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1、项目二 可控整流器,整流电路：是出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。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（半波）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,课题一 单相可控整流电路课题二 三相可控整流电路课题三 变压器漏抗对整流电路的影响课题四 晶闸管的触发电路,项目二 可控整流器,课题一、单相可控整流电路,一、单相半波可控整流电路(一)电阻性负载电炉、电焊机及白炽灯等均属于电阻性负载变压器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。,图2-1
2、 单相半波可控整流电路（电阻性负载）及波形,1.工作原理分析在电源电压正半周，晶闸管承受正向电压，在t=处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上的电压等于变压器输出电压u2。在t=时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。在电源电压负半周，u K0，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有输出电压，直到电源电压u2的下一周期，直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。通过改变触发角的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然=180时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直
3、流，故称“半波”整流。,一、单相半波可控整流电路,首先，引入两个重要的基本概念：触发角 ：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加发脉冲止的电角度,用表示,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导通角，用表示 。 在单相半波可控整流电阻性负载电路中,移相角的控制范围为:0，对应的导通角的可变范围是0，两者关系为 =。,一、单相半波可控整流电路,2. 基本数量关系(1) 直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id,一、单相半波可控整流电路,输出电流平均值Id :,直流输出电压平均值Ud :,(2) 输出电压有效值U与输出电流有效值I,一、单相半波可控整流电路,输出电
4、流有效值I :,直流输出电压有效值U :,(3) 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值 单相半波可控整流电路中，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：,一、单相半波可控整流电路,(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=I2R S变压器二次侧视在功率，S=U2I2 (5) 晶闸管承受的最大正反向电压UTM晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。,一、单相半波可控整流电路,例4-1 如图所示单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50 V，直流输出平均电流为
5、20 。 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。,一、单相半波可控整流电路,解 : (1),当=90时，输出电流有效值,(3),则=90,(4) 晶闸管电流有效值IT 与输出电流有效值相等，即：,选取晶闸管型号为 KP100-7F晶闸管。,取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为：,则,一、单相半波可控整流电路,二、电感性负载电感性负载通常是电机的励磁线圈、继电器线圈及其他含有电抗器的负载。电感性负载的特点：感生电动势总是阻碍电感中流过的电流使得流过电感的电流不发生突变。,图2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形,1.
6、无续流二极管时工作原理0：u K大于零，但门极没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等于零。在t=时，门极有触发信号，晶闸管被触发导通，负载电压ud= u2。当t=时，交流电压u2过零，由于有电感电势的存在，晶闸管的电压u K仍大于零，晶闸管会继续导通，电感的储能全部释放完后，晶闸管在u2反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周。,一、单相半波可控整流电路,有负面积,图2-3 电感负载,不接续流管时的电压电流波形图,数量关系 直流输出电压平均值Ud为 从Ud的波形可以看出，由于电感负载的存在，电源电压由正到负过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；当
7、大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零，则Id也很小。所以，实际的大电感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。,一、单相半波可控整流电路,2.接续流二极管时工作原理u20：u K0。在t=处触发晶闸管导通， ud= u2续流二极管VDR承受反向电压而处于断态。u20：电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，晶闸管承受反压关断,ud=0。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续。,一、单相半波可控整流电路,图2-4 带阻感负载(接续流管)的 单相半波电路及其波形,由以上分析可以看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，
8、续流二极管可以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流电路电阻性负载相同为0180，且有+=180。,一、单相半波可控整流电路,基本数量关系(1) 输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud输出电流平均值Id,一、单相半波可控整流电路,(2) 晶闸管的电流平均值IdT与晶闸管的电流有效值IT晶闸管的电流平均值IdT ：晶闸管的电流有效值IT：,一、单相半波可控整流电路,(3) 续流二极管的电流平均值IdD与续流二极管的电流有
9、效值ID,一、单相半波可控整流电路,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是建立起整流电路的基本概念。,二、单相桥式可控整流电路,（一）单相全控桥式可控整流电路 1.带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析,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1)输出直流电压平均值Ud及有效值U（ 角的移相范围为0180。）,二、单相桥式
