二極管整流器

二極管整流器第1頁/共53頁

整流(Rectification)：把交流電變換成直流電。整流器(Rectifier)：實(shí)現(xiàn)整流的變換器。整流器是出現(xiàn)最早的電力電子變換器。最常用的變流電路。第2頁/共53頁二極管整流器方框圖

電源為由電網(wǎng)提供的50Hz交流電。通過二極管整流器變換為不控的直流電。二極管整流器價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛：如開關(guān)電源、交流電機(jī)驅(qū)動、直流電機(jī)伺服驅(qū)動。很多場合下，整流器直接由電網(wǎng)供電而不通過工頻變壓器。對許多電力設(shè)備來講，省去體積大、價(jià)格高的變壓器是很重要的。第3頁/共53頁學(xué)習(xí)目的：整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整流電路的分析方法單相整流器工作原理三相整流器工作原理電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真第4頁/共53頁3.1整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本概念

根據(jù)交流電源的相數(shù)和整流輸出對交流電源正負(fù)半波的利用情況，AC－DC變換器可分為以下兩大類。半波整流器

1相，1脈沖整流器

2相，2脈沖整流器

3相，3脈沖整流器全波整流器

1相，2脈沖整流器

3相，6脈沖整流器脈沖數(shù)指交流電1個(gè)周期內(nèi)整流輸出電壓中包含的正弦波的波數(shù)。單相變壓器副邊繞組有中心抽頭，可獲得2相交流電。3.1.1整流器的分類第5頁/共53頁3.1.2整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單相半波兩相半波三相半波單相橋式三相橋式第6頁/共53頁開關(guān)器件工作特點(diǎn)開關(guān)兩端電壓為正時(shí)，導(dǎo)通。開關(guān)兩端電壓反轉(zhuǎn)時(shí)，關(guān)斷。常采用二極管（晶閘管）作為開關(guān)器件。二極管

理想特性晶閘管

理想特性3.1.3開關(guān)器件的選擇第7頁/共53頁電阻（R）阻感（R-L）（如：電磁鐵）電感－恒壓型負(fù)載(voltagesink)（L-E）

（如：直流電動機(jī)）恒流型負(fù)載(currentsink)

（L極大）

（如：直流電動機(jī),電磁鐵）電容－電阻（R－E，E為電容）恒壓型負(fù)載（E，E為大電容）3.1.4整流器負(fù)載的基本形式第8頁/共53頁

純電阻負(fù)載3.1.5整流器在不同負(fù)載下的工作特點(diǎn)特點(diǎn)：負(fù)載上電壓、電流同相位。第9頁/共53頁

阻感負(fù)載特點(diǎn)：負(fù)載電流滯后于電壓，電感儲能使二極管導(dǎo)通時(shí)間延長。第10頁/共53頁電感的作用儲存電能釋放電能=第11頁/共53頁

包含恒壓型負(fù)載二極管導(dǎo)通時(shí)刻

后，二極管仍可導(dǎo)通一段時(shí)間特點(diǎn)：負(fù)載中的電勢影響了二極管的導(dǎo)通時(shí)刻第12頁/共53頁3.2

單相二極管橋式整流器

電路結(jié)構(gòu)濾波電容電壓源電路雖然簡單，但求取電壓、電流波形的函數(shù)形式是很繁瑣的。因而往往要借助仿真工具來分析電路。內(nèi)阻抗市電供電模型第13頁/共53頁

理想化的二極管橋式整流電路首先以電阻和恒流型負(fù)載形式為例分析簡化整流電路工作原理，然后討論實(shí)際的二極管整流電路。第14頁/共53頁

二極管的通斷規(guī)律電流從共陰組流出，

從共陽組流入共陰極組共陽極組在共陰組中，陽極電位最高的器件正偏導(dǎo)通，其它器件反偏截止在共陽組中，陰極電位最低的器件正偏導(dǎo)通，其它器件反偏截止課間第15頁/共53頁輸出電壓vd和電流id3.2.1電阻型負(fù)載下理想電路的工作原理wtvsO-vs第16頁/共53頁輸入電流（電源電流)is第17頁/共53頁輸出電壓vd和電流id特點(diǎn)：vd表達(dá)式同電阻負(fù)載，只是id電流波形不同3.2.2恒流型負(fù)載下理想電路的

工作原理第18頁/共53頁輸入電流（電源電流)is特點(diǎn)：is表達(dá)式同電阻負(fù)載，只是電流波形不同第19頁/共53頁3.2.3對理想電路的定量分析整流輸出電壓平均值Vd第20頁/共53頁交流側(cè)電流(恒流型負(fù)載）對交流側(cè)輸入電流is傅立葉分解第21頁/共53頁輸入電流總有效值基波有效值諧波有效值電流畸變率第22頁/共53頁基波因數(shù)位移因數(shù)交流側(cè)功率因數(shù)(恒流型負(fù)載）第23頁/共53頁負(fù)載為大電容時(shí)可近似看作直流側(cè)電壓為恒定3.2.4恒壓型負(fù)載下電路的工作原理電源側(cè)電感直流側(cè)電壓為恒定第24頁/共53頁

電壓電流波形第25頁/共53頁

整流器特性（1）直流側(cè)電流對交流輸入電流畸變及功率因數(shù)的影響輸入電流畸變率功率因數(shù)位移因數(shù)Id較小時(shí)，THD較高，PF較低。Ls增大時(shí)，THD下降，PF提高。第26頁/共53頁

