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1、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，将交流电变为直流电。1 了解单相半波、单相全波（单相全控、半控）整流电路的工作原理。 2 掌握不同整流电路的波形分析。3 区别不同性质负载的特点。4 掌握Ud=f()的关系及有关参数的计算方法。5 掌握单相全控桥整流变压器容量的计算方法。6. 了解单相半控桥电感性负载失控原因与解决办法。 2.1 单相可控整流电路内容提要与目的要求将交流电转换成直
2、流电的变换称之为整流，实现整流变换 的装置称之为整流器。在整流变换过程中，其平均功率（或能 量）的流向是从交流电源流向直流负载。部分常用的整流电路如下c） d） 除c）、d）外 a）e） f）、g）b）、f） c）、d）、e）、g） a）、b）、f） c）、d）、e）、g）可控整流电路 的主元件在采 用晶闸管时， 其控制方式都 采用相位控制 ，故这类整流 电路又称之为 相控整流。图2-1 单相半波可控整流电路及波形wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00(Single Phase Half Wave Controlled Re
3、ctifier)2.1.1 单相半波可控整流电路一 电阻性负载单相半波可控整流电路电阻性负载如图2-1所示。在实际应用中,负载基本上是电阻加热炉、电解和电镀等.电阻性负载的特点是电压与电流成正比,波形相同并且同相位,电流可以突变。变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻性负载的单相半波整流电路及其工作波形 理想化假设 :1.开关元件是理想的； 2.变压 器是理想的；3.电网电压是理想的正弦波。 1工作原理 （0区间）：电源电压正半波， ， uAK0,晶闸管承受正向电压。脉冲ug在 处触发晶闸管，元件导通，形成负载 电流id，负载上有输出电压和电流，并 且波形相位相同。 点：u2=0,uAK=0
4、, 电源电压自然过零， 晶闸管承受零压而关断,负载电流为零。 （2区间）：电源电压负半波， ，uAK0,晶闸管承受反向电压而关断, 负载上没有输出电压和电流，负载电流 仍然为零。用示波器观察负载两端的波形，通过改变触 发脉冲触发角的大小, 输出电压ud的波形发生 变化，负载上的输出电压平均值发生变化，负 载如果是灯泡,灯泡会有明暗变化。工作原理演示1）控制角与导通角控制角是指晶闸管从承受正向电压开始到导通时止之间 的电角度，用 表示，也称触发角或触发延迟角。导通角，是指晶闸管一周期内正半波实际导通的电角度。控制角与导通角的关系是：+=18002）移项范围移项范围是指触发脉冲ug的移动范围，它决
5、定了输出电压的变化范围。在式+=1800中，=00时，=1800，Ud= Udmax,输出电压最高；=1800时，=00时，Ud=0,输出电压最小, 单相半波可控整流电路电阻性负载时的移项范围是01800。3）移相：改变控制角的大小，即改变触 发脉冲ug出现的时刻，而改变Ud的大小。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。 4）同步：触发脉冲ug出现在U2为正半周 范围内，每个周期的相同，频率、相位相配合。2参数计算 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为Ud = = =0.45U2=0.45 (21) 输出电流平均值Id
6、为Id = = 0.45 (22) wwwwtTVTR0a)u1u2uVT udidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)002）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为 U = =U2 (23)输出电流有效值I为 I = IT =I2 = = (24) 单相半波可控整流电路中，负载电流、晶闸管和变压器二 次侧电流有效值相等。电流波形的波形系数为 Kf = = (25) =00时，Kf = =1.57. 3）功率因数cos：整流电路功率因数是变压器二次侧有功功率与视在 功率的比值cos = = = (26)式中，P=UI=I2Rd, 变压器二次侧有功功率（不是
7、平均功率Pd= Id2Rd）； S= U2I=U2I2,变压器二次侧视在功率。 4) 晶闸管承受的最大正反向电压Um Um = = =311V (27) 最大正反向电压Um是相电压峰值。 单相半波可控整流电路电阻性负载参数计算见表2-1。表2-1 单相半波可控整流电路电阻性负载参数计算表控制 角00300600900120015001800Ud/U2 I2/ Id cos0.45 1.57 0.7070.42 1.66 0.6980.338 1.88 0.6350.225 2.22 0.5080.113 2.78 0.3020.03 3.99 0.1200 - 0根据此表可以直接计算不同控制角
