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notes-CH4.ppt

Date post: 07-Aug-2018
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  • 8/21/2019 notes-CH4.ppt

    1/55

     

    CH.4  Full-wave  and  Three-

    phase  rectifiers 

    (Converting  AC  to  DC)

    4-1  Introduction

     The  average  current  in  AC  source  is  zero  in  the   full-wave  rectifier, thus 

    avoiding   problems  associated  with  nonzero average  source  currents, particularly  in transformers

    The   output   of   the   full-wave   rectifier   has  inherently  less   ripple   than   the   half-wave  rectifier

    !ncontrolled  and  controlled  single-phase  and three- hase  full-wave  converters  used  as 

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    4-2  Single-phase  full-wave  rectifiers

    Fig.  4-1 Bridge  rectifier :

     

    The  lower   peak  diode  voltage ake  it ore 

    suita!le  for   high-voltage  applications.

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    Fig.  4-2 center-tapped 

    transformer   rectifier  

    "ith  electrical  isolation# 

    onl$ 

    one 

    diode 

    voltage 

    drop 

    !etween  the  source  and  load#

    suita!le  for   low-voltage# high-

    current  applications

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    Resistive  load:

     

    π≤≤π−π≤≤

    ="

    ##

    wt  ,wt  sinVm

    wt  ,wt  sinVm )wt ( v

     

    ∫    ==  π 

    π π  #"$%$sin%

    1 Vmwt d wt VmVo

    $%"

     RVm

     RVo Io

    π ==

     

    "Im= Irms

      power   absorbed  by  the  load  resistor :

    rmsR I  P  R"=

      power   factor : %f&'

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    R-L  load: Fig.4-3

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    ∑∞

    =π++=

    ‧‧4"#  , ,n )nwt cos( VnVo )wt ( v

     

    π= VmVo " 

      

     

     

     

    +−−= 11

    1

    1"

    nn

    Vm

    Vn π 

      RVo Io =

     

    | jnwL R|

    Vn

     ZnVn In

    +==

     

    If   &  is  relatively large, the  load current  is 

    essentially  dc  ( )

     R>> L  for 

     Io Irms

     R

    Vm

     R

    Vo

     Io )wt ( i ω

    ≈π==≈  "

     

    'ource  harmonics are  rich  in  the  odd-numbered 

    harmonics

    (ilters: reducing  the  harmonics

     R>> Lω

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    8/55

     

    R-L source load: Fig.4-

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    or   con nuous  curren   opera on, e  on y modification  to  the  analysis  that  was  done  for  

    )-&  load  is  in  the  dc  term  of   the  (ourier  

    series The  dc  component  of current  in  this  circuit 

    is 

     R

    VdcVm

     R

    VdcVo Io

    −=

    −=   π 

    "

     The  sinusoidal  terms  in  the  (ourier  

    analysis  are  unchanged  by  the  dc 

    source, provided  that  the  current  is

    continuous*iscontinuous  current  is  analyzed  li+e 

    section  -

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    !apacitance  output  filter" Fig. 4-#

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    11/55

     

    Assuming  ideal 

    diodes

    θ=

    θ−− off  diodes  ,e sinVm

    on  pair diode one ,|wt  sinVm| )wt ( v

     )wRc /(  )wt ( 

     

    #

    θ : the  angle  where  the  diodes  become 

    reverse  biased, which is  the  same  as  for  the  half-wave  rectifier   and  is 

    π+ω−=ω−=θ   −−  ) RC ( Tan ) RC ( Tan 11

    α π  +=wt 

     ) sin( Vme sinVm   ) RC  /(  )(  α+π−=θ   ωθ−α+π−

    #=α−θ   ωθ−α+π−  sine )(sin   ) RC  /(  )( 

    α .? solved  numerically  for  α  /ea+-to-pea+  

    variation%ripple$: 

    $sin1%0$sin%0   α α π    −=+−=∆ VmVmVmVo

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    12/55

     

    In  practical  circuits  where ω)C 

    ,

     

    " , 

    "π α π θ    ≈≈

    minimal  output  voltage occurs at 

    α+π=wt 

       ) RC  /(  ) RC  /(  )( 

    eVmeVm )( v   ωπ−ω

    π−

    π+π−

    ==α+π ""#

    [ ]

     fRC Vm

     RC Vm 

     RC Vm 

    eVmeVmVmVo  ) RC  /(  ) RC  /( 

    "

    11

    1

    =ω π=

       

      

    ωπ

    −−=

    −=−≈∆   ωπ−ωπ−

     

     f w

       e 

    π "

    "1

    1"

    =

    ++++=!!!

      is  half   that  of   the  half-wave  rectifier

    π >>

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    Fig. 4-$  %a& 'oltage  dou(ler 

    ig. 4-$  %(& )ual  voltage  rectifier 

      *full-wave  rectifier%sw.  open&+

      voltage  dou(ler%sw.  closed&

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    14/55

     

    L-!  filtered  output  :   Fig.4-,

     

    C holds  the  output  voltage  at  a  constant  level# and 

    the    soothes  the  current  fro  rectifier   and 

    reduces  the  peak  current  in  diodes.

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    Continuous

      Current:

    ( & "   π VmVoV   == .# , full-wave rectified   )

     

    #, $%

    "   ====  Ic R

    Vm R

    Vo I  I   R L π 

      LiThe  variation  in  can  be  estimate  from  the  first 

    Ac  term  %n."$ in  the  (ourier   series

      The  amplitude  of   the  inductor   current  for   n."  is 

     L

    Vm

     L

     / Vm

     L

     Z 

    V  I 

    πω=

    ω

    π=

    ω==

    "

    "

    4

    "" "

    "

    "

      where  "1

    1

    1

    1"= 

      

      

    +−

    −π= n  , 

    nn

    VmVn

      (or   Continuous  current, L I  I   <

    "

     

     R

    Vm

     L

    Vm

    π<

    πω"

    "

     

    ω>

     R L     1

    >

    ω R

     L

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    *iscontinuous  current:

     

    2hen  is  positive ( at ),

    Vowt V v m L   −= sin  

    [ ]

    ( )[ ]

    ! i 

     ,wt   for  

    wt Vowt Vm

     L

     

    wt d Vowt Vm L

    wt i

     L

    wt 

     L

    ==

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    /rocedure  for   determining  o:

    %1$ 3stimate  a  alue  for   o  slightly  below  m, and  solve =α 

    %"$ 'olve  numerically,β 

     

    $%$cos%cos#$%   α β β α β    −−−== VoVmi L

    %$

    'olve 

    [ ]∫ 

    ∫ β

    α

    β

    α

    α−−−αωπ=

    π=

     )wt ( d  )wt ( Vo )wt cos(cosVm L 

     )wt ( d  )wt ( i I   L L

    11

    1

    %4$ 'love  o.  R I  L

    %$ )epeat  step  %1$5%4$ until  the  computed  o  in 

    step%4$  e6uals  the  estimated  o  in  step%1$

    utput  *oltage  for   discontinuous  current  is  larger   than 

    for   continuous  current.(see  Fig4-,%d&)

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    4-3  controlled  full-wave  rectifiers

    Resistive  load: Fig.4-1

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     )cos( Vm

     

     )wt ( d  )wt  sin( VmVo

    α+

    π

    =

    π= ∫ 

    π

    α

    1

    1

     

    an"#e de#a$=α

     

    $cos1%   α π 

    +== R

    Vm

     R

    Vo Io

     

    π 

    α 

    π 

    α 

    π 

    π 

    α 

    4

    $"sin%

    ""

    $%$sin%1 "

    +−=

    = ∫ 

     R

    Vm

    wt d wt  R

    Vm I rms

     The  power   delivered  to  the  load rmsR I  P  "=

      The  rms  current  in  source  is  the  same  as  the  rms  cur 

    the  load

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    R-L  load " Fig.4-11

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    Analysis  of   the  controlled  full-wave  rectifier   operating 

    in  the  discontinuous  current mode  is  identical  to  that 

    of   the  controlled  half-wave  rectifier, e7cept  that  the 

     period  for   the  output  current  is  .π 

    [ ] ) /(  )t ( o e ) sin(  )t  sin(  Z 

    Vm )wt ( i   ωτα−ω−θ−α−θ−ω=   for β≤ω≤α t 

      R L  ,  ) R

     L( tan

     ) L(  R Z 

    =τω=θ

    ω+=

    −1

    ""

      (or   discontinuous  current 

    π α β    +<

    discontinuous  current "

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    continuous  current 

    #$% ,  ≥++=   α π α π  iwt 

    [ ]

    c%rrent  contin%o%s  for  

     R

     L

    Tan 

    &  )'(  

    &  )'  sin(  e 

    '

    $%

    #1$sin%

    #$sin%$sin%

    $8%

    $8%$%

    ω 

    θ α 

    α θ 

    α θ α θ 

    θ α θ α π ωτ π 

    ωτ α α π 

    =≤

    ≥≥

    ≥+−

    ≥−−−+−

    −+−

    ,9,4,"

    1

    $1sin%

    1

    $1sin%"

    1

    $1cos%

    1

    $1cos%"

    cos"

    $%sin1

    $cos%$%

    ""

    1

    =

    −−

    −++

    =

    −−

    −++

    =

    +=

    ==

    ++=

    ∫ 

    +

    =

    n

    n

    n

    nVm 

    n

    n

    n

    nVm

    aVn 

    Vmwt d wt VmVo 

    nnwt VnVowt v 

    n

    n

    nn

    n

    &

    α α 

    π 

    α α 

    π 

    α π π 

    θ 

    α π 

    α 

    $%an

    nTann '

      −=θ 

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    Fig  4-12

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     RVo Io

     ) In(  Io Irms

    | jnwL R|Vn

     ZnVn In

    *** ,n

    =

    +=

    +==

    ∑∞

    = 4"

    ""

    "

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    R-L  Source  load : Fig.4-14

     The  'C)'  may  be  turned  on  at  any  time  that  they are  forward  biased, which  is  at  an  angle

     

    $%sin 1Vm

    Vdc−≥α 

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    26/55

     

    (or   continuous  current  case, the  average  bridge  output  volta 

    average  load  current  is 

    The  ac  voltage  terms  are  unchanged  from  the 

    controlled  rectifier   with  an  )-&  load The  ac  current 

    terms  are  determined  from  circuit  /ower   absorbed  by  the  dc  voltage  is

     

    e# is Lif  R IormsR I  P  arg "" ≈=

    α

    π

    = cosVm

    Vo"

     RVdcVo Io   −=

    Vdc Io Pdc  =

    /ower   absorbed  by  resistor   in  the  load  is

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    Controlled  'ingle-phase  converter   operating  as  an  inverter :

    seeing Fig  4-14. 4-15

     

     

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    ## :##

      Vo

      rectifier  

    operation 

    ## 1;#:#  

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    4-4  hree-phase  rectifiers

    Resistive  load " Fig  4-1# 

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    上、下半部 *iode,每次僅一個

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    3ach  diode  conducts  one-third  of   the  time, resulting  in

    av" oav"  +  I  I  ,,

    1=

     

    rmsorms +  I  I  ,,

    1=

     

    rmsorms   I  I  ,,

    "=

     Apparent  power   from  the  three-phase  source  is

    rms , rms , L L  I V   −=

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    *** , , ,n  ,  )n( 

    V V 

    V *

     )wt ( wtd  sinV  / V 

     )t nwcos( V Vo )t ( v

     L L ,m

    n

     L L ,m

     L L ,m / 

     /  L L ,m

    ** , ,n

    n

    1;1"91

    9

    :-#

    1

    "

    "

    #

    #

    1;1"9

    #

    =−π

    =

    =π=π=

    π++=

    −π

    π   −

    =

    ∫ 

    ,ince  the  output  voltage  is  periodic  with  period  '+ 

    of   the  ac suppl$  voltage# the  haronics  in  the  output 

    are  of   order   +k# k&'#/#0#1

     Adevantage: output  is  inherentl$  like  a  dc  voltage# and 

    the  high-fre2uenc$  low-aplitude  haronics  ena!le  filters 

    to  !e  effective.

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    For   a  dc  load  current %constant /& ---  Fig4.1$

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    ****t wcost wcost wcost wcost w(cos I  i oa ##### 11

    111

    11

    1?

    ?

    1-

    -

    1"+−+−

    π=

    which  consists  of   terms  at  fundamental  fre6uency  of  

    the  ac  system  and  harmonics  of   order   9+ ± 1, +.1,",,@

      Filters(Fig.4-1,) are  fre2uentl$  necessar$  to  prevent 

    haronic  currents  to enter   the  ac  s$ste.

      3esonant  filters  for   th  and  5th  haronics.

     High-pass

     filters

     for  

    higher  

    order  

    haronics.

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    4-  !ontrolled  three-phase  rectifiers

  • 8/21/2019 notes-CH4.ppt

    37/55

     

    α π 

    π 

    α π 

    α π 

    cos$

    %

    $%sin

    1

    ,

    "

    ,

     L Lm

     L Lmo

     

    wt wtd V V 

    +

    +   −

    =

    = ∫ 

     armonics  for   output  voltage  remain  of   order   9+, but 

    amplitude  are  functions  of  α 

      seeing  Fig. 4-20

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    Twelve-pulse  rectifiers: using  two  si6-pulse  !ridges

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    p g p g

    The  purpose  of   the  transformer   connection  is  to ∆Υ

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    p p

    introduce phase  shift  between  the  source  and  bridge

    This  results  in  inputs  to  two  bridges  which  are

    apart The  two  bridge  outputs  are  similar, but  also  shifted 

     by

    ∆− Υ##

     

    ##

    #

    #

      The  delay  angles  for   the  bridge  are  typically  the  same 

    α π α π α π  cos

    9

    cos

    cos

    ,,,,,

     L Lm L Lm L Lm

    o- oo

    V V V 

    V V V 

      −−−

    ∆   =+=+=

     The  pea+   output  of   the  twelve-pulse  converter   occurs 

    midway  between  alternate  pea+s  of   the  si7-pulse  converters 

    Adding  the  voltages  at  that  point  for gives °= #α 

    °==°=   −− #:"1$1-cos%" ,,,   α   for  V V V   L Lm L Lm pea. o

    'ince a transition between conducting 'C)s every°

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    41/55

     

    'ince  a  transition  between  conducting  'C)s  every 

    , there  are  a  total  of   1"  such  transitions  for   each 

     period  of   the  ac  source The  output  has  harmonic 

    fre6uencies  which  are  multiple  of   1"  times  the  source 

    fre %1"+   +.1,",@$

    °#

    ,",111"

    cos1

    cos1

    %cos

    $%$%$%

    $cos1

    1cos

    11

    1cos

    ?

    1cos

    -

    1%cos

    "$%

    $cos1

    1cos

    11

    1cos

    ?

    1cos

    -

    1%cos

    "$%

    ###

    #####

    #####

    =±=

    −+=+=

    ++−+=

    −+−+−=

    .   ,.  order  armonic  ,i 

    ***)t w00

    t w

    't w I 1

    t it it i

    t w0t wt w2 't w3t w I t i

    t w0t wt w2 t w3t w I t i

    ac

    o- ac

    o

    o- 

    π 

    π 

    π 

    Cancellation of harmonics 9%"n-1$ 1 , n.1, ", @ has resulted

     from this transformer and converter configuration

    ±

    This  principle  can  be  e7panded  to  arrangements  of  hi h l b b i ti i d b f

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    42/55

     

    higher   pulse  number   by  incorporating  increased  number   of  

    si7-pulse  converters  with  transformers  which  have  the 

    appropriate  phase  shifts

      The  characteristic  ac  harmonics  of   a  p-pulse  converter  

    will  be  p+ '  # k&'#/#01± Bore  e7pense  for   producing  high-voltage transformers 

    with  the  appropriate  phase  shifts

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    ree-phase  converter   operating  as  a  inverter :

      seeing  4-22. 

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    The  bridge  output  voltage  o  must  be  negative

    operation  Inverter  '' &Vo  ,

    operation  Rectifier  '' &Vo  ,

    >

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    4-6  DC  power  transmission

    ․ >y  using  controlled  twelve-pulse  converter %generally$

     ․ !sed  for   very  long  distances  of   transmission  lines

    Advantages: %1$ # voltage  drop7  in  lines  (/) # line  loss

     

    #= L

     4 

    ∞=C  4 

     

    %   ↓c%rrent #ine %$ Two  conductors  re6uired  rather   than  three%4$ Transmission  towers  are  smaller% $ /ower   flow  in  a  dc  transmission line  is 

    controllable   by  adustment  of   delay  angles 

    at  the  terminals

    %9$ /ower   flow  can  be modulated  during disturbances  on 

    one  of   the  ac  system   'ystem  stability 

    increased

    %?$ The  two  ac  systems  that  are  connected  by 

    the  dc  line  do  not  need  to  be  in synchronization

    )

    Disadvantages: costl$  ac-dc  converter# filter# and  control 

    s$ste  re2uired  at  each  end  of   the 

    line  to  interface  with  the  ac  s$ste.

    Fi 4 23 i i l t

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    Fig.4-23  using  si0-pulse  converter 

    ° tifi:##

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    °

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    Fig.4-24  using  twelve-pulse  converter  

    (a  !ipolar   schee)

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    4-7 commutation : effect  of   source  inductance ( &

      Single-phase  (ridge  rectifier" Fig.4-2 s 4 

    Assume that the load current is constant Io

  • 8/21/2019 notes-CH4.ppt

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    Assume  that  the  load  current  is  constant  Io

    Commutation  interval  starts  at ωt.π 

     

    $changed polarity% o%rce

    om

    o s

     I  )wt cos(  Ls

    V  

     I  )wt ( wtd  sinVm Ls

     )wt ( i

    ++ω

    −=

    =

    ∫ 

    ω

    π

    1

    1

    Commutation  is  completed  at ωt.π Du

    [ ] ## 1  I  )%cos(  Ls

    V  I  )%( i m ++π+

    ω

    −=−=+π

     )Vm

     4  I ( cos )

    Vm

     Ls I ( cos%  oo

    "1

    "1 11 −=

    ω−=   −−

    &8 Coutation  angle:

     

     Ls 4     ω=

    Average load voltage is

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    52/55

     

     Average  load  voltage  is

     )V 

     4  I ( 

    5V  

     )%cos( V 

     )wt ( d wt  sinV V 

    m

     som

    mm

    %o

    −π=

    = ∫ π

    1

    11

      ,ource  inductance  lowers  the  average  output  voltage 

    of   full-wave  rectifier.

    hree-phase rectifier: Fig 4-2#

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    hree phase  rectifier : Fig.4 2#

    *uring Commutation from The voltage1 +to+

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    *uring  Commutation  from  # The  voltage 

    across  a is1   +to +

    wt  sinV v

    v L L ,m 67

     La""

    −==

      Current  in  starts  at  9:  and  decreases  ;ero  in the 

    coutation  interval

     La

      )

     I  4 ( cos )V 

     I  L( cos%

     I  )wt ( d wt  sinV 

     La )%( i

     L L ,m

     s

     L L ,m

    a

    % L L ,m

     La

    π

    −=ω−=

    ==+π ∫ #1#1

    #

    "1"1

    "

    1#

    *uring the commutation interval from the+to+

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    *uring  the  commutation  interval  from # the 

    converter   output  voltage  is 

    1  + to  +

    "

     6C  7C 

    o

    vvv

      +=

    ""

    "

    #

     7C  6C  7C  6C  6C 

     67 6C 

    *

    *c La L 6C o

     7C  6C  67C6 7C  67

    vvvvv 

    vvvvvv

    v'vv  , vvv

    +=

    −−=

    −=+−=

    ==++

    Average  output  oltage: ()  'ingle-phase  rectifier 

     )V 

     I  4 ( 

    V V 

     L L ,m

     s L L ,m

    o

    − −π

    = #1

      ,ource  inductance  lowers  the  average  output  voltage 

    of   three-phase  rectifiers.


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