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文檔簡介

1、會(huì)計(jì)學(xué)1二極管整流器二極管整流器 整流(Rectification):把交流電變換成直流電。 整流器(Rectifier):實(shí)現(xiàn)整流的變換器。 整流器是出現(xiàn)最早的電力電子變換器。 最常用的變流電路。第1頁/共60頁二極管整二極管整流器方框流器方框圖圖 電源為由電網(wǎng)提供的50Hz交流電。 通過二極管整流器變換為不控的直流電。 二極管整流器價(jià)格低廉,應(yīng)用廣泛:如開關(guān)電源、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。 很多場合下,整流器直接由電網(wǎng)供電而不通過工頻變壓器。對許多電力設(shè)備來講,省去體積大、價(jià)格高的變壓器是很重要的。第2頁/共60頁學(xué)習(xí)目的:q 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)q 整流電路的分析方法q 單相整流器工作

2、原理q 三相整流器工作原理q 電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真第3頁/共60頁 根據(jù)交流電源的相數(shù)和整流輸出對交流電源正負(fù)半波的利用情況,ACDC變換器可分為以下兩大類。半波整流器 1相,1脈沖整流器 2相,2脈沖整流器 3相,3脈沖整流器全波整流器 1相,2脈沖整流器 3相,6脈沖整流器脈沖數(shù)脈沖數(shù)指交流電指交流電1 1個(gè)周期內(nèi)整流輸出電壓個(gè)周期內(nèi)整流輸出電壓中包含的正弦波的中包含的正弦波的波數(shù)波數(shù)。單相變壓器副邊繞組有中心抽頭,可獲單相變壓器副邊繞組有中心抽頭,可獲得得2 2相交流電。相交流電。3.1.1 3.1.1 整流器的分類整流器的分類第4頁/共60頁3.1.2 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單相單相半波

3、半波兩相兩相半波半波三相三相半波半波單相單相橋式橋式三相三相橋式橋式第5頁/共60頁開關(guān)器件工作特點(diǎn)開關(guān)器件工作特點(diǎn)開關(guān)兩端電壓為正時(shí),導(dǎo)通。開關(guān)兩端電壓為正時(shí),導(dǎo)通。開關(guān)兩端電壓反轉(zhuǎn)時(shí),關(guān)斷。開關(guān)兩端電壓反轉(zhuǎn)時(shí),關(guān)斷。常采用二極管(晶閘管)作為開關(guān)常采用二極管(晶閘管)作為開關(guān)器件。器件。二極管二極管理想特理想特性性晶閘管晶閘管理想特理想特性性3.1.3 開關(guān)器件的選擇開關(guān)器件的選擇第6頁/共60頁電阻(電阻(R R)阻感(阻感(R-LR-L) (如:電磁鐵)電感恒壓型負(fù)載電感恒壓型負(fù)載(voltage sink)(L-EL-E) (如:直流電動(dòng)機(jī))恒流型負(fù)載恒流型負(fù)載(current si

4、nk) (L L極大極大) (如:直流電動(dòng)機(jī),電磁鐵)電容電阻(電容電阻(R RE E,E E為電容)為電容)恒壓型負(fù)載(恒壓型負(fù)載(E E,E E為大電容)為大電容)3.1.4 整流器負(fù)載的基本整流器負(fù)載的基本形式形式第7頁/共60頁 純電阻負(fù)載3.1.5 整流器在不同負(fù)載下的整流器在不同負(fù)載下的工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)特點(diǎn)特點(diǎn):負(fù)載上負(fù)載上電壓、電流同電壓、電流同相位。相位。svRi第8頁/共60頁 阻感負(fù)載sdivRi Ldt1, sRtvviL之 前 ,建 立 ,儲(chǔ) 能 增 加13, sRttvviL,減 小 ,儲(chǔ) 能 釋 放230 , 0sttviL,儲(chǔ) 能 使 D1導(dǎo) 通特點(diǎn)特點(diǎn):負(fù)載電流

5、負(fù)載電流滯后于電壓,電滯后于電壓,電感儲(chǔ)能使二極管感儲(chǔ)能使二極管導(dǎo)通時(shí)間延長。導(dǎo)通時(shí)間延長。第9頁/共60頁()diodesLRvvvv 3330000LttLtdivLdtdivdtLdtdtL diAreaA AreaB電感的電感的作用作用儲(chǔ)儲(chǔ)存存電電能能釋釋放放電電能能=第10頁/共60頁 包含恒壓型負(fù)載二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通時(shí)刻時(shí)刻 后,二極管后,二極管仍可導(dǎo)通一仍可導(dǎo)通一段時(shí)間段時(shí)間sdvEsdvE特點(diǎn)特點(diǎn):負(fù)負(fù)載中的電載中的電勢影響了勢影響了二極管的二極管的導(dǎo)通時(shí)刻導(dǎo)通時(shí)刻()diodesLdvvvE 第11頁/共60頁 電路結(jié)構(gòu)濾濾波波電電容容電壓電壓源源電路雖然簡單,但求取電壓、

6、電流波電路雖然簡單,但求取電壓、電流波形的函數(shù)形式是很繁瑣的。因而往往要形的函數(shù)形式是很繁瑣的。因而往往要借助仿真工具來分析電路。借助仿真工具來分析電路。內(nèi)阻內(nèi)阻抗抗市電供電模型第12頁/共60頁 理想化的二極管橋式整流電路首先以首先以電阻電阻和和恒流型負(fù)載恒流型負(fù)載形式為例分析形式為例分析簡化簡化整流電路工作原理,然后討論實(shí)際整流電路工作原理,然后討論實(shí)際的二極管整流電路。的二極管整流電路。第13頁/共60頁 二極管的通斷規(guī)律電流從共陰組電流從共陰組流出,流出,從共陽組流入從共陽組流入共陰極共陰極組組共陽極共陽極組組在在共陰組中中,陽極電位,陽極電位最高的器件最高的器件正偏導(dǎo)通,正偏導(dǎo)通,其

7、其 它器件反它器件反偏截止偏截止在在共陽組中中,陰極電位,陰極電位最低的器件最低的器件正偏導(dǎo)通,正偏導(dǎo)通,其它器件反其它器件反偏截止偏截止課間第14頁/共60頁輸出輸出電壓電壓v vd d和電和電流流i id d1,23,40 , 0 , sdssdsvDvvvDvv 導(dǎo) 通 , 導(dǎo) 通 , ()dsv tv3.2.1 電阻電阻型型負(fù)載下負(fù)載下理想理想電路的電路的工作原理工作原理wtvsO-vs第15頁/共60頁輸入輸入電流(電源電流(電源電流電流)i)is s if 0 if 0dssdsiviiv第16頁/共60頁輸出電壓輸出電壓v vd d和電和電流流i id d()dsv tv特點(diǎn)特點(diǎn)

8、: v vd d表達(dá)式同電表達(dá)式同電阻負(fù)載,只是阻負(fù)載,只是i id d電流電流波形不同波形不同3.2.2 恒流型恒流型負(fù)載下負(fù)載下理想理想電路電路的的 工作原理工作原理第17頁/共60頁輸入電流(電源輸入電流(電源電流電流)i)is s if 0 if 0dssdsiviiv特點(diǎn)特點(diǎn): i is s表達(dá)式同電表達(dá)式同電阻負(fù)載,只是電流波阻負(fù)載,只是電流波形不同形不同第18頁/共60頁012 sin( )01( 2 cos )220.9dssssVVtd tVtVVw wwdV3.2.3 對理想對理想電路的電路的定量定量分析分析整流輸出電壓平均值整流輸出電壓平均值V Vd d第19頁/共60頁

9、交流側(cè)電流交流側(cè)電流 ( (恒流型負(fù)載)恒流型負(fù)載)對交流側(cè)輸入電流對交流側(cè)輸入電流is傅立葉傅立葉分解分解2 211()2(sinsin3sin5)35sdi tItttwwwdIdI 第20頁/共60頁輸入電流輸入電流總有總有效值效值基波有基波有效值效值諧波有效諧波有效值值電流畸變電流畸變率率sdII12 2sdII1 0 h hshsIIh為 偶 數(shù)為 奇 數(shù)2211148.43%ssdisissIIITHDII第21頁/共60頁1110.9coscos0.9sdssdIIPSII基基波波因因數(shù)數(shù)位位移移因因數(shù)數(shù)交流側(cè)功率因數(shù)交流側(cè)功率因數(shù) ( (恒流型負(fù)載)恒流型負(fù)載)第22頁/共60

10、頁 負(fù)載為大電容時(shí)可近似看作直流側(cè)電壓為恒定3.2.4 恒壓型負(fù)載下電路的工作恒壓型負(fù)載下電路的工作原理原理電源電源側(cè)電側(cè)電感感直流側(cè)直流側(cè)電壓為電壓為恒定恒定第23頁/共60頁 電壓電流波形1,2 btDw 導(dǎo) 通 pdtiw 達(dá) 最 大12 fdtiDw =0, 關(guān) 斷tw第24頁/共60頁 整流器特性(1)直流側(cè)電流對交流輸入電流畸變及直流側(cè)電流對交流輸入電流畸變及功率因數(shù)的影響功率因數(shù)的影響輸入輸入電流電流畸變畸變率率功功率率因因數(shù)數(shù)位位移移因因數(shù)數(shù) sshort circuitsVILwId較小時(shí),較小時(shí),THD較高,較高,PF較低。較低。Ls增大時(shí),增大時(shí),THD下降,下降,PF提

11、高。提高。第25頁/共60頁 整流器特性(2)直流側(cè)電流與整流輸出電壓的關(guān)系直流側(cè)電流與整流輸出電壓的關(guān)系Id變化時(shí),整流輸出電壓變化時(shí),整流輸出電壓Vd在一定在一定范圍內(nèi)波動(dòng)范圍內(nèi)波動(dòng), s peaksIcrestfactorI振 幅 系 數(shù)第26頁/共60頁實(shí)際電路中,電容不會(huì)無窮大,則電實(shí)際電路中,電容不會(huì)無窮大,則電容上的電壓會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)。與恒壓型負(fù)載容上的電壓會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)。與恒壓型負(fù)載時(shí)有所區(qū)別時(shí)有所區(qū)別. .分別通過分別通過解析計(jì)算解析計(jì)算和和電路仿真電路仿真手段來手段來研究研究電電源源模模型型濾濾波波電電容容等等效效負(fù)負(fù)載載3.2.5 實(shí)際的二極管整流器的解實(shí)際的二極管整流器的解析計(jì)

12、算析計(jì)算第27頁/共60頁等效電路等效電路(不出現(xiàn)換流重疊(不出現(xiàn)換流重疊現(xiàn)象)現(xiàn)象)( )bfatt t dss dsddivRiLvdtddddloaddvviCdtR電流不連續(xù)時(shí)條件下的電路解析計(jì)算分兩段計(jì)算:分兩段計(jì)算:a)a)二極管導(dǎo)通段二極管導(dǎo)通段b)b)二極管截至段二極管截至段bftt t 12fbtt tT 第28頁/共60頁化為矩陣微分方程形式(狀態(tài)化為矩陣微分方程形式(狀態(tài)方程)方程)x Ax Bu11110sdssdssdddd loadRdiLLidtL vvdvCCRdt XABu上式可求得解析解,也可通過上式可求得解析解,也可通過MATLABMATLAB計(jì)算求解計(jì)算

13、求解1( )2fbbtt tT 0di 1ddd loaddvvdtCR()()( )fd loadt tC Rddfv tv t e 第29頁/共60頁 工業(yè)應(yīng)用中,三相整流電路較為常用 三相整流電路的優(yōu)點(diǎn):輸出波形脈動(dòng)小,功率更大 三相6脈沖橋式整流電路最為常用第30頁/共60頁dPnNnvvv共陰組和共陽組中二極管導(dǎo)通規(guī)律與單相橋式共陰組和共陽組中二極管導(dǎo)通規(guī)律與單相橋式整流器類似整流器類似利用交流電源中點(diǎn)利用交流電源中點(diǎn)n n來分來分析波形析波形3.3.1 理想化的電路(理想化的電路(Ls=0)第31頁/共60頁dPnNnvvv每個(gè)電源周期中每個(gè)電源周期中,vd由由6段線電壓段線電壓組

14、成組成1. 整流輸出整流輸出電壓電壓PnvNnv第32頁/共60頁課間每個(gè)電源周期中,每個(gè)電源周期中,vd的波形為電源線電的波形為電源線電壓正向包絡(luò)線壓正向包絡(luò)線第33頁/共60頁 每個(gè)器件導(dǎo)通每個(gè)器件導(dǎo)通1201201414 0 dadIDiI DD ,通通斷2. 交流電源交流電源電流電流ai第34頁/共60頁器件順序:器件順序:1 16 6器件的器件的標(biāo)號(hào)標(biāo)號(hào)表示其導(dǎo)通表示其導(dǎo)通的順序。的順序。每一時(shí)刻有每一時(shí)刻有2 2個(gè)器件導(dǎo)通個(gè)器件導(dǎo)通3. 器件導(dǎo)通器件導(dǎo)通規(guī)律規(guī)律第35頁/共60頁t=0 選在選在vab最最大值處大值處LLV 電 源 線 電 壓 有 效 值3. 輸出電壓平均輸出電壓平

15、均值值2cos( )66dabLLvvVtw6612cos( ) 1.35/3doLLLLVVtd tVw w第36頁/共60頁 線 電 流 有線 電 流 有效值效值基 波 有基 波 有效值效值功 率 因功 率 因數(shù)數(shù)諧 波 有諧 波 有效值效值15,7,11,13sshIIhh611112(sinsin5sin7sin11sin13)571113adiItttttwwwww4. 功率因功率因數(shù)數(shù)23sdII10.78sdII11cos0.955sssIPPFSI第37頁/共60頁假設(shè)假設(shè)id斷斷續(xù)續(xù)任 何 時(shí)任 何 時(shí)候只有候只有2 2個(gè) 二 極個(gè) 二 極管導(dǎo)通管導(dǎo)通等 效 電等 效 電路如

16、(路如(b b)所示)所示1352,4,6inPNvDDDD, ,為 某 一 線 電 壓為中 一 個(gè)為中 一 個(gè)3.3.2 恒壓型恒壓型負(fù)載負(fù)載第38頁/共60頁 直流側(cè)電流對交流輸入電流畸變及直流側(cè)電流對交流輸入電流畸變及功功率因數(shù)率因數(shù)的影響的影響 1/ 3LLshort circuitsVILw電流小時(shí),電流小時(shí),THDTHD很高很高LsLs增加會(huì)使增加會(huì)使THDTHD減小減小第39頁/共60頁 直流側(cè)電流與整流輸出電壓的關(guān)系直流側(cè)電流與整流輸出電壓的關(guān)系電流變化時(shí),平均電壓電流變化時(shí),平均電壓波動(dòng)較小波動(dòng)較小第40頁/共60頁3.3.3 實(shí)際的三相橋式二極管實(shí)際的三相橋式二極管整流電路

17、整流電路小電感小電感L Ls s可使電流可使電流i id d連續(xù)連續(xù)第41頁/共60頁 輸入電流畸變輸入電流畸變3.4.1 單相與三相整流器的單相與三相整流器的比較比較單相橋式單相橋式整流整流三相橋式三相橋式整流整流單相整流器畸變更大第42頁/共60頁 功率因數(shù)功率因數(shù)單相橋式單相橋式整流整流三相橋式三相橋式整流整流三相整流器功率因數(shù)更高第43頁/共60頁 輸出電壓的輸出電壓的脈動(dòng)脈動(dòng)三相橋式三相橋式整流整流單相橋式單相橋式整流整流三相整流輸出電壓脈動(dòng)小,頻率高,所需濾波電容較小第44頁/共60頁直流電壓直流電壓V Vd d變變化范圍化范圍單相橋式單相橋式整流整流負(fù)載變化時(shí)三相整流器Vd變化范

18、圍小于5,遠(yuǎn)小于單相整流器的變化范圍結(jié)論結(jié)論: :在大功率系統(tǒng)中,建議采用三相橋在大功率系統(tǒng)中,建議采用三相橋式整流器式整流器。三相橋式三相橋式整流整流第45頁/共60頁整流器的交流側(cè)輸入電流是非正弦的,整流器的交流側(cè)輸入電流是非正弦的,且且畸變畸變很嚴(yán)重。很嚴(yán)重。由于線電流中含有大量諧波導(dǎo)致由于線電流中含有大量諧波導(dǎo)致功率因功率因數(shù)較差數(shù)較差。隨著電力電子裝置的隨著電力電子裝置的增加增加,整流器發(fā)揮,整流器發(fā)揮著越來越重要的作用。著越來越重要的作用。眾多整流器產(chǎn)生的大量諧波電流注入電眾多整流器產(chǎn)生的大量諧波電流注入電網(wǎng)后,對電力系統(tǒng)及其他用電設(shè)備帶來網(wǎng)后,對電力系統(tǒng)及其他用電設(shè)備帶來很多很多

19、不利的影響不利的影響。3.4.2 線電流諧波和功率因數(shù)線電流諧波和功率因數(shù)補(bǔ)償問題補(bǔ)償問題第46頁/共60頁 3.1 3.1 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本概念整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本概念 3.2 3.2 單相二極管橋式整流器單相二極管橋式整流器 .1 電阻型負(fù)載下理想電路電阻型負(fù)載下理想電路的工作原理的工作原理 .2 恒流型負(fù)載下理想電路恒流型負(fù)載下理想電路的工作原理的工作原理 .3 對理想電路的定量分析對理想電路的定量分析 3.2.4 3.2.4 恒壓型負(fù)載下電路的工恒壓型負(fù)載下電路的工作原理作原理 3.2.5 3.2.5 實(shí)際的二極管整流器的實(shí)際的二

20、極管整流器的解析計(jì)算解析計(jì)算 3.2.6 3.2.6 實(shí)際的二極管整流器的實(shí)際的二極管整流器的電路仿真電路仿真 3.3.3 3 三相二極管橋式整流器三相二極管橋式整流器 3.3.3 3.1.1 理想化的電路(理想化的電路(Ls=0)Ls=0) 3.3.3 3.2.2 恒壓型恒壓型負(fù)載負(fù)載 3.3.3 3.3 .3 實(shí)際的三相橋式二極管實(shí)際的三相橋式二極管整流電路整流電路第47頁/共60頁 3.4 3.4 二極管整流器的應(yīng)用問題二極管整流器的應(yīng)用問題 3.3.4 4.1 .1 單相與三相整流器的比單相與三相整流器的比較較 3.4.2 3.4.2 線電流諧波和功率因數(shù)線電流諧波和功率因數(shù)補(bǔ)償問題補(bǔ)

21、償問題第48頁/共60頁1) 1) 二極管整流器的種類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二極管整流器的種類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2 2)單相二極管橋式整流電路)單相二極管橋式整流電路單相二極管橋式整流電路的單相二極管橋式整流電路的電路結(jié)電路結(jié)構(gòu)構(gòu)理想化的理想化的二極管橋式整流電路:電二極管橋式整流電路:電阻和恒流負(fù)載下的波形,整流輸出電阻和恒流負(fù)載下的波形,整流輸出電壓平均值的計(jì)算,輸入電流諧波的特壓平均值的計(jì)算,輸入電流諧波的特點(diǎn),功率因數(shù)的計(jì)算。點(diǎn),功率因數(shù)的計(jì)算。反電勢負(fù)載反電勢負(fù)載時(shí)的工作特性:恒壓負(fù)時(shí)的工作特性:恒壓負(fù)載時(shí)的波形,直流側(cè)電流對交流輸入載時(shí)的波形,直流側(cè)電流對交流輸入電流畸變、功率因數(shù)及整流輸出電壓電

22、流畸變、功率因數(shù)及整流輸出電壓的影響。的影響。第49頁/共60頁3 3)三相二極管橋式整流電路)三相二極管橋式整流電路三相二極管橋式整流電路的三相二極管橋式整流電路的電路結(jié)電路結(jié)構(gòu)構(gòu)理想化的理想化的三相二極管橋式整流電路三相二極管橋式整流電路:二極管的通斷規(guī)律,:二極管的通斷規(guī)律,波形分析的方波形分析的方法法,恒流負(fù)載下的波形,整流輸出電,恒流負(fù)載下的波形,整流輸出電壓平均值的計(jì)算,輸入電流諧波的特壓平均值的計(jì)算,輸入電流諧波的特點(diǎn),功率因數(shù)的計(jì)算。點(diǎn),功率因數(shù)的計(jì)算。反電勢負(fù)載反電勢負(fù)載時(shí)的工作特性:恒壓負(fù)時(shí)的工作特性:恒壓負(fù)載時(shí)的波形,直流側(cè)電流對交流輸入載時(shí)的波形,直流側(cè)電流對交流輸入電流畸變、功率因數(shù)及整流輸出電壓電流畸變、功率因數(shù)及整流輸出電壓的影響。的影響。4 4)二極管整流器的應(yīng)用問題)二極管整流器的應(yīng)用問題單相與三相整流器的比較:輸入電單相與三相整流器的比較:輸入電流畸變、功率因數(shù)、輸出電壓脈動(dòng)及流畸變、功率因數(shù)、輸出電壓脈動(dòng)及輸出電壓的穩(wěn)定程度

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