可控硅整流电路课件

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1、2-1,第2章 整流电路,2.1 单相可控整流电路 2.2 三相可控整流电路 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 2.4 电容滤波的不可控整流电路 2.5 整流电路的谐波和功率因数 2.6 大功率可控整流电路 2.7 整流电路的有源逆变工作状态 2.8 晶闸管直流电动机系统 2.9 相控电路的驱动控制 本章小结,2-2,第2章 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

2、流电。,2-3,2.1 单相可控整流电路,2.1.1 单相半波可控整流电路 2.1.2 单相桥式全控整流电路 2.1.3 单相全波可控整流电路 2.1.4 单相桥式半控整流电路,2-4,2.1.1单相半波可控整流电路,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。,(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier),2-5,2.1.1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

3、,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 。,直流输出电压平均值为,2-6,2.1.1单相半波可控整流电路,2) 带阻感负载的工作情况,图2-2 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。,2-7,2.1.1单相半波可控整流电路,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2-3 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

4、)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。 器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。,2-8,2.1.1单相半波可控整流电路,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= a ，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得,当t=+a 时，id=0，代入式（2-3）并整理得,2-9,2.1.1单相半波可控整流电路,续流二极管,图2-4 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(id近似恒为Id）,2-10,2.1.1单相半波可控整流电路,VT的a 移相范围为180。 简单，但

5、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,2-11,2.1.2单相桥式全控整流电路,1) 带电阻负载的工作情况,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 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,(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier),2

6、-12,2.1.2单相桥式全控整流电路,数量关系,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：,2-13,2.1.2单相桥式全控整流电路,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：,由上两式得：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。,2-14,2.1.2单相桥式全控整流电路,2）带阻感负载的工作情况,u,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，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VT

7、1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。,2-15,2.1.2单相桥式全控整流电路,数量关系,晶闸管移相范围为90。,晶闸管导通角与a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a角决定，有效值I2=Id。,晶闸管承受的最大正反向电压均为 。,2-16,2.1.2单相桥式全控整流电路,3） 带反电动势负载时的工作情况,图2-7 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负

8、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 。,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，,2-17,2.1.2单相桥式全控整流电路,当 d时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。,图2-7b 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的波形,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2-7b所示id波形所示：,b),2-18

9、,2.1.2单相桥式全控整流电路,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 。,为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。,图2-8 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况,平波电抗器电感值可由下式求出。,2-19,2.1.3单相全波可控整流电路,（Single Phase Full Wave Controlled Rectifier),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。 变压器不存在直流磁化的问题。,图2-9 单相全波可控整流电路及波形,2-20,2.1.3单相全波可控整流电路,单相全波与单相全

10、控桥的区别：,单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。 单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。 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。,从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。,2-21,2.1.4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VDR）。,u,d,图2-10 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,电阻负载 半控电

11、路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。,2-22,2.1.4单相桥式半控整流电路,单相半控桥带阻感负载,在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。 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VD2续流。 在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，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。,2-23,2.1.4 单相桥式半控整流电路,单相桥式半控整流电路的另一种接法,相当于把图2-5a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。,图2-5

12、 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形,图2-11 单相桥式半控整流电路的另一接法,2-24,2.2 三相可控整流电路,2.2.1 三相半波可控整流电路 2.2.2 三相桥式全控整流电路,2-25,2.2 三相可控整流电路引言,交流测由三相电源供电。 负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。 基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广 。,2-26,2.2.1三相半波可控整流电路,电路的特点： 变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。 三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法 。,图2-12 三相半波可控整流电路共

13、阴极接法电阻负载时的电路及a =0时的波形,1)电阻负载,自然换相点： 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a的起点，即a =0。,动画演示,2-27,2.2.1三相半波可控整流电路,a =0时的工作原理分析,变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，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。,a=30的波形 特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。 a30的情况 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。,动画演示,动画演示,2-28,2.2.1三相半波可控整流电路,当a=0时，Ud最大，为 。,整流电压平均

14、值的计算,a30时，负载电流连续，有：,a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,2-29,2.2.1三相半波可控整流电路,Ud/U2随a变化的规律如图2-15中的曲线1所示。,图2-15 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系 1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载,2-30,2.2.1三相半波可控整流电路,负载电流平均值为,晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即,晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即,2-31,2.2.1三相半波可控整流电路,2）阻感负载,图2-16 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a =60时的波形,特点：阻

15、感负载，L值很大，id波形基本平直。 a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。 a30时（如a=60时的波形如图2-16所示）。 u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，ud波形中出现负的部分。 id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。 阻感负载时的移相范围为90。,动画演示,2-32,2.2.1三相半波可控整流电路,数量关系,由于负载电流连续， Ud可由式（2-18）求出，即,Ud/U2与a成余弦关系，如图2-15中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，Ud/U2与a的关系将介于曲线1和2之间，曲线3给出了这种情况的一个例子。,图2-15

16、三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系 1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载,2-33,2.2.1三相半波可控整流电路,变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为,晶闸管的额定电流为,晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值,三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。,2-34,2.2.2三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）,图2-17 三相桥式 全控整流电路原理图,导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6,2-35,2.2.2三相桥式全控整流电路,1）带电阻负载时的工作情况,当a60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 波形图： a =0 （图218 ） a =30 （图219） a =60 （图220） 当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值 波形