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1、电 力 电 子 技 术Power Electronic Technology,整流与有源逆变_单相整流电路,5.1 引 言,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,5.2 单相不控整流电路,利用二极管的单相导电性可以十分简单地实现交流直流电力变换。由于二极管整流电路输出的直流电压只与交流输入电压的大小有关，不能控制其数值，故称为不控整流电路。,“半波”整流：ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同
2、。,5.2 单相不控整流电路,负载为感性，在电源电压过零变负后，由于电感有阻止电流下降的作用，会在电感L两端感应电势eL，其极性为下正上负，与电源电压叠加，使得VD1在电源电压为负时仍然在一段时间内仍承受正压而导通，这会造成负载两端的电压ud会出现负值。,单相半波整流电路带阻感负载,为避免负载两端电压ud出现负值，应反并二极管VD2为负载电流提供续流的通路。在电源电压为正时，VD2承受反压处于关断状态，而负载电压变负时，L释放能量，VD2承受正压而导通，维持负载电流通过VD2构成回路，将ud近似限制在零值。,5.2 单相不控整流电路,5.2 单相不控整流电路,5.3.1 单相半波可控整流电路(
3、Single Phase Half Wave Controlled Rectifier),带电阻负载的工作情况变压器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,图2-1 单相半波可控整流电路及波形,5.3.1 单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier),图2-1 单相半波可控整流电路及波形,工作过程：（1）在u2的正半周，VT承受正向电压，0t1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，uVTu2，ud=0;（2）t1以后，VT由于触发脉冲ug的作用而导通，则ud=u2,uVT=0,id=u2/R，一
4、直到时刻；（3）2期间，u2反向，VT由于承受反向电压而关断,uVT=u2,ud=0。以后不断重复以上过程。,5.3.1 单相半波可控整流电路,若干概念单拍电路：指变压器副边在工作过程中只流过一个方向的电流，此时变压器有直流磁化现象；双拍电路：指变压器副边在工作过程中流过正反双向电流；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,用表示,也称触发角或控制角。,5.3.1 单相半波可控整流电路,若干概念导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示。在半波电路带电阻负载时，。的移相范围：指触发角可以变化的角度范围。在不同的电路中，有不同的角度范围。如在单相半波电路带
5、电阻负载时，的移相角度范围是0。相控方式：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。,5.3.1 单相半波可控整流电路,基本数量关系直流输出电压平均值Ud U2为电源电压有效值；时，Ud=0。,SCR的若干参数关系：(1)IdT（流过SCR电流的平均值）(2)IT（流过SCR电流的有效值）(3)UVT（SCR承受的正反向峰值电压）为,5.3.1 单相半波可控整流电路,图2-2 带阻感负载的单相半波电路及其波形,5.3.1 单相半波可控整流电路,基本数量关系直流输出电压平均值Ud 由于从ud的波形可以看出，此时输出的平均电压Ud和电阻负载相比，有所下降。,
6、5.3.1 单相半波可控整流电路,单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管当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,图2-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,5.3.1 单相半波可控整流电路,带续流二极管的单相半波电路基本数量关系：输出直流电压的平均值 Ud（和纯阻性负载相同）输出直流电流的平均值Id.（和纯阻性负载相同）若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则流过SCR
7、的电流平均值和有效值分别为：,5.3.1 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在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念,5.3.2 单相桥式全控整流电路,1.带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析（1）0t1:u2为正，VT1和VT4无触发脉冲不导通，VT1和VT4分担u2/2的正向电压，VT2和VT3分担u2/2的反向电压,ud=0;（2）t1:u2为正，VT1和VT4由于触发脉冲ug的作用而导通，VT2和VT3承受u2的反向电压，id=u2/R；（3）t2
8、(+t1)：u2为负，VT2和VT3无触发脉冲不导通，VT2和VT3分担u2/2的正向电压，VT1和VT4分担u2/2 的反向电压,ud=0;（4）t2(+t1)2:u2为负，VT2和VT3由于触发脉冲ug的作用而导通，VT1和VT4承受u2 的反向电压，id=u2/R，且方向保持不变。,图2-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,5.3.2 单相桥式全控整流电路,基本数量关系直流输出电压平均值Ud 可见：在同样的控制角a情况下，输出的平均电压Ud是单相半波的两倍；SCR可控移相范围为180；属于双拍电路。,5.3.2 单相桥式全控整流电路,直流输出电流平均值Id 由于SCR轮流导电，所以
9、流过每个SCR的平均电流IdT只有负载上平均电流的一半。,直流输出电流有效值I，即为变压器二次侧绕组电流有效值I2 SCR的有效电流IT，由于SCR轮流导电，所以IT为：,5.3.2 单相桥式全控整流电路,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，而VT1和VT4立刻承受负电压，故两管关断。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和V
10、T4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2-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,5.3.2 单相桥式全控整流电路,整流电路输出平均电压为：晶闸管移相范围为90，因为当90时，Ud0。整流电路输出平均电流Id和SCR的电流平均值IdT为：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。,5.3.2 单相桥式全控整流电路,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，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
11、，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。,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,ud=u2,（2-16）,5.3.2 单相桥式全控整流电路,整流输出电流的平均值为：时，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t=时刻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到。,5.3.2 单相桥式全控整流电路,5.3.3 单相全波可控整流电路,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，变压器不
12、存在直流磁化的问题。,5.3.3 单相全波可控整流电路,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，门极触发电路也少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。,5.3.4 单相桥式半控整流电路,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
13、流电路。半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同,图2-10(a)单相桥式半控整流电路，电阻负载时的电路及波形,5.3.4 单相桥式半控整流电路,在u2电压正半周、触发角为时，触发VT1，VT1和VD4导通。当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VD2正偏导通，而VD4反偏截止，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。此时整流桥输出电压为VT1和VD2的正向压降，接近于零，所以整流输出电压ud没有负半波。这种现象被称为自然续流，在这点上，半控桥与全控桥是不同的。在u2电压负半周，具有与正半周
14、相似的特性，触发角时触发VT3，VT3和VD2导通，u2过零变正时经VT3和VD4自然续流。,5.3.4 单相桥式半控整流电路,单相半控桥式整流电路带大电感负载时的工作特点是：晶闸管在触发时刻换流，二极管在电源电压过零时换流；由于自然换流的作用，整流输出电压的波形与全控桥整流电路带电阻性负载时相同，角的移相范围为0180，流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为的方波且与角无关，交流侧电流为正负对称的交变方波。单相半控桥式整流电路带大电感负载时虽然本身具有自然续流能力，但在实际运行时，当角突然增大至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，即半周期ud为正弦，另外半
15、周期ud为零，其平均值保持恒定，角失去控制作用，称为失控。为避免失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需另加续流二极管。,5.3.4 单相桥式半控整流电路,有续流二极管VDR时，当u2电压降到零时，负载电流经VDR完成续流，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，也有利于降低损耗。,单相桥式半控整流电路的另一种接法，相当于把图中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管，续流由VD3和VD4来实现。但这种接法的两个晶闸管阴极电位不同，二者的触发电路要隔离。,5.3.4 单相桥式半控整流电路,5.3.4 单相桥式半控整流电路,基本数量关系直流输出电压平均值Ud、电流平均值Id（和全控桥阻性负载是相同）SCR可控移相范围为180；属于双拍电路。具体的各个电流有效值以及电流的平均值根据电流的波形可以方便得出。,
