電子電力技術(shù)課件-2

本章主要內(nèi)容整流器的結(jié)構(gòu)形式、工作原理，分析整流器的工作波形，整流器各參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系和設(shè)計(jì)方法;整流器工作在逆變狀態(tài)時(shí)的工作原理、工作波形。變壓器漏抗對(duì)整流器的影響、整流電路相位控制的實(shí)現(xiàn)。第3章整流電路1第3章整流電路·引言整流電路的分類(lèi)：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。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?3.1單相可控整流電路

3.1.1單相半波可控整流電路

3.1.2單相橋式全控整流電路

3.1.3單相全波可控整流電路

3.1.4單相橋式半控整流電路33.1.1單相半波可控整流電路1）帶電阻負(fù)載的工作情況電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同并且同相位，電流可以突變。單相半波可控整流電路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)

在實(shí)際應(yīng)用中，某些負(fù)載基本上是電阻性的，如電阻加熱爐、電解和電鍍等。4圖3-1

單相半波可控整流電路及波形wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)005變壓器T起變換電壓和隔離的作用，在電源電壓正半波，晶閘管承受正向電壓，在ωt=α處觸發(fā)晶閘管，晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通；負(fù)載上的電壓等于變壓器輸出電壓u2。在ωt=π時(shí)刻，電源電壓過(guò)零，晶閘管電流小于維持電流而關(guān)斷，負(fù)載電流為零。在電源電壓負(fù)半波，uAK＜0，晶閘管承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載電流為零，負(fù)載上沒(méi)有輸出電壓，直到電源電壓u2的下一周期，直流輸出電壓ud和負(fù)載電流id的波形相位相同。63.1.1單相半波可控整流電路

首先，引入兩個(gè)重要的基本概念：觸發(fā)角：從晶閘管開(kāi)始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用a表示,也稱(chēng)觸發(fā)角或控制角。導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度，用θ表示，θ

=π-a

。基本數(shù)量關(guān)系移相與移相范圍

移相是指改變觸發(fā)脈沖ug出現(xiàn)的時(shí)刻，即改變控制角α的大小。移相范圍是指觸發(fā)脈沖ug的移動(dòng)范圍，它決定了輸出電壓(平均值)的變化范圍。單相半波可控整流器電阻性負(fù)載時(shí)的移相范圍是0～180o。波形圖7圖3-1

單相半波可控整流電路及波形wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)008通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱(chēng)為相位控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)相控方式。

通過(guò)改變觸發(fā)角α的大小，直流輸出電壓ud的波形發(fā)生變化，負(fù)載上的輸出電壓平均值發(fā)生變化，顯然α=180o時(shí)，Ud=0。由于晶閘管只在電源電壓正半波內(nèi)導(dǎo)通，輸出電壓ud為極性不變但瞬時(shí)值變化的脈動(dòng)直流，故稱(chēng)“半波”整流。晶閘管承受的最大正反向電壓是相電壓U2的峰值。9直流輸出電壓平均值為(2-1)電流平均值:電壓有效值U：電流有效值I：電流波形系數(shù)103.1.1單相半波可控整流電路2)帶阻感負(fù)載的工作情況阻感負(fù)載的特點(diǎn)：電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不發(fā)生突變。當(dāng)流過(guò)電感的電流變化時(shí)，電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)對(duì)負(fù)載電流的變化有阻止作用，使得負(fù)載電流不能突變。當(dāng)電流增大時(shí)，電感吸收能量?jī)?chǔ)能，電感的感應(yīng)電勢(shì)阻止電流增大；當(dāng)電流減小時(shí)，電感釋放出能量，感應(yīng)電勢(shì)阻止電流的減小，輸出電壓、電流有相位差。113.1.1單相半波可控整流電路

圖3-2

帶阻感負(fù)載的單相半波電路及其波形wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++TVTa)u1u2uVTudidRL123.1.1單相半波可控整流電路在ωt=0到α期間，晶閘管陽(yáng)極和陰極之間的電壓uAK大于零，但晶閘管門(mén)極沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)，晶閘管處于正向關(guān)斷狀態(tài)，輸出電壓、電流都等于零。在ωt=α?xí)r，門(mén)極有觸發(fā)信號(hào)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載電壓ud=u2。當(dāng)ωt=π時(shí)，交流電壓u2過(guò)零，由于有電感電勢(shì)的存在，晶閘管的電壓uAK仍大于零，晶閘管會(huì)繼續(xù)導(dǎo)通，電感的儲(chǔ)能全部釋放完后，晶閘管在u2反壓作用下而截止。直到下一個(gè)周期的正半周。從Ud的波形可以看出，由于電感負(fù)載的存在，電源電壓由正到負(fù)過(guò)零點(diǎn)也不會(huì)關(guān)斷，輸出電壓出現(xiàn)了負(fù)波形，輸出電壓和電流的平均值減??；當(dāng)大電感負(fù)載時(shí)輸出電壓正負(fù)面積趨于相等，輸出電壓平均值趨于零，則id也很小。所以，實(shí)際的大電感電路中，常常在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。轉(zhuǎn)波形133.1.1單相半波可控整流電路續(xù)流二極管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)圖3-4

