电子电力技术课件-2.ppt
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1、2-1本章主要内容本章主要内容u整流器的结构形式、工作原理,分析整流器的整流器的结构形式、工作原理,分析整流器的工作波形,整流器各参数的数学关系和设计方法工作波形,整流器各参数的数学关系和设计方法;u整流器工作在逆变状态时的工作原理、工作波整流器工作在逆变状态时的工作原理、工作波形。形。u变压器漏抗对整流器的影响、整流电路相位控变压器漏抗对整流器的影响、整流电路相位控制的实现。制的实现。第第3章章 整流电路整流电路2-2第第3章章 整流电路整流电路引言引言整流电路的分类整流电路的分类: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
2、零式电路。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。分为单拍电路和双拍电路。整流电路整流电路:出现最早的电力电子电路,将交流电变为直流电。出现最早的电力电子电路,将交流电变为直流电。2-33.1 单相可控整流电路单相可控整流电路2-43.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路1 1)带电阻负载的工作情况)带电阻负载的工作情况电阻负载的特点电阻负载的特点:电压与电流成正比,两者波形相同并电压与电流成正比,两者波形相
3、同并且同相位,电流可以突变。且同相位,电流可以突变。单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)在实际应用中,某些负载基本上是电阻性的,如电在实际应用中,某些负载基本上是电阻性的,如电阻加热炉、电解和电镀等。阻加热炉、电解和电镀等。2-5图图3-1 单相半波可控整流电路及波形单相半波可控整流电路及波形wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)002-6u变压器变压器T起变换电压和隔离的作用,在电源电起变换电压和隔离的作用,在电源电压正半波,晶闸管承
4、受正向电压,在压正半波,晶闸管承受正向电压,在t=处触处触发晶闸管,晶闸管开始导通;负载上的电压等发晶闸管,晶闸管开始导通;负载上的电压等于变压器输出电压于变压器输出电压u2。在。在t=时刻,电源电压时刻,电源电压过零,晶闸管电流小于维持电流而关断,负载过零,晶闸管电流小于维持电流而关断,负载电流为零。电流为零。u在电源电压负半波,在电源电压负半波,uAK0,晶闸管承受反向,晶闸管承受反向电压而处于关断状态,负载电流为零,负载上电压而处于关断状态,负载电流为零,负载上没有输出电压,直到电源电压没有输出电压,直到电源电压u2的下一周期,的下一周期,直流输出电压直流输出电压ud和负载电流和负载电流
5、id的波形相位相同的波形相位相同。2-73.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 首先,引入两个重要的基本概念:首先,引入两个重要的基本概念:触发角触发角:从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发: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脉冲止的电角度,用用a a表示表示,也称也称触发角触发角或或控制角控制角。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,:晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度,用用表示,表示,=-a a。基本数量关系基本数量关系u移相与移相范围移相与移相范围移相是指改变触发脉冲移相是指改变触发脉冲ug出现的时刻,即改变控制角出现的时刻,即改
6、变控制角的大小。的大小。移相范围是指触发脉冲移相范围是指触发脉冲ug的移动范围,它决定了输出的移动范围,它决定了输出电压电压(平均值平均值)的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是时的移相范围是0180。波形图2-8图3-1 单相半波可控整流电路及波形wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)002-9通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的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。方式称为相位控制方式,简称相控方式。通过改变触发角通
7、过改变触发角的大小,直流输出电压的大小,直流输出电压ud的波形发生的波形发生变化,负载上的输出电压平均值发生变化,显然变化,负载上的输出电压平均值发生变化,显然=180时,时,Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通,输。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通,输出电压出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流,故称为极性不变但瞬时值变化的脉动直流,故称“半波半波”整流。整流。晶闸管承受的最大正反向电压是相电压晶闸管承受的最大正反向电压是相电压U2的峰值。的峰值。2-10直流输出电压平均值为直流输出电压平均值为paaapwwp2cos145.0)cos1(22)(sin221222dUUttd
8、UU(2-1)电流平均值电流平均值:电压有效值电压有效值U:电流有效值电流有效值I:电流波形系数电流波形系数21 cos0.452ddddUUIRRapapapppa22sin41)sin2(21222UdwtwtUUpapap22412sinddRURUI)cos()(sincossinaappapappapap12222122241dfIIK2-113.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路2)带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况阻感负载的特点阻感负载的特点:电感对电流变化有抗拒作用,使得: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。流过电感的电流不发生突变。u当
9、流过电感的电流变化时,电感两端产生感应电势,感当流过电感的电流变化时,电感两端产生感应电势,感应电势对负载电流的变化有阻止作用,使得负载电流不能应电势对负载电流的变化有阻止作用,使得负载电流不能突变。当电流增大时,电感吸收能量储能,电感的感应电突变。当电流增大时,电感吸收能量储能,电感的感应电势阻止电流增大;当电流减小时,电感释放出能量,感应势阻止电流增大;当电流减小时,电感释放出能量,感应电势阻止电流的减小,输出电压、电流有相位差。电势阻止电流的减小,输出电压、电流有相位差。2-123.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 图图3-2 带阻感负载的单相半波电路及其波形带阻感负载的
10、单相半波电路及其波形wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+TVTa)u1u2uVTudidRL2-133.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 在在t=0到到期间,晶闸管阳极和阴极之间的电压期间,晶闸管阳极和阴极之间的电压uAK大于零,大于零,但晶闸管门极没有触发信号,晶闸管处于正向关断状态,输出但晶闸管门极没有触发信号,晶闸管处于正向关断状态,输出电压、电流都等于零。电压、电流都等于零。在在t=时,门极有触发信号,晶闸管被触发导通,负载电时,门极有触发信号,晶闸管被触发导通,负载电压压ud=u2。当当t=时,交流电压时,交流电
11、压u2过零,由于有电感电势的存在,晶过零,由于有电感电势的存在,晶闸管的电压闸管的电压uAK仍大于零,晶闸管会继续导通,电感的储能全部仍大于零,晶闸管会继续导通,电感的储能全部释放完后,晶闸管在释放完后,晶闸管在u2反压作用下而截止。直到下一个周期的反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周。正半周。从从Ud的波形可以看出,由于电感负载的存在,电源电压由的波形可以看出,由于电感负载的存在,电源电压由正到负过零点也不会关断,输出电压出现了负波形,输出电压正到负过零点也不会关断,输出电压出现了负波形,输出电压和电流的平均值减小;当大电感负载时输出电压正负面积趋于和电流的平均值减小;当大电感负载时输出
12、电压正负面积趋于相等,输出电压平均值趋于零,则相等,输出电压平均值趋于零,则id也很小。所以,实际的大也很小。所以,实际的大电感电路中,常常在负载两端并联一个续流二极管。电感电路中,常常在负载两端并联一个续流二极管。转波形转波形2-143.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路续流二极管续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图图3-4 单相半波带阻感负载单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形有续流二极管的电路及波形 当当u2过零变负时,过零变负时,VDR导通,导通,ud为零,为零,VT承
13、受反压关断。承受反压关断。L储存的能量保证了电流储存的能量保证了电流id在在L-R-VDR回路中流通,此回路中流通,此过程通常称为过程通常称为续流续流。电源电压正半波电源电压正半波u20,晶闸管,晶闸管电压电压uAK0。在。在t=处触发晶闸处触发晶闸管导通,负载上有输出电压和电管导通,负载上有输出电压和电流,续流二极管流,续流二极管VDR承受反向电承受反向电压而处于断态。压而处于断态。2-15 由以上分析可以看出,电感性负载加续流二极管后,由以上分析可以看出,电感性负载加续流二极管后,输出电压波形与电阻性负载波形相同,续流二极管可输出电压波形与电阻性负载波形相同,续流二极管可以起到提高输出电压
14、的作用。在大电感负载时负载电以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线,流过晶闸管的电流波形流波形连续且近似一条直线,流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。和流过续流二极管的电流波形是矩形波。对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同为移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同为0180,且有,且有+=180。电源电压负半波电源电压负半波u20,通过续流二极管,通过续流二极管VDR使晶闸使晶闸管承受反向电压而关断。电感的感应电压使管承受反向电压而关断。电感的
15、感应电压使VDR承受承受正向电压导通续流,负载两端的电压仅为续流二极正向电压导通续流,负载两端的电压仅为续流二极管的管压降。如果电感足够大,续流二极管一直导管的管压降。如果电感足够大,续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通,使通到下一周期晶闸管导通,使id连续。连续。2-16 数量关系数量关系(id近似恒为近似恒为Id)ddVT2IIpap(2-5)d2dVT2)(21ItdIIpapwppa(2-6)ddVDRIIpap2(2-7)d22dVD2)(21RItdIIpapwpapp(2-8)晶闸管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值晶闸管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值 。续流二极管
16、承受的最大反向电压也是续流二极管承受的最大反向电压也是晶闸管的电流平均值晶闸管的电流平均值晶闸管的电流有效值晶闸管的电流有效值续流二极管的电流平均值续流二极管的电流平均值续流二极管的电流有效值续流二极管的电流有效值u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)2-173.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路VT的的a a 移相范围为移相范围为180。单相半波可控整流器的优点:电路简单,调整方便,容单相半波可控整流器的优点:电路简单,调整方便,容易实现。易实现。缺点:但整流电压脉动大,每周期脉动一次。变压器二
17、缺点:但整流电压脉动大,每周期脉动一次。变压器二次侧流过单方向的电流,存在直流磁化、利用率低的问次侧流过单方向的电流,存在直流磁化、利用率低的问题,为使变压器不饱和,必须增大铁心截面,这样就导题,为使变压器不饱和,必须增大铁心截面,这样就导致设备容量增大。致设备容量增大。实际上很少应用此种电路。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。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单相半波可控整流电路(阻感时带续流二极管阻感时带续流二极管)的特点的特点2-18 直流磁化:直流磁化:磁化曲线是磁化曲线是1,3象限对称的,变象限对称的,变压器通过的是
18、交变的正弦交流压器通过的是交变的正弦交流电,电流也是正负交变的,电电,电流也是正负交变的,电流形成的磁场既有正,也有负,流形成的磁场既有正,也有负,中心点落在原点上。中心点落在原点上。这里变压器提供的电流是正的,这里变压器提供的电流是正的,只能工作在第只能工作在第1象限,铁心的第象限,铁心的第3象限没有利用,电流工作在偏象限没有利用,电流工作在偏离到离到1象限,使铁心容易饱和,象限,使铁心容易饱和,直流磁化对铁心不利,铁心为直流磁化对铁心不利,铁心为了不饱和,要做的比较大,不了不饱和,要做的比较大,不能充分利用。能充分利用。HBcHcHrBSB结论:结论:电流不对称,存电流不对称,存在直流磁化
19、问题在直流磁化问题2-193.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路1)带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图图3-5 单相全控桥式单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析工作原理及波形分析u在在u2正半波,正半波,在在0 0 区间由于没有触区间由于没有触发脉冲都不导通,发脉冲都不导通,u uAK1AK1,4 4=1/2=1/2u u2 2。在在tt=处触发,晶闸管处触发,晶闸管VT1VT1、VT4VT4承 受承 受 u2正 向 电 压 导 通,电 流 沿正 向 电
20、压 导 通,电 流 沿aVTaVT1 1R RVTVT4 4bb流通,此时负流通,此时负载上输出电压载上输出电压u ud d=u u2 2。电源电压反向。电源电压反向施加到晶闸管施加到晶闸管VTVT2 2、VTVT3 3上,处于关上,处于关断状态,到断状态,到tt=时,因电源电压过时,因电源电压过零,晶闸管零,晶闸管VTVT1 1、VTVT4 4阳极电流也下阳极电流也下降为零而关断。降为零而关断。电路结构电路结构2-20u在电源电压负半波,晶闸管在电源电压负半波,晶闸管VT2、VT3承受正向电压,在承受正向电压,在+区间,区间,uAK2,3=1/2u2,在,在t=+处触发晶闸管处触发晶闸管VT
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