二極管整流器整流(Rectification)

第3章二極管整流器

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。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(guò)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(kāi)關(guān)電源、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。很多場(chǎng)合下，整流器直接由電網(wǎng)供電而不通過(guò)工頻變壓器。對(duì)許多電力設(shè)備來(lái)講，省去體積大、價(jià)格高的變壓器是很重要的。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(duì)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(lèi)。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。整流器的分類(lèi)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開(kāi)關(guān)器件工作特點(diǎn)開(kāi)關(guān)兩端電壓為正時(shí)，導(dǎo)通。開(kāi)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(kāi)關(guān)器件。二極管

理想特性晶閘管

理想特性開(kāi)關(guān)器件的選擇電阻（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(dòng)機(jī)）恒流型負(fù)載(currentsink)

（L極大）

（如：直流電動(dòng)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）整流器負(fù)載的基本形式

純電阻負(fù)載整流器在不同負(fù)載下的工作特點(diǎn)特點(diǎn)：負(fù)載上電壓、電流同相位。

阻感負(fù)載特點(diǎn)：負(fù)載電流滯后于電壓，電感儲(chǔ)能使二極管導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)。電感的作用儲(chǔ)存電能釋放電能=

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(shì)影響了二極管的導(dǎo)通時(shí)刻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(jiǎn)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(lái)分析電路。內(nèi)阻抗市電供電模型

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(jiǎn)化整流電路工作原理，然后討論實(shí)際的二極管整流電路。

二極管的通斷規(guī)律電流從共陰組流出，

從共陽(yáng)組流入共陰極組共陽(yáng)極組在共陰組中，陽(yáng)極電位最高的器件正偏導(dǎo)通，其它器件反偏截止在共陽(yáng)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輸出電壓vd和電流id電阻型負(fù)載下理想電路的工作原理wtvsO-vs輸入電流（電源電流)is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電流波形不同恒流型負(fù)載下理想電路的

工作原理輸入電流（電源電流)is特點(diǎn)：is表達(dá)式同電阻負(fù)載，只是電流波形不同對(duì)理想電路的定量分析整流輸出電壓平均值Vd交流側(cè)電流(恒流型負(fù)載）對(duì)交流側(cè)輸入電流is傅立葉分解輸入電流總有效值基波有效值諧波有效值電流畸變率基波因數(shù)位移因數(shù)交流側(cè)功率因數(shù)(恒流型負(fù)載）負(fù)載為大電容時(shí)可近似看作直流側(cè)電壓為恒定恒壓型負(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

電壓電流波形

整流器特性（1）直流側(cè)電流對(duì)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。

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(dòng)實(shí)際電路中，電容不會(huì)無(wú)窮大，則電容上的電壓會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)。與恒壓型負(fù)載時(shí)有所區(qū)別.分別通過(guò)解析計(jì)算和電路仿真手段來(lái)研究電源模型濾波電容等效負(fù)載實(shí)際的二極管整流器的解析計(jì)算等效電路

（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(guò)MATLAB計(jì)算求解

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(dòng)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共陰組和共陽(yáng)組中二極管導(dǎo)通規(guī)律與單相橋式整流器類(lèi)似利用交流電源中點(diǎn)n來(lái)分析波形理想化的電路（Ls=0)每個(gè)電源周期中，vd由6段線電壓組成1.整流輸出電壓課間每個(gè)電源周期中，vd的波形為電源線電壓正向包絡(luò)線

每個(gè)器件導(dǎo)通120°2.交流電源電流器件順序：1～6器件的標(biāo)號(hào)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t=0

選在vab最大值處3.輸出電壓平均值

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)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）所示恒壓型負(fù)載

直流側(cè)電流對(duì)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(huì)使THD減小

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(dòng)較小實(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)3.4

二極管整流器的應(yīng)用問(wèn)題

輸入電流畸變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

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

輸出電壓的脈動(dòng)三相橋式整流單相橋式整流三相整流輸出電壓脈動(dòng)小，頻率高，所需濾波電容較小直流電壓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。三相橋式整流整流器的交流側(cè)輸入電流是非正弦的，且畸變很?chē)?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(lái)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(duì)電力系統(tǒng)及其他用電設(shè)備帶來(lái)很多不利的影響。線電流諧波和功率因數(shù)補(bǔ)償問(wèn)題本章內(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

電阻型負(fù)載下理想電路的工作原理

恒流型負(fù)載下理想電路的工作原理

對(duì)理想電路的定量分析

恒壓型負(fù)載下電路的工作原理

實(shí)際的二極管整流器的解析計(jì)算

實(shí)際的二極管