单相整流电路课件.ppt

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。 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

2、的要求,将交流电转换成直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,(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier),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

3、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, 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，

4、 ，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：+=1800 2）移项范围 移项范围是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。在式+=1800中，=00时，=1800，Ud= Udmax,输

5、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为 Id = = 0.45 (22),2）输出电压有效值U与输出电流有效值I,输出电压有

6、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

7、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,根据此表可以直接计算不同控制角度时的有关参数。,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 =900 2) 当=900时，Kf =2.22 I = Kf Id =2.22 Id=2.2220=44.4 A,3)

8、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）= Kf Id=44 4 A IT（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： 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

9、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：,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,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

10、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

11、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）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

12、载上有输出电压和电流。,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.,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

13、出电压平均值Ud与输出电流平均值Id,Ud = = =0.45U2 (28) Id = = 0.45 (29),2）晶闸管的电流平均值IdT与晶闸管的电流有效值IT,IdT= (210) IT = (211),3）续流二极管的电流平均值IdD与续流二极管的电流有效值ID,IdD= (212) ID = (213),4）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压均为电源电压的峰值Um = 。,单相半波可控整流电路的优、缺点： 优点：电路简单，调整方便，容易实现。 缺点：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， 为

14、使变压器不饱和，必须增大铁心截面，设备容 量增大。 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。,课堂测验,1整流器是把 变为 。 2晶闸管的管芯是一个 层 端的器件，它决定晶闸管的性能。 3根据电流 的原则， Id = 1.57ITa 。 4单相半波电感性负载，在负载两端并联续流二极管是为了 。 5.单相半波可控整流电阻性负载电路中，控制角的最大移相范围是( ) A.90 B.120 C.150 D.180 6.单相半波电阻性负载电路中晶闸管可能承受的最大正反向电压为( ) A. B. C. D. 7单相半波整流电路，当电源电压为220V 时，选用300V额定电压

15、的晶闸管是否可以？如果不可以，应选用多大电压定额的晶闸管元件？ 8单相半波可控整流电路对电阻负载供电，交流电源电压为220V ，要求输出的直流平均电压为50V，最大输出平均电流为20A。计算晶闸管的控制角、电流有效值I2并选用晶闸管。 9单相半波可控整流电路中，如果 （1） 晶闸管门极不加触发脉冲； （2）晶闸管被击穿； （3）晶闸管被烧毁。 试分析上述三种情况晶闸管两端（uT）与负载两端（ud）的电压波形。,2.1.2 单相桥式全控整流电路,单相全控桥式整流电路主要适用于4kW左右的整流电路，与单相半波可控整流电路相比，整流电压脉动减小，每周期脉动两次。变压器二次侧流过正反两个方向的电流，不

16、存在直流磁化，利用率高。 一、电阻性负载,图2-5 所示是单相全控桥式整流电路的电路结构，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，任何时候都有两只元件导通，才能形成电流通路。,a),a),1工作原理 电源电压正半波，（0区间） ， 晶闸管VT1、VT4承受正向电压，uAK0,脉冲ug1、ug4在处触发晶闸管，VT1、VT4元件导通，负载上有输出电压和电流，波形相位同。,点，u2=0, 电源电压自然过零，uAK=0,晶闸管承受零压而关断,负载电流为零。,电源电压负半波（2区间） 晶闸管VT2、VT3承受正向电压，uAK0,脉冲ug2、ug3在处触发晶闸管，VT2、VT

17、3元件导通，负载上有输出电压和电流，波形相位同。,演示,桥式整流电路与单相半波整流电路相比，桥式整流把电源电压的负半波也利用起来了，使输出电压在一个电源周期中由原来的只有一个脉波变成了有二个脉波，改善了波形，提高了输出。在变压器的副边绕组中，绕组电流的波形，两个半周期的电流方向相反且波形对称，因此不再存在半波整流电路中的变压器直流磁化问题，提高了变压器的绕组利用率。,1）控制角与导通角 控制角与导通角的关系是：+=1800 2）移项范围 在+=1800中，=00时，=1800，Ud= Ud0 x,输出电压最高；=1800时，=00时，Ud=0,输出电压最小,移项范围是 01800.,2参数计算

18、,1）输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id,Ud = = =0.9U2 (214),Id= = 0.9 (215),2）输出电压有效值U与输出电流有效值I,U = =U2 (216),输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2相同为,I =I2 = = (217),3）晶闸管的电流平均值IdT IdT= Id,晶闸管电流有效值IT为 IT = = I2 (218),电流波形的波形系数为 Kf = = (219),=00时，Kf =1.11， I =I2 =1.11 Id ，IT = I2= 0.786 Id。,4）功率因数cos cos= = = (220),全控桥功率因数是单相半波的 倍。=0

19、0时，cos=1。,5) 晶闸管承受的最大正反向电压Um Um = = =311V,最大反向电压Um是相电压峰值，最大正向电压是 。 单相全控桥式整流电路电阻性负载参数计算表见表2-3。,表2-3 单相全控桥式整流电路电阻性负载参数计算表,应用举例3,设计单相全控桥式整流电源（电阻性负载）如图2-5。输出电压平均值在1230V范围内连续可调，恒流负载输出电流平均值为20A,最小控制角min=200, 考虑两个晶闸管的平均压降为2V，线路压降1V。 计算：1）变压器二次侧容量S2。2）晶闸管电流有效值IT。,解：1）根据最大输出电压Ud和最小控制角min=200，求变压 器二次电压有效值U2。

20、最大输出电压为 Ud=30+2+1=33V,U2= = =38V,考虑严重情况，恒流负载在输出电压最低、控制角最大时，电流有效值I2最大。 最低输出电压为 Ud=12+2+1=15V,1+con= = =0.88 则 =970,I2/ Id=1.7 I2 =1.720=34A S2= U2 I2=38 34=1.292kVA,变压器二次侧电压有效值U2、电流有效值I2应该取电路中的最大值, 如按=00计算， I2 =1.11 Id =1.1120=22.2A,变压器容量偏低，不能长期运行。,2) 晶闸管电流有效值 IT = I2 = 34=24A,二、电感性负载,电感性负载如图2-6所示。VT

21、1、VT2是共阴极，VT3、VT4是共阳极。电感的感应电势阻止电流的变化，输出波形出现负波形，晶闸管导通角，移项范围减小。 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。,图2-6 单相全控桥式电感性负载 时的整流电路及波形,1工作原理 电源电压正半波， ，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，脉冲ug1、ug4在900处触发晶闸管VT1、VT4,元件导通，负载上有输出电压和电流，电流波形是矩形波。,1）控制角与导通角 控制角在0900之间变化，导通角，导通角与控制角无关。,2）移项范围 =00时，Ud= Ud0=0.9U2； 下页演示 =900

22、时， Ud=0；移项范围是0900. 900时， Ud=0, 输出电压仍然为零，不会出现负波形。,点，u2=0, 电源电压自然过零，感应电 势使晶闸管继续导通。 电源电压负半波， ，晶闸管VT2、VT3 承受正向电压，脉冲ug2、ug4在900处 触发晶闸管VT2、VT3,元件导通，此过程称换相，亦称换流。,演示,2参数计算,1）输出电压平均值Ud,Ud = = con =0.9U2 con (222),2）输出电流平均值Id是一条水平线，变压器绕组的电流波形 是对称的正负矩形波。 Id = I2 (223),3）晶闸管的电流平均值IdT IdT = Id (224),4）晶闸管的电流有效值I

23、T 与通态平均电流 IT（AV） IT= Id ， IT（AV）= =0.45 Id (225),5) 晶闸管承受的最大正反向电压Um Um = (226),3单相全控桥电感性负载整流变压器的设计（设电感足够大，变比k=1） 先求变压器二次容量S2, 再求变压器一次容量S1, 最后求设计容量SB。,1）变压器二次侧相电压有效值U2 Ud =0.9U2 con 设=00，Ud 0=0.9U2 U2 = Ud 0/0.9 2）变压器二次侧相电流有效值I2 I2= Id 3）变压器二次侧视在功率S2 S2= U2 I2= Ud 0/0.9Id=Pd/0.9=1.11 Pd 式中，Pd= Ud 0Id

24、 4）变压器一次侧相电压有效值U1 U1=kU2 5）变压器一次侧相电流有效值I1 I1= Id / k = I2 / k 6）变压器一次侧视在功率S1 S1=U1I1= kU2I2/ k = U2 I2= S2 =1.11 Pd 7）变压器设计功率SB SB= （S1+S2）/2=1.11 Pd,三、反电势负载,1 纯反电势负载（L=0） 蓄电池充电、直流电动机负载是反电势负载。反电势负载的特点是： 在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。,图2-8所示，蓄电池充电，负载电感L=0，属于纯反电势负载，输出电流波形断续，并且可以突变，具有电阻性负载的特点。,图2-8 单相全控桥 反

25、电势负载（L=0）,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 。,与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电， 称为停止导电角。在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,电源电压正半波，在控制角 处晶 闸管触发导通，当 ud=E 时晶闸管关断。,E = = =arcsin =sin-1 (227), 输出电压平均值 Ud=E + ( sint-E)d(t) (cos+cos)+ (+) (228),输出电流平均值 Id= (cos+cos)+ (+- )(229) 输出电流有效值 I=,1,1,sint-E,d(t),R,sint-E,d(t

26、),R,1,(,),2,1/2,（3）纯反电势负载的主要矛盾： 晶闸管导通角变小，输出同样的负载电流Id，电流峰值 大，波形系数增大，晶闸管容量增大。 晶闸管导通角变小，若为直流电动机负载，机械特性变软 电流断续，电流峰值大，换相电流大，容易产生火花。 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。,输出电压平均值 Ud=E + ( sint-E)d(t) = ( cos+E) (230),1, 时 此时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。,触发脉冲要有足够的宽度，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。对脉冲宽度的

27、要求 。,2.反电势负载串平波电抗器（L0，电感不足够大）,图2-9 直流电动机串平波电抗器（L0，电感不足够大）,图2-9所示，直流电动机串平波电抗器，电感不足够大，输出电压ud不会出现负波形，输出电流波形仍然断续，但是电流不能突变，电动机机械特性变软。,保证电流临界连续的电感量L可由下式求出： L = =2. 8710-3 （H） (231) 式中，U2的单位为V；Idmin的单位为A；L的单位为H。Idmin=（510）Id。,如果电感足够大，电流就能连续，与电感性负载分析相同。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。,单相全控桥式

28、整流电路接大电感负载如图所示。 已知R=10，a=45，U2=100V，试回答： （1）计算输出整流电压Ud，输出电流平均值Id； （2）计算晶闸管电流的有效值IV1; （3）按裕量系数2确定晶闸管的额定电流。 解：（1） (2) (3) 22.85=5.7(A) 选额定电流为10(A)的晶闸管。,2.1.3 单相桥式半控整流电路,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。 共阴极是晶闸管，共阳极是二极管。输出脉冲可以共用一个公共地线，只用三根信号线。 一、电阻性负载 单相半控桥式整流电路，如图2-10所示。在电阻负

29、载时的工作情况与单相全控时完全一样。,图2-10 单相半控桥式整流电路（电阻性负载）,演示,单相半控桥式整流电路，如图2-11所示,图2-11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,在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。 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。 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。 u2过零变正时，VD4导通，VD3关断。VT2和VD4续流，ud又为零。,二、电感性负载,演示,图2-11 单相半控桥式整流电路 （电感性负载）下页演示,失控状态：单相半控桥式

30、整流电路（电感性负载）,当脉冲突然消失或控制角突然增大到1800，会出现一只晶闸管不关断，另两只二极管轮流导通，这使ud成为正弦半波，其平均值保持恒定，这种现象称为失控。 为了防止失控，负载两端应并联续流二极管。 另外 ，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。,失控现象演示,1）晶闸管的电流平均值IdT与有效值IT IdT = (156) IT = Id (157),2）续流管的电流平均值IdD与有效值ID IdD = (158) ID = Id (159),其它形式的单相半控桥式整流电路参见表1-3。可以采用晶闸管串联的接法，此时可以不用续流二极管，也可以采用晶闸管共阳极的接法，

31、但是，脉冲变压器的绝缘耐压要求提高，因为变压器二次侧引入了电源电压。还可以采用一只晶闸管的接法，此时应注意，维持电流太小，会出现失控问题。 例如晶闸管在同一桥臂的单相半控整流电路及其L足够大时的工作波形如下：,参数计算,晶闸管在同一桥臂的单相半控整流电路及其L足够大时的工作波形,例：单相桥式半控整流电路，由220V经变压器供电，负载为大电感，并接有续流二极管，要求输出整流电压2080V连续可调，最大负载电流为20A，最小控制角30试回答：(1) 画出ud、iv11波形（30时） (2)计算SCR电流有效值 (3) 计算整流二极管的电流平均值 解：(1) (2) (3),2.1.4 单相双半波可控整流电路,单相双半波可控整流电路，又叫单相全波可控整流电路，变压器二次侧有中心抽头，不存在直流磁化，与单相全控桥式整流电路相比，具有相同的负载特点和计算结果。,一、电阻性负载 如图2-13所示。晶闸管承受的最大正向电压为 ， 最大反向电压为2 。,图2-13单相双半波可控整流电路（电阻性负载）下页演示,演示,二、电感性负载 如图2-14所示。由于感应电势的影