电力电子技术整流电路

电力电子技术整流电路

1 第 2 章 整流电路 (AC/DC 变换） 2.1 单相可控整流电路 2.2 三相可控整流电路 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 2.4 电容滤波的不可控整流电路 2.5 整流电路的谐波和功率因数 2.6 大功率可控整流电路 2.7 整流电路的有源逆变工作状态 2.8 晶闸管滞留电动机系统 2.9 相控电路的驱动控制 本章小结 2 第 2 章 整流电路 · 引言 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 零式电路 。 按交流输入相数分为 单相电路 和 多相电路 。 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为 单拍电路 和 双拍电路 。 整流电路 ： 出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。 3 2.1 单相可控整流电路 2.1.1 单相半波可控整流电路 2.1.2 单相桥式全控整流电路 2.1.3 单相全波全控整流电路 2.1.4 单相桥式半控整流电路 4 2.1.1 单相半波可控整流电路 1. 带电阻负载的工作情况 图 2-1 单相半波可控整流电路及波形 变压器 T 起变换电压 隔离 交流输入为单相，直流输出电压波形只在交流输入的正半周内出现，故称为单相半波可控整流电路。 特点： 电压与电流成正比，两者波形相同 5 两个重要的基本概念 触发延迟角 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 , 用 a 表示 , 也称触发角或控制角。 导通角 晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称 为，用 θ 表示 。 直流输出电压平均值为 a 移相范围为 180  这种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 （ 相控方式） （ 2-1 ） 6 图 2-2 带阻感负载单相半波可控整流电路及波形 2. 带阻感负载的工作情况 阻感负载 当负载中感抗与电阻相比不可忽略时 阻感负载的特点 电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。 电力电子电路中存在非线性的电力电子器件，决定了电力电子电路时非线性电路。 若将器件看作理想开关，则可将电力电子电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算。 7 对单相半波电路的分析可基于上述方法进行 ： 当 VT 处于 断态 时，相当于电路在 VT 处断开， i d =0 。 当 VT 处于 通态 时，相当于 VT 短路。 图 2-3 单相半波可控整流 电路的分段线性等效电路 a)VT 处于关断状态 b)VT 处于导通状态 电力电子电路的一种基本分析方法 通过器件的理想化，将电路简化为 分段线性电路 。 器件的每种状态对应于一种 线性电路 拓扑。 8 VT R L u 2 VT R L u 2 图 2-3 单相半波可控整流电路的分段线性等效电路 a) VT 处于关断状态 b) VT 处于导通状态 初始条件： ωt = a ， i d =0 。求解式 （ 2-2 ）并将初始条件代入可得 其中 ， （ 2-2 ） 当 VT 处于通态时，如下方程成立： 当 ωt = θ + a 时， i d = 0 ，代入式（ 2-3 ） 并整理得 （ 2-3 ） （ 2-4 ） 9 负载阻抗角 j 、触发角 a 、晶闸管导通角 θ 的关系 若 j 为定值 ， a 越大，在 u 2 正半周 L 储能越少，维持导电的能力就越弱， θ 越小 若 a 为定值， j 越大，则 L 贮能越多， θ 越大；且 j 越大，在 u 2 负半周 L 维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在 u 2 正半周导通的时间， u d 中负的部分越接近正的部分，平均值 U d 越接近零，输出的直流电流平均值也越小。 10 为避免 U d 太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管 当 u 2 过零变负时， VD R 导通， u d 为零。此时为负的 u 2 通过 VD R 向 VT 施加反压使其关断， L 储存的能量保证了电流 i d 在 L-R-VD R 回路中流通，此过程通常称为 续流 。续流期间 u d 为零， u d 中不再出现负的部分。 图 2-4 单相半波带阻感负载 有续流二极管的电路及波形 11 若近似认为 i d 为一条水平线，恒为 I d ，则有 （ 2-5 ） （ 2-6 ） （ 2-7 ） （ 2-8 ） VT 的 a 移相范围为 180  12 单相半波可控整流电路的 特点 简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。 分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。 