单相相控整流电路-课件

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,:,elecfans 电子发烧友 bbs.elecfans 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,:,elecfans 电子发烧友 bbs.elecfans 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,elecfans 电子发烧友 bbs.elecfans 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,elecfans 电子发烧友 bbs.elecfans 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,elecfans 电子发烧友 bbs.elecfans 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