電力電子技術(shù)ppt3PPT課件

1、第3 3章 AC-DC AC-DC 變換技術(shù)3.8 相控電路的驅(qū)動控制本章小結(jié)第1頁/共71頁3.1 整流電路概述 所謂整流就是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷倪^程，而完成整流過程的電力電子電路稱為整流電路。1整流電路的應用整流電路主要應用于以下領(lǐng)域。(1) 電化學處理，例如：電鍍、金屬精煉以及化學氣體(氫氣、氧氣、氯氣)的生產(chǎn)等。(2) 可調(diào)速的直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng)。(3) 高壓直流輸電系統(tǒng)。(4) 通用交一直一交電源，包括不問斷電源系統(tǒng)。(5) 新能源發(fā)電技術(shù)，例如：太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃料電池等的電能轉(zhuǎn)換電路。第2頁/共71頁2整流電路的分類 整流電路的分類方法有很多種。 (1) 根據(jù)

2、所采用的器件，可分為不可控整流電路、半控整流電路和全控整流電路。 (2) 根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，可分為半波整流電路和橋式整流電路。 (3) 根據(jù)整流電路交流輸入相數(shù)，可分為單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路。 (4) 根據(jù)整流電路輸出電壓方向、電流方向及功率流向，可分為單象限整流電路、兩象限整流電路和四象限整流電路。 (5) 根據(jù)控制方式，可分為不可控整流電路、相控整流電路和PWM整流電路。第3頁/共71頁3.2 橋式不可控整流電路在交直交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應用場合中，大量應用。最常用的是單相橋和三相橋兩種接法。由于電路中的電力電子器件采用整流二極管，故也稱這類電路為二極管整流電路。

3、第4頁/共71頁單相橋式不可控整流電路1.電感性負載時工作情況(1)u2正半周時，A點電位高于B點電位，則VD1、VD4承受正向電壓而導通，VD2、VD3承受反向電壓而截止，負載電壓ud與u2 波形相同，由于電感L的平波作用，負載電流 的波形近似為直線。(2)u2負半周時，B點電位高于A點電位，則VD1、VD4承受反向電壓而截止，VD2、VD3承受正向電壓而導通，負載電壓ud與u2 波形相反，負載電流id的方向不變。第5頁/共71頁由于不可控整流電路的換流不需外加控制信號，故， 這些點稱為VD2、VD3的自然換流點， 這些點稱為VD1、VD4的自然換流點，統(tǒng)稱自然換流點。(21) (0,1,2

4、,)tnn2(0,1,2,)tnn直流輸出電壓平均值為d222012 22sind()0.9UUttUU直流輸出電流平均值為ddUIR二極管承受的最大反向電壓為22U變壓器二次側(cè)電流之的波形為矩形波，其有效值2dII第6頁/共71頁2. 帶電容濾波時的工作情況基本工作過程如下(1) 在u2正半周過零點至t=0期間，因為u2E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(guān)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，212sinUEb

5、)idOEudtIdOta第25頁/共71頁負載為直流電動機時，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)，則電動機 的機械特性將很軟 。為了克服此缺點，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個平波電抗器。這時整流電壓ud的波形和負載電流id的波形與阻感負載電流連續(xù)時的波形相同，ud的計算公式也一樣。為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出：dmin23dmin21087.222IUIUL圖3-14 （b）單相橋式相控整流電路帶反電動勢負載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況tOud0Eidta = 第26頁/共71頁單相全波可控整流電路 單相全波可控整流電路（Single Phase Full Wave Controlled R

6、ectifier)，又稱單相雙半波可控整流電路。單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。變壓器不存在直流磁化的問題。圖3-15 單相全波可控整流電路及波形a)tab)udi1OOt第27頁/共71頁單相全波與單相全控橋的區(qū)別：單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復雜，材料的消耗多。單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，相應地，門極驅(qū)動電路也少2個；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。單相全波導電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，因而管壓降也少1個。從上述后兩點考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應用。第28頁/共71頁單相橋式半控整流電路電路結(jié)構(gòu) 單相全控橋中，

7、每個導電回路中有2個晶閘管，1個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個電路。 如此即成為單相橋式半控整流電路（先不考慮VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdatttttttaaaiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR 圖3-16 單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負載時的電路及波形電阻負載 半控電路與全控電路在電阻負載時的工作情況相同。第29頁/共71頁在u2正半周，u2經(jīng)VT1和VD4向負載供電。 u2過零變負時，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。在u2負半周觸發(fā)角a時刻觸發(fā)VT3，VT3導通，u2經(jīng)VT3和VD2向負載供電。

8、u2過零變正時，VD4導通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。單相半控橋帶電感性負載的情況 圖3-16 單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負載時的電路及波形Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdatttttttaaaiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR第30頁/共71頁續(xù)流二極管的作用避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。 若無續(xù)流二極管，則當a 突然增大至180或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使ud成為正弦半波，其平均值保持恒定，稱為失控。有續(xù)流二極管VDR時，續(xù)流過程由VDR完成，避免了失控的現(xiàn)象。 續(xù)流期間導電回路中只有一個管

9、壓降，有利于降低損耗。第31頁/共71頁單相橋式半控整流電路的另一種接法相當于把圖3-9a中的VT3和VT4換為二極管VD3和VD4，這樣可以省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD3和VD4來實現(xiàn)。圖3-9 單相橋式相控整流電路帶電阻性負載時的電路圖3-17 單相橋式半控整流電路的另一接法第32頁/共71頁3.4 三相相控整流電路三相半波相控整流電路交流測由三相電源供電。負載容量較大，或要求直流電壓脈動較小、容易濾波?；镜氖侨喟氩ㄏ嗫卣麟娐罚鄻蚴饺卣麟娐窇米顝V 。第33頁/共71頁電路的特點：變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。三個晶閘管分別接入a、

10、b、c三相電源，其陰極連接在一起共陰極接法 。圖3-18 三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負載時的電路及a =0時的波形 1. 電阻性負載自然換相點：二極管換相時刻為自然換相點，是各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發(fā)角a的起點，即a =0。b)c)d)e)f)u2Riduaubuca =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttta)動畫演示第34頁/共71頁(1) 工作原理 a=0變壓器二次側(cè)a相繞組和晶閘管VT1的電流波形，變壓器二次繞組電流有直流分量。晶閘管的電壓波形，由3段組成。圖3-18 三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負載時的電路及

11、a =0時的波形 a=/6的波形（圖3-19） 特點：負載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。a/6的情況（圖3-20 ） 特點：負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角小于120 。動畫演示b)c)d)e)f)u2Riduaubuca =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttt a)第35頁/共71頁aaaacos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU當a=0時，Ud最大，為 。2d0d17.1UUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262daaaUttdUU（2）整流電壓平均值的計算a/6時，負載電流連續(xù)，有：a/6時

12、，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時有：第36頁/共71頁 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RUIdd222RM45.2632UUUU22UUFM第37頁/共71頁2 電感性負載圖3-21 三相半波可控整流電路，電感性負載時的電路及a =/3時的波形特點：電感性負載，L值很大，id波形基本平直。a/6時：整流電壓波形與電阻負載時相同。a/6時（如a=/3時的波形如圖3-21所示）。u2過零時，VT1不關(guān)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

13、及定量計算，可將id近似為一條水平線。電感性負載時的移相范圍為/2。uuu動畫演示udiaabcibiciduacOtOtOOtOOtatt第38頁/共71頁三相半波相控整流電路帶電感性負載時，晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。數(shù)量關(guān)系輸出電壓平均值輸出電流平均值晶閘管電流平均值和有效值變壓器二次側(cè)電流有效值值ddTIII577.031TII2aaaacos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUURUIdddTIId3126U第39頁/共71頁3反電動勢負載圖3-22 三相半波可控整流電路帶反電動勢 負載串接平波電抗器圖3-22（a）是三相半波可控整流電路帶直流電動機

14、電樞時的電路，它與單相電路一樣，為了能使電流平穩(wěn)連續(xù)，一般也要在負載回路串接電感量足夠大的平波電抗器Ld，此時電路的分析同電感性負載時一致，波形如圖3-22（b）所示。它與圖3-21(b)-(e) 相似，電路分析以及各電量的計算也都一致，只是負載上的直流電流的平均值的計算為dddUEIR以上電路為了擴大移相范圍以及使電流id平穩(wěn)，也可在負載兩端并接續(xù)流二極管第40頁/共71頁 三相半波相控整流電路還有另外一種接法，即把3個晶閘管的陽極連接在一起，而3個陰極分別接入電源的a、b、c相，也就是共陽極接法。 共陽極接法時晶閘管只能在相電壓的負半周工作，換流總是換到陰極更負的那一相去。其工作情況、波形

15、及數(shù)量關(guān)系與共陰極接法時相同，僅輸出極性相反。第41頁/共71頁三相橋式相控整流電路三相橋是應用最為廣泛的整流電路共陰極組陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）圖3-24 三相橋式全控整流電路原理圖導通順序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6第42頁/共71頁當a/3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3-25 ） a =/3 （圖3-26） 當a/3時，ud波形每/3中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負值 波形圖： a =/2（ 圖3-27）l帶電阻負載時

16、三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是2/3.1 電阻性負載第43頁/共71頁圖3-25第44頁/共71頁圖3-26第45頁/共71頁圖3-27第46頁/共71頁晶閘管及輸出整流電壓的情況如下表所示時 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3-25第47頁/共71頁主要數(shù)量關(guān)系當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a/3時）的平均值為： 帶電阻負載且a

17、 /3時，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ：Id=Ud /Raaacos34.2)(sin63123232dUttdUU)3cos(134.2)(sin63232daaUttdUU晶閘管電流平均值 ddT3II第48頁/共71頁晶閘管電流有效值 變壓器二次側(cè)電流有效值 222T362332sind()2sin2223UUIttRRaa2T2II2電感性負載1) 工作原理第49頁/共71頁a/3時（a =/6圖3-29）ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負載時十分相似。 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2) 電感性負載時的工作情況主要包括a /3時（ a =/2圖3

18、-30）電感性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。 電感負載時，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。第50頁/共71頁圖3-29三相橋式相控整流電路帶電感性負載= 時的工作波形第51頁/共71頁圖3-30 三相橋式相控整流電路帶電感性負載 時的工作波形第52頁/共71頁第53頁/共71頁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

19、電勢阻感負載時的Id為：REUIdd式中R和E分別為負載中的電阻值和反電動勢的值。3反電動勢負載三相橋式相控整流電路帶反電動勢性負載時，保證電流連續(xù)的電感量可以根據(jù)下式計算32dmin0.693 10ULI第54頁/共71頁（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/3。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差2/3，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差2/3。同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差。 三相橋式全控整流電路的特點（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

20、件。第55頁/共71頁（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。其基波頻率為300Hz。 （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）電感性負載時晶閘管兩端承受的電壓的波形同三相半波時是一樣的，但其整流后的輸出電壓的平均值Ud是三相半波時的2倍，所以當要求同樣的輸出電壓Ud時，三相橋式電路對管子的電壓要求降低了一半。 （6）電感性負載時變壓器一周期有有電流通過，變壓器的利用率高，且由于流過變壓器的電流是正負對稱的，沒有直流分量，所以變壓器沒有直流磁化現(xiàn)象。 三相橋式全控整流電路的特點第56頁/共71

21、頁三、三相橋式半控整流電路圖3-31 三相橋式半控整流電路及波形第57頁/共71頁3.5 交流側(cè)電抗對相控整流電路性能的影響換流過程中的輸出電壓 現(xiàn)以三相半波為例，分析交流側(cè)電抗對相控整流電路性能的影響，然后將其結(jié)論推廣到m相。VT1換相至VT2的過程：因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時導通，相當于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik。ik=ib是逐漸增大的， 而ia=Id-ik是逐漸減小的。當ik增大到等于Id時，ia=0，VT1關(guān)斷,換流過程結(jié)束。圖3-32 考交流側(cè)電抗對相控整流電路整流輸出電壓、電流波形的影響udidtOtOgiciaibi

22、ciaIduaubuca換相重疊角換相過程所對應的時間，用電角度g表示。第58頁/共71頁3.5 交流側(cè)電抗對相控整流電路性能的影響換流過程中，整流電壓ud為同時導通的兩個晶閘管所對應的兩個相電壓的平均值。換流壓降與不考慮變壓器漏感時相比，ud平均值降低的多少。22ddddddbadabbdaduuuuutiLtiLuutiLuukBkBkB第59頁/共71頁033() ()()2233 22dBbdBIBbBddiUuudtLdtdtL diX Ia ga ggaa() ()22bdBdmmUuudtX Ia gga2kbaBdiuudtL如果整流電路為m相整流，則換流壓降為式中：m為一個電

23、源周期內(nèi)的換流次數(shù)，三相半波電路m=3，三相橋式電路m=6。單相橋式電路，m=4。22cos3auUt22cos3auUt22 2sinsin3bauuUt第60頁/共71頁212sinsin()3kBdiUtdtL2012sinsin()3dIkBdiUtdtLa ga22sin3coscos()dBUIXaag222coscos()62sin3dBdBI XI XUUaag對于單相橋式相控整流電路2222coscos()22sin2dBdBI XI XUUaag第61頁/共71頁注：單相全控橋電路中，環(huán)流ik是從-Id變?yōu)镮d。因此計算時用2Id 代替式中的Id； 三相橋等效為相電壓等于

24、的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按 代替式中的 。對于三相橋式相控整流電路，通式表示式中：m為一個電源周期內(nèi)的換流次數(shù)，單相橋式電路m=2，三相半波電路m=3，三相橋式電路m=6。222coscos()62 3sin6dBdBI XI XUUaag2coscos()2sindBI XUmaag2U23U23U通過上述分析，可得換流重疊角g 隨其他參數(shù)變化的規(guī)律：Id越大，g越大；XB越大，g越大；當 時，a越小則g越大。/ 2a第62頁/共71頁3.6 相控整流電路的諧波和功率因數(shù)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應用日益廣泛，由此帶來的諧波(harmonics)和無功(reactive powe

25、r)問題日益嚴重，引起了關(guān)注。無功的危害：導致設(shè)備容量增加。使設(shè)備和線路的損耗增加。線路壓降增大，沖擊性負載使電壓劇烈波動。諧波的危害：降低設(shè)備的效率。影響用電設(shè)備的正常工作。引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。導致繼電保護和自動裝置的誤動作。對通信系統(tǒng)造成干擾。第63頁/共71頁諧波和無功功率1. 諧波例如，前面幾節(jié)分析的各種電路的輸出電壓、變壓器二次側(cè)電流等均為周期性非正弦量，而且一般滿足狄利赫利條件，可用周期為 的通式 表示。 可分解為如下形式的傅里葉級數(shù) 所謂諧波，就是對周期性非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，除了得到頻率與工頻相同的分量(該分量稱為基波)，還得到一系列大于工頻的分量

26、，這部分分量稱為諧波。2/T ()ft()ft01()(cossin)nnnftaan tbn t2001() ()2aft dt201()cos()naftn tdt201()sin()nbftn tdt式中n=1的分量為基波， n1的分量為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值( )稱為諧波次數(shù)。式中1/nn ff第64頁/共71頁2） 無功功率正弦電路中的情況電路的有功功率就是其平均功率：20cos)(21UItuidP視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI 無功功率定義為： Q=U I sin 功率因數(shù)l 定義為有功功率P和視在功率S的比值：SPl 此時無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關(guān)系：222QPS功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差 決定的：l =cos 第65頁/共71頁非正弦電路中的情況有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功率因數(shù)仍由式 定義。不考慮電壓畸變，研究電壓為正弦波、電流為非正弦波的情況有很大的實