13 2.1.2 单相桥式全控整流电路 图 2-5 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形 工作原理及波形分析 VT 1 和 VT 4 组成一对桥臂，在 u 2 正半周承受电压 u 2 ，得到触发脉冲即导通，当 u 2 过零时关断。 VT 2 和 VT 3 组成另一对桥臂，在 u 2 正半周承受电压 - u 2 ，得到触发脉冲即导通，当 u 2 过零时关断。 1 . 带电阻负载的工作情况 14 （ 2-10 ） （ 2-11 ） 数量关系 a 角的移相范围为 180  向负载输出的平均电流值为： 流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即 （ 2-9 ） 15 （ 2-12 ） （ 2-13 ） （ 2-14 ） 过晶闸管的电流有效值： 变压器二次测电流有效值 I 2 与输出直流电流 I 有效值相等： 不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S = U 2 I 2 由式（ 2-12 ）和式（ 2-13 ） 16 图 2-6 单相全控桥带 阻感负载时的电路及波形 假设电路已工作于稳态， i d 的平均值不变。 假设负载电感很大，负载电流 i d 连续且波形近似为一水平线。 u 2 过零变负时，由于电感的作用晶闸管 VT 1 和 VT 4 中仍流过电流 i d ，并不关断。 至 ωt = π + a 时刻，给 VT 2 和 VT 3 加触发脉冲，因 VT2 和 VT3 本已承受正电压，故两管导通。 VT 2 和 VT 3 导通后， u 2 通过 VT 2 和 VT 3 分别向 VT1 和 VT 4 施加反压使 VT 1 和 VT 4 关断，流过 VT 1 和 VT 4 的电流迅速转移到 VT 2 和 VT 3 上，此过程称 换相 ，亦称 换流 。 2 . 带阻感负载的工作情况 17   数量关系 晶闸管移相范围为 90  晶闸管承受的最大正反向电压均为 晶闸管导通角 θ 与 a 无关，均为 180  ，平均值和有效值分别为： 变压器二次侧电流 i 2 的波形为正负各 180  的矩形波，其相位由 a 角决定，有效值 I 2 = I d 。 （ 2-15 ） 和 18 图 2-7 单相桥式全控整流电路接反电动势 — 电阻负载时的电路及波形 3. 带反电动势负载时的工作情况 | u 2 | > E 时，晶闸管承受正电压，才有导通的可能。导通之后 u d = u 2 ， 直至 | u 2 | = E ， i d 即降至 0 使得晶闸管关断，此后 u d = E 与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度 δ 停止导电， δ 称为 停止导电角 （ 2-16 ） 在 a 角相同时， 整流输出电压比电阻负载时大。 19 电流续断 id 波形在一周期内有 部分时间为 0 的情况 电流连续 id 波形在一周期内不 出现为 0 的情况 当 a ﹤ δ 时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不能导通。 为使晶闸管可靠导通，触发脉冲需足够的宽度， 保证当 ωt = δ 时，晶闸管承受正电压，触发脉冲仍然存在，相当于触发角被推迟为 δ ， 即 a = δ 20 图 2-8 单相桥式全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 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，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。 这时整流电压 u d 的波形和负载电流 i d 的波形与电感负载电流连续时的波形相同， u d 的计算公式亦一样。 为保证电流连续所需的电感量 L 可由下式求出 （ 2-17 ） 21 2.1.3 单相全波可控整流电路 图 2-9 单相全波可控整流电路及波形 单相 全波可控整流电路又称 单相双半波可控整流电路 单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。 变压器不存在直流磁化的问题。 22 单相全波与单相全控桥的 区别 单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多。 单相全波只用 2 个晶闸管，比单相全控桥少 2 个，相应地，门极驱动电路也少 2 个；但是晶闸管承受的最大电压为　　 ，是单相全控桥的 2 倍。 单相全波导电回路只含 1 个晶闸管，比单相桥少 1 个，因而管压降也少 1 个。 从上述（ 2 ）、（ 3 ）考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。 23 2.1.4 单相桥式半控整流电路 图 2-10 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 带阻感负载的情况 在 u 2 负半周触发角 a 时刻触发 VT 3 ， VT 3 导通，则向 VT 1 加反压使之关断， u 2 经 VT 3 和 VD 2 向负载供电。 u 2 过零变正时， VD 4 导通， VD 2 关断。 