1,电力电子技术及其应用概论 Introduction to Power Electronics and its Application,机械工程及自动化学院 机电工程系 陈硕（） 办公地点：机械楼 北405,2,第三章 电力电子器件、变换电路及其应用,半导体器件的工作原理 电力电子器件介绍 交流直流变换电路（整流电路） 直流交流变换电路（逆变电路）,3,由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。,电力电子器件在实际应用中的系统组成,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行,利用电力电子器件的系统组成,电气隔离,控制电路,4,3 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。,5,内容：,3.1 利用功率二极管的整流电路3.2 相控整流电路 3.2.1 单相半波可控整流电路 3.2.2 单相桥式全控整流电路 不间断电源（UPS） 3.2.3 三相半波可控整流电路 3.2.4 三相桥式全控整流电路 3.3 电容滤波的不可控整流电路3.4 整流电路的应用 3.4.1 直流电动机调速原理 3.4.2 直流变速空调工作原理,6,功率二极管整流,3.1 利用功率二极管的整流电路,功率二极管特性设为理想,+,-,+,+,-,+,i,电感容量足够大,+：D1、D4 导通,+：D2、D3 导通,不可控,7,单相半波可控整流,3.2 相控整流电路,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。,3.2.1 单相半波可控整流电流,8,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,单相半波可控整流,9,2) 带阻感负载的工作情况,带阻感负载的单相半波电路波形,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。,讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角 的关系。,单相半波可控整流,10,续流二极管,带阻感负载有续流二极管的电路及波形,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。,a),单相半波可控整流,11,VT的a 移相范围为180。 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,单相半波可控整流,12,3.2.2 单相桥式全控整流电流,1) 带电阻负载的工作情况,单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,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负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,电路结构,a),单相全控桥式整流,+,+,13,数量关系,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（一个周期内每个晶闸管只有半个 周期导通），即：,单相全控桥式整流,14,2）带阻感负载的工作情况,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。,单相全控桥式整流,+,+,15,数量关系,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 。,单相全控桥式整流,16,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。,单相全波可控整流电路及波形,+,+,+,+,单相全波可控整流,17,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，相应的，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。,单相全波可控整流,18,整流电路应用：恒压恒频(CVCF)电源,UPS基本工作原理:,UPS基本结构原理图,市电正常时，由市电供电，市电经整流器整流为直流，再逆变为50Hz恒频恒压的交流电向负载供电。同时，整流器输出给蓄电池充电，保证蓄电池的电量充足。 此时负载可得到的高质量的交流电压，具有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源。 市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒频恒压交流电继续向负载供电，供电时间取决于蓄电池容量的大小。,19,具有旁路电源系统的UPS,增加旁路电源系统，可使负载供电可靠性进一步提高。,为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（简称油机）作为后备电源。,用柴油发电机作为后备电源的UPS,20,三相可控整流电路引言,交流侧由三相电源供电。 负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。 最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广是三相桥式全控整流电路。,三相可控整流,21,3.2.3 三相半波可控整流电路,电路的特点： 变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。 三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法 。,三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及 a =0时的波形,1)电阻负载,自然换相点： 二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a =0。,动画演示,三相半波可控整流,22,a = 0时的工作原理分析,a = 30的波形（图2-13） 特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。 a 30的情况（图2-14 ） 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。,R,动画演示,变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。 晶闸管的电压波形，由3段组成。,三相半波可控整流,23,2）阻感负载,三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a =60时的波形,特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。 a 30时：整流电压波形与电阻负载时相同。 a 30时（如a =60时的波形如图所示）。 ua过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，ud波形中出现负的部分。 id波形有一定的脉动，但可将id近似为一条水平线。 阻感负载时的移相范围为90。,动画演示,三相半波可控整流,24,3.2.4 三相桥式全控整流电路,三相桥是应用最为广泛的整流电路,共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）,共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）,三相桥式全控整流电路原理图,三相桥式全控整流,导通顺序： 相电压最高和 最低所对应 的正偏器件,25,1）带电阻负载时的工作情况,当a 60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续 波形图： a =0 （图218 ） a =30 （图219） a =60 （图220） 当a 60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值 波形图： a =90 （ 图221） 带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120,三相桥式全控整流,26,晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示,请参照图218,三相桥式全控整流,27,（2）对触发脉冲的要求： 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。 同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。,三相桥式全控整流电路的特点,（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。,三相桥式全控整流,28,（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样， 故该电路为6脉波整流电路。（图2-18） （4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲 可采用两种方法：一种是宽脉冲触发 另一种是双脉冲触发（常用） (5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同， 晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。,三相桥式全控整流电路的特点（续）,三相桥式全控整流,29,a60时（a =0 图222；a =30 图223） ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。,2) 阻感负载时的工作情况,主要包括：各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、 晶闸管承受的电压波形,a 60时（ a =90 图224） 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。 阻感负载时，ud波形会出现负的部分。 带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90 。,区别在于：得到的负载电流id波形不同。 当电感足够大的时候， id的波形可近似为一条水平线。,三相桥式全控整流,30,3.3 电容滤波的不可控整流电路,在交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用。,最常用的是单相桥和三相桥两种接法。 由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为二极管整流电路。,31,2.3 电容滤波的单相不可控整流电路,实际应用为此情况，但分析复杂。 ud 波形更平直，电流 i2 的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的。,感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形 a） 电路图 b）波形,a),b),32,2.3 电容滤波的三相不可控整流电路基本原理,某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。 当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。,电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形,a),b),33,“相控整流电路”部分结束,34,图2-13 三相半波可控整流电路(电阻负载),a =30,35,图2-14 三相半波可控整流电路(电阻负载),a =60,36,图2-18 三相桥式全控整流电路(电阻负载),a =0,37,图2-19 三相桥式全控整流电路(电阻负载),a = 30 ,38,图2-20 三相桥式全控整流电路(电阻负载),u,ab,a = 60 ,39,图2-21 三相桥式全控整流电路(电阻负载),a = 90 ,40,图2-22 三相桥式全控整流电路(阻感负载),a = 0 ,41,图