第二章--单相可控整流电路

第二章单相可控整流电路■将交流电变为直流电称为整流，实现AC/DC变换，相应的电路称为整流电路（Rectifier）。■整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。■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（如半波）电路。◆按交流输入相数分为单相电路和多相（如三相）电路。第二章单相可控整流电路第一节单相半波可控整流电路第二节单相桥式全控整流电路第三节单相桥式半控整流电路本章小结第一节单相半波可控整流电路■可控整流电路常带的负载有电阻、电感和反电动势三种。◆电阻性负载——如电解、电镀等。◆电感性负载——如各类电机的励磁绕组、输出串接平波电抗器的负载等。◆反电动势——如蓄电池、直流电动机的电枢等。■同一整流电路，负载不同，差距很大。第一节单相半波可控整流电路T一、电阻性负载（控制角）：从晶闸管开始承受正向电压，到其加上触发脉冲的这一段时间所对应的电角度。（导通角）：晶闸管在一个周期内导通的电角度。T此电路中：tUusin222图2-1单相半波可控整流带电阻性负载第一节单相半波可控整流电路◆电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形形状相同。◆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。◆基本数量关系☞直流输出电压平均值当=0时，Ud0=0.45U2最大;随着增大，Ud减小；=180时，Ud=0。移相范围为0~180。21450122221222cosU.)cos(U)t(tdsinUUd（2-1）一、电阻性负载第一节单相半波可控整流电路☞直流输出电流平均值2cos145.02RURUIddd（2-2）☞负载上得到的直流输出电压有效值U和电流有效值I分别为：42sin2)()sin(221222UtdtUU42sin22ddRURUI（2-3）（2-4）一、电阻性负载第一节单相半波可控整流电路☞流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为：（2-5）（2-6）（2-8）2cos145.02dddddTRURUII42sin222dTRUIII☞晶闸管可能承受的正反向峰值电压均为：22UUTM一、电阻性负载第一节单相半波可控整流电路☞变压器的容量为：（2-9）☞电路的功率因数为：22IUS42sin2cos222IUUIIUUISP◆例2.1一、电阻性负载第一节单相半波可控整流电路)(1RLtgT二、电感性负载1.无续流二极管◆电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。◆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。负载阻抗角：若φ为定值，愈大→愈小若为定值,φ愈大→愈大T◆大电感负载，即ωLd＞＞Rd（一般10倍以上）时，ud波形中的负面积接近正面积，Ud≈0。图2-2单相半波可控整流电路带电感性负载第一节单相半波可控整流电路二、电感性负载2.加续流二极管VDR◆电路分析☞若电感足够大（大电感），id连续，且id波形接近一条水平线。◆基本数量关系☞直流输出电压平均值和电流平均值（2-1）2cos145.02UUd2cos145.02RURUIddd（2-2）√与阻性负载时相同，但id波形不同。图2-3单相半波可控整流电路带电感性负载加续流流二极管第一节单相半波可控整流电路二、电感性负载2.加续流二极管VDR（2-10）（2-11）☞流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为：ddTdTIII222)(212ddTItdII☞流过续流二极管的电流平均值和有效值分别为：ddDRdDRIII222)(2102ddDRItdII（2-13）（2-12）第一节单相半波可控整流电路二、电感性负载2.加续流二极管VDR☞晶闸管承受的最大正反向电压UTM仍为；而续流二极管承受的最大反向电压UDM也为。晶闸管的最大移相范围仍是0-180°。22U22U◆单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大；转换效率低；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。——桥式电路。第二节单相桥式全控整流电路一、电阻性负载2cos19.02cos122)(sin21222UUttdUUd2cos19.02ddddRURUI（2-14）（2-15）√是半波电路输出的两倍。√的移相范围也是0-180°。图2-4单相桥式全控整流电路带电阻性负载第二节单相桥式全控整流电路一、电阻性负载（2-16）（2-17）22sin)()sin(21222UtdtUU22sin2ddRURUI2cos145.0212dddTRUIIIRUtdtRUIddT2142sin2)(sin22122222sin22ddRURUII22IUS（2-15）（2-19）（2-20）（2-21）第二节单相桥式全控整流电路二、电感性负载（大电感）◆电路分析☞负载电感很大，id不能突变且波形近似为一条水平线。☞在u2正半周期,触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。☞u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。☞t=+时刻，触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。图2-5单相桥式全控整流电路带电感性负载第二节单相桥式全控整流电路二、电感性负载（大电感）◆基本数量关系☞直流输出电压的平均值Ud：当=0时，Ud0=0.9U2;=90时，Ud=0。晶闸管移相范围为0~90。☞直流输出电流的平均值Id为:cos9.0cos22)(sin21222UUttdUUdcos9.02ddddRURUI（2-22）（2-23）第二节单相桥式全控整流电路二、电感性负载（大电感）☞流过晶闸管的电流的平均值和有效值分别为:☞流过变压器二次侧绕组的电流有效值☞晶闸管可能承受的正反向峰值电压为ddTII21dTII21dII22UUTM（2-21）（2-26）（2-25）◆为了扩大移相范围，去掉输出电压的负值，提高Ud的值，可以在负载两端并联续流二极管。例2.2第二节单相桥式全控整流电路三、反动势负载（2-27）◆电路分析☞|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。☞晶闸管导通之后，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。REuidd22arcsinUE图2-8单相桥式全控整流电路带反电动势第二节单相桥式全控整流电路三、反动势负载☞当时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。☞触发脉冲有足够的宽度，保证当t=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。☞在角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。☞可见：E→减小→id断续。T◆电流断续☞id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。☞负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。☞为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器Ld。第二节单相桥式全控整流电路三、反动势负载☞Ld够大→id连续。☞电流连续时，Ud的计算与电感负载时一样。☞为保证电流连续，所需回路的电感量：◆电流连续min23min21087.222ddIUIUL（2-29）REUIdd（2-28）图2-9单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器第二节单相桥式全控整流电路三、反动势负载■例：单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当=30时，要求：①作出ud、id和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①ud、id和i2的波形如图所示：u2OtOtOtudidi2OtIdIdId第二节单相桥式全控整流电路22三、反动势负载②整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为Ud＝0.9U2cos＝0.9×100×cos30°＝77.97(A)Id＝(Ud－E)/R＝(77.97－60)/2＝9(A)I2＝Id＝9(A)③晶闸管承受的最大反向电压为：U2＝100＝141.4（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVT＝Id∕＝6.36（A）故晶闸管的额定电压为：UN＝(2~3)×141.4＝283~424（V）晶闸管的额定电流为：IN＝(1.5~2)×6.36∕1.57＝6~8（A）晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。2第三节单相桥式半控整流电路一、电阻性负载（2-30）（2-31）◆计算公式与全控桥带电阻性负载时一样。◆不同点：（1）晶闸管所承受的最大正、反向电压均为。（2）流过整流二极管的电流平均值和有效值与流过晶闸管的电流平均值和有效值是一样的。即：22U2cos145.02RUIIdTdDIRUIITD2142sin22图2-10单相桥式半控整流电路带电阻性负载第三节单相桥式半控整流电路二、电感性负载◆电路分析☞每一个导电回路由1个晶闸管和1个二极管构成。☞晶闸管在触发时刻换流，二极管则在u2过零时换流；电路本身就具有自然续流作用。所以，即使没有续流二极管，输出也没有负电压，与全控桥电路时不一样。☞在触发不正常时，电路会发生失控现象。图2-11单相桥式半控整流电路带电感性负载第三节单相桥式半控整流电路二、电感性负载◆失控现象☞当突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，称为失控。相应波形如图2-12所示。☞为解决失控现象→并接续流二极管VDR。加续流二极管VDR后，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。图2-12单相桥式半控整流电路带电感性负载时的失控现象第三节单相桥式半控整流电路二、电感性负载◆加续流二极管VDR☞Ud和Id的计算与阻性负载时一样ddDdTIII2dDTIII2dddDRIII22dDRII（2-32）（2-33）（2-34）（2-35）图2-13单相桥式半控整流电路带电感性负载加续流二极管第三节单相桥式半控整流电路三、反电动势负载◆电流连续电流连续电流断续2cos19.02UUdDddREUI例2.3图2-14单相桥式半控整流电路带反电动势负载第三节单相桥式半控整流电路■单相桥式半控整流电路的另一种接法◆相当于把图2-4(a)中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。◆这种接法的两个晶闸管阴极电位不同，二者的触发电路需要隔离。图2-15晶闸管串联的单相桥式半控整流电路图2-4(a)单相桥式全控整流电路本章小结■主讲了单相半波可控、单相桥式全控和单相桥式半控整流电路。其中最基本的是单相半波可控整流电路，而最常用的是单相桥式全控整流电路。■分析了可控整流电路带不同负载时的工作情况，重点要掌握工作波形的特点。◆可控整流电路的输出电压波形为脉