第6章整流電路

1、1第6章 整流電路2第6章 整流電路引言整流電路的分類整流電路的分類：按組成的器件可分為不可控不可控、半控半控、全控全控三種。按電路結構可分為橋式電路橋式電路和零式電路零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路單相電路和多相電路多相電路。按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路單拍電路和雙拍電路雙拍電路。整流電路整流電路： 出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姟?6.1 單相可控整流電路46.1.1 單相半波可控整流電路圖6-1 單相半波可控整流電路及波形1 1）帶電阻負載的工作情況）帶電阻負載的工作情況變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用。電阻負載的特點電阻負載的特點：電壓與電流成

2、正比，兩者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)5 VT的a 移相范圍為180 通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式相位控制方式，簡稱相控方式相控方式。 首先，引入兩個重要的基本概念： 觸發(fā)延遲角觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用a表示,也稱觸發(fā)角或控制角。導通角導通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度，用表示

3、?；緮?shù)量關系基本數(shù)量關系直流輸出電壓平均值為paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU(6-1)66.1.1 單相半波可控整流電路2) 帶阻感負載的工作情況帶阻感負載的工作情況 圖6-2 帶阻感負載的 單相半波電路及其波形阻感負載的特點阻感負載的特點：電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變。討論負載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導通角的關系。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +7對單相半波電路的分析可基于上述方法進行：v當VT處于斷態(tài)時，相當于電路在VT處斷開，id=

4、0。v當VT處于通態(tài)時，相當于VT短路。圖6-3 單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關斷狀態(tài) b)VT處于導通狀態(tài) a)b)VTRLVTRLu2u2電力電子電路的一種基本分析方法v通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電路。v器件的每種狀態(tài)對應于一種線性電路拓撲。8當VT處于通態(tài)時，如下方程成立：VTb)RLu2b) VT處于導通狀態(tài)tURitiLwsin2dd2dd（6-2）)sin()sin(tanjaqjajqe（6-4）v 初始條件：t= a ，id=0。求解式（6-2）并將初始條件代入可得v 當t=+a 時，id=0，代入式（6-3）并整理得 )sin(2)sin(2

5、2)(2djwjaawwtZUeZUitLR（6-3）22)( LRZwRLwjarctan其中 ，9續(xù)流二極管續(xù)流二極管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)圖6-4 單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形 當u2過零變負時，VDR導通，ud為零，VT承受反壓關斷。 L儲存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續(xù)流續(xù)流。 數(shù)量關系數(shù)量關系(id近似恒為Id）ddVT2IIpap（6-5）d2dVT2)(21ItdIIpapwppa（6-6）ddVDRIIpap2（6-7）d22dV

6、D2)(21RItdIIpapwpapp（6-8）106.1.1 單相半波可控整流電路VT的a 移相范圍為180 。簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。實際上很少應用此種電路。分析該電路的主要目的建立起整流電路的基本概念。 單相半波可控整流電路的特點單相半波可控整流電路的特點116.1.2 單相橋式全控整流電路1) 帶電阻負載的工作情況帶電阻負載的工作情況a)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖6-5 單相全控橋式帶電阻負載時的電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組成一對橋臂，在u2正半周

7、承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。 VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。電路結構電路結構單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)12數(shù)量關系數(shù)量關系paaapwwp2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU（6-9）a 角的移相范圍為180。 向負載輸出的平均電流值為： 流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTaRUII（6-10）2cos19 . 02cos1

8、2222ddaapRURURUI(6-11)13 流過晶閘管的電流有效值： 變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等： 由式（6-12）和式（6-13）得：不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量 S=U2I2。papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（6-12）papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（6-13）II21VT（6-14）146.1.2 單相橋式全控整流電路2）帶阻感負載的工作情況）帶阻感負載的工作情況 u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdId

9、IdiVT2,3iVT1,4圖6-6 單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形 假設電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設負載電感很大，負載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。 u2過零變負時，晶閘管VT1和VT4并不關斷。 至t=+a 時刻，晶閘管VT1和VT4關斷，VT2和VT3兩管導通。 VT2和VT3導通后，VT1和VT4承受反壓關斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱換相換相，亦稱換流換流。15 數(shù)量關系數(shù)量關系apaaapwwpcos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU（6-15） 晶閘管移相范圍為90。 晶閘管導通角與a無關，均為180。電

10、流的平均值和有效值： 變壓器二次側電流i2的波形為正負各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。ddT21IIddT707. 021III 晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。22U166.1.2 單相橋式全控整流電路3） 帶反電動勢負載時的工作情況圖6-7 單相橋式全控整流電路接反電動勢電阻負載時的電路及波形 在|u2|E時，才有晶閘管承 受正電壓，有導通的可能。在a 角相同時，整流輸出電壓比電阻負載時大。導通之后， ud=u2， ， 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶閘管關斷，此后ud=E 。REuidd與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度停止導電，稱為停止導電角，212si

