《相位控制型整流器》PPT课件.ppt

第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 4.1 可 控 整 流 电 路 4.2 触 发 电 路 4.3 DZ603系 列 通 信 用 晶 闸 管 整 流 器 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 4.1 可 控 整 流 电 路 4.1.1 单 相 半 波 可 控 整 流 电 路 1. 电 阻 性 负 载 电 阻 负 载 单 相 半 波 可 控 整 流 电 路 如 图 4-1 所 示 。 图 中 V T是 晶 闸 管 ， u2是 电 源 电 压 瞬 时 值 ， i2是 电 流 瞬 时值 ， ud是 负 载 电 压 瞬 时 值 ， id是 负 载 电 流 瞬 时 值 ， Ud是负 载 电 压 平 均 值 ， Id是 负 载 电 流 平 均 值 ， uVT是 晶 闸 管压 降 瞬 时 值 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-1 电 阻 负 载 单 相 半 波 可 控 整 流 电 路 及 工 作 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 1) 工 作 过 程 在 电 源 电 压 u2正 半 周 内 ， 晶 闸 管 承 受 正 向 阳 极 电 压 ， 但 是 ,t 时 ， 由 于 未 加 门 极 触 发 信 号 ， 所 以 ， 晶 闸管 不 能 导 通 。 在 t=处 ， 加 入 控 制 电 压 ug， 晶 闸 管 触发 导 通 ， 电 压 u2加 在 负 载 两 端 (忽 略 uVT)， 电 流 流 过 负载 ， 如 图 4-1(d)所 示 。 当 u2过 零 变 负 时 ， 晶 闸 管 因 流过 它 的 电 流 小 于 维 持 电 流 而 关 断 。 在 u 2负 半 周 内 ， 晶闸 管 承 受 反 向 阳 极 电 压 ， 不 管 门 极 有 无 触 发 信 号 ， 都不 会 导 通 ， 负 载 Rd上 的 电 压 、 电 流 均 为 零 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 t=t2时 ， 加 入 触 发 电 压 ug， 晶 闸 管 导 通 。 如 果 触 发信 号 周 期 地 加 到 门 极 ， 负 载 就 可 得 到 一 连 串 单 向 脉 动电 压 ud和 电 流 id， 波 形 如 图 4-1(d)所 示 。 如 果 忽 略 晶 闸管 的 压 降 ， 则 VT导 通 时 uVT=0, VT截 止 时 ， uVT=u2， uVT的 波 形 如 图 4-1(e)所 示 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 中 称 为 控 制 角 ， 它 是 指 晶 闸 管 开 始 承 受 正 向 电压 到 触 发 脉 冲 加 入 之 间 的 电 角 度 。 称 为 导 通 角 ， 它是 指 一 个 周 期 内 晶 闸 管 导 通 的 电 角 度 。 改 变 加 入 触 发 信 号 ug的 时 刻 ， 控 制 角 便 随 之 改 变 ， 这 叫 做 触 发 信 号 移 相 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2) 输 出 电 压 电 流 与 控 制 角 的 关 系 (1) 负 载 电 压 平 均 值 Ud、 负 载 电 流 平 均 值 Id与 的 关系 。 由 波 形 图 可 以 看 出 ， 负 载 电 压 平 均 值 Ud为 ： 2cos145.0)(sin221 22 UttdUU ad由 于 负 载 是 电 阻 性 的 ， 所 以 输 出 电 流 平 均 值 为 ： 2cos145.0 2 dddd RURUI 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-2 电 压 比 、 电 流 比 和 cos 与 的 关 系 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 不 难 看 出 ， Ud、 Id随 控 制 角 而 变 ， 越 大 ， Ud、 Id越 小 ； 反 之 ， Ud、 Id增 大 ； 当 =0时 ， Ud=0.45U2， 当 =时 ， Ud、 Id为 零 。 不 同 时 ， 负 载 电 压 平 均 值 与电 源 电 压 有 效 值 的 比 值 Ud/U2如 图 4-2 中 的 曲 线 所 示 。 如 果 控 制 角 已 经 确 定 ， 则 可 方 便 地 从 图 4-2 找 出Ud/U2； 若 已 知 Ud， 便 可 求 出 U2； 若 已 知 U2， 也 可 求出 U d。 若 U2、 Ud都 已 知 ， 即 可 按 下 式 求 出 ： 145.02arctan 2UUd 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 (2) 负 载 电 压 有 效 值 U、 负 载 电 流 有 效 值 I与 的 关 系 。 负 载 电 压 有 效 值 为 ： 22sin41sin221 222 UtdtUU 负 载 电 流 有 效 值 为 ： 22sin41 2 dd RURUII与 Id的 比 值 为 ： )cos1(2 )(22sin dII 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 3) 功 率 因 数 cos 与 的 关 系 电 源 供 给 的 有 功 功 率 与 电 源 的 视 在 功 率 之 比 ， 叫做 功 率 因 数 ， 用 cos 表 示 。 电 源 的 视 在 功 率 为 ： S=U2I2=U2I 电 源 供 给 的 有 功 功 率 为 ： P=UI 因 此 ， 22sin41cos 2 IUUISP 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 4) 晶 闸 管 的 选 择 由 波 形 图 可 以 看 出 ， 晶 闸 管 正 、 反 向 阻 断 时 ， 承受 的 电 压 最 大 值 就 是 U2的 峰 值 ， 即 。 考 虑 安 全 系 数 ， 晶 闸 管 额 定 电 压 应 选 为 ： 2max 2UUVT 2max 2)32()32( UUU VTN 晶 闸 管 的 额 定 电 流 应 为 =0时 负 载 电 流 平 均 值 Id0的 1.5 2倍 ， 即 IN=(1.5 2)Id0。