電力電子技術第3章

第3章整流電路(AC/DC變換）-13.1單相可控整流電路3.2三相可控整流電路3.3變壓器漏感對整流電路的影響3.4電容濾波的不可控整流電路3.5整流電路的諧波和功率因數(shù)3.6大功率可控整流電路3.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)3.8相控電路的驅動控制2/5/202313.1單相可控整流電路3.1.1單相半波可控整流電路3.1.2單相橋式全控整流電路3.1.3單相全波全控整流電路3.1.4單相橋式半控整流電路2/5/202323.1.1單相半波可控整流電路1.帶電阻負載的工作情況圖3-1單相半波可控整流電路及波形幾個重要的基本概念

觸發(fā)延遲角

從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用a表示,也稱觸發(fā)角或控制角。

導通角

晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為，用θ表示。VTRu2uVTudid0wt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTaq000+__+aqid2/5/20233這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式（相控方式）直流輸出電壓平均值為3.1.1單相半波可控整流電路圖3-1單相半波可控整流電路及波形VTRu2uVTudid0wt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTaq000+__+aq1.帶電阻負載的工作情況直流輸出電流平均值為id2/5/20234直流輸出電壓有效值為

a移相范圍為1803.1.1單相半波可控整流電路圖3-1單相半波可控整流電路及波形VTRu2uVTudid0wt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTaq000+__+aq1.帶電阻負載的工作情況直流輸出電流有效值為SCR上反壓為id2/5/20235圖3-2帶阻感負載單相半波可控整流電路及波形2.帶阻感負載的工作情況波形圖與電阻負載的不同之處：負載上電壓波形可以為負值。電流波形為斷續(xù)。原因解釋。解決方法。首先負載中電感為小電感。u20wt1p2pwtwtwtwtwtug0ud0id0uVT0qa++VTRu2uVTudidL圖3-1單相半波可控整流電路及波形VTRu2uVTudid0wt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTaq000+_aq將負載中的電感換為大電感。+__+_+0V1V10VUd→0，無法進行調壓。負載兩端反并聯(lián)二極管。id9V2V8V5V5V0V2/5/20236圖3-4單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形VTRu2uVTudidLVDRiVDuVTiVTIdwtwtwtwtOOOOp-ap+aiVDRu2udidIdwt1wtwtOO+__++_當u2過零變負時，VDR導通，ud為零。此時為負的u2通過VDR向VT施加反壓使其關斷，L儲存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續(xù)流。續(xù)流期間ud為零，ud中不再出現(xiàn)負的部分。2/5/20237圖2-4單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形VTRu2uVTudidLVDRiVDuVTiVTIdwtwtwtwtOOOOp-ap+aiVDRu2udidIdwt1wtwtOO+__++_Ud和U的公式同帶電阻負載的公式。若近似認為id為一條水平線，恒為Id，則VT的a移相范圍為180p-ap+a2/5/20238單相半波可控整流電路的特點簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。分析該電路的主要目的在于利用其簡單易學的特點，建立起整流電路的基本概念。2/5/20239

3.1.2單相橋式全控整流電路圖3-5單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形工作原理及波形分析

VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。

VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。

1.帶電阻負載的工作情況Ti2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udwtwtwt00i2udidud(id)ap+auVT1,4+__++_2/5/202310

3.1.2單相橋式全控整流電路圖3-5單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形

1.帶電阻負載的工作情況Ti2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udwtwtwt00i2udidud(id)ap+auVT1,4+__++_數(shù)量關系2/5/202311

3.1.2單相橋式全控整流電路圖3-5單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形

1.帶電阻負載的工作情況Ti2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udwtwtwt00i2udidud(id)ap+auVT1,4+__++_數(shù)量關系變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等S=U2I2a角的移相范圍為1802/5/202312圖3-6單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形假設電路已工作于穩(wěn)態(tài)且負載電感很大，則負載電流id波形近似為一水平線。u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4并不關斷，仍流過電流id。至ωt=π+a

時刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導通。VT2和VT3導通后，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉移到VT2和VT3上，此過程稱換相，亦稱換流。2.帶阻感負載的工作情況LTi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udu2wtwtwtudidi2wtwtwtwtIdIdIdIdIdiVT1,4iVT2,3uVT1,4+__++_2/5/202313圖3-6單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形2.帶阻感負載的工作情況LTi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udu2wtwtwtudidi2wtwtwtwtIdIdIdIdIdiVT1,4iVT2,3uVT1,4+__++_數(shù)量關系晶閘管移相范圍為90

返回

2/5/202314圖3-7單相橋式全控整流電路接反電動勢—電阻負載時的電路及波形3.帶反電動勢負載時的工作情況|u2|>E時，晶閘管承受正電壓，才有導通的可能。ud=u2id降至0,使得晶閘管關斷，此后ud=EidEudwtOwtaqdETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4ud+_|u2|<E時，晶閘管承受反向電壓，不能導通。_++_10V2/5/202315圖3-7單相橋式全控整流電路接反電動勢—電阻負載時的電路及波形3.帶反電動勢負載時的工作情況idEudwtOwtaqdETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udd+_停止導電角（δ）與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度δ停止導電。_++_10V2/5/202316圖3-7單相橋式全控整流電路接反電動勢—電阻負載時的電路及波形3.帶反電動勢負載時的工作情況idEudwtOwtaqdETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udd+__+當a

﹤δ時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負電壓，不能導通。當ωt=δ時，晶閘管承受正電壓，能觸發(fā)導通。范圍為δ≤a≤π-δ當ωt>π-

δ時，晶閘管承受反電壓，不能觸發(fā)導通。提問：a的范圍為是多少？+_10V2/5/202317圖3-7單相橋式全控整流電路接反電動勢—電阻負載時的電路及波形3.帶反電動勢負載時的工作情況idEudwtOwtaqdETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udd+__+缺點：電流斷續(xù).后果：直流電機在換相的過程中會產生電火花.解決方案：直流輸出測串聯(lián)大電感.用來減少電流的脈動和延長晶閘管導通的時間。+_10V2/5/2023183.帶反電動勢負載時的工作情況idEudwtOwtaqd缺點：電流斷續(xù).后果：直流電機在換相的過程中會產生電火花.解決方案：直流輸出測串聯(lián)大電感.用來減少電流的脈動和延長晶閘管導通的時間。ETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udL+__+波形分析：這時整流電壓ud的波形和負載電流id的波形與電感負載電流連續(xù)時的波形相同，各種計算公式亦一樣,除了Id公式。圖3-8單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況+_10V返回2/5/2023193.帶反電動勢負載時的工作情況idEudwtOwtaqdETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udL+_為保證電流連續(xù)所需的電感最小量L可由下式求出圖3-8單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況EudwtaqdOidwt公式推導見：《半導體變流技術》（第二版）；黃俊；機械工業(yè)出版社。+_10V2/5/2023203.1.3單相全波可控整流電路圖3-9單相全波可控整流電路及波形

單相全波可控整流電路又稱單相雙半波可控整流電路與單相全控橋基本一致的。優(yōu)點：

1、變壓器不存在直流磁化的問題。

2、導電回路只含1個晶閘管，降低管損。缺點：

1、變壓器結構較復雜，耗材多。

2、晶閘管承受的最大電壓為，是單相全控橋的2倍。u1Tu2u2i1VT1VT2ududi1awtwt+_+_+__+_+_++_u2+uVT_2/5/2023213.1.4單相橋式半控整流電路假設負載中電感很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài).在u2正半周，觸發(fā)角a處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，u2經VT1和VD4向負載供電.u2過零變負時，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導通。但因a點電位低于b點電位，使得電流從VD4轉移至VD2，VD4關斷。帶阻感負載的情況電流不再流經變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4ududawt+__++_2/5/2023223.1.4單相橋式半控整流電路帶阻感負載的情況LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4ududawt+__++_在u2負半周觸發(fā)角a時刻觸發(fā)VT3，VT3導通，則向VT1加反壓使之關斷，u2經VT3和VD2向負載供電。u2過零變正時，VD4導通，VD2關斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。2/5/202323失控問題若無續(xù)流二極管，則當a突然增大至180或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期ud為零，其平均值保持恒定，稱為失控。為了解決此問題,加續(xù)流二級管.LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4ududawt+__+2/5/202324twuVT1,4加了續(xù)流二級管VDR后,u2電壓降為零時,負載電流經過續(xù)流二級管續(xù)流,輸出電壓降約為1V,迫使VTi和VDi串聯(lián)電路中的電流降為VTi的維持電流以下,從而使晶閘管關斷。LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+__+帶阻感負載的情況(接續(xù)流二級管)2/5/202325帶阻感負載的情況(接續(xù)流二級管)LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+_數(shù)量關系twuVT1,42/5/202326LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+_帶阻感負載的情況(接續(xù)流二級管)數(shù)量關系twuVT1,42/5/202327LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+_帶阻感負載的情況(接續(xù)流二級管)數(shù)量關系晶閘管移相范圍為180

twuVT1,42/5/202328圖3-11單相橋式半控整流電路的另一接法單相橋式半控整流電路的另一種接法可省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD3和VD4來實現(xiàn)。負載Tu2VD3VD4VT1VT22/5/2023293.2三相可控整流電路3.2.1三相半波可控整流電路3.2.2三相橋式全控整流電路2/5/2023303.2.1三相半波可控整流電路電路的特點：三個晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起為共陰極接法。1.電阻負載思考1：假設將電路中的晶閘管換作二極管，用VD表示，則構成三相半波不可控整流電路。此時負載上的波形是什么樣的？RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+2/5/202331一周期中在wt1~wt2期間，

VD1導通，ud=ua

在wt2~wt3期間，

VD2導通，ud=ub

在wt3~wt4期間，

VD3導通，ud=ucudwtOuaubucRudidVD2VD1VD3uaubuc-+-+-+wt1wt2wt3wt42/5/202332udwtOuaubucRudidVD2VD1VD3uaubuc-+-+-+自然換相點：二極管換相時刻為自然換相點。此點是各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發(fā)角a的起點，即a=0。

wt1wt2wt3wt42/5/202333udwtOuaubucwt1wt2wt3wt4思考2：

為什么自然換相點，是各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻，即a=0的點？RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+假設A相在wt=15時觸發(fā)導通成功.5V2V-7V到B相的1200+150時，VT2受反壓無法觸發(fā)。A相持續(xù)導通。3V3V-6V當A相和B相的電壓相等時，VT2剛好受正壓，可進行觸發(fā)。2/5/202334udwtOuaubucwt1wt2wt3wt4RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+3V3V-6V思考3：

將二極管換成晶閘管后，a=0度時，負載上的電壓、電流波形，晶閘管上電壓、電流波形是什么樣的？2/5/202335udidwtOwtOwtOwtOuaubucuabuacucaiVT1uVT12/5/202336udidwtOwtOwtOwtOuaubucuabuaciVT1uVT1RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+負載電流平均值為負載電流有效值為SCR電流平均值為SCR電流有效值為2/5/202337思考4：a=多少度時，負載上的電壓、電流波形斷續(xù)？a=多少度時，負載上的電壓為零？u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°15RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+2/5/202338思考4：a=多少度時，負載上的電壓、電流波形斷續(xù)？a=多少度時，負載上的電壓為零？u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°30a=30度時，斷續(xù)。RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+2/5/202339思考4：a=多少度時，負載上的電壓、電流波形斷續(xù)？a=多少度時，負載上的電壓為零？a=150度時，負載上電壓為零。u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°60移相范圍:00-1500RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+2/5/202340udidwtOwtOwtOwtOuaubucuabuaciVT1uVT1RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+

a≤30時，負載電流連續(xù)，有：u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°152/5/202341RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°30

a>30時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時有：2/5/202342udidwtOwtOwtOwtOuaubucuabuaciVT1uVT1RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值晶閘管承受的最大正向電壓,為變壓器二次相電壓峰值2/5/202343思考5：為什么晶閘管所受的正向最大電壓為？uVT1wtOuabuacu2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°302/5/202344思考5：為什么晶閘管所受的正向最大電壓為？uVT1wtOuabuacu2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°602/5/202345特點：id近似為一條水平線。大電感因為要續(xù)流,所以a>30時ud波形中可以出現(xiàn)負的部分。同理,由于大電感的續(xù)流,負載上的Ud只有一個式子.阻感負載時的移相范圍為90。晶閘管承受的最大正向電壓,為變壓器二次線電壓峰值2.阻感負載2/5/202346u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°60uVT1wtOuabuac解釋：RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+2/5/2023473.2.2三相橋式全控整流電路三相橋是應用最為廣泛的整流電路共陰極組陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）共陰極組和共陽極組采用串聯(lián)結構導通順序：VT1－〉VT2－〉VT3－〉VT4－〉VT5－〉VT6（差60°觸發(fā)一個晶閘管）采用雙窄脈沖觸發(fā)晶閘管VT61VT12VT23VT45VT34VT56bac負載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2ua-+-+ub-+uc2/5/2023481.帶電阻負載時的工作情況bac負載iaidudVD1VD3VD5VD4VD6VD2ua-+-+ub-+uc首先換成二極管。在每一瞬間共陰極組中陽極電位最高的二極管導通；共陽極組中陰極電位最低的二極管導通。uaucubu2Owt135135

2462466將360度等分成了6等分。即以兩兩自然換相點之間為一份，共6份。611223344556611223344556

abacbcbacacbabacbcbacacb

每等分內均有一個共陰極組和一個共陽極組的VD管處于導通狀態(tài)，從而得到負載上六脈線電壓。udOwt2/5/2023491.帶電阻負載時的工作情況換成晶閘管。并在自然換相點處觸發(fā)對于的SCR。uaucubu2Owt135135

2462466611223344556611223344556

abacbcbacacbabacbcbacacb

bac負載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2ua-+-+ub-+ucudOwt分析波形同二極管的分析波形，此即為a=00時的波形。思考：為什么采用雙窄脈沖觸發(fā)？換相的先斷后通原則。對損耗功率要求不高時可采用寬脈沖。2/5/202350udOwtuabucaubcu61u12u23u45u34u56uabuacubcucaubaucbubaucbuacuVT1OwtuabucaubcubaucbuaciVT1wtiaOwt1）a=0時的波形bac負載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2ua-+-+ub-+uc2/5/202351udOwtuabucaubcubaucbuacuVT1OwtuabucaubcubaucbuaciVT1wtiaOwt1）a=0時的波形負載電流平均值和有效值為SCR電流平均值和有效值為I2電流有效值為晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值2/5/2023522）a=30時的波形wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacub