1、第三章 AC/DC變換技術(shù),本章主要內(nèi)容 重點掌握整流電路的結(jié)構(gòu)形式及其工作原理 重點掌握整流電路的工作波形 重點掌握整流電路的數(shù)學(xué)關(guān)系以及設(shè)計方法 熟悉變壓器漏抗對整流電路的影響 掌握整流電路的諧波和功率因數(shù)分析 了解新型的PWM整流電路。,交流電能（AC）轉(zhuǎn)換為直流電能（DC）的過程稱為整流，完成整流過程的電力電子變換電路稱為整流電路。,3.1 概述,3.1.1 整流電路的分類 按整流器件：全控整流、半控整流和不可控整流 按控制方式：相控整流和PWM（脈沖寬度調(diào)制）整流。 按整流輸出波形：半波整流和全波整流。 按電路結(jié)構(gòu)：橋式電路和零式電路； 按輸入交流相數(shù)：單相、三相和多相電路；,3.1

2、 概述,3.1.2相控整流電路一般結(jié)構(gòu) 由交流電源（工頻電網(wǎng)或整流變壓器）、整流電路、負載及觸發(fā)控制電路構(gòu)成。,圖3. 1 相控整流電路的結(jié)構(gòu)框圖,3.1 概述,整流電路包括： 電力電子變換電路、濾波器和保護電路等，將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動的直流電壓。 負載 各種工業(yè)設(shè)備，負載可以等效為電阻性負載、電感性負載、電容性負載和反電動勢負載等。 觸發(fā)控制電路 功率器件的觸發(fā)（驅(qū)動）電路和控制電路等。,3.1 概述,整流電路應(yīng)滿足下述基本要求： （1）輸出的電壓的可調(diào)范圍大，直流電壓脈動小； （2）功率器件導(dǎo)電時間盡可能長，承受的正反向電壓較低； （3）變壓器利用率高，盡量防止直流磁化； （4）交流

3、電源功率因數(shù)高，諧波電流小。,3.1 概述,分析時，假設(shè)整流電路工作在理想情況下： 功率器件正向?qū)〞r阻抗為零（壓降為零）; 關(guān)斷時阻抗無窮大（或電流為零）; 整流變壓器繞組無漏抗，無內(nèi)阻; 交流電網(wǎng)的容量足夠大，電源是恒頻恒壓對稱;,3.2相控整流電路,3.2.1單相可控整流電路 單相半波、單相橋式 一、單相半波可控整流電路 按電阻性負載、感性負載、反電勢負載分析 1、電阻性負載 （1）電路的結(jié)構(gòu)形式及工作原理 電燈、電爐、電解和電鍍等都屬于電阻性負載。 特點： 消耗電能，不能存儲或釋放能量 負載電壓和電流總是成正比，同相位，波形相同。,u2為工頻正弦電壓,變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，易造

4、成變壓器鐵芯直流磁化。,晶閘管承受的最大正反向電壓均為電源電壓u2的峰值即,3.2.1單相可控整流電路,圖3.2 單相半波可控整流電路及波形,3.2.1單相可控整流電路,（2）常用名詞術(shù)語和概念 控制角 ：從晶閘管開始承受正向電壓到被觸發(fā)導(dǎo)通為止，這段時間所對應(yīng)的電角度，又稱觸發(fā)延遲角或觸發(fā)角。 導(dǎo)通角：晶閘管在一個電源周期中導(dǎo)通的電角度稱為導(dǎo)通角。= 。導(dǎo)通角與負載性質(zhì)有關(guān)。 移相：改變控制角的大小，稱為移相。 移相控制：通過改變控制角調(diào)節(jié)輸出電壓的控制方式，稱為移相控制。,3.2.1單相可控整流電路,移相范圍：使輸出整流電壓平均值從最大值降到最小值（零或負最大值），控制角的變化范圍。它與電

5、路結(jié)構(gòu)和負載性質(zhì)有關(guān)。 同步：觸發(fā)脈沖與電源電壓之間頻率和相位協(xié)調(diào)配合關(guān)系稱之為同步。 換流：在電路中，電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程稱為換流，也稱換相。 自然換相點：當電路中可控元件全部由不可控元件代替時，各元件的導(dǎo)電轉(zhuǎn)換點，成為自然換相點。,3.2.1單相可控整流電路,（3）基本數(shù)量關(guān)系 輸出直流電壓平均值 當 = 0時，整流輸出直流電壓平均值最大，用Ud0表示，Ud=Ud0=0.45 U2 ； 當 =時，Ud = 0 ； 輸出直流電壓平均值在0.45U2 0之間連續(xù)可調(diào)； 控制角 移相范圍0 。,3.2.1單相可控整流電路,輸出電流平均值 晶閘管電流平均值 流過晶閘管的電流等于負載

