電力電子技術(shù)__第3章_整流電路ppt課件

1、第1章第1頁引 言整流電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路， 將交流電變?yōu)橹绷麟姲唇M成的器件可分為不可控、半控、全控三種按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路交流電動機直流發(fā)電機直流電動機負(fù)載整流裝置第1章第2頁引 言本章內(nèi)容：可控整流電路：工作原理（波形分析）、基本數(shù)量關(guān)系、負(fù)載性質(zhì)的影響整流電路的諧波和功率因數(shù)分析 相位控制電路的驅(qū)動控制3.1單相可控整流電路首先假設(shè)以下幾點：(1) 開關(guān)元件是理想的，即開關(guān)元件(晶閘管)導(dǎo)通時，通態(tài)壓降為零，關(guān)斷時電阻為無窮大；(2) 變壓器是理想的，即變壓器漏抗為零，繞組的電阻為零、勵磁電流為零。第1章第4頁3.1單相可控整流電路重點：工作原理（波形分析）、定量

2、計算、不同負(fù)載的影響。3.1.1單相半波可控整流電路Single Phase Half Wave Controlled Rectifier基本概念：單相：交流側(cè)接單相電源半波：ud為脈動直流，波形只在u2正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱“半波”整流可控：采用了可控器件晶閘管第1章第5頁1. 帶電阻負(fù)載的工作情況Resistive load圖 1 單相半波可控整流電路及波形變壓器T起變換電壓隔離電阻負(fù)載的特點：電壓與電流成正比，兩者波形相同 3.1.1 單相半波可控整流電路 基本工作原理 工作過程和特點：（1）在U2的正半周，VT承受正向電壓，0t1期間，無觸發(fā)脈沖，VT處于正向阻斷狀態(tài)，UVTU2，Ud=0

3、;（2） t1以后，VT由于觸發(fā)脈沖UG的作用而導(dǎo)通，則Ud=U2, UVT=0,Id=U2/R，一直到時刻；（3） 2期間，U2反向，VT由于承受反向電壓而關(guān)斷,UVT=U2,Ud=0。以后不斷重復(fù)以上過程。特點：為單拍電路，易出現(xiàn)變壓器直流磁化，應(yīng)用較少。圖3-2 單相半波可控整流電路及波形圖 (純電阻負(fù)載) 第1章第7頁兩個重要的基本概念觸發(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,用表示,也稱觸發(fā)角或控制角。導(dǎo)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 。 移相：改變的大小，即改變觸發(fā)脈沖在每個周期內(nèi)出現(xiàn)的時刻，稱為移相。 a移相范圍為這種通過控制觸發(fā)脈

4、沖的相位來控制輸出電壓大小的方式稱為 相位控制方式（相控方式）0180a 越大，輸出電壓越小第1章第8頁直流輸出電壓平均值 （1-1） 0時，Ud=0.45U2； 時，Ud=0，可見可以通過改變觸發(fā)角，調(diào)整來調(diào)整Ud直流電流平均值（1-2）基本數(shù)量關(guān)系第1章第9頁輸出電壓有效值（均方根值） （1-3）電流有效值（1-4）電流有效值用于選擇器件、選擇導(dǎo)線以及計算負(fù)載的有功功率等。 例題中有體現(xiàn)。第1章第10頁 3.1.1 單相半波可控整流電路圖2 帶阻感負(fù)載單相半波可控整流電路及波形2.帶阻感負(fù)載的工作情況resistor-inductor load阻感負(fù)載負(fù)載中感抗L與電阻R相比不可忽略 阻感

5、負(fù)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能發(fā)生突變。與電阻負(fù)載波形圖的不同之處：圖2 e d 第1章第11頁 3.1.1 單相半波可控整流電路圖2 帶阻感負(fù)載單相半波可控整流電路及波形工作情況分段描述：t1 t2 晶閘管導(dǎo)通，電源電壓全部加到負(fù)載上；由于電感的作用，電路電流只能夠從零逐漸增加；到t2時，電流達到最大值，此時電感存儲的能量也達到最大；電流達到最大值的時間稍微滯后與電壓最大值。第1章第12頁 3.1.1 單相半波可控整流電路圖2 帶阻感負(fù)載單相半波可控整流電路及波形t1 t2期間，感應(yīng)電動勢電流上升期間，感應(yīng)電動勢的方向阻礙電流變大，方向與電源電壓方向相反，上正下負(fù)