VT 3 和 VD 4 续流， u d 又为零。 假设负载中电感很大，且电路已工作 于稳态 在 u 2 正半周，触发角 a 处给晶闸管 VT 1 加触发脉冲， u 2 经 VT 1 和 VD 4 向负载供电。 u 2 过零变负时，因电感作用使电流连续， VT 1 继续导通。 但因 a 点电位低于 b 点电位，使得电流从 VD 4 转移至 VD 2 ， VD 4 关断， 电流不再流经变压器二次绕组，而是由 VT 1 和 VD 2 续流。 24 续流二极管的作用 若无续流二极管，则当 a 突然增大至 180  或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使 u d 成为正弦半波，即半周期 u d 为正弦，另外半周期 u d 为零，其平均值保持恒定，称为 失控 。 有续流二极管 VD R 时，续流过程由 VD R 完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。 25 单相桥式半控整流电路的另一种接法 相当于把图 2-5a 中的 VT 3 和 VT 4 换为二极管 VD 3 和 VD 4 ，这样可以省去续流二极管 VD R ，续流由 VD 3 和 VD 4 来实现。 图 2-5 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形 图 2-11 单相桥式半控整流电路的另一接法 26 第 2 章 整流电路 (AC/DC 变换） 2.1 单相可控整流电路 2.2 三相可控整流电路 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 2.4 电容滤波的不可控整流电路 2.5 整流电路的谐波和功率因数 2.6 大功率可控整流电路 2.7 整流电路的有源逆变工作状态 2.8 晶闸管滞留电动机系统 2.9 相控电路的驱动控制 本章小结 27 Power Electronics 2.2 三相可控整流电路 2.2.1 三相半波可控整流电路 2.2.2 三相桥式全控整流电路 28 交流测由三相电源供电 负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时用。 基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路、双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在此基础上进行分析 。 2.2 三相可控整流电路引言 29 2. 2.1 三相半波可控整流电路 图 2-12 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及 a =0  时的波形 电路的特点： 变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免 3 次谐波流入电网。 三个晶闸管分别接入 a 、 b 、 c 三相电源，其阴极连接在一起为 共阴极接法 。 1. 电阻负载 自然换相点： 假设将电路中的晶闸管换作二极管，用 VD 表示，成为三相半波不可控整流电路。 一周期中 在 w t 1 ~ w t 2 期间， VD 1 导通， u d = u a 在 w t 2 ~ w t 3 期间， VD 2 导通， u d = u b 在 w t 3 ~ w t 4 期间， VD 3 导通 ， u d = u c 30 二极管换相时刻为 自然换相点 ，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角 a 的起点，即 a =0  。 图 2-12 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及 a =0  时的波形 a =0  时的工作原理分析： 变压器二次侧 a 相绕组和晶闸管 VT 1 的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。 晶闸管的电压波形，由 3 段组成： 第 1 段， VT 1 导通期间，为一管压降， 可近似为 u T1 =0 第 2 段，在 VT 1 关断后， VT 2 导通期间， u T1 = u a - u b = u ab ，为一段线电压。 第 3 段，在 VT 3 导通期间， u T1 = u a - u c = u ac 为另一段线电压。 31 图 2-13 三相半波可控整流电路，电阻负载， a =30  时的波形 a = 30  时的波形 负载电流处于连续和断续之间的临界状态，各相仍导电 120  32 a > 30  的情况 负载电流断续，晶闸管导通角小于 120  。 