1、合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組電 力 電 子 技 術Power Electronic Technology合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組第五講第五講 整流與有源逆變整流與有源逆變( (一一) )5.1 5.1 引言引言5.2 5.2 單相可控整流電路單相可控整流電路合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.1 5.1 引引 言言整流電路整流電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路， 將交流電變?yōu)橹绷麟姲唇M成的器件可分為不可控、半控、全控不可控、半控、全控三種按電路結構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

2、電路按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，又分為單單拍拍電路和雙拍雙拍電路返回合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2 5.2 單相可控整流電路單相可控整流電路v交流側接單相電源v重點注意重點注意：工作原理（波形分析）、定量計算、不同負載的影響。5.2.1 5.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路5.2.2 5.2.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路5.2.3 5.2.3 單相全波可控整流電路單相全波可控整流電路5.2.4 5.2.4 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路返回合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.1 5.2.1 單相

3、半波可控整流電路單相半波可控整流電路( (Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)1.帶電阻負載的工帶電阻負載的工作情況作情況變壓器T起變換電壓和隔離的作用電阻負載的特點電阻負載的特點：電壓與電流成正比，兩者波形相同 TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00圖2-1 單相半波可控整流電路及波形返回合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.1 5.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路幾個概念的解釋幾個概念的解釋：ud為脈動直流，波形只在u2正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱“半波半波”整

4、流 采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，故該電路為單相半波可控單相半波可控整流電路 ud波形在一個電源周期中只脈動1次，故該電路為單脈波單脈波整流電路合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.1 5.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路幾個重要的基本概念：幾個重要的基本概念： 觸發(fā)延遲角觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用表示,也稱觸發(fā)角或控制角 導通角導通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為，用表示 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.1 5.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路基本

5、數(shù)量關系基本數(shù)量關系 直流輸出電壓平均值為 (2-1) VT的a 移相范圍為180這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.1 5.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路2.帶阻感負載的工作帶阻感負載的工作情況情況阻感負載的特點：電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不能發(fā)生突變電力電子電路的一種基本分析方法通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電路，分段進行分析計算a)u1TVTRLu2uVTudidu

6、20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + + 圖2-2 帶阻感負載的單相半波電路及其波形合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.1 5.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 對單相半波電路的分析可基于上述方法進行：當VT處于斷態(tài)時，相當于電路在VT處斷開，id=0。a)b)VTRLVTRLu2u2圖2-3 單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關斷狀態(tài) b) VT處于導通狀態(tài) 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.1 5.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路當VT處于通態(tài)時，相當于VT短路

7、 初始條件：t= ，id=0。求解式（2-2）并將初始條件代入可得 其中 當t=+ 時，id=0，代入式（2-3）并整理得tURitiLsin2dd2dd)sin(2)sin(22)(2dtZUeZUitLR22)( LRZRLarctan)sin()sin(tane（2-3）（2-2）（2-4）合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.1 5.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 若 為定值，a 越大，在u2正半周L儲能越少，維持導電的能力就越弱，越小 若a為定值， 越大，則L貯能越多，越大；且 越大，在u2負半周L維持晶閘管導通的時間就越接近晶閘管在u2正半周導

8、通的時間，ud中負的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，輸出的直流電流平均值也越小。合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.1 5.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路3.單相半波帶阻感負載有續(xù)單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形流二極管的電路及波形為避免Ud太小，在整流電路的負載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管續(xù)流二極管 當u2過零變負時，VDR導通，ud為零。此時為負的u2通過VDR向VT施加反壓使其關斷，L儲存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續(xù)續(xù)流流。續(xù)流期間ud為0，ud中不再出現(xiàn)負的部分a)LTVTRu1u2uVTudVDRid

9、u2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRiVDR圖2-4 單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.1 5.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 數(shù)量關系數(shù)量關系 若近似認為id為一條水平線，恒為Id，則有ddVT2IId2dVT2)(21ItdIIddVD2RIId22dVD2)(21RItdII（2-5）（2-5）（2-5）（2-5）合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.1 5.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路4.單相半波可控整

10、流電路的特點單相半波可控整流電路的特點簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化實際上很少應用此種電路分析該電路的主要目的在于利用其簡單易學的特點，建立起整流電路的基本概念合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.2 5.2.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路1. 帶電阻負載的工作情況帶電阻負載的工作情況 工作原理及波形分析工作原理及波形分析 VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷 VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷RTu1u2

11、a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,4圖2-5 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形返回動畫合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.2 5.2.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路數(shù)量關系數(shù)量關系 （2-9）a 角的移相范圍為180。 （2-10） （2-11）2cos19 . 02cos122)(dsin21222dUUttUU2cos19.02cos12222ddRURURUI2cos145.0212ddVTRUII合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.2 5.2.2 單相橋式全

12、控整流電路單相橋式全控整流電路 不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為S=U2I22sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIII21VT2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（2-12）(2-13）(2-14）合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.2 5.2.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路2.帶阻感負載的工作情況帶阻感負載的工作情況 為便于討論，假設電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設負載電感很大，負載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關斷至t=+

13、時刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導通TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4圖2-6 單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形 動畫合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.2 5.2.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 VT2和VT3導通后，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉移到VT2和VT3上，此過程稱換相換相，亦稱換流換流 晶閘管移相范圍為9

