电力电子技术课件 第3章(31-323)1.ppt

1、第三章 AC/DC变换技术,本章主要内容 重点掌握整流电路的结构形式及其工作原理 重点掌握整流电路的工作波形 重点掌握整流电路的数学关系以及设计方法 熟悉变压器漏抗对整流电路的影响 掌握整流电路的谐波和功率因数分析 了解新型的PWM整流电路。,交流电能（AC）转换为直流电能（DC）的过程称为整流，完成整流过程的电力电子变换电路称为整流电路。,3.1 概述,3.1.1 整流电路的分类 按整流器件：全控整流、半控整流和不可控整流 按控制方式：相控整流和PWM（脉冲宽度调制）整流。 按整流输出波形：半波整流和全波整流。 按电路结构：桥式电路和零式电路； 按输入交流相数：单相、三相和多相电路；,3.1

2、 概述,3.1.2相控整流电路一般结构 由交流电源（工频电网或整流变压器）、整流电路、负载及触发控制电路构成。,图3. 1 相控整流电路的结构框图,3.1 概述,整流电路包括： 电力电子变换电路、滤波器和保护电路等，将输入的交流电压转换成脉动的直流电压。 负载 各种工业设备，负载可以等效为电阻性负载、电感性负载、电容性负载和反电动势负载等。 触发控制电路 功率器件的触发（驱动）电路和控制电路等。,3.1 概述,整流电路应满足下述基本要求： （1）输出的电压的可调范围大，直流电压脉动小； （2）功率器件导电时间尽可能长，承受的正反向电压较低； （3）变压器利用率高，尽量防止直流磁化； （4）交流

3、电源功率因数高，谐波电流小。,3.1 概述,分析时，假设整流电路工作在理想情况下： 功率器件正向导通时阻抗为零（压降为零）; 关断时阻抗无穷大（或电流为零）; 整流变压器绕组无漏抗，无内阻; 交流电网的容量足够大，电源是恒频恒压对称;,3.2相控整流电路,3.2.1单相可控整流电路 单相半波、单相桥式 一、单相半波可控整流电路 按电阻性负载、感性负载、反电势负载分析 1、电阻性负载 （1）电路的结构形式及工作原理 电灯、电炉、电解和电镀等都属于电阻性负载。 特点： 消耗电能，不能存储或释放能量 负载电压和电流总是成正比，同相位，波形相同。,u2为工频正弦电压,变压器二次侧电流中含直流分量，易造

4、成变压器铁芯直流磁化。,晶闸管承受的最大正反向电压均为电源电压u2的峰值即,3.2.1单相可控整流电路,图3.2 单相半波可控整流电路及波形,3.2.1单相可控整流电路,（2）常用名词术语和概念 控制角 ：从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通为止，这段时间所对应的电角度，又称触发延迟角或触发角。 导通角：晶闸管在一个电源周期中导通的电角度称为导通角。= 。导通角与负载性质有关。 移相：改变控制角的大小，称为移相。 移相控制：通过改变控制角调节输出电压的控制方式，称为移相控制。,3.2.1单相可控整流电路,移相范围：使输出整流电压平均值从最大值降到最小值（零或负最大值），控制角的变化范围。它与电

5、路结构和负载性质有关。 同步：触发脉冲与电源电压之间频率和相位协调配合关系称之为同步。 换流：在电路中，电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也称换相。 自然换相点：当电路中可控元件全部由不可控元件代替时，各元件的导电转换点，成为自然换相点。,3.2.1单相可控整流电路,（3）基本数量关系 输出直流电压平均值 当 = 0时，整流输出直流电压平均值最大，用Ud0表示，Ud=Ud0=0.45 U2 ； 当 =时，Ud = 0 ； 输出直流电压平均值在0.45U2 0之间连续可调； 控制角 移相范围0 。,3.2.1单相可控整流电路,输出电流平均值 晶闸管电流平均值 流过晶闸管的电流等于负载

6、电流，即： 晶闸管电流有效值,3.2.1单相可控整流电路,变压器二次侧电流有效值I 2与输出电流的有效值I相等 输出电压有效值,3.2.1单相可控整流电路,功率因数 忽略晶闸管的损耗时，整流电路的有功功率为： 电源的视在功率为U2I2，因此功率因数为：,3.2.1单相可控整流电路,2、电感性负载 （1）电路结构及工作原理 当负载中的感抗L与电阻R相比不可忽略时，称为电感性负载。 如电机的励磁绕组、经大电感滤波的负载等等都属于电感性负载。 电感性负载特点: 流过的电流不能发生突变。 感应电动势Ldidt，极性是阻止电流的变化。 不消耗能量。,3.2.1单相可控整流电路,由于电感的存在，延迟了晶闸

7、管关断的时刻，使输出电压ud波形出现负值，因此输出直流电压的平均值下降。,负载阻抗角，,若为定值， 角越大，导通角越小； 若为定值，越大，导通角越大。,图3.4 电感负载的单相半波可控整流电路及其波形,3.2.1单相可控整流电路,求得在一般情况下的控制特性，可以建立晶闸管导通时的电压平衡微分方程，求解在一定值情况下，控制角与导通角的关系。 当R为一定值，L越大，导通角越大。其平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小，负载上得不到所需的功率。 单相半波可控整流电路如不采取措施是不可能直接带大电感负载正常工作的。,3.2.1单相可控整流电路,为了解决大电感负载时的上述矛盾，在整流电路的负载两