图 2-14 三相半波可控整流电路，电阻负载， a =60  时的波形 33 整流电压平均值的计算： （ 1 ） a ≤30  时，负载电流连续，有： （ 2-18 ） 当 a =0 时， U d 最大，为 U d = U d0 = 1.17 U 2 （ 2 ） a >30  时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有： （ 2-19 ） 34 负载电流平均值为 晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即 晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即 （ 2-20 ） （ 2-21 ） （ 2-22 ） 图 2-15 三相半波可控整流 0 30 60 90 120 150 0.4 0.8 1.2 1.17 3 2 1 a / ( ° ) U d /U 2 35 图 2-16 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及 a =60  时的波形 特点： 阻感负载， L 值很大， i d 波形基本平直。 a ≤30  时 整流电压波形与电阻负载时相同 a >30  时 u 2 过零时， VT 1 不关断，直到 VT 2 的脉冲到来，才换流，由 VT 2 导通向负载供电，同时向 VT 1 施加反压使其关断 —— u d 波形中出现负的部分。 i d 波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将 i d 近似为一条水平线。 阻感负载时的移相范围为 90  2. 阻感负载 36 数量关系 由于负载电流连续， U d 可由式（ 2 － 18 ）求出，即 变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为 晶闸管的额定电流为 晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值 三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。 （ 2-23 ） （ 2-24 ） （ 2-25 ） 37 2.2.2 三相桥式全控整流电路 三相桥是应用最为广泛的整流电路 图 2-17 三相桥式全控整流电路原理图 共阴极组 阴极连接在一起的 3 个晶闸管（ VT 1 ， VT 3 ， VT 5 ） 共阳极组 阳极连接在一起的 3 个晶闸管（ VT 4 ， VT 6 ， VT 2 ） 导通顺序 ： VT 1 － 〉VT 2 － 〉VT 3 － 〉 VT 4 － 〉VT 5 － 〉VT 6 自然换向时，每时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。 38 1. 带电阻负载时的工作情况 假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发角 a =0 时， 共 阴 极组的 3 个晶闸管，阳极所接交流电压值最 高 的一个导通。 共 阳 极组的 3 个晶闸管，阴极所接交流电压值最 低 的一个导通。 任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态， 施加于负载上的电压为某一线电压。 39 a =0 时，各晶闸管均在自然换相点换相分析 U d 波形， 可从相电压波形分析，也可从线电压波形分析 图 2-18 三相桥式全控整流电路带电阻负载 a = 0 时的波形 从相电压波形 共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 u d1 为相电压在正半周的包络线 共阳极组晶闸管导通时，整流输出电压 u d2 为相电压在负半周的包络线 总的整流输出电压 u d =u d1 -u d2 是两条包络线的差值 将其对应在线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线 40 时 段 I II III IV V VI 共阴极组中导通的晶闸管 VT 1 VT 1 VT 3 VT 3 VT 5 VT 5 共阳极组中导通的晶闸管 VT 6 VT 2 VT 2 VT 4 VT 4 VT 6 整流输出电压 u d u a - u b = u ab u a - u c = u ac u b - u c = u bc u b - u a = u ba u c - u a = u ca u c - u b = u cb 晶闸管及输出整流电压的情况如表 2 － 1 所示 6 个晶闸管导通顺序 VT 1 － VT 2 － VT 3 － VT 4 － VT 5 － VT 6 表 2-1 三相桥式全控整流电路电阻负载 a = 0 时晶闸管工作情况 41 三相桥式全控整流电路的特点 （ 1 ） 2 个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极 组 各 1 个，且不能为同 1 相器件 （ 2 ）对触发脉冲的要求： 按 VT 1 -VT 2 -VT 3 -VT 4 -VT 5 -VT 6 的顺序，相位依次差 60  。 共阴极 组 VT 1 、 VT 3 、 VT 5 的脉冲依次差 120  。 共阳极组 VT 4 、 VT 6 、 VT 2 也依次差 120  。 同一相的上下两个桥臂， 即 VT 1 与 VT 4 ， VT 3 与 VT 6 ， VT 5 与 VT 2 ， 脉冲相差 180  。 42 （ 3 ） u d 一周期脉动 6 次，每次脉动的波形都一样， 故该电路为 6 脉波整流电路。 （ 4 ）需保证同时导通的 2 个晶闸管均有脉冲 宽脉冲触发 双脉冲触发（常用） 可采用两种方法 （ 5 ）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同， 晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。 晶闸管一周期中有 120 0 处于通态， 240 0 处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的 U d 波形相同。 43 当 a ≤60  时， u d 波形均连续，对于电阻负载， i d 波形与 u d 波形形状一样，也连续 波形图： a =0 （ 图 2 － 18 ） a =30  （ 图 2 － 19 ） a =60  （ 图 2 － 20 ） 44 每一段导通晶闸管的编号仍符合表 2-1 的规律 区别在于： 晶闸管起始导通时刻推迟了 30 0 , 组成 u d 的每一段线电压因此推迟 30 0 ， u d 平均值降低。 图 2-19 三相桥式全控整流电路带电阻负载 a = 30 0 时的波形 a =30  （ 图 2 － 19 ） 45 U d 波形中每段线电压的波形继续向后移，平均值降低。 a = 60 0 时 U d 出现了零点 图 2-20 三相桥式全控整流电路带电阻负载 a = 60 0 时的波形 a =60  （ 图 2 － 20 ） 46 a >60  时， u d 波形每 60 0 中有一段为零 一旦 u d 降为零， i d 也降为零，流过晶闸管的电流即降为零，晶闸管关断，输出整流电压 u d 为零，波形 u d 不能出现负值。 带电阻负载时三相桥式全控整流电路 a 角的移相范围是 120  图 2-21 三相桥式全控整流电路带电阻负载 a = 90 0 时的波形 47 a ≤60  时 （ a =0  图 2 － 22 ； a =30  图 2 － 23 ） u d 波形连续，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 u d 波形 晶闸管承受的电压波形 2 阻感负载时的工作情况 主要 包括 a >60  时（ a =90  图 2 － 24 ） 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时， u d 波形不会出现负的部分。 阻感负载时， u d 波形会出现负的部分。 带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的 a 角移相范围为 90  。 区别在于：得到的负载电流 i d 波形不同。 当电感足够大的时候 ， i d 的波形可近似为一条水平线 。 48 图 2-22 三相桥式全控整流电路带阻感负载 a = 0 时的波形 晶闸管 VT 1 导通段， i VT! 波形由负载电流 波 i d 形 决定，与 u d 波形不同 2 ．阻感负载时的工作情况 49 给出了变压器二次侧 a 相电流 i d 波形 图 2-23 三相桥式全控整流电路带阻感负载 a = 30 0 时的波形 50 当 a ≤60  时，见 图 2 － 22 a =0  ； 图 2 － 23 a =30  u d 波形均连续，电路的工作情况与带电阻负载十分相似 各晶闸管的通断情况 输出整流电压 u d 波形 晶闸管承受的电压波形 区别 : 负载不同时，同样的整流输出电压加在负载上，得到的负载电流 i d 波形不同，电阻负载时 i d 波形与的 u d 波形形状一样。 组感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流 i d 的波形可近似为一条水平线。 一样 51 若电感知足够大，中正负面积相等，平均值近似为零 图 2-24 三相桥式全控整流电路带阻感负载 a = 90 0 时的波形 52 a >60  时， 见 a =90  图 2 － 24 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时， u d 波形不会出现负的部分 阻感负载时， u d 波形会出现负的部分。 带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的 a 角移相范围为 90  53 当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载 a ≤60  时）的平均值为： 带电阻负载且 a >60  时，整流电压平均值为： 输出电流平均值为 ： I d = U d / R （ 2-26 ） （ 2-27 ） 3 ．定量分析 54 当整流变压器为图 2-17 中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图 2-23 中所示，为正负半周各宽 120  、前沿相差 180  的矩形波，其有效值为： （ 2-28 ） 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接反电势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下， 电路工作情况与电感性负载时相似 ，电路中各处电压、电流波形均相同， 仅在计算 I d 时有所不同 ，接反电势阻感负载时的 I d 为： （ 2-29 ）