单相相控整流电路

单相相控整流电路2-2整流电路·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：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。2-3图2-1单相半波可控整流电路及波形1）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。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。整流变压器二次电压、电流有效值下标用2表示，电路输出电压电流平均值下标均用d表示。交流正弦电压波形的横坐标为电角度ωt，正弦变化一周为2πrad或3600电角度，也可用时间表示，50Hz的交流电一个周期为20ms。)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)2-4VT的a移相范围为0-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a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，用θ表示。基本数量关系直流输出电压平均值为paaapwwp2cos145.0)cos1(22)(sin221222dUUttdUU(2-1)2.基本数量关系(1)直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id•直流输出电压平均值Ud:•输出电流平均值Id:2cos145.02cos1π2dsin2π21222daawwpaUUttUU2cos10.452ddaRURUI电子技术论(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:π2π2sinπ41d2sin2π2122aapawwUttUUπ2π2sinπ412aaRURUI电子技术论(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：π2π2sinπ4122TaaRUIII(4)功率因数cosφ•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P—变压器二次侧有功功率，P=UI=I2RS—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由图2-2(f)可以看出晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。π2π2sinπ41cos222aaIUUISP22mUU〖例1〗如图所示单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50V，直流输出平均电流为20A•试计算：(1)晶闸管的控制角。(2)输出电流有效值。(3)电路功率因数。(4)晶闸管的额定电压和额定电流。解(1)则α=90º(2)Ω当α=90º时，输出电流有效值(3)0122045.0502145.02cosddUUa5.22050ddIURA44.4π2π2sinπ412aaRURUI505.022020504.44cos2222UUIUUISP(4)晶闸管电流有效值IT与输出电流有效值相等，即：则取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为：（5）晶闸管承受的最高电压：考虑(2~3)倍安全裕量，晶闸管的额定电压为根据计算结果可以选取KP60-8G的晶闸管。IIT)2~5.1(57.1TT(AV)IIA6.56T(AV)IV311220222mUUV933~622311)3~2()3~2(mTNUU（二）电感性负载整流电路直流负载的感抗ωＬd和电阻Rd的大小相比不可忽略时，这种负载称为电感性负载。整流电路带电感性负载时的工作情况与带电阻性负载时有很大不同，为便于分析，在电路中把电感Ｌd与电阻Rd分开，其工作原理可按波形分段说明。O一ωt1（a期间）：晶闸管虽承受正电压，但门极触发脉冲尚未出现，管子阻断承受全部电源电压。3.1.1单相半波可控整流电路uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++图3-2带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形带阻感负载的工作情况◆阻感负载的特点是电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。◆电路分析☞晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。☞在wt1时刻，即触发角a处√ud=u2。√L的存在使id不能突变，id从0开始增加。☞u2由正变负的过零点处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。☞wt2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。☞由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。3.1.1单相半波可控整流电路◆电力电子电路的一种基本分析方法☞把器件理想化，将电路简化为分段线性电路。☞器件的每种状态组合对应一种线性电路拓扑，器件通断状态变化时，电路拓扑发生改变。☞以前述单相半波电路为例√当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通时，相当于VT短路。两种情况的等效电路如图3-3所示。a)b)VTRLVTRLu2u2图3-3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（三）续流二极管的作用在带有大电感负载时，单相半波相控整流电路正常工作的关键是使负载端不出现负电压，因此要设法在电源电压u2负半周时，使晶闸管ＶＴ承受反压而关断。解决的办法是在负载两端并联一个二极管VDR。加了续流二极管以后，输出直流电压ud的波形与电阻负载时一样，而电流波形则完全不同。电源电压正半周时，电流由电源经导通的晶闸管供给；电源电压负半周时，晶闸管关断，电流由续流电流维持，因此，负载电流由两部分合成。3.1.1单相半波可控整流电路◆有续流二极管的电路☞电路分析√u2正半周时，与没有续流二极管时的情况是一样的。√当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，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。√若L足够大，id连续，且id波形接近一条水平线。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电子技术论2.基本数量关系(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2cos145.02cos1π22dsin22π212daawwpaUUttUU2cos10.45dddaRURUI电子技术论(2)晶闸管的电流平均值IdT与晶闸管的电流有效值IT晶闸管的电流平均值IdT晶闸管的电流有效值ITd2π-πdTIIad2)(2d21TItdIIpappawp电子技术论(3)续流二极管的电流平均值IdDR与续流二极管的电流有效值IDR(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。ddDR2ππIIad02dDR2)(21ItdIIpapwpap2m2UU2-22VT的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。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•单相半波可控整流器的优点是电路简单，调整方便，容易实现。但整流电压脉动大，每周期脉动一次。变压器二次侧流过单方向的电流，存在直流磁化、利用率低的问题，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面，这样就导致设备容量增大。•例2图2.7是中、小型发电机采用的单相半波自激稳压可控整流电路。当发电机满负载运行时，相电压为220V，要求的励磁电压为40V。已知：励磁线圈的电阻为2，电感量为0.1H。试求：晶闸管及续流管的电流平均值和有效值各是多少？晶闸管与续流管可能承受的最大电压各是多少？请选择晶闸管与续流管的型号。图2.7例2-2图•解：先求控制角a。•因为，•所以，•则•由于，•所以为大电感负载，各电量分别计算如下：d21cos0.452UUa240cos10.1920.45220a≈aT180°100°80°qapD180°100°280°qpaddd223.14500.131.42LfLRwpddd/40/2A20AIURdTd180°180°101°204.4A360°360°IIaTd180°180°101°209.4A360°360°IIadDd180°180°101°2015.6A360°360°IIaAIIdD7.1720360101180360180a101°•根据以上计算选择晶闸管及续流管型号考虑如下：•取700V。•取10A。•故选择晶闸管型号为KP10-7G。TM221.42220312VUUDM221.42220312VUUTnTM(2~3)(2~3)312624~936VUUTT(AV)9.4(1.5~2)(1.5~2)9~12A1.571.57II二、单相全控桥式相控整流电路单相半波电路虽有线路简单、调整方便等优点，但只有半周工作，直流波形差、整流变压器利用率低且存在直流成分的缺点，因此仅用于要求不高的小功率场合。2-271)带电阻负载的工作情况a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图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。电路结构二、单相桥式全控整流电路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)2-28数量关系paaapwwp2cos19.02cos122)(dsin21222dUUttUU（2-9）a角的移相范围为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：2cos145.0212ddVTaRUII（2-10）2cos19.02cos12222ddaapRURURUI(2-11)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,42-29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。papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（2-12）papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（2-13）II21VT（2-14）pwtwtwt000i2udidb