電力電子技術(shù)-整流電路

1、第4章 整流電路,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。 按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和半波電路。 按輸入交流電源相數(shù)分為單相電路和多相電路。,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。,4.1 整流器的性能指標(biāo),要求：,輸出的直流電壓大小可以控制；,輸出直流側(cè)電壓中的紋波和交流側(cè)電流的 紋波都必須限制在允許范圍之內(nèi)；,整流器的效率要高。,性能指標(biāo)：,1.電壓紋波系數(shù) ：,UH為輸出電壓的交流紋波有效值,UD為輸出電壓的直流平均值,U為輸出電壓的有效值,2.電壓脈動系數(shù)Sn：,Unm為n次諧波峰值,3.輸入

2、電流總畸變率THD：,Isn為n次諧波電流有效值,除基波電流以外的所有諧波電流有效值 與基波電流有效值之比。,4.2 單相相控整流電路,一、單相半波相控整流電路 二、單相橋式相控整流電路 三、單相橋式半控整流電路,一、單相半波相控整流電路,電阻性負(fù)載,變壓器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。 電阻負(fù)載的特點(diǎn)是電壓與電流成正比，兩者波形相同。,晶閘管（開關(guān)器件）為理想器件，即導(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,一、單相半波相控整流電路,Ud,

3、a,a,電阻性負(fù)載,a：控制角(移相角),：導(dǎo)通角,id ，,從晶閘管開始承受正向電壓起 到晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通的電角度,晶閘管一個周期內(nèi)導(dǎo)通的電角度,基本數(shù)量關(guān)系：,(3)整流輸出電壓有效值,(2)整流輸出電壓平均值,(1)晶閘管承受的最大電壓：,單相半波相控整流電路,移相范圍：使直流輸出電壓從最大至最小的控制角變化范圍： 0 ,相位控制方式(相控方式)：通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式,(4)整流輸出電流的平均值Id和有效值I,(5)變壓器二次側(cè)輸出的有功功率P、視在功率S和功率因數(shù)PF,當(dāng)=0時，PF=0.707為最大值。,單相半波相控整流電路,2、阻感性負(fù)載,單相半波相控

4、整流電路,阻感負(fù)載的特點(diǎn)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。,2、阻感性負(fù)載,t,t,t,t,u,2,0,t,1,p,2p,t,u,g,0,u,d,0,i,d,0,u,T,0,q,a,b),c),d),e),f),+,+,-,t2,單相半波相控整流電路,電路分析 晶閘管T處于斷態(tài), id=0, ud=0, uT=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(diǎn)處，id已經(jīng)處于減小的過程中，但尚未降到零，因此T仍處于通態(tài) t2時刻，電感能量釋放完畢，id降至零，T關(guān)斷并立即承受反壓 由于電感的存在延遲了T的關(guān)斷時刻

5、，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,并聯(lián)續(xù)流二極管,晶閘管導(dǎo)通角：,續(xù)流二極管導(dǎo)通角：,單相半波相控整流電路,在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)一個二極管,當(dāng)u2過零變負(fù)時，D導(dǎo)通，ud為零，此時為負(fù)的u2通過D向T施加反壓使其關(guān)斷，L儲存的能量保證了電流id在L-R-D回路中流通，此過程稱為續(xù)流。,(1)晶閘管承受的最大電壓：,(2)整流輸出電壓平均值,(3)流過晶閘管的平均值和有效值,(4)流過續(xù)流二極管的平均值和有效值,基本數(shù)量關(guān)系：,單相半波相控整流電路,單相半波可控整流電路的特點(diǎn),移相范圍為180 線路簡單 輸出脈動大 功率因數(shù)低,單相半波相控整流電路,例：如圖所示是

6、中小型同步發(fā)電機(jī)采用單相半波晶閘管自激恒壓激磁的原理圖。發(fā)電機(jī)相電壓為220V，要求激磁電壓為49.5V。激磁線圈的電阻為4，電感為0.2H，試決定晶閘管的導(dǎo)通角、流過晶閘管與續(xù)流二極管電流的平均值與有效值。,解：因L=314*0.2 =62.8 R=4 , 所以為大電感負(fù)載，可看成電流波形平直。,因,故cos=0，,=90，,T =180- 90= 90,故,二、單相橋式相控整流電路,1、電阻性負(fù)載,單相橋式相控整流電路,工作原理,T1和T2組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷,T3和T3組成另一對橋臂，在u2 負(fù)半周承受電壓-u2 ，得到觸發(fā)脈沖導(dǎo)通，

7、當(dāng)u2過零時關(guān)斷,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)晶閘管承受的最大電壓：,(2)整流輸出電壓平均值,(3)整流輸出電壓有效值,(4)整流輸出電流的平均值Id和有效值I,單相橋式相控整流電路,(5)流過每個晶閘管的平均電流為輸出電流平均值的一半，即,(6)流過每個晶閘管的電流有效值為,(7)功率因數(shù),單相橋式相控整流電路,2、阻感性負(fù)載,導(dǎo)通角：180，與無關(guān),單相橋式相控整流電路,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)晶閘管承受的最大電壓：,(2)整流輸出電壓平均值,移相范圍：/2,(3)整流輸出電壓有效值,(4)流過每個晶閘管的電流平均值和有效值,單相橋式相控整流電路,3、反電動勢負(fù)載,單相橋式相控整流電路,在|u2

