可控硅整流电路分析

电力电子技术教案41第2章整流电路主要内容：单相可控整流电路的工作原理、波形分析及计算，续流二极管的作用及有关波形分析。三相半波整流电路的波形分析及计算。三相全控桥的工作原理、波形分析及计算。整流变压器原、附边绕组电流有效值及容量计算。带平衡电抗器的双反星性大功率整流电路工作原理及波形分析。变压器漏抗对整流电路的影响。电路中谐波的产生、组成及抑制方法。整流电路的谐波和功率因数。整流电路的有源逆变工作原理及实施逆变的条件，逆变颠覆及防止措施。触发脉冲与主回路电压的同步，移相工作原理。重点：单相可控整流电路的工作原理、波形分析及计算。三相半波整流电路的波形分析及计算。三相全控桥的工作原理、波形分析及计算。变压器漏抗对整流电路的影响。电路中谐波的产生、组成及抑制方法。整流电路的谐波和功率因数。整流电路的有源逆变工作原理及实施逆变的条件，逆变颠覆及防止措施。触发脉冲与主回路电压的同步，移相工作原理。难点：三相半波整流电路的波形分析及计算。三相全控桥的工作原理、波形分析及计算。整流电路的有源逆变工作原理及实施逆变的条件，逆变颠覆及防止措施。触发脉冲与主回路电压的同步，移相工作原理。基本要求：掌握单相各、三相半波、三相全控整流电路在不同性质负载下的工作原理及波形分析，控制角移相范围，电流有效值、平均值的计算，对相位控制触发脉冲的基本要求。理解以带平衡电抗器的双反星性电路为代表的大功率整流电路工作原理。掌握变压器漏抗对整流电路的影响。了解电路中谐波的产生、组成及拟制方法。掌握整流电路的谐波和功率因数。掌握整流电路的有源逆变工作状态及实施逆变的条件，逆变状态时的能量分析及其物理概念；掌握三相桥式逆变电路对触发脉冲的要求，逆变颠覆及防止措施。掌握触发脉冲与主回路电压的同步问题，移相工作原理及移相范围，了解集成触发器的工作原理及应用。整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电；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。1单相可控整流电路主要内容：单相可控整流电路的工作原理、波形分析及计算，续流二极管的作用及有关波形分析。重点：单相可控整流电路的工作原理、波形分析及计算。基本要求：掌握单相控整流电路在不同性质负载下的工作原理及波形分析，控制角移相范围，电流有效值、平均值的计算，对相位控制触发脉冲的基本要求。整流电路42整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。（1）单相桥式半波整流电路a、带电阻负载的工作情况SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier.变压器T起变换电压和隔离的作用。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同结合图2-1进行工作原理及波形分析。几个概念的解释：Ud为脉动直流，波形只在U2正半周内出现，故称“半波”整流。采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路。Ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。几个重要的基本概念：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称为，用θ表示。基本数量关系。直流输出电压平均值为：（2-1）VT的a移相范围为180°。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。直流回路的平均电流为：2cos145.02RURUIdd（2-2）回路中的电流有效值为：22sin41sin221222RUtdRUIIIRT（2-3）由式2.2、式2.3可得流过晶闸管的电流波形系数：图2-1单相半波可控整流电路及波形电力电子技术教案43)cos1(2)(42sin2dfIIK（2-4）电源供给的有功功率为：UIRIPR2（2-5）其中U为R上的电压有效值：22sin41sin221222UtdtUU电源侧的输入功率为：IUSS22功率因素为：22sin41cos22URISP（2-6）当α=0时22cos，α越大，cosα越低，α=π。可见，尽管是电阻负载，电源的功率因素也不为1。这是单相半波电路的缺陷。例2-1单相半波可控整流电路，电阻负载，由220V交流电源直接供电。负载要求的最高平均电压为60V，相应平均电流为20A，试选择晶闸管元件，并计算在最大输出情况下的功率因数。解：(1)先求出最大输出时的控制角α，根据式(2-1)可得：212.0122045.0602145.02cos2UUd8.77(2)求回路中的电流有效值，根据式(2-4)可得：AIIIIKTdf2.412006.206.222(3)求晶闸管两端承受的正、反向峰值电压Um：VUUm31122(4)选择晶闸管：晶闸管通态平均电流，可按下式计算与选择：AIAIIAVTTAVT505.52~4.3957.1)2~5.1()()(取晶闸管电压定额可按下式计算与选择：VUUmTE933~6223~2）（取1000TNUV可选用KP50-10型晶闸管。(5)由式（2-6）计算最大输出情况下功率因数：562.0cos22URISP整流电路44b带阻感负载的工作情况：阻感负载的特点：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。电力电子电路的一种基本分析方法。通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算。对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路。为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管与没有续流二极管时的情况比较，在u2正半周时两者工作情况一样。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。续流期间ud为0，ud中不再出现负的部分。数量关系若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有：单相半波可控整流电路的特点简单，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在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。图2-2带阻感负载的单相半波电路及其波形图2-3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（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）电力电子技术教案45（2）单相桥式全控整流电路单相整流电路中应用较多的a带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析见图2-5：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。数量关系：a角的移相范围为180°。图2-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形（2-9）整流电路46（2-10）（2-11）（2-12）（2-13）（2-14）不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。b带阻感负载的工作情况为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线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。至ωt=π+a时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，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，此过程称换相，亦称换流。图2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形电力电子技术教案47（2-15）晶闸管移相范围为90°。晶闸管承受的最大正反向电压均为22U。晶闸管导通角θ与a无关，均为180°。变压器二次侧电流i2的波形为正负各180°的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。图2-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形c带反电动势负载时的工作情况在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能，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δ停止导电，δ称为停止导电角。（2-16）整流电路48图2-7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a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。如图2-7b所示id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。与此对应，若id波形不出现为0的点的情况，称为电流连续。当触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=δ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δ。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，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：（2-17）图2-8单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况（3）单相全波可控整流电路电力电子技术教案49图2-9单相全波可控整流电路及波形单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。两者的区别：（1）单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多；（2）单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压为，是单相全控桥的2倍；（3）单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个从上述（2）、（3）考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。（4）单相桥式半控整流电路图2-10单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形整流电路50单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，为了对每个导电回路进行控制，只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同，单相半控桥带阻感负载的情况，假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态。在u2正半周，触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零续流二极管的作用。若无续流二极管，则当a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，称为失控。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗单相桥式半控整流电路的另一种接法相当于把图2-4a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。图2-11单相桥式半控整流电路的另一接法电力电子技术教案512三相可控整流电路主要内容：三相半波整流电路的波形分析及计算。三相全控桥的工作原理、波形分析及计算。重