6、。第1章第13頁 3.1.1 單相半波可控整流電路圖2 帶阻感負(fù)載單相半波可控整流電路及波形工作情況分段描述：t2 t3 t2 t3 期間，電流從最大值開始下降；此時電感產(chǎn)生的電動勢阻礙電流下降； 在t3=,電源電壓過零。但由于電感中感應(yīng)電動勢的作用，使晶閘管仍然承受正向電壓，仍維持導(dǎo)通；第1章第14頁 3.1.1 單相半波可控整流電路電感作用分析 電感的存在，使負(fù)載電壓波形出現(xiàn)負(fù)電壓；電感越大，導(dǎo)通角越大，負(fù)面積也越大；當(dāng)電感增大到使負(fù)面積接近正面積時，整流輸出的直流電壓Ud接近0。第1章第15頁帶阻感負(fù)載工作情況的詳細(xì)分析*電力電子電路中存在非線性的電力電子器件，決定了電力電子電路時非線性

7、電路。電力電子電路的一種基本分析方法 通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電路，分段進行分析計算。 3.1.1 單相半波可控整流電路第1章第16頁對單相半波電路的分析可基于上述方法進行：當(dāng)VT處于斷態(tài)時，相當(dāng)于電路在VT處斷開，id=0。當(dāng)VT處于通態(tài)時，相當(dāng)于VT短路。圖3-3 單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關(guān)斷狀態(tài) b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài) 分段分析方法通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電路。器件的每種狀態(tài)對應(yīng)于一種線性電路拓?fù)?。?章第17頁當(dāng)VT處于通態(tài)時，如下方程成立：VTb)RLu2b) VT處于導(dǎo)通狀態(tài)（3-2）（3-4）初始條件：t= a ，id=0。求解

8、式（3-2）并將初始條件代入可得當(dāng)t=+a 時，id=0，代入式（1-8）并整理得 （3-3）其中 ，第1章第18頁負(fù)載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導(dǎo)通角的關(guān)系若j為定值，a 越大，在u2正半周L儲能越少，維持導(dǎo)電的能力就越弱，越小若a為定值，j 越大，則L貯能越多，越大；且j 越大，在u2負(fù)半周L維持晶閘管導(dǎo)通的時間就越接近晶閘管在u2正半周導(dǎo)通的時間，ud中負(fù)的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，輸出的直流電流平均值也越小。第1章第19頁為了使電源電壓過零變負(fù)時能及時地關(guān)斷晶閘管，使ud波形不出現(xiàn)負(fù)值，避免Ud太小，又能給電感線圈L提供續(xù)流的旁路，可以在負(fù)載兩端并聯(lián)二極管，如圖所示。 3

9、.1.1 單相半波可控整流電路3. 負(fù)載側(cè)接續(xù)流二極管的工作情況rectifier with freewheeling diode第3章第20頁圖4 單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形 1 當(dāng)u2為正時（0區(qū)間），晶閘管承受正向電壓，觸發(fā)脈沖在時刻觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載上有輸出電壓和電流。在此期間續(xù)流二極管VD承受反向電壓而關(guān)斷。1第1章第21頁圖4 單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形 2 當(dāng)u2變負(fù)時(2區(qū)間)，電感的感應(yīng)電壓使續(xù)流二極管VD承受正向電壓導(dǎo)通續(xù)流;此時電源電壓u20，u2通過續(xù)流二極管使晶閘管承受反向電壓而關(guān)斷;負(fù)載兩端的輸出電壓僅為續(xù)流二極管的管壓降。2第1章

10、第22頁如果電感足夠大，續(xù)流二極管一直導(dǎo)通到下一周期晶閘管導(dǎo)通，使電流id連續(xù)，且id波形近似為一條水平直線，大小為Id，則基本的物理量計算公式如下 ：1 流過晶閘管電流的平均值IdVT和有效值 IVT 為：2 流過續(xù)流二極管電流的平均值IdVD和有效值IVD 輸出電流平均值Id =Ud/R4 從波形圖可以看出，晶閘管和續(xù)流二極管承受的最大電壓：電壓：波形和電阻負(fù)載相同，所以計算公式也相同。3 輸出電壓平均值Ud 為：結(jié)論：電阻負(fù)載加續(xù)流二極管后，輸出電壓波形與電阻性負(fù)載波形相同，可見續(xù)流二極管的作用是為了提高輸出電壓。負(fù)載電流波形連續(xù)且近似為一條直線，如果電感為無窮大，則負(fù)載電流為一直線。流

