《AC／DC变换》PPT课件.ppt

《《AC／DC变换》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《AC／DC变换》PPT课件.ppt（161页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第 3章 AC/DC变换电路 3.1 单相相控整流电路 3.2 三相相控整流电路 3.3 变压器漏感对相控整流电路的影响 3.4 不可控整流电路 3.6 大功率整流电路 3.7 相控整流电路的有源逆变工作状态 3.8 相控整流电路的晶闸管触发电路 3.5 整流电路的谐波分析 整流电路概述 整流器（或整流装臵） 电力半导体开关 电路及其辅助元器件构成的实现整流的系统。 整流 将交流电（ AC）转换为直流电 （ DC）的变换。 整流电路 实现整流的电路。 整流电路概述 -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

2、路和 多相 电路。 按变压器二次侧电流的方向是单向或双 向，分为 单拍 电路和 双拍 电路。 按控制方式不同， AC/DC变换分为 相控整 流 和 PWM整流 两种形式。 PWM整流技术 是一种新型 AC/DC变换技术，它采用 全控型功率器件和现代控制技术，使输入电流波形 接近正弦波，功率因数接近，性能优良，具有广 泛的应用前景。 相控整流 -通过控制 晶闸管 导通的相位控制输出电压 PWM整流 -通过控制一周期中 器件 导通的时间比例 控制输出电压。 相控整流 电路结构简单、控制方便、性能稳定，利 用它可以方便地得到大、中、小各种容量的直流电 能，是目前获得直流电能的主要方法，得到了广泛 的

3、应用。 整流电路概述 -分类 主要内容： 单相 /三相相控整流电路 大容量相控整流电路 整流电路的谐波分析 电路结构、基本工作原理 主要电压 /电流波形、数量关系 整流电路的特点及应用 整流电路概述 整流电路概述 -性能指标 整流器的主要性能指标有： 1、 输出直流电压 2、输出电流 3、输出 电压纹波系数 4、稳压精度 5、输入电流总畸变率 6、输入功率因数 整流电路概述 -性能指标 电压纹波系数 ： D H u U U 22 DH UUU 输出电压的有效值： U 输出电压的直流平均值： UD 输出电压的交流纹波有效值： UH 1 2 D u U U 整流电路概述 -性能指标 输入电流总畸变

4、率 ：是除基波电流以外的所 有谐波电流有效值与基波电流有效值之比 1 2 2 2 1 2 11 2 1 2 1 II I I I II TH D n n I 电流有效值 I1 基波 电流有效值 In n次谐波 电流有效值 式中： 整流电路概述 -性能指标 输入功率因数 ：交流电源输入有 功功率平均值 P与视在功率 S之比 IUS 11 c o s IUP 1 111 c o sc o s I I IU IU S PPF 2 1 1 c os T H D PF 只要电流存在 谐波 , 有 PF a 2电感性负载 tUu s in2 22 单相半波可控整流电路 a 导通角 计算 2uRidt di

5、L d d a a t 初值 : 0)( adi 负载电流满足 : 求得 id(t) 令 id(a+)/)=0 求得 2电感性负载 )s in ( 2 )s in ( 2 )( 2 )( 2 a a t Z U e Z U ti t L R d R LLRZ a r c t a n)( 22 a 导通角 计算 求得 id(t) 令 id(a+)/)=0 求得 ： 其中 : )s in ()s in ( t a n aa e 单相半波可控整流电路 2电感性负载 a 数量关系 输出电压平均值： aa )()(2 1 2 tdtuU d )c os (c os22 2 aa UU d 输出电流平均值

6、： R UI d d 单相半波可控整流电路 2电感性负载 a 由于负载中存在电感， 使负载电压波形出现负 值部分，晶闸管导通角 变大，且负载中 L越大， 越大，输出电压波形 图上负值的面积越大， 从而使输出电压平均值 减小。 在大电感负载时，负载 电压波形中正负面积接 近相等， Ud0 。 sim 单相半波可控整流电路 2电感性负载 单相半波可控整流电路 为使大电感负载时输出 电压平均值与电阻负载 情形相同，可在负载两 端并联续流二极管 . sim 整流输出电压的平均值： 2 c os1 45.0 )(s i n2 2 1 2 2 a a U tdtUU d 设加了续流二极管以后 ,电感电流基

7、本不变 ,则有 : 流过晶闸管的平均电流： ddT II a 2 流过续流二极管的平均电流： ddD II a 2 流过续流二极管电流的有效值： ddD ItdII a a 2)(2 1 2 2 流过晶闸管电流的有效值： ddT ItdII a a 2)(2 1 2 a 3.1.2 单相桥式全控整流电路 电阻性负载 晶闸管承受的最大反向电压为 ， 承受的最大正向压降为 。 22U 22 2U sim 单相桥式全控整流电路 电阻性负载 a 数量关系 整流输出电压平均值： 2 c os1 9.0 2 c os1 22 )(ds in2 1 2 2 2 a a a U U ttUU d 整流输出电压

8、有效值： 2 2s i n )(ds i n2 1 2 2 2 aa a U ttUU 电阻性负载 a 数量关系 输出直流电流平均值： 输出直流电流有效值： 变压器二次绕组电流有效值： 2 c os19.0 2 a R URUI dd 2 2s in2 aa R URUI 2 2s in )(d s in2 1 2 2 2 2 aa a R U t R tU I 电阻性负载 a 数量关系 变压器二次绕组电流有效值： 2 2s in )(d s in2 1 2 2 2 2 aa a R U t R tU I 流过每个晶闸管的电流 有效值为： 2 )(d s i n2 2 1 2 2 2 I t