8、度时的有关参数。 应用举例1：如图2-1所示单相半波可控整流电路，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）选择晶闸管元件。 解1）由式(21) ，计算输出电压为50 V 时的晶闸管控制角，cos= -1= -10 则 =9002) 当=900时，Kf =2.22I = Kf Id =2.22 Id=2.2220=44.4 A 3) cos= = = = =0.505 4) 根据额定电流有效值IT 与实际电流有效值I相等的原则IT = I则 1 57 IT（AV
9、）= Kf Id=44 4 AIT（AV）= =28 3 A考虑2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为 IT（AV）= 2 = 228 3 A=56 6 A 取100 A。考虑（23）倍安全裕量，晶闸管的额定电压为 UTn=（23）Um =（23）311=622933 V 取79。式中，Um = = =311V选择晶闸管型号为 KP1009。 对单相半波电路的分析可 基于上述方法进行：v当VT处于断态时，相 当于电路在VT处断开， id=0。v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)VT处于导通状态 电力电子电路的一种基本分析
10、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。 当VT处于通态时，如下方程成立：VTb)RL u2b) 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=+ 时，id=0，代入式（2-3）并整理得 （2-3）其中 ，二、电感性负载 电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联 电抗器等，电源电压是工频正弦电压。电感性负载的特点是：感应电势对负载电流有 阻止作用，使得负载电流不能突变，而是从零逐渐 增大。当电流增大时，电感吸收能量储能，电感的 感应电势阻止电流增大；当电流减小时，电感释放 出能量，感应电
11、势阻止电流的减小，输出电压、电 流有相位差。负载电感的存在，使得晶闸管的导通角增大， 电源电压由正到负过零点也不会关断，输出电压出 现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；大电 感负载时输出电压正负面积相等，输出电压平均值 为零，电路不能正常工作。如图2-2所示。 （一）无续流二极管电路的工作原理及波形图2-2 单相半波可控整流电路 （电感性负载 ）结论： 1单相半波电感性负载的 主要矛盾是由于电感的存在 （储能作用），延长了晶闸 管的导通时间，使得输出电 压出现了负波形，降低了输 出电压和电流。 2大电感负载，L, LR,输出电压正负面 积相等，Ud0, =2-2 ，电路不能正常工作。 （二
12、）有续流二极管电路的工作原理为了解决电感性负载存在的矛盾， 使电路正常工作，必须在负载两端并联 续流二极管把输出电压的负波形续掉。 电感性负载加续流二极管的电路如图2- 3所示。可见，续流二极管的作用是为 了提高输出电压。 图2-3 单相半波可控整流电路（电感 性负载加续流二极管） 1工作原理电感性负载加续流二极管后，输出 电压波形与电阻性负载波形相同，而负 载电流波形是矩形波，续流期间的电流 波形也是矩形波。 电源电压正半波（0区间）： uAK0,晶闸管承受正向电压。脉冲ug 在处触发晶闸管，元件导通，形成负 载电流id，负载上有输出电压和电流。u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwt
13、wtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVD Ra)图2-3 单相半波可控整流电路（电 感性负载加续流二极管）点，u2=0,uAK=0, 电源电压自然过零， 晶闸管承零压而关断，续流管开始导通 。电源电压负半波（2区间： uAK0,晶闸管承受反向电压而关断， 负载两端的输出电压仅为续流二极管的 管压降，有续流电流，续流二极管一直 导通到下一周期晶闸管导通。 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。1）控制角与导通角的关系 +=1800 2）移项范围 移项范围与单相半 波可控整流电路电阻性负载相同为 01800. u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVD Ra)单相半波可控整流电路（电感性负载加续流二极管）2参数计算（有续流二极管） 1）输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id Ud = =0.45U2 (28) Id = = 0.45
