修改稿第3章整流电路(2)剖析

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1、第3章：整流电路,一、单相可控整流电路 二、三相可控整流电路 三、变压器漏感对整流电路影响 四、大功率可控整流电路 五、有源逆变电路 六、晶闸管直流电动机系统 七、可控电路的驱动控制,第3章：整流电路,整流电路；交流转换为直流,按照输入交流电源的相数:单相、三相和多相整流电路； 按电路中组成的电力电子器件控制特性:不可控、半控和全控整流电路； 根据整流电路的结构形式:半波、全波和桥式整流电路等类型。 负载的性质主要有：电阻性、电感性、电容性、反电动势等。,可控整流电路:电压可调； 二极管整流电路:电压固定；,整流电路的类型 ：,第3章：整流电路,一、单相可控整流电路 二、三相可控整流电路 三、

2、变压器漏感对整流电路影响 四、大功率可控整流电路 五、有源逆变电路 六、晶闸管直流电动机系统 七、可控电路的驱动控制,在单相可控整流电路中，定义晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度称为控制角(或移相角)，晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，用表示。,1 单相半波可控整流电路,图3.1.1 单相半波可控整流,（1）电阻性负载,（3.1.1）,1 单相半波可控整流电路,上式表明，只要改变控制角(即改变触发时刻)，就可以改变整流输出电压的平均值，达到可控整流的目的。,电阻性负载时参数计算：,根据波形图3.1.1 (b)，可求出整流输出电压平均值为：,移相范围：整流输出电压Ud的平均值从

3、最大值变 化到零时，控制角的变化范围为移相范围。,当=时，Ud=0，当=0时，Ud=0.45U2为最大值。,单相半波可控整流电路带电阻性负载时移相范围为。,图3.1.1（b) 单相半波可控 整流波形图,1 单相半波可控整流电路,电阻性负载时参数计算（续）：,图3.1.1（b) 单相半波可控整流波形图,根据有效值的定义，整流输出电压的有效值为,（3.1.3）,那么，整流输出电流的平均值Id和有效值I分别为,电流的波形系数Kf为,（3.1.6）,（2.1.4）,（3.1.5）,上式(2.1.6)表明，控制角越大，波形系数Kf越大。,1 单相半波可控整流电路,电阻性负载时参数计算（续）：,图3.1.

4、1 单相半波可控 整流原理,（3.1.7）,如果忽略晶闸管T的损耗，则变压器二次侧输出的有功功率为,电源输入的视在功率为,（3.1.9）,（3.1.8）,从上式可知，功率因数是控制角的函数，且越大，可控整流输出电压越低，功率因数PF越小。 当=0时， =0.707为最大值。这是因为电路的输出电流中不仅存在谐波，而且基波电流与基波电压(即电源输入正弦电压)也不同相，即是使电阻性负载， 也不会等于1。,电路的功率因数,1 单相半波可控整流电路,（2）电感性负载,（等效为电感L和电阻R串联）,图3.1.2 感性负载单相半波可控整流电路及其波形,工作原理,( 2) 电感性负载,1 单相半波可控整流电路

5、,感性负载上的输出电压平均值Ud为,故,（3.1.10）,（3.1.11）,（3.1.12）,式(3.1.12)表明, 感性负载上的电压平均值等于 负载电阻上的电压平均值。,由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸管的流通角变大，且负载中L越大，越大，输出电压波形图上负压的面积越大，从而使输出电压平均值减小。在大电感负载LR的情况 下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论为何值， 。,(2) 电感性负载（大电感）,1 单相半波可控整流电路,图3.1.3 LR 时不同时的电流波形,(2) 电感性负载（大电感）,1 单相半波可控整流电路,大电感负载时输出平均电压为零，解决的办法是在负载

6、两端并联续流二极管D，如图3.1.4(a)所示。,图3.1.4 大电感负载接续流管的单相 半波整流电路及电流电压波形,在电源电压正半周，负载电流由晶闸管导通提供； 电源电压负半周时，续流二极管D维持负载电流； 因此负载电流是一个连续且平稳的直流电流。大电感负载时，负载电流波形是一条平行于横轴的直线，其值为Id；,晶闸管与续流管承受的最大电压均为,1 单相半波可控整流电路,（3）电感性负载（大电感）参数计算,若设T和D分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角， 则容易得出晶闸管的电流平均值为,流过续流二极管的电流平均值为,流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为,（3.1.16）,（3.1.13

7、）,（3.1.14）,（3.1.15）,1）优点： 线路简单，调整方便； 2）缺点： （a）输出电压脉动大，负载电流脉动大（电阻性负载时）。 （b）整流变压器次级绕组中存在直流电流分量， 使铁芯磁化，变压器容量不能充分利用。若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗。 3）应用： 单相半波可控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。,（4）单相半波可控整流电路特点：,1 单相半波可控整流电路,2 单相桥式可控整流电路,(1)阻性负载,图2.1.5 单相全控桥式整流电路 带电阻性负载的电路与工作波形,（的移相范围是0180）,工作原理分析：,2 单相桥式可控整流电路,阻性负

8、载参数计算：,3）输出电流的平均值和有效值分别为,2）整流输出电压的有效值为,即Ud为最小值时，=180，Ud为最大值时=0，所以单相全控 桥式整流电路带电阻性负载时，的移相范围是0180。,1）整流输出电压的平均值,（3.1.17）,（3.1.18）,（3.1.19）,（3.1.20）,2 单相桥式可控整流电路,阻性负载参数计算：,4）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即,5）流过每个晶闸管的电流有效值为,（3.1.22）,（3.1.21）,6）晶闸管承受的最大反向电压为 U2。,7）在一个周期内每个晶闸管只导通一次，流过晶闸管的电流 波形系数为,（3.1.23）,2 单相桥式

