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1、10-1,第十章 晶闸管相控变换器,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。,10-2,逆变的概念 逆变与整流相对应,直流电变成交流电。 交流侧接电网,为有源逆变。 交流侧接负载,为无源逆变。 逆变与变频 变频电路:分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换(整流)和直交变换两部分组成,后一部分就是逆变。 主要应用 各种直流电源,如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交
2、流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。,10-3,第一节 晶闸管相控整流电路的相控原理,图10.1-1 单相半波可控整流电路及波形,变压器B起变换电压和电气隔离的作用。,一、电阻性负载下单相半波整流电路的相控原理,交流输入为单相,直流输出电压波形只在交流输入的正半周内出现,故称为单相半波可控整流电路。,特点: 电压与电流成正比,两者波形相同,2-5,二、电感性负载的工作情况,图10.1-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形,阻感负载的特点:电感对电流变化有抗拒作用,使得流过电感的电流不发生突变。,讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。,2
3、-6,对单相半波电路的分析可基于上述方法进行: 当VT处于断态时,相当于电路在VT处断开,id=0。 当VT处于通态时,相当于VT短路。,图 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,电力电子电路的一种基本分析方法 通过器件的理想化,将电路简化为分段线性电路,分段进行分析计算。 器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。,电力电子电路中存在非线性的电力电子器件,决定了电力电子电路时非线性电路。,2-7,当VT处于通态时,如下方程成立:,b) VT处于导通状态,(2-2),(2-4),初始条件:t=,id=0。求解式(2-2)并将初始条件代入可得,当t=+
4、 时,id=0,代入式(2-3)并整理得,2-8,负载阻抗角j、触发角a 、晶闸管导通角的关系,若j为定值,a 越大,在u2正半周L储能越少,维持导电的能力就越弱,越小 若a为定值,j 越大,则L贮能越多,越大;且j 越大,在u2负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通的时间,ud中负的部分越接近正的部分,平均值Ud越接近零,输出的直流电流平均值也越小。 为避免Ud太小,在整流电路的负载两端并联续流二极管,2-9,2.1.1 单相半波可控整流电路,续流二极管,u2 0时: VDR反向截止,不影响整流电路工作。,2-10,2.1.1 单相半波可控整流电路,续流二极管,2-11,
5、2.1.1 单相半波可控整流电路,续流二极管,图10.1-4 单相半波带阻感负载 有续流二极管的电路及波形,数量关系,(10.1-5),(10.1-7),(10.1-6),(10.1-8),若近似认为id为一条水平线,恒为Id,则有,2-12,2.1.1 单相半波可控整流电路,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,2-13,第二节 单相桥式相控整流电路,(一) 电阻性负载,工作原理及波形分析 VT1和VT4组成一对桥臂,在u2
6、正半周承受电压u2,得到触发脉冲即导通,当u2过零时关断,ud=u2。 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,ud=-u2。,电路结构,一、单相桥式全控整流电路,2-14,第二节 单相桥式相控整流电路,(一) 电阻性负载,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。,电路结构,一、单相桥式全控整流电路,2-15,第二节 单相桥式相控整流电路,数量关系,(10.2-1),a
7、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:,(10.2-3),2-16,第二节 单相桥式相控整流电路,流过晶闸管的电流有效值:,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:,(10.2-4),(10.2-6),2-17,第二节 单相桥式相控整流电路,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:,(10.2-4),2-18,第二节 单相桥式相控整流电路,上式用于选择晶闸管的额定电流:,当=00时,,选择晶闸管的额定电压:,不考虑变压器的损耗时,要求变压器的容量 S=U2I2。,晶闸管承受的最大正反向电压 均为 。,
8、2-19,第二节 单相桥式相控整流电路,(二)电感性负载,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,晶闸管VT1和VT4并不关断。 至t=+a 时刻,晶闸管VT1和VT4关断,VT2和VT3两管导通。 VT2和VT3导通后,VT1和VT4承受反压关断,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。,u,2,O,w,t,O,w,t,O,w,t,u,d,i,d,I,d,2-20,第二节 单相桥式相控整流电路,(二)电感性负载,u2,O,w,t,O,w,t,O,w,t,u,d,i,d,i,2,O,
