電力電子技術(shù)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(duì)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(qū)動(dòng)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(fù)載的工作情況圖3-1單相半波可控整流電路及波形幾個(gè)重要的基本概念

觸發(fā)延遲角

從晶閘管開(kāi)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a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θ表示。VTRu2uVTudid0wt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTaq000+__+aqid2/5/20233這種通過(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（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(fù)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(fù)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(fù)載單相半波可控整流電路及波形2.帶阻感負(fù)載的工作情況波形圖與電阻負(fù)載的不同之處：負(fù)載上電壓波形可以為負(fù)值。電流波形為斷續(xù)。原因解釋。解決方法。首先負(fù)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(fù)載中的電感換為大電感。+__+_+0V1V10VUd→0，無(wú)法進(jìn)行調(diào)壓。負(fù)載兩端反并聯(lián)二極管。id9V2V8V5V5V0V2/5/20236圖3-4單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形VTRu2uVTudidLVDRiVDuVTiVTIdwtwtwtwtOOOOp-ap+aiVDRu2udidIdwt1wtwtOO+__++_當(dāng)u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零。此時(shí)為負(fù)的u2通過(guò)VDR向VT施加反壓使其關(guān)斷，L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過(guò)程通常稱為續(xù)流。續(xù)流期間ud為零，ud中不再出現(xiàn)負(fù)的部分。2/5/20237圖2-4單相半波帶阻感負(fù)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(fù)載的公式。若近似認(rèn)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(diǎn)簡(jiǎn)單，但輸出脈動(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。分析該電路的主要目的在于利用其簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，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(fù)載時(shí)的電路及波形工作原理及波形分析

VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷。

VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷。

1.帶電阻負(fù)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(fù)載時(shí)的電路及波形

1.帶電阻負(fù)載的工作情況Ti2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udwtwtwt00i2udidud(id)ap+auVT1,4+__++_數(shù)量關(guān)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(fù)載時(shí)的電路及波形

1.帶電阻負(fù)載的工作情況Ti2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udwtwtwt00i2udidud(id)ap+auVT1,4+__++_數(shù)量關(guān)系變壓器二次測(cè)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(fù)載時(shí)的電路及波形假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)且負(fù)載電感很大，則負(fù)載電流id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并不關(guān)斷，仍流過(guò)電流id。至ωt=π+a

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。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。2.帶阻感負(fù)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(fù)載時(shí)的電路及波形2.帶阻感負(fù)載的工作情況LTi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udu2wtwtwtudidi2wtwtwtwtIdIdIdIdIdiVT1,4iVT2,3uVT1,4+__++_數(shù)量關(guān)系晶閘管移相范圍為90

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

﹤δ時(shí)，觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不能導(dǎo)通。當(dāng)ωt=δ時(shí)，晶閘管承受正電壓，能觸發(fā)導(dǎo)通。范圍為δ≤a≤π-δ當(dāng)ωt>π-

δ時(shí)，晶閘管承受反電壓，不能觸發(fā)導(dǎo)通。提問(wèn)：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(dòng)勢(shì)—電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形3.帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況idEudwtOwtaqdETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udd+__+缺點(diǎn)：電流斷續(xù).后果：直流電機(jī)在換相的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電火花.解決方案：直流輸出測(cè)串聯(lián)大電感.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。+_10V2/5/2023183.帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況idEudwtOwtaqd缺點(diǎn)：電流斷續(xù).后果：直流電機(jī)在換相的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電火花.解決方案：直流輸出測(cè)串聯(lián)大電感.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。ETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udL+__+波形分析：這時(shí)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，各種計(jì)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(dòng)勢(shì)負(fù)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(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)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(dòng)勢(shì)負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況EudwtaqdOidwt公式推導(dǎo)見(jiàn)：《半導(dǎo)體變流技術(shù)》（第二版）；黃俊；機(jī)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(diǎn)：