9、可控整流电路,阻性负载参数计算：,9） 在一个周期内电源通过变压器两次向负载提供能量，因此负载电流有效值与变压器次级电流有效值I2相同。那么电路的功率因数可以按下式计算,8）负载电流的波形系数为,（3.1.25）,（3.1.24）,2 单相桥式可控整流电路,、 的移相范围相等，均为0180； 、输出电压平均值Ud是半波整流电路的倍； 、在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减 小一半； 、功率因数提高了 倍。,通过上述数量关系的分析，电阻负载时，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：,2 单相桥式可控整流电路,（2）大电感负载,图2.1.6 单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与

10、波形图,工作原理分析：,电路控制角的移相范围为0/2,2 单相桥式可控整流电路,大电感负载参数计算：,1）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为,2）整流输出电压有效值为,3）晶闸管承受的最大正反向电压为 U2。,(090),(3.1.26),(3.1.27),4）在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通， 变压器次级中的电流是正负对称的方波，电流的平均值Id和 有效值I相等，其波形系数为。,2 单相桥式可控整流电路,大电感负载参数计算：,5）在电流连续的情况下晶闸管电流的平均值和有效值为,(3.1.28),(3.1.29),单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高， 变压

11、器次级中电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题， 变压器的利用率高。 在大电感负载情况下，接近/2时，输出电压的平均值接 近于零，负载上的电压太小。且理想的大电感负载是不存在的， 故实际电流波形不可能是一条直线，而且在之前，电流就 出现断续。电感量越小，电流开始断续的值就越小。,结论：,图3.1.7 单相全控桥式整流电路带反电势负载电路与波形图,（3）反电势负载工作原理,2 单相桥式可控整流电路,反电动势负载：对于可控整流电路来说，被充电的蓄电池、电容器、正在运行的直流电动机的电枢（电枢旋转时产生感应电动势E）等本身是一个直流电压的负载。,图3.1.7 单相全控桥式整流电路 带反电势负载电

12、路波形图,（3）反电势负载工作原理,2 单相桥式可控整流电路,导电角时，整流电流波形出现断流。其波形如图3.1.7(c)所示，图中的为停止导电角。也就是说与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电。,(3.1.30),时，若触发脉冲到来，晶闸管因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 时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样就要求触发角。,反电势负载参数计算,2 单相桥式可控整流电路,(3.1.32),(3.1.31),1）整流器输出端直流电压平均值,2）整流电流平均值,（1）大电感负载时的工作情况,3 单相桥式半控整流电路,图3.1.8 单相

13、半控桥式整流电路带 大电感负载时的电压、电流波形图,晶闸管在触发时刻被迫换流，二极管则在电源电压过零时自然换流；由于自然续流的作用，整流输出电压ud的波形没有负半波的部分，与全控桥电路带电阻性负载相同。 的移相范围为0180，Ud、d的计算公式和全控桥带电阻性负载时相同；流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为180的方波且与无关，交流侧电流为正负对称的交变方波。,工作特点：,（1）大电感负载时的工作情况,3 单相桥式半控整流电路,图3.1.8 单相半控桥式整流电路带 大电感负载时的电压、电流波形图,在实际运行中，当突然把控制角 增大到180以上或突然切断触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通两

14、个二极管轮导通的失控现象。此时触发信号对输出电压失去了控制作用，失控在使用中是不允许的，为了消除失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需加接续流二极管。,续流二极管的作用：,消除失控,大电感负载时参数计算,3 单相桥式半控整流电路,输出电压平均值为,输出电压有效值为,(3.1.34),(3.1.33),3 单相桥式半控整流电路,在控制角为时，每个晶闸管一周期内的导通角为 ，续流管的流通角为 ，,大电感负载时参数计算,流经续流二极管的平均电流和有效电流分别为,(3.1.36),(3.1.35),(3.1.38),(3.1.37),则流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为,第3章：整流电路,一、单相

15、可控整流电路 二、三相可控整流电路 三、变压器漏感对整流电路影响 四、大功率可控整流电路 五、有源逆变电路 六、晶闸管直流电动机系统 七、可控电路的驱动控制,1）在t1t2期间，相电压比、相都高，如果在t1时刻触发晶闸管导通，负载上得到相电压uA。 2）在t2t3期间，相电压最高，若在t2时刻触发导通，负载上得到B相电压uB， 关断 。 3）在t3 t4时期间，C相电压最高，若在t3刻触发导通，负载上得到相电压uC，并关断。,1 三相半波可控整流电路,（1）电阻性负载工作原理分析,图3.2.1 电阻性负载的三相半波可控整流电路及波形(=0),自然换流点：t1、t2和t3时刻距相电压波形过零点3

16、0电角度，它是各相晶闸管能被正常触发导通的最早时刻，在该点以前，对应的晶闸管因承受反压，不能触发导通，所以把它叫做自然换流点。 在三相相控整流电路中，把自然换流点作为计算控制角的起点，即该处=0（注意：这与单相可控整流电路是不同的）。,1 三相半波可控整流电路,（1）电阻性负载工作原理分析,图3.2.1 电阻性负载的三相半波可控整流电路及波形(=0),1 三相半波可控整流电路,（1）电阻性负载工作原理分析,当=30时，ud、id波形临界连续。,当=150时，整流输出电压为零。,在30时，输出电压和电流波形将不再连续； 在电源交流电路中不存在电感情况下，晶闸管之间的电流转移是在瞬间完成的； 负载上的电压波形是相电压的一部分； 晶闸管处于截止状态时所承受的电压