11、過晶閘管和續(xù)流二極管的電流波形是矩形波。第1章第25頁VT的a 移相范圍為180。簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)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(yīng)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3.1.2 單相橋式全控整流電路3.1.2 單相橋式全控整流電路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)電路結(jié)構(gòu)3.1.2單相橋式全控整流電路1) 帶電阻負(fù)載的工作情況圖5 單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形工作原理及波形分析VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，

12、當(dāng)u2過零時關(guān)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(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷。圖5 單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形在電源正半周，a正b負(fù)；VT1和VT4會承受正向陽極電壓，給VT1和VT4同時加脈沖，則VT1和VT4會導(dǎo)通；電流id從電源a端經(jīng)VT1、負(fù)載Rd及VT4回到電源b端，負(fù)載上得到電壓ud為電源電壓u2（忽略VT1和VT4的導(dǎo)通壓降），方向為上正下負(fù)；VT2和VT3因承受反壓而不會導(dǎo)通；電流波形id與ud相同。工作原理及波形分析 正半周+-圖5 單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形u2負(fù)半周，a-，b+；VT2和VT3會承受正向電壓，在時刻給

13、VT2和VT3同時加脈沖，會被觸發(fā)導(dǎo)通。電流id從電源b端經(jīng)VT3、負(fù)載Rd及VT2回電源a端，負(fù)載上得到電壓ud仍為電源電壓u2，方向也還為上正下負(fù)，與正半周一致。VT1和VT4則承受反壓u2而處于 截止 狀態(tài)。u2過零時，id也過零，使VT2和VT3關(guān)斷。工作原理及波形分析 負(fù)半周-+圖5 單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形從圖中可看出，負(fù)載上的直流電壓輸出波形比單相半波時多了一倍，晶閘管的控制角可從0180，導(dǎo)通角為-。晶閘管承受的最大電壓為 。該部分內(nèi)容要理解。工作原理及波形分析 小結(jié)電路參數(shù)的計算 a 角的移相范圍為0180向負(fù)載輸出的平均電流值為：輸出電壓平均值的計算公式： 流過

14、每只晶閘管的電流平均值，只有輸出直流平均值的一半，即： 流過晶閘管的電流有效值：由上兩式得：iVT1,4由上兩式得：變壓器的容量 S=U2I2。從而可以得出電路功率因數(shù)。 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：2）帶阻感負(fù)載的工作情況u圖6 單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形 假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)，且波形近似為一條直線 。ud的波形出現(xiàn)了負(fù)半周部分正半周u圖6 單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形 電源u2正半周，觸發(fā)VT1和VT4導(dǎo)通，輸出電壓ud=u2。至電源電壓過零變負(fù)時，由于電感產(chǎn)生的自感電動勢會使VT1和VT4繼續(xù)導(dǎo)通，輸出電壓仍為udu2，所以出現(xiàn)了負(fù)電

15、壓輸出。VT2和VT3雖然已承受正向電壓，但還沒有觸發(fā)脈沖，所以不會導(dǎo)通。 負(fù)半周圖6 單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形 至t=+a 時刻，給VT2和VT3同時加觸發(fā)脈沖，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(guān)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，亦稱換流。圖6 單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形 兩組管子輪流導(dǎo)通，每只晶閘管的導(dǎo)通時間比電阻性負(fù)載時延長了；導(dǎo)通角 = ，與a無關(guān)；正半周電流由VT1、4流過，負(fù)半周電流由VT2、3流過；形狀均為方波；變壓器二次側(cè)的波形為正負(fù)交替的方波。在 時，輸出電壓U

16、d最小，等于零。因此， a 的移相范圍是090。在 時，輸出電壓Ud最大，輸出電壓平均值：單相全控橋式整流電路 帶電感性負(fù)載電路參數(shù)的計算負(fù)載電流平均值的計算公式： 晶閘管導(dǎo)通角與a無關(guān)，均為180。所以，流過一只晶閘管的電流平均值和有效值：晶閘管可能承受的最大正反向電壓均為： 變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id=id。反并聯(lián)續(xù)流二極管為擴大移相范圍，去掉輸出電壓的負(fù)值，提高Ud的值，可在負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，如圖所示。接續(xù)流二極管以后，的移相范圍可以擴大到0180。 反并聯(lián)續(xù)流二極管負(fù)載電壓ud波形不再出現(xiàn)負(fù)值負(fù)載電流波形仍為一條水平線晶閘

17、管的導(dǎo)通角變小， =a 續(xù)流管的導(dǎo)通角為2a 變壓器二次電流導(dǎo)通角度每周期減少2a （例題，p27）單相橋式全控整流電路大電感負(fù)載。U2=220V, Rd=4，試計算時不接續(xù)流管與接續(xù)流管兩種情況的Ud ，Id值，以及晶閘管的平均電流和有效電流 解：1)不接續(xù)流管 接續(xù)流管時3） 帶反電動勢負(fù)載時的工作情況圖7 單相橋式全控整流電路接反電動勢電阻負(fù)載時的電路及波形 在|u2|E時，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。在a 角相同時，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時大。導(dǎo)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 。與電阻負(fù)載時相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電

18、， 稱為停止導(dǎo)電角。當(dāng) Up后，使內(nèi)電阻rbl迅速減小，電流迅速增加，Ue也迅速減小，得曲線上的V點。V點稱為谷點，谷點所對應(yīng)的電壓稱為谷點電壓Uv。這一區(qū)間稱為特性曲線的負(fù)阻區(qū)。單結(jié)晶體管特性描述 當(dāng)Ue從零逐漸增加，但Ue小于一定值時，單結(jié)晶體管只有很小的漏電流。 直到當(dāng)發(fā)射結(jié)電位Ue增加到一定值時，單結(jié)晶體管由截止?fàn)顟B(tài)進入到導(dǎo)通狀態(tài)，對應(yīng)的電壓稱為峰點電壓Up 。當(dāng)UeUp后，使內(nèi)電阻rbl迅速減小，電流迅速增加，Ue也迅速減小到谷點電壓Uv，恢復(fù)阻斷。這一特性稱為負(fù)阻特性。2單結(jié)晶體管張馳振蕩電路利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性和電容的充放電，可以組成單結(jié)晶體管張馳振蕩電路。單結(jié)晶體管振蕩電路

19、的電路圖和波形圖如圖1-5所示。 圖15 單結(jié)晶體管張馳振蕩電路電路圖和波形圖（a）電路圖 （b）波形圖電路工作過程描述設(shè)電容器初始沒有電壓，電路接通以后，單結(jié)晶體管是截止的，電源經(jīng)電阻R、RP對電容C進行充電，電容電壓從零起按指數(shù)充電規(guī)律上升，充電時間常數(shù)為REC；當(dāng)電容兩端電壓達到單結(jié)晶體管的峰點電壓UP時，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，電容開始放電，由于放電回路的電阻很小，因此放電很快，放電電流在電阻R4上產(chǎn)生了尖脈沖。隨著電容放電，電容電壓降低，當(dāng)電容電壓降到谷點電壓UV以下，單結(jié)晶體管截止，接著電源又重新對電容進行充電如此循環(huán)，在電容C兩端會產(chǎn)生一個鋸齒波，在電阻R4兩端將產(chǎn)生一個尖脈沖波。如圖15（b）所示。 3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路上述單結(jié)晶體管張馳振蕩電路輸出的尖脈沖可以用來觸發(fā)晶閘管，但不能直接用做觸發(fā)電路，還必須解決觸發(fā)脈沖與主電路的同步問題。圖1-2所示為單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，是由同步電路和脈沖移相與形成兩部分組成的。1）什么是同步觸發(fā)信號和電源電壓在頻率和相位上相互協(xié)調(diào)的關(guān)系叫同步。例如，在單相半波可控整流電路中，觸發(fā)脈沖應(yīng)出現(xiàn)在電源電壓正半周范圍內(nèi)，而且每個周期的角相同，確保電路輸出波形不變，輸出電壓穩(wěn)定。2）同步電路組成同步電路由同步變壓器