第6章整流電路

1、1第6章 整流電路2第6章 整流電路引言整流電路的分類(lèi)整流電路的分類(lèi)：按組成的器件可分為不可控不可控、半控半控、全控全控三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路橋式電路和零式電路零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路單相電路和多相電路多相電路。按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路單拍電路和雙拍電路雙拍電路。整流電路整流電路： 出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姟?6.1 單相可控整流電路46.1.1 單相半波可控整流電路圖6-1 單相半波可控整流電路及波形1 1）帶電阻負(fù)載的工作情況）帶電阻負(fù)載的工作情況變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用。電阻負(fù)載的特點(diǎn)電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成

2、正比，兩者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)5 VT的a 移相范圍為180 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(chēng)為相位控制方式相位控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)相控方式相控方式。 首先，引入兩個(gè)重要的基本概念： 觸發(fā)延遲角觸發(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(chēng)觸發(fā)角或控制角。導(dǎo)通角導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度，用表示

3、。基本數(shù)量關(guān)系基本數(shù)量關(guān)系直流輸出電壓平均值為paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU(6-1)66.1.1 單相半波可控整流電路2) 帶阻感負(fù)載的工作情況帶阻感負(fù)載的工作情況 圖6-2 帶阻感負(fù)載的 單相半波電路及其波形阻感負(fù)載的特點(diǎn)阻感負(fù)載的特點(diǎn)：電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不發(fā)生突變。討論負(fù)載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導(dǎo)通角的關(guān)系。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +7對(duì)單相半波電路的分析可基于上述方法進(jìn)行：v當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí)，相當(dāng)于電路在VT處斷開(kāi)，id=

4、0。v當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，相當(dāng)于VT短路。圖6-3 單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關(guān)斷狀態(tài) b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài) a)b)VTRLVTRLu2u2電力電子電路的一種基本分析方法v通過(guò)器件的理想化，將電路簡(jiǎn)化為分段線性電路。v器件的每種狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一種線性電路拓?fù)洹?當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，如下方程成立：VTb)RLu2b) VT處于導(dǎo)通狀態(tài)tURitiLwsin2dd2dd（6-2）)sin()sin(tanjaqjajqe（6-4）v 初始條件：t= a ，id=0。求解式（6-2）并將初始條件代入可得v 當(dāng)t=+a 時(shí)，id=0，代入式（6-3）并整理得 )sin(2)sin(2

5、2)(2djwjaawwtZUeZUitLR（6-3）22)( LRZwRLwjarctan其中 ，9續(xù)流二極管續(xù)流二極管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)圖6-4 單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形 當(dāng)u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零，VT承受反壓關(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(chēng)為續(xù)流續(xù)流。 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系(id近似恒為Id）ddVT2IIpap（6-5）d2dVT2)(21ItdIIpapwppa（6-6）ddVDRIIpap2（6-7）d22dV

6、D2)(21RItdIIpapwpapp（6-8）106.1.1 單相半波可控整流電路VT的a 移相范圍為180 。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。實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。分析該電路的主要目的建立起整流電路的基本概念。 單相半波可控整流電路的特點(diǎn)單相半波可控整流電路的特點(diǎn)116.1.2 單相橋式全控整流電路1) 帶電阻負(fù)載的工作情況帶電阻負(fù)載的工作情況a)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖6-5 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工作原理及波形分析 VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在u2正半周

7、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。電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)12數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系paaapwwp2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU（6-9）a 角的移相范圍為180。 向負(fù)載輸出的平均電流值為： 流過(guò)晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTaRUII（6-10）2cos19 . 02cos1

8、2222ddaapRURURUI(6-11)13 流過(guò)晶閘管的電流有效值： 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： 由式（6-12）和式（6-13）得：不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量 S=U2I2。papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（6-12）papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（6-13）II21VT（6-14）146.1.2 單相橋式全控整流電路2）帶阻感負(fù)載的工作情況）帶阻感負(fù)載的工作情況 u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdId

9、IdiVT2,3iVT1,4圖6-6 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)，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)，晶閘管VT1和VT4并不關(guān)斷。 至t=+a 時(shí)刻，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。 VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(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(chēng)換相換相，亦稱(chēng)換流換流。15 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系apaaapwwpcos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU（6-15） 晶閘管移相范圍為90。 晶閘管導(dǎo)通角與a無(wú)關(guān)，均為180。電

10、流的平均值和有效值： 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a角決定，有效值I2=Id。ddT21IIddT707. 021III 晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。22U166.1.2 單相橋式全控整流電路3） 帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況圖6-7 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 在|u2|E時(shí)，才有晶閘管承 受正電壓，有導(dǎo)通的可能。在a 角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。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 。REuidd與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電，稱(chēng)為停止導(dǎo)電角，212si

11、nUE（6-16）b)idOEudwtIdOwtaq17當(dāng) 30 的情況（的情況（圖6-14 ） 特點(diǎn)：負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120 。29aapwwpapapcos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU（6-18）當(dāng)a=0時(shí)，Ud最大，為 。2d0d17.1UUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262dapappwwppapUttdUU(6-19)整流電壓平均值的計(jì)算整流電壓平均值的計(jì)算a30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有：a30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有：306.2.1 三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的規(guī)律如

12、圖6-15中的曲線1所示。03060901201501.17321a/( )Ud/U2圖6-15 三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關(guān)系1電阻負(fù)載 2電感負(fù)載 3電阻電感負(fù)載316.2.1 三相半波可控整流電路 負(fù)載電流平均值為 晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值，即晶閘管陽(yáng)極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即RUIdd（6-20）222RM45.2632UUUU（6-21）22UUFM（6-22）326.2.1 三相半波可控整流電路2）阻感負(fù)載）阻感負(fù)載圖6-16 三相半波可控整流電路，阻感負(fù)載時(shí)的電路及a =60時(shí)的波形 特點(diǎn)：阻感負(fù)

13、載，L值很大，id波形基本平直。 a30時(shí)：整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同。 a30時(shí)（如a=60時(shí)的波形如圖6-16所示）。u2過(guò)零時(shí)，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來(lái)，才換流，ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分。id波形有一定的脈動(dòng)，但為簡(jiǎn)化分析及定量計(jì)算，可將id近似為一條水平線。 阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為90。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt33數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系 由于負(fù)載電流連續(xù)， Ud可由式（6-18）求出，即 Ud/U2與a成余弦關(guān)系，如圖6-15中的曲線2所示。如果負(fù)載中的電感量不是很大，Ud/U2與a的關(guān)系將介于曲線1和2之間，曲線3給出了這種情況

14、的一個(gè)例子。03060901201501.17321a/( )Ud/U2圖6-15 三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關(guān)系1電阻負(fù)載 2電感負(fù)載 3電阻電感負(fù)載34變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為 晶閘管的額定電流為 晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值 三相半波的主要缺點(diǎn)在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少。ddVT2577. 031IIII（6-23）dVTVT(AV)368. 057. 1III（6-24）2RMFM45. 2UUU（6-25）356.2.2 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共陰極組陰極連接

15、在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽(yáng)極組共陽(yáng)極組陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）圖6-17 三相橋式全控整流電路原理圖導(dǎo)通順序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6366.2.2 三相橋式全控整流電路1）帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況）帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況當(dāng)a60 時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù) 波形圖： a =0 （圖618 ） a =30 （圖619） a =60 （圖620）當(dāng)a60 時(shí)，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值 波形圖： a =90 （ 圖621）帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路a角的移相范

16、圍是120376.2.2 三相橋式全控整流電路晶閘管及輸出整流電壓的情況如表61所示時(shí) 段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 請(qǐng)參照?qǐng)D618386.2.2 三相橋式全控整流電路（2）對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一

17、相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與與VT4，VT3與與VT6，VT5與與VT2，脈沖相差180。 三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)特點(diǎn)（1）2管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各1，且不能為同1相器件。39（3）ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā) 一種是雙脈沖觸發(fā)（常用） (5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。 三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)特點(diǎn)40a60 時(shí)時(shí)（a =0 圖622；a =30 圖623） ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似

18、。 各晶閘管的通斷情況 輸出整流電壓ud波形 晶閘管承受的電壓波形6.2.2 三相橋式全控整流電路2) 阻感負(fù)載時(shí)的工作情況阻感負(fù)載時(shí)的工作情況主要包括a 60 時(shí)（時(shí)（ a =90圖624） 阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同。 電阻負(fù)載時(shí)，ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。 阻感負(fù)載時(shí)，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90 。 區(qū)別在于：得到的負(fù)載電流id波形不同。 當(dāng)電感足夠大的時(shí)候， id的波形可近似為一條水平線。416.2.2 三相橋式全控整流電路3) 定量分析定量分析當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載a60 時(shí)）的平均值為： 帶電

19、阻負(fù)載且a 60時(shí)，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ：Id=Ud /Rawwpapapcos34.2)(sin63123232dUttdUU（6-26）)3cos(134.2)(sin63232dapwwppapUttdUU（6-27）42當(dāng)整流變壓器為圖6-17中所示采用星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形如圖6-23中所示，其有效值為：ddddIIIII816. 03232)(3221222ppp（6-28）晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時(shí)一致。接反電勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)，在負(fù)載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負(fù)載時(shí)相似，電路中各處電壓、電流波形均相同。僅在計(jì)算Id時(shí)有所不同，接反電勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)的Id為：REUIdd（6-29）式中R和E分別為負(fù)載中的電阻值和反電動(dòng)勢(shì)的值。43圖6-13 三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，a=30時(shí)的波形a =30u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac44圖6-14 三相半波可控整流電路，電阻負(fù)三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，載， a=60=60 時(shí)的波形時(shí)的波形45圖6-18 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=0時(shí)的波形wwwwu2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabu