单相可控整流电路

1、1F整流电路整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。直流电。F整流电路的分类整流电路的分类：按组成的器件可分为按组成的器件可分为不可控、半控、全控不可控、半控、全控三种三种按电路结构可分为按电路结构可分为桥式电路桥式电路和和零式电路零式电路按交流输入相数分为按交流输入相数分为单相电路单相电路和和多相电路多相电路按变压器二次侧电流的方向是按变压器二次侧电流的方向是单向单向或或双向双向2单相半波可控整流电路及波形单相半波可控整流电路及波形变压器变压器T变换电压变换电压隔离隔离交流输入为单相，直流输出电压波交流输入为单相，直流输出电压波形只在交流输入

2、的正半周内出现，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。故称为单相半波可控整流电路。特点：特点：电压与电流成正比，两者波形相同电压与电流成正比，两者波形相同 wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00（Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)3两个重要的基本概念两个重要的基本概念触发延迟角触发延迟角 从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加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触发脉冲止的电角度, ,用用表示表示, ,也称触发角或控制角。也称触发角或

3、控制角。导通角导通角 晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用为，用表示表示 。直流输出电压平均值为直流输出电压平均值为paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222UUttdUUd 输出电压、晶闸管承受电压随触发角的变化而变化输出电压、晶闸管承受电压随触发角的变化而变化，a a移相范围为移相范围为180180 这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压这种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大小的方式称为 相位控制方式（相控方式）相位控制方式（相控方式）4带阻感负载单相半波可控带阻感负载单相半波可

4、控整流电路及波形整流电路及波形阻感负载的特点阻感负载的特点l电感对电流变化有抗拒电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电作用，使得流过电感的电流不发生突变。流不发生突变。l电力电子电路中存在非电力电子电路中存在非线性的电力电子器件，决线性的电力电子器件，决定了电力电子电路是定了电力电子电路是非线非线性性电路。电路。l若将器件看作若将器件看作理想开关理想开关，则可将电力电子电路简化则可将电力电子电路简化为为分段线性电路分段线性电路，分段进，分段进行分析计算。行分析计算。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +5VTRLu2VTRLu2

5、单相半波可控整流电路的分段线性等效电路单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a) VTa) VT处于关断状态处于关断状态 b) VT处于导通状态处于导通状态 )sin()sin(tanaqaqe初始条件：初始条件：t= a a ，id=0。求解式。求解式（2-22-2）并将初始条件代入可得）并将初始条件代入可得22)( LRZwRLwarctan其中其中 ，tURitiLwsin2dd2dd（2-2）)sin(2)sin(22)(2waawwtZUeZUitLRd当当VTVT处于通态时，如下方程成立处于通态时，如下方程成立：当当t =+ a 时，时，id = 0，代入式（，代入式（2-3）并整

6、理得并整理得（2-3）（2-4）由此公式计算出导通角。由此公式计算出导通角。6负载阻抗角负载阻抗角 、触发角、触发角a 、晶闸管导通角、晶闸管导通角的关系的关系l若若 为定值，为定值，a越大，在越大，在u2正半周正半周L储能越少，维持储能越少，维持导电的能力就越弱，导电的能力就越弱，越小越小l若若a为定值，为定值， 越大，则越大，则L贮能越多，贮能越多，越大；且越大；且越大，在越大，在u2负半周负半周L维持晶闸管导通的时间就越接维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在近晶闸管在u2正半周导通的时间，正半周导通的时间，ud中负的部分中负的部分越接近正的部分，平均值越接近正的部分，平均值Ud越接近零，

7、输出的直越接近零，输出的直流电流平均值也越小。流电流平均值也越小。l由于电感的存在导致输出直流电压减小。由于电感的存在导致输出直流电压减小。7单相半波带阻感负载单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形有续流二极管的电路及波形 u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa) 为避免为避免Ud太小，在整流电路太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管的负载两端并联续流二极管 当当u2过零变负时，过零变负时，VDR导导通，通，ud为零。此时为负的为零。此时为负的u2通过通过VDR向向VT施加反压使其施加反压使其关断，关断，L

8、储存的能量保证了储存的能量保证了电流电流id在在L-R-VDR回路中流回路中流通，此过程通常称为通，此过程通常称为续流续流。续流期间续流期间ud为零，为零，ud中不再中不再出现负的部分。出现负的部分。8ddVT2IIpapddVTItdIIpapwppa2)(212ddVDIIRpap2若近似认为若近似认为id为一条水平线，恒为为一条水平线，恒为Id，则有，则有（2-5）d22dVD2)(21RItdIIpapwpapp（2-6）（2-7）（2-8）VT的的移相范围为移相范围为0180 9 VTVT的的移相范围为移相范围为180180 。 简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中简单，但输出脉动

9、大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化直流磁化。 实际上很少应用此种电路。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分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。本概念。 10单相半波相控触发电阻型负载仿真电路图单相半波相控触发电阻型负载仿真电路图11单相半波相控触发电阻型负载仿真结果单相半波相控触发电阻型负载仿真结果12 u VT1和和VT4组成一对桥臂，在组成一对桥臂，在u2正半周承受电压正半周承受电压u2，得到触发脉，得到触发脉冲即导通，当冲即导通，当u2过零时关断。过零时关断。u VT2和和VT3组成另一对桥臂，在组成另

10、一对桥臂，在u2正半周承受电压正半周承受电压-u2，得到触发，得到触发脉冲即导通，当脉冲即导通，当u2过零时关断。过零时关断。a)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4单相全控桥式单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形带电阻负载时的电路及波形（Single Phase Bridge Controlled Rectifier)13paaapwwp2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU2cos19 . 02cos12222ddaapRURURUI2cos145.0212ddVTaRUII（2-10）（2-11）角的移相范围为角的

11、移相范围为180180 负载输出的平均电流值为：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流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即的一半，即（2-9）14papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（2-12）papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（2-13）II21VT（2-14）变压器二次测电流有效值变压器二次测电流有效值I I2 2与输出直流电流与输出直流电流I I有效值相等有效值相等：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2由式（由式

12、（2-122-12）和式（）和式（2-132-13）15单相全控桥带单相全控桥带阻感负载时的电路及波形阻感负载时的电路及波形 假设电路已工作于稳态，假设电路已工作于稳态，id的的平均值不变。假设负载电感很大，平均值不变。假设负载电感很大，负载电流负载电流id连续且波形近似为一水连续且波形近似为一水平线。平线。 u2过零变负时，由于电感的作用过零变负时，由于电感的作用晶闸管晶闸管VT1和和VT4中仍流过电流中仍流过电流id，并不关断。并不关断。 至至t =+时刻，给时刻，给VT2和和VT3加触发脉冲，因加触发脉冲，因VT2和和VT3本已承本已承受正电压，故两管导通。受正电压，故两管导通。 VT2

13、和和VT3导通后，导通后，u2通过通过VT2和和VT3分别向分别向VT1和和VT4施加反压施加反压使使VT1和和VT4关断，流过关断，流过VT1和和VT4的电流迅速转移到的电流迅速转移到VT2和和VT3上，此过程称上，此过程称换相换相，亦称，亦称换流换流。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,416apaaapwwpcos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUUddT21IIddT707. 021III 晶闸管移相范围为晶闸管移相范围为090 晶闸管承受的最大正反向电压均为晶闸管承受的最大正反向电压均为

14、 晶闸管导通角晶闸管导通角与与无关，均为无关，均为180 ，平均值和有效，平均值和有效值分别为：值分别为： 变压器二次侧电流变压器二次侧电流 i i2 2 的波形为正负各的波形为正负各180180 的矩形波，的矩形波，其相位由其相位由角决定，角决定，愈大，功率因数越低有效值愈大，功率因数越低有效值I I2 2 = = I Id d 。22U17REuidd22arcsinUE单相桥式全控整流电路接单相桥式全控整流电路接RE负载时的电路及波形负载时的电路及波形 | |u u2 2| | E E 时，晶闸管承受正电压，时，晶闸管承受正电压，才有导通的可能。导通之后才有导通的可能。导通之后 ud=u

15、2 ， 直至直至 | |u u2 2| = | = E E，i id d 即降至即降至 0 0 使得晶使得晶闸管关断，此后闸管关断，此后 u ud d = = E E与电阻负载时相比，晶闸管提前了与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度电角度 停止导电，停止导电， 称为称为停止导停止导电角电角（2-16）在在 a a 角相同时，角相同时，整流输出电压比整流输出电压比电阻负载时大。电阻负载时大。电流续断电流续断 i id d 波形在一周期内有波形在一周期内有 部分时间为部分时间为 0 0 的情况的情况电流连续电流连续 i id d 波形在一周期内不波形在一周期内不 出现为出现为 0 0 的情况的情况

16、 当当 a a 时时，触发脉冲到来时，晶，触发脉冲到来时，晶闸管承受闸管承受负负电压，不能导通。电压，不能导通。为使晶闸管可靠导通，触发脉冲需足为使晶闸管可靠导通，触发脉冲需足够的宽度，够的宽度，保证当保证当 t = t = 时时，晶闸管承受，晶闸管承受正正电电压，触发脉冲仍然存在，相当于触发压，触发脉冲仍然存在，相当于触发角被推迟为角被推迟为，即即 a a = = b)idOEudwtIdOwtaq18 负载为直流电动机时，负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软的机械特性将很软 。 为了克服此缺点，一般为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联

17、在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。通的时间。 这时整流电压这时整流电压u ud d的波形的波形和负载电流和负载电流i id d的波形与电感的波形与电感负载电流连续时的波形相同，负载电流连续时的波形相同，u ud d的计算公式亦一样。的计算公式亦一样。 为保证电流连续所需的为保证电流连续所需的电感量电感量L L可由下式求出可由下式求出dmin23dmin21087.222IUIULpw（2-17）单相桥式全控整流电路带反电动势负载单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况串平波

18、电抗器，电流连续的临界情况twwOud0Eidtpaq = p19例：单相桥式全控整流电路，例：单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中，负载中R=2，L值极大，反电势值极大，反电势E=60V，当，当a a=30 时，要求：时，要求： 作出作出ud、id和和i2的波形；的波形； 求整流输出平均电压求整流输出平均电压Ud、电流、电流Id，变压器二次侧电流有，变压器二次侧电流有效值效值I2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：解：ud、id和和i2的波形如图的波形如图 u2OwtOwtOwtudidi2OwtIdIdIdppaa u

19、d、id和和i2的波形图的波形图20 整流输出平均电压整流输出平均电压Ud、电流、电流Id，变压器二次侧电，变压器二次侧电流有效值流有效值I2分别为分别为 Ud0.9 U2 cosa a0.9100cos3077.97(A) Id (UdE)/R(77.9760)/29(A) I2Id9(A) 晶闸管承受的最大反向电压为：晶闸管承受的最大反向电压为： U2100 141.4（V） 流过每个晶闸管的电流的有效值为：流过每个晶闸管的电流的有效值为： IVTId 6.36（A） 故晶闸管的额定电压为：故晶闸管的额定电压为： UN(23)141.4283424（V） 晶闸管的额定电流为：晶闸管的额定电

20、流为： IN(1.52)6.361.5768（A） 晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。品系列参数选取。22221单相全波可控整流电路及波形单相全波可控整流电路及波形u 单相全波单相全波可控整流可控整流电路又称电路又称单相双半波单相双半波可控整流电路。可控整流电路。u 单相全波与单相全单相全波与单相全控桥从直流输出端或控桥从直流输出端或从交流输入端看均是从交流输入端看均是基本一致的。基本一致的。u 变压器不存在直流变压器不存在直流磁化的问题。磁化的问题。 （Single Phase Full Wave Controlled Rec

21、tifier)wtwaudi1OOt22单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等等材料的消耗多材料的消耗多。单相全波只用单相全波只用2 2个晶闸管，比单相全控桥少个晶闸管，比单相全控桥少2 2个，相应个，相应地，门极驱动电路也少地，门极驱动电路也少2 2个；但是晶闸管承受的最大个；但是晶闸管承受的最大电压为电压为 ，是单相全控桥的，是单相全控桥的2 2倍。倍。单相全波导电回路只含单相全波导电回路只含1 1个晶闸管，比单相桥少个晶闸管，比单相桥少1 1个，个，因而管压降也少因而管压降也少1 1个。个。从上述考虑，单相全波电路有利于在低输出电压

22、的场从上述考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。合应用。222U23单相桥式半控整流电路，有续流二极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管，阻感负载时的电路及波形 假设假设负载中电感负载中电感很大，且电很大，且电路已工作于稳态。路已工作于稳态。O2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtapapaiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR电路分析（先不考虑电路分析（先不考虑VDRVDR ） 每一个每一个导电回路导电回路由由1 1个晶闸个晶闸管管和和1 1个二极管个二极管构成。构成。 在在u u2 2正半周，正半周，a a处触发处

23、触发VTVT1 1，u u2 2经经VTVT1 1和和VDVD4 4向负载供电。向负载供电。 u u2 2过零变负时，因电感作过零变负时，因电感作用使电流连续，用使电流连续，VTVT1 1继续导通，继续导通，但因但因a a点电位低于点电位低于b b点电位，电流点电位，电流是由是由VTVT1 1和和VDVD2 2续流续流 ，u ud d=0=0。24单相桥式半控整流电路，有续流二极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管，阻感负载时的电路及波形O2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtapapaiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR 在在u u2 2负半周，负半周，a a处触发处触发触发触发VTVT3 3，向，向VTVT1 1加反压使之关加反压使之关断，断，u u2 2经经VTVT3 3和和VDVD2 2向负载供电。向负载供电。 u