第3章_AC-DC变换技术

*3.1整流电路概述3.3单相相控整流电路3.4三相相控整流电路3.5交流侧电抗对相控整流电路性能的影响3.8相控电路的驱动控制本章小结第3章AC-DC变换技术*3.1整流电路概述■将交流电变为直流电称为整流，实现AC/DC变换，相应的电路称为整流电路（Rectifier）。■整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。■整流电路的分类◆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（如半波）电路。◆按交流输入相数分为单相电路和多相（如三相）电路。*3.3单相相控整流电路3.3.1单相半波相控整流电路3.3.2单相桥式相控整流电路3.3.3单相桥式半控整流电路*3.3.1单相半波相控整流电路■可控整流电路常带的负载有电阻、电感和反电动势三种。◆电阻性负载——如电解、电镀等。◆电感性负载——如各类电机的励磁绕组、输出串接平波电抗器的负载等。◆反电动势——如蓄电池、直流电动机的电枢等。■同一整流电路，负载不同，差距很大。*3.3.1单相半波相控整流电路wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图3-6单相半波相控整流电路及波形一、电阻性负载☞：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。☞：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。☞此电路中：◆电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形形状相同。◆通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。◆基本数量关系☞直流输出电压平均值当=0时，Ud0=0.45U2最大;随着增大，Ud减小；=180时，Ud=0。移相范围为0~180。（3-7）☞直流输出电流平均值：3.3.1单相半波相控整流电路（3-9）*3.3.2单相桥式相控整流电路u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-9单相桥式带电阻负载时的电路及波形◆电路分析☞晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。☞是半波电路输出的两倍。☞的移相范围也是0-180°。一、电阻性负载◆基本数量关系☞整流电压平均值为：α=0时，Ud=Ud0=0.9U2。α=180时，Ud=0。可见，α角的移相范围为180。☞向负载输出的直流电流平均值为：(3-19)(3-20)3.3.2单相桥式相控整流电路（3-24）(3-21)(3-23)3.3.2单相桥式相控整流电路(3-22)二、电感性负载（大电感）◆电路分析☞负载电感很大，id不能突变且波形近似为一条水平线。☞在u2正半周期,触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。☞u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。☞t=+时刻，触发VT2和VT3，使其导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u图3-10单相桥式相控整流电流带阻感负载时的电路及波形3.3.2单相桥式相控整流电路◆基本数量关系☞直流输出电压的平均值Ud：当=0时，Ud0=0.9U2;=90时，Ud=0。晶闸管移相范围为0~90。☞直流输出电流的平均值Id为:（3-25）3.3.2单相桥式相控整流电路（3-26）☞流过晶闸管的电流的平均值和有效值分别为:☞流过变压器二次侧绕组的电流有效值☞晶闸管可能承受的正反向峰值电压为3.3.2单相桥式相控整流电路（3-28,3-29）（3-30）三、反动势负载（3-31）◆电路分析☞|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。☞晶闸管导通之后，ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。☞与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。b)idOEudwtIdOwtaqd图3-13单相桥式相控整流电路接反电动势负载时的电路及波形3.3.2单相桥式相控整流电路☞当<时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。☞触发脉冲有足够的宽度，保证当t=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。☞在角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。☞可见：E→减小→id断续。◆电流断续☞id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。☞负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。☞为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器Ld。3.3.2单相桥式相控整流电路☞Ld够大→id连续。☞电流连续时，Ud的计算与电感负载时一样，Id的计算如下：☞为保证电流连续，所需回路的电感量：◆电流连续（3-35）图3-14单相桥式相控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况3.3.2单相桥式相控整流电路（3-33）3.3.4单相桥式半控整流电路图3-16单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形*3.4三相相控整流电路3.4.1三相半波相控整流电路3.4.2三相桥式相控整流电路3.4.3三相桥式半控整流电路*3.4.1三相半波相控整流电路三相半波不可控整流电路T：三相整流变压器Δ/Y接法uu、uv和uw是互差120o的正弦交流电，相电压有效值为U2，线电压有效值为U2L。VD1、VD3、VD5:共阴极接法，1、3、5点称为自然换相点。一、三相半波不可控整流电路*3.4.1三相半波相控整流电路b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt图3-18三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及=0时的波形二、三相半波相控整流电路■电阻负载◆电路分析☞三个晶闸管按共阴极接法连接,这种接法触发电路有公共端，连线方便。☞自然换相点在相电压的交点t1、t2、t3处，作为的起点，即=0。☞=0√工作波形与不可控整流电路相同。√三个晶闸管轮流导通120，ud波形为三个相电压在正半周期的包络线。√变压器二次绕组电流有直流分量。*3.4.1三相半波相控整流电路a=30°u2uuuvuwOwtOwtOwtOwtOwtuguduuvuuwwt1iT1uT1uuw图3-19三相半波可控整流电路，电阻负载，=30时的波形☞=30√负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120。√晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成，随着增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。*3.4.1三相半波相控整流电路wwttwtwta=60°u2uuuvuwOOOOugudiT1图3-20三相半波可控整流电路，电阻负载，=60时的波形☞>30√当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，此时输出电压电流为零。√负载电流断续，各晶闸管导通角小于120。◆基本数量关系☞电阻负载时角的移相范围为0~150。