交流-直流变换电路.ppt
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1、第第3章章 交流交流-直流变换电路直流变换电路 3.1 概述概述 3.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 3.3 三相可控整流三相可控整流 3.4 有源逆变电路有源逆变电路 3.5 整流电路的性能指标及应用技术整流电路的性能指标及应用技术 本章小结本章小结13.1 3.1 概述概述整流电路的分类整流电路的分类:按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种。按电路结构可分为桥式电路桥式电路和零式电路零式电路。按交流输入相数分为单相电路单相电路和多相电路多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向,又分为单拍电路单拍电路和双拍电路双拍电路。整流电路整流电路:出现最早的电力电子电路,将
2、交流电变为直流电。23.2 单相可控整流电路单相可控整流电路3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路3.2.2 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路3.2.3 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路33.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路一、电阻性负载一、电阻性负载电电炉炉、电电焊焊机机及及白白炽炽灯灯等等均均属于电阻性负载属于电阻性负载变变压压器器T T起起变变换换电电压压和和电电气气隔离的作用。隔离的作用。电电阻阻负负载载的的特特点点:电电压压与与电电流成正比,两者波形相同。流成正比,两者波形相同。工作原理分析工作原理分析图图3-2-1单相半波可
3、控整流电路单相半波可控整流电路(电阻性负载)及波形(电阻性负载)及波形wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)004工作原理分析工作原理分析在电源电压正半周,晶闸管承受正向电压,在电源电压正半周,晶闸管承受正向电压,在在tt=处触发晶闸管,晶闸管开始导通;处触发晶闸管,晶闸管开始导通;负载上的电压等于变压器输出电压负载上的电压等于变压器输出电压u u2 2。在在tt=时刻,电源电压过零,晶闸管电流小时刻,电源电压过零,晶闸管电流小于维持电流而关断,负载电流为零。于维持电流而关断,负载电流为零。在电源电压负半周,在电源电压负半周,u
4、 uAKAK0 0,晶闸管承受晶闸管承受反向电压而处于关断状态,负载电流为零,反向电压而处于关断状态,负载电流为零,负载上没有输出电压,直到电源电压负载上没有输出电压,直到电源电压u u2 2的的下一周期,直流输出电压下一周期,直流输出电压u ud d和负载电流和负载电流i id d的波形相位相同。的波形相位相同。通过改变触发角通过改变触发角 的大小,直流输出电压的大小,直流输出电压u ud d的波形发生变化,负载上的输出电压平均的波形发生变化,负载上的输出电压平均值发生变化,显然值发生变化,显然=180=180时,时,U Ud d=0 0。由由于晶闸管只在电源电压正半波内导通,输于晶闸管只在
5、电源电压正半波内导通,输出电压出电压u ud d为极性不变但瞬时值变化的脉动为极性不变但瞬时值变化的脉动直流,故称直流,故称“半波半波”整流。整流。3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图图3-2-1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(电阻性负载)及波形(电阻性负载)及波形5 首先,引入两个重要的基本概念:首先,引入两个重要的基本概念:触触发发延延迟迟角角:从从晶晶闸闸管管开开始始承承受受正正向向阳阳极极电电压压起起到到施施加加触发脉冲止的电角度触发脉冲止
6、的电角度,用用 表示表示,也称触发角或控制角。也称触发角或控制角。导通角导通角:晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角,用为导通角,用 表示表示 。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称为相位控制方式相位控制方式,简称,简称相控方式相控方式。在单相半波可控整流电阻性负载电路中在单相半波可控整流电阻性负载电路中,移相角移相角 的控制范围为的控制范围为:0 0,对应的导通角对应的导通角 的可变范围是的可变范围是 0 0,两者关系为两者关系为 =。3.2.1 3.2.1 单相半波可控
7、整流电路单相半波可控整流电路62.2.基本数量关系基本数量关系(1)(1)直流输出电压平均值直流输出电压平均值U Ud d与输出电流平均值与输出电流平均值I Id d3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路n 输出电流平均值输出电流平均值I Id d:n 直流输出电压平均值直流输出电压平均值U Ud d :7(2)(2)输出电压有效值输出电压有效值U U与输出电流有效值与输出电流有效值I I3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路n 输出电流有效值输出电流有效值I I :n 直流输出电压有效值U:8(3)(3)晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有
8、效晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值值单相半波可控整流电路中,负载、晶闸管和变单相半波可控整流电路中,负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流,故其有效值相等,压器二次侧流过相同的电流,故其有效值相等,即:即:3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路9(4)(4)功率因数功率因数coscos 整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值的比值式中式中 P P变压器二次侧有功功率,变压器二次侧有功功率,P P=UIUI=I I2 2R R S S变压器二次侧视在功率,变压器二次侧视在功率,S=US=U2 2I I
