河南理工大学电力电子课件2.3-4电容滤波的不可控整流电路和大功率可控整流电路.ppt

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1、好学力行河南理工大学明德任责电力电子技术电力电子技术河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院朱艺锋朱艺锋Email:Email:PowerElectronicsTechnology好学力行河南理工大学明德任责第第2 2章章 整流电路整流电路好学力行河南理工大学明德任责 内容提要内容提要v2.1 单相整流电路单相整流电路v2.2 三相整流电路三相整流电路v2.3 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路v2.4 大功率可控整流电路大功率可控整流电路v2.5 有源逆变电路有源逆变电路v2.6 整流电路的谐波及功率因数整流电路的谐波及功率因数v2.7 晶闸管晶闸管-直流电动机系统直流电动机系

2、统v2.8 相控电路的驱动电路相控电路的驱动电路v2.9 PWM整流电路整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.3电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路2.3.1 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2.3.2 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好学力行河南理工大学明德任责2.3电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路在在交交直直交交变变频频器器、不不间间断断电电源源、开开关关电电源源等等应应用用场场合合中中，大大量量应应用用。由由不不可可控控整整流流电电路路提提供供直直流流电源，供后级的逆变器和斩波器等使用。电源，供后级的逆变器和斩

3、波器等使用。最常用的是最常用的是单相桥单相桥和和三相桥三相桥两种接法。两种接法。由由于于电电路路中中的的电电力力电电子子器器件件采采用用整整流流二二极极管管，故故也也称这类电路为称这类电路为二极管整流电路二极管整流电路。好学力行河南理工大学明德任责2.3.1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常常用用于于小小功功率率单单相相交交流流输输入入的的场场合合，如如目目前前大大量量普普及及的微机、电视机等家电产品中。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图2-24 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波

4、形a)电路电路 b)波形波形在在u2正半周正半周过过零点至零点至wt=0期期间间，因，因u2ud，故二极管，故二极管均不均不导导通，通，电电容容C向向R放放电电，提供，提供负载负载所需所需电电流。流。至至wt=0之后，之后，u2将要超将要超过过ud，使得，使得VD1和和VD4开通，开通，ud=u2，交流，交流电电源向源向电电容充容充电电，同，同时时向向负载负载R供供电电。b)0iudq qd dp p2p pw wti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud好学力行河南理工大学明德任责2.3.1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导通角导通角的确

5、定：的确定：b)0iudq qd dp p2p pw wti,udu2过了峰值之后，过了峰值之后，u2和电容电压和电容电压uC都开始下降。都开始下降。VD1和和VD4的关断时刻，从物理意义上讲，就是的关断时刻，从物理意义上讲，就是两个电压下降速度相等的时刻。两个电压下降速度相等的时刻。好学力行河南理工大学明德任责2)主要的数量关系主要的数量关系输出电压平均值输出电压平均值 电流平均值电流平均值 输出电流平均值输出电流平均值IR为：为：IR=Ud/R Id=IR 二极管电流二极管电流iD平均值为：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 空空载时载时，。重重载载时时，

6、Ud逐逐渐渐趋趋近近于于0.9U2，即即趋趋近近于于接接近近电电阻阻负负载载时时的特性。的特性。在在设设计计时时根根据据负负载载的的情情况况选选择择电电容容C值值，使使 ,此此时输时输出出电压为电压为：Ud1.2 U2。2.3.1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好学力行河南理工大学明德任责感容滤波的二极管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。实际应用为此情况，但分析复杂。ud波波形形更更平平直直，电电流流i2的的上上升升段段平平缓缓了了许许多多，这这对于电路的工作是有利的。对于电路的工作是有利的。图图2-27感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工

7、作波形感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a）电路图电路图b）波形）波形2.3.1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好学力行河南理工大学明德任责感感容容滤滤波波的的二二极极管整流电路管整流电路:a)b)u2udi20d dq qp pw wti2,u2,ud2.3.1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b)0iudq qd dp p2p pw wti,ud好学力行河南理工大学明德任责2.3.2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1）基本原理基本原理某一对二极管导通时，某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最输出电压等

8、于交流侧线电压中最大的一个大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。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，当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规按指数规律下降。律下降。图图2-28 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0dqtpp3t好学力行河南理工大学明德任责 电电流流id 断断续续和和连续连续的的临临界条件界条件wRC=在在轻载时轻载时直流直流侧获侧获得的充得的充电电电电流是断流是断续续的，重的，重载时载时是是连续连续的，的，分界点就是分界点就是R=/wC。

9、由由“电压电压下降速度相等下降速度相等”的原的原则则，可以确定，可以确定临临界条件。界条件。假假设设在在wt+d d=2p p/3的的时时刻刻“速度相等速度相等”恰好恰好发发生，生，则则有有由上式可得由上式可得（2-50）2.3.2电电容容滤滤波的三相不可控整流波的三相不可控整流电电路路好学力行河南理工大学明德任责在在轻载时轻载时直流直流侧获侧获得的充得的充电电电电流是断流是断续续的，重的，重载时载时是是连续连续的，分界点就是的，分界点就是R=/wC。图图2-29电电容容滤滤波的三相波的三相桥桥式整流式整流电电路当路当wRC等于和小于等于和小于 时时的的电电流波形流波形 a）wRC=b）wRC

10、a)b)wtwtwtwtaidaidOOOO2.3.2电电容容滤滤波的三相不可控整流波的三相不可控整流电电路路好学力行河南理工大学明德任责考考虑虑实实际际电电路路中中存存在在的的交交流流侧侧电电感感以以及及为为抑抑制制冲冲击击电流而串联的电感时的工作情况：电流而串联的电感时的工作情况：电电流流波波形形的的前前沿沿平平缓缓了了许许多多，有有利利于于电电路路的的正正常常工工作作。随随着着负负载载的的加加重重，电电流流波波形形与与电电阻阻负负载载时时的交流侧电流波形逐渐接近。的交流侧电流波形逐渐接近。图图2-32 考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波

11、形 a）电路原理图）电路原理图 b）轻载时的交流侧电流波形）轻载时的交流侧电流波形 c）重载且滤波电感很大时的交流侧电流波形）重载且滤波电感很大时的交流侧电流波形2.3.2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好学力行河南理工大学明德任责2)主要数量关系主要数量关系（1）输出电压平均值）输出电压平均值Ud在（在（2.34U22.45U2）之间变化）之间变化（2）电流平均值）电流平均值输出电流平均值输出电流平均值IR为：为：IR=Ud/R 与单相电路情况一样，电容电流与单相电路情况一样，电容电流iC平均值为零，平均值为零，因此：因此：Id=IR二极管电流平均值为二极管电流平均值

12、为Id的的1/3，即：，即：ID=Id/3=IR/3（3）二极管承受的电压）二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为2.3.2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好学力行河南理工大学明德任责小小 结结 重点：重点：1 1）带电容滤波的二极管整流电路的输出）带电容滤波的二极管整流电路的输出 电压范围；电压范围；2 2）该电路的）该电路的RCRC经验取值范围以及对应经验取值范围以及对应的输出电压；的输出电压；2.3带电容滤波的二极管带电容滤波的二极管整流电路整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.4大功率可控整流电路大

13、功率可控整流电路2.4.12.4.1 带平衡电抗器的双反星形带平衡电抗器的双反星形带平衡电抗器的双反星形带平衡电抗器的双反星形 可可可可控控控控整流整流整流整流电路电路电路电路2.4.22.4.2 多重化整流电路多重化整流电路多重化整流电路多重化整流电路好学力行河南理工大学明德任责2.4大功率可控整流电路大功率可控整流电路引言引言采用大功率器件、器件串并联、整流电路串并联采用大功率器件、器件串并联、整流电路串并联带带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：适用于适用于低电压、大电流低电压、大电流的的场合，简称双反星型电路。场合，简称双反星型电路。多重化整