1、變壓器不存在直流磁化的問(wèn)題。

2、導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，降低管損。缺點(diǎn)：

1、變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)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(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a處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)VT1和VD4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)，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。帶阻感負(fù)載的情況電流不再流經(jīng)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(fù)載的情況LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4ududawt+__++_在u2負(fù)半周觸發(fā)角a時(shí)刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，則向VT1加反壓使之關(guān)斷，u2經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載供電。u2過(guò)零變正時(shí)，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。2/5/202323失控問(wèn)題若無(wú)續(xù)流二極管，則當(dāng)a突然增大至180或觸發(fā)脈沖丟失時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)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(wèn)題,加續(xù)流二級(jí)管.LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4ududawt+__+2/5/202324twuVT1,4加了續(xù)流二級(jí)管VDR后,u2電壓降為零時(shí),負(fù)載電流經(jīng)過(guò)續(xù)流二級(jí)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(guān)斷。LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+__+帶阻感負(fù)載的情況(接續(xù)流二級(jí)管)2/5/202325帶阻感負(fù)載的情況(接續(xù)流二級(jí)管)LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+_數(shù)量關(guān)系twuVT1,42/5/202326LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+_帶阻感負(fù)載的情況(接續(xù)流二級(jí)管)數(shù)量關(guān)系twuVT1,42/5/202327LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+_帶阻感負(fù)載的情況(接續(xù)流二級(jí)管)數(shù)量關(guān)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(lái)實(shí)現(xiàn)。負(fù)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(diǎn)：三個(gè)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(fù)載思考1：假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，用VD表示，則構(gòu)成三相半波不可控整流電路。此時(shí)負(fù)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(dǎo)通，ud=ua

在wt2~wt3期間，

VD2導(dǎo)通，ud=ub

在wt3~wt4期間，

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

wt1wt2wt3wt42/5/202333udwtOuaubucwt1wt2wt3wt4思考2：

為什么自然換相點(diǎn)，是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，即a=0的點(diǎn)？RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+假設(shè)A相在wt=15時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通成功.5V2V-7V到B相的1200+150時(shí)，VT2受反壓無(wú)法觸發(fā)。A相持續(xù)導(dǎo)通。3V3V-6V當(dāng)A相和B相的電壓相等時(shí)，VT2剛好受正壓，可進(jìn)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(shí)，負(fù)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(fù)載電流平均值為負(fù)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(shí)，負(fù)載上的電壓、電流波形斷續(xù)？a=多少度時(shí)，負(fù)載上的電壓為零？u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°15RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+2/5/202338思考4：a=多少度時(shí)，負(fù)載上的電壓、電流波形斷續(xù)？a=多少度時(shí)，負(fù)載上的電壓為零？u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°30a=30度時(shí)，斷續(xù)。RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+2/5/202339思考4：a=多少度時(shí)，負(fù)載上的電壓、電流波形斷續(xù)？a=多少度時(shí)，負(fù)載上的電壓為零？a=150度時(shí)，負(fù)載上電壓為零。u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°60移相范圍:00-1500RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+2/5/202340udidwtOwtOwtOwtOuaubucuabuaciVT1uVT1RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+

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

a>30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)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(diǎn)：id近似為一條水平線。大電感因?yàn)橐m(xù)流,所以a>30時(shí)ud波形中可以出現(xiàn)負(fù)的部分。同理,由于大電感的續(xù)流,負(fù)載上的Ud只有一個(gè)式子.阻感負(fù)載時(shí)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(fù)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(yīng)用最為廣泛的整流電路共陰極組陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽(yáng)極組陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）共陰極組和共陽(yáng)極組采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)通順序：VT1－〉VT2－〉VT3－〉VT4－〉VT5－〉VT6（差60°觸發(fā)一個(gè)晶閘管）采用雙窄脈沖觸發(fā)晶閘管VT61VT12VT23VT45VT34VT56bac負(fù)載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2ua-+-+ub-+uc2/5/2023481.帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況bac負(fù)載iaidudVD1VD3VD5VD4VD6VD2ua-+-+ub-+uc首先換成二極管。在每一瞬間共陰極組中陽(yáng)極電位最高的二極管導(dǎo)通；共陽(yáng)極組中陰極電位最低的二極管導(dǎo)通。uaucubu2Owt135135

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

abacbcbacacbabacbcbacacb

每等分內(nèi)均有一個(gè)共陰極組和一個(gè)共陽(yáng)極組的VD管處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而得到負(fù)載上六脈線電壓。udOwt2/5/2023491.帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況換成晶閘管。并在自然換相點(diǎn)處觸發(fā)對(duì)于的SCR。uaucubu2Owt135135

2462466611223344556611223344556

abacbcbacacbabacbcbacacb

bac負(fù)載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2ua-+-+ub-+ucudOwt分析波形同二極管的分析波形，此即為a=00時(shí)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(duì)損耗功率要求不高時(shí)可采用寬脈沖。2/5/202350udOwtuabucaubcu61u12u23u45u34u56uabuacubcucaubaucbubaucbuacuVT1OwtuabucaubcubaucbuaciVT1wtiaOwt1）a=0時(shí)的波形bac負(fù)載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2ua-+-+ub-+uc2/5/202351udOwtuabucaubcubaucbuacuVT1OwtuabucaubcubaucbuaciVT1wtiaOwt1）a=0時(shí)的波形負(fù)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(shí)的波形wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacub