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1、1内容及要求3 3）掌握不同性质负载对整流电路工作的影响、变压器漏抗）掌握不同性质负载对整流电路工作的影响、变压器漏抗对整流电路的影响对整流电路的影响4 4）掌掌握握有有源源逆逆变变的的工工作作原原理理、波波形形分分析析及及基基本本电电量量的的计计算算方法；方法；5 5）理解有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。）理解有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。第3章 整流电路第1页/共71页2整流电路的分类整流电路的分类：按组成的器件可分为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。三种。按电路结构可分为按电路结构可分为桥式电路桥式电路和和零式电路零式电路。按交流输入相数分为按交流输入相数
2、分为单相电路单相电路和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，又分按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为为单拍电路单拍电路和和双拍电路双拍电路。重要概念重要概念（1 1）整流：）整流：利用电力电子器件的通、断控制，将交流电能利用电力电子器件的通、断控制，将交流电能变为直流电能称为整流变为直流电能称为整流。（2 2）整流器（）整流器（rectifierrectifier）：）：实现整流的电力电子开关电实现整流的电力电子开关电路连同其辅助元器件和系统称为整流器。路连同其辅助元器件和系统称为整流器。整流电路整流电路(AC/DC)(AC/DC)：出现最早的电力电子电路，将交流电
3、变出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。为直流电。第2页/共71页3可控整流电路的主要形式有:单相可控整流电路三相可控整流电路单相半波可控整流电路单相全波可控整流电路单相桥式可控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式半控整流电路三相半波可控整流电路三相桥式可控整流电路三相全控桥式整流电路三相半控桥式整流电路负载的性质主要有:1)电阻性负载；2)电感性负载；3)反电动势负载。第3页/共71页4整流器最基本的性能指标（用以科学评价整流电路的性能）用输出电压效值V V及平均值V Vd d表示V VH H：输出电压中交流谐波分量的有效值(又称纹波电压)VHVH与直流平均值VdVd之比值，可表示为：
4、因此1.1.电压谐波系数或纹波系数RFRF(R Rippleipple F Factor):actor):第4页/共71页53.3.输入电流总畸变率THDTHD（Total Harmonic DistortionTotal Harmonic Distortion）：输入电流中除基波外的所有谐波电流有效值与基波电流有效值之比。2.2.电压脉动系数S Sn n：输出电压中第n n次谐波幅值Vnm与直流平均值Vd之比。Sn=Vnm/Vd 第5页/共71页64.输入功率因数PFPF(P Power F Factor)交流电源输入有功功率平均值PAC与其视在功率S之比即：PF等于基波电流数值因数（基波因
5、数）乘基波功率因数 （基波位移因数DPF：Displacement Factor）。可得到基波因数第6页/共71页73.1 单相可控整流电路3.1.1单相半波可控整流电路 3.1.2单相桥式全控整流电路 3.1.3单相全波可控整流电路 3.1.4单相桥式半控整流电路第7页/共71页83.1.1单相半波可控整流电路图3-1 单相半波可控整流电路及波形1 1）带电阻负载的工作情况）带电阻负载的工作情况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。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00单相半波可控整流电路单相半波可
6、控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)第8页/共71页9名词术语和概念 单拍电路：指变压器副边在工作过程中只流过一个方向的电流，此时变压器有直流磁化现象；双拍电路：指变压器副边在工作过程中流过正反双向电流；“半波”整流：u ud d为脉动直流，波形只在u u2 2正半周内出现，故称之。触发延迟角 ：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用表示,也称触发角或控制角。导通角 ：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用表示。在半波电路中，。移相:改变触发脉冲出现的时刻,即改变控制角“的大小，称为移相。改变控制角的大小，使输出
7、整流电压平均值发生变化称为移相控制。第9页/共71页10名词术语和概念 的移相范围：指触发角可以变化的角度范围。在不同的电路中有不同的角度范围。如在单相半波电路中，的移相角度范围是0 0。相控方式：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。同步:使触发脉冲与可控整流电路的电源电压之间保持频率和相位的协调关系称为同步。使触发脉冲与电源电压保持同步是电路正常工作必不可少的条件。换流:在可控整流电路中，从一路晶闸管导通变换为另一路晶闸管导通的过程或电流从一条支路转移到另一条支路的过程称为换流，也称换相。第10页/共71页11（1）直流输出电压平均值Ud与输
8、出电流平均值Id基本数量关系基本数量关系直流输出电压平均值Ud:wwwwt0wt1p2ptttu2uguduVTaq000说明：a a0 00 0时，Ud=0.45U2 a1800 0时，Ud=0VT的a a 移相范围为180。直流输出电流平均值Id:第11页/共71页12（2）输出电压有效值U与输出电流有效值I输出电压有效值U:输出电流有效值I:第12页/共71页13（3）晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值单相半波可控整流器中，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，即：第13页/共71页14（4）功率因数cos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式中
9、P变压器二次侧有功功率，P=UI=I2R S变压器二次侧视在功率，S=U2I2（5）晶闸管承受的最大正反向电压Um晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。第14页/共71页153.1.1单相半波可控整流电路2)带阻感负载的工作情况 图3-2 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a、晶闸管导通角的关系。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+TVTRa)u1u2uVTudidL考虑一种极端情况：如果为大电感负载，则u ud d中的负面
10、积接近正面积，输出的直流平均电压U Ud d00，则i id d也很小，这样的电路无实际用途。所以，实际的大感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。第15页/共71页16续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图3-4 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。第16页/共71页17（1）输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud输出电流平均值Id数
11、量关系数量关系(id近似恒为Id）u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDR第17页/共71页18（2）晶闸管的电流平均值IdVT与晶闸管的电流有效值IVT 晶闸管的电流平均值IdVT 晶闸管的电流有效值IVTu2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDR第18页/共71页19（3）续流二极管的电流平均值IdVDR与续流二极管的电流有效值IVDR （4）晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压 晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值
12、。u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDR第19页/共71页203.1.1单相半波可控整流电路VT的a a 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。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了设备的容量。实际上很少应用此种电路；分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，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20页/共71页213.1.2 单相桥式全控整流电路1)带电阻负载的工作情况a)电路结构电路结构单相桥式全控整流电
13、路单相桥式全控整流电路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)晶闸管VT1VT1和VT4VT4组成一对桥臂，VT2VT2和VT3VT3组成另一对桥臂。在实际的电路中，一般都采用这种标注方法，即上面为1 1、3 3，下面为2 2、4 4。请同学们注意。VT1VT1和VT3VT3组成共阴极组，加触发脉冲后，阳极电位高者导通。VT2VT2和VT4VT4组成共阳极组，加触发脉冲后，阴极电位低者导通。触发脉冲每隔180180发一次，分别触发VT1VT1、VT4VT4、VT2VT2、VT3VT3。第21页/共71页223.1.2 单相桥式全控整流电路1)带电阻负载的工作
14、情况a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-5 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。单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)第22页
15、/共71页23（1）输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud为数量关系数量关系pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4 输出电流平均值Id为a 角的移相范围为180。第23页/共71页24（2）输出电压有效值U（3）输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2 输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2相同为pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4第24页/共71页25（4）晶闸管的电流平均值IdVT与晶闸管电流有效值IVT （5）功率因数cos显然功率因数与相关，=0时，cos=1。pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauV
16、T1,4晶闸管承受的最大正反向电压均为 。第25页/共71页263.1.2 单相桥式全控整流电路2）带阻感负载的工作情况u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图3-6 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，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。的平均值不变。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连连续续且且波波形形近似为一水平线。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并并不关断。不关断。至至t=+a a 时时刻刻，晶晶闸闸管管VT1和和VT4关关
17、断，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VT3上上，此此过过程程称称换换相相，亦称亦称换流换流。阻感负载的特点：阻感负载的特点：电感对电流变化有抗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。拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。第26页/共71页27（1）输出电压平均值Ud（2）输出电流平均值Id和变压器副边电流I2数量关系2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4晶闸管
18、移相范围为90。晶闸管导通角与a无关，均为180。晶闸管承受的最大正反向电压均为 。第27页/共71页28（3）晶闸管的电流平均值IdVT由于晶闸管轮流导电，所以流过每个晶闸管的平均电流只有负载上平均电流的一半。（4）晶闸管的电流有效值IVT 与通态平均电流 IVT(AV)2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4第28页/共71页293.1.2 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3-7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a 角相同时
19、，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，b)idOEudwtIdOwtaqd第29页/共71页303.1.2 单相桥式全控整流电路当 30 的情况的情况30a a30 时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：a 角的移相范围为150。wwttwtwta=60u2uaubucOOOOuGudiVT1a a=60 第46页/共71页473.2.1 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晶闸管承受
20、的最大反向电压晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压第47页/共71页483.2.1 三相半波可控整流电路2）阻感负载图3-16 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a=60时的波形特特点点：阻阻感感负负载载，L值值很很大大，id波形基本平直。波形基本平直。a a30 时时：整整流流电电压压波波形形与与电阻负载时相同。电阻负载时相同。a a30 时时（如如a a=60 时时的的波波形形如图如图2-16所示）所示）。u2过过零零时时，VT1不不关关断断，直直到到VT2的的脉脉冲冲到到来来，才才换换流流，ud波形中出现负的部分。波形中出现负的部分。id波波形形有有一一
21、定定的的脉脉动动，但但为为简简化化分分析析及及定定量量计计算算，可可将将id近近似为一条水平线。似为一条水平线。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt第48页/共71页493.2.1 三相半波可控整流电路基本数量关系输出电压输出电压Ud为为图3-15三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电阻电感负载阻感负载时的移相范围为90。说明：a a0 00 0时，Ud=1.17U2 a a900 0时，Ud=0第49页/共71页50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的额定电流为晶闸管最大正、反向电压峰值晶闸管最大
22、正、反向电压峰值晶闸管电流的平均值为晶闸管电流的平均值为第50页/共71页51共阳极三相半波可控整流电路共阳极电路，即将三个晶闸管的阳极连在一起，其阴极分别接变压器三相绕组，变压器的零线作为输出电压的正端，晶闸管共阳根端作为输出电压的负端，如右图所示。这种共阳极电路接法，对于螺栓型晶闸管的阳根可以共用散热器，使装置结构简化；但三个触发器的输出必须彼此绝缘。共阳极三相半波可控整流电路第51页/共71页52由于三个晶闸管的阴极分别与三相电源相连，阳极经过负载与三相绕组中线连接，故各晶闸管只能在相电压为负时触发导通，换流总是从电位较高的相换到电位更低的那一相去。自然换相点为三相电压负半波的交点，即是
23、控制角=0=0的起始点。右图是=30=30 时输出电压的波形。由图可见，u ud d、i id d的波形均为负值，对于大电感负载，负载电流连续，晶闸管导通角仍为120120。输出整流电压平均值：共阳极三相半波可控整流电路波形第52页/共71页53三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路特点特点：电路简单：晶闸管元件少，接线简单，只需三套触发电路，控制较容易。变压器利用率低 变压器每绕组只有三分之一周期流过电流，存在直流磁势（直流偏磁），须加大变压器铁心的截面积（为避免铁心饱和），故该电路一般用于中小容量的设备上。第53页/共71页543.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电
24、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3-17三相桥式全控整流电路原理图导通顺序：VT1VT2VT3VT4VT5VT6第54页/共71页55图3-18 三相桥式全控整流电路带电阻负载a a=0=0 时的波形wwwwu2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubwt1OtOtOtOta=0iVT1uVT1第55页/共71页563.2.2 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31所示时
