电力电子技术(第二章)

1、第二章 相控整流主电路第一节 单相相控整流主电路（电阻性负载）旧课复习：1什么是整流电路？ 将交流电转变成直流电的电路。2二极管的导通条件是什么？其它课程里学过的二极管整流主电路图是如何设计的？其工作原理是什么？二极管导通的条件是在二极管两端加正向阳极电压，因此当输入信号为正弦交流电时，二极管在输入信号正半周导通，负半周截止，输出信号的大小不可控不可控。新课引入：1普通晶闸管的导通条件是什么？ 普通晶闸管导通必须具备两个条件：在晶闸管阳极和阴极之间加正向阳极电压；在门极和阴极之间加正向门极触发电压。 注：普通晶闸管和二极管两者的导通条件有什么异同点？2如果利用普通晶闸管替换二极管，主电路的设计

2、有何不同，电路又将如何工作？新课讲授：一、单相半波相控整流主电路电阻性负载原理图一、单相半波相控整流主电路电阻性负载原理图 1、变压器T起电压变换和隔离的作用。2、晶闸管VT是整个电路的核心，控制整个电路的输出直流电压的大小。3、电阻R是电路的负载部分，它的大小影响输出电流的大小。 根据单相半波相控整流主电路（电阻性负载）来进行工作原理分析过程中涉及到几个基本概念，下面将涉及到的基本概念介绍如下： （1）半波输出电压为脉动直流，波形只在正半周内出现，故称为“半波半波”整流（2）单相半波可控整流电路整流电路采用了可控电力电子器件晶闸管，输入为单相交流电，输出为脉动直流电，故该电路为单相半波可控单

3、相半波可控整流电路。（3）单脉波整流电路波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波单脉波整流电路。 二、基本概念二、基本概念（4）相控方式 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相位控制方式，简称相控方式相控方式。（5）自然换相点 在单相半波整流电路中，交流电压由负过零变正的时刻称为自然换相点自然换相点。（6）控制角 从自然换相点起到触发脉冲出现之间的电角度，称为控制控制角角，用表示。（7）导通角 晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角导通角，用表示。 注：注：这几个基本概念在以后的整流电路工作原理分析中会经常提及，希望同学们要掌握之间的联系与区别。（1）正

4、向阻断 交流电压在wt从0到 期间，通过负载R加到晶闸管的阳极和阴极之间，晶闸管承受正向阳极电压，但由于门极无触发信号，晶闸管正向阻断，在此期间负载R上无电流流过，负载两端电压为零，晶闸管VT承受全部电压。即 。（2）正向导通 在 时刻，触发电路送出触发脉冲，晶闸管导通的两个条件均满足，晶闸管立即导通。到 时刻。在此期间，交流电压全部加到负载R上，若忽略晶闸管上导通管压降，则 。当 时刻，由于u2下降到零，晶闸管因流过本身的阳极电流也下降到零小于维持电流而关断。tt20,0,ddTiuuu2duut20,0,ddTiuuut20,0,ddTiuuutt20,0,ddTiuuu 20,0,ddT

5、iuuut20,0,ddTiuuuttttt2duuttt三、工作原理三、工作原理20,0,ddTiuuu（3）反向阻断 当wt从 到 期间，u2为负值，晶闸管因承受反向电压而反向阻断，在此期间由于晶闸管截止，负载R上无电流流过，负载两端电压为零，晶闸管VT承受全部电压。即 。注：注：电阻性负载的特点是电压与电流成正比，两者波形形状相同。20,0,ddTiuuu2 （1）输出直流电压、电流平均值Ud、Id 整流电路输出端得到的是脉动直流电压，其大小是以平均值来衡量。设交流电源电压 ，根据平均值的定义，输出直流电压的平均值为：四、参数计算222sinuUt2211 cos2sin0.4522dU

6、Utd tU2cos145. 02ddddRURUI（2）输出电压有效值和电流有效值 由于输出直流电压与电流是脉动的，所以它们的有效值和平均值并不相等。 由于晶闸管与负载串联接在变压器副边，所以输出的负载的电流与流过晶闸管的电流及流过变压器副边的电流相等，因此三者的有效值也相等。 21sin 22sin22224UUtdtU 2212sin22sin 2224UIIItdtTRdUURdRd（4）有功功率、视在功率、功率因数 电源供给的有功功率等于负载电阻上消耗的有功功率（注意有功功率不是直流功率）， 。 变压器副边的视在功率 所以电源的功率因数 。 以上是单相半波相控整流电路电阻性负载的输出