6、電流，即： 晶閘管電流有效值,3.2.1單相可控整流電路,變壓器二次側(cè)電流有效值I 2與輸出電流的有效值I相等 輸出電壓有效值,3.2.1單相可控整流電路,功率因數(shù) 忽略晶閘管的損耗時，整流電路的有功功率為： 電源的視在功率為U2I2，因此功率因數(shù)為：,3.2.1單相可控整流電路,2、電感性負載 （1）電路結(jié)構(gòu)及工作原理 當負載中的感抗L與電阻R相比不可忽略時，稱為電感性負載。 如電機的勵磁繞組、經(jīng)大電感濾波的負載等等都屬于電感性負載。 電感性負載特點: 流過的電流不能發(fā)生突變。 感應(yīng)電動勢Ldidt，極性是阻止電流的變化。 不消耗能量。,3.2.1單相可控整流電路,由于電感的存在，延遲了晶閘

7、管關(guān)斷的時刻，使輸出電壓ud波形出現(xiàn)負值，因此輸出直流電壓的平均值下降。,負載阻抗角，,若為定值， 角越大，導(dǎo)通角越??； 若為定值，越大，導(dǎo)通角越大。,圖3.4 電感負載的單相半波可控整流電路及其波形,3.2.1單相可控整流電路,求得在一般情況下的控制特性，可以建立晶閘管導(dǎo)通時的電壓平衡微分方程，求解在一定值情況下，控制角與導(dǎo)通角的關(guān)系。 當R為一定值，L越大，導(dǎo)通角越大。其平均值Ud越接近零，輸出的直流電流平均值也越小，負載上得不到所需的功率。 單相半波可控整流電路如不采取措施是不可能直接帶大電感負載正常工作的。,3.2.1單相可控整流電路,為了解決大電感負載時的上述矛盾，在整流電路的負載兩

8、端并聯(lián)一個整流二極管，稱為續(xù)流二極管VDR,圖3.4 電感負載單相半波 有續(xù)流二極管的電路及波形,3.2.1單相可控整流電路,（2）基本數(shù)量關(guān)系（有續(xù)流二極管） 輸出直流電壓平均值 當 =0時，輸出最大Ud=Ud0=0.45U2； 當 =時，U d=0； 輸出在0.45U20之間連續(xù)可調(diào)； 控制角移相范圍0。,3.2.1單相可控整流電路,輸出電流平均值 晶閘管電流平均值 晶閘管電流有效值,3.2.1單相可控整流電路,續(xù)流二極管電流平均值 續(xù)流二極管電流有效值,VT的a 移相范圍為180。 簡單，但輸出脈動大，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。 實際上很少應(yīng)用此種電路。 分析

9、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,3.2.1單相可控整流電路,二、單相橋式全控整流電路 1、電阻性負載 （1）電路結(jié)構(gòu)及工作原理,3.2.1單相可控整流電路,圖3.5 單相橋式全控的電路及波形,VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受正電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當u2過零時關(guān)斷。 VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2負半周承受正電壓，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當u2過零時關(guān)斷。 SCR正反向電壓,3.2.1單相可控整流電路,（2）主要的數(shù)量關(guān)系 輸出直流電壓平均值 =0時，Ud =Ud0 =0.9U2； =時，Ud = 0； 輸出在00.9U2 之間連續(xù)

10、可調(diào)； 控制角移相范圍0 。 輸出電流平均值,3.2.1單相可控整流電路,晶閘管電流平均值 每個晶閘管只流過負載電流的一半，即： 變壓器二次側(cè)電流有效值I2 ，輸出電流的有效值I,3.2.1單相可控整流電路,功率因數(shù) 忽略晶閘管的損耗時，整流電路的有功功率為： 電源的視在功率為U2I2，因此功率因數(shù)為：,2. 電感性負載 假設(shè) ，負載電流id連續(xù)、平直近似為一水平線，大小為Id 。,晶閘管承受的最大正反向電壓均為,3.2.1單相可控整流電路,3.2.1單相可控整流電路,基本數(shù)量關(guān)系 直流平均電壓U d =0時，U d= U d0= 0.9U 2 ； =/2時，U d = 0； 輸出在0.9U

11、2 0之間連續(xù)可調(diào)； 控制角移相范圍0 2。,3.2.1單相可控整流電路,晶閘管電流平均值： 晶閘管電流有效值,變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負各180的矩形波，有效值I2 = Id。 變壓器二次側(cè)繞組內(nèi)電流無直流分量，故不存在直流磁化問題。,3 反電動勢負載 當負載為蓄電池、直流電動機的電樞（忽略其中的電感），負載本身具有一定的直流電勢，對于整流來說，它們就是反電動勢性質(zhì)負載。,3.2.1單相可控整流電路,3.2.1單相可控整流電路,晶閘管提前電角度停止導(dǎo)電，稱為停止導(dǎo)電角 或稱最小起始導(dǎo)電角。 整流輸出電壓平均值為： 輸出電流的平均值為： 輸出電流的有效值為：,負載為直流電動機時，如果出現(xiàn)