9、R tU I T a 电阻性负载 a 数量关系 有功功率为： 电路功率因数为： 2222 UIRIP 2 2s in 22 2 2 2 1 1 aa IU UI S P S P PF 0, 707.0,2/ 1,0 PF PF PF a a a 控制角大时 ,输入 功率因数很低 ! 2电感性负载 单相桥式全控整流电路 a L=0.01 L=0.05 sim U2反向时 ,只要电感电 流不为零 , T将保持导 通 ,直到电感电流减少 到零时 T截止 2电感性负载 a 数量关系 负载电流连续时，整流 输出电压平均值为： a a a a c os9.0 c os 22 )(s in2 1 2 2 2

10、 U U tdtUU d 整流输出电压有效值为： 2 2 2 )(ds in2 1 U ttUU a a 2电感性负载 a 数量关系 设负载电流 Id近似不变 . 变压器二次绕组电流有效值： 晶闸管的电流有效值： R UII d d 2 ddT III 2 1 2 电路功率因数为： ac os9.0 222 2 1 1 IU IU S P S P PF dd 3反电动势负载 sim 对反电势负载 ,晶闸 管承受的电压不仅 和电源有关 ,还和反 电势有关 !存在停 止导电角 d L=0 d L0 单相桥式全控整流电路 3反电动势负载 停止导电角 : 22 a r c s in UEd 数量关系

11、整流电压平均值 (电流连续 )： a a a c o s9.0 )(s in2 1 2 2 U tdtUU d 负载电流平均值： R EUI d d 单相桥式全控整流电路 例： 单相桥式全控整流电路计算 示例 单相桥式全控整流电路， U2=100V，负载中 R=2 ， L值极大，反电势 E=60V，当 a=30 时，要求： 作出 ud、 id和 i2的波形； 求整流输出平均电压 Ud、电流 Id，变压器二 次侧电流有效值 I2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额 定电流。 例： 单相桥式全控整流电路计算 示例 U2=100V， R=2 ， L极大， E=60V， a=30 解： ud、

12、id和 i2的波形 u 2 O t O t O t u d i d i 2 O t I d I d I d a a 例： 单相桥式全控整流电路计算 示例 U2=100V， R=2 ， L极大， E=60V， a=30 解： 整流输出 平均电压 Ud Ud 0.9 U2 cosa 0.9 100 cos30 77.97(A) 输出 平均电流 Id: Id (Ud E)/R (77.97 60)/2 9(A) 变压器二次侧电流有效值 I2: I2 Id 9(A) 例： 单相桥式全控整流电路计算 示例 U2=100V， R=2 ， L极大， E=60V， a=30 解： 晶闸管选择 晶闸管承受的 最

13、大反向电压 为变压器二次电压的峰 值，即： VUU M 4.1 4 11 0 0*4 1 4.12 2 故晶闸管的 额定电压 为： UN (23) 141.4 283424 V 晶闸管的 额定电流 为： IN (1.52) 6.36 1.57 68 A 晶闸管 电流有效值 为： AII dVT 36.6414.1 92 可选额定电压 500V、电流 10A的晶闸管。 3.1.3 单相全波可控整流电路 t a 波形 u d i 1 O O t 电阻负载情形 电路分析 变压器 Tr带 中心抽头 。 在 u2正半周， VT1工作。 u2负半周， VT2工作。 变压器 不存在直流磁化 的 问题。 负载

14、波形与全控桥式电路 相同。 单相全波可控整流电路 3.1.3 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，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。 t a 波形 u d i 1 O O t 单相全波可控整流电路 单相全波电路有利于在 低输出 电压 的场合应用。 3.1.4 单相桥式半控整流电路 sim 工作特点： (1)晶闸管在触发时刻 被迫换流 ， 二极管 则在电源电压过零 时自然换流 。 (

15、2)由于自然续流的作 用 ， 整流输出电压 ud的波形没有负值 的部分 。 单相桥式半控整流电路 3.1.4 单相桥式半控整流电路 u2 id ud T3/D4通 a a T1/D4 通 T1/D2通 T1/T3关断 停止触发后 ,如电流在负半周内下降到零 , 则晶闸管停止导通 ,电路工作正常 . 单相桥式半控整流电路 3.1.4 单相桥式半控整流电路 失控现象 u2 id ud T3/D4通 a a T1/D4 通 T1/D2通 T1/D4通 停止触发后 ,如电流在负半周内不能下降到零 , 则导通的晶闸管会保持导通 失控现象 . 单相桥式半控整流电路 3.1.4 单相桥式半控整流电路 失控现

16、象 为了避免失控情况，可以在负载侧并联一个续流 二极管 D，使负载电流通过 D续流，而不再经过 T1和 D2， 这样就可使晶闸管恢复阻断能力 . u2 id ud T3/D4通 a a T1/D4 通 T1/D2通 T1/D4通 单相桥式半控整流电路 3.1.4 单相桥式半控整流电路 负载侧并联续流二极管 VDR，半控 整流电路不再存在失控现象 . ? 单相桥式半控整流电路 VDR 单相整流电路 小结 优点 : 电路简单 , 控制方便 , 成本低廉 缺点 : 输出电压脉动大 , 适用于小功率 应用场合 3.2 三相相控整流电路 交流侧由 三相电源 供电。 当整流负载容量较大，或要求直流电压脉