7、参数，为了让学生能灵活的掌握应用，下面利用例题来进行强化。22dPI RUIUI22SU IUIsin2cos24PS五、例题讲解见课本例2-1第一节 单相相控整流主电路（电感性负载）复习：1、几个基本概念2、单相半波相控整流电路电阻性负载工作原理3、输出直流平均电压、平均电流的计算 一、原理图 电感性负载电路中既有电阻又有电感，且感抗与电阻的大小相比不可忽略。其特点是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。 1、不接续流二极管 当电感足够大时，负载所得到的电压波形正负面积近似相等，整流输出的直流平均电压接近于零，电路将无法工作。 2、接续流二极管 单相半波带大电感负载并接续流

8、二极管，整流电路输出电压波形和电阻性负载时一样。由于大电感作用，电流不但连续而且基本保持不变，接近于一条水平线，有效值与平均值近似相等。三、参数计算 1、输出直流电压平均值 2、流过晶闸管的电流平均值和有效值3、流过续流二极管的电流平均值和有效值 2211 cos2sin0.4522dUUtd tU dTddTIIII22dDddDIIII22例题第一节 单相全控桥整流电路（电阻性负载） 一、原理图 电路如图所示，四只晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4组成桥路，其中VT1、VT2阴极相连，为共阴极接法，VT3、VT4阳极相连，为共阳极接法。TVT1di dudR1u2uVT2VT3VT4 二

9、、工作原理 1、在电源电压正半周时，VT1、VT3承受正压，VT2、VT4承受反压。在时刻VT1、VT3获得触发脉冲而被触发导通，加到负载两端，极性上正下负，电流从a点经VT1、Rd、VT3流到b点，交流侧电流从b流向a。 2、当电源电压由正值降为0时，VT1、VT3关断，直到负半周时刻，VT2、VT4被触发导通。电流从b点经VT2、Rd、VT4流到a点，负载两端电压仍然上正下负，大小与相同，但方向相反，交流侧电流从a流向b。 ttt000ioudidab)cuVT1、4udid三、参数计算1、整流输出直流电压2、负载电流平均值为 3、负载电流有效值与交流侧电流有效值相等2cos19 . 0s

10、in2122UttdUUdddddRURUI2cos19 . 02aRUtdtRUIIdd2sin21sin2122224、流过晶闸管电流的有效值5、电源的功率因数22121IIIT2sin21cos222UUIUUISP 四、例题 1、某单相桥式全控整流电路给电阻性负载供电，要求整流输出电压Ud能在0100V内连续可调，负载最大电流为20A。（1）由220V交流电网直接供电时，计算晶闸管的控制角和电流有效值、电源容量及Ud=30V时电源的功率因数。（2）采用降压变压器供电，并考虑最小控制角 时，求变压器变比K及时电源的功率因数 。 30mincos第一节 单相全控桥整流电路单相全控桥整流电路

11、（电感性负载）（电感性负载） 复习：1、单相全控桥整流电路电阻性负载电路图2、单相全控桥整流电路电阻性负载工作原理3、单相全控桥整流电路电阻性负载参数计算 一、原理图 在负载端串入电感量足够大的平波电抗器并在负载两端并连续流二极管，即为大电感负载接续流二极管电路。 二、工作原理 1、在电源电压正半周时，VT1、VT3承受正压，VT2、VT4承受反压。在时刻VT1、VT3获得触发脉冲而被触发导通，加到负载两端，极性上正下负，电流从a点经VT1、Rd、VT3流到b点，交流侧电流从b流向a。 2、当电源电压由正变零时，由于电感释放能量，电流尚未下降到零，VD导通。VT1、VT3因承受反压而关断,电流

12、经续流二极管流通，直到时，VT2、VT4被触发导通而换流。 3、同理VT2、VT4导通到下一个周期时因电流经续流二极管而关断。 三、参数计算1、整流输出直流电压 2cos19 . 0sin2122UttdUUd2、负载电流平均值为 ddddRURUI2cos19 . 023、负载电流有效值与交流侧电流有效值相等 dIII24、流过晶闸管电流的有效值 dTII215、电源的功率因数cos9 . 0cos222UUIUUISP四、例题四、例题第一节 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路（反电动势负载）（反电动势负载） 复习： 1、单相全控桥整流电路电感性负载电路图 2、单相全控桥整流电路电感性

13、负载工作原理 3、单相全控桥整流电路电感性负载参数计算 一、反电动势负载一、反电动势负载 当相控整流电路的负载是蓄电池或直流电动机的电枢时，由于负载本身是一个直流电源，所以称为反电动势负载。TVT1di dudR1u2uVT2VT3VT4E二、工作原理二、工作原理四、例题四、例题 第一节 单相半控桥整流电路单相半控桥整流电路 单相半控桥式电路采用共阴接法的是两只晶闸管VT1、VT2，而采用共阳极的是两只大功率的二极管VD1、VD2，电路在电阻性负载时的工作情况与全控桥电路完全相同，本节课只讨论电感性负载时的工作情况。 一、原理图TVT1di dudR1u2uVT2VD1VD2dL二、工作原理

14、二极管的导通与截止只取决于加在其阳极、阴极间的电压是正还是负。 （1）在u2正半周，VD1导通，VD2截止，在 时刻触发VT1导通，电流经VT1、负载、VD1变压器副边流通， （2）在u2电压下降到零进而变负时，由于电感电势的作用，电流仍将继续，但此时VD1截止，VD2导通，所以电流经VT1、VD2流通，不经过变压器副边，此阶段为续流阶段， 。dDTdiiiiuu122,0, 0, 012Ddiiu（3）在u2负半周，VD1截止，VD2导通，在 时触发VT2，VT2此时承受正压-u2而导通，同时VT1因VT2导通后承受反压u2而关断，VD2继续导通， 经VT2、负载、VD2、变压器副边流通，

15、。（4）在u2过零变正时，VD1与VD2换流，改由VT2、VD1续流。tdi2uud三、参数计算1、输出直流平均电压Ud2、负载电流平均值2cos19 . 0sin2122UttdUUd2cos19 . 02ddddRURUI四、单相半控桥电感性负载的失控现象 1、失控 在电路的实际运行中，如果突然丢失触发脉冲（或将控制角移到大于180），就会出现某一晶闸管一直导通，两个二极管轮流导通的异常现象。这种现象称为“失控”。 2、续流二极管的作用 续流过程由续流二极管完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象，同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。第二节 三相半

16、波相控整流电路（电阻性负载） 一、三相半波不可控整流电路1、电路图 UVWRdUdid 三只二极管依次轮流导通，分别在1、3、5点进行换相，由后一相管子导通替换前一相管子导通，每只管子导通120，除换相任何时刻只有一只二极管导通，所以1、3、5点称作U、V、W三相在正半周的自然换相点。 2、工作原理（1）从1点到3点之间U相电压最高，VD1导通，VD2承受的阳极电压 ，VD3承受的阳极电压 ，VD2、VD3截止。（2）从3点到5点之间V相电压最高，VD2导通，VD1承受的阳极电压 ，VD3承受的阳极电压 ，VD1、VD3截止。（3）从5点到1点之间W相电压最高，VD3导通，VD1承受的阳极电压

17、 ，VD2承受的阳极电压 ，VD2、VD3截止。0VUu0WUu0UVu0WVu0UWu0VWu3、参数计算（1）负载两端电压的平均值（2）电流的平均值 26/56/217. 1sin23/21UttdUUddddRUI二、三相半波相控整流电路（电阻性负载） 1、电路图UVWRdUdid 2、工作原理 三相半控电阻性负载整流电路主要使用的电力电子器件为普通晶闸管（以 为例）（1）在wt1时刻送出触发脉冲给VT1，此时VT1承受U相正电压而被触发导通，负载两端电压 。（2）在wt3时刻送出触发脉冲给VT3，此时VT3承受V相正电压而被触发导通，VT3导通后使VT1承受反压关断而完成换相，负载两端

18、电压 。（3）在wt5时刻送出触发脉冲给VT5，此时VT5承受W相正电压而被触发导通，VT5导通后使VT3承受反压关断而完成换相，负载两端电压 。 30UduuVduu wduu3、参数计算（1）整流输出的平均直流电压)60(cos17. 1sin23/216/56/22UttdUUd)656()6cos(1 675. 0sin23/2126/2UttdUUd（2）负载电流的平均值dddRUI流过晶闸管的平均电流流过晶闸管电流的有效值：ddTII312cos43321222dTRUII)32sin(41212521222dTRUII第二节 三相半波相控整流电路（电感性负载） 一、电路图 二、工

19、作原理 1、当控制角 ，Ud波形与电阻性负载时相同，只是id波形近似为一条水平线 2、当控制角 ，电感性负载两端电压波形与电流波形连续，电压波形出现负值。 以 为例，在wt1时刻送出脉冲1，VT1触发导通，到wt2时，其阳极电位下降到零开始变负，但由于大电感释放能量，电流id并未下降到零，所以VT1继续保持导通，直到wt3时因触发导通VT3，将反向电压加 到VT1两端令其关断，实现换流，一个周期之内三个晶闸管轮流导通 。606563UVu3/2三、参数计算 1、整流输出的直流电压 2、输出电流近似为恒定的直流电流 3、流过晶闸管电流的平均值和有效值分别为 cos17. 1sin23/216/5

20、6/22UttdUUddddRUIIddTII31ddTIII577. 031四、例题解析 第二节 三相全控桥整流电路 一、共阳极接法与共阴极接法1、共阳极接法 U、V、W三相的自然换相点分别为三相电压正半周的交点1、3、5，换相时看哪一相的阳极电位最高。2、共阴极接法 U、V、W三相的自然换相点分别为三相电压负半周的交点2、4、6，换相时看哪一相的阴极电位最低。二、电路图 三、工作原理 在电路中，对共阴极组和共阳极组同时进行控制，且控制角相同，VT1与VT4接U相，VT3与VT6接V相，VT5与VT2接W相，触发顺序为VT1VT2VT3 VT4 VT5 VT6。v当 时，分别在每周期wt1、

21、wt2、wt3、wt4、wt5、wt6时刻送出触发脉冲ug1、ug2、ug3、ug4、ug5、ug6分别给VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，在wt1时刻，VT1承受正压，如果是刚启动工作则必须再送一个脉冲ug6给VT6，二者同时导通，则输出电压 ，在wt2时刻送脉冲ug2给VT2，此时VT2导通，VT6承受反压关断，实现换流，使得 ，再经过60度后在wt3时刻送ug3给VT3，实现VT3与VT1的换流，使得 。同理依次类推，电路中六只晶闸管道通的顺序及输出电压的波形如上图（b）所示。从上面分析可看出每次换相发生在同组晶闸管之间（即相邻桥臂上的两个晶闸管换相），每两次换相间隔30度

22、，每只管子在一个周期内导通60度（电流连续时）。 0UVduu UWduuVWduu620例题：第四节 晶闸管的保护 晶闸管具有容量大、可控性好等优点，但与其它电子元件相比，它承受购电压与过电流的能力较差，且能承受的电压上升率，电流上升率也较低。在实际应用中，总不可避免会遇到瞬时过电压、过电流，甚至短路。所以，为了使电力电子器件正常使用，提高线路工作的可靠性，除了合理选择器件，还必须设置必要的保护。 一、过电流保护 过电流是指工作电流超过允许值，广义上包含过载和短路两种情况。过载时电流超过允许值倍数小，允许时间长；反之，超过倍数大，允许时间短。短路时则会很迅速地产生很大的电流，使器件烧坏。负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器 变流器直流快速断路器电流互感器变压器图1-37v（一）产生过电流的原因v（1）由于电网电压波动大，拖动负载超过了允许值v（2）由于电路中晶闸管误导通或器件故障，使得相邻桥臂的晶闸管引起两相电源短路。v（3）整流电路直流输出端短路；逆变电路发生换流失败引起逆变失败v（二）过电流保护方法v 晶闸管过电流