ACDC变换器整流和有源逆变电路.pptx

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1、第5 AC-DC AC-DC变换器（整流和有源逆变）引言整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。整流电路整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。第1页/共113页5.1 不可控整流电路 单相不可控整流电路单相不可控整流电路 三相不可控整流电路三相不可控整流电路 整流滤波电路整流滤波电路 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路*注：加注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。表示了解，大家自己看，课上不讲。第2页/共113页

2、利用电力二极管的单相导电性可以十分简单地实现交流直流电力变换。由于二极管整流电路输出的直流电压只与交流输入电压的大小有关，不能控制其数值，故称为不控整流电路。5.1 5.1 不控整流电路第3页/共113页t0223二极管导通情况VD1导通VD1截止VD1导通负载电压udu20u2负载电流idu2/R0u2/R二极管端电压uVD10u20负载电压平均值Ud 电源变压器副边电压有效值为U2单相不控整流电路图5-1 单相半波整流电路带电阻性负载电路及波形 表5-1单相半波不控整流电路电阻负载时各区间工作情况第4页/共113页图5-1不带续流二极管的单相半波整流电路带阻感负载电路及波形 t0t1t12

3、二极管导通情况VD1导通VD1导通 VD1截止负载电压udu2u20负载电流id有有0二极管端电压uVD100u2单相不控整流电路表5-2单相半波不控整流电路阻感负载时各区间各区间工作情况第5页/共113页图5-1带续流二极管的单相半波整流电路带阻感负载电路及带大电感负载电流波形波形 t02二极管导通情况VD1导通、VD2截止VD1截止、VD2导通负载电压udu20负载电流id稳定直流整流二极管电流iVD1方波电流0续流二极管电流iVD20方波电流整流二极管端电压uVD10u2续流二极管端电压uVD2-|u2|0单相不控整流电路表5-3单相半波不控整流电路大电感负载带续流二极管时各区间工作情况

4、第6页/共113页除阻感负载不带续流二极管电路之外，半波整流负载电压仅为交流电源的正半周电压，从而使交流电源利用率偏低，且输出脉动大，因此使用范围较窄。若能经过变换将交流电源的负半周电压也得到利用，即获得图5-2a中的负载电压波形，则负载电压平均值Ud可提高1倍，从而使交流电源利用率成倍提高。采用单相全波整流电路单相不控整流电路图5-1（e）单相半波整流电路带电阻性负载电路及波形 图5-2a 单相全波整流电路负载电压波形第7页/共113页单相全波整流电路图5-2 单相全波整流电路及工作波形a)单相全波整流电路负载电压波形 b)单相全波整流电路 c)交流输入正半周整流电路工作图 d)交流输入负半

5、周整流电路工作图 单相不控整流电路第8页/共113页t02二极管导通情况VD1导通、VD2截止VD2导通、VD1截止ud|u2|u2|uVD1和uVD2uVD1=0，uVD2=-2|u2|uVD1=-2|u2|，uVD2=0负载电压平均值Ud单相不控整流电路表5-4单相全波整流电路各区间工作情况图5-2（b）单相全波整流电路第9页/共113页图5-3(a)单相桥式整流电路图5-2(b)单相全波整流电路 单相不控整流电路单相全波整流电路必须要有一个带中心抽头的变压器，且二极管承受的最高电压为。为获得全波整流电路的负载电压波形，并克服全波整流电路的缺点，可采用桥式整流电路第10页/共113页图5-

6、3 a)单相桥式整流电路 b)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 c)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图 单相不控整流电路第11页/共113页t02二极管导通情况VD1和VD4导通、VD2和VD3截止VD2和VD3导通、VD1和VD4截止ud|u2|u2|uVDuVD1,4=0，uVD2,3=-|u2|uVD3=0，uVD1,4=-|u2|Ud单相不控整流电路表5-5单相桥式整流电路各区间工作情况图5-3(a)单相桥式整流电路第12页/共113页在单相输入的AC-DC整流电路中，单相桥式整流电路应用极为广泛。半波整流电路交流电源电流是单方向的，电源变压器存在直流磁化现象，是半波整流电路的应

7、用不广泛的主要原因之一。而桥式和全波电路电源电流双向流动，使交流电源得到充分利用，也不存在电源变压器直流磁化现象。单相不控整流电路第13页/共113页单相交流整流电路的功率通常限制在数个kW以下，因此要求更大功率直流电源的设备就需要利用三相交流电源和三相整流电路，其中应用最广泛的是三相桥式整流电路。由于三相桥式整流电路多用于中、大功率场合，因此很少采用单个二极管进行组合，而多采用三相整流模块，如图5-4a所示。图5-4 三相桥式整流电路和整流模块三相不控整流电路 单相不控整流电路第14页/共113页共阴极组的3个二极管中阳极所接交流电压瞬时值最高的一个二极管导通共阳极组的3个二极管中阴极所接交

8、流电压瞬时值最低的一个二极管导通即任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个二极管处于导通状态。图5-4 三相桥式整流电路和负载电压波形 三相不控整流电路 第15页/共113页时时 段段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的二极管VD1VD1VD3VD3VD5VD5共阳极组中导通的二极管VD6VD2VD2VD4VD4VD6整流输出电压uduabuacubcubaucaucb整流电压平均值Ud表5-6三相桥式整流电路各区间工作情况 三相不控整流电路 将负载电压ud波形中的一个周期分成6段，每段60，每段导通的二极管及输出整流电压的情况如表5-6所示。第16页/共113页交流电经过二极管整流后多为方向单

9、一的直流电，但是大小还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般不能直接给装置供电。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。滤波的任务，就是把整流器输出电压或电流中的波动成分尽可能地减小，使其输出接近恒定值的直流电。常用的滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路和复式滤波电路。整流滤波电路 三相不控整流电路 第17页/共113页 整流滤波电路 1电容滤波电路将电容作为储能元件,利用了电容两端电压不能突变的特点。目前大量普及的微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源中，通常都是在单相桥式不控整流桥后面并联一个较大容值的滤波电容以平滑其输出直流电压，如图5-5a所示。

10、图5-5（a）电容滤波的单相桥式不可控整流电路第18页/共113页整流滤波电路 2电感滤波电路*电容滤波电路利用了电容两端电压不能突变的特点，可实现电压平滑。电感滤波电路则是利用流进电感中的电流不能突变的特点，使输出电流平滑。电感有电流平波作用。电感滤波电路及对应的负载电流波形如图5-6所示。图5-6 电感滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形注：加注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。表示了解，大家自己看，课上不讲。第19页/共113页整流滤波电路 对于负载而言，采用大电容滤波的整流电路相当于直流电压源，而采用大电感滤波的整流电路相当于直流电流源。注：加注：加*表示了解，大家自己看，课上不

11、讲。表示了解，大家自己看，课上不讲。第20页/共113页 整流滤波电路 3复式滤波电路*复式滤波器的组成。图5-7所示是由电感与电容组成的2阶LC滤波器，其滤波效果比单一电容所构成的一阶滤波器的滤波效果有显著提高，适用于负载电流较大、要求纹波很小的场合。但是由于电感体积和重量相对较大（高频时可减小），成本也较高，一般情况下使用得不多。图5-7 电感和电容组成的复式滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形注：加注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。表示了解，大家自己看，课上不讲。第21页/共113页整流滤波电路 在上述3种形式的滤波电路中，电容滤波电路的应用相对较多。注意：在电容滤波电路中，当电

12、路接入电网时瞬间，电容的充电过程会导致电流浪涌，因此在实际应用时要考虑整流桥的抗浪涌能力。也可采用图5-8所示的抗浪涌电路，也称作软起电路。图5-8 单相桥式不可控整流电路的抗浪涌电路注：加注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。表示了解，大家自己看，课上不讲。第22页/共113页倍压、倍流不控整流电路 1倍压不控整流电路世界各国的市电电压（单相电压）并不完全一样，有的单相电压有效值为110V，有的为220V（或230V），如我国的市电电压标准为220V。为适应两种不同交流电压如110V和220V的应用，实现两种输入电源的转换，可采用图5-9所示的倍压整流技术。图5-9 倍压不可控整流电路 倍

13、压、倍流不控整流电路*注：加注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。表示了解，大家自己看，课上不讲。第23页/共113页两种输入交流电压的转换由开关S来完成。当输入220V交流电压时，开关S断开，此时，由二极管VD1VD4组成的全桥整流电路对220V交流电压进行整流，若输出滤波电容容量足够大，则整流电路输出负载两端的直流电压ud 。当输入电压为110V交流电压时，开关S闭合：在输入交流电压正半周，110V交流电压通过VD1、C1进行半波整流，若输出滤波电容C1容量足够大，则C1上输出的直流电压ud1 ；倍压、倍流不控整流电路*注：加注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。表示了解，大家自己看，