17、动较小、易滤波时，应采用三相整流电路。 最基本的是 三相半波 可控整流电路。 广泛应用有： 三相桥式 全控整流电路、以 及 双反星形 可控整流电路、 十二脉波 可控 整流电路等。 三相整流电路概述： 3.2 三相相控整流电路 3.2.1 三相半波可控整流电路 电阻性负载 =0 时，负载电流连续， 各相导电 120 电角度。 =0 波形 uab uac 自然换相点 =? sim 三相 半波可控共 阴极整流 电路 =30 波形 uab uac 3.2 三相相控整流电路 3.2.1 三相半波可控整流电路 电阻性负载 =30 时，负载电流临界 连续，各相导电 120 电角度。 自然换相点 三相 半波可

18、控共 阴极整流 电路 3.2 三相相控整流电路 3.2.1 三相半波可控整流电路 电阻性负载 a30 时，负载电流断续， 各相导电 30 时， ud波 形断续 uab uac ua =60 ) 6 c os (1675.0 ) 6 c os (1 2 23 )(s i n2 3 2 1 2 2 6 2 a a a U U tdtUU d 负载电流平均值： RUI dd 三相 半波可控共 阴极整流 电路 2电感性负载 大电感负载的三相半波可控整流电路在 30 时， ud的波形与电阻性负载相同。 当 30 时，由于电感性负载作用 , ud的 波形中会出现负的电压部分。 sim 2电感性负载 整流输

19、出电压平均值为： (电流连续情形 ) a a a a c os17.1 c os 2 3*23 )(s i n2 3 2 1 2 2 6 5 6 2 U U tdtUU d 2电感性负载 为提高整流输出电压 平均值 ,可在负载侧 并接续流二极管 . 接续流二极管后， ud 的波形与纯电阻性 负载时一样， Ud的 计算公式也一样 VD 3 三相 半波可控共阳极整流 电路 =30 时，整流电压为负 ,负载 电流连续，各相导电 120 电角度。 自然换相点 =? sim =30 波形 uab uac uab u ac 3 三相 半波可控共阳极整流 电路 =60 波形 a30 时，整流电压为负 ,负载

20、电 流断续，各相导电 30 时， ud波形 断续 ) 6 c o s (1 2 23 )(s i n2 3 2 1 2 2 6 7 2 a a U tdtUU d 三相半波可控整流电路特点 电路简单 三相电源负载平衡 变压器副边绕组通过直流电流 ,存 在直流磁化问题 ,且最多导电 120度 , 变压器利用率低 3.2.2 三相桥式可控整流电路 电阻性负载 三相桥式可控整流电路 三相桥式可控整流电路可看作是三相半 波可控共阴极整流电路与三相半波可控 共阳极整流电路串联组合而成 . 电阻性负载 三相桥式可控整流电路 电路工作特点： 分析要点： 自然换相点 触发顺序 每个时刻需两个晶闸 管同时导通

21、:宽脉冲触发 或双窄脉冲触发 (2) 触发脉冲顺序 共阴极组 T1、 T3、 T5的触 发脉冲之间互差 120 ， 共阳极组 T2、 T4、 T6的触 发脉冲之间也互差 120 。 上下桥臂之间互差 180 (1)自然换相点 VT1VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VT1, 脉冲互差 60 触发顺序： 各相电压 的交点 电阻性负载 三相桥式可控整流电路 电路工作特点： 分析要点： 自然换相点 触发顺序 每个时刻需两个晶闸 管同时导通 :宽脉冲触发 或双窄脉冲触发 (3)必须对两组中应导通的一 对晶闸管同时给触发脉冲 可采用两种办法： 1. 使每个触发脉冲的宽度 大于 60 ，称为 宽脉冲

22、 触发； 2. 触发某一晶闸管的同时， 给前一个晶闸管补发一个 脉冲，相当于用两个窄脉 冲等效替代大于 60 的宽 脉冲，称为双脉冲触发。 通常采用 双窄脉冲触发 。 电阻性负载 三相桥式可控整流电路 电路工作特点： (4)输出整流电压 分段线电压组成 sim 晶闸管承受的最 大反向电压是 26U =0 波形 uab uac uab uac ubc uba uca ucb uab ud一周期 脉动 6次 ，称 该电路为 6脉波整流电路 电阻性负载 三相桥式可控整流电路 uab uac u ab uac =60 a60 负载 电流断续 电阻性负载 三相桥式可控整流电路 =90 uac ua/2

23、uac uab u bc uab 移相范围 : 0 a 60 时，由 于电感负载作用 , 负载 输出电压 ud波形出现负 的电压部分 . =90 波形 uab 2电感性负载 三相桥式可控整流电路 =90 波形 uab 整流输出电压平均值： aa a a a c o s35.1c o s34.2 c o s 63 )(s i n23 3 1 22 2 3 2 3 2 L d UU UtdtUU 负载电流连续时 ,有 : 2电感性负载 三相桥式可控整流电路 晶闸管电流有效值 : dT II 3 1 负载电流连续 id Id有 : 变压器副边相电流有效值 : dT II 3 2 2电感性负载 设负载