☞直流输出电压的平均值Ud√≤30时，输出电压连续，有当=0时，Ud最大，为Ud=Ud0=1.17U2。√>30时，输出电压断续，晶闸管导通角减小，此时有（3-36）（3-37）3.4.1三相半波相控整流电路☞负载电流平均值Id☞流过晶闸管的电流的平均值和有效值☞晶闸管两端承受的最大的峰值电压（3-38）3.4.1三相半波相控整流电路（3-39）■电感性负载☞L值很大，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。☞≤30时，整流电压波形与电阻负载时相同。☞＞30时，整流电压波形出现负值，波形连续。udiaabcibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt图3-17三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及=60时的波形3.4.1三相半波相控整流电路◆基本数量关系☞电感负载时角的移相范围为0~90。☞直流输出电压的平均值Ud由于输出电压、电流是连续的，所以输出的直流电压Ud为☞直流输出电流的平均值Id3.4.1三相半波相控整流电路（3-43）（3-44）☞流过晶闸管的电流的平均值和有效值☞晶闸管的额定电流☞晶闸管两端承受的最大的峰值电压（3-45）（3-46）3.4.1三相半波相控整流电路*3.4.1三相半波相控整流电路■反电动势负载图3-22三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及=60时的波形一、电阻性负载■电路特点◆阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。◆晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。◆每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。◆输出电压波形为线电压的某部分，一个2π周期有6个脉波。故该电路又称为6脉波整流电路。图3-24三相桥式全控整流电路原理图3.4.2三相桥式相控整流电路◆对触发脉冲的要求☞6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。☞共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。☞同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。时段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb表3-1三相桥式全控整流电路电阻负载=0时晶闸管工作情况图3-253.4.2三相桥式相控整流电路☞在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲。√宽脉冲触发：使脉冲宽度大于60（一般取80~100）√双窄脉冲触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为20~30。√常用的是双窄脉冲触发。3.4.2三相桥式相控整流电路■电路分析◆各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。是计算的起点。◆当≤60时√ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。√=0时，ud为线电压在正半周的包络线。波形见图3-25。√=30时，晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30，ud平均值降低，波形见图。√=60时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。=60时ud出现了为零的点，波形见图3-26。3.4.2三相桥式相控整流电路3.4.2三相桥式相控整流电路◆当>60时√因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值。√=90时的波形见图3-27。◆电阻负载时角的移相范围为0~120。wwwwu2ud1ud2u2LuduuvuuwuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwⅠⅡⅢⅣⅤⅥuuuwuvwt1OtOtOtOta=0°iT1uT1图3-25三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的波形▲3.4.2三相桥式相控整流电路wwwwud1ud2a=30°iuOtOtOtOtuduuvuuwuuuvuwwt1uuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwⅠⅡⅢⅣⅤⅥuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuT1图三相桥式全控整流电路带电阻负载=30时的波形3.4.2三相桥式相控整流电路wwwa=60°ud1ud2uduuwuuwuuvuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuⅠⅡⅢⅣⅤⅥuvuwOtwt1OtOtuT1图3-26三相桥式全控整流电路带电阻负载=60时的波形3.4.2三相桥式相控整流电路ud1ud2uduuuvuwuuuvwtOwtOwtOwtOwtOiuiduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuvwuvuiT1图3-27三相桥式全控整流电路带电阻负载=90时的波形3.4.2三相桥式相控整流电路二、电感性负载■说明：◆三相桥式全控整流电路一般多用于电感性负载及反电动势负载。◆反电动势负载，常指直流电动机电枢绕组。为了改善电流波形，有利于直流电动机换向及减小火花，一般都要串入电感量足够大的平波电抗器，分析时等同于电感性负载。◆重点讨论电感性负载时的工作波形和参数计算。◆电路特点与阻性负载一致。3.4.2三相桥式相控整流电路图3-28三相桥式相控整流电路带电感性负载原理图■电路分析◆当≤60时√ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。√区别在于电流，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的波形在导通段都可近似为一条水平线。√=0时的波形见图3-25，=30时的波形见图3-29。◆当>60时√由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分，波形仍连续，与阻性负载差别很大。√=90时的波形见图3-30。3.4.2三相桥式相控整流电路ud1a=30°ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥwtOwtOwtOwtOidiawt1uaubuc图3-29三相桥式全控整流电路带阻感负载=30时的波形3.4.2三相桥式相控整流电路图3-30三相桥式全控整流电路带电感负载=90时的波形a=90°ud1ud2uuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuvⅠⅡⅢⅣⅤⅥuduuwuuvuuwwtOwtOwtOuuuvuwwt1uT13.4.2三相桥式相控整流电路■基本数量关系◆电感负载或反电动势负载加足够大的平波电抗器时角的移相范围为0~90。◆直流输出电压的平均值Ud◆直流输出电流的平均值Id（3-55）3.4.2三相桥式相控整流电路◆流过晶闸管的电流的平均值和有效值◆变压器二次侧绕组的电流有效值I2◆晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。◆三相桥式全控整流电路带反电势阻感负载时的Id为：（3-58）（3-29）3.4.2三相桥式相控整流电路（3-56，3-57）三、反电动势负载3.4.2三相桥式相控整流电路(3-59)(3-60)3.4.3三相桥式半控整流电路图3-31三相桥式半控整流电路及波形