单相相控整流电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,t,，正弦变化一周为,2rad,或,360,0,电角度，也可用时间表示，,50Hz,的交流电一个周期为,20ms,。,w,w,w,w,t,T,VT,R,0,a),u,1,u,2,u,VT,u,d,i,d,w,t,1,p,2,p,t,t,t,u,2,u,g,u,d,u,VT,a,q,0,b),c),d),e),0,0,单相半波可控整流电路,(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier),2-,4,VT,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,表示。,基本数量关系,直流输出电压平均值为,(2-1),2.,基本数量关系,(1),直流输出电压平均值,U,d,与输出电流平均值,I,d,直流输出电压平均值,U,d,:,输出电流平均值,I,d,:,,电子发烧友,,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,:,,电子发烧友,,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：,(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,P,变压器二次侧有功功率，,P,=,UI,=,I,2,R,S,变压器二次侧视在功率，,S=U,2,I,2,(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。,例,1,如图所示单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压,U,2,为,220V,，要求的直流输出电压为,50 V,，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,=90,(2),当,=90,时，输出电流有效值,(3),(4),晶闸管电流有效值,I,T,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,(23),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。,（二）电感性负载,整流电路直流负载的感抗,d,和电阻,R,d,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,d,与电阻,R,d,分开，其工作原理可按波形分段说明。,O,一,t,1,（,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,u,w,t,t,w,w,t,w,t,w,2,0,w,t,1,p,2,p,t,u,g,0,u,d,0,i,d,0,u,VT,0,q,a,b),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,i,d,=0,u,d,=0,u,VT,=,u,2,。,在,t,1,时刻，即触发角,处,u,d,=,u,2,。,L,的存在使,i,d,不能突变,，,i,d,从,0,开始增加。,u,2,由正变负的过零点处，,i,d,已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此,VT,仍处于通态,。,t,2,时刻，电感能量释放完毕，,i,d,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,u,d,波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值,U,d,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，,i,d,=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。,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,u,2,负半周时，使晶闸管承受反压而关断。解决的办法是在负载两端并联一个二极管,VD,R,。,加了续流二极管以后，输出直流电压,u,d,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,u,2,正半周时，与没有续流二极管,时的情况是一样的。,当,u,2,过零变负时，,V,DR,导通，,u,d,为零，此时为负的,u,2,通过,VD,R,向,VT,施加反压使其关断，,L,储存的能量保证了电流,i,d,在,L-R-VD,R,回路,中流通，,此过程通常称为,续流,。,若,L,足够大，,i,d,连续,，且,i,d,波形接近一条水平线。,u,2,u,d,i,d,u,VT,i,VT,I,d,I,d,w,t,1,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,O,O,O,O,O,O,p,-,a,p,+,a,b),c),d),e),f),g),i,VD,R,a),图,3-4,单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,,电子发烧友,,电子技术论,2.,基本数量关系,(1),输出电压平均值,U,d,与输出电流平均值,I,d,输出电压平均值,U,d,输出电流平均值,I,d,,电子发烧友,,电子技术论,(2),晶闸管的电流平均值,I,dT,与晶闸管的电流有效值,I,T,晶闸管的电流平均值,I,dT,晶闸管的电流有效值,I,T,,电子发烧友,,电子技术论,(3),续流二极管的电流平均值,I,dDR,与续流二极管的电流有效值,I,DR,(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。,2-,22,VT,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,。,因为，,所以，,则,由于，,所以为大电感负载，各电量分别计算如下：,101,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,。,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-,27,1),带电阻负载的工作情况,a),u,(,i,),p,w,t,w,t,w,t,0,0,0,i,2,u,d,i,d,b),c),d),d,d,a,a,u,VT,1,4,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,VT,1,和,VT,4,组成一对桥臂，在,u,2,正半周承受电压,u,2,，得到触发脉冲即导通，当,u,2,过零时关断。,VT,2,和,VT,3,组成另一对桥臂，在,u,2,正半周承受电压,-,u,2,，得到触发脉冲即导通，当,u,2,过零时关断。,电路结构,二、,单相桥式全控整流电路,(Single Phase Bridge,Contrelled,Rectifier),2-,28,数量关系,（,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：,（,2-10,）,(2-11),p,w,t,w,t,w,t,0,0,0,i,2,u,d,i,d,b),c),d),d,d,a,a,u,VT,1,4,2-,29,流过晶闸管的电流有效值：,变压器二次测电流有效值,I,2,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,=,U,2,I,2,。,（,2-12,）,（,2-13,）,（,2-14,）,p,w,t,w,t,w,t,0,0,0,i,2,u,d,i,d,b),c),d),d,d,a,a,u,VT,1,4,当,a=0,0,时,c o s =1,，,i,2,波形没有畸变为完整的正弦交流。,晶闸管承受的最大正向（,a=90,0,时）与反向峰值电压为电源电压峰值，,由于,Ld,的作用，当交流电压,u,2,正半周过零开始变负时，,L,d,感应电动势,e,L,阻止电流下降极性为上（下（,+,），只要,e,L,在数值上大于电源负电压，已导通的,VT,1,、,VT,4,管仍受正压而继续导通，此时负载两端出现负电压。直到电源负半周,t,2,时刻触发,VT,2,、,VT,3,管导通，,VT,1,、,VT,4,才会受反压关断，负载电流改由,VT,2,、,VT,3,导通回路供应。,2,）带阻感负载的工作情况,2-,32,u,2,O,w,t,O,w,t,O,w,t,u,d,i,d,i,2,b),O,w,t,O,w,t,u,VT,1,4,O,w,t,O,w,t,I,d,I,d,I,d,I,d,I,d,i,VT,2,3,i,VT,1,4,图,2-6,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，,i,d,的平均值不变。,假设负载电感很大，负载电流,i,d,连续且波形近似为一水平线,。,u,2,过零变负时，晶闸管,VT,1,和,VT,4,并不关断。,至,t,=,+,a,时刻，晶闸管,VT,1,和,VT,4,关断，,VT,2,和,VT,3,两管导通。,VT,2,和,VT,3,导通后，,VT,1,和,VT,4,承受反压关断，流过,VT,1,和,VT,4,的电流迅速转移到,VT,2,和,VT,3,上，此过程称,换相,，亦称,换流,。,2-,33,数量关系,（,2-15,）,晶闸管移相范围为,90,。,晶闸管导通角,与,a,无关，均为,180,。电流的平均值和有效值：变压器二次侧电流,i,2,的波形为正负各,180,的矩形波，其相位由,a,角决定，有效值,I,2,=,I,d,。,晶闸管承受的最大正反向电压均为 。,2,O,w,t,O,w,t,O,w,t,u,d,i,d,i,2,b),O,w,t,O,w,t,u,VT,1,4,O,w,t,O,w,t,I,d,I,d,I,d,I,d,I,d,i,VT,2,3,i,VT,1,4,每个晶闸管始终导通,180,0,（,），晶闸管电流,i,T,为,180,0,底宽、高度为,d,的矩形波，在晶闸管触发时刻换流。变压器二次电流,i,2,为正负对称的矩形波无直流分量，输出直流电压为,例,4,某电感性负载采用带续流管的单相半控桥式整流电路，如图,2.15,（,a,）所示。已知：电感线圈的内阻,R,d=5,，输入交流电压,U,2=220V,，控制角,=60,。试求：晶闸管与续流管的电流平均值和有效值。,解：首先求整流输出电压平均值,U,d,：,再求负载电流,I,d,：,晶闸管与续流管的电流平均值和有效值分别为：,蓄电池充电、直流电动机等负载本身具有一定的直流电动势，对相控整流电路来说是一种反电动势性质的负载。,反电动势负载有如下特点：,1,）只有整流电压,u,d,的瞬时值大于负载电动势,E,时，整流桥路中的晶闸管才能承受正压而触发导通，整流桥路才有电流,i,d,输出，当晶闸管导通时，,u,d,=u,2,=,E+,id,0,；当晶闸管关断时,u,d,=E,。因此，在反电动势负载时，电流不连续，负载端直流电压,d,升高。,3,）带反电动势负载时的工作情况,2-,36,3,）带反电动势负载时的工作情况,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,|,u,2,|,E,时，有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。,在,a,角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,导通之后，,u,d,=,u,2,，,直至,|,u,2,|=,E,，,i,d,即降至,0,使得晶闸管关断，此后,u,d,=,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，,（,2-16,）,b),i,d,O,E,u,d,w,t,I,d,O,w,t,a,q,d,平均电流,d,为,2-,37,当,d,时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。,图,2-7b,单相桥式全控整流电路接反电动势,电阻,负载时的波形,电流断续,触发脉冲有足够的宽度，保证当,w,t,=,d,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,d,。,如图,2-7b,所示,i,d,波形所示：,电流连续,u,b),i,d,O,E,d,w,t,I,d,O,w,t,q,d,2-,38,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,。,这时整流电压,u,d,的波形和负载电流,i,d,的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，,u,d,的计算公式也一样。,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,t,w,w,O,u,d,0,E,i,d,t,p,d,a,q,=,p,串联,L,d,不够大或负载电流,d,很小时的波形。由于,i,d,波形断续，断续期间使,u,d,波形出现台阶，但电流脉动情况比不串联电抗时有很大改善。小容量直流电动机，因对电源影响较小，且电动机电枢本身的电感量较大，也可不串联电抗器。,2-,41,单相全波可控整流电路（,Single Phase Full Wave Controlled Rectifier),，又称单相双半波可控整流电路。,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。,变压器不存在直流磁化的问题。,图,2-9,单相全波可控整流电路及波形,a),w,t,w,a,b),u,d,i,1,O,O,t,2-,42,单相全波与单相全控桥的区别：,单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。,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是单相全控桥的,2,倍。,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。,从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在,低输出电压的场合,应用。,2-,43,单相桥式半控整流电路,电路结构,单相全控桥中，每个导电回路中有,2,个晶闸管，,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,VD,R,）。,u,d,O,b),2,O,u,d,i,d,I,d,O,O,O,O,O,i,2,I,d,I,d,I,d,I,I,d,a,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,a,p,-,a,p,-,a,i,VT,1,i,VD,4,i,VT,2,i,VD,3,i,VD,R,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,电阻负载,半控电路与全控电路在,电阻负载,时的工作情况,相同,。,2-,44,单相半控桥带,阻感负载,的情况,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,在,u,2,正半周，,u,2,经,VT,1,和,VD,4,向负载供电。,u,2,过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由,VT,1,和,VD,3,续流。,在,u,2,负半周触发角,a,时刻触发,VT,2,，,VT,2,导通，,u,2,经,VT,2,和,VD,3,向负载供电。,u,2,过零变正时，,VD,4,导通，,VD,2,关断。,VT,2,和,VD,4,续流，,u,d,又为零。,O,b),2,O,u,d,i,d,I,d,O,O,O,O,O,i,2,I,d,I,d,I,d,I,I,d,a,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,a,p,-,a,p,-,a,i,VT,1,i,VD,4,i,VT,2,i,VD,3,i,VD,R,2-,45,续流二极管的作用,避免可能发生的失控现象。,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,u,d,成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为,失控,。,有续流二极管,VD,R,时，续流过程由,VD,R,完成，避免了失控的现象,。,续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。,2-,46,单相桥式半控整流电路的另一种接法,相当于把图,2-5a,中的,VT,3,和,VT,4,换为二极管,VD,3,和,VD,4,，这样可以省去续流二极管,VD,R,，续流由,VD,3,和,VD,4,来实现。,图,2-5,单相全控桥式,带电阻负载时的电路及波形,图,2-11,单相桥式半控整流电路的另一接法,