24、要求最高电压为 Udmax 晶闸管最小触发角为 amin m i n2m a x c o s34.2 aUU d m i n m a x 2 c os34.2 a dUU 滤波电感值计算 : 通常根据输出最小电流值时电流应临界连续来确定 . 变压器副边电压计算 : 对三相桥式整流电路 ,滤波电感值最小值为 : )(693.0 m i n 2 m i n mHI UL d ？ 3.2.3 相控整流电源设计 (1)选择整流电路 整流电路选择主要原则： 整流器开关元件的电流容量和电压容量做到充分 利用 。 整流器直流侧的纹波越小越好 ， 以减小整流直流 电压的脉动分量 ， 从而减少或省去平波电抗器

25、。 使整流器引起的交流侧谐波电流 ， 特别是低次谐 波电流越小越好 ， 以保证整流器有较高的功率因 数 ， 减小对电网和弱电系统的干扰 。 整流变压器的容量应得到充分利用 ， 并避免产生 磁通直流分量 。 3.2.3 相控整流电源设计 (2)计算整流变压器参数 变压器副边线电压 、 电流的计算 。 变压器原边线电压的确定及线电流的计算 。 (3)开关器件的选用与计算原则 计算每臂开关管的正反向峰值电压 。 计算每臂器件的电流 。 根据整流器的用途 、 使用场合及特殊要求 确定电流和电压的安全裕量系数 。 根据开关器件参数 、 经济技术指标选用开 关器件 。 3.2.3 相控整流电源设计 (4)

26、 主要部件和器件的计算及选用 电压调节器的设计； 触发器的选用； 确定电压、电流检测方式； 平波电抗器的计算。 (5) 保护系统设计 保护系统是整流装臵的重要组成部分 ， 其功能就是及 时发现并切除故障 ， 防止故障进一步扩大 ， 造成重大 经济损失 。 保护系统主要包括过压抑制 ， 过流及负载 短路保护 ， 电压电流上升率的限制等 。 例 设计一直流电动机驱动用晶闸管整流装臵， 设计要求有 : 负载要求 额定负载电压 UN = 220V 额定负载电流 IN = 25A， 要求启动电流限制在 60A， 并 且当负载电流降到 3A时 ， 电流仍然连续 。 整流器的电源参数 电网频率为工频 50H

27、z，电网额定线电压 UL = 380V， 电网电压波动 10。 试确定整流装臵主要电参数 . 例 额定负载电压 UN = 220V 额定负载电流 I N = 25A， 要求启动电流限制在 60A， 并且当负载电流降到 3A时 ， 电流仍然连续 。 电网频率为工频 50Hz，电网额定线电压 UL = 380V， 电网电压波动 10。 解 : (1)整流器主电路设计 KWIUP ddd 5.5252 2 0 因为 Pd 5KW，所以采用三相桥式整流电路 且带整流变压器 例 额定负载电压 UN = 220V 额定负载电流 I N = 25A， 要求启动电流限制在 60A， 并且当负载电流降到 3A时

28、 ， 电流仍然连续 。 电网频率为工频 50Hz，电网额定线电压 UL = 380V， 电网电压波动 10。 解 : (2)晶闸管的选择 电流参数的选取 电动机在启动过程中电流最大，因此以启动电流 作为晶闸管电流参数计算的依据。 )(35603131 AII dT 有效值： )(2357.1 3557.1)( AII TAVT 晶闸管通态平均电流： 取安全裕量，可取晶闸管额定电流为 50A 例 额定负载电压 UN = 220V 额定负载电流 I N = 25A， 要求启动电流限制在 60A， 并且当负载电流降到 3A时 ， 电流仍然连续 。 电网频率为工频 50Hz，电网额定线电压 UL =

29、380V， 电网电压波动 10。 解 : 在三相桥式整流整流电路中，晶闸管承受的峰值电 压为 ， U2为变压器二次侧相电压有效值。 2U6 V2 2 0c o s34.22 dd UUU a 电压参数的选取 )V(6.108)30c o s34.2(22030c o s34.2m i n2 dUU 为可靠换相，取 min = 30 ，则 )V(1209.0m i n22 UU因为存在 10的波动，所以 例 额定负载电压 UN = 220V 额定负载电流 I N = 25A， 要求启动电流限制在 60A， 并且当负载电流降到 3A时 ， 电流仍然连续 。 电网频率为工频 50Hz，电网额定线电压

30、 UL = 380V， 电网电压波动 10。 解 : 电压参数的选取 )V(1209.0m i n22 UU )V(2946 2 U晶闸管承受的峰值电压值： 取安全裕量为，则晶闸管电压值为 588V。 晶闸管的确额定电压选取 700V. 可选晶闸管型号为 KP50-700。 例 额定负载电压 UN = 220V 额定负载电流 I N = 25A， 要求启动电流限制在 60A， 并且当负载电流降到 3A时 ， 电流仍然连续 。 电网频率为工频 50Hz，电网额定线电压 UL = 380V， 电网电压波动 10。 解 : )A(4.202532322 dII )K V A(3 4 4.74.201

31、 2 033 222 IUS )A(44.6380 4.20120 1 221 U IUI (3)变压器的设计 变压器容量计算 根据负载要求可知 Id =25A变压器相电流有效值为： S1 =S2 =7.344KVA，取 S为 7.5KVA。 取 I1=7A U1=380V I2=21A U2=120V S=7.5KVA 变压器原边电流： 例 额定负载电压 UN = 220V 额定负载电流 I N = 25A， 要求启动电流限制在 60A， 并且当负载电流降到 3A时 ， 电流仍然连续 。 电网频率为工频 50Hz，电网额定线电压 UL = 380V， 电网电压波动 10。 解 : )mH(7

32、2.273120693.0693.0 m i n 2 dI UL 平波电抗器取： L=28(mH) IL=Id=25A (4)平波电抗器的计算 最小平波电抗器值的计算公式 : )mH(693.0 m i n 2 dI UL 3.3 变压器漏感对相控整流电路的影响 变压器漏感的影响 : 电感电流不能突变 ,因此 ,当 负载 电流从 A相换相到 B相时， A相电流逐渐减小，而 B相 电流是从零逐步增大，这个过程称为 换相过程 。 考虑变压器漏感的三相半波共阴极整流电路 换相过程所对应的时间用电角度表示， 叫 换相重叠角 ，用 表示。 3.3 变压器漏感对相控整流电路的影响 考虑变压器漏感的三相半波

33、共阴极整流电路 sim 换相过程影响 : (1)输出电压降低 (2)换相时间长短 与漏感大小有关 , 与负载电流大小有关 2 bad uuu 换相过程分析 换相过程等效电路 : VT1VT2 设控制角为 a. 经 VT1VT2 回路电流为 ik 设负载电感较大 ,负载 电流基本上为常数 . dt di Luu dt di Luu k Bdb k Bda dt diLuu k Bab 2 回路电流为 ik从 0增加 到 Id时换相过程结束 . 求得 ik即可算出 换相重叠角 2 ba d uuu 换相期间， ik=ib 换相过程分析 以自然换相点作为时间原点 : )3c os (2 2 tUu

34、a )3c os (2 2 tUu b tUuu ab s in3s in22 2 t 换相过程等效电路 当触发脉冲到来到换流 结束时，回路电流为 ik从 0增加到 Id. 换相过程分析 换相压降计算： d B dB I kB k B k Bbb dbd I X IL diL td dt di L td dt di Luu tduuU d a a a a a a 2 3 2 3 2 3 )( 2 3 )()( 2 3 )()( 3 2 1 0 t 换相过程等效电路 换相过程分析 换相压降计算： t 换相压降与漏感及负 载电流大小成正比 BB LX 其中变压器漏抗 : 换相过程等效电路 d B

35、dbd I X tduuU a a 2 3 )()( 3 2 1 换相过程分析 换相重叠角 的计算 tUuu ab s in3s in22 2 dt diLuu k Bab 2 因为 : )(s i n3s i n21 2 tdtULdi B k t 换相过程等效电路 a a )(s i n3 s i n2 2 0 tdt L U di B I k d )c o s ( c o s3 s in2 2 aa B d X U I 换相过程分析 au 换相重叠角 的计算 )c o s ( c o s3 s in2 2 aa B d X U I 3s in2 )c os (c os 2 aa U XI

36、 Bd换相过程等效电路 相控整流电路换向压降和换向重叠角的计算 电路 换向压降 单相桥式 m=2 两相半波 m=2 三相半波 m=3 三相全桥 m=6 UB )c o s (c o s aa dB IL 2 dB IL 1 dB IL2 3 dB IL 3 2 2 U IL dB 22U IL dB 26 2 U IL dB 26 2 U IL dB （ U2为相电压有效值） 返回 3. 4 不可控整流电路 基本特点： 电路中的电力电子器件采用 整 流二极管。 这类电路也称为 二极管整流电路 。常采 用电容虑波。 交 直 交变频器、不间断电源、开关电 源等应用场合大都采用 不可控整流电路 。

37、最常用的是 单相桥式 和 三相桥式 两种接法。 3. 4 不可控整流电路 a) b) u 2 u d i 2 0 d t i 2 , u 2 , u d 感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形 22UU d 输出电压平均值 空载 时 ， 重载 时 ， Ud逐渐趋近于 0.9U2， 即趋近于接近 电阻负 载 时的特性。 在设计时根据负载的情况选择电容 C值， 使 , 此时输出电压为： Ud1.2U2 2/53 TRC 3. 4 不可控整流电路 b) c) i a i a O O t t 考虑感容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形 a）原理图 b）轻载交流侧电流波形 c）重载交流侧电流波形

38、 三相桥式不可控整流电路主要数量关系 输出电压平均值 Ud在 （ 2.34U2 2.45U2） 之间变化 电流平均值 二极管电流平均值为 Id的 1/3， 即 ID=Id/3=IR/3 3.5 整流电路的谐波分析 1、谐波问题的提出 2、谐波分析基本方法：傅立叶级数分析方法 3、降低谐波的方法 要点： 谐波的概念 非正弦电压 u(t)分解为如下形式的傅里叶级数： 正弦波 电压可表示为： )s in (2)( utUtu 式中 U为电压有效值； u为初相角； 为角频率， =2f=2/ T； f为频率； T为周期 1 0 )s i nc os()( n nn tnbtnaatu 200 )(d)(

39、2 1 ttua 20 )(dc o s)(1 ttntua n 20 )(ds i n)(1 ttntub n n=1, 2, 3 式中 : ? 谐波的概念 非正弦电压 u(t) 傅里叶级数形式： 1 0 )s i nc os()( n nn tnbtnaatu 1 0 )s in ( n nn tnca 式中 : c a bn n n 2 2 n n na r c tg a b ( / ) a cn n n s in b cn n n c os )s in ()( 111 tctu 基波分量 : n次谐波 ： )s in ()( nnn tnctu 非正弦电流 i(t) 具有相似的傅里叶级

40、数形式 无功与功率因数的概念 20 c os)(2 1 IUtiduP 式中： 为电流滞后于电压的相位差。 视在功率 ： S=UI 无功功率 ： Q=UIsin 功率因数 ： c os S P 无功功率 Q与有功功率 P、 视在功率 S之间的关系： 222 QPS 正弦电路 有功功率 ： 无功与功率因数的概念 非正弦电路 - 假设电压是正弦波 1 111 c o sc o s I I IU IU S PPF S PPF 输入功率因数 ：交流电源输入有功 功率平均值 P与视在功率 S之比 视在功率 ： S=UI 式中： 1为基波电流滞后于电压的相位差 11 c o s IUP 有功功率 ： I1

41、/I： 称为 基波因数 cos1： 称为 位移因数 或 基波功率因数 非正弦电路 - 假设电压是正弦波 1 111 c o sc o s I I IU IU S PPF 2 1 1 c os T H D PF 只要电流存在 谐波 , 有 PF1 2 1 2 2 2 22 1 11 1 1 1 1 T H DIIII I I I n n n n 无功与功率因数的概念 无功功率 ： 一般定义为（反映了能量的流动和交换）： 22 PSQ 3.5.1 问题的提出 谐波和无功的危害：谐波会导致损耗增加、影响 周围设备正常工作，无功将浪费电网容量，降低 电网系统使用效益。 电力电子器件工作在开关状态，是非

42、线性元件， 导致流过器件、电网侧的电流具有非正弦形式， 导致输入侧电流谐波 (harmonics)与无功 (reactive power)增加 。 随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由 此带来的谐波和无功问题日益严重，引起了关注。 有必要对此进行分析、寻找解决方法 3.5. 2 谐波分析 谐波分析基本方法：傅立叶级数分析方法 分析两种方波电流的谐波： 1、 180 方波电流 o ti 2 I d I d 180 180 2、 120 方波电流 o ti a 120 120 180 方波电流 谐波分析 单相桥式全控整流电路大电感负载时流过整流变压 器的电流即为 180 方波波形。 o ti

43、 2 I d I d 180 180 a 注意：坐标右移 a不改变 各次谐波有效值 180 180 o t i 2 I d I d 主要讨论上述电流波形各次谐波有效值 180 方波电流 谐波分析 ,.5,3,1,.5,3,1 2 s i n2s i n 14 . .)5s i n 5 1 3s i n 3 1 ( s i n 4 n n n d d tnItn n I tttIi 将电流波形分解为 傅里叶级数 ，可得 : 其中基波和 各次谐波有效值 为 : n II d n 22 n=1,3,5, 180 180 o t i 2 I d I d 20 )(ds i n)(1 ttntub n

44、180 方波电流 谐波分析 ,.5,3,1 2 s in2 n n tnIi n II d n 22 功率因数 基波电流有效值为 : I I d1 2 2 i2的有效值 I=Id，可得基波因数为 : II1 2 2 0 9. 位移因数为 : (电流基波与电压的相位差就等于 控制角 a) a c o sc o s 11 功率因数为： aa c o s9.0c o s22c o s 111 II o ti 2 I d I d 180 180 a 120 方波电流 谐波分析 三相桥式全控整流电路大电感负载时流过整流变压 器的电流即为 120 方波波形。 电流波形分解为傅立叶级数 ,.3,2,1 16

45、 1 ,.3,2,1 16 s i n2)1(s i n2 s i n 1 )1( 32 s i n 32 .13s i n 13 1 11s i n 11 1 7s i n 7 1 5s i n 5 1 s i n 32 k kn n k k kn k dd da tnItI tn n ItI tttttIi o ti a 120 120 Id 120 方波电流 谐波分析 o ti a 120 120 ,.3,2,1 16 1 s i n2)1(s i n2 k kn n k a tnItIi Id 电流基波和各次谐波有效值分别为 : ,. .3,2,1,16, 6 6 1 kknI n I

46、 II dn d 电流中仅含 6k1（ k为正整数）次谐波 120 方波电流 谐波分析 ,.3,2,1 16 1 s i n2)1(s i n2 k kn n k a tnItIi 功率因数 基波因数为 : 955.031 I I 电流基波与电压的相位差仍为 a， 故位移因数 仍为 : a c o sc o s 11 功率因数为 : aa c o s995.0c o s3c o s 111 II o ti a 120 120 3.5.3 降低谐波的方法 采用电力电子补偿装臵 如输入侧加装 APF装臵（有源电力虑波器） 电力电子装臵前端直接增加功率因数校正装臵 3.6 大功率整流电路 在相控整流

47、电路中如果要实现采用相同器件达到 更大的功率，需要采用大功率整流电路。 大功率整流电路中，为减少交流侧输入电流的谐 波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰， 常采用多重化整流电路。 3.6 大功率整流电路 在相控整流电路中如果要实现采用相同器件达到 更大的功率，需要采用大功率整流电路。 带平衡电抗器的双反星形整流电路 多重化整流电路。 3.6.1 带平衡电抗器的双反星形相控整流电路 关键 :理解平衡电抗器 LP的作用 3.6.1 带平衡电抗器的双反星形整流电路 在电解电镀等工业应用中，经常需要低压大电流的可调 直流电源。如果采用三相桥式电路，电流通道中有两个 晶闸管串联，管压降较大，降低了

48、效率。在这种情况下， 可采用带平衡电抗器的双反星形相控整流电路。 6相半波共阴极整流电路 t u2 1 2 3 4 5 6 A 在 A点时刻 , T1开始承 受正偏电压，给 T1触发 脉冲， T1导通 自然换相点 : 相电压的交点 :A、 B等时刻 B 在 B点时刻 ,T2开始承受 正偏电压，给 T2触发 脉冲， T2导通 .T1关断。 触发顺序： T1T2 T6T1 晶闸管电流有效值 : dT II 6 1 一周期中每个晶闸管 导通的时间只有 60 带平衡电抗器的双反星形 相控整流电路 pdd pdd uuu uuu 2 1 2 1 2 1 )(21 21 ddd UUU 电路特点 : 带平

49、衡电抗器的双反星形相控整流电路 采用对称控制 , 有 : 21 dd UU ddd III 2 1 21 一周期中每个晶闸管 导通的时间 120 dT II 32 1 晶闸管电流有效值 : dI6 10。整流器输出功率， 电动机吸收功率，此时电动 机处于电动工作状态，电流 值为： R EUI d d 逆变 :因 Id方向不能变 , 要求 Ud0,必须 E0 全波整流电路的逆变工作状态 E ug1 ug2 u1 u2 Ud t T1导通 T2导通 T1导通 T2导通 设负载电感较大 ,负 载电流连续 . E0 输出整流电压平均值 : )(s in21 2 ttdUU d aa a c os22

50、2UU d a 90a 时输出电压平均值 0 R EUI d d R UE d 0dd IU 直流电能变为交 流电能回馈电网 ac o s9.0 2U ug1 ug2 全波整流电路的逆变工作状态 有源逆变的条件为： 要有 直流电动势源 ， 其极性必须与晶闸管的导通方 向一致 （ E0)。 变流器直流侧电压平均值必须小于零 ， 即： Ud90 情 况 :输出电压为负 ,但电 流方向不变 直流侧电 能回馈电网 3.7.3 三相桥式有源逆变电路 逆变角 : = - ac o s34.2 2UU d 整流电压 : a90 时输出电压为负 c o s34.2 2UU d 逆变电压 : ub uc ua

51、ua 2 1 uac 3 2 4 3 5 4 6 5 1 6 6 5 5 4 1 6 ug u2 t ubc uab ud E 逆变电路波形 (E0) Ud 3.7.3 三相桥式有源逆变电路 输出直流电流的平均值 : 从交流侧送到直流侧负载的有功功率 : ddd EIRIP 2 设 id=Id , 近似直流 c o s34.2 2UU d 逆变电压 : 流过晶闸管电流的有效值 : dT I II 577.0 3 变压器二次侧线电流有效值 : dT IIII 816.03 22 2 R EUI d d 3.7.4 逆变失败与最小逆变角的限制 由于逆变电路通常内阻很小，逆 变运行时，如果出现变流器

52、输出 的平均电压和外接的直流电动势 变成顺向串联 , 或变流器输出的 平均电压与直流电源之差过大， 就会在 ud、 R、 E等之间形成短 路，产生极大的短路电流，从而 将损害变流器。这种情况称为 逆 变失败，或称为逆变颠覆 。 逆变电路应用的关键问 题就是要防止 逆变失败 。 逆变颠覆问题 : 电源缺相导致逆变失败分析 1 2 3 3 t u2 u a ub uc E ud a 逆变电路正常工作波形 设 T1触发脉冲到来之前 a相电源突然掉电 . 设 60 1 2 3 t u2 u a ub uc E ud 3 a 逆变失败工作波形 T1触发脉冲到来后 T3 维持导通 T2触发脉冲到来时因 c

53、 相电压高于 b相电压， T3仍维持导通 Ud=0 Id 逆变失败的原因 主要有： 1、 触发电路工作不可靠 ， 致使晶闸管不能正常换相 ， 使交流电压和直流电动势顺向串联 ， 形成短路 。 2、 晶闸管发生故障 ， 器件失去阻断能力 ， 或应导通时 刻不能导通 ， 造成逆变失败 。 3、 在逆变工作时 ， 交流电源发生缺相或突然消失 ， 由 于直流电动势的存在 ， 晶闸管仍可导通 ， 此时变流 器交流侧由于失去了同直流电动势极性相反的交流 电压 ， 因此直流电动势将经晶闸管电路而短路 。 4、 换相裕量角不足 ， 引起换相失败 ， 应考虑变压器漏 抗引起的换相重叠角对逆变电路换相的影响 。

54、逆变失败的防止 最小逆变角 min的选取要考虑以下因素： 换相重叠角 ， 一般取 15 25 电角度 。 晶闸管关断时间 tq所对应的电角度 ， 一般 tq大的可 达 200 300s ， 折算电角度 为 4 5 。 安全裕量角 。 考虑脉冲调整时不对称 、 电网波动 等因素影响 ， 还必须留有一个安全裕量角 ， 一般选 取 为 10 。 最小逆变角 min为： 3530 m i n d 1、硬件工作可靠 2、设臵最小控制角，确保可靠换相 3.7.5 晶闸管 -直流电动机系统工作原理 3.7.5 晶闸管 -直流电动机系统工作原理 第一象限：电流 Id大于零，电动机电磁转矩与电流成 正比，因此电

55、动机电磁转矩大于零，转矩方向是驱动 电动机正转；电机正转，反电动势 EM与电动机转速成 正比。组桥工作在整流状态， EM， 。 电流从 Ud正极性端流出，故整流桥输出电能；电流从 EM正极性端流入，电动机吸收电能，处于正转电动状 态。 正转整流 3.7.5 晶闸管 -直流电动机系统工作原理 第二象限：电流 Id小于零，组桥工作；转速大于零， 电动机正转， EM极性不变，由电流方向可知， UdEM，电流从 EM正极性端流入，电动 机吸收电能，电机处于反转电动状态；组桥电流从 Ud正极性端流出，输出电能，处于整流状态。 反转整流 3.7.5 晶闸管 -直流电动机系统工作原理 第四象限：电流 Id大

56、于零，组桥工作；转速小于零， 电动机反转， EM极性不变，由电流方向可知， UdEM， 电流从 EM正极性端流出，电动机输出电能，电磁转矩 为正，电机处于反转发电制动状态；组桥电流从 Ud 正极性端流入，吸收电能，处于逆变状态。 反转逆变 3.8 相控整流电路的晶闸管触发电路 主电路对门极触发电路的要求主要有： 触发脉冲应有合适的功率 、 波形要符合要求 。 对 感性负载 ， 脉冲的宽度要宽一些 ， 一般达到 50Hz的 18 。 触发脉冲的相位应能 在规定的范围内移动 。 触发脉冲与晶闸管主电路电源必须 同步 : 两者 频 率相同 ， 而且 具有要求的相位关系 。 3.8.1 同步信号为锯齿

57、波的触发电路 +E1 -E1 同步 移相 锯齿波 生成 脉冲形成 双脉冲 脉冲放大 强触发 1同步环节 触发电路与主电路同步是指锯齿波的频率相位要与主回路电源的频率相位相同。 在 uTB负半周的下降段， D1导通，电容 C1被迅速充电。 uQ uTB,T2截止。 t uTB uQ 在 uTB负半周的上升段， +E1 通过 R1给 C1反向充电， uQ上 升 ,选择 R1使 uQ上升速度比 uTB 波形慢，因此 D1截止 , T2截止。 T2截止 在 uTB正半周前期， uQ依然 小于 1.4V, D1、 T2保持截止。 当 Q点电位达到 1.4V时， T2导通 T 2 导通 T2截止 uQ变化

58、与电源同频率、相位 2锯齿波的形成环节 T1、 Dz、 RP2和 R3为一恒 流源。 C2两端电压 Uc为 : tICdtICU ccC 1 2 1 2 2 11 Q点电压 1.4V时 , T2导通 C2迅速放电 , T3截止 , ue3=0 Q点电压 1.4V时 , T2截止 Uc2线性增长，即 T3 的基极电位线性增长 ue3线性增长 t uTB uQ T2截止 T2 导通 T2截止 ue3 240 3脉冲移相环节 ue3是与主电路频率同步的锯齿 波电压 根据叠加原理， T4基极电压为： 2 ub4 =(ue3 up uco)/3 up uco ue3 t ub4 t up 偏臵电压 ,电

59、路整定用 uco 控制电压 ,调整 T4基 极电位过零时刻 ,从而 控制输出脉冲相位 T4导通后 ,T4基极电压为 0.7V 4脉冲的形成与放大环节 T4基极控制电压 ub4 0.7V ub40.7V, uC3 E1时段 T7、 T8导通，输出触发脉冲 ub4 uA E 1 -E1 ub5 -E1 ug uC3 2E 1 T4导通， A点电位由 +E1迅速降低至 1.0V,T5立即截止 T7、 T8 :功率放大 t1 t2 4脉冲的形成与放大环节 ub4 0.7V, uC3 =E1时段 ub4 uA E 1 -E1 ub5 -E1 ug uC3 2E 1 T4导通， T5截止 ,C3经 +E1

60、、 R11、 T4放电和反向充电 直到 uc3 -E1， T5重新导通 T5导通后 ,T7、 T8截止，输出脉冲终止 输出脉冲宽度 : uc3从 2E1E1所需时间 E1 t1 t2 t3 4脉冲的形成与放大环节 ub4 0.7V, 输出 宽度可控的脉冲 t1 t2 t3 t4 t5 主要环节波形 t uTB uQ ue3 up uco ub4 (ue3 up uco)/3 uA E 1 -E1 ub5 -E1 ug uc3 2E 1 E1 说明： t uTB uQ ue3 up uco ub4 (ue3 up uco)/3 uA E 1 -E1 ub5 -E1 ug uc3 2E 1 E1

61、1、 锯齿波得宽度通常为 240 前 30 后 30 线性度不好， 通常不用 。 2、 调整偏臵电压及控制电压 uco, 使输出 触发脉冲 a0位于 锯齿 的 30 位臵，或同步信号的 210 位臵 。 3、 同时使控制电压 uco=0时 使输出 触发脉冲对应于 a90 （ 大电感负载 ） 或 150 （ 三相整流电阻负载 ）或 180 （ 单相整流电阻负载 ）。 5双窄脉冲的形成环节 当 T5、 T6都导通时， T7、 T8截止， 没有脉冲输出。只要 T5、 T6有一 个截止，都会使 T7、 T8导通，有 脉冲输出。 本相触发单元控制 T5的截止 后一相触发单元的 X输出线连接 到本单元的 Y输入线，控制 T6的 截止 6强触发环节 强触发环节可以宿短晶闸管的开通时 间，提高晶闸管承受 di/dt的能力，有利于 改善串并联器件动态均压和均流。 ub7 ug 15V 无强触发环节 有强触 发环节 ug 15V 30V 3.8.2 触发电路的定相 定相概念：触发电路应保证每个晶闸管触 发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保