單相橋式二極管整流電路

1、單相橋式二極管整流電路電力電子技術的基本概況二極管整流電路 單相橋式二極管整流電路idisiL +us(t) - +ud -Cd Ls交流輸入等效模型并聯(lián)在直流側的大電容起濾波作用 二極管整流電路 1.1 Ls = 0 的理想電路idisiL +us(t) - +ud -Cd Ls 假定Ls= 0，用電阻R或直流電流源表示整流電路的直流側。idis +us(t) -udNPRVD4VD3VD2VD1idis +us(t) -udNPVD4VD3VD2VD1id二極管整流電路 + Ed- +u s -uDuL udLi在整流電路直流輸出部分一般都要串聯(lián)一個大電感，如圖所示，以得到平穩(wěn)的輸出電流。

2、 idis +us(t) -udNPVD4VD3VD2VD1id用恒定直流電流源近似表示感性負載，是整流電路的分析中是常用的方法。 二極管整流電路 idisudP VD4N VD1 VD2 VD3 id +us(t) -當us(t)大于零時，二極管VD1有id流過，us(t)將作為反向偏置電壓施加在二極管VD3上。因Ls =0，電流id瞬間轉向二極管VD3，反向偏置電壓施加在二極管VD1上。 當us(t)小于零時，二極管整流電路 idisudP VD4N VD1 VD2 VD3 id +us(t) -當us(t)大于零時，二極管VD2流過電流id，us(t)作為反向偏置電壓施加在二極管VD4上

3、。 電流id瞬間轉向二極管VD4，電源電壓對二極管VD2呈現(xiàn)反偏。 當us(t)小于零時，二極管整流電路 0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud兩個電路中，當us大于零時，二極管VD1和VD2導通，此時，ud = us(t)，is=id ; 當us(t)小于零時，二極管VD3和VD4導通，則ud = us(t)，is= id。二極管整流電路 idisudP VD4N VD1 VD2 VD3 id +us(t) -直流側輸出電壓為：交流側電流為：假定Ls = 0，兩個電流值之間的轉換瞬時完成。二極管整流電路 0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0

4、id=Idud在圖中取任意時刻為起始時間t= 0，然后對 在半個周期上進行積分（w =2pf，wT/2 = p），可以得到兩個電路的直流輸出電壓的平均值Ud0。二極管整流電路 即:下標0代表Ls= 0理想情況，Us為輸入電壓的有效值。 0tusist0Idt=0udidt0usIdt0t=0id=Idud二極管整流電路 f1=50Hzwt0usisis1根據(jù)有效值的基本定義有： Is=Id對is進行傅立葉分解，理想情況下的基波分量為：式中，下標“h”表示諧波次數(shù)， 二極管整流電路 h011.035791311is中的各次諧波分量如圖所示，由此所計算出的諧波總畸變率為： THD=48.43%is

5、1波形曲線與us波形同相位: DPF=1.0 f1=50Hzwt0usisis1二極管整流電路 右圖所示單相二極管整流電路，Ls為零，直流側為恒定電流，Id=10A。試計算負載所吸收的平均功率。idis +us(t) -udNPVD4VD3VD2VD1id若us為正弦電壓曲線， Us = 120V，頻率50Hz；若us為下圖所示的矩形波。 200V120120606060120f =50Hz200Vwt例1二極管整流電路 解 (1) us為正弦電壓曲線，Us = 120V， Ud=0.9Us=108V Pd=UdId=1080W(2) 根據(jù)整流電路的工作原理可知，直流輸出電壓波形如圖所示，所求

6、平均電壓和負載吸收的功率分別為： 200V120120606060120f =50Hzwt二極管整流電路 1.2 Ls對電流換流的影響 isId + -udVD4VD1 VD2 VD3 Ls us(t)換流時間 交流側電流is從+Id 到Id（或相反）轉換過程中所需的時間間隔。換流電流從一個二極管轉到另一個二極管的過程。換路 換流 換流時間所對應的電角度用符號g表示。 二極管整流電路 Id+-VD1 VD2 + -+ud- uL is us (t) 正弦電壓源 恒定電流源 Ls = 0時 wt0usisud二極管整流電路 Id+-VD1 VD2 + -+ud- uL is us (t) wt

7、= 0之前：us0，Id在VD2中流通，ud = 0，is = 0。 wt = 0： us0 ，VD1上承受正向偏置電壓，開始導通。 uL Id + -D1 D2 + -+ud =0-isIdiD1LsiD2 us (t) 理想二極管的導通壓降uVD = 0 二極管整流電路 根據(jù)兩網孔電流基爾霍夫電流定律，流過二極管的電流為: iVD2 = Id is 當wt = g ：is Id iVD20，VD2導通二極管VD2在wt = g 時停止導通。 uL=0Id+-D1 D2 + -+ud = us-is = IdiD1LsiD2us(t) + - uL IdD1 D2 + -+ud =0-isI

8、diD1LsiD2 us (t) 二極管整流電路 換流重疊角 換流時間間隔所對應的電角度，用符號g表示。 換流開始時，電感中電流is的值為零，換流結束時電感中的電流為Id。 uL IdD1 D2 + -+ud =0-isIdiD1LsiD2 us (t) 交流輸入電壓或換流電流為： 二極管整流電路 上式右邊可寫成wLs dis/d(wt) ：對上式兩邊同時積分，換流角度為0g，對應的is從0變化到Id，因此有：對電感電壓 uL在換流期間內的積分 Ag二極管整流電路 0wtusud=0udwt0uL00wtis對電壓的積分結果為圖中的面積Ag ： 二極管整流電路 由上兩式可得:重新整理后得： 如

9、果Ls = 0，則cosg =1，即g = 0。不考慮線路電感，整流電路的換流瞬時完成。 二極管整流電路 Ls的值越大，越能清晰表示換流過程。圖中，Ls = 0，ud的平均電壓Ud0為： wt0usisud二極管整流電路 Ag0wtusud=0udwt0uL00wtis當 Ls 0，g 0，ud =0，因此： 二極管整流電路 式 可改寫為： 將代入上式得： 二極管整流電路 考慮線路電感時，平均輸出電壓從不考慮線路電感的平均輸出電壓Ud0中減去Ud ，Ud為： 二極管整流電路 isId + -udVD4VD1 VD2 VD3 Ls us(t)isIdudVD4VD1 VD2 VD3 Ls us+

10、-+ -ABwt0usAgudud=0wt0uLAgwt0is二極管整流電路 wt =0之前，二極管VD3和VD4有電流Id流過, is=Id與右圖所示電路中Ls = 0的情況一樣idis +us(t) -udNPVD4VD3VD2VD1idisIdudVD4VD1 VD2 VD3 Ls us+-+ -AB二極管整流電路 計算電路形式用于分析電路在0 wt 0，二極管VD3和VD4相當于短路，二極管VD1和VD2處于正向偏置。 假定所采用的二極管相同，兩個換流電流相等。換流期間四個二極管都導通，ud = 0。二極管整流電路 根據(jù)網孔電流分析原理，換流期間的二極管電流和線電流is為： 換流開始時

11、，換流電流ig為0 。 換流結束時，ig增大到Id 。 isIdusud=0+-BVD2 VD4VD1 igigVD3 AId二極管整流電路 當wt = g 時，iVD1= iVD2= Id，is= Id，電流從二極管VD3、VD4到VD1、VD2的換流期間，電感Ls中的電流從Id變?yōu)镮d。isIdusud=0+-BVD2 VD4VD1 igigVD3 AId二極管整流電路 對右上圖中理想電路的分析了解到，利用下列等式，對右下圖中電壓波形進行積分。 wt0usAgudud=0wt0uLAgwt0usisud二極管整流電路 求得曲線所圍成的面積Ag 為： 根據(jù)上式可推得：移項整理后得： is(0

12、) = Id wt0usAgudud=0wt0uLAg二極管整流電路 在不考慮線路電感的理想情況下（Ls = 0），輸出電壓ud根據(jù)式 ud = Ud0=0.9Us 計算。若考慮線路電感Ls時，Ud的計算可根據(jù)以下等式求得：二極管整流電路 電壓ud在半個周波上存在局部變形，即積分“損失”的部分，該面積的大小為Ag，輸出電壓為：wt0usAgudud=0wt0uLAg二極管整流電路 分析圖中電路的換流基本過程，其中us為正弦電壓曲線，Id = 10A。 Us=120V，頻率50Hz，Ls=0，計算Ud和平均功率Pd；Us = 120V，頻率50Hz，Ls=5mH，計算g、Ud和Pd；Id+-VD

13、1 VD2 + -+ud- uL is us (t) 例2二極管整流電路 解(1) Ls = 0wt0usud(2) Ls = 5mH g = 24.85二極管整流電路 1.3 直流側接恒定電壓源的情況 ud(t) = Ud 用該電路形式近似模擬直流側接大電容的整流電路 相當于在左圖中用直流電源置換電路中的電解電容isid + -UdVD4VD1 VD2 VD3 Ls us + -+ -ABidisiL +us(t) - +ud -Cd Lsud二極管整流電路 假設，usUd，電流 id=0。 根據(jù)此假設的有關電壓、電流波形如下圖所示wt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId二極管整

14、流電路 udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId 假設條件下的等值電路id +Ud -us Ls +-二極管整流電路 當us在b點大于Ud時，二極管VD1和VD2處于導通狀態(tài)。電流在p點達到最大值，過了該點uL小于零。 A和B面積相等時的對應點為f，該點的電流值為零，同時A和B相互為負。從f到+b，電流值一直為零。 udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId二極管整流電路 直流電流平均值的計算角b由下式計算： 從圖中曲線對稱性看出： qp=p-qb有電流流過時，電感電壓為：udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId二極管整流電路 wt 的積分形式為：

15、 式中q qb，id在qb點的值為零，從上式可推出：當wt =qf 時，id=0，代入上式得：二極管整流電路 udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId在半個周期內對id ()進行積分，再除以p，可得到直流電流的平均值：對電路參數(shù)給定前提下，Id的大小取決于Ud的值，反之亦然。 二極管整流電路 采用標幺化數(shù)值進行比較，電壓Ud的基準值取Ud0，Id以短路電流Isc為基準，短路電流為： 短路電流 整流電路處于短路狀態(tài)時，交流電壓源us直接加在電感Ls兩端所形成的電流有效值。 二極管整流電路 0.100.1200.080.060.040.021.201.251.301.351.401

16、.451.501.551.60當Ud逼近交流輸入電壓的峰值時，其直流電流趨向于零。二極管整流電路 若圖中電路直流側仍為一個大電容，則直流電壓ud(t) =Ud的假設在正常情況下成立，但在系統(tǒng)擾動的暫態(tài)情況下存在偏差。 idisiL +us(t) - +ud -Cd Ls二極管整流電路 Ls的增加改善is的波形、降低is的諧波畸變率THD、改善功率因數(shù)PF，降低（或改善）峰值系數(shù)，位移功率因數(shù)DPF有一定的下降。 0.80.700.90.60.40.51.20.021.30.06THDi1.11.00.040.080.100.12DPFPFId /Isc1.501.401.451.251.351

17、.3001.200.040.020.060.080.100.121.82.02.42.22.62.83.0峰值系數(shù)Ud /Ud0峰值系數(shù)二極管整流電路 1.4 實際的二極管橋式整流電路負載部分用等值電阻代替idis+ us -udCd LsRLRsidisiL +us(t) - +ud -Cd Ls二極管整流電路 1.4.1 極不連續(xù)電流下的分析計算 假定電路運行已造成了id的極不連續(xù)，如圖所示，每半個周波內，id的波形只是在us波形的其中一小段不為零，在us的兩個過零點附近基本上都為零。udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId二極管整流電路 用右圖等效計算上圖電路半個周波的電

18、壓和電流 idis+ us -udCd LsRLRsidRLus Ls isudCd Rs+-二極管整流電路 udwt00qpqbqf+qbusidwt0ABuLId半個周期內兩個時間段 tb = qb /w tf = qf /w對時間段tb = qb /w，tf = qf /w的分析 二極管整流電路 tb t tf 1tb是電流id流通的起始時刻，tf是電流id流通的結束時刻。在tb t tf區(qū)間內，電路中有負載電流。 電路中各量之間的關系： 基爾霍夫電壓： 基爾霍夫電流： 二極管整流電路 在tf t tb區(qū)間，用矩陣表示KVL和KCL方程 : 用x表示id和ud所組成的向量，狀態(tài)轉移矩陣為

19、: 二極管整流電路 假定電源的系數(shù)向量為:解得狀態(tài)變量為： 式中：二極管整流電路 tf t tb +T/22在該區(qū)間內，二極管橋路中沒有電流流過，所以 上式的解為:二極管整流電路 對求解 解之前用估計值代替直流側電流流通起始時刻tb。如果tb值確定，則它是一個或半個周期后直流側電流的起始時刻。校驗所選的tb是否準確的方法：先取一個較小的tb值，然后緩慢增大tb，直到tb在很小的誤差范圍以內，這樣可保證tb足夠精確。二極管整流電路 利用Matlab對下圖中的全橋整流電路進行仿真，輸入參數(shù)為：Us = 120V，頻率60Hz，Ls = 1mH，Rs = 1m，Cd = 1000F，RL = 20。

20、假定采用理想二極管， t = 25ms。 例3idis+ us -udCd LsRLRs二極管整流電路 解 在ud(tb)初值正確的情況下,利用Matlab程序,得仿真結果的波形： 200150100500-5023456789121110T/2tft(ms)idudus二極管整流電路 1.4.2 一般工作條件下的電路仿真 例4idis+ us -udCd LsRLRs 對下圖中電路用Pspice進行仿真，輸入參數(shù)：Us = 120V，頻率60Hz，Ls = 1mH，Rs = 1m，Cd = 1000mF，RL = 20。并對輸入的交流電流和直流輸出電壓做傅立葉分析。 二極管整流電路 解利用P

21、spice程序,得仿真結果的波形:0wtf1usisis1ud從Pspice輸出文件得： 輸入電流is的基波分量的有效值： is1 =10.86A 滯后us的角度： j1 = 10 電壓平均值： Ud = 158.45V電流平均值： Id = 7.93A二極管整流電路 1.4.3 線電流的畸變 二極管橋式整流電路的輸入線電流is明顯偏離正弦波。電流的畸變也會導致電壓的畸變。 0wtf1usisis1ud二極管整流電路 is的基波和三次諧波如下圖所示： 0wtisis1Idisis3Ism二極管整流電路 對例4.3和例4.4中的整流電路，計算輸入電流的總諧波畸變率THDi、波形因數(shù)、位移功率因數(shù)

22、DPF、功率因數(shù)PF及平均輸出電壓Ud和Id/Isc。 解 根據(jù)傅立葉級數(shù)展開，利用Pspice對圖中的整流電路進行仿真。例5idis+ us -udCd LsRLRs二極管整流電路 仿真結果: THDi = 88.8%，Is1 = 10.86A 根據(jù)方程 計算得到有效值： Is = 14.52A 根據(jù)仿真圖得輸入的峰值電流： Isp= 34.7A 根據(jù)對波形因數(shù)的定義得波形因數(shù): 2.39 根據(jù)傅立葉分解的方法得: j1 =10，DPF = 0.985（滯后） 二極管整流電路 功率因數(shù): PF=0.736 Id = 7.93A 根據(jù)等式計算得： Isc = 318.3A 所以: Id / I

23、sc= 0.025平均直流輸出電壓: Ud = 158.45V所以: Ud /Ud0 = 1.467 二極管整流電路 例4.5中，已經計算出Id/Isc的值是0.025。如果使Id/Isc的值不變，利用下兩圖的結果來計算THDi、DPF、PF、波形因數(shù)及Ud（標準值），并與例4.5中的結果相比較。 0.80.700.90.60.40.51.20.021.30.06THDi1.11.00.040.080.100.12DPFPFId /Isc1.501.401.451.251.351.3001.200.040.020.060.080.100.121.82.02.42.22.62.83.0峰值系數(shù)Ud /Ud0峰值系數(shù)例6二極管整流電路 解 從圖中可得到： THDi = 79% 波形因數(shù)=2.25 DPF = 0.935 PF = 0.735 Ud /Ud0= 1.3840.80.700.90.60.40.51.20.021.30.06THDi1.11.00.040.080.100.1