精选相控整流电路资料课件.ppt
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1、1第2章 相控整流电路整流电路:整流电路:出现最早、应用最广的电力电子电路。F功率从电网流向负载、将交流电变换为固定或可调的直流电称为“整流”,即AC/DC变换器;反之,功率从负载流向电网、将直流电变换为交流电称为“有源逆变”,即DC/AC变换器。F有源逆变电路可以看成是整流电路的另外一种工作方式,同一装置既可工作在整流状态,又可工作在逆变状态。F控制方式:相位控制 触发角 输出直流电压平均值2第2章 相控整流电路整流电路的分类整流电路的分类:按器件组成:不可控、半控、全控不可控、半控、全控按电网、交流电相数:单相、三相单相、三相、多相多相按接线方式:半波、全波半波、全波3第2章 相控整流电路
2、整流电路形式繁杂,重点掌握整流电路形式繁杂,重点掌握:电路拓扑电路拓扑控制策略控制策略工作原理、波形分析工作原理、波形分析数量关系数量关系4第2章 相控整流电路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 有源逆变电路2.5 电容滤波的不可控整流电路2.6 整流电路的谐波和功率因数2.7 其他可控整流电路本章小结52.1 单相可控整流电路2.1.1 单相半波可控整流电路2.1.2 单相桥式可控整流电路2.1.3 单相全波可控整流电路62.1.1 单相半波可控整流电路72.1.1 单相半波可控整流电路1. 电阻负载变压器变压器T变换电压变换电压隔离隔离
3、交流输入为单相,直流输交流输入为单相,直流输出电压波形只在交流输入出电压波形只在交流输入的正半周内出现,故称为的正半周内出现,故称为单相半波可控整流电路。单相半波可控整流电路。特点:特点:电压与电流波形相同电压与电流波形相同 82.1.1 单相半波可控整流电路工作过程1) 0t区域区域 2)t=时刻时刻 3)t=时刻时刻 9重要概念重要概念触发延迟角触发延迟角 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。移相范围移相范围 使输出电压从最大值到最小值变化的触发延迟角的变化范围 导通角导通角 晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度,用表示 。10数量关系
4、数量关系2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222UUttdUUd这种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 相位控制方式相位控制方式(相控方式)相控方式)当触发角=0时,直流输出电压平均值Ud最大,随着触发角的增大, Ud减少,到=时, Ud =0。单相半波可控整流电路的最大移相范围是0,相应Ud调节范围为0.45U20,=- 。 112221sin2( 2sin) d()224UUttUd2d1cos0.452UUIRR2242sin2IIRURUIVT晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源电压的峰值 122PI RUI2SU I2sin224PU
5、ISU I变压器二次侧有功功率、视在功率、功率因数 是的函数,越大,功率因数越低。即使是电阻性负载,由于存在谐波电流,最大功率因数小于1,为0.707。 132. 2. 阻感负载阻感负载142. 2. 阻感负载阻感负载阻感负载的特点阻感负载的特点电感对电流变化有抗拒电感对电流变化有抗拒作用,使流过电感的电作用,使流过电感的电流不发生突变。流不发生突变。15)sin()sin(tane初始条件:t= ,id=0。22)( LRZRLarctantURitiLsin2dd2dd)sin(2)sin(22)(2tZUeZUitLRd当VT处于通态时,如下方程成立:当t =+ a 时,id = 0 1
6、6工作过程1) 0t区域区域 2)t=时刻时刻 id=0 3)t+区域区域 17电感元件的一个重要特性:在稳态条件下,电感两端的电压平均值恒等于零。换言之,在一个周期内,电感储存的能量等于释放的能量。 d2RL111d()d()d()222Uututut 0L01d()d022Luti dRUU18负载阻抗角负载阻抗角 、触发角、触发角a 、晶闸管导通角、晶闸管导通角的关系的关系l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l若为定值, (L) 越大,则L贮能越多,越大;且 越大,在u2负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通的时间,ud中负的部分越
7、接近正的部分,平均值Ud越接近零,输出的直流电流平均值也越小。19为避免为避免Ud太小,在整流电路的负载两端并联续流二极管太小,在整流电路的负载两端并联续流二极管20当u2过零变负时,VDR导通,ud为零。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断,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续流。续流期间ud为零,ud中不再出现负的部分。21续流二极管的作用:a. 提高整流平均电压Ud。当u2为正时,VD承受反向电压呈关断状态,不起作用。当u2进入负半周时VD导通,负载电流通过VD继续流通,负载上的电压箝位在零电位,ud中负电压消失,使输出平均电压Ud得以提高
8、。b. 减轻晶闸管的负担。u2负半周时段。c. 消除失控事故。在整流电路中,电感L大而储能大时有可能使晶闸管在整个u2负半周区域都导通,使晶闸管不会关断,造成失控事故。加入续流二极管后,L中的电流通过VD形成通路,晶闸管自然关断。 22数量关系数量关系 与电阻负载相同与电阻负载相同2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222UUttdUUd2221sin2( 2sin) d()224UUttU移相范围是0导通角是a23d2d1cos0.452UUIRR42sin22RURUI晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源电压的峰值 24ddVT2IIddVTItdII2)(21
9、2ddVDIIR2若近似认为若近似认为id为一条水平线,恒为为一条水平线,恒为Id,则有,则有d22dVD2)(21RItdII25单相半波可控整流电路的单相半波可控整流电路的特点特点 简单,但输出脉动大。交流回路中含有直流分量,造成换流变压器铁芯饱和,设备利用率下降。 分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点,建立起整流电路的基本概念。 262.1 单相可控整流电路2.1.1 单相半波可控整流电路2.1.2 单相桥式可控整流电路2.1.3 单相全波可控整流电路272.1.2 单相桥式可控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式半控整流电路28 单相桥式全控整流电路特点:特点:u VT1和VT
10、4组成一对桥臂,在u u2 2正半周承受电压u u2 2,得到触发脉冲即导通。u VT2和VT3组成另一对桥臂,在u u2 2负半周承受电压- -u u2 2,得到触发脉冲即导通。29 30 1 . 电阻负载电阻负载工作过程1) 0t区域区域 2)t=时刻至时刻至t=时刻时刻 VT1、VT4导通导通 VT2、VT3承受反压阻断承受反压阻断 3)t=时刻时刻4) t E 时,晶闸管承受正电压,才有导通的可能。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与电阻负载时相比,晶闸管提前了电角度 停止导电, 称为停止导停止导电角电角在 角相同时,
11、整流输出电压比整流输出电压比电阻负载时大。电阻负载时大。3738)( d )sin2(12tEtUEUdREUIdd数量关系数量关系393. 3. 反电动势负载反电动势负载电流断续电流断续 id 波形在一周期内有部分时间为波形在一周期内有部分时间为 0 的情况的情况电流连续电流连续 id 波形在一周期内不出现为波形在一周期内不出现为 0 的情况的情况 当当 时,时,触发脉冲到来时,晶闸管承受触发脉冲到来时,晶闸管承受负负电压,不能导通。电压,不能导通。为使晶闸管可靠导通,触发脉冲需足够的宽度,为使晶闸管可靠导通,触发脉冲需足够的宽度,保证当保证当 t = 时时,晶闸管承受,晶闸管承受正正电压,
12、触发脉冲仍然存在,相电压,触发脉冲仍然存在,相当于触发角被推迟为当于触发角被推迟为,即即 = 若若 30 负 载 电 流断 续 , 晶闸 管 导 通角小于120 。61基本数量关系:(1) a 30时,负载电流连续,有:cos17. 1cos263)(sin2321226562dUUttdUU 当a =0时,Ud最大,为 Ud = Ud0 = 1.17U2(2) a 30时,负载电流断续,晶闸管导通角减小,此时有:)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262UttdUUd 当a = 150时, Ud = 062RUIdd 负载电流平均值为负载电流平均值为 晶闸管电流平
13、均值为晶闸管电流平均值为dVTd/3II 晶闸管电流有效值为晶闸管电流有效值为52226VT62sin1123() d()(cos2 )2232UtUItRR222VT62sin11531() d()(cos2sin2 )22644UtUItRRa 30时,负载电流连续a 30时,负载电流断续63222RM45. 2632UUUU22UUFM晶闸管承受的最大反向电压,为变压器二次线电压峰值晶闸管承受的最大反向电压,为变压器二次线电压峰值晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值。压的峰值。为什么?为什么?642.阻感负载65特点
14、:特点:阻感负载,L值很大,id波形基本平直。la 30时整流电压波形与电阻负载时相同la 30时u2过零时,VT1不关断,直到VT2 的脉冲到来,才换流,由VT2导通向负载供电,同时向VT1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分。l id波形有一定的脉动,但为简化分析及定量计算,可将id近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为902.阻感负载66数量关系数量关系由于负载电流连续,由于负载电流连续,ddVTIItdIIId577.031)(21326622263226132sin()1.17cos2UUt d wtU d变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为d
15、VTVT(AV)368. 057. 1III晶闸管的额定电流为晶闸管的额定电流为67晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值2RMFM45.2UUU三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量,为此其应用较少。682.2 三相可控整流电路2.2.1 2.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2.2.2 2.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路692.2.2 三相桥式全控整流电路702.2.2 三相桥式全控整流电路共阴极组共阴极组 阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1,VT3,VT5)共阳极组共阳极组 阳极连
16、接在一起的3个晶闸管(VT4,VT6,VT2)导通顺序导通顺序:晶闸管编号方法 VT1VT2VT3 VT4VT5VT6自然换相(三相桥式不可控整流电路)时,每时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。711. 电阻负载 假设将电路中的晶闸管换作二极管,相当于晶闸管触发假设将电路中的晶闸管换作二极管,相当于晶闸管触发角角 =0 。三相桥式不可控整流电路。二极管导通与关断由。三相桥式不可控整流电路。二极管导通与关断由外加三相电压决定外加三相电压决定 共共阴阴极组的极组的3个二极管、晶闸管,阳极所接交流电压值最个二极管、晶闸管,阳极所接交流电压值最高高的
17、一个导通。的一个导通。 共共阳阳极组的极组的3个二极管、晶闸管,阴极所接交流电压值最个二极管、晶闸管,阴极所接交流电压值最低低的一个导通。的一个导通。 任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态,施加于负载上的电压为某一线电压。通状态,施加于负载上的电压为某一线电压。72a =0时,各晶闸管时,各晶闸管均在自然换相点换均在自然换相点换相相共阴极组处于通态共阴极组处于通态的晶闸管对应最的晶闸管对应最大大的相电压的相电压共阳极组处于通态共阳极组处于通态的晶闸管对应最的晶闸管对应最小小的相电压的相电压输出整流电压输出整流电压ud为为这两个相
18、电压相减这两个相电压相减输出整流电压输出整流电压ud波波形为线电压在正半形为线电压在正半周的包络线周的包络线双脉冲触发双脉冲触发73时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb晶闸管及输出整流电压的情况如表所示6个晶闸管导通顺序 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT67475当当a 60 时,时,ud波形均连续,对于电阻负波形均连续,对于电阻负载,载,id波形与波形
19、与ud波形形状一样,连续波形形状一样,连续 7677三相桥式全控整流电路的特点三相桥式全控整流电路的特点(1)2个晶闸管同时导通形成供电回路,其中共阴极组和共阳极组个晶闸管同时导通形成供电回路,其中共阴极组和共阳极组 各各1个,且不能为同个,且不能为同1相器件相器件(2)对触发脉冲的要求:)对触发脉冲的要求:t 按按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序,相位依次差的顺序,相位依次差60 。t 共阴极组共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差的脉冲依次差120 。t 共阳极组共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差也依次差120 。t 同一相的上下两个桥臂,同一相的上下两个桥臂,
20、t 即即VT1与与VT4,VT3与与VT6, VT5与与VT2,脉冲相差,脉冲相差180 。78(3)需保证同时导通的)需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲个晶闸管均有脉冲宽脉冲触发宽脉冲触发双脉冲触发(常双脉冲触发(常用)用)可采用两种方法可采用两种方法(4)ud一周期脉动一周期脉动6次,每次脉动的波形都一次,每次脉动的波形都一样,样, 故该电路为故该电路为6脉波整流电路。脉波整流电路。79(5)当当0/3时,电流连续,每个晶闸管导通时,电流连续,每个晶闸管导通2/3;当;当/32/3时,电流断续,每个晶闸管导通小于时,电流断续,每个晶闸管导通小于2/3。=/3是电阻性负载电流连续和断续的分界
21、点。是电阻性负载电流连续和断续的分界点。(6)同三相半波可控整流电路相比,变压器二次侧流过同三相半波可控整流电路相比,变压器二次侧流过正、负对称的交变电流,不含直流分量,避免直流磁化。正、负对称的交变电流,不含直流分量,避免直流磁化。 802 2阻感负载阻感负载8182当当a 60 时,时,ud波形均连续,电路的工作情况与电阻负载波形均连续,电路的工作情况与电阻负载相似相似 各晶闸管的通断情况各晶闸管的通断情况 输出整流电压输出整流电压ud波形波形 晶闸管承受的电压波形晶闸管承受的电压波形区别区别:l负载不同时,同样的整流输出电压加在负载上,得到的负负载不同时,同样的整流输出电压加在负载上,得
22、到的负载电流载电流id波形不同,电阻负载时波形不同,电阻负载时id波形与的波形与的ud波形形状一样。波形形状一样。l阻感负载时,由于电感的作用,使得负载电流波形变得平阻感负载时,由于电感的作用,使得负载电流波形变得平直,当电感足够大的时候,负载电流直,当电感足够大的时候,负载电流id的波形可近似为一条的波形可近似为一条水平线。水平线。 一样一样8384 60 时,时, 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时,电阻负载时,ud波形不会出现负的部分波形不会出现负的部分 阻感负载时,阻感负载时,ud波形会出现负的部分。波形会出现负的部分。l 带阻感负
23、载时,三相桥式全控整流电路的带阻感负载时,三相桥式全控整流电路的 角移相范角移相范围为围为90 85当整流输出电压连续时(即带阻感负载时,或带电阻负载当整流输出电压连续时(即带阻感负载时,或带电阻负载 60 时)时)的平均值为:以线电压的平均值为:以线电压uab过零点作为时间起点。过零点作为时间起点。cos34.2)(sin323123232UttdUUd)3cos(134.2)(sin63232dUttdUU3定量分析带电阻负载且带电阻负载且 60 时,整流电压平均值为:时,整流电压平均值为:输出电流平均值为输出电流平均值为 : Id=Ud /R 86当整流变压器采用星形接法,带阻感负载时,
24、变压器二次侧电流当整流变压器采用星形接法,带阻感负载时,变压器二次侧电流波形为正负半周各宽波形为正负半周各宽120 、前沿相差、前沿相差180 的矩形波,其有效值为:的矩形波,其有效值为:ddddIIIII816. 03232)(3221222l 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。l 三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时,在负载电感足够大足以三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时,在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下,使负载电流连续的情况下,电路工作情况与阻感性负载时相似电路工作情况与阻感性负载时相似,电路中,电路中各处电压、电
25、流波形均相同,各处电压、电流波形均相同,仅在计算仅在计算Id时有所不同时有所不同,接反电势阻感负,接反电势阻感负载时的载时的Id为:为:REUIdd87第2章 相控整流电路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 有源逆变电路2.5 电容滤波的不可控整流电路2.6 整流电路的谐波和功率因数2.7 其他可控整流电路本章小结882.3 变压器漏感对整流电路的影响考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响,换相过程不能瞬间完成。以三相半波为例,然后将其结论推广。89VTVT1 1换相至换相至VTVT2 2的过程:的过程:l 因a、b两相均有漏感, ia、
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