8、端并联一个整流二极管，称为续流二极管VDR,图3.4 电感负载单相半波 有续流二极管的电路及波形,3.2.1单相可控整流电路,（2）基本数量关系（有续流二极管） 输出直流电压平均值 当 =0时，输出最大Ud=Ud0=0.45U2； 当 =时，U d=0； 输出在0.45U20之间连续可调； 控制角移相范围0。,3.2.1单相可控整流电路,输出电流平均值 晶闸管电流平均值 晶闸管电流有效值,3.2.1单相可控整流电路,续流二极管电流平均值 续流二极管电流有效值,VT的a 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

9、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,3.2.1单相可控整流电路,二、单相桥式全控整流电路 1、电阻性负载 （1）电路结构及工作原理,3.2.1单相可控整流电路,图3.5 单相桥式全控的电路及波形,VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受正电压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负半周承受正电压，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。 SCR正反向电压,3.2.1单相可控整流电路,（2）主要的数量关系 输出直流电压平均值 =0时，Ud =Ud0 =0.9U2； =时，Ud = 0； 输出在00.9U2 之间连续

10、可调； 控制角移相范围0 。 输出电流平均值,3.2.1单相可控整流电路,晶闸管电流平均值 每个晶闸管只流过负载电流的一半，即： 变压器二次侧电流有效值I2 ，输出电流的有效值I,3.2.1单相可控整流电路,功率因数 忽略晶闸管的损耗时，整流电路的有功功率为： 电源的视在功率为U2I2，因此功率因数为：,2. 电感性负载 假设 ，负载电流id连续、平直近似为一水平线，大小为Id 。,晶闸管承受的最大正反向电压均为,3.2.1单相可控整流电路,3.2.1单相可控整流电路,基本数量关系 直流平均电压U d =0时，U d= U d0= 0.9U 2 ； =/2时，U d = 0； 输出在0.9U

11、2 0之间连续可调； 控制角移相范围0 2。,3.2.1单相可控整流电路,晶闸管电流平均值： 晶闸管电流有效值,变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，有效值I2 = Id。 变压器二次侧绕组内电流无直流分量，故不存在直流磁化问题。,3 反电动势负载 当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感），负载本身具有一定的直流电势，对于整流来说，它们就是反电动势性质负载。,3.2.1单相可控整流电路,3.2.1单相可控整流电路,晶闸管提前电角度停止导电，称为停止导电角 或称最小起始导电角。 整流输出电压平均值为： 输出电流的平均值为： 输出电流的有效值为：,负载为直流电动机时，如果出现

12、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。,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：,（3-35）,3.2.1单相可控整流电路,3.2.1单相可控整流电路,三、单相桥式半控整流电路 1 电路结构及工作原理,图3.9 有续流二极管及电感负载时单相桥式半控整流电路及波形,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整流电路。,电阻负载 半控电路与全控电路在电阻负载时的

13、工作情况相同。,电感性负载（有续流二极管） 在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。 u2过零变负时，因电感作用电流连续，电流通过二极管VDR 续流，ud为零。 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，电流通过二极管VDR 续流，ud又为零。,3.2.1单相可控整流电路,图3.9 有续流二极管及电感负载时单相桥式半控整流电路及波形,电感性负载（无续流二极管） 在u2正半周，a时刻触发，u2经VT1和VD4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VD2续流。 在u2负半周触发角a时刻触发VT

14、3，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。,3.2.1单相可控整流电路,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。 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。,3.2.1单相可控整流电路,3.2.1单相可控整流电路,单相桥式半控整流电路的另一种接法,相当于把VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管

15、VDR，续流由VD3和VD4来实现。,3.2.1单相可控整流电路,2 主要的数量关系 输出电压平均值 =0时，U d=U d0=0.9 U 2； =时，U d= 0； 输出0.9U2 0之间连续可调； 控制角移相范围0 。 输出电流平均值,3.2.1单相可控整流电路,晶闸管（二极管）电流平均值、有效值 续流二极管的电流平均值、有效值,变压器二次侧 电流有效值,3.2.1单相可控整流电路,四、单相双半波可控整流电路 也称为单相全波可控整流电路。,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。,图3.10 单相双半波可控整流电路及波形,单相全波与单相

16、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。,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。,3.2.1单相可控整流电路,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。,3.2.2三相可控整流电路,3.2.2三相可控整流电路 当负载容量较大，或要求直流电压脉动小、或要求快速控制时，采用三相整流电路。 三相可控整流电路包括： 三相半波可控整流电路 三相桥式全控整流电路 双反星可控整流电路 十二脉波可控整流电路等。 最基本的是三相

17、半波可控整流电路，其余电路都是由其串联或并联组成的。,3.2.2三相可控整流电路,一、三相半波可控整流电路 1 电阻负载 (1) 电路结构及工作原理 晶闸管阳极分别接入a、b、c三相电源，阴极连接在一起。这种接法称为共阴极接法。 自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，在各相电压的交点t=/ 6，相当于控制角 = 0。 VT1、VT2、VT3的脉冲依次差120 三相半波可控整流电路有变压器铁芯磁化问题。,3.2.2三相可控整流电路,控制角 =30时的波形图,负载电流处于连续和断续的临界状态。,3.2.2三相可控整流电路,如果控制角30,直流电流不连续， 当控制角 =150时，输出电压为零，所以的移相范围为150。 晶闸管承受的最大正向电压相电压的峰值,。,晶闸管承受的最大反向电压线电压的峰值,3.2.2三相可控整流电路,（2）整流电压和整流电流的计算 整流输出电压平均值 在控制角 =030：,3.2.2三相可控整流电路,（2）整流电压和整流电流的计算 整流输出电压平均值 在控制角 =30 150：,3.2.2三相可控整流电路,整流输出电压有效值,输出电流平均值：,当 =30 150