14、0。 晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。 晶閘管導通角與a無關，均為180 和 。 變壓器二次側電流i2的波形為正負各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。 （2-15）cos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUUddT21IIddT707.021III22U合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.2 5.2.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路3.帶反電動勢負載時的工作情帶反電動勢負載時的工作情況況 在|u2|E時，才有 晶閘管承受正電壓， 有導通的可能導通之后，ud=u2， 直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關斷，此后ud=E

15、與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度停止導電，稱為停止導電角。 （2-16） 在a 角相同時，整流輸出電壓比電阻負載時大。REuidd212sinUEa)b)REidudidOEudtIdOt 圖2-7 單相橋式全控整流電路接反電動勢電阻負載時的電路及波形 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.2 5.2.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 如圖圖2-7b所示id波形在一周期內(nèi)有部分時間為0的情況，稱為電流斷續(xù)電流斷續(xù)。與此對應，若id波形不出現(xiàn)為0的點的情況，稱為電流連續(xù)電流連續(xù)。當時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負電壓，不可能導通。為了使晶閘管可靠導通，要求觸發(fā)

16、脈沖有足夠的寬度，保證當 t= 時刻有晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當于觸發(fā)角被推遲為 。 負載為直流電動機時，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動機的機械特性將很軟 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.2 5.2.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路（2-17）為了克服此缺點，一般在主電路中直流輸出側串聯(lián)一個平波電抗器，用來減少電流的脈動和延長晶閘管導通的時間這時整流電壓ud的波形和負載電流id的波形與電感負載電流連續(xù)時的波形相同，ud的計算公式亦一樣為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出dmin23dmin21087.222IUIUL合肥工業(yè)大學電氣工

17、程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.2 5.2.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路圖2-8 單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況Oud0Eidtt = 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.3 5.2.3 單相全波可控整流電路單相全波可控整流電路a)b)u1TRu2u2i1VT1VT2ududi1OOtt圖2-9 單相全波可控整流電路及波形 單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸 入端看均是基本一致的返回合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.3 5.2.3 單相全波可控整流電路單相全波可控整流電路兩者的區(qū)別

18、兩者的區(qū)別 （1）單相全波中變壓器結構較復雜，繞組及鐵芯對銅、鐵等材料的消耗多 （2）單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，相應地，門極驅動電路也少2個；但是晶閘管承受的最大電壓為 ，是單相全控橋的2倍 （3）單相全波導電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，因而管壓降也少1個 從上述（2）、（3）考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應用。222U合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.4 5.2.4 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路 單相全控橋中，每個導電回路中有2個晶閘管，為了對每個導電回路進行控制，只需1個晶閘管就可以了，另1個晶閘管可以用二極管代替，

19、從而簡化整個電路。如此即成為單相單相橋式半控整流電路橋式半控整流電路（先不考慮VDR）。 半控電路與全控電路在電半控電路與全控電路在電阻負載時的工作情況相同阻負載時的工作情況相同圖2-10(a) 單相橋式半控整流電路，電阻負載時的電路及波形a)TabROb)u2i2udidVT1VT2VD3VD4u2OudIdtt返回合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.4 5.2.4 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路單相半控橋帶阻感負載的情況單相半控橋帶阻感負載的情況圖2-10(b) 單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負載時的電路及波形a)TabRLu2i2udidVT1V

20、T2VD3VD4VDROb)u2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIdIdtttttttiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.4 5.2.4 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路假設負載中電感很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài) 在u2正半周，觸發(fā)角a處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)VT1和VD4向負載供電 u2過零變負時，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導通。但因a點電位低于b點電位，使得電流從VD4轉移至VD2，VD4關斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流 在u2負半周觸發(fā)角a 時刻觸發(fā)VT3，VT3導通，則向

21、VT1加反壓使之關斷，u2經(jīng)VT3和VD2向負載供電。u2過零變正時，VD4導通，VD2關斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.4 5.2.4 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路 續(xù)流二極管的作用續(xù)流二極管的作用 若無續(xù)流二極管，則當a 突然增大至180或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期ud為零，其平均值保持恒定，稱為失控失控 有續(xù)流二極管VDR時，續(xù)流過程由VDR完成，晶閘管關斷，避免了某一個晶閘管持續(xù)導通從而導致失控的現(xiàn)象。同時，續(xù)流期間導電回

22、路中只有一個管壓降，有利于降低損耗合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組5.2.4 5.2.4 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路 單相橋式半控整流電路的另一種接法單相橋式半控整流電路的另一種接法 相當于把圖圖2-4a中的VT3和VT4換為二極管VD3和VD4，這樣可以省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD3和VD4來實現(xiàn)圖2-11 單相橋式半控整流電路的另一接法負載Tu2VD3VD4VT1VT2合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組圖圖2-1 2-1 單相半波可控整流電路及波形單相半波可控整流電路及波形TVTR0a)u1u2uVTudidt12 ttttu2ugudu

23、VT0b)c)d)e)00返回合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組圖圖2-2 2-2 帶阻感負載的單相半波電路帶阻感負載的單相半波電路及其波形及其波形a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12 tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +返回合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組圖圖2-3 2-3 單相半波可控整流電路的分段線性單相半波可控整流電路的分段線性等效電路等效電路a)b)VTRLVTRLu2u2VT處于關斷狀態(tài)VT處于導通狀態(tài)返回合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組圖圖2-4 2-4 單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的

24、電路及波形單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形u2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRa)LTVTRu1u2uVTudVDRidiVDR返回合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組圖圖2-5 2-5 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,4返回動畫合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組圖圖2-6 2-6 單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT