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1、第2章 交流-直流变换电路 机械工业出版社,本章要点 不同负载时，单相可控整流电路的结构、工作原理、波形分析和数量关系 不同负载时，三相可控整流电路的结构、工作原理、波形分析和数量关系 变压器漏抗对整流电路的影响 触发电路的定相和同步,2.1 单相可控整流电路 2.1.1 单相半波可控整流电路（电阻性负载）,1、电路结构,变压器Tr起变换电压和隔离的作用。,图2-1,2、工作原理 1）在电源电压正半波，晶闸管承受正向电压，在t=处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上的电压等于变压器输出电压u2。在t=时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。 2）在电源电压负半波，uAK0
2、，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有输出电压，直到电源电压u2的下一周期。直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。,3、波形情况 1）图2-1（b）给出了直流输出电压ud和晶闸管两端电压uT的理论分析波形，其中负载电流id和ud的波形相位相同。 2）图2-2(a)、(b)、(c)、(d)是=30、60、90、120电阻性负载时的仿真和实验波形。,改变触发角的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上输出电压平均值发生变化，显然=180时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。,图2-2,图2
3、-2,几个名词： （1）触发角与导通角 触发角也称触发延迟角或控制角，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。 导通角，是指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。 （2） 移相与移相范围 移相是指改变触发脉冲ug出现的时刻，即改变控制角的大小。 移相范围是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是0180。,4、基本数量关系 1）直流输出电压平均值Ud: 2）输出电流平均值Id:,3）负载电压有效值U: 4）负载电流有效值I:,5）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
4、流，故其有效值相等，即：,6）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=I2R S变压器二次侧视在功率，S=U2I2 7）晶闸管承受的最大正反向电压UTM 晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。,3.1.2 单相半波可控整流电路（阻感性负载）,1、电路的结构 阻感性负载的等效电路可用一个电感和电阻的串联电路来表示。,图2-3,2、工作原理 （1）在t=0期间：晶闸管阳-阴极间的电压uAK大于零，此时没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等于零。 （2）在t=时刻，门极加触发信号，晶闸管触发导通，电源电压u
5、2加到负载上，输出电压ud= u2 。由于电感的存在，负载电流id只能从零按指数规律逐渐上升。 （3）在t=t1 t2期间：输出电流id 从零增至最大值。在id的增长过程中，电感产生的感应电势力图限制电流增大，电源提供的能量一部分供给负载电阻，一部分为电感的储能。,（4）在t=t2 t3期间：负载电流从最大值开始下降，电感电压改变方向，电感释放能量，企图维持电流不变。 （5）在t=时，交流电压u2过零，由于感应电压的存在，晶闸管阳极、阴极间的电压uAK仍大于零，晶闸管继续导通，此时电感储存的磁能一部分释放变成电阻的热能，另一部分磁能变成电能送回电网，电感的储能全部释放完后，晶闸管在u2 反压作
6、用下而截止。直到下一个周期的正半周，即t=2+时，晶闸管再次被触发导通，如此循环不已。,3、波形情况 输出电压、电流及元件的电压波形如图2-3(b)所示。图2-4给出了 时单相半波整流电路带阻-感性负载、大电感负载时的负载电压、电流和晶闸管两端电压的仿真波形。,(a) 阻-感性负载 (b) 大电感负载,图2-4,直流输出电压平均值Ud为 从Ud的波形可以看出，由于电感的存在，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；当大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零，则id也很小。所以，实际的大感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。,2
7、.1.3 单相半波可控整流电路（阻感性负载加续流二极管）,1、电路结构 电感性负载加 续流二极管的 电路如图所示。,图2-5,2、工作原理 1）在电源电压正半波，电压u20，晶闸管uAK0。在t=处触发晶闸管，使其导通，形成负载电流id，负载上有输出电压和电流，此间续流二极管VD承受反向阳极电压而关断。 2）在电源电压负半波，电感感应电压使续流二极管VD导通续流，此时电压u2 0， u2通过续流二极管VD使晶闸管承受反向电压而关断，负载两端的输出电压为续流二极管的管压降，如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续，且id波形近似为一条直线。,3、波形,图2-6,(e),
8、图2-6,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，续流二极管可起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。 对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同，为0180，且有+=180。,4、基本数量关系 1）输出电压平均值Ud 2）输出电流平均值Id,3）晶闸管的电流平均值IdT 4）晶闸管的电流有效值IT,5）续流二极管的电流平均值IdD 6）续流二极管的电流有效值ID 7）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
9、压均为电源电压的峰值。,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。,2.1.4 单相桥式全控整流电路（电阻性负载）,1、电路结构 用四个晶闸管，两只晶闸管接成共阴极，两只晶闸管接成共阳极，每一只晶闸管是一个桥臂。,图2-8,2、工作原理 1）在u2正半波的（0）区间： 晶闸管VT1、VT4承受正压，但无触发脉冲。四个晶闸管都不通。假设四个晶闸管的漏电阻相等，则uT1.4= uT2.3=1/2 u2。 2）在u2正半波的t=时刻：
10、 触发晶闸管VT1、VT4使其导通。电流沿 aVT1RVT4bTr的二次绕组a流通，负载上有电压（ud=u2）和电流输出，两者波形相位相同且uT1.4=0。此时电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反压而处于关断状态，则uT2.3=1/2u2。晶闸管VT1、VT4直导通到t=止，此时因电源电压过零，晶闸管阳极电流下降为零而关断。,3）在u2负半波的（+）区间： 晶闸管VT2、VT3承受正压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。此时，uT2.3=uT1.4= 1/2 u2。 4）在u2负半波的t=+时刻： 触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿 bVT3RVT2aTr的二次
11、绕组b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压（ud=-u2）和电流，且波形相位相同。此时电源电压反向加到晶闸管VT1、VT4上，使其承受反压而处于关断状态。晶闸管VT2、VT3一直要导通到t=2为止，此时电源电压再次过零，晶闸管阳极电流也下降为零而关断。晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3在对应时刻不断周期性交替导通、关断。,3、波形,(a),(b),图2-9,图2-9,单相桥式整流器电阻性负载时的移相范围是0180。=0时，输出电压最高；=180时，输出电压最小。晶闸管承受最大正反向电压Um是相电压峰值。 负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，从而使直流输出电
12、压、电流的脉动程度较前述单相半波得到了改善。变压器二次绕组在正、负半周内均有大小相等、方向相反的电流流过，从而改善了变压器的工作状态，并提高了变压器的有效利用率。,4. 基本数量关系 1）输出电压平均值Ud 2）输出电流平均值Id为,3）输出电压有效值U 4）输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2 输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2相同为,5）晶闸管的电流平均值IdT 6）晶闸管电流有效值IT 7） 功率因数cos 显然功率因数与相关，=0时，cos=1。,8）晶闸管承受的最大反向电压是相电压峰值的,承受的最大正向电压是,2.1.5 单相桥式全控整流电路（阻-感性负载）,1、电路结构 电感
13、的感应电势使输出电压波形出现负波。输出电流是近似平直的，晶闸管和变压器副边的电流为矩形波。,图2-10,2、工作原理 1）在u2正半波的（0）区间： 晶闸管VT1、VT4承受正压，但无触发脉冲，处于关断状态。假设电路已工作在稳定状态，则在0区间由于电感释放能量，晶闸管VT2、VT3维持导通。 2）在u2正半波的t=时刻及以后： 在t=处触发晶闸管VT1、VT4使其导通，电流沿aVT1LRVT4bTr的二次绕组a流通，此时负载上有输出电压（ud=u2）和电流。电源电压反向加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反压而处于关断状态。,3）在u2负半波的（+）区间： 当t=时，电源电压自然过零，感应电势
14、使晶闸管VT1、VT4继续导通。在电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。 4）在u2负半波的t=+时刻及以后： 在t=+处触发晶闸管VT2、VT3使其导通，电流沿bVT3LRVT2aTr的二次绕组b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压 （ud=-u2）和电流。此时电源电压反向加到VT1、VT4上，使其承受反压而变为关断状态。晶闸管VT2、VT3一直要导通到下一周期t=2+处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。,3、 基本数量关系 1）输出电压平均值Ud 2）输出电流平均值Id,3）晶闸管的电流平均值IdT 由于晶闸管轮流导电，
15、所以流过每个晶闸管的平均电流只有负载上平均电流的一半。 4）晶闸管的电流有效值IT 与通态平均电流 IT(AV),5）变压器副边电流I2,6）晶闸管承受的最大正反向电压UTM=,4、波形,图2-11,图2-11,从波形可以看出90输出电压波形正负面积相同，平均值为零，所以移相范围是090。控制角在090之间变化时，晶闸管导通角，导通角与控制角无关。,2.1.6 单相桥式全控整流电路（反电势负载） 1、电阻性反电势负载的情况 当整流电压的瞬时值ud小于反电势E 时，晶闸管承受反压而关断，这使得晶闸管导通角减小。晶闸管导通时，ud=u2， 晶闸管关断时，ud=E。与电阻负载相比晶闸管提前了电角度停止导电，称作停止导电角。,若 时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当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，即=。,2、阻-感性反电势负载的情况 若负载为直流电动机时，此时负载性质为反电动势电感性负载，电感不足够大，输出电流波形仍然断续。在负载回路串接平波电抗器可以减小电流脉动，如果电感足够大，电流就能连续，在这种条件下其工作情况与电感性负载相同。 单相全控桥式整流器主要适用于4kW左右的应用场合，与单相半波可控整流器相比，整流电
