1,第2章 整流电路,2.1 单相可控整流电路 2.2 三相可控整流电路 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 2.4 电容滤波的不可控整流电路 2.5 整流电路的谐波和功率因数 2.6 大功率可控整流电路 2.7 整流电路的有源逆变工作状态 2.8 晶闸管直流电动机系统 2.9 相控电路的驱动控制 本章小结,电力电子技术,2,第2章 整流电路引言,主要内容 几种常用的可控整流电路及工作原理，不同性质负载下电压电流波形；电量基本关系；掌握分析方法； 掌握各种电路和应用范围，根据用电设备要求正确设计可控整流电路及元件的参数；,电力电子技术,3,第2章 整流电路引言,整流电路的分类： 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。 按电路结构可分为桥式电路和零式电路。 按交流输入相数分为单相电路和多相电路。 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。,整流电路： 出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。,电力电子技术,5,2.1 单相可控整流电路,电力电子技术,复习：晶闸管的开关特性,承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流（而非电压）降到接近于零的某一数值以下。,6,2.1.1 单相半波可控整流电路,图2-1 单相半波可控整流电路及波形,1）带电阻负载的工作情况,变压器T起变换电压和电气隔离的作用。 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。,w,w,w,w,t,0,w,t,1,p,2,p,t,t,t,u,d,u,VT,a,q,0,b),c),d),e),0,0,单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier),电力电子技术,7,2.1.1 单相半波可控整流电路,VT的a 移相范围为180 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。,首先，引入两个重要的基本概念： 触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。 导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示 。,基本数量关系,直流输出电压平均值为,(2-1),电力电子技术,8,2.1.1 单相半波可控整流电路,所以感应电动势的实际方向总是企图阻止电流的变化；电感电流不能发生突变。,电磁感应定律：当有变动电流通过电感时，由于穿过线圈的磁通随之而变动，线圈中将会有感应电动势产生； 楞次定律：感应电流产生的磁通总是反抗回路中原磁通量的变化，即与电流净增加方向相反； 根据电感电流的变化，可以得知感应电动势的大小和方向；,电感的特性,电力电子技术,9,2.1.1 单相半波可控整流电路,电磁所储存的磁场能量： 当电流绝对值增加时，电感元件储能增加，元件吸收电能转变为磁场能量； 当电流绝对值减小时，电感元件储能减小，元件将磁场能量释放出来转变成电能； 电感是一种储能元件，并不将吸收的能量消耗掉，而是以磁场能量形式储存，也不会释放出多于吸收储存的能量无源器件；,电感的能量平衡,电力电子技术,10,2.1.1 单相半波可控整流电路,2) 带阻感负载的工作情况,图2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形,阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。 关键：电压过零时VT维持导道；电流过零时VT关断；电压平均值下降。,电力电子技术,11,2.1.1 单相半波可控整流电路,对单相半波电路的分析可基于上述方法进行： 当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。 当VT处于通态时，相当于VT短路。,图2-3 单相半波可控整流 电路的分段线性等效电路 a)VT处于关断状态 b)VT处于导通状态,电力电子电路的一种基本分析方法 通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。 器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。,电力电子技术,12,2.1.1 单相半波可控整流电路,当VT处于通态时，如下方程成立：,b) VT处于导通状态,（2-2）,（2-4）,初始条件：t= a ，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得,当t=+a 时，id=0，代入式（2-3）并整理得,电力电子技术,13,2.1.1 单相半波可控整流电路,负载阻抗角、触发a、晶闸管导通角的关系：,若为定值：a 越大，在u2正半周，L储能越少，维持导电的能力就越弱，越小； 若a为定值：越大，电感量越大，则L贮能越多，越大； 若a为定值：越大，在u2负半周L维持晶闸管导通的时间长， Ud中负的部分也越多，平均值Ud越小；,电力电子技术,14,2.1.1 单相半波可控整流电路,续流二极管,图2-4 单相半波带阻感负载 有续流二极管的电路及波形,为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管。 当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。 L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。,电力电子技术,15,2.1.1 单相半波可控整流电路,图2-4 单相半波带阻感负载 有续流二极管的电路及波形,数量关系(id近似恒为Id）,（2-5）,（2-6）,（2-7）,（2-8）,电力电子技术,与没有续流二极管时的情况比较： 出现续流； 续流期间ud为0，ud中不再出现负的部分；,16,2.1.1 单相半波可控整流电路,单相半波带阻感负载有续流二极管，电感足够大的电路及波形,当电感足够大时L R,电力电子技术,有效值（与前面情况相同）：,一般可认为输出电流近似维持不变，id为一条水平线，恒为Id； 平均值：,17,2.1.1 单相半波可控整流电路,简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。 实际上很少应用此种电路。 分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。,单相半波可控整流电路的特点,电力电子技术,单相半波可控整流电路小结,熟悉单相半波可控整流电路和工作原理，建立起整流电路的基本概念，学会此类电路的通用分析方法。 