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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,2-4,一、电阻性负载下单相半波可控整流电路,VT的a 移相范围为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： 控制角：从晶闸管开始承
3、受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或触发延迟角。 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,(10.1-3),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。,2-6,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
4、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=+ 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
5、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,2-11,2.1.1 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
6、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
7、、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 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
8、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 。,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
9、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,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
10、，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=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。,
11、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
12、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
13、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，
14、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
15、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
16、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：,（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
