。 例9. 三相半

28、波可控整流，大电感负载，Id=10A不变，U2=100V，=10度（换相重叠角），=60度。求：整流输出电压Ud？ u变压器漏感对整流电路的影响：换相重叠现象现以三相半波为例，然后将其结论推广。问题的提出：考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形udidtOtOgiciaibiciaIduaubuci ik k= =i ib b是逐渐增大的， 而i ia a= =I Id d- -i ik k是逐渐减小的。当ik k增大到等于I Id d时，i ia a=0=0，VT1关断,换流过程结束。VT1换相至VT2的过程：因a a、b b两相均有漏感，故i ia a、i ib b均不能突变。于是VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流i ik k。考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形udidtOtOgiciaibiciaIduaubuc换相重叠换相重叠角角换相过程持续的时间，用电角度表示。换相过程中，整流电压u ud d为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值