掌握单相半波可控整流的分析方法 根据工作模态作出等效电路；列出工作模态的稳态方程；求解微分方程，获得表达式； 掌握两种负载下的电压电流波形，电量基本关系 根据模态作出电压和电流波形；根据时域波形求解出电压和电流的平均值和有效值,18,2.1.2 单相桥式全控整流电路,1) 带电阻负载的工作情况,a),工作原理及波形分析 VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。 VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,电路结构,单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier),电力电子技术,19,2.1.2 单相桥式全控整流电路,数量关系,（2-9）,a 角的移相范围为180。,向负载输出的平均电流值为：,流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：,（2-10）,(2-11),电力电子技术,20,2.1.2 单相桥式全控整流电路,流过晶闸管的电流有效值：,变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：,由式（2-12）和式（2-13）得：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。,（2-12）,（2-13）,（2-14）,电力电子技术,21,2.1.2 单相桥式全控整流电路,2）带阻感负载的工作情况,u,图2-6 单相全控桥带 阻感负载时的电路及波形,假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。 假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。 u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。 至t=+a 时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。 VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。,电力电子技术,22,2.1.2 单相桥式全控整流电路,数量关系,（2-15）,晶闸管移相范围为90。,晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：,变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。,晶闸管承受的最大正反向电压均为 。,电力电子技术,23,2.1.2 单相桥式全控整流电路,3） 带反电动势负载时的工作情况,图2-7 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形,在|u2|E时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。,在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,导通之后， ud=u2， ， 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶闸管关断，此后ud=E 。,电力电子技术,24,2.1.2 单相桥式全控整流电路,当 d时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。,图2-7b 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的波形,电流断续,触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=d时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为d。,如图2-7b所示id波形所示：,电流连续,电力电子技术,25,2.1.2 单相桥式全控整流电路,负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机 的机械特性将很软 。,为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。,这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。 为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：,（2-17）,电力电子技术,26,2.1.3 单相全波可控整流电路,单相全波可控整流电路（Single Phase Full Wave Controlled Rectifier)，又称单相双半波可控整流电路。,单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。 变压器不存在直流磁化的问题。,图2-9 单相全波可控整流电路及波形,电力电子技术,27,2.1.3 单相全波可控整流电路,单相全波与单相全控桥的区别：,单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。 单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。 单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。,从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。,电力电子技术,28,2.1.4 单相桥式半控整流电路,电路结构 单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。 如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。,u,d,图2-10 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,电阻负载 半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。,电力电子技术,29,2.1.4 单相桥式半控整流电路,单相半控桥带阻感负载的情况,图2-10 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。 u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。 在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，u2经VT3和VD2向负载供电。 u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。,电力电子技术,30,2.1.4 单相桥式半控整流电路,续流二极管的作用,避免可能发生的失控现象。 若无续流二极管，则当a 突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控。 有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。