电力电子技术第4版第2章--相控整流电路105页PPT.ppt

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第2章相控整流电路,整流电路：

交流转换为直流,输入交流电源的相数:

单相、三相和多相整流电路；电力电子器件控制特性:

不可控、半控和全控整流电路；整流电路的结构形式:

半波、全波和桥式整流电路等类型。

相控整流电路:

电压可调；二极管整流电路:

电压固定；,整流电路的类型：

第2章相控整流电路,2.1整流器的性能指标2.2单相相控整流电路2.3三相相控整流电路2.4相控整流电路的换相压降2.5整流电路的有源逆变工作状态2.6晶闸管相控电路的驱动控制,2.1整流器的性能指标,定义：

利用电力电子器件的可控开关特性把交流电能变为直流电能的整流电路构成的系统称为整流器。

整流器电路性能和控制方式必须满足的要求：

输出的直流电压大小可以控制；直流侧电压和交流侧电流的纹波限制在允许范围内；整流器的效率要高。

2.1整流器的性能指标,整流器的输出电压的交流纹波有效值UH与直流平均值UD之比为电压纹波系数u。

即,1、电压纹波系数u,（2.1.1）,如果直流输出电压有效值用U表示，则，因此有：

若第n次谐波峰值为Unm,则定义Unm与UD之比为电压脉动系数Sn,（2.1.3）,（2.1.2）,2、电压脉动系数Sn,2.1整流器的性能指标,输入电流总畸变率THD（TotalHarmonicDistortion）又称谐波因数HF（HarmonicFactor），是指除基波电流以外的所有谐波电流有效值与基波电流有效值之比，即,3、输入电流总畸变率THD,（2.1.4）,式中Isn为n次谐波电流有效值。

4、输入功率因数PF,交流电源输入有功功率平均值P与其视在功率S之比为输入功率因数PF（Powerfactor）,即,对于无畸变的正弦波，谐波电流在一个周期内的平均功率为零，只有基波电流Is1形成有功功率,上式中1是输入电压与输入电流基波分量之间的相位角。

则称为基波位移因数（或基波功率因数），于是输入功率因数为:

（2.1.5）,（2.1.6）,2.1整流器的性能指标,上式表明：

功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定。

1越小，基波功率因数越大，相应的PF也越大。

另一方面，输入电流总畸变率THD越小，功率因数PF也越大。

（2.1.7）,所以,式（2.1.6）中称为基波因数，且有,2.1整流器的性能指标,2.1整流器的性能指标2.2单相相控整流电路2.3三相相控整流电路2.4相控整流电路的换相压降2.5整流电路的有源逆变工作状态2.6晶闸管相控电路的驱动控制,第2章相控整流电路,在单相相控整流电路中，定义晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度称为控制角（或移相角），晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，用表示。

2.2.1单相半波相控整流电路,图2.2.1单相半波相控整流电路及其波形,1.电阻性负载,（2.2.2）,图中的Tr称为整流变压器，其二次输出电压为,（2.2.1）,2.2.1单相半波相控整流电路,上式（2.2.3）表明，只要改变控制角（即改变触发时刻），就可以改变整流输出电压的平均值，达到相控整流的目的。

1.电阻性负载,根据波形图2.2.1（b），可求出整流输出电压平均值为：

移相范围：

整流输出电压Ud的平均值从最大值变化到零时，控制角的变化范围为移相范围。

当=时，Ud=0，当=0时，Ud=0.45U2为最大值。

这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

单相半波相控整流电路带电阻性负载时移相范围为。

图2.2.1单相半波相控整流波形图,（2.2.3）,2.2.1单相半波相控整流电路,1.电阻性负载,图2.2.1单相半波相控整流波形图,根据有效值的定义，整流输出电压的有效值为,（2.2.4）,整流输出电流的平均值Id和有效值I分别为,电流的波形系数Kf为,（2.2.7）,（4.2.5）,（2.2.6）,上式（4.2.7）表明，控制角越大，波形系数Kf越大。

2.2.1单相半波相控整流电路,1.电阻性负载,图2.2.1单相半波相控整流波形图,（2.2.8）,如果忽略晶闸管T的损耗，则变压器二次侧输出的有功功率为,电源输入的视在功率为,（2.2.10）,（2.2.9）,从上式可知，功率因数是控制角的函数，且越大，相控整流输出电压越低，功率因数PF越小。

当=0时，PF=0.707为最大值。

这是因为电路的输出电流中不仅存在谐波，而且基波电流与基波电压（即电源输入正弦电压）也不同相，即是使电阻性负载，PF也不会等于1。

电路的功率因数,2.2.1单相半波相控整流电路,2.电感性负载,（等效为电感L和电阻R串联）,图2.2.3感性负载单相半波相控整流电路及其波形,工作原理,2.电感性负载,2.2.1单相半波相控整流电路,感性负载上的输出电压平均值Ud为,故,（2.2.11）,（2.2.12）,（2.2.13）,式（4.2.13）表明,感性负载上的电压平均值等于负载电阻上的电压平均值。

由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸管的流通角变大，且负载中L越大，越大，输出电压波形图上负压的面积越大，从而使输出电压平均值减小。

在大电感负载LR的情况下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论为何值，都有，其波形如图2.2.4所示。

2.电感性负载（大电感）,2.2.1单相半波相控整流电路,图2.2.4LR时不同时的电压、电流波形,2.电感性负载（大电感）,2.2.1单相半波相控整流电路,大电感负载时输出平均电压为零，解决的办法是在负载两端并联续流二极管D，如图2.2.5（a）所示。