12、電流斷續(xù)，則電動機的機械特性將很軟。,為了克服此缺點，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個平波電抗器。,這時整流電壓ud的波形和負載電流id的波形與阻感負載電流連續(xù)時的波形相同，ud的計算公式也一樣。 為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出：,（3-35）,3.2.1單相可控整流電路,3.2.1單相可控整流電路,三、單相橋式半控整流電路 1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理,圖3.9 有續(xù)流二極管及電感負載時單相橋式半控整流電路及波形,電路結(jié)構(gòu) 單相全控橋中，每個導(dǎo)電回路中有2個晶閘管，1個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個電路。 如此即成為單相橋式半控整流電路。,電阻負載 半控電路與全控電路在電阻負載時的

13、工作情況相同。,電感性負載（有續(xù)流二極管） 在u2正半周，u2經(jīng)VT1和VD4向負載供電。 u2過零變負時，因電感作用電流連續(xù)，電流通過二極管VDR 續(xù)流，ud為零。 在u2負半周觸發(fā)角a時刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，u2經(jīng)VT3和VD2向負載供電。 u2過零變正時，電流通過二極管VDR 續(xù)流，ud又為零。,3.2.1單相可控整流電路,圖3.9 有續(xù)流二極管及電感負載時單相橋式半控整流電路及波形,電感性負載（無續(xù)流二極管） 在u2正半周，a時刻觸發(fā)，u2經(jīng)VT1和VD4向負載供電。 u2過零變負時，因電感作用電流不再流經(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)VT

14、3，VT3導(dǎo)通，u2經(jīng)VT3和VD2向負載供電。 u2過零變正時，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。,3.2.1單相可控整流電路,失控現(xiàn)象：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(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，其平均值保持恒定，稱為失控。 有續(xù)流二極管VDR時，續(xù)流過程由VDR完成，避免了失控的現(xiàn)象。 續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個管壓降，有利于降低損耗。,3.2.1單相可控整流電路,3.2.1單相可控整流電路,單相橋式半控整流電路的另一種接法,相當于把VT3和VT4換為二極管VD3和VD4，這樣可以省去續(xù)流二極管

15、VDR，續(xù)流由VD3和VD4來實現(xiàn)。,3.2.1單相可控整流電路,2 主要的數(shù)量關(guān)系 輸出電壓平均值 =0時，U d=U d0=0.9 U 2； =時，U d= 0； 輸出0.9U2 0之間連續(xù)可調(diào)； 控制角移相范圍0 。 輸出電流平均值,3.2.1單相可控整流電路,晶閘管（二極管）電流平均值、有效值 續(xù)流二極管的電流平均值、有效值,變壓器二次側(cè) 電流有效值,3.2.1單相可控整流電路,四、單相雙半波可控整流電路 也稱為單相全波可控整流電路。,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。 變壓器不存在直流磁化的問題。,圖3.10 單相雙半波可控整流電路及波形,單相全波與單相

16、全控橋的區(qū)別：,單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材料的消耗多。,從上述后兩點考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。,3.2.1單相可控整流電路,單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，相應(yīng)地，門極驅(qū)動電路也少2個；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。 單相全波導(dǎo)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。,3.2.2三相可控整流電路,3.2.2三相可控整流電路 當負載容量較大，或要求直流電壓脈動小、或要求快速控制時，采用三相整流電路。 三相可控整流電路包括： 三相半波可控整流電路 三相橋式全控整流電路 雙反星可控整流電路 十二脈波可控整流電路等。 最基本的是三相

17、半波可控整流電路，其余電路都是由其串聯(lián)或并聯(lián)組成的。,3.2.2三相可控整流電路,一、三相半波可控整流電路 1 電阻負載 (1) 電路結(jié)構(gòu)及工作原理 晶閘管陽極分別接入a、b、c三相電源，陰極連接在一起。這種接法稱為共陰極接法。 自然換相點是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時刻，在各相電壓的交點t=/ 6，相當于控制角 = 0。 VT1、VT2、VT3的脈沖依次差120 三相半波可控整流電路有變壓器鐵芯磁化問題。,3.2.2三相可控整流電路,控制角 =30時的波形圖,負載電流處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)。,3.2.2三相可控整流電路,如果控制角30,直流電流不連續(xù)， 當控制角 =150時，輸出電壓為零，所以的移相范圍為150。 晶閘管承受的最大正向電壓相電壓的峰值,。,晶閘管承受的最大反向電壓線電壓的峰值,3.2.2三相可控整流電路,（2）整流電壓和整流電流的計算 整流輸出電壓平均值 在控制角 =030：,3.2.2三相可控整流電路,（2）整流電壓和整流電流的計算 整流輸出電壓平均值 在控制角 =30 150：,3.2.2三相可控整流電路,整流輸出電壓有效值,輸出電流平均值：,當 =30 150