单相相控整流电路

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1、单相相控整流电路2-2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，将交流电变为直流电。2-3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。整流变压器二次电压、电流有效值下标用2表示，电路输出电压电流平均值下标均用d表示。交流正弦电压波形的横坐标为电角度 t，正弦变化一周为2rad或3600电角度，也可用

2、时间表示，50Hz的交流电一个周期为20ms。tTVTR0a)u1u2uVTudidt1p2ptttu2uguduVTq0b)c)d)e)00单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)2-4VT的 移相范围为0 -180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。 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,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，用表示 。基本数量关系直流输出电压平均值为(2

3、-1)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 直流输出电压平均值Ud: 输出电流平均值Id:http:/ 电子发烧 友 http:/ 电子技 术论(2) 输出电压有效值U与输出电流有效值I 输出电压有效值U: 输出电流有效值I:http:/ 电子发烧 友 http:/ 电子技 术论(3) 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效 值 单相半波可控整流器中，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：(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=I2RS变压器二次侧视在功

4、率，S=U2I2 (5) 晶闸管承受的最大正反向电压Um 由图2-2 (f)可以看出晶闸管承受的最大正反向电压Um是 相电压峰值。例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20A 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。解 (1) 则=90(2) 当=90时，输出电流有效值(3) (4) 晶闸管电流有效值IT 与输出电流有效值相等，即：则 取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为：（5）晶闸管承受的最高电压：考虑(23)倍安全裕量，晶闸管

5、的额定电压为根据计算结果可以选取KP60-8G的晶闸管。 （二）电感性负载整流电路直流负载的感抗d和电阻Rd的大小相比不可忽略时，这种负载称为电感性负载。整流电路带电感性负载时的工作情况与带电阻性负载时有很大不同，为便于分析，在电路中把电感d与电阻Rd分开，其工作原理可按波形分段说明。O一t1（a期间）：晶闸管虽承受正电压，但门极触发脉冲尚未出现，管子阻断承受全部电源电压。3.1.1 单相半波可控整流电路utttt20t1p2pt ug0 ud0 id0 uVT0qb)c)d)e)f)+图3-2 带阻感负载的单相半 波可控整流电路及其波形带阻感负载的工作情况 阻感负载的特点是电感对电流变化有抗

6、 拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变 。电路分析晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2 。在t1时刻，即触发角处 ud=u2。L的存在使id不能突变，id从0开始增 加。u2由正变负的过零点处，id已经处于减 小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处 于通态。 t2时刻，电感能量释放完毕，id降至 零，VT关断并立即承受反压。由于电感的存在延迟了VT的关断时刻 ，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时 相比其平均值Ud下降。 3.1.1 单相半波可控整流电路电力电子电路的一种基本分析 方法把器件理想化，将电路简化 为分段线性电路。器件的每种状态组合对应一 种线性电路拓扑，器件通

7、断状 态变化时，电路拓扑发生改变 。 以前述单相半波电路为例当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通时，相当于VT短路。两种情况的等效电路如图3-3所示。图3-3 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) VT处于导通状态（三）续流二极管的作用在带有大电感负载时，单相半波相控整流电路正常工作的关键是使负载端不出现负电压，因此要设法在电源电压u2负半周时，使晶闸管承受反压而关断。解决的办法是在负载两端并联一个二极管VDR。加了续流二极管以后，输出直流电压u d的波形与电阻负载时一样，而电流波形则完全不同。电源电压正半周时，电流由电源经导通的晶闸

8、管供给；电源电压负半周时，晶闸管关断，电流由续流电流维持，因此，负载电流由两部分合成。 3.1.1 单相半波可控整流电路有续流二极管的电路电路分析u2正半周时，与没有续流 二极管时的情况是一样的。 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。若L足够大，id连续，且id 波形接近一条水平线 。u2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOOp-p +b)c)d)e)f)g)iVDRa)图3-4 单相半波带阻感负载有 续流二极管的电路及波形http:/ 电子发

9、烧 友 http:/ 电子技 术论2. 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Idhttp:/ 电子发烧 友 http:/ 电子技 术论(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IThttp:/ 电子发烧 友 http:/ 电子技 术论(3) 续流二极管的电流平均值IdDR与续流二极管的 电流有效值IDR(4) 晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压 晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压均为 电源电压的峰值。 2-22VT的 移相范围为180。简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中

10、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 单相半波可控整流器的优点是电路简单，调整方便， 容易实现。但整流电压脉动大，每周期脉动一次。变 压器二次侧流过单方向的电流，存在直流磁化、利用 率低的问题，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面 ，这样就导致设备容量增大。 例2 图2.7是中、小型发电机采用的单相半波自激稳 压可控整流电路。当发电机满负载运行时，相电压 为220V，要求的励磁电压为40V。已知：励磁线圈 的电阻为2，电感量为0.1H。试求：晶闸管及续流 管的电流平均值和有效值各是多少？晶闸管与

11、续流 管可能承受的最大电压各是多少？请选择晶闸管与 续流管的型号。图2.7 例2-2图 解：先求控制角。 因为， 所以， 则 由于， 所以为大电感负载，各电量分别计算如下：101 根据以上计算选择晶闸管及续流管型号考虑 如下： 取700V。 取10A。 故选择晶闸管型号为KP10-7G。二、单相全控桥式相控整流电路单相半波电路虽有线路简单、调整方便等优点，但只有半周工作，直流波形差、整流变压器利用率低且存在直流成分的缺点，因此仅用于要求不高的小功率场合。2-271) 带电阻负载的工作情况 a)u (i )pttt000i2ud id b)c)d)dduVT 1,4图2-5 单相全控桥式 带电阻

12、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。电路结构二、单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)2-28数量关系（2-9）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：（2-10）(2-11)pttt000i2ud id b)c)d)dduVT 1,42-29流过晶闸管的电流有效值：变压器二

13、次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由式（2-12）和式（2-13）得 ：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的 容量 S=U2I2。（2-12）（2-13）（2-14）pttt000i2ud id b)c)d)dduVT 1,4当a=00时c o s =1 ，i2波形没有畸变为完整的正弦交流。晶闸管承受的最大正向（a=900时）与反向峰值电压为电源电压峰值， 由于Ld的作用，当交流电压u2正半周过零开始变负时，Ld感应电动势eL阻止电流下降极性为上（）下（+），只要eL在数值上大于电源负电压，已导通的VT1、VT4管仍受正压而继续导通，此时负载两端出现负电压。直到电源负半周t2时刻触发

14、VT2、VT3管导通，VT1、VT4才会受反压关断，负载电流改由VT2、VT3导通回路供应。2）带阻感负载的工作情况 2-32u2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT 1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT 2,3iVT 1,4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VT1和VT4 并不关断。至t=+ 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VT

15、3上，此过 程称换相，亦称换流。2-33数量关系（2-15 ） 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 。2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT 1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT 2,3iVT 1,4每个晶闸管始终导通1800（），晶闸管电流iT为1800底宽、高度为d的矩形波，在晶闸管触发时刻换流。变压器二次电流i2为正负对称的矩形波无直流分量，输出直流电压为例4 某电感性负载采用带续流管的单相半控桥式整流电路， 如图2.15（a）所示。已知：电感线圈的内阻Rd=5，输入 交流电压U2=220V，控制角 =60。试求：晶闸管与续流管 的电流平均值和有效值。 解：首先求整流输出电压平均值Ud：