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 例 ： 电 源 电 压 为 220 V、 电 阻 性 负 载 的 单 相 半 波可 控 整 流 电 路 ， 要 求 输 出 电 压 平 均 值 为 24 V， 最 大 输出 直 流 电 流 为 10 A。 试 计 算 晶 闸 管 的 控 制 角 、 电 流有 效 值 I、 功 率 因 数 cos ， 并 选 用 合 适 的 晶 闸 管 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2. 电 感 性 负 载 在 有 些 应 用 中 ， 整 流 电 路 的 负 载 既 有 电 阻 ， 又 有电 感 。 当 负 载 的 感 抗 L与 电 阻 Rd相 比 不 可 忽 略 时 ， 负载 即 为 电 感 性 。 整 流 器 输 出 端 接 的 平 波 电 抗 器 、 电 机的 励 磁 线 圈 等 就 是 电 感 性 负 载 。 电 感 负 载 单 相 半 波 可控 整 流 电 路 如 图 4-3(a)所 示 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 在 电 源 电 压 u2正 半 周 t=处 ， 晶 闸 管 触 发 导 通 ， 忽 略 晶 闸 管 的 压 降 ， 输 出 电 压 的 有 效 值 Ud为 ：tURidtdiL UUUU RLd sin2 2 2 即 该 方 程 的 解 为 ： tLRAetUi )/(2 )sin(22 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 式 中 ， 负 载 阻 抗 ， 阻 抗角 ， 常 数 A可 根 据 起 始 条 件(t=时 i=0)求 出 。 22 )( LRZ RL arctan )/)(/( 2 )sin()sin(22 tLRetUi 当 t=时 ， 负 载 电 流 i=0， 即 ： )/)(/(sinsin tLRe 可 见 ， 给 定 、 、 R、 L时 ， 即 为 确 定 值 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 负 载 电 流 的 波 形 如 图 4-3(d)所 示 ， 该 电 流 由 两 个分 量 组 成 。 由 于 负 载 电 感 的 作 用 ， 晶 闸 管 导 通 后 ， 电流 id只 能 从 零 开 始 逐 渐 增 大 ， 此 时 ， 电 源 供 给 的 能 量 ， 一 部 分 消 耗 在 电 阻 R上 ， 一 部 分 贮 存 在 电 感 中 。 当 电源 电 压 u2下 降 过 零 变 负 时 ， 电 流 id逐 渐 减 小 ， 电 感 上产 生 左 “ -”右 “ +”的 感 应 电 势 ， 阻 碍 电 流 id减 小 。 只 要 eL u2， 晶 闸 管 就 仍 然 维 持 导 通 状 态 ， 这 时 ， 电 感 释放 的 能 量 ， 一 部 分 消 耗 在 电 阻 上 ， 一 部 分 送 回 电 源 ， 负 载 电 压 瞬 时 值 u d出 现 负 值 ， 如 图 4-3(e)所 示 。 t=时 ， u2与 eL数 值 接 近 (方 向 相 反 )， 阳 极 电 流 Ia小 于 维 持电 流 IH， 晶 闸 管 关 断 ， 并 立 刻 承 受 反 向 电 压 ， 如 图 4-3(f)所 示 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-3 电 感 负 载 单 相 半 波 可 控 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 由 波 形 图 可 以 看 出 ， 由 于 负 载 电 感 的 作 用 ， 导 通角 增 大 了 0导 通 角 与 负 载 阻 抗 角 有 密 切 的 关 系 ， 在 负 载 电 阻 R一 定 的 条 件 下 ， 值 越 大 ， 表 示 电 感 L越大 ， 电 源 电 压 上 升 时 ， L贮 存 的 能 量 越 多 ， 因 而 ， 电源 电 压 下 降 时 ， 维 持 晶 闸 管 导 通 的 时 间 越 长 ， 即 越大 。 也 受 的 影 响 ， 一 般 来 说 ， 越 小 ， 越 大 。 由 于 负 载 电 感 的 存 在 ， 晶 闸 管 的 导 通 角 增 大 ， 负 载 电 压 出 现 负 值 ， 因 而 负 载 电 压 平 均 值 U d降 低 。 为了 防 止 输 出 电 压 出 现 负 值 ， 可 在 负 载 两 端 并 联 一 只 二极 管 VD， 如 图 4-4 所 示 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-4 带 续 流 二 极 管 的 单 相 半 波 整 流 电 路 及 工 作 波 形 可 控 整 流 电 路 及 工 作 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 加 续 流 二 极 管 后 ， 输 出 电 压 不 再 出 现 负 值 ， 从 而提 高 了 平 均 电 压 Ud。 输 出 电 压 ud的 波 形 与 电 阻 负 载 时相 同 ， 负 载 电 流 的 波 形 与 电 阻 性 负 载 时 差 别 很 大 ， 晶闸 管 导 通 时 ， 负 载 电 流 ID由 电 源 提 供 ； 续 流 二 极 管 导通 时 ， id由 自 感 电 势 提 供 ， 如 图 4-4(f)、 (g)所 示 。 若负 载 的 感 抗 LdRd， id的 脉 动 很 小 ， 波 形 趋 于 一 条 直线 。 在 大 电 感 负 载 整 流 电 路 中 ， 触 发 信 号 要 有 一 定 的宽 度 ， 以 免 晶 闸 管 触 发 后 ， 阳 极 电 流 尚 未 达 到 掣 住 电流 ， 触 发 信 号 就 消 失 ， 使 晶 闸 管 又 恢 复 阻 断 状 态 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 单 相 半 波 可 控 整 流 电 路 的 优 点 是 电 路 简 单 ， 调 整方 便 ； 缺 点 是 输 出 电 压 低 ， 脉 动 大 ， 输 入 端 不 接 电 源变 压 器 时 ， 交 流 回 路 中 有 直 流 电 流 流 过 ， 造 成 电 网 损耗 增 大 。 使 用 电 源 变 压 器 时 ， 次 级 电 流 的 直 流 分 量 使铁 芯 磁 化 ， 变 压 器 利 用 率 降 低 。 所 以 ， 这 种 电 路 只 适用 于 小 容 量 整 流 器 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 4.1.2 单 相 半 控 桥 式 整 流 电 路 单 相 半 控 桥 式 整 流 电 路 如 图 4-5 所 示 ， 它 由 两 个晶 闸 管 、 两 个 二 极 管 和 负 载 组 成 。 VT1与 VD2组 成 一 个桥 臂 ， VT2与 VD1组 成 另 一 个 桥 臂 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-5 单 相 半 控 桥 式 整 流 电 路 及 工 作 波 形VT2VT1u2VD1 VD2 Rdba cd (a) 0ud u2id u2 udid 0uVT10uVD1(b)(c)(d) t t t 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 1. 电 阻 性 负 载 1) 工 作 过 程 当 电 源 电 压 u2的 a端 为 正 、 b端 为 负 时 ， 晶 闸 管VT1与 二 极 管 VD2承 受 正 向 电 压 。 在 t=时 ， VT1触 发 导通 ， 电 流 id经 a点 VT1RdVD2回 到 u2。 u2过 零 时 ，VT1因 通 过 它 的 电 流 小 于 IH而 关 断 。 当 u2的 b端 为 正 、 a端 为 负 时 ， V T2与 VD1承 受 正 向 电 压 。 在 t=+时 ，VT2触 发 导 通 ， 电 流 由 b点 VT2RdVD1回 到 u2， 当u2再 次 过 零 时 ， VT2因 电 流 小 于 IH而 关 断 。 ud、 id波 形如 图 4-5(b)所 示 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 晶 闸 管 VT1两 端 电 压 uVT1的 波 形 如 图 4-5(c)所 示 。 在 0之 间 ， VT1和 VD2承 受 正 向 电 压 ， VD2导 通 ， uVD2=0， 所 以 uVT1=u2; 在 之 间 ， VT1导 通 ， uVT1=0; 在 +之 间 ， 输 出 电 压 ud=0， d点 和 c点 同 电 位 ， 二 极 管 VD1两 端 电 压 uVD1=0, a点 与 c点 同 电 位 ， 因 此 a点 与 d点 同 电位 ， 即 uVT1=0； 在 +到 2之 间 ， VT2导 通 ， b点 与 d点同 电 位 ， 因 此 u VT1=u2。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2) 平 均 值 、 有 效 值 与 控 制 角 的 关 系(1) 输 出 电 压 和 电 流 的 平 均 值 与 的 关 系 ：2cos19.0 2cos19.0)cos1(2)(sin21 2 2220 ddddd RURUI UUttdUU 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 (2) 输 出 电 压 和 电 流 有 效 值 与 的 关 系 ： 2sin212sin21 )(sin21 22 220 dd RURUI U tdtUU 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 (3) 通 过 晶 闸 管 和 二 极 管 的 电 流 有 效 值 与 的 关 系 ： IRU tdtRUII d dVDVT 212sin212 )(sin2212 22 =0时 ， Ud=0.9U2， =时 ， Ud=0， 该 电 路 的 移相 范 围 为 0 180 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 (4) 功 率 因 数 cos 与 的 关 系 ： 2sin21cos 22 UUIUUISP 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2. 电 感 性 负 载 电 感 性 负 载 单 相 半 控 桥 式 整 流 电 路 和 波 形 ， 如 图 4-6 所 示 。 假 定 LdRd， 输 出 电 流 id的 波 形 为 一 条直 线 ， 还 假 定 电 路 工 作 已 稳 定 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-6 电 感 负 载 单 相 半 控 桥 式 整 流 电 路 及 工 作 波 形 VT1 (a) (b) u2 i2 VT2 VD1 VD2 ud Rd id Ld u2 0 (c) ud 0 (d) id 0 Id (e) i VT1 0 Id (f) i VD2 0 Id (g) i VT2 0 Id (h) i VD1 0 Id t i 2 0 Id(i) t t t t t t t 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 在 u2正 半 周 内 ， 晶 闸 管 VT1与 二 极 管 VD2承 受 正 向电 压 。 当 t=时 ， VT1导 通 。 当 u2过 零 变 负 时 ， 电 感产 生 的 自 感 电 动 势 使 VT1继 续 导 通 ， 但 是 ， 这 时 ， VD2截 止 ， VD1导 通 ， 电 流 流 过 Ld、 Rd、 VD1、 VT1。 VT1与VD1起 续 流 作 用 ， 输 出 电 压 等 于 VT1与 VD1两 管 的 通 态 压降 ， 近 似 为 零 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 在 u2负 半 周 内 ， VT2与 VD1承 受 正 向 电 压 。 在t=+时 ， VT2触 发 导 通 ， VT1因 承 受 反 向 电 压 而 关 断 。 电 流 流 经 VT2、 负 载 、 VD1。 当 u2过 零 变 为 正 时 ， VD2导 通 ， VD1截 止 ， VT2、 VD2续 流 ， 输 出 电 压 近 似 为 零 。 输 出 电 压 波 形 与 电 阻 性 负 载 时 完 全 相 同 ， 所 以 ， 可 用同 一 公 式 计 算 。 移 相 范 围 也 是 0 180 。 输 出 电 流是 稳 定 直 流 ， i VT1、 iVT2、 iVD1、 iVD2的 波 形 都 是 宽 度相 等 的 方 波 ， 晶 闸 管 和 二 极 管 承 受 的 最 高 电 压 仍 为 U2。 2 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 为 了 避 免 出 现 失 控 现 象 ， 通 常 在 输 出 端 并 联 一 个续 流 二 极 管 VD3， 如 图 4-7(a)所 示 。 续 流 期 间 ， 负 载电 流 流 过 VD3， 晶 闸 管 因 阳 极 电 流 小 于 维 持 电 流 而 关 断 ， 输 出 电 压 、 电 流 波 形 如 图 4-7(b)所 示 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-7 带 续 流 二 极 管 的 桥 式 整 流 电 路 及 工 作 波 形 VT1(a)(b) u2i2 VT2VD1 VD2 ud Rdid Ld u2 0 (c) ud 0 (d) id 0 Id (e) i VT1 0 Id (f) i VT2 0 Id (g) i VDS 0 Id i 2 0 Id(h) VDS i VD2 i VD1 Id t t t t t t t 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 3. 反 电 势 负 载 蓄 电 池 和 直 流 电 动 机 为 整 流 电 路 的 反 电 势 负 载 。 负 载 为 蓄 电 池 时 ， 整 流 电 路 及 其 输 出 电 压 电 流 波 形 如图 4-8 所 示 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-8 反 电 势 负 载 单 相 半 控 桥 式 整 流 电 路 及 工 作 波 形VT2VT1u2 VD1 R(a) 0ud 0 (b)VD212 Eud ud id IduVT10 E t t tE 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 如 果 电 源 电 压 u2和 反 电 势 E已 定 ， u2小 于 E时 ， 晶闸 管 不 导 通 ， 停 止 导 电 角 可 由 下 式 求 出 ： 22arctan UE当 时 ， 输 出 电 压 平 均 值 为 ： )()sin2(1 2 tdEtUEUd 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 当 时 ， 因 为 u2 E， 在 t=处 加 入 触 发 脉 冲 ， 晶 闸 管 不 能 立 刻 导 通 。 为 了 保 证 触 发 ， 触 发 脉 冲 要 有较 大 的 宽 度 ， 此 时 ， 输 出 电 压 平 均 值 为 ： ddd I EUI 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 4.1.3 三 相 半 波 可 控 整 流 电 路 三 相 半 波 可 控 整 流 电 路 如 图 4-9(a)所 示 ， 它 由 晶闸 管 VT1、 VT2、 VT3、 负 载 和 电 源 变 压 器 组 成 。 三 个晶 闸 管 的 阴 极 接 在 一 起 ， 这 种 接 法 叫 做 共 阴 极 接 法 (三个 晶 闸 管 的 阳 极 接 在 一 起 时 ， 叫 共 阳 极 接 法 )。 图 4-9(b)中 ， 1、 2、 3点 是 相 邻 两 相 电 压 的 交 点 ， 是 不 可控 整 流 电 路 的 换 相 点 ， 称 为 自 然 换 相 点 。 对 三 相 可 控整 流 电 路 来 说 ， 自 然 换 相 点 就 是 控 制 角 的 零 点 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 1. 工 作 过 程 1) =0 时 触 发 信 号 在 自 然 换 相 点 加 入 ， 三 个 晶 闸 管 按 VT1、VT2、 VT3的 顺 序 依 次 导 通 、 关 断 。 在 t1 t2期 间 ， a相 电 压 最 高 ， VT1触 发 导 通 ， VT3因 承 受 反 压 而 关 断 ， 负 载 得 到 a相 电 压 。 在 t2 t3期 间 ， b相 电 压 最 高 ，V T2触 发 导 通 ， VT1关 断 ， 负 载 得 到 b相 电 压 。 在 t3t4期 间 ， c相 电 压 最 高 ， VT3触 发 导 通 ， VT2关 断 ， 负载 得 到 c相 电 压 。 依 此 类 推 ， 每 个 管 子 在 一 个 周 期 内导 通 120 ， 负 载 电 压 ud在 一 个 周 期 内 脉 动 三 次 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 电 流 id的 波 形 与 电 压 波 形 相 同 ， 如 图 4-9(d)所 示 。 晶 闸管 VT1两 端 电 压 uVT1的 波 形 如 图 4-9(f)所 示 ， VT1导 通 期间 ， uVT1=0， VT2导 通 期 间 ， uVT1=uab， VT3导 通 期 间 ， uVT1=uac。 流 过 VT1的 电 流 iVT1的 波 形 如 图 4-9(e)所 示 ， 显 然 IVT1=Id/3。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-9 三 相 半 波 可 控 整 流 电 路 及 =0 时 的 波 形(a) RdB0 dud id (b) u20(c) ug0(d) ud0(e) iVT10(f) uVT10 uab uac 0a b c a1 2 3t1 t2 t3 t4cba VT1VT2VT3 t t t t t 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2) 0 30 时 每 个 晶 闸 管 仍 然 导 通 120 ， 负 载 电 压 波 形 连 续 。 图 4-10是 =30 时 整 流 电 路 的 波 形 。 从 图 中 可 以 看 出 ， 在 t0点 ， VT1虽 承 受 正 向 电 压 ， 但 因 没 有 触 发 信 号 而不 能 导 通 。 在 t1点 ， VT1触 发 导 通 ， VT3因 承 受 反 向 电压 而 关 断 。 同 理 ， 在 t2点 ， VT2触 发 导 通 ， VT1关 断 。 在 t 3点 ， VT3触 发 导 通 ， VT2关 断 。 如 此 循 环 ， 在 负 载上 可 得 到 连 续 脉 动 的 直 流 电 压 ud， 如 图 4-10(c)所 示 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 3) 30 150 时 30 时 ， 电 压 ud波 形 间 断 。 =30 是 输 出 电压 ud连 续 与 断 续 的 临 界 角 。 图 4-11 是 =60 时 整 流 电路 的 波 形 。 在 t0点 后 ， a相 电 压 虽 然 最 高 ， 但 无 发 触发 信 号 ， VT1不 能 导 通 ， ud为 零 。 在 t1时 ， VT1触 发 导通 ， 到 t2时 ， VT1自 行 关 断 。 t3时 ， VT2导 通 ， 依 此类 推 ， 负 载 上 得 到 断 续 的 电 压 波 形 ， 如 图 4-11(c)所 示 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 晶 闸 管 VT1两 端 电 压 uVT1的 波 形 如 图 4-11(e)所 示 。VT1导 通 期 间 ， uVT1=0； VT2导 通 期 间 ， uVT1=uab； VT3导 通 期 间 ， uVT1=uac； 三 只 晶 闸 管 均 不 导 通 时 ， ud=0， 在 电 路 图 中 ， d点 与 0 点 同 电 位 ， 因 此 ， uVT1=ua。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-10 =30 时 的 波 形 (a) u2 0 (b) 0 (c) ud 0 (d) iVT1 0 (e) uVT1 0 uab uac 30 a b c a t0 t2 t3 t1 (ia) t1 uac t t t t t 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-11 =60 时 的 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2. 输 出 电 压 和 电 流 的 平 均 值 与 的 关 系 由 于 每 个 晶 闸 管 的 导 电 情 况 完 全 相 同 ， 所 以 整 流电 压 平 均 值 可 通 过 计 算 某 一 相 电 压 在 一 个 脉 动 期 的 平均 值 求 得 。 30 时 ， cos17.1 cos32 23)(sin223 2 2656U ttdUUd 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 30 时 ， 6cos1675.0 6cos12 23 )(sin223 2 26U ttdUUd 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 由 该 式 可 以 看 出 ， =5/6 时 ， Ud=0， 因 此 ， 的移 相 范 围 为 150 。 当 为 不 同 数 值 时 ， 根 据 负 载 电 压平 均 值 ， 即 可 求 出 相 应 的 负 载 电 流 平 均 值 Id： ddd RUI 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 在 每 个 周 期 中 ， 三 只 晶 闸 管 交 替 工 作 ， 因 此 ， 流过 每 只 晶 闸 管 的 电 流 应 为 负 载 电 流 的 三 分 之 一 ， 即 ： ddddVT RUII 3131 三 个 晶 闸 管 都 不 导 通 时 ， 每 个 管 子 上 承 受 的 电 压是 相 电 压 ； 某 个 管 子 导 通 时 ， 另 外 两 个 管 子 承 受 的 最高 电 压 为 峰 值 线 电 压 U2。 晶 闸 管 的 额 定 值 应 为 ： 6 dVTNN II UU )25.1( 6)32( 2 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 当 很 大 时 ， 流 过 晶 闸 管 的 电 流 有 效 值 IVT远 远 大 于 电流 平 均 值 IdVT， 因 此 ， 选 择 元 件 时 ， 应 首 先 计 算 电 流 有效 值 ， 然 后 再 换 算 为 =0 时 的 电 流 平 均 值 ， 即 ：57.1)25.1( VTN II 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 4.1.4 三 相 半 控 桥 式 整 流 电 路 为 了 提 高 输 出 电 压 ， 改 善 输 出 电 压 波 形 ， 并 保 证三 相 电 网 平 衡 ， 大 功 率 整 流 装 置 一 般 都 采 用 图 4-12(a)所 示 的 三 相 半 控 桥 式 整 流 电 路 。 它 实 际 上 由 三 相 半 波可 控 整 流 电 路 和 三 相 半 波 不 控 整 流 电 路 串 联 而 成 。 对共 阳 极 组 的 VD4、 VD6、 VD2来 说 ， 阳 极 电 位 相 同 ， 阴极 电 位 最 低 的 二 极 管 导 通 ； 对 共 阴 极 组 的 V T1、 VT3、 VT5来 说 ， 阴 极 电 位 相 同 ， 阳 极 电 位 最 高 且 加 有 触 发信 号 的 晶 闸 管 导 通 。 负 载 电 流 总 是 通 过 一 个 晶 闸 管 和一 个 二 极 管 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-12 三 相 半 控 桥 式 整 流 电 路 及 =0 时 的 波 形VT3VT1a VD2 Rd(a) 0u2ud(b)VT5VD6VD4bc u2L(c) 0uduVT1 (1) (2) (3) (4) (5) (6)uab uac ubc uba uca ucb uaba cb a b t t 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 1. 工 作 过 程 1)=0 时 为 了 讨 论 方 便 ， 我 们 把 一 个 周 期 分 成 六 段 ， 根 据共 阴 极 组 晶 闸 管 与 共 阳 极 组 二 极 管 的 导 通 原 则 ， 一 个周 期 内 ， 它 们 的 导 通 顺 序 和 输 出 电 压 为 ： 区 间 (1) (2) (3) (4) (5) (6) 导 通 的 晶 闸 管 V T1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5 导 通 的 二 极 管 VD6 VD2 VD2 VD4 VD4 VD6 输 出 电 压 uab uac ubc uba uca ucb 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2) 60 时 当 由 0 向 60 变 化 时 ， 输 出 电 压 ud的 波 形 由 六个 完 全 对 称 的 波 头 变 成 六 个 不 对 称 的 波 头 。 =60 时 ， 变 成 三 个 对 称 连 续 的 波 头 。 图 4-13 为 =30 时 ， 输 出电 压 的 波 形 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-13 =30 时 的 波 形 VT3VT1a VD2 Rd(a) 0u2(b) VT5VD6VD4bcu2L(c) 0uVT1 uab uac ubc uba uca ucb iduddd20 t t t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8a b c aa30 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 3) 60 时 当 控 制 角 60 时 ， 整 流 电 路 输 出 电 压 波 形 间 断 。 图 4-14 是 =90 时 的 波 形 。 在 t1， VT1触 发 导 通 ， 负 载 电 压 为 uac。 在 t2， 线 电 压 uac过 零 ， VT1关 断 ， VT3因 没 有 触 发 信 号 而 不 能 导 通 。 输 出 电 压 为 零 ， 在 t3，VT3触 发 导 通 ， 输 出 电 压 为 uba。 VT3一 直 导 通 到 uba过 零 ， 其 余 类 推 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-14 =90 时 的 波 形 0 t90ud2 t0ud uac ubc ucba b ct0 t1 t3 t5t2 t4uVT1 t0 uacuab uab uac 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2. 输 出 电 压 、 电 流 的 平 均 值 与 的 关 系 为 了 计 算 输 出 电 压 平 均 值 ， 我 们 将 输 出 电 压 波 形向 右 移 动 /6， VT1导 通 时 ， 输 出 电 压 波 形 如 图 4-15 所示 ， ， 。tUuab sin6 2 )3/sin(6 2 tUuac 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-15 V T1导 通 时 输 出 电 压 波 形 t0 ud uab uac 4 3 3 2 3 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 经 过 简 单 的 积 分 运 算 ， 可 得 出 ： 2cos178.031 2cos134.2 18002cos134.2 222 dddVDdVT ddddd RUIII RURUI UU 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 4.1.5 三 相 全 控 桥 式 整 流 电 路 三 相 全 控 桥 式 整 流 电 路 ， 如 图 4-16 所 示 。 VT1、 VT3、 VT5为 共 阴 极 组 ， VT4、 VT6、 VT2为 共 阳 极 组 。 共 阴 极 中 相 电 压 最 高 、 共 阳 极 组 中 相 电 压 最 低 、 且 加有 触 发 信 号 的 两 个 晶 闸 管 导 通 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-16 三 相 全 控 整 流 电 路 及 =0 时 的 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 1. 工 作 过 程 1) =0 时 =0 时 电 路 的 波 形 如 图 4-16 所 示 。 在 t1 t2期 间 ， a相 电 压 最 高 ， b相 电 压 最 低 ， 晶 闸 管VT1、 VT6承 受 正 向 电 压 ， 在 t1点 ， 触 发 VT1、 VT6， 输出 电 压 为 uab。 在 t2 t3期 间 ， a相 电 压 最 高 ， c相 电 压最 低 。 在 t 2时 ， VT1、 VT2触 发 导 通 ， VT6因 承 受 反 向 电压 而 关 断 ， 负 载 电 压 为 uac。 t3 t4期 间 ， VT3、 VT2导 通 ， ud为 ubc。 t4 t5期 间 ， ud为 uba。 t5 t6期 间 ， ud为 uca。 t6 t7期 间 ， ud为 uab。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 由 以 上 分 析 可 知 ， 在 全 控 桥 电 路 中 ， 要 构 成 负 载电 流 通 路 ， 必 须 同 时 有 两 只 晶 闸 管 导 通 ， 因 此 ， 必 须给 承 受 正 向 电 压 的 两 只 晶 闸 管 同 时 加 入 触 发 信 号 。 为此 ， 可 以 采 用 双 脉 冲 触 发 信 号 ， 如 图 4-17 所 示 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-17 脉 冲 触 发 信 号 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2) =60 时 =60 时 ， 输 出 电 压 波 形 如 图 4-18 所 示 。 应 当 注意 ， 在 三 相 全 控 桥 整 流 电 路 中 ， 任 意 瞬 间 ， 哪 两 只 晶闸 管 导 通 ， 不 仅 决 定 于 那 两 只 管 子 承 受 正 向 电 压 ， 还决 定 于 那 两 只 管 子 得 到 触 发 脉 冲 。 3) =90 时 =90 时 ， 输 出 电 压 u d的 波 形 如 图 4-19 所 示 。 在 t1， 给 VT1、 VT6加 入 触 发 脉 冲 ， VT1和 VT6导 通 ， 输出 电 压 ud=uab， 在 t1处 ， uab=0， VT1和 VT6自 然 关 断 ， ud=0。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-18 =60 时 三 相 全 控 整 流 电 路 工 作 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-18 =60 时 三 相 全 控 整 流 电 路 工 作 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-19 =90 时 三 相 全 控 整 流 电 路 工 作 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2. 输 出 电 压 、 电 流 的 平 均 值 与 的 关 系 60 时 ， 根 据 图 4-20 所 示 的 波 形 可 知 ： cos3.2cos63)(sin626 222323 UUttdUUd 60 时 ， 根 据 图 4-21 所 示 的 波 形 可 知 ： 3cos134.2 3cos163)(sin6262 223U UttdUUd 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 输 出 平 均 电 流 ddd RUI 图 4-20 60 时 输 出 电 压 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-21 60 时 输 出 电 压 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 4.2 触 发 电 路 4.2.1 单 结 晶 体 管 触 发 电 路 1. 单 结 晶 体 管 1) 单 结 晶 体 管 的 结 构 单 结 晶 体 管 的 结 构 如 图 4-22 所 示 。 图 中 N型 硅 片 与 P型 硅 片 之 间 形 成 PN结 ， N型 硅 片 上 焊 有 两 块 陶 瓷 片 ， 在 N型 硅 片 与 陶 瓷 片 之 间 引 出 第 一 基 极 b 1和 第 二 基 极 b2， 在 P型 硅 片 上 引 出 发 射 极 e。 由 于 这 种 器 件 只 有 一 个 PN结 ， 所以 通 常 称 为 单 结 晶 体 管 ， 由 于 它 有 两 个 基 极 ， 所 以 也 称为 双 基 极 二 极 管 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-22 单 结 管 的 结 构 和 符 号 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2) 单 结 管 的 特 性 单 结 管 特 性 的 实 验 电 路 如 图 4-23(a)所 示 。 开 关 S打 开 时 ， b1 , b2两 端 电 压 Ubb为 零 ， e与 b1构 成 普 通 二 极管 。 Ue与 Ie关 系 曲 线 与 普 通 二 极 管 的 伏 安 特 性 曲 线 一 样 。 合 上 S后 ， Ubb加 到 b1 , b2之 间 (Ue=0)， 经 Rb1与 Rb2分 压 ，A点 与 b1之 间 的 电 压 为 ： bbbbbbbbb bA UURRRR RU 121 1 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-23 单 结 管 特 性 实 验 电 路 及 特 性 曲 线 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2. 单 结 管 张 弛 振 荡 器 1) 工 作 过 程 单 结 管 张 弛 振 荡 器 电 路 如 图 4-24(a)所 示 。 接 通 电源 后 ， 电 源 E经 电 阻 Re给 电 容 C充 电 ， C上 电 压 uC(=ue)按 指 数 规 律 逐 渐 上 升 。 充 电 时 间 常 数 充 为 ReC。 uC小于 峰 点 电 压 UP时 ， 单 结 管 截 止 ； uC达 到 UP时 ， 单 结管 导 通 ， 工 作 于 负 阻 区 ， 电 容 C经 R b1、 R1迅 速 放 电 。 放 电 时 间 常 数 放 为 (Rb1+R1)C。 当 uC降 低 到 谷 点 电 压UV时 ， 发 射 极 电 流 Ie小 于 谷 点 电 流 IV， 单 结 管 迅 速 截止 ， uR1消 失 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-24 单 结 管 张 弛 振 荡 器 及 其 工 作 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2) 振 荡 频 率 由 于 电 容 C的 充 电 时 间 常 数 充 远 大 于 放 电 时 间 常数 放 ， 计 算 振 荡 周 期 时 ， 可 忽 略 C的 放 电 时 间 ， 因此 ， 振 荡 周 期 T就 等 于 电 容 两 端 电 压 uC从 零 上 升 到 峰点 电 压 UP的 时 间 。 已 知 : )1()( CRtCe eeEuu 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 因 为 单 结 管 导 通 前 ， 内 阻 较 大 ， 故 流 过 电 阻 Rbb、 R1和 R2的 电 流 很 小 ， 可 认 为 UbbE， 所 以UP= Ubb+UVD=E+UVDE 当 t=T时 ， uC=UP时 ， 即 ： 11ln)1( CRT EeE e CRte故 振 荡 频 率 f为 ： 11ln11 CRTf e 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 3) 输 出 脉 冲 的 宽 度 和 幅 度电 容 C放 电 时 ， uC从 UP按 指 数 规 律 下 降 ， 即 ：CRtPC eUu 1 当 uC下 降 到 谷 点 电 压 UV时 ， 单 结 管 截 止 ， 输 出 脉冲 消 失 ， 因 此 电 容 C的 放 电 时 间 t放 (即 输 出 脉 冲 的 宽 度 )等 于 uC从 UP下 降 到 UV所 需 的 时 间 ， 即 ： VPCRtPV UUCRt eUU ln1 1 放 放因 此 ， 输 出 脉 冲 宽 度 t放 为 ： 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 单 结 管 导 通 后 ， 等 效 二 极 管 VD和 电 阻 Rb1上 的 压 降相 当 小 ， 输 出 脉 冲 电 压 Ug的 幅 值 为 ： Ug=UP 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 4) 元 件 的 作 用 与 选 择 Re： Re是 限 流 电 阻 。 当 单 结 管 发 射 极 电 压 Ue上 升到 峰 点 电 压 UP时 ， 通 过 电 阻 Re的 电 流 大 于 IP， 单 结 管才 能 导 通 。 因 此 ， Re要 满 足 关 系 式 ： P PePe P I UERIRUE 即 ： 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 当 Ue下 降 到 谷 点 电 压 UV时 ， Ie要 小 于 IV， 单 结 管才 能 截 止 。 因 此 ， Re还 要 满 足 关 系 式 ： V VeVe V I UERIRUE 即 ： 因 此 ， Re应 按 下 式 选 择 ： P PeV V I UERI UE 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 3. 单 结 晶 体 管 触 发 电 路 单 结 管 触 发 电 路 由 同 步 电 压 形 成 电 路 、 移 相 控 制电 路 、 脉 冲 形 成 和 输 出 电 路 三 部 分 组 成 ， 如 图 4-25(a)所 示 。 