9、2 2(5)(5)晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压U UTMTM晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压U UTMTM是相电压峰值。是相电压峰值。3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路10例例3-13-1 如图所示单相半波可控整流器,电阻性如图所示单相半波可控整流器,电阻性负载,电源电压负载,电源电压U U2 2为为220V220V,要求的直流输出电压要求的直流输出电压为为50 V50 V,直流输出平均电流为直流输出平均电流为20A20A。试计算:试计算:(1)(1)晶闸管的控制角。晶闸管的控制角。(2)(2)输出电流有效值。输出电流有
10、效值。(3)(3)电路功率因数。电路功率因数。(4)(4)晶闸管的额定电压和额定电流。晶闸管的额定电压和额定电流。3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路11解:(1)当当=90 时,输出电流有效值时,输出电流有效值(3)(2)则=9012(4)晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值IT与输出电流有效值相等,即:与输出电流有效值相等,即:(5)晶闸管承受的最高电压:)晶闸管承受的最高电压:考虑考虑(23)倍安全裕量,晶闸管的额定电压为倍安全裕量,晶闸管的额定电压为根据计算结果可以选取满足要求的晶闸管。根据计算结果可以选取满足要求的晶闸管。取取2倍安全裕量,晶闸管的额定电流为:
11、倍安全裕量,晶闸管的额定电流为:则133.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路2)电感性负载)电感性负载电电感感性性负负载载通通常常是是电电机机的的励励磁线圈和负载串联电抗器等。磁线圈和负载串联电抗器等。电电感感性性负负载载的的特特点点:电电感感对对电电流流变变化化有有抗抗拒拒作作用用,使使得得流过电感的电流不发生突变。流过电感的电流不发生突变。图图3-2-2带阻感负载的带阻感负载的单相半波电路及其波形单相半波电路及其波形14图图3-2-3带阻感负载带阻感负载(不接续流管不接续流管)的的单相半波电路及其波形单相半波电路及其波形1.无无续流二极管时续流二极管时v工作原理工
12、作原理0:uAK大于零,但门极没有触发大于零,但门极没有触发信号,晶闸管处于正向关断状态,信号,晶闸管处于正向关断状态,输出电压、电流都等于零。输出电压、电流都等于零。在在t=时,门极有触发信号,晶闸时,门极有触发信号,晶闸管被触发导通,负载电压管被触发导通,负载电压ud=u2。当当t=时,交流电压时,交流电压u2过零,由于过零,由于有电感电势的存在,晶闸管的电压有电感电势的存在,晶闸管的电压uAK仍大于零,晶闸管会继续导通,仍大于零,晶闸管会继续导通,电感的储能全部释放完后,晶闸管电感的储能全部释放完后,晶闸管在在u2反压作用下而截止。直到下一反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周。个周期
13、的正半周。3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路有负面积有负面积15v数量关系数量关系 直流输出电压平均值直流输出电压平均值U Ud d为为 从从U Ud d的波形可以看出,由于电感负载的存在,电源电压由的波形可以看出,由于电感负载的存在,电源电压由正到负过零点也不会关断,输出电压出现了负波形,输出正到负过零点也不会关断,输出电压出现了负波形,输出电压和电流的平均值减小;当大电感负载时输出电压正负电压和电流的平均值减小;当大电感负载时输出电压正负面积趋于相等,输出电压平均值趋于零,则面积趋于相等,输出电压平均值趋于零,则I Id d也很小。所以,也很小。所以,实际的大
14、电感电路中,常常在负载两端并联一个续流二极实际的大电感电路中,常常在负载两端并联一个续流二极管管。3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路162.2.接续流二极管时接续流二极管时v工作原理工作原理u u2 20 0:u uAKAK0 0。在。在t=t=处触处触发晶闸管导通,发晶闸管导通,u ud d=u u2 2续流续流二极管二极管V VDRDR承受反向电压而处承受反向电压而处于断态。于断态。u u2 20 0:电感的感应电压使电感的感应电压使V VDRDR承受正向电压导通续流,承受正向电压导通续流,晶闸管承受反压关断晶闸管承受反压关断,u ud d=0=0。如果电感足
15、够大,续流二极管如果电感足够大,续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导一直导通到下一周期晶闸管导通,使通,使i id d连续。连续。3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路图图3-2-4带阻感负载带阻感负载(接续流管接续流管)的的单相半波电路及其波形单相半波电路及其波形u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)17由以上分析可以看出,电感性负载加续流二极管后,由以上分析可以看出,电感性负载加续流二极管后,输出电压波形与电阻性负载波形相同,续流二极管可输出电压波形与电阻性负载波形相同,续流二极管
16、可以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电电流波形连续且近似一条直线,流过晶闸管的电流波形流波形连续且近似一条直线,流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波和流过续流二极管的电流波形是矩形波。对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围移相范围与单相半波可控整流电路电阻性负载相同为与单相半波可控整流电路电阻性负载相同为0 0180180,且有,且有+=180180。3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路18v基本数量关系基本数量关系(1)(1)输出电
17、压平均值输出电压平均值U Ud d与输出电流平均值与输出电流平均值I Id d输出电压平均值输出电压平均值U Ud d输出电流平均值输出电流平均值I Id d3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路19(2)(2)晶闸管的电流平均值晶闸管的电流平均值I IdTdT与晶闸管的电流有效值与晶闸管的电流有效值I IT T晶闸管的电流平均值晶闸管的电流平均值I IdTdT :晶闸管的电流有效值晶闸管的电流有效值I IT T:3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路20(3)(3)续续流流二二极极管管的的电电流流平平均均值值I IdDdD与与续续流流二二极
18、极管管的的电电流有效值流有效值I ID D3.2.1 3.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路21单相半波可控整流电路的特点单相半波可控整流电路的特点 简单,但输出脉动大,变压器二次侧电流中简单,但输出脉动大,变压器二次侧电流中简单,但输出脉动大,变压器二次侧电流中简单,但输出脉动大,变压器二次侧电流中含直流分量,造成变压器铁芯直流磁化。含直流分量,造成变压器铁芯直流磁化。含直流分量,造成变压器铁芯直流磁化。含直流分量,造成变压器铁芯直流磁化。实际上很少应用此种电路。实际上很少应用此种电路。实际上很少应用此种电路。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的是建立起整流电路的分析该
19、电路的主要目的是建立起整流电路的分析该电路的主要目的是建立起整流电路的分析该电路的主要目的是建立起整流电路的基本概念。基本概念。基本概念。基本概念。3.2.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路223.2.2 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路1)带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析工作原理及波形分析VT1和和VT4组组成成一一对对桥桥臂臂,在在u2正正半半周周承承受受电电压压u2,得得到到触触发发脉脉冲冲即即导导通通,当当u2过过零零时关
20、断。时关断。VT2和和VT3组组成成另另一一对对桥桥臂臂,在在u2正正半半周周承承受受电电压压-u2,得得到到触触发发脉脉冲冲即即导导通通,当当u2过过零时关断。零时关断。电路结构电路结构单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)23数量关系数量关系1)1)输出直流电压平均值输出直流电压平均值U Ud d及有效值及有效值U U(a 角的移相范围为角的移相范围为180。)。)3.2.2 3.2.2 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路2)输出直流电流平均值输出直流电流平均值Id3)晶闸管电流平均值晶闸管电流平均
21、值IdT和有效值和有效值ITpwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4243.2.2 3.2.2 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路5)5)功率因数功率因数4)4)变压器二次测电流有效值变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流与输出直流电流I有效值相等:有效值相等:不考虑变压器的损耗时,要不考虑变压器的损耗时,要求变压器的容量求变压器的容量 S=U2I2。pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4253.2.2 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路2)带阻感负载的工作情况)带阻感负载的工作情况u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOw
22、tuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图3-2-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形假假设设电电路路已已工工作作于于稳稳态态,id的的平平均值不变。均值不变。假假设设负负载载电电感感很很大大,负负载载电电流流id连续且波形近似为一水平线连续且波形近似为一水平线。u2过过零零变变负负时时,晶晶闸闸管管VT1和和VT4并不关断。并不关断。至至t=+时时刻刻,晶晶闸闸管管VT1和和VT4关断,关断,VT2和和VT3两管导通两管导通。VT2和和VT3导导通通后后,VT1和和VT4承承受受反反压压关关断断,流流过过VT1和和VT4的的电电流流迅迅速速转转移移到到VT2和和
23、VT3上上,此此过过程称程称换相换相,亦称,亦称换流换流。263.2.2 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路数量关系数量关系晶闸管移相范围为晶闸管移相范围为90。晶晶 闸闸 管管 导导 通通 角角 与与 a无无 关关,均均 为为180。电流的平均值和有效值:。电流的平均值和有效值:变压器二次侧电流变压器二次侧电流i2的波形为正负各的波形为正负各180 的矩形波,其相的矩形波,其相位由位由a角决定,有效值角决定,有效值I2=Id。晶闸管承受的最大正反向电压均为晶闸管承受的最大正反向电压均为。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2
24、,3iVT1,427电感性负载(接续流二极管)电感性负载(接续流二极管)电感性负载(接续流二极管)电感性负载(接续流二极管)为为为为了了了了扩扩扩扩大大大大移移移移相相相相范范范范围围围围,使使使使波波波波形形形形不不不不出出出出现现现现负负负负值值值值且且且且输输输输出出出出电电电电流流流流更更更更加加加加平平平平稳稳稳稳,可可可可在在在在负负负负载载载载两两两两端端端端并并并并接接接接续续续续流流流流二二二二极极极极管管管管,如如如如图图图图3-2-7a3-2-7a3-2-7a3-2-7a电路所示。电路所示。电路所示。电路所示。接接接接续续续续流流流流管管管管后后后后,的的的的移移移移相相
25、相相范范范范围围围围可可可可扩扩扩扩大大大大到到到到0 0 0 0。在在在在这这这这区区区区间间间间内内内内变变变变化化化化,只只只只要要要要电电电电感感感感量量量量足足足足够够够够大大大大,输输输输出出出出电电电电流流流流i i i id d d d就就就就可可可可保保保保持持持持连连连连续续续续且平稳。且平稳。且平稳。且平稳。在在在在电电电电源源源源电电电电压压压压u u u u2 2 2 2过过过过零零零零变变变变负负负负时时时时,续续续续流流流流管管管管承承承承受受受受正正正正向向向向电电电电压压压压而而而而导导导导通通通通,晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管承承承承受受受受反反反反向向向向电电
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