單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形當(dāng)u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零，VT承受反壓關(guān)斷。L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過(guò)程通常稱(chēng)為續(xù)流。電源電壓正半波u2＞0，晶閘管電壓uAK＞0。在ωt=α處觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載上有輸出電壓和電流，續(xù)流二極管VDR承受反向電壓而處于斷態(tài)。14由以上分析可以看出，電感性負(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，續(xù)流二極管可以起到提高輸出電壓的作用。在大電感負(fù)載時(shí)負(fù)載電流波形連續(xù)且近似一條直線，流過(guò)晶閘管的電流波形和流過(guò)續(xù)流二極管的電流波形是矩形波。對(duì)于電感性負(fù)載加續(xù)流二極管的單相半波可控整流器移相范圍與單相半波可控整流器電阻性負(fù)載相同為0～180o，且有α+θ=180o。電源電壓負(fù)半波u2＜0，通過(guò)續(xù)流二極管VDR使晶閘管承受反向電壓而關(guān)斷。電感的感應(yīng)電壓使VDR承受正向電壓導(dǎo)通續(xù)流，負(fù)載兩端的電壓僅為續(xù)流二極管的管壓降。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id連續(xù)。15

數(shù)量關(guān)系(id近似恒為Id）（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）晶閘管承受的最大正反向電壓均為電源電壓的峰值。續(xù)流二極管承受的最大反向電壓也是晶閘管的電流平均值晶閘管的電流有效值續(xù)流二極管的電流平均值續(xù)流二極管的電流有效值u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)163.1.1單相半波可控整流電路VT的a移相范圍為180

。單相半波可控整流器的優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：但整流電壓脈動(dòng)大，每周期脈動(dòng)一次。變壓器二次側(cè)流過(guò)單方向的電流，存在直流磁化、利用率低的問(wèn)題，為使變壓器不飽和，必須增大鐵心截面，這樣就導(dǎo)致設(shè)備容量增大。實(shí)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(阻感時(shí)帶續(xù)流二極管)的特點(diǎn)17直流磁化：磁化曲線是1,3象限對(duì)稱(chēng)的，變壓器通過(guò)的是交變的正弦交流電，電流也是正負(fù)交變的，電流形成的磁場(chǎng)既有正，也有負(fù)，中心點(diǎn)落在原點(diǎn)上。這里變壓器提供的電流是正的，只能工作在第1象限，鐵心的第3象限沒(méi)有利用，電流工作在偏離到1象限，使鐵心容易飽和，直流磁化對(duì)鐵心不利，鐵心為了不飽和，要做的比較大，不能充分利用。結(jié)論：電流不對(duì)稱(chēng)，存在直流磁化問(wèn)題183.1.2單相橋式全控整流電路1)帶電阻負(fù)載的工作情況a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖3-5

單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形工作原理及波形分析在u2正半波，在0～α區(qū)間由于沒(méi)有觸發(fā)脈沖都不導(dǎo)通，uAK1，4=1/2u2。在ωt=α處觸發(fā)，晶閘管VT1、VT4承受u2正向電壓導(dǎo)通，電流沿a→VT1→R→VT4→b流通，此時(shí)負(fù)載上輸出電壓ud=u2。電源電壓反向施加到晶閘管VT2、VT3上，處于關(guān)斷狀態(tài)，到ωt=π時(shí)，因電源電壓過(guò)零，晶閘管VT1、VT4陽(yáng)極電流也下降為零而關(guān)斷。電路結(jié)構(gòu)19在電源電壓負(fù)半波，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，在π～π+α區(qū)間，uAK2，3=1/2u2，在ωt=π+α處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3，元件導(dǎo)通，電流沿b→VT3→R→VT2→a流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載電阻上，負(fù)載上有輸出電壓ud=-u2。此時(shí)電源電壓反向施加到晶閘管VT1、VT4上，使其處于關(guān)斷狀態(tài)。到ωt=2π，電源電壓再次過(guò)零，VT2、VT3陽(yáng)極電流也下降為零而關(guān)斷。a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖2-5

單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形20由于在交流電源的正負(fù)半周都有整流輸出電流流過(guò)負(fù)載，故該電路為全波整流。在u2一個(gè)周期內(nèi)整流電壓波形脈動(dòng)2次，脈動(dòng)次數(shù)多于半波整流電路，屬于雙脈波整流電路。負(fù)載上正負(fù)兩個(gè)半波內(nèi)均有相同方向的電流流過(guò)，從而使直流輸出電壓、電流的脈動(dòng)程度較前述單相半波得到了改善。變壓器二次繞組在正、負(fù)半周內(nèi)均有大小相等、方向相反的電流流過(guò)，波形對(duì)稱(chēng)平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問(wèn)題，變壓器繞組的利用率也高。晶閘管承受最大反向電壓Um是相電壓峰值晶閘管承受最大正向電壓是u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖3-5