14、流电路的特点：多重化整流电路的特点：在采用相同器件时可达到更大的功率。在采用相同器件时可达到更大的功率。可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰。减小对供电电网的干扰。好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路为为消消除除直直流流磁磁化化，变变压压器器二二次次侧侧为为两两组组匝匝数数相相同同极极性性相相反反的的绕绕阻阻，分分别别接接成成两两组组三三相半波整流电路。相半波整流电路。v电解电镀领域需用低电压大电解电镀领域需用低电压大电流可调直流电源电流可调直流电

15、源.v思考：采用什么样的拓扑？思考：采用什么样的拓扑？单相单相/三相？半波还是全控桥三相？半波还是全控桥？v采用三相半波电路的并联，采用三相半波电路的并联，电压不变，电流增倍。电压不变，电流增倍。好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路两两组组三三相相半半波波整整流流电电路路直直接接并联并联-六相半波整流电路六相半波整流电路。任任何何时时刻刻仅仅有有一一只只管管导导通通，每每管管最最大大的的导导通通角角为为60o。=0o时时，输输出出电电压压波波形形为为6相正弦的包络线相正弦的包络线；Ud=1.35 U2cos 6相相半半波波

16、整整流流电电路路晶晶闸闸管管导导电电时时间间短短，变变压压器器利利用用率率低低，故极少采用。故极少采用。好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路两两组组三三相相半半波波整整流流电电路路直直接接并联并联-六相半波整流电路六相半波整流电路。=0o 由于由于6个晶闸管阴极接在一起，任意时刻，电压高的一相个晶闸管阴极接在一起，任意时刻，电压高的一相导通后，其它导通后，其它5个管子授反向电压不能导通，任意时刻只有个管子授反向电压不能导通，任意时刻只有一个晶闸管工作，并未真正实现并联工作。一个晶闸管工作，并未真正实现并联工作。如何使正反组

17、如何使正反组同时各有一只管子导通，提高输出电流？同时各有一只管子导通，提高输出电流？解决办法：解决办法：加平衡电抗器加平衡电抗器。好学力行河南理工大学明德任责2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路图图2-33 2-33 带平衡电抗器的带平衡电抗器的双反星形可控整流电路双反星形可控整流电路平平衡衡电电抗抗器器：带带有有中中心心抽抽头头，数数值值一一般般较较大大；接接在在两两个个星星形的中点间形的中点间；平平衡衡电电抗抗器器作作用用：平平衡衡两两组组三三相相半半波波整整流流电电路路瞬瞬时时电电压压，保保证证两两组组三三相相半半波波整整流流电电路路能同时导通

18、，实现能同时导通，实现并联运行并联运行。与与三三相相桥桥式式电电路路相相比比，双双反反星星形形电电路路的的输输出出电电流流可可大大一一倍倍。v双反星型整流电路双反星型整流电路带平衡电抗器带平衡电抗器好学力行河南理工大学明德任责绕组的极性相反的目的：绕组的极性相反的目的：消除直流磁通势消除直流磁通势如图可知，虽然两组相如图可知，虽然两组相电流的瞬时值不同，但电流的瞬时值不同，但是是平均电流相等平均电流相等而而绕组绕组的极性相反的极性相反，所以直流，所以直流安匝互相抵消。安匝互相抵消。i1、i2的的正负半周对称。正负半周对称。图 双反星形电路，=0时两组整流电压、电流波形2.4.12.4.1带平衡

19、电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路好学力行河南理工大学明德任责平平衡衡电电抗抗器器使使得得两两组组三三相相半半波波整整流流电电路路同同时时导导电电的的原理分析原理分析：2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路以以VT1和和VT6同时导通为例；在同时导通为例；在wt1处，处，给两管门极同时加触发，给两管门极同时加触发脉冲。控制角脉冲。控制角=0。好学力行河南理工大学明德任责图2-36 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路在在wt1处，给两管门极同时加触处

20、，给两管门极同时加触发脉冲。控制角发脉冲。控制角=0。等效电路。等效电路如右。如右。由于由于，VT6先导通，先导通，形成负载电流，此电流在形成负载电流，此电流在Lp上上感应一电动势，左负右正，其值感应一电动势，左负右正，其值设为设为up/2，同时在，同时在另一侧感应出另一侧感应出up/2，极性如图。极性如图。两管两管VT1和和VT6共阴极，现以中共阴极，现以中心抽头为参考点，分析两管的阳心抽头为参考点，分析两管的阳极电位。极电位。好学力行河南理工大学明德任责图2-36 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况时时间间推推迟迟至至ub与与ua的的交交点点时时，ub=ua，。之之后后ubub，电电

21、流流才才从从VT6换换至至VT2。此时。此时VT1、VT2同时导通。同时导通。每每一一组组中中的的每每一一个个晶晶闸闸管管仍仍按按三三相相半半波的导电规律而各轮流导通。波的导电规律而各轮流导通。2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路可见，平衡电抗器起到了电势平可见，平衡电抗器起到了电势平衡的作用，补偿了衡的作用，补偿了的电势的电势差差,使得使得VT1和和VT6能够同时导通。能够同时导通。好学力行河南理工大学明德任责由上述分析可得，并联运行时有：由上述分析可得，并联运行时有：图图2-35 平衡电抗器作用下输平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器出电压

22、的波形和平衡电抗器上电压的波形上电压的波形u,uupd1d2OO60 360 t1ttb)a)uaubucucuaubub2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路好学力行河南理工大学明德任责 =30、=60 和和 =90 时时输输出出电电压压的的波波形形分分析析图图2-37当当 =30、60、90 时，时，双反星形电路的输出电压波形双反星形电路的输出电压波形分分析析输输出出波波形形时时，可可先先求求出出ud1和和ud2波波形形，然然后后根根据据式式（3-98）做出波形）做出波形(ud1+ud2)/2。输输出出电电压压波波形形与与三三相相半半波波电电路路比

23、比较较，脉脉动动程程度度减减小小了了，脉脉动动频率加大一倍频率加大一倍，f=300Hz。电电感感负负载载情情况况下下，移移相相范范围围是是90。电电阻阻负负载载情情况况下下，移移相相范范围围为为120。9090=。6060=。3030=udududw wtOw wtOw wtOuaubucucuaububucucuaububucucuaub2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路好学力行河南理工大学明德任责整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为:Ud=1.17 U2cos 将将双双反反星星形形电电路路与与三三

24、相相桥桥式式电电路路进进行行比比较较可可得得出以下结论：出以下结论：三相桥为两组三相半波三相桥为两组三相半波串联串联，而双反星形为两组三相，而双反星形为两组三相半波半波并联并联，且后者需用平衡电抗器。，且后者需用平衡电抗器。当当U2相等时，双反星形的相等时，双反星形的Ud是三相桥的是三相桥的1/2，而，而Id是是三相桥的三相桥的2倍。倍。两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，样，ud和和id的的波形形状一样，均为波形形状一样，均为6脉波脉波。2.4.12.4.1带平衡电抗器的双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形整流电路好学力行河南理工

25、大学明德任责2.4.2多重化整流电路多重化整流电路概述：概述：整整流流装装置置功功率率进进一一步步加加大大时时，所所产产生生的的谐谐波波、无无功功功功率率等等对对电电网网的的干干扰扰也也随随之之加加大大，为为减减轻轻干干扰扰，可采用可采用多重化整流电路多重化整流电路。原理：原理：按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流电路进行组合得到。电路进行组合得到。目标：目标：移相多重联结移相多重联结减少交流侧输入电流谐波。减少交流侧输入电流谐波。好学力行河南理工大学明德任责1)移相多重联结移相多重联结图图2-38 并联多重联结的并联多重联结的12脉波整脉波整流

