電力電子第五版 第5講-6-7

3.1單相可控整流電路3.2三相可控整流電路3.3變壓器漏感對整流電路的影響3.4電容濾波的不可控整流電路3.5整流電路的諧波和功率因3.6大功率可控整流電路3.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)3.8相控電路的驅(qū)動控制本章小結(jié)

第3章整流電路引言——整流電路的分類方法■整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。

■整流電路的分類

◆按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種?！舭措娐方Y(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，分為單拍電路和雙拍電路。引言——整流電路的分類方法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3.1.1單相半波可控整流電路wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00圖3-1單相半波可控整流電路及波形■帶電阻負(fù)載的工作情況

◆變壓器T起變換電壓和隔離的作用，其一次側(cè)和二次側(cè)電壓瞬時值分別用u1和u2表示，有效值分別用U1和U2表示，其中U2的大小根據(jù)需要的直流輸出電壓ud的平均值Ud確定。

◆電阻負(fù)載的特點是電壓與電流成正比，兩者波形相同。

◆在分析整流電路工作時，認(rèn)為晶閘管（開關(guān)器件）為理想器件，即晶閘管導(dǎo)通時其管壓降等于零，晶閘管阻斷時其漏電流等于零，除非特意研究晶閘管的開通、關(guān)斷過程，一般認(rèn)為晶閘管的開通與關(guān)斷過程瞬時完成。

◆改變觸發(fā)時刻，ud和id波形隨之改變，直流輸出電壓ud為極性不變但瞬時值變化的脈動直流，其波形只在u2正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱“半波”整流。加之電路中采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，故該電路稱為單相半波可控整流電路。整流電壓ud波形在一個電源周期中只脈動1次，故該電路為單脈波整流電路?！艋緮?shù)量關(guān)系

?

：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度稱為觸發(fā)延遲角，也稱觸發(fā)角或控制角。?

：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為導(dǎo)通角。

?直流輸出電壓平均值

?隨著

增大，Ud減小，該電路中VT的

移相范圍為180

?！敉ㄟ^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，簡稱相控方式。3.1.1單相半波可控整流電路（3-1）3.1.1單相半波可控整流電路uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++圖3-2帶阻感負(fù)載的單相半波可控整流電路及其波形■帶阻感負(fù)載的工作情況

◆阻感負(fù)載的特點是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。

◆電路分析?晶閘管VT處于斷態(tài),id=0,ud=0,uVT=u2。

?在

t1時刻，即觸發(fā)角

處

√ud=u2。

√L的存在使id不能突變，id從0開始增加。?u2由正變負(fù)的過零點處，id已經(jīng)處于減小的過程中，但尚未降到零，因此VT仍處于通態(tài)。

為什么？?

t2時刻，電感能量釋放完畢，id降至零，VT關(guān)斷并立即承受反壓。

?由于電感的存在延遲了VT的關(guān)斷時刻，使ud波形出現(xiàn)負(fù)的部分，與帶電阻負(fù)載時相比其平均值Ud下降。

3.1.1單相半波可控整流電路◆電力電子電路的一種基本分析方法

?把器件理想化，將電路簡化為分段線性電路。

?器件的每種狀態(tài)組合對應(yīng)一種線性電路拓?fù)?，器件通斷狀態(tài)變化時，電路拓?fù)浒l(fā)生改變。?以前述單相半波電路為例√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處于通時，相當(dāng)于VT短路。兩種情況的等效電路如圖3-3所示。

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)3.1.1單相半波可控整流電路VTb)RLu2√VT處于通態(tài)時，如下方程成立：

在VT導(dǎo)通時刻，有

t=

，id=0，這是式（3-2）的初始條件。求解式（3-2）并將初始條件代入可得式中，，。由此式可得出圖3-2e所示的id波形。當(dāng)

t=

+

時，id=0，代入式（3-3）并整理得

圖3-3b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)

(3-2)(3-3)(3-4)3.1.1單相半波可控整流電路√若

為定值，

角大，

越小。若

為定值，

越大，

越大，且平均值Ud越接近零。為解決上述矛盾，在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)一個二極管，稱為續(xù)流二極管，用VDR表示?！粲欣m(xù)流二極管的電路

?電路分析

√u2正半周時，與沒有續(xù)流二極管時的情況是一樣的。

√當(dāng)u2過零變負(fù)時，VDR導(dǎo)通，ud

為零，此時為負(fù)的u2通過VDR向VT施加反壓使其關(guān)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。

√若L足夠大，id連續(xù)，且id波形接近一條水平線。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

?基本數(shù)量關(guān)系

√流過晶閘管的電流平均值IdT和有效值IT分別為：

√續(xù)流二極管的電流平均值IdDR和有效值IDR分別為

√其移相范圍為180

，其承受的最大正反向電壓均為u2的峰值即。續(xù)流二極管承受的電壓為-ud，其最大反向電壓為，亦為u2的峰值?！鰡蜗喟氩煽卣麟娐返奶攸c是簡單，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。為使變壓器鐵芯不飽和，需增大鐵芯截面積，增大了設(shè)備的容量。3.1.1單相半波可控整流電路(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)3.1.2單相橋式全控整流電路u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖3-5單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形a)■帶電阻負(fù)載的工作情況

◆電路分析

?閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2

和VT3組成另一對橋臂。

?在u2正半周（即a點電位高于b點電位）

√若4個晶閘管均不導(dǎo)通，id=0,ud=0,VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2。

√在觸發(fā)角

處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1和VT4即導(dǎo)通，電流從電源a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端。

?當(dāng)u2過零時，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關(guān)斷。

?在u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)角

處觸發(fā)VT2和VT3，VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。

?到u2過零時，電流又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。

VT2和VT3的

=0處為

t=

◆基本數(shù)量關(guān)系

?晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為和。

?整流電壓平均值為：

α=0時，Ud=Ud0=0.9U2。α=180

時，Ud=0。可見，α角的移相范圍為180

。?向負(fù)載輸出的直流電流平均值為：3.1.2單相橋式全控整流電路(3-09)(3-10)?流過晶閘管的電流平均值：

?流過晶閘管的電流有效值為：?變壓器二次側(cè)電流有效值I2與輸出直流電流有效值I相等，為

由式（3-12）和（3-13）可見：?不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為S=U2I2。3.1.2單相橋式全控整流電路(3-11)(3-12)(3-13)(3-14)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

電阻負(fù)載時

例題3.1.2單相橋式全控整流電路2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u圖3-6單相橋式全控整流電流帶阻感負(fù)載時的電路及波形■帶阻感負(fù)載的工作情況

◆電路分析?在u2正半周期√觸發(fā)角

處給晶閘管VT1和VT4加觸發(fā)脈沖使其開通，ud=u2?！特?fù)載電感很大，id不能突變且波形近似為一條水平線。

?u2過零變負(fù)時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關(guān)斷。?

t=

+

時刻，觸發(fā)VT2和VT3，VT2和VT3導(dǎo)通，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱為換相，亦稱換流。

3.1.2單相橋式全控整流電路◆基本數(shù)量關(guān)系

?整流電壓平均值為：

當(dāng)

=0時，Ud0=0.9U2。

=90

時，Ud=0。晶閘管移相范圍為90

。?晶閘管承受的最大正反向電壓均為。?晶閘管導(dǎo)通角

與

無關(guān)，均為180

，其電流平均值和有效值分別為：和。

?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

角決定，有效值I2=Id。

?純直流的有效值與平均值相等：I=Id。(3-15)有功功率與平均功率的關(guān)系非正弦電壓與非正弦電流構(gòu)成的有功功率：上式說明：非正弦波構(gòu)成的有功功率為直流平均功率與各次諧波有功功率之和。（只有頻率相同的電壓電流才能構(gòu)成有功功率）（1）如果為純交流電壓和純交流電流，且為正弦波，那么（2）如果為純直流電壓或者純直流電流，那么因此，阻感負(fù)載時可以看出，在

=0，阻感負(fù)載時的功率因數(shù)并不像電阻負(fù)載時的功率因數(shù)那樣為1，原因在于：電阻負(fù)載時的電流波形為正弦波，阻感負(fù)載時的電流波形為非正弦波。以上說明，功率因數(shù)不但與相位角有關(guān)，而且還與波形有關(guān)。以上都是假設(shè)L為無窮大，但實際L不可能為無窮大，當(dāng)

很大、Ud、Id很小時，為保證電流不斷續(xù)，可在阻感負(fù)載兩端反并聯(lián)續(xù)流二極管，這樣Ud就不會出現(xiàn)負(fù)電壓。3.1.2單相橋式全控整流電路

阻感負(fù)載時

例題1■帶反電動勢負(fù)載時的工作情況

◆當(dāng)負(fù)載為蓄電池、直流電動機的電樞（忽略其中的電感）等時，負(fù)載可看成一個直流電壓源，對于整流電路，它們就是反電動勢負(fù)載。

◆電路分析?|u2|>E時，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。

?晶閘管導(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，

稱為停止導(dǎo)電角。

?當(dāng)

<

時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。3.1.2單相橋式全控整流電路b)idOEudwtIdOwtaqd圖3-7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(3-16)3.1.2單相橋式全控整流電路?當(dāng)

<

時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。為了使晶閘管可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)

t=

時刻有晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為

。

?在

角相同時，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時大?！綦娏鲾嗬m(xù)

?id波形在一周期內(nèi)有部分時間為0的情況，稱為電流斷續(xù)。

?負(fù)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。twwOud0Eidtpdaq=p3.1.2單相橋式全控整流電路?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。?電感量足夠大使電流連續(xù)，晶閘管每次導(dǎo)通180

，這時整流電壓ud的波形和負(fù)載電流id的波形與電感負(fù)載電流連續(xù)時的波形相同，ud的計算公式亦一樣。?為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出：圖3-8單相橋式全控整流電路帶反電動勢負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況

(3-17)3.1.2單相橋式全控整流電路■例：單相橋式全控整流電路，U2=100V，負(fù)載中R=2Ω，L值極大（I＝Id

），反電勢E=60V，當(dāng)

=30

時，要求：①作出ud、id和i2的波形；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。解：①ud、id和i2的波形如圖3-9：

圖3-9ud、id和i2的波形圖3.1.2單相橋式全控整流電路②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分別為

Ud＝0.9U2

cos

＝0.9×100×cos30°＝77.97(A)

Id

＝(Ud－E)/R＝(77.97－60)/2＝9(A)

I2＝Id＝9(A)③晶閘管承受的最大反向電壓為：

U2＝100＝141.4（V）流過每個晶閘管的電流的有效值為：

IVT＝Id∕＝6.36（A）故晶閘管的額定電壓為：

UN＝(2~3)×141.4＝283~424（V）晶閘管的額定電流為：

IN＝(1.5~2)×6.36∕1.57＝6~8（A）晶閘管額定電壓和電流的具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。3.1.3單相全波可控整流電路a)wtwab)udi1OOt圖3-10單相全波可控整流電路及波形■帶電阻負(fù)載時

◆電路分析

?變壓器T帶中心抽頭。

?在u2正半周，VT1工作，變壓器二次繞組上半部分流過電流。?u2負(fù)半周，VT2工作，變壓器二次繞組下半部分流過反方向的電流。?變壓器也不存在直流磁化的問題。

3.1.3單相全波可控整流電路◆單相全波與單相全控橋的區(qū)別

?單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)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(yīng)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(dǎo)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?！魪纳鲜龊髢牲c考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。3.1.4單相橋式半控整流電路圖3-11單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時的電路及波形■與全控