單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形213.1.2單相橋式全控整流電路數(shù)量關(guān)系（3-9）a角的移相范圍為180

。向負(fù)載輸出的平均電流值為：流過(guò)晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：（3-11）(3-10)pwtwtwt000i2udidb)c)d)aauVT1,4輸出電壓平均值Ud為:22流過(guò)晶閘管的電流有效值：變壓器二次側(cè)電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：由式（3-12）和式（3-13）得：不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量S=U2I2，S是視在功率。（3-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4（3-12）（3-13）233.1.2單相橋式全控整流電路2）帶阻感負(fù)載的工作情況

u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4圖3-6

單相全控橋帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。在電源電壓正半波，在ωt=α處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓，元件導(dǎo)通，電流沿a→VT1→L→R→VT4→b流通，此時(shí)負(fù)載上電壓ud=u2。此時(shí)電源電壓反向施加到晶閘管VT2、VT3上，使其承受反向陽(yáng)極電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)ωt=π時(shí)，電源電壓過(guò)零，電感感應(yīng)電勢(shì)使晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。24在電源電壓負(fù)半波，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，但沒(méi)有觸發(fā)脈沖而不導(dǎo)通；在ωt=π+α處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3元件導(dǎo)通，電流沿b→VT3→L→R→VT2→a流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載上，負(fù)載上有輸出電壓ud=-u2。此時(shí)VT1、VT4承受反向電壓由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。晶閘管VT2、VT3一直導(dǎo)通到下一周期ωt=2π+α處再次觸發(fā)晶閘管VT1、VT4為止2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,425VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(guān)斷，流過(guò)VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過(guò)程稱(chēng)換相，亦稱(chēng)換流。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4（3-15）晶閘管移相范圍為90

。

數(shù)量關(guān)系輸出電壓平均值Ud263.1.2單相橋式全控整流電路晶閘管導(dǎo)通角θ與a無(wú)關(guān)，均為180

。電流的平均值和有效值：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。晶閘管承受的最大正反向電壓均為。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4273.1.2單相橋式全控整流電路3）帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況圖3-7單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)—電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形在|u2|>E時(shí)，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。在a角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)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。b)idOEudwtIdOwtaqd與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度δ停止導(dǎo)電，δ稱(chēng)為停止導(dǎo)電角，（3-16）283.1.2單相橋式全控整流電路當(dāng)α

<d時(shí)，觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。圖3-7b單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)—電阻負(fù)載時(shí)的波形電流斷續(xù)觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)wt=d時(shí)刻有晶閘管開(kāi)始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為d。如圖3-7b所示id波形所示：電流連續(xù)b)uidOEdwtIdOwtαqdd293.1.2單相橋式全控整流電路負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)，則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將很軟。為了克服此缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，用來(lái)減少電流的脈動(dòng)和延長(zhǎng)晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間這時(shí)整流電壓ud的波形和負(fù)載電流id的波形與阻感負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的波形相同，ud的計(jì)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：（3-17）圖3-8

單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況twwOud0Eidtpdaq=p30例3-1：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐?，U2=100v,負(fù)載R=2?，L值極大，反電動(dòng)勢(shì)E=60v，當(dāng)a=30?，要求：

1）作出ud,id,i2波形

2）求整流輸出平均電壓Ud，電流Id，變壓器二次側(cè)電流有效值I2

3）考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。3）晶閘管承受的最大反向電壓2OwtOwtudidi2OwtuIdIdId每個(gè)晶閘管電流有效值晶閘管的額定電壓晶閘管的額定電流1）波形如圖所示;2)晶閘管的額定電壓，電流具體數(shù)值參見(jiàn)手冊(cè)313.1.3單相全波可控整流電路單相全波可控整流電路（SinglePhaseFullWaveControlledRectifier)，又稱(chēng)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(wèn)題。圖3-10

單相全波可控整流電路及波形a)wtwab)udi1OOt323.1.3單相全波可控整流電路單相全波與單相全控橋的區(qū)別：?jiǎn)蜗嗳ㄖ凶儔浩鹘Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材料的消耗多。單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，相應(yīng)地，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)；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(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，因而管壓降也少1個(gè)。從上述后兩點(diǎn)考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場(chǎng)合應(yīng)用。333.1.4單相橋式半控整流電路電路結(jié)構(gòu)

單相全控橋中，每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，1個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電路。如此即成為單相橋式半控整流電路（先不考慮VDR）。電阻負(fù)載半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時(shí)的工作情況相同。32343.1.4單相橋式半控整流電路單相半控橋帶阻感負(fù)載的情況在u2正半周，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。

u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，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(fù)半周觸發(fā)角a