9、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,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。,2-21,第二节 单相桥式相控整流电路,数量关系,(10.2-13),晶闸管移相范围为90。,晶闸管承受的最大正反向电压 均为 。,当=0,整流电压平均值最大,当=90,整流电压平均值最小,2-22,第二节 单相桥式相控整流电路,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
10、=Id。,2-23,第二节 单相桥式相控整流电路,(三) 反电势负载,图10.2-7 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,在|u2|E时,才有晶闸管承 受正电压,有导通的可能。,在a 角相同时,整流输出电压比电阻负载时大。,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 。,2-24,第二节 单相桥式相控整流电路,直流电压平均值:,图10.2-4b 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的波形,如图10.2-4b所示id波形所示:,(10.2-20),2-25,第二节 单相桥式相控整流电路,直流电流平均值:,图10.2-4b 单相
11、桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的波形,如图10.2-4b所示id波形所示:,(10.2-21),直流电流有效值:,(10.2-22),2-26,第二节 单相桥式相控整流电路,当 d时,触发脉冲到来时,晶闸管承受负电压,不可能导通。,图10.2-4b 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的波形,电流断续,触发脉冲有足够的宽度,保证当wt=d时刻有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为d。,如图10.2-4b所示id波形所示:,电流连续,2-27,第二节 单相桥式相控整流电路,负载为直流电动机时,如果出现电流断续,则电动机 的机械特性将很软 。,为了克服此缺
12、点,一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。,2-28,第二节 单相桥式相控整流电路,这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同,ud的计算公式也一样。 为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出:,2-29,二、单相桥式半控整流电路,电路结构 单相全控桥中,每个导电回路中有2个晶闸管,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(先不考虑续流二极管VDR)。,电阻负载 半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。,2-30,(一)电感性负载,图10.2-6 单相桥式半控整流电路,无续流二极管,阻感负载时的电路及波形,在u2正
13、半周,u2经VT1和VD4向负载供电,ud=u2。,二、单相桥式半控整流电路,2-31,(一)电感性负载,图10.2-6 单相桥式半控整流电路,无续流二极管,阻感负载时的电路及波形,在u2正半周,u2经VT1和VD4向负载供电,ud=u2。 u2过零变负时,因电感作用电流不再流经变压器二次绕组,而是由VT1和VD3续流, ud为零。,二、单相桥式半控整流电路,2-32,(一)电感性负载,图10.2-6 单相桥式半控整流电路,无续流二极管,阻感负载时的电路及波形,在u2负半周触发角a时刻触发VT2,VT2导通,u2经VT2和VD3向负载供电, ud=-u2 。 u2过零变正时,VD4导通,VD3
14、关断。VT2和VD4续流,ud又为零。,二、单相桥式半控整流电路,2-33,(一)电感性负载,图10.2-6 单相桥式半控整流电路,无续流二极管,阻感负载时的电路及波形,在u2负半周触发角a时刻触发VT2,VT2导通,u2经VT2和VD3向负载供电, ud=-u2 。 u2过零变正时,VD4导通,VD3关断。VT2和VD4续流,ud又为零。,二、单相桥式半控整流电路,2-34,续流二极管的作用,若无续流二极管,则当a 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,其平均值保持恒定,称为失控。 为避免可能发生的失控现象,电路中加入续流
15、二极管VDR。 有续流二极管VDR时,续流过程由VDR完成,避免了失控的现象。,二、单相桥式半控整流电路,2-35,续流二极管的作用,二、单相桥式半控整流电路,续流期间导电回路中只有一个管压降,有利于降低损耗。,图10.2-6 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,2-36,续流二极管的作用,二、单相桥式半控整流电路,续流期间导电回路中只有一个管压降,有利于降低损耗。,图10.2-6 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,晶闸管和二极管的电流波形宽度都是-,其电流有效值:,(10.2-23),续流二极管的电流波形宽度,每个周期出现两次,其电流有效值:
16、,(10.2-24),2-37,续流二极管的作用,二、单相桥式半控整流电路,续流二极管承受反向最大电压为,图10.2-6 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,变压器二次电流有效值:,(10.2-25),2-38,单相桥式半控整流电路的另一种接法,省去-续流二极管VDR,续流由VD3和VD4来实现。,单相半控桥式有续流二极管 时的电路,单相桥式半控整流电路的另一接法,二、单相桥式半控整流电路,2-39,2002,27.(6分)单相桥式半控整流电路如图所示,负载L足够大。试绘出=90时输出电压ud、流过晶闸管VT1的电流iT1以及流过二极管VD4的电流iD4的波形。,2-40,2003,