25、时 段段IIIIIIIVVVI共阴极组中导共阴极组中导通的晶闸管通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导共阳极组中导通的晶闸管通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb第56页/共71页573.2.2 三相桥式全控整流电路（2）对触发脉冲的要求：）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-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
26、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，其中管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各共阴极组和共阳极组各1，且不，且不能为同能为同1相器件。相器件。第57页/共71页583.2.2 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、反向电压的关系也相同。三相桥式全控整流
27、电路的三相桥式全控整流电路的特点特点第58页/共71页59图3-20 三相桥式全控整流电路带电阻负载a a=30=30 时的波形wwwwud1ud2a=30iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1第59页/共71页60图3-20 三相桥式全控整流电路带电阻负载a a=60=60 时的波形wwwa=60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtwt1OtOtuVT1第60页/共71页61图3-22 三相桥式全控整流电路带电阻
28、负载a a=90=90 时的波形ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtOwtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1第61页/共71页623.2.2 三相桥式全控整流电路1）带电阻负载时的工作情况当当a a60 时时，ud波波形形均均连连续续，对对于于电电阻阻负负载载，id波波形与形与ud波形形状一样，也连续波形形状一样，也连续 当当a a60 时时，ud波波形形每每60 中中有有一一段段为为零零，ud波波形形不能出现负值不能出现负值 带带电电阻阻负负载载时时三三相相桥桥式式全全控控整整流流电电路路a角角的的移移相相范范围是围是120
29、第62页/共71页633.2.2 三相桥式全控整流电路2)阻感负载时的工作情况a60时 当电感足够大的时候，id的波形可近似为一条水平线。a=0a=30第63页/共71页64a 60时（a=90）阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电电阻阻负负载载时时，ud波波形形不不会会出现负的部分。出现负的部分。阻阻感感负负载载时时，ud波波形形会会出出现负的部分。现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90。3.2.2 三相桥式全控整流电路2)阻感负载时的工作情况第64页/共71页653.2.2 三相桥式全控整流电路3)定量分析当当整整流流输输出出电电压压连连续续时时（即即带带阻
30、阻感感负负载载时时，或或带带电电阻阻负载负载a60 时）的平均值为：时）的平均值为：带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为：Id=Ud/R第65页/共71页663.2.2 三相桥式全控整流电路当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流有效值为：晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。接接反反电电势势阻阻感感负负载载时时，在在负负载载电电流流连连续续的的情情况况下下，电电路路工工作作情情况况与与电电感感性性负负载载时时相相似似，电电路路中中各各处处电压、电流波形均相同。波形均相同。仅在仅在计算Id时有所不同，接
31、反电势阻感负载时的，接反电势阻感负载时的Id为：为：式中式中R和和E分别分别为负载中的电阻值和反电动势的值。为负载中的电阻值和反电动势的值。第66页/共71页67MATLAB仿真作业：一、单相桥式全控整流电路仿真1、建立仿真模型SimpowerSystemElectricalSources库中选择交流电源模块，幅值，频率设为50Hz；PowerElectronicsUniversalBridge模块，选择桥臂数为2，器件为晶闸管；负载：Elements库中选择串联RLC支路模块。2、控制部分SimulinkSources库中选择两个PluseGenerator模块，设置幅值为1，周期0.02s
32、（频率50Hz），占空比设为10%。若触发角为，两个模块分别滞后和3、波形观测ExtraLibraryMeasurementsMeanValue（基波频率设为50Hz）第67页/共71页684、仿真分析仿真时间0.1s，选择ode23tb算法，最大步长1e-5。要求：时下列负载情况下的直流电压、电流以及晶闸管VT1所承受的电压仿真波形（1）R=1；（2）R=1,L=0.01H;（3）R=1,L=0.001H。第68页/共71页69MATLAB仿真作业：二、三相桥式全控整流电路仿真1、建立仿真模型SimpowerSystemElectricalSources库中选择三相交流电源模块，线压380V
33、，50Hz，内阻0.001欧；PowerElectronicsUniversalBridge模块，选择桥臂数为3，器件为晶闸管；负载：Elements库中选择串联RLC支路模块。2、控制部分SimulinkExtraLibraryControlBlocksSynchronized6-PluseGenerator模块，该模块的alpha_deg口输入触发角，其余三个输入线压。第69页/共71页70要求：时下列负载情况下的直流电压、电流以及晶闸管VT1所承受的电压仿真波形（1）R=1；（2）R=1,L=1mH;要求做成word文档，并打印出来，文档内容包括：（1）封面：题目、姓名、学号；（2）仿真要求；（3）仿真模型图；（4）波形图；（5）波形分析第70页/共71页71感谢您的观看！第71页/共71页