整流器特性（2）直流側(cè)電流與整流輸出電壓的關(guān)系Id變化時(shí)，整流輸出電壓Vd在一定范圍內(nèi)波動第27頁/共53頁實(shí)際電路中，電容不會無窮大，則電容上的電壓會出現(xiàn)脈動。與恒壓型負(fù)載時(shí)有所區(qū)別.分別通過解析計(jì)算和電路仿真手段來研究電源模型濾波電容等效負(fù)載3.2.5實(shí)際的二極管整流器的解析計(jì)算第28頁/共53頁等效電路

（不出現(xiàn)換流重疊現(xiàn)象）電流不連續(xù)時(shí)條件下的電路解析計(jì)算分兩段計(jì)算：a)二極管導(dǎo)通段b)二極管截至段第29頁/共53頁化為矩陣微分方程形式（狀態(tài)方程）XABu上式可求得解析解，也可通過MATLAB計(jì)算求解第30頁/共53頁

工業(yè)應(yīng)用中，三相整流電路較為常用三相整流電路的優(yōu)點(diǎn)：輸出波形脈動小，功率更大三相6脈沖橋式整流電路最為常用3.3

三相二極管橋式整流器第31頁/共53頁共陰組和共陽組中二極管導(dǎo)通規(guī)律與單相橋式整流器類似利用交流電源中點(diǎn)n來分析波形3.3.1理想化的電路（Ls=0)第32頁/共53頁每個(gè)電源周期中，vd由6段線電壓組成1.整流輸出電壓第33頁/共53頁課間每個(gè)電源周期中，vd的波形為電源線電壓正向包絡(luò)線第34頁/共53頁

每個(gè)器件導(dǎo)通120°2.交流電源電流第35頁/共53頁器件順序：1～6器件的標(biāo)號表示其導(dǎo)通的順序。每一時(shí)刻有2個(gè)器件導(dǎo)通3.器件導(dǎo)通規(guī)律第36頁/共53頁t=0

選在vab最大值處3.輸出電壓平均值第37頁/共53頁

線電流有效值基波有效值功率因數(shù)諧波有效值4.功率因數(shù)第38頁/共53頁假設(shè)id斷續(xù)任何時(shí)候只有2個(gè)二極管導(dǎo)通等效電路如（b）所示3.3.2恒壓型負(fù)載第39頁/共53頁

直流側(cè)電流對交流輸入電流畸變及功率因數(shù)的影響電流小時(shí)，THD很高Ls增加會使THD減小第40頁/共53頁

直流側(cè)電流與整流輸出電壓的關(guān)系電流變化時(shí)，平均電壓波動較小第41頁/共53頁3.3.3實(shí)際的三相橋式二極管整流電路小電感Ls可使電流id連續(xù)第42頁/共53頁3.4

二極管整流器的應(yīng)用問題

輸入電流畸變3.4.1單相與三相整流器的比較單相橋式整流三相橋式整流單相整流器畸變更大第43頁/共53頁

功率因數(shù)單相橋式整流三相橋式整流三相整流器功率因數(shù)更高第44頁/共53頁

輸出電壓的脈動三相橋式整流單相橋式整流三相整流輸出電壓脈動小，頻率高，所需濾波電容較小第45頁/共53頁直流電壓Vd變化范圍單相橋式整流負(fù)載變化時(shí)三相整流器Vd變化范圍小于5％，遠(yuǎn)小于單相整流器的變化范圍結(jié)論:在大功率系統(tǒng)中，建議采用三相橋式整流器。三相橋式整流第46頁/共53頁整流器的交流側(cè)輸入電流是非正弦的，且畸變很嚴(yán)重。由于線電流中含有大量諧波導(dǎo)致功率因數(shù)較差。隨著電力電子裝置的增加，整流器發(fā)揮著越來越重要的作用。眾多整流器產(chǎn)生的大量諧波電流注入電網(wǎng)后，對電力系統(tǒng)及其他用電設(shè)備帶來很多不利的影響。3.4.2線電流諧波和功率因數(shù)補(bǔ)償問題第47頁/共53頁本章內(nèi)容

3.1整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本概念

3.2單相二極管橋式整流器

3.2.1

電阻型負(fù)載下理想電路的工作原理

3.2.2

恒流型負(fù)載下理想電路的工作原理

3.2.3

對理想電路的定量分析

3.2.4恒壓型負(fù)載下電路的工作原理

3.2.5實(shí)際的二極管整流器的解析計(jì)算

3.2.6實(shí)際的二極管整流器的電路仿真

3.3三相二極管橋式整流器

3.3.1理想化的電路（Ls=0)

3.3.2

恒壓型負(fù)載

3.3.3實(shí)際的三相橋式二極管整流電路第48頁/共53頁3.4二極管整流器的應(yīng)用問題

3.4.1單相與三相整流器的比較

3.4.2線電流諧波和功率因數(shù)補(bǔ)償問題第49頁/共53頁1)二極管整流器的種類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2）單相二極管橋式整流電路單相二極管橋式整流電路的電路結(jié)構(gòu)理想化的二極管橋式整流電路：電阻和恒流負(fù)載下的波形，整流輸出電壓平均值的計(jì)算，輸入電流諧波的特點(diǎn)，功率因數(shù)的計(jì)算。反電勢負(fù)載時(shí)的工作特性：恒壓負(fù)載時(shí)的波形，直流側(cè)電流對交流輸入電流畸變、功率因數(shù)及整流輸出電壓的影響。本章重點(diǎn)

第50頁/共53頁3）三相二極管橋式整流電路三相二極管橋式整流電路的電路結(jié)構(gòu)理想化的三相二極管橋式整