8、|E時，晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。,導(dǎo)通之后，ud = u2 ，,至|u2|=E時，id 即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud = E 。,3、反電動勢負(fù)載,：停止導(dǎo)通角,單相橋式相控整流電路,與電阻負(fù)載時相比，晶閘管提前了電角度 停止導(dǎo)電,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,(2)整流輸出電流平均值,單相橋式相控整流電路,三、單相橋式半控整流電路,阻感性負(fù)載,單相橋式半控整流電路,在u2正半周，u2經(jīng)T1和D2向負(fù)載供電。 u2過零變負(fù)時，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由T1和D1續(xù)流。 在u2負(fù)半周觸發(fā)角時刻觸發(fā)T2，T2導(dǎo)通，u2經(jīng)T2和D1向負(fù)載供電。 u2過零變正

9、時，D2導(dǎo)通，D1關(guān)斷。T2和D2續(xù)流，ud又為零。,晶閘管在觸發(fā)時刻被迫換流， 而二極管在電源電壓過零時自然換流； 由于自然續(xù)流，整流輸出電壓無負(fù)的部分， 與全控橋帶電阻負(fù)載相同； 流過晶閘管和二極管的電流均為180方波，與控制角無關(guān)； 交流側(cè)電流為正負(fù)對稱的方波,特點(diǎn)：,帶續(xù)流二極管,晶閘管、整流二極管導(dǎo)通角：,續(xù)流二極管導(dǎo)通角：,單相橋式半控整流電路,u,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(dāng)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(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)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V

10、DR完成，避免了失控的現(xiàn)象。 續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個管壓降，有利于降低損耗。,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,(2)整流輸出電壓有效值,(3)流過每個晶閘管的電流平均值和有效值,(4)流過續(xù)流二極管和有效值,單相橋式半控整流電路,例：有一大電感負(fù)載采用單相半控橋式有續(xù)流二極管的整流電路供電，負(fù)載電阻為5，輸入電壓220V，晶閘管控制角=60，求流過晶閘管、二極管的電流平均值及有效值。,解： 整流輸出電壓平均值,負(fù)載電流平均值,故電流的平均值與有效值分別為,晶閘管及整流二極管每周期的導(dǎo)電角是, =180- = 120,續(xù)流二極管每周期的導(dǎo)電角是,360- 2 = 120,1、單相半

11、波相控整流電路，電阻性負(fù)載，Rd=5，由220V交流電源直接供電，要求輸出平均直流電壓為49.5V。 求晶閘管的控制角、導(dǎo)通角、電源容量及功率因數(shù)，并取2倍安全裕量求晶閘管的額定電壓、額定電流。,作業(yè)：,2、單相橋式相控整流電路，阻感性負(fù)載，U2=220V， R=5，L足夠大，=60時，求： 整流輸出平均電壓Ud、整流輸出平均電流Id 、 變壓器二次電流有效值I2，并考慮2倍安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。,4.3 三相相控整流電路,一、三相半波相控整流電路 二、三相橋式相控整流電路,交流測由三相電源供電。 負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動較小、容易濾波。 基本的是三相半波可控整流電

12、路，三相橋式全控整流電路應(yīng)用最廣 。,4.3 三相相控整流電路,一、三相半波相控整流電路,1、電阻性負(fù)載,R,i,d,共陰極接法,自然換相點(diǎn)：控制角 的起點(diǎn)。距相電壓波形過零點(diǎn)30電角度,三相半波相控整流電路,是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角的起點(diǎn)，即 =0。,一、三相半波相控整流電路,1、電阻性負(fù)載,R,i,d,共陰極接法,自然換相點(diǎn)：控制角 的起點(diǎn)。距相電壓波形過零點(diǎn)30電角度,三相半波相控整流電路,換向規(guī)律：陽極電壓最高的器件導(dǎo)通,一、三相半波相控整流電路,1、電阻性負(fù)載,R,i,d,每個晶閘管導(dǎo)通120,三相半波相控整流電路,三相半波相控整流電路,R,i,d

13、,三相半波相控整流電路,R,i,d, =60 時的特點(diǎn)：負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120,=30時的特點(diǎn)：負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài),30：輸出電壓和電流波形將不再連續(xù)； =150：整流輸出電壓為零。 負(fù)載電壓波形是相電壓的一部分； 晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)時所承受的電壓是線電壓 而不是相電壓。 一周期脈波數(shù)：3,結(jié)論：,三相半波相控整流電路,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,移相范圍：150,(2)負(fù)載電流平均值,(3)流過每個晶閘管的平均電流,(4)晶閘管承受的最大電壓：,三相半波相控整流電路,2、阻感性負(fù)載,a30：整流電壓波 形與電阻負(fù)載時相同； a30：與電阻負(fù)載時不