11、nUE（6-16）b)idOEudwtIdOwtaq17當 30 的情況（的情況（圖6-14 ） 特點：負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角小于120 。29aapwwpapapcos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU（6-18）當a=0時，Ud最大，為 。2d0d17.1UUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262dapappwwppapUttdUU(6-19)整流電壓平均值的計算整流電壓平均值的計算a30時，負載電流連續(xù)，有：a30時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時有：306.2.1 三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的規(guī)律如

12、圖6-15中的曲線1所示。03060901201501.17321a/( )Ud/U2圖6-15 三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關系1電阻負載 2電感負載 3電阻電感負載316.2.1 三相半波可控整流電路 負載電流平均值為 晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值，即晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即RUIdd（6-20）222RM45.2632UUUU（6-21）22UUFM（6-22）326.2.1 三相半波可控整流電路2）阻感負載）阻感負載圖6-16 三相半波可控整流電路，阻感負載時的電路及a =60時的波形 特點：阻感負

13、載，L值很大，id波形基本平直。 a30時：整流電壓波形與電阻負載時相同。 a30時（如a=60時的波形如圖6-16所示）。u2過零時，VT1不關斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，ud波形中出現(xiàn)負的部分。id波形有一定的脈動，但為簡化分析及定量計算，可將id近似為一條水平線。 阻感負載時的移相范圍為90。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt33數(shù)量關系數(shù)量關系 由于負載電流連續(xù)， Ud可由式（6-18）求出，即 Ud/U2與a成余弦關系，如圖6-15中的曲線2所示。如果負載中的電感量不是很大，Ud/U2與a的關系將介于曲線1和2之間，曲線3給出了這種情況

14、的一個例子。03060901201501.17321a/( )Ud/U2圖6-15 三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關系1電阻負載 2電感負載 3電阻電感負載34變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為 晶閘管的額定電流為 晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值 三相半波的主要缺點在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應用較少。ddVT2577. 031IIII（6-23）dVTVT(AV)368. 057. 1III（6-24）2RMFM45. 2UUU（6-25）356.2.2 三相橋式全控整流電路三相橋是應用最為廣泛的整流電路共陰極組共陰極組陰極連接

15、在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組共陽極組陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）圖6-17 三相橋式全控整流電路原理圖導通順序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6366.2.2 三相橋式全控整流電路1）帶電阻負載時的工作情況）帶電阻負載時的工作情況當a60 時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù) 波形圖： a =0 （圖618 ） a =30 （圖619） a =60 （圖620）當a60 時，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負值 波形圖： a =90 （ 圖621）帶電阻負載時三相橋式全控整流電路a角的移相范

16、圍是120376.2.2 三相橋式全控整流電路晶閘管及輸出整流電壓的情況如表61所示時 段IIIIIIIVVVI共陰極組中導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 請參照圖618386.2.2 三相橋式全控整流電路（2）對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一

17、相的上下兩個橋臂，即VT1與與VT4，VT3與與VT6，VT5與與VT2，脈沖相差180。 三相橋式全控整流電路的特點特點（1）2管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。39（3）ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā) 一種是雙脈沖觸發(fā)（常用） (5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同。 三相橋式全控整流電路的特點特點40a60 時時（a =0 圖622；a =30 圖623） ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負載時十分相似

18、。 各晶閘管的通斷情況 輸出整流電壓ud波形 晶閘管承受的電壓波形6.2.2 三相橋式全控整流電路2) 阻感負載時的工作情況阻感負載時的工作情況主要包括a 60 時（時（ a =90圖624） 阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同。 電阻負載時，ud波形不會出現(xiàn)負的部分。 阻感負載時，ud波形會出現(xiàn)負的部分。帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90 。 區(qū)別在于：得到的負載電流id波形不同。 當電感足夠大的時候， id的波形可近似為一條水平線。416.2.2 三相橋式全控整流電路3) 定量分析定量分析當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a60 時）的平均值為： 帶電

19、阻負載且a 60時，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ：Id=Ud /Rawwpapapcos34.2)(sin63123232dUttdUU（6-26）)3cos(134.2)(sin63232dapwwppapUttdUU（6-27）42當整流變壓器為圖6-17中所示采用星形接法，帶阻感負載時，變壓器二次側電流波形如圖6-23中所示，其有效值為：ddddIIIII816. 03232)(3221222ppp（6-28）晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時一致。接反電勢阻感負載時，在負載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同。僅在計算Id時有所不同，接反電勢阻感負載時的Id為：REUIdd（6-29）式中R和E分別為負載中的電阻值和反電動勢的值。43圖6-13 三相半波可控整流電路，電阻負載，a=30時的波形a =30u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac44圖6-14 三相半波可控整流電路，電阻負三相半波可控整流電路，電阻負載，載， a=60=60 時的波形時的波形45圖6-18 三相橋式全控整流電路帶電阻負載a=0時的波形wwwwu2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabu