單相整流電路

1、 單相可控整流電路單相可控整流電路第二章第二章 整流電路整流電路主要內(nèi)容單相可控整流電路(3)1w三相可控整流電路(2)變壓器漏感對(duì)整流電路的影響(1)1w整流電路的諧波和功率因數(shù)整流電路的有源逆變工作狀態(tài)(1)相控電路的驅(qū)動(dòng)控制(1)總結(jié)和習(xí)題(1)1w整流電路概述整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種。整流電路整流電路1）實(shí)現(xiàn)交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。2）是一種把交流電源電壓轉(zhuǎn)換成所需的直流電壓的一種電路。3）是把大小和方向都隨時(shí)間變化的交流電變?yōu)閱畏较蛄鲃?dòng)直流電的變流過(guò)程的電路。4）在電力電子學(xué)中，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程稱為整流，完成整流過(guò)程的電力電子變換電路稱為整流電路。整流電

2、路的分類整流電路的分類1 1）按整流器件分類）按整流器件分類 不可控整流不可控整流：完全由整流二極管構(gòu)成，電路的輸出直流電壓的平均值和輸入交流電壓的有效值之比是固定不變的。 全控整流全控整流：整流器件由可控器件構(gòu)成，其輸出直流電壓的平均值及極性都可以通過(guò)控制器件的導(dǎo)通而得到調(diào)節(jié)。在這種電路中，功率可以由電源向負(fù)載傳送，也可由負(fù)載反饋給電源。 半控整流：半控整流：整流器件由不控器件和可控器件混合組成，在此電路中，負(fù)載電壓極性不能變，但平均值可以調(diào)節(jié)。2 2）按整流輸出波形和輸入波形的關(guān)系）按整流輸出波形和輸入波形的關(guān)系 半波整流電路半波整流電路：整流器件的陽(yáng)極（或陰極）全部連接在一起，并接到負(fù)載

3、的一端，負(fù)載的另一端與電源相連，每條交流電源線中的電流是單一方向的，負(fù)載上得到的只是電源電壓波形的一半。 全波整流電路全波整流電路：可以看成是兩組半波整流電路串聯(lián)，整流器件一組接成共陰極，一組接成共陽(yáng)極，分別接到負(fù)載的兩端，在全波整流電路中，每條交流電源線中的電流是交變的。 3 3）按電路結(jié)構(gòu)分類）按電路結(jié)構(gòu)分類 按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路 4 4）按交流輸入相數(shù)）按交流輸入相數(shù) 分為單相電路，三相電路和多相電路5 5）按變壓器二次側(cè)電流的方向?yàn)閱蜗蚧螂p向）按變壓器二次側(cè)電流的方向?yàn)閱蜗蚧螂p向 分為單拍電路和雙拍電路6 6）按控制方式分類）按控制方式分類 相控整流電路相控整流電路：采用

4、晶閘管為主要的功率開關(guān)器件，通過(guò)控制觸發(fā)脈沖起始相位來(lái)控制輸出電壓的大小。電路容量大，控制簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟。 PWMPWM整流電路：整流電路：采用全控器件，使用現(xiàn)代的控制技術(shù)，在工程領(lǐng)域因其優(yōu)良的性能得到越來(lái)越多的應(yīng)用。研究和分析整流電路的工作原理，是學(xué)習(xí)整流電路的關(guān)鍵。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)和負(fù)載的特性，分析電路中各整流元件導(dǎo)通和關(guān)斷的物理過(guò)程，從而得到一系列的電壓和電流波形，從對(duì)波形的分析中導(dǎo)出整流電路的基本數(shù)量關(guān)系。整流電路的學(xué)習(xí)方法要特別注意電路結(jié)構(gòu)形式和直流負(fù)載的性質(zhì)對(duì)整流電路的影響，不同的負(fù)載，其直流輸出電壓和電流的波形差別很大，因此在學(xué)習(xí)中要切實(shí)掌握波形分析這一基本功。注重理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐的結(jié)

5、合。注重和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，注重參加電路或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或調(diào)試，不斷實(shí)踐和總結(jié)，才能有效地、切實(shí)地掌握知識(shí)，獲得分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法。整流電路研究的主要內(nèi)容整流電路的結(jié)構(gòu)形式及其工作原理整流電路的工作波形 1） 整流電路的輸出電壓和輸出電流 波形 2）整流電路功率元件的電壓和電流波形 3）交流側(cè)電流波形整流電路的數(shù)學(xué)關(guān)系整流電路的數(shù)學(xué)關(guān)系 1）整流電路的輸出直流平均電壓與交流輸入電壓有效值之比與控制角之間的關(guān)系。 2）直流輸出平均電流及有效值電流的分析與計(jì)算。 3）分析整流元件的工作情況，確定各功率元件承受的最大正反向電壓和流過(guò)的最大電流，合理地選擇元件的定額，最大限度地發(fā)揮元件的作用。 4

6、）理解和掌握整流電路中常用技術(shù)參數(shù)和計(jì)算方法，如功率、功率因數(shù)、效率、相位移系數(shù)、波形畸變系數(shù)、紋波系數(shù)等。這些參數(shù)是對(duì)一個(gè)整流電路技術(shù)性能指標(biāo)的具體評(píng)價(jià)。 5）注意直流負(fù)載的性質(zhì)對(duì)整流電路的影響。直流負(fù)載 實(shí)際負(fù)載的情況是復(fù)雜的，屬于單一性質(zhì)負(fù)載的情況很少，往往是幾種負(fù)載的綜合，為了分析的方便，不得不將負(fù)載簡(jiǎn)化為以下四種理想負(fù)載情況來(lái)分析。電阻性負(fù)載電阻性負(fù)載：電燈、電爐、電解、電鍍和電焊等，它的特點(diǎn)是電流和電壓的波形形狀相同。負(fù)載是耗能元件，只能消耗電能，不能存儲(chǔ)或釋放能量。 電感性負(fù)載電感性負(fù)載：各種電機(jī)的勵(lì)磁繞組，經(jīng)大電抗器濾波的負(fù)載都屬于電感性負(fù)載，其特點(diǎn)是，當(dāng)電抗值比串聯(lián)的電阻值大

7、得多時(shí)，負(fù)載電流波形易于連續(xù)且較平直。 電容性負(fù)載電容性負(fù)載：整流電路輸出端接大電容濾波后，其負(fù)載呈電容性的特點(diǎn)，即器件剛導(dǎo)通時(shí)流過(guò)電容很大的充電電流，電流波形呈尖峰狀，易損壞器件，因此一般不宜在輸出端接大電容器。反電勢(shì)負(fù)載反電勢(shì)負(fù)載：整流裝置輸出端給蓄電池充電或供直流電動(dòng)機(jī)作電源時(shí)，屬反電勢(shì)負(fù)載。其特點(diǎn)是：只有當(dāng)電源電壓大于反電勢(shì)時(shí)器件才可能導(dǎo)通，電流波形脈動(dòng)大。 相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)和概念相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)和概念單拍電路：指變壓器副邊在工作過(guò)程中只流過(guò)一個(gè)方向的電流，此時(shí)變壓器有直流磁化現(xiàn)象；雙拍電路：指變壓器副邊在工作過(guò)程中流過(guò)正反雙向電流；“半波”整流：ud為脈動(dòng)直流，波形只在u2正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱

8、之。觸發(fā)延遲角 ：從晶閘管開始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用 表示,也稱觸發(fā)角或控制角。導(dǎo)通角 ：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為，用表示。在半波電路中， 。移相：改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，即改變控制角的大小。移相控制：控制觸發(fā)角的大小，使輸出整流平均電壓值發(fā)生變化。 的移相范圍：指觸發(fā)角 可以變化的角度范圍。改變觸發(fā)角使輸出整流電壓平均值從最大值降到最小值的變化范圍。在不同的電路中， 有不同的角度范圍。如在單相半波電路中， 的移相角度范圍是0。相控方式：一種通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。換相：在多個(gè)晶閘管組成的可控整

9、流電路中,一路晶閘管導(dǎo)通變換為另一路晶閘管導(dǎo)通的過(guò)程。同步：為了使每個(gè)周期中的觸發(fā)角或?qū)ń潜３植蛔?必須使觸發(fā)脈沖與整流電路電源電壓之間保持頻率與相位的協(xié)調(diào)關(guān)系。 直流偏磁是造成變壓器振動(dòng)加劇的主要原因。雖然人們對(duì)直流單極大地回路運(yùn)行方式的負(fù)面影響有所認(rèn)識(shí)，然而在南方電網(wǎng)發(fā)生的變壓器振動(dòng)加劇的事件表明這種“影響”比預(yù)期大。從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，變壓器的振動(dòng)噪聲與諧波隨著中性線直流電流的增加而增大，而中性線直流電流的大小大致與單極大地運(yùn)行方式下的直流線路送電功率、直流線路的極性有關(guān)。這一現(xiàn)象可以用大家熟悉的變壓器鐵心飽和磁化特性來(lái)解釋：流經(jīng)繞組的直流電流成為變壓器勵(lì)磁電流的一部分，該直流電流使變

10、壓器鐵心偏磁，改變了變壓器的工作點(diǎn)，使原來(lái)磁化曲線工作區(qū)的一部分移至鐵心磁飽和區(qū)，結(jié)果總勵(lì)磁電流變成尖頂波，最終導(dǎo)致變壓器振動(dòng)增大。學(xué)習(xí)單相半波整流電路的目的在于利用其簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，建立起可控整流電路的基本概念和正確的學(xué)習(xí)方法。直流輸出電壓平均值Ud，使用萬(wàn)用表直流檔測(cè)量Ud即為該數(shù)值；U2為電源電壓有效值（220V）；時(shí)，Ud=0，可見可以通過(guò)調(diào)整 調(diào)整Ud。1 帶電阻負(fù)載的工作情況電路的結(jié)構(gòu)形式及工作原理TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)002 帶阻感負(fù)載的工作情況當(dāng)負(fù)載中感抗與電阻相比不能忽略時(shí)即為阻感負(fù)載。電感對(duì)電流變化有抗拒作用

11、電感器件兩端會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，是阻止電流變化的，當(dāng)電流增加時(shí)，其極性阻止電流增加，當(dāng)電流減小時(shí)，其極性阻止電流減小，這使得流過(guò)電感的電流不能發(fā)生突變。帶阻感負(fù)載的單相半波可控整流電路及其波形。圖2-2ttttu20t12tug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +考慮一種極端情況： 如果為大電感負(fù)載，則ud中的負(fù)面積接近正面積，輸出的直流平均電壓Ud0，則id也很小，這樣的電路無(wú)實(shí)際用途。所以，實(shí)際的電感電路中，常常在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。所有的半控電路對(duì)電感性負(fù)載來(lái)講，都有一個(gè)失控的問(wèn)題，必須加續(xù)流二極管才能得以解決。帶續(xù)流二極管的電感性負(fù)載輸出電壓波形與電阻性負(fù)載是相同的

12、，只是幅值不同。有續(xù)流二極管時(shí)的情況圖2-4u2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDR在U2的正半周，VDR承受反向電壓，不導(dǎo)通，不影響電路的正常工作; 2 期間，電感L的感應(yīng)電勢(shì)（下正上負(fù)）使VDR導(dǎo)通，此時(shí)，L釋放能量，維持負(fù)載電流通過(guò)VDR構(gòu)成回路，而不通過(guò)變壓器。稱為續(xù)流。在續(xù)流期間，VT承受u2的負(fù)壓而關(guān)斷，此時(shí)Ud=0。 當(dāng)LR時(shí)，id不但連續(xù)而且基本上維持不變，電流波形接近一條直線。帶續(xù)流二極管的單相半波電路基本數(shù)量關(guān)系：輸出直流電壓的平均值 Ud（和純阻性負(fù)載相同）輸出直流電流的平均值Id. （和純阻性負(fù)載相同）若近似認(rèn)為i

13、d為一條水平線，恒為Id，則流過(guò)SCR的電流平均值和有效值分別為（2-10）特點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單、易調(diào)整但輸出電流脈動(dòng)大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路 晶閘管VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，VT2和VT3組成。在實(shí)際的電路中，一般都采用這種標(biāo)注方法，即上面為1、3，下面為2、4。u( i)ttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4圖2-5 單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形基本數(shù)量關(guān)系直流輸出電壓平均值Ud在同樣的控制角情況下，輸出的平均電壓Ud是單相半波的兩倍；SCR可控移相范圍為1800；屬于雙拍電路。直流輸出電流平均值Id 和SCR的平均電

14、流idT 由于SCR輪流導(dǎo)電，所以流過(guò)每個(gè)SCR的平均電流idT只有負(fù)載上平均電流的一半。 為便于討論，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。 假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線： u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過(guò)電流id，并不關(guān)斷；至t=+ 時(shí)刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通，而VT1和VT4立刻承受負(fù)電壓，故兩管關(guān)斷。VT2和VT3導(dǎo)通后，u2通過(guò)VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過(guò)VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過(guò)程稱換相，亦稱換流。 整流電路輸出平

15、均電壓為（2-16） 晶閘管移相范圍為90，因?yàn)楫?dāng) 90 時(shí)，Ud0。整流電路輸出平均電流Id和SCR的電流平均值IdT變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由角決定，有效值I2=Id。 沒(méi)有失控的問(wèn)題。2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況 對(duì)于象蓄電池、直流電動(dòng)機(jī)的電樞（轉(zhuǎn)子）對(duì)于象蓄電池、直流電動(dòng)機(jī)的電樞（轉(zhuǎn)子）這類負(fù)載，本身有反電勢(shì)，對(duì)整流電路來(lái)說(shuō)，稱這類負(fù)載，本身有反電勢(shì)，對(duì)整流電路來(lái)說(shuō)，稱為反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載。為反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載。在|u2|E時(shí)，晶閘管才承受正電壓， 有導(dǎo)通的可有導(dǎo)通的

16、可能；能； 導(dǎo)通之后，ud=u2， 直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud=E，與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)通，稱為停止導(dǎo)電角。 在 角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。 整流輸出電流的平均值如圖2-7b所示id波形在一周期內(nèi)有部分時(shí)間為0的情況，稱為電流斷續(xù)（ ）。與此對(duì)應(yīng)，若id波形不出現(xiàn)為0的點(diǎn)的情況，稱為電流連續(xù)（ ）。此時(shí)，觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。為了使晶閘管可靠導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)t=時(shí)刻有晶閘管開始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲。ub)idOEdtIdOtd電流連電流連續(xù)續(xù)電流斷續(xù)電

17、流斷續(xù)當(dāng)負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將變軟。機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩M的關(guān)系n=f（M）。反映出電動(dòng)機(jī)的帶載能力 ，直流電機(jī)的機(jī)械特性是略微向下傾斜的直線，希望該直線越平越好。機(jī)械特性差的典型表現(xiàn)是：電機(jī)一旦加上較大負(fù)載，則轉(zhuǎn)速有明顯的下降。為了克服此缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，用來(lái)減少電流的脈動(dòng)和延長(zhǎng)晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間；這時(shí)整流電路的負(fù)載成為反電動(dòng)勢(shì)感性負(fù)載，整流電壓Ud的波形和負(fù)載電流id的波形與電感負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的波形相同，Ud的計(jì)算公式亦一樣（請(qǐng)同學(xué)們具體分析一下工作過(guò)程）；為保證電流連續(xù)所需的電感量L可求出. 單相橋式半控整流電路

18、 單相全控橋中，每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，為了對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，其實(shí)只需1個(gè)晶閘管就可以了，另1個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電路。如此即成為單相橋式半控整流電路 （單相半控橋）。當(dāng)負(fù)載為阻性負(fù)載時(shí)，單相半控橋與單相全控橋工作過(guò)程和波形完全一致。單相半控橋中一般使用續(xù)流二極管VDR，它的作用是防止在感性負(fù)載時(shí)，出現(xiàn)失控現(xiàn)象。 Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdttttttt - -iVT1iVD4iVT2iVD3iVDR單相半控橋帶電感性負(fù)載的情況： 假設(shè)負(fù)載中電感很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài)：在U2正半周，觸發(fā)角處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，U2經(jīng)VT1和VD4

19、向負(fù)載供電；U2過(guò)零變負(fù)時(shí)，因電感作用使電流連續(xù)，電流通過(guò)續(xù)流二極管VDR進(jìn)行續(xù)流，Ud為零。此時(shí)，VT1承受負(fù)壓關(guān)斷，VT3承受正壓，由于無(wú)觸發(fā)脈沖而關(guān)斷。變壓器二次繞組無(wú)電流；在U2負(fù)半周觸發(fā)角時(shí)刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，VDR承受負(fù)壓而關(guān)斷，U2經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載供電。U2過(guò)零變正時(shí)，電流再次通過(guò)續(xù)流二極管VDR進(jìn)行續(xù)流，Ud又為零半控橋的失控情況和續(xù)流二極管VDR的作用：若無(wú)續(xù)流二極管U2過(guò)零變負(fù)時(shí)，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通。但因a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，使得電流從VD4轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流；在U2負(fù)半周觸發(fā)角時(shí)刻觸發(fā)VT3，VT