14、课上不讲。第24页/共113页而在输入交流电压负半周，110V交流电压通过VD2、C2进行半波整流，若输出滤波电容C2容量足够 大，则 C2上 输 出 的 直 流 电 压 ud2 。显然，在输入电压为110V交流电压时，若开关S闭合，此时整流电路输出负载两端的直流电压应为ud2+ud2 =ud。S闭合时的电流被称为二倍压整流。还有多倍压整流电路，其基本原理与二倍压整流一样。倍压、倍流不控整流电路*注：加注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。表示了解，大家自己看，课上不讲。第25页/共113页2倍流不控整流电路出于电隔离和电压匹配的需要，在DC/DC变换中常采用间接变换方案，即含有DC-AC-

15、DC的直流变换电路。其输出端整流电路属于高频整流电路，输出为正负对称的方波。当输出为低压大电流时，传统的桥式整流电路中存在两个二极管压降，二极管的导通损耗会大大降低电路的效率；而全波整流电路虽然只需要2个二极管，损耗小，但变压器二次侧绕组有中心抽头，给高频变压器的绕制带来困难。倍压、倍流不控整流电路*注：加注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。表示了解，大家自己看，课上不讲。第26页/共113页倍流整流电路变压器二次侧匝数与全波整流电路相等，比全桥电路多一倍，但不用中心抽头，电路中只有两个二极管，绕组中的电流iT只是输出电流iL的一半。换句话说，输出电流iL是绕组电流iT的两倍，这也是倍流整

16、流电路得名的由来。图5-10 倍流整流电路 倍压、倍流不控整流电路*注：加注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。表示了解，大家自己看，课上不讲。第27页/共113页与全波整流电路相比，倍流整流电路中的整流二极管电压定额不变，流过的电流数值少一半。虽然用了两个滤波电感，但由于流过的电流只为负载电流的一半，故电感量可小一些，绕制电感的导线可细一些，因此电感体积缩小不少，两个电感的体积和重量与全波整流电路的滤波电感差不多。图5-10 倍流整流电路 倍压、倍流不控整流电路*注：加注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。表示了解，大家自己看，课上不讲。第28页/共113页t0t1段，电源电压uT处于正

17、半周，二极管VD1截止，VD2正偏导通，iL1由电源经L1、VD2和负载R流过，为负载R提供能量，同时L1储能，因此该段被称为L1储能期。而L2经VD2释放能量给R，iL1和iL2流动方向如图c所示，iL=iL1+iL22iL1。c）图5-10 倍流整流电路 倍压、倍流不控整流电路*注：加注：加*表示了解，大家自己看，表示了解，大家自己看，课上不讲。课上不讲。第29页/共113页t2t3段，电源电压uT处于负半周，二极管VD1正偏导通，VD2截止，iL2由电源经L2、VD1和负载R流过，为负载R提供能量，同时L2储能，而L1经VD1释放能量给R，因此该段被称为L1放能期。iL1和iL2流动方向

18、如图d所示，iL=iL1+iL22iL1。d）图5-10 倍流整流电路 倍压、倍流不控整流电路*注：加注：加*表示了解，大家自己看，表示了解，大家自己看，课上不讲。课上不讲。第30页/共113页t1t2段和t3t4，电源电压uT=0，L1和L2分别通过VD1和VD2续流，为R提供能量，该段被称为L1L2放能区。iL1和iL2流动方向如图e所示，iL=iL1+iL22iL1。e）图5-10 倍流整流电路 倍压、倍流不控整流电路*注：加注：加*表示了解，大家自己看，表示了解，大家自己看，课上不讲。课上不讲。第31页/共113页5.2 单相可控整流电路 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 单相

19、桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路几个重要概念几个重要概念第32页/共113页若将不控整流电路中的整流二极管换成晶闸管或GTR等全控器件，则整流电路就成为可控整流电路。其中以晶闸管为整流器件的相控整流电路是经典的可控整流电路，该整流电路有多种形式，其负载有电阻负载、阻感负载和反电势负载等，负载的性质不同，晶闸管整流电路的工作情况也不一样，但它们都基于一个工作原理移相控制技术。5.3 相控整流电路 5.2 单相可控整流电路引言第33页/共113页单相半波可控整流电路图5-11 单相半波可控整流电路及波形1 1）

20、带电阻负载的工作情况）带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电电阻阻负负载载的的特特点点：电压与电流成正比，两者波形相同。tTVTR0a)u1u2uVTudidt1p2ptttu2uguduVTq0b)c)d)e)00单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)第34页/共113页单相半波可控整流电路VT的 移相范围为180 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。首先，引入两个重要的基本概念：触触发发延延迟迟角角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲

21、止的电角度,用表示,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，用表示。基本数量关系基本数量关系直流输出电压平均值为(5-1)第35页/共113页单相半波可控整流电路2)带阻感负载的工作情况 图5-12 带阻感负载的 单相半波电路及其波形阻阻感感负负载载的的特特点点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。讨论负载阻抗角j、触发角、晶闸管导通角的关系。ttttu20t1p2 ptug0ud0id0uVT0qb)c)d)e)f)+第36页/共113页单相半波可控整流电路对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于 电 路 在 VT

22、处 断 开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路。图5-13单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态b)VT处于导通状态电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。第37页/共113页单相半波可控整流电路当VT处于通态时，如下方程成立：VTb)RLu2b)VT处于导通状态（5-2）（5-4）初始条件：t=，id=0。求解式（5-2）并将初始条件代入可得当t=+时，id=0，代入式（5-3）并整理得（5-3）其中 ，第38页/共113页单相半波可控整流电路续流二极管u2udiduVTiVTIdIdt1tt

23、ttttOOOOOOp-p+b)c)d)e)f)g)iVDRa)图5-14 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流续流。数量关系数量关系(id近似恒为Id）（5-5）（5-6）（5-7）（5-8）第39页/共113页单相半波可控整流电路VT的 移相范围为180。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。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。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第40

24、页/共113页单相桥式全控整流电路1)带电阻负载的工作情况a)u(i)pttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4图5-15 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VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构电路结构单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)第41页/共113页单相桥式全控整流电路数量关系（5-9）角的移相范围为

25、180。向负载输出的平均电流值为：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：（5-11）(5-10)pttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4第42页/共113页单相桥式全控整流电路流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由式（2-12）和式（2-13）得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2。（5-12）（5-13）（5-14）pttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4第43页/共113页单相桥式全控整流电路2）带阻感负载的工作情况u2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdId

26、IdiVT2,3iVT1,4图5-16 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=+时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相换相，亦称换流换流。第44页/共113页单相桥式全控整流电路数量关系（5-15）晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角与无关，均为180。电流的平均值和有效值：变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波

27、，其相位由a角决定，有效值I2=Id。晶闸管承受的最大正反向电压均为 。2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4第45页/共113页单相桥式全控整流电路3）带反电动势负载时的工作情况图5-17单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。在 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。导通之后，ud=u2，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角，（5-16）b)idOEudtIdOtqd第46页/共1

28、13页单相桥式全控整流电路当 30 的情况（的情况（图5-24）特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120。b)c)d)e)f)u2uaubuc=0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttta)R动画演示第60页/共113页三相半波可控整流电路（5-18）当=0时，Ud最大，为 。(5-19)整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算30时，负载电流连续，有：30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：第61页/共113页三相半波可控整流电路Ud/U2随变化的规律如图5-25中的曲线1所示。图5-25三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载2电感负载3

29、电阻电感负载第62页/共113页三相半波可控整流电路负载电流平均值为 晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即（5-20）（5-21）（5-22）第63页/共113页三相半波可控整流电路2）阻感负载图5-26 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及=60时的波形特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。30时：整流电压波形与电阻负载时相同。30时（如=60时的波形如图2-16所示）。u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近

30、似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为90。udiauaubucibiciduacOtOtOOtOOttt动画演示第64页/共113页三相半波可控整流电路数量关系由于负载电流连续，Ud可由式（5-18）求出，即 当 00时，Ud/U2与 成余弦关系，如图5-25中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，Ud/U2与a的关系将介于曲线1和2之间，曲线3给出了这种情况的一个例子。图5-25三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载2电感负载3电阻电感负载第65页/共113页三相半波可控整流电路变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为晶闸管的额定电流为晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二

31、次线电压峰值三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。（5-23）（5-24）（5-25）第66页/共113页三相桥式全控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路共共阴阴极极组组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共共阳阳极极组组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）图5-27三相桥式全控整流电路原理图导通顺序：VT1VT2VT3VT4VT5VT6第67页/共113页三相桥式全控整流电路1）带电阻负载时的工作情况当60 时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续 波形图：=0 （图528）=30（图529）=60

32、（图530）当60 时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值 波形图：=90（图531）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120第68页/共113页三相桥式全控整流电路晶闸管及输出整流电压的情况如表57所示时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb第69页/共113页三相桥式全控整流电路（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-V

33、T5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。三相桥式全控整流电路的特点特点（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。第70页/共113页三相桥式全控整流电路（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）(5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、

34、反向电压的关系也相同。三相桥式全控整流电路的特点特点第71页/共113页三相桥式全控整流电路2)阻感负载时的工作情况 60 时时（=0 图532；=30 图533）ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。各晶闸管的通断情况 输出整流电压ud波形 晶闸管承受的电压波形主要包括 60 时（时（a=90图534）阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。阻感负载时，ud波形会出现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的 角移相范围为90。区别在于：得到的负载电流id波形不同。当电感足够大的时候，id的波形可近似为一条水平线。第72页/共113页三相桥式全

35、控整流电路3)定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载 60 时）的平均值为：带电阻负载且 60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为：Id=Ud/R（5-26）（5-27）第73页/共113页三相桥式全控整流电路当整流变压器为图5-27中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图5-33中所示，其有效值为：（5-28）晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。接反电势阻感负载时，在负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同。仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：（5-29）式中R和E分别为负载中的电阻

36、值和反电动势的值。第74页/共113页5.4 变压器漏感对整流电路的影响考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示。现以三相半波为例，然后将其结论推广。ik=ib是逐渐增大的，而ia=Id-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断,换流过程结束。VT1换相至VT2的过程：因a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变。于是VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流ik。图5-35 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形udidtOtOgiciaibiciaIduaubuc第75页/共113页5.4 变压器

37、漏感对整流电路的影响换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度g g表示。换相过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。（5-30）（5-31）第76页/共113页5.4 变压器漏感对整流电路的影响换相重叠角g g的计算由上式得：进而得出：（5-32）（5-33）（5-34）第77页/共113页5.4 变压器漏感对整流电路的影响由上述推导过程，已经求得：当 时，于是g g 随其它参数变化的规律：（1）Id越大则g g 越大；（2）XB越大g g 越大；（3）当 90 时，越小g g 越大。（5-35）（5-36）第

38、78页/共113页5.4 变压器漏感对整流电路的影响 变压器漏抗对各种整流电路的影响 电路形式单相全波单相全控桥三相半波三相全控桥m脉波整流电路 表5-8 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算注：单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用；三相桥等效为相电压等于 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按 代入。第79页/共113页5.4 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路影响的一些结论:出现换相重叠角g g，整流输出电压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多。晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。

39、换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。第80页/共113页5.5 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路 电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路第81页/共113页5.5 电容滤波的不可控整流电路在交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用。最常用的是单相桥和三相桥两种接法。由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为二极管整流电路。第82页/共113页电容滤波的单相不可控整流电路常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及

40、的微机、电视机等家电产品中。1）工作原理及波形分析工作原理及波形分析图5-36 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a)电路 b)波形基本工作过程基本工作过程：在u2正半周过零点至w wt=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至w wt=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。b)0iudqdp2pti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud至 之后，VD1和VD4关断，电容开始以指数规律放电。第83页/共113页2)主要的数量关系 输出电压平均值输出电压平均值

41、电流平均值电流平均值 输出电流平均值IR为：IR=Ud/R Id=IR 二极管电流iD平均值为：ID=Id/2=IR/2 二极管承受的电压二极管承受的电压 （5-47）（5-48）（5-49）空载时，。重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性。在设计时根据负载的情况选择电容C值，使,此时输出电压为：Ud1.2 U2。(T为交流电源的周期)（5-46）电容滤波的单相不可控整流电路第84页/共113页电容滤波的单相不可控整流电路感容滤波的二极管整流电路实际应用为此情况，但分析复杂。ud波形更平直，电流i2的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的。图5-37 感容滤波的单相