10、可控整流电路,2) 输出直流电流平均值Id,3) 晶闸管电流平均值IdT和有效值IT,二、单相桥式可控整流电路,5) 功率因数,4)变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。,2.电感性负载（不接续流二极管）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。,图2-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,二、单相桥式可控整流电路,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t=+ 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
11、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，此过程称换相或换流。,二、单相桥式可控整流电路,数量关系,晶闸管移相范围为90。,晶闸管承受的最大正反向电压均为 。,晶闸管导通角与 无关，均为180。电流的平均值和有效值：,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 角决定，有效值I2=Id。,3.电感性负载（接续流二极管）见图2-7为了扩大移相范围，使波形不出现负值且输出电流更加平稳，可在负载两端并接续流二极管，如图2-7 电路所示。接续流管后，的移相范围可扩大到0。在这区间内变化，只要电感量足够大，输出电
12、流id就可保持连续且平稳。在电源电压u2过零变负时，续流管承受正向电压而导通，晶闸管承受反向电压被关断。这样ud波形与电阻性负载相同，如图2-7b所示。负载电流id是由晶闸管VT1和VT 3、VT2和VT、续流管VD相继轮流导通而形成的。uT波形与电阻负载时相同。,二、单相桥式可控整流电路,图2-7 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 （接续流管）,返回,接入VD：扩大移相范围，不让ud出现负面积。移相范围：0 180ud波形与电阻性负载相同Id由VT1和VT3，VT2和VT4，以及VD轮流导通形成。uT波形与电阻负载时相同。,4. 带反电动势负载时的工作情况 在|u2|E时，才有晶闸管承 受
13、正电压，有导通的可能。,图2-8 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,二、单相桥式可控整流电路,电流断续,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，,在 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,为了使电流连续，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。电感量足够大时，电流波形近似一直线。,二、单相桥式可控整流电路,电流连续,有负面积,由于电感存在Ud波形出现负面积，使Ud下降。 可调范围： 0 90,二、单相桥式可控整流
14、电路,接入VD：扩大移相范围，不让ud出现负面积。移相范围：0 180ud波形与电阻性负载相同Id由VT1和VT4，V2和VT3，以及VD轮流导通形成。,图2-10 单相桥式全控整流电路，有反电动势负载串平波电抗器、接续流二极管,三、单相半控桥式可控整流电路,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。,图2-11 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,单相半控桥带阻感负载的情况
15、*假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态在u2正半周，触发角处给晶闸管VT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。,图2-11 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,三、单相半控桥式可控整流电路,续流二极管的作用若无续流
16、二极管，则当突然增大至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，称为失控。（见图2-12） 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。,三、单相半控桥式可控整流电路,图2-12 单相半控桥电感性负载不接续流二极管的情况分析,返回,课题二 三相可控整流电路,一、三相半波可控整流电路,三角形,星形,(一)、 电阻性负载1、电路的特点：变压器二次侧接成星形，而一次侧接成三角
17、形。三个晶闸管分别接入 、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法 。,一、三相半波可控整流电路,二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角 的起点，即 =0。,图2-13 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及 =0时的波形,一、三相半波可控整流电路,2、工作原理：（1） 0 每管导通120, 三相电源轮流向负载供电，负载电压ud为三相电源电压正半周包络线。 变压器二次绕组的电流:变压器二次侧 相绕组和晶闸管VT1的电流波形相同，变压器二次绕组电流有直流分量。 晶闸管的电压波形，由3段组成。,（2） =30时，波形如下图所示, 30时
18、的波形：负载电流连续，晶闸管导通角等于120 。（ 30时负载电流连续和断续之间的临界状态）,（3） =60时，波形如下图所示, 30的情况：负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。 移相范围： 0 150,3、各电量计算 （1）0 30时，负载电流连续，有： 当 =0 时，Ud最大，为 。 （2） 30 150 时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,一、三相半波可控整流电路,负载电流平均值为 流过晶闸管的电流平均值为 晶闸管承受的最大电压，为变压器二次线电压峰值，即,一、三相半波可控整流电路,(二) 阻感负载1.工作原理及波形分析,图2-14 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及
19、 =60时的波形,一、三相半波可控整流电路,阻感负载，当L值很大时，id波形基本平直0 30时：整流电压波形与电阻负载时相同。30 90时：（如 =60时的波形右图所示）。特点：晶闸管导通角均为120，与控制角无关；移相范围为90 ；晶闸管电流波形近似为方波。,2.各电量计算(1) 输出电压平均值 ud(2）负载电流平均值 (3）流过晶闸管的电流平均值IdT、有效值IT 以及承受的最高电压UTM分别为,一、三相半波可控整流电路,图2-15 三相半波可控整流电路，阻感负载(不接续流管)时的波形,3. 大电感负载接续流二极管为了扩大移相范围并使负载电流id 平稳，可在电感负载两端并接续流二极管，由