14、同。,接續(xù)流二極管,續(xù)流二極管,三相半波相控整流電路,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,移相范圍：90,(2)流過每個晶閘管的電流平均值和有效值,(3)晶閘管承受的最大電壓：,三相半波相控整流電路,接續(xù)流二極管：,基本數(shù)量關(guān)系：,ud的波形與純電阻性負(fù)載時一樣，可解決控制角接近90時電感負(fù)載輸出電壓平均值接近零的問題。,(1)流過每個晶閘管的電流平均值和有效值,(2)流過續(xù)流二極管的電流平均值和有效值,三相半波相控整流電路,已知三相半波可控整流電路帶大電感負(fù)載，工作在=60，負(fù)載電阻為2，變壓器二次相電壓200V，求不接續(xù)流管與接續(xù)流管兩種情況下的Id值，并考慮2倍安全裕量求晶閘管的額

15、定電流。,作業(yè)：,二、三相橋式相控整流電路,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）,導(dǎo)通順序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6,1、電阻性負(fù)載,三相橋式相控整流電路,三相橋式相控整流電路,晶閘管及輸出整流電壓的情況,三相橋式相控整流電路,三相橋式相控整流電路,三相橋式相控整流電路,三相橋式相控整流電路,特點(diǎn)：,(1)每個時刻均需2個不同組的晶閘管同時導(dǎo)通，形成供電回路，且不能為同一相的晶閘管；,(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60。 共陰極

16、組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。 同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。,三相橋式相控整流電路,(3) Ud波形一周期脈動6次,(4) 需保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有脈沖,雙窄脈沖觸發(fā)（常用）,寬脈沖觸發(fā),三相橋式相控整流電路,基本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,移相范圍：120,(2)晶閘管承受的最大電壓：,三相橋式相控整流電路,2、阻感性負(fù)載,三相橋式相控整流電路,a60：工作情況與電阻負(fù)載相似,三相橋式相控整流電路,a 60：工作情況與電阻負(fù)載時不同,三相橋式相控整流電路,基

17、本數(shù)量關(guān)系：,(1)整流輸出電壓平均值,移相范圍：90,(2)負(fù)載電流平均值,(3)流過晶閘管的電流平均值和有效值,三相橋式相控整流電路,(5)變壓器二次側(cè)電流有效值,(4)晶閘管承受的最大電壓：,三相橋式相控整流電路,4.5 相控整流電路的換相壓降,LB：把變壓器漏感和 交流回路其他電感 都折算到變壓器副側(cè) 的漏感 。,換相重疊角： 換相過程所對應(yīng)的電角度,整流電路的換相壓降,ik=ib是逐漸增大的， 而ia=Id-ik是逐漸減小的。 當(dāng)ik增大到等于Id時，ia=0，VT1關(guān)斷,換流過程結(jié)束。,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(dǎo)通，相當(dāng)于將a、b兩相短路

18、，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik。,4.5 相控整流電路的換相壓降,LB：把變壓器漏感和 交流回路其他電感 都折算到變壓器副側(cè) 的漏感 。,換相重疊角： 換相過程所對應(yīng)的電角度,整流電路的換相壓降,換相壓降：,換相重疊角：,整流電路的換相壓降,g 隨其它參數(shù)變化的規(guī)律： （1） Id越大則g 越大； （2） XB越大g 越大； （3） 當(dāng)a90時， 越小g 越大。,整流電路的換相壓降,變壓器漏感對整流電路影響的一些結(jié)論：,(1)出現(xiàn)換相重疊角g ，整流輸出電壓平均值Ud降低。 (2)整流電路的工作狀態(tài)增多。 (3)晶閘管的di/dt 減小，有利于晶閘管的安全開通。,整流電路的換相壓降,4.6

19、整流電路的諧波和功率因數(shù)分析,無功功率的危害： 導(dǎo)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(fù)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(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作。 對通信系統(tǒng)造成干擾。,整流電路的諧波分析,一、 諧波和無功功率分析基礎(chǔ),1、諧波,正弦波電壓可表示為：,非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級數(shù)：,整流電路的諧波分析,基波：頻率與工頻相同的分量 諧波：頻率為基波頻率整數(shù)倍(大于1)的分量 諧波次數(shù)：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比,n次諧波電流含有率 電流諧波總畸變率,整

20、流電路的諧波分析,2、功率因數(shù),正弦電路：,有功功率,視在功率,功率因數(shù),非正弦電路(電壓為正弦波、電流為非正弦波)：,有功功率,功率因數(shù),整流電路的諧波分析,二、帶阻感負(fù)載的相控整流電路 諧波和功率因數(shù)分析,1、單相橋式相控整流電路,基波和各次諧波有效值：,n=1,3,5,整流電路的諧波分析,電流中僅含奇次諧波。 各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。,基波因數(shù)：,位移因數(shù)：,功率因數(shù)：,整流電路的諧波分析,2、三相橋式相控整流電路,電流有效值：,電流基波和各次諧波有效值：,整流電路的諧波分析,基波因數(shù)：,位移因數(shù)：,功率因數(shù)：,電流中僅含6k1（k為正整數(shù)）諧波。 各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