图2.2.5大电感负载接续流管的单相半波整流电路及电流电压波形,在电源电压正半周，负载电流由晶闸管导通提供；电源电压负半周时，续流二极管D维持负载电流；因此负载电流是一个连续且平稳的直流电流。

大电感负载时，负载电流波形是一条平行于横轴的直线，其值为Id；,晶闸管与续流管承受的最大电压均为,2.2.1单相半波相控整流电路,2.电感性负载（大电感）,若设T和D分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，则容易得出晶闸管的电压平均值为,流过续流二极管的电流平均值为,流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为,（2.2.17）,（2.2.14）,（2.2.15）,（2.2.16）,1）优点：

线路简单，调整方便；2）缺点：

（1）输出电压脉动大，负载电流脉动大（电阻性负载时）。

（2）整流变压器次级绕组中存在直流电流分量，使铁芯磁化，变压器容量不能充分利用。

若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗。

3）应用：

单相半波可控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。

单相半波可控整流电路特点：

2.2.1单相半波相控整流电路,2.电感性负载（大电感）,2.2.2单相桥式相控整流电路,1、电阻性负载,图2.2.6单相全控桥式整流电路带电阻性负载的电路与工作波形,（的移相范围是0180）,工作原理分析：

2.2.2单相桥式相控整流电路,1、电阻性负载,3）输出电流的平均值和有效值分别为,2）整流输出电压的有效值为,即Ud为最小值时，=180，Ud为最大值时=0，所以单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，的移相范围是0180。

1）整流输出电压的平均值,（2.2.18）,（2.2.19）,（2.2.20）,（2.2.21）,2.2.2单相桥式相控整流电路,1、电阻性负载,4）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即,5）流过每个晶闸管的电流有效值为,（2.2.23）,（2.2.22）,6）晶闸管承受的最大反向电压为U2,7）在一个周期内每个晶闸管只导通一次，流过晶闸管的电流波形系数为,（2.2.24）,2.2.2单相桥式相控整流电路,1、电阻性负载,9）在一个周期内电源通过变压器r两次向负载提供能量，因此负载电流有效值d与变压器次级电流有效值I2相同。

那么电路的功率因数可以按下式计算,8）负载电流的波形系数为,（2.2.26）,（2.2.25）,2.2.2单相桥式相控整流电路,的移相范围相等，均为0180；输出电压平均值Ud是半波整流电路的倍；在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半；功率因数提高了倍。

通过上述数量关系的分析，电阻负载时，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：

2.2.2单相桥式相控整流电路,2电感性负载,图2.2.8单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与波形图,工作原理分析：

电路控制角的移相范围为0/2,2.2.2单相桥式相控整流电路,2电感性负载,1）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为,2）整流输出电压有效值为,3）晶闸管承受的最大正反向电压为U2。

（090）,（2.2.27）,（2.2.28）,4）在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通，变压器次级中的电流是正负对称的方波，电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为。

2.2.2单相桥式相控整流电路,2电感性负载,5）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为,（2.2.29）,（2.2.30）,单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器次级中电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器的利用率高。

在大电感负载情况下，接近/2时，输出电压的平均值接近于零，负载上的电压太小。

且理想的大电感负载是不存在的，故实际电流波形不可能是一条直线，而且在之前，电流就出现断续。

电感量越小，电流开始断续的值就越小。

6）结论：

图2.2.9单相全控桥式整流电路带反电势负载电路与波形图,3反电势负载,2.2.2单相桥式相控整流电路,反电动势负载：

对于可控整流电路来说，被充电的蓄电池、电容器、正在运行的直流电动机的电枢（电枢旋转时产生感应电动势E）等本身是一个直流电压的负载。

图2.2.9单相全控桥式整流电路带反电势负载电路波形图,3反电势负载,2.2.2单相桥式相控整流电路,导电角时，整流电流波形出现断流。

其波形如图2.2.9（c）所示，图中的为停止导电角。

也就是说与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电。

（2.2.31）,时，若触发脉冲到来，晶闸管因承受负电压不可能导通。

为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。

这样就要求触发角。

3反电势负载,2.2.2单相桥式相控整流电路,（2.2.33）,（2.2.32）,1）整流器输出端直流电压平均值,2）整流电流平均值,1大电感负载时的工作情况,2.2.3单相桥式半控整流电路,图2.2.10单相半控桥式整流电路带大电感负载时的电压、电流波形图,晶闸管在触发时刻被迫换流，二极管则在电源电压过零时自然换流；由于自然续流的作用，整流输出电压ud的波形没有负半波的部分，与全控桥电路带电阻性负载相同。

的移相范围为0180，Ud、d的计算公式和全控桥带电阻性负载时相同；流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为180的方波且与无关，交流侧电流为正负对称的交变方波。

工作特点：

1大电感负载时的工作情况,2.2.3单相桥式半控整流电路,图2.2.11单相半控桥式整流带大电感负载并联续流二极管的电路及其波形图,在实际运行中，当突然把控制角增大到180以上或突然切断触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通两个二极管轮导通的失控现象。

此时触发信号对输出电压失去了控制作用，失控在使用中是不允许的，为了消除失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需加接续流二极管。

续流二极管的作用：

消除失控,2大电感负载时参数计算,2.2.3单相桥式半控整流电路,输出电压平均值为,输出电压有效值为,（2.2.36）,（2.2.35）,2.2.3单相桥式半控整流电路,在控制角为时，每个晶闸管一周期内的导通角为，续流管的流通角为，,2大电感负载时参数计算,流经续流二极管的平均电流和有效电流分别为,（2.2.38）,（2.2.37）,（2.2.40）,（2