26、电路流电路有有并联多重联结并联多重联结和和串联多串联多重联结重联结。可减少输入电流谐波，减可减少输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小高纹波频率，因而可减小平波电抗器。平波电抗器。使用使用平衡电抗器平衡电抗器来平衡来平衡2组整流器的电流。组整流器的电流。2个三相桥并联而成的个三相桥并联而成的12脉波整流电路脉波整流电路。2.4.2多重化整流电路多重化整流电路好学力行河南理工大学明德任责v移相移相30 构成的串联构成的串联2重联结电路重联结电路图图2-39 移相移相30 串联串联2重联结电路重联结电路图图2-40 移相移相30 串联串联2重联重联结电路

27、电流波形结电路电流波形整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差相位相差30、大小相等的两组电压。、大小相等的两组电压。该电路为该电路为12脉波整流电路。脉波整流电路。星形星形三角形三角形2.4.2多重化整流电路多重化整流电路相移相移60折算到折算到原边原边叠加叠加:d=a+c好学力行河南理工大学明德任责viA基波幅值基波幅值Im1和和n次谐波幅值次谐波幅值Imn分别如下：分别如下：即即输输入入电电流流谐谐波波次次数数为为12k1，其其幅幅值值与与次次数数成成反反比而降低。比而降低。该电路的其他特性如下：该电路的其他特性如下：直流输出电

28、压直流输出电压 位移因数位移因数 cosj j1 1=cos （单桥时相同）（单桥时相同）功率因数功率因数 =cosj j1 1 =0.9886cos,其中其中 为基波因数。为基波因数。2.4.2多重化整流电路多重化整流电路好学力行河南理工大学明德任责利利用用变变压压器器二二次次绕绕阻阻接接法法的的不不同同，互互相相错错开开20，可将三组桥构成，可将三组桥构成串联串联3重联结电路重联结电路：整整流流变变压压器器采采用用星星形形三三角角形形组组合合无无法法移移相相20，需需采用特殊接法，如采用特殊接法，如曲折接法和延边三角形接法曲折接法和延边三角形接法。整整流流电电压压ud在在每每个个电电源源周

29、周期期内内脉脉动动18次次，故故此此电电路路为为18脉波整流电路脉波整流电路。交交流流侧侧输输入入电电流流谐谐波波更更少少，为为18k1次次（k=1,2,3），），ud的脉动也更小。的脉动也更小。输入位移因数和功率因数分别为：输入位移因数和功率因数分别为：cosj j1 1=cos ;=0.9949cos 2.4.2多重化整流电路多重化整流电路好学力行河南理工大学明德任责将将整整流流变变压压器器的的二二次次绕绕组组移移相相15，可可构构成成串串联联4重联结电路重联结电路：为为24脉波整流电路脉波整流电路。其交流侧输入电流谐波次为其交流侧输入电流谐波次为24k1，k=1，2，3 输入位移因数功率

30、因数分别为：输入位移因数功率因数分别为：cosj j1 1=cos;=0.9971cos 采采用用多多重重联联结结的的方方法法并并不不能能提提高高位位移移因因数数，但但可可使使输输入入电电流流谐谐波波大大幅幅减减小小，从从而而也也可可以以在在一一定定程程度度上上提提高高功率因数。功率因数。2.4.2多重化整流电路多重化整流电路好学力行河南理工大学明德任责小小 结结 重点：重点：1 1）带平衡电抗器的双反星型整流电路的）带平衡电抗器的双反星型整流电路的电路结构特点（双反星型、电路结构特点（双反星型、LpLp）和工）和工作特性作特性(与三相桥比与三相桥比)；2 2）多重化整流电路的构成方法、规律及）多重化整流电路的构成方法、规律及优点；优点；2.4大功率可控整流电路大功率可控整流电路