20、于续流管的作用，ud波形已不出现负值，与电阻性负载ud波形相同。,一、三相半波可控整流电路,图2-16 三相半波可控整流电路，阻感负载(接续流管)时的波形,3. 大电感负载接续流二极管在030区间，电源电压均为正值，ud波形连续，续流管不起作用；当30150区间，电源电压出现过零变负时，续流管及时导通为负载电流提供续流回路，晶闸管承受反向电源相电压而关断。这样ud波形断续但不出现负值。续流管VD起作用时，晶闸管与续流管的导通角分别为：,一、三相半波可控整流电路,4、反电动势负载,与单相全控桥反电势负载情况相似，在电枢回路中串入电感量足够大的Ld。这就为含有反电势的大电感负载，其波形分析、各电量
21、计算式与大电感负载时相同 ，仅电流计算公式不同,同样，为了扩大移相范围，并使id波形更加平稳，也可在负载两端并联续流管VD。其波形分析和计算方法，与接续流管的三相半波大电感负载相同。,图2-17 三相半波可控整流电路，反电动势负载的波形,各电量计算(1) 负载电压平均值Ud和电流平均值Id 1) 030时 2) 30150时 3)负载电流 Id=Ud/Rd,一、三相半波可控整流电路,（2）晶闸管电流平均值IdT、有效值IT 及晶闸管承受的最高电压值UTM 1）030时 2)30150时 （3）续流管平均电流IdD、有效值ID及承受的最高电压UDM (30150),一、三相半波可控整流电路,二、
22、三相桥式全控整流电路,三相桥是应用最为广泛的整流电路,共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）,共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）,三相桥式全控整流电路原理图,导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6,阳极电压最大的导通,阴极电压最低的导通,带电阻负载时的工作情况,二、 三相桥式全控整流电路,当 60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续当 60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值。带电阻负载时三相桥式全控整流电路 角的移相范围是：0 120,图2-18 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =
23、0时的波形,返回,ud波形连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续每管工作120 ，每间隔60 有一管换流。,图2-19 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =30时的波形,返回,ud波形连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续每管工作120 ，每间隔60 有一管换流。,图2-20 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =60时的波形,返回,ud波形连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续每管工作120 ，每间隔60 有一管换流。,图2-21 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =90时的波形,返回,ud波形每60中有一段为零，ud波形不出现负值。,晶闸管及输出整流
24、电压的情况如下表所示,二、三相桥式全控整流电路,三相桥式全控整流电路的特点（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。,二、三相桥式全控整流电路,（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样， 故该电路为6脉波整流电路。 （4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：单宽脉
25、冲触发、双窄脉冲触发 （5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同， 晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。,二、 三相桥式全控整流电路,2阻感负载时的工作情况 60时（ =0 图222； =30 图223）ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。 区别在于：id的波形可近似为一条水平线。 60时（ =90图224）阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时，ud波形不会出现负面积 阻感负载时，ud波形会出现负面积带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的 角移相范围为: 0 90 。,主要包括,二、 三相桥式全控整流电路,图2-22 三相桥式全控整流电路带阻感负载 =0时的波形,返回
26、,图2-23 三相桥式全控整流电路带阻感负载 =30时的波形,返回,图2-24 三相桥式整流电路带阻感负载， =90时的波形,返回,3定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载 60时）的平均值为： 带电阻负载且 60时，整流电压平均值为： 输出电流平均值为 ：Id=Ud /R,二、 三相桥式全控整流电路,ik=ib是逐渐增大的， 而i =Id-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，i =0，VT1关断,换流过程结束。,课题三 变压器漏感对整流电路的影响,考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示。现以三相半波为例，然后将其结论推广。,VT1
27、换相至VT2的过程：,因 、b两相均有漏感，故i 、ib均不能突变。于是VT1和VT2同时导通，相当于将 、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流ik。,图2-29 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形,换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度g表示。换相过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。,换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。,换相重叠角g的计算,由上式得：,进而得出：,由上述推导过程，已经求得：,当 时， ，于是,g 随其它参数变化的规律： （1） Id越大则g 越大； （2） XB越大g 越大； （3） 当 90时， 越小g 越大。,变压器漏抗对各种整流电路的影响,各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,注：单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用； 三相桥等效为相电压等于 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按 代入。,