1) 同 步 电 压 形 成 电 路 变 压 器 次 级 电 压 经 不 可 控 桥 式 整 流 电 路 整 流 后 ， 变 为 脉 动 直 流 电 压 ， 再 经 稳 压 管 削 波 稳 压 ， 得 到 梯 形波 同 步 电 压 u T。 uT除 了 作 同 步 电 压 外 ， 还 作 单 结 管 的电 源 电 压 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-25 单 结 管 触 发 电 路 及 其 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-25 单 结 管 触 发 电 路 及 其 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2) 移 相 控 制 回 路 移 相 电 路 由 电 阻 Re和 电 容 C组 成 。 改 变 Re的 阻 值 ， C的 充 电 电 流 变 化 ， uC上 升 到 UP的 时 间 改 变 ， 因 而 触发 脉 冲 的 相 位 改 变 。 3) 脉 冲 形 成 和 输 出 电 路 脉 冲 形 成 由 单 结 管 张 弛 振 荡 器 完 成 。 在 该 电 路 中 ， 触 发 脉 冲 直 接 由 R 1两 端 输 出 。 但 是 ， 为 了 避 免 高 压 主回 路 与 低 压 触 发 电 路 直 接 相 连 ， 通 常 用 脉 冲 变 压 器 代替 R1。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 4.2.2 晶 体 管 触 发 电 路 1. 正 弦 波 电 压 同 步 的 晶 体 管 触 发 电 路 最 基 本 的 正 弦 波 同 步 晶 体 管 触 发 电 路 由 同 步 电 压产 生 电 路 、 移 相 控 制 电 路 、 脉 冲 形 成 电 路 和 输 出 电 路组 成 ， 如 图 4-26 所 示 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-26 正 弦 波 电 压 同 步 触 发 电 路 及 其 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 1) 同 步 电 压 产 生 电 路 该 电 路 由 同 步 变 压 器 Tr、 电 容 器 C1、 电 阻 R1、 R2组 成 。 2) 移 相 控 制 电 路 正 弦 波 同 步 电 压 uT与 数 值 可 调 的 直 流 控 制 电 压 Uy叠 加 后 ， 加 到 晶 体 管 V1的 发 射 结 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 3) 脉 冲 信 号 形 成 和 输 出 电 路 t1点 后 ， uT Uy， V1的 基 极 电 位 高 于 发 射 极 电 位 ，V1由 导 通 变 为 截 止 ， 其 集 电 极 电 位 突 跳 到 -E， 电 源 E通 过 V2的 发 射 结 和 R3给 电 容 C2充 电 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 在 实 际 应 用 中 ， 有 时 为 了 提 高 触 发 电 路 输 出 脉 冲前 沿 的 陡 度 ， 脉 冲 形 成 和 输 出 电 路 常 常 采 用 单 稳 态 电路 ， 如 图 4-27 所 示 。 单 稳 态 电 路 在 电 子 电 路 课 程 中已 详 细 分 析 ， 这 里 不 再 介 绍 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-27 带 阻 容 正 反 馈 的 正 弦 波 同 步 触 发 电 路 ug E T1 R8 R9 R10 R1 R2 R3 R 4 R5 R6 R7VD1 VD2 VD3 VD4 VD5 VD6 VD7 T2 C1 C2 C3 V1 V2 V3 Uy uT A 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 正 弦 波 同 步 触 发 电 路 的 主 要 优 点 是 整 流 器 的 输 出电 压 Ud与 控 制 电 压 Uy保 持 线 性 关 系 ， 因 而 ， 输 出 电 压的 调 整 大 为 简 化 。 但 是 ， 在 该 电 路 中 ， 当 电 源 电 压 波动 较 大 时 ， uT与 Uy没 有 交 点 ， 因 而 触 发 电 路 不 产 生 脉冲 ， 造 成 整 流 工 作 混 乱 。 另 外 ， 该 电 路 受 电 网 电 压 波形 畸 变 的 影 响 较 大 ， 因 此 ， 同 步 电 压 输 入 端 通 常 应 加入 RC滤 波 电 路 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 2. 锯 齿 波 电 压 同 步 的 晶 体 管 触 发 电 路 锯 齿 波 电 压 同 步 的 触 发 电 路 ， 通 常 都 由 锯 齿 波 电压 产 生 电 路 、 移 相 控 制 电 路 、 脉 冲 形 成 和 输 出 电 路 等部 分 组 成 ， 如 图 4-28 所 示 。 移 相 控 制 电 路 、 脉 冲 形成 与 输 出 电 路 同 正 弦 波 同 步 的 触 发 电 路 基 本 相 同 ， 这里 不 再 重 复 ， 下 面 着 重 分 析 同 步 电 压 产 生 电 路 。 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-28 锯 齿 波 电 压 同 步 的 晶 体 管 触 发 电 路uCuA LA LCR2R1 R3 R4 R5 R6 R7 R8R9VD1 VD2VD3 VD4 VD5 VD6VD7 VD8 VD9VD10VD11VD12 Ug1Ug2Uy V1 V2C1 C2 N1 N2N3Eb EC 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 图 4-29 锯 齿 波 电 压 发 生 器 及 其 波 形 第 4章 相 位 控 制 型 整 流 器 4.2.3 集 成 触 发 器 TCA785 应 用 1. 概 述 TCA785能 够 输 出 两 路 相 位 差 180 的 触 发 脉 冲 ， 并 且 触 发 脉 冲 可 在 0 180 之 间 任 意 移 动 ， 可 用 来触 发 晶 闸 管 、 双 向 晶 闸 管 和 晶 体 管 ， 在 各 种 整 流 设 备中 有 极 其 广 泛 的 应 用 。 该 触 发 器 采 用