42、桥式不可控整流电路及其工作波形a）电路图 b）波形a)b)u2udi20dqpti2,u2,ud第85页/共113页电容滤波的三相不可控整流电路1）基本原理某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。图5-38 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0dqtpp3t第86页/共113页电容滤波的三相不可控整流电路 电流id 断续和连续的临界条件临界条件在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=/w wC。由“电压下降速度相

43、等”的原则，可以确定临界条件。假设在t+d=2p/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有图5-39电容滤波的三相桥式整流电路当w wRC等于和小于 时的电流波形 a）w wRC=b）w wRCEMb）两电动势同极性EMEG c）两电动势反极性，形成短路电路过程分析。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。第92页/共113页 逆变的概念3)逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机图5-42 单相全波电路的整流和逆变交流电网输出电功率电动机输出电功率a)b)u10udu20u10OOttIdidUdEMu10udu20u10OOttIdidU

44、d /2，使Ud为负值。半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。第94页/共113页三相桥整流电路的有源逆变工作状态逆变和整流的区别：控制角 不同 0 p p/2 时，电路工作在整流状态。p p/2 p p/2时的控制角用p-p-=b b表示，b b 称为逆变角逆变角。逆变角b b和控制角 的计量方向相反，其大小自b=0的起始点向左方计量。第95页/共113页三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图5-46所示。图5-43 三相桥式整流电路工作于有

45、源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udtOtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6t1t3t2三相桥整流电路的有源逆变工作状态第96页/共113页有源逆变状态时各电量的计算：输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即（5-105）每个晶闸管导通2p p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：（5-106）从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：（5-107）当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流

46、电源。（5-108）在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：三相桥整流电路的有源逆变工作状态第97页/共113页 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败（逆变颠覆）逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联顺向串联，形成很大短路电流短路电流。触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。交流电源缺相或突然消失。换相的裕量角不足，引起换相失败。1)逆变失败的原因逆变失败的原因第98页/共113页 逆变失败与最小逆变角的限制换相

47、重叠角的影响：图5-44 交流侧电抗对逆变换相过程的影响当b g 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。如果b g 时（从图5-44右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1)不能关断，最终导致逆变失败。udOOidttuaubucuaubpbgb giVT1iVTiVT3iVTiVT322第99页/共113页 逆变失败与最小逆变角的限制2)确定最小逆变角b bmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角b b 应等于b bmin=d d+g g+q q（5-109）d d 晶闸管的关断时间tq折合的电角度g g 换相重叠角q q安全裕量角tq大的可达20

48、0300ms，折算到电角度约45。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。主要针对脉冲不对称程度（一般可达5），值约取为10。第100页/共113页g g 换相重叠角的确定：1)查阅有关手册举例如下：整流电压 整流电流变压器容量短路电压比Uk%g g220V800A240kV。A5%1520参照整流时g g 的计算方法（5-110）（5-111）根据逆变工作时 ，并设 ，上式可改写成这样，b bmin一般取3035。逆变失败与最小逆变角的限制第101页/共113页 本章小结1)可控整流电路，重点掌握：电力电子电路按分段线性电路进行分析的基本思想、单相全控桥式整流电路和三相全控桥式整流电路的原理分

49、析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响；2)电容滤波的不可控整流电路的工作情况，重点了解其工作特点；3)与整流电路相关的一些问题，包括：(1)变压器漏抗对整流电路的影响，重点建立换相压降、重叠角等概念，并掌握相关的计算，熟悉漏抗对整流电路工作情况的影响。(2)整流电路的谐波和功率因数分析，重点掌握谐波的概念、各种整流电路产生谐波情况的定性分析，功率因数分析的特点、各种整流电路的功率因数分析。第102页/共113页 本章小结4)大功率可控整流电路的接线形式及特点，熟悉双反星形可控整流电路的工作情况，建立整流电路多重化的概念。5)可控整流电路的有源逆变工作状态，重点掌握产生有源逆变的条件、三相

50、可控整流电路有源逆变工作状态的分析计算、逆变失败及最小逆变角的限制等。第103页/共113页图5-23 三相半波可控整流电路，电阻负载，=30=30 时的波形=30u2uaubucOtOtOtOtOtuGuduabuact1iVT1uVT1uac第104页/共113页图5-24 三相半波可控整流电路，电阻负载，=60=60 时的波形tttt=60u2uaubucOOOOuGudiVT1第105页/共113页图5-28三相桥式全控整流电路带电阻负载=0=0 时的波形u2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabua