第3章_晶闸管可控整流电路(1)(08[1].10).ppt

1、第三章 晶闸管可控整流电路,3.1 整流电路的构成原理 3.2 单相可控整流电路分析 3.3 三相可控整流电路分析 3.4 电动势负载三相可控整流电路分析 3.5 交流电源回路电感效应 3.6 全控变流电路的有源逆变工作状态,3.1 整流电路的构成原理,整流电路的整流原理 整流电路的基本类型 整流电路的换相规律 负载性质对电路工作的影响 分析整流电路的假设条件 整流电路研究、学习的基本内容,一. 整流电路的整流原理,原理： 利用整流管和晶闸管的单相导电开关特性，构成输出单一极性的电力变换电路，从而将输入的交流电能转换为输出的直流电能。 整流电路通常由整流变压器将电源电压变换为适宜的电压幅值，为

2、负载提供需要的直流电压及合理的电压调整范围。,二. 整流电路的基本类型,图1：单相半波不可控整流电路,图3：单相半波可控整流电路,图2：三相半波不可控整流电路,图4：三相半波可控整流电路,图6：三相全桥可控整流电路,图5：单相全桥可控整流电路,整流电路的原理图,1. 桥式整流电路,半波整流电路的电源变压器次级绕组只通过单方向电流，变压器利用率低，且有的电路存在直流磁势，造成铁芯直流磁化。 利用开关器件的单向导电开关特性可构成整流桥，可使电源变压器次级绕组通过正反两个方向的电流。 由于变压器次级绕组正负半周都工作，从而提高了变压器的利用率。,2半波整流电路,据整流电路中开关元件的连接方式，可分为

3、共阴极组接法和共阳极组接法。 当整流电路中各开关元件的阴极接于一 点，而阳极分别接于各相电源时，称为共阴极组接法。 共阴极组接法为高通电路，输出电压极性为共阴极点为正，变压器次级中点为负。 当整流电路中各开关元件的阳极接于一点，而阴极分别接于各相电源时，称为共阳极组接法。 共阳极组接法为低通电路，输出电压极性为共阳极点为负，变压器次级中点为正。,三相半波电路 a)共阴极接法 b)共阳极接法,三. 整流电路的换相规律,对电源系统电压的要求 整流电路在工作过程中，要按照电源电压的变化规律周期性地切换整流工作回路。为保证在稳定工作状态下能均衡工作，使输出电压电流波形变化尽可能小，要求电源系统为对称的

4、，且电压波动在一定范围之内。,2自然换相与自然换相点,自然换相点: 在不可控整流电路中，整流管将按电源电压变化规律自然换相，自然换相的时刻称为自然换相点。 控制角 ：从自然换相点计起，到发出控制脉冲使晶闸管导通为止的时间间隔，以电角度表示，称为控制角。,对于共阴极组接法的半波不可控整流电路而言，为高通电路，即总是相电压最高的一相元件导通。所以，自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形正半周交点，输出电压波形为电源电压波形正半周包络线。 对于共阳极组接法的半波不可控整流电路而言，为低通电路，即总是相电压最低的一相元件导通。所以，自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形负半周交点，输出电压波形为电

5、源电压波形负半周包络线。,四.负载性质对电路工作的影响,、电阻负载 特点：电压、电流的波形形状相同 、电感性负载（主要指电感与电阻串联的电路） 特点：负载电流不能突变，波形分为连续和不连续两种情况。 、电容性负载（整流输出接大电容滤波） 特点：由于电容电压也不能突变，所以晶闸管刚一触发导通时，电容电压为零，相当于短路，因而就有很大的充电电流流过晶闸管，电流波形呈尖峰状。 因此为了避免晶闸管遭受过大的电流上升率而损坏，一般不宜在整流输出端直接接大电容。,负载性质对电路工作的影响,、反电势负载 （整流输出供蓄电池充电或直流电动机，即负载有反电势） 特点：只有当输出电压大于反电动势时才有电流流通，电

6、流波形也呈较大的脉动。,五.分析整流电路的假设条件,1、假定开关元件的开关特性是理想的的开关特性 饱和压降为零,漏电流为零 2、电源变压器是理想变压器 内阻为零，漏抗为零 3、电源为理想电动势 内阻为零 在理想条件下所得出的结论，大都适用于实际的电路。对因与假定理想条件不符合而产生的影响，可进一步根据实际特性进行修正。,六. 整流电路研究、学习的基本内容,依据开关元件的理想开关特性和负载性质，分析电路的工作过程。 根据电路工作过程分析波形，包括输出电压 ud 、各晶闸管端电压 uVT、负载电流 id 、通过各晶闸管电流 iVT 、以及变压器次级和初电流 i2 和 i1 等。 在波形分析基础上，

7、求得一系列电量间的基本数量关系，以便对电路进行定量分析。在设计整流电路时，数量关系可作为选择变压器和开关元件的依据。,3.2 单相可控整流电路分析,3.2.2 单相桥式全控整流电路,3.2.1 单相半波可控整流电路,3.2.3 单相桥式半控整流电路,3.2.4 单相整流电路电动势负载,单相可控整流电路,基本特点：交流侧接单相电源 重点注意： 主电路形式、工作过程及波形分析、数量关系、不同负载的影响。,3.2.1 单相半波可控整流电路,单相半波可控整流电路是组成各种类型可控整流电路的基础，所有可控整流电路的工作回路都可等效为单相半波可控整流电路。因此，对于单相半波可控整流电路的分析是十分重要的，

8、可作为研究各种可控整流电流的基础。单相半波可控整流电路可以为各种性质的负载供电。以下主要介绍电阻性负载和阻感负载。,单相半波可控整流电路及波形,单相半波可控整流电路,一.电阻性负载,1.主电路 输入为单相正弦交流电压源，经整流变压器变压，设次级电压为：,2.工作过程及波形分析： 分为三个阶段,(1),控制角：从晶闸管开始承受正向电压到开始导通的这一角度，以 表示。,电阻性负载,(2),(3),单相半波可控整流电路及波形,导通角：晶闸管在一个周期中处于导通的电角度，以表示。,电阻性负载,3.数量关系,电阻性负载,移相范围：控制角 的有效变化范围。,电阻性负载移相范围：,电阻性负载导通角：,电阻性

9、负载,整流电路的功率因数主要受控制角 的影响。 当 = 0 时 当 = 时 可见，尽管是电阻负载，由于存在谐波电流，电源的功率因数也不会是1， 而且 越大，功率因越数小。,阻感负载的波形,单相半波可控整流电路,1.主电路 输入为单相正弦交流电压源，经 整流变压器变压，设次级电压为：,2. 工作过程及波形分析： 分为三个阶段,(1),二.阻感负载,阻感负载,(2),(3),阻感负载,阻感负载移相范围：,阻感负载导通角：,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。 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

10、，id=0。 当VT处于通态时，相当于VT短路。,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,阻感负载,3.数量关系,当VT处于通态时，如下方程成立：,VT处于导通状态,（3-1）,（3-2）,（3-3）,初始条件：t= a ，id=0。求解式（3-1）并将初始条件代入可得,当t=+a 时，id=0，代入式（3-2）并整理得,阻感负载,阻感负载（数量关系）,阻感负载,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贮能越多， 越大；且j 越大，在u

11、2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。,阻感负载,4.纯电感负载（L R ）,特点： 电源不做功 因为Ud=0，改变a 不能控制Ud,但可控制Id的大小。,有续流二极管电流断续,三.有续流二极管的阻感负载,1.主电路 2.工作过程及波形分析,有电流断续和电流连续两种情况。 电流断续：L作用较小或控制角较大时，在VD续流期间，Id衰减较快，等到下次触发VT时，Id已经下降到零。,(1),有续流二极管的阻感负载,(2),(3),有续流二极管电流断续,有续流二极管的阻感负载,电流连续：,有续流

12、二极管电流连续,(1),(2),(3),有续流二极管的阻感负载,3. 数量关系,电流断续：L作用较小或控制角较大时，在VD续流期间，Id衰减较快，等到下次触发VT时，Id已经下降到零。,有续流二极管的阻感负载,3. 数量关系,电流连续：,有续流二极管的阻感负载,电感L充分大时（LR） 负载电流id可近似为一条水平线，恒为Id，则有,图-L充分大、带续流二极管单相半波可控整流电路电流波形,有续流二极管的阻感负载,电感L充分大时（LR）,图-L充分大、带续流二极管单相半波可控整流电路电流波形,单相半波可控整流电路,单相半波可控整流电路的特点 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

13、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在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。,3.2.2 单相桥式全控整流电路,单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,一. 电阻性负载,1.主电路,2.工作过程及波形分析：分为四个阶段,VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压 u2，得到触发脉冲时导通，当u2过零时关断。 VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲时导通，当u2过零时关断。,(1),(2),0,电阻性负载,单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,(3),(4),电阻性负载,3.数量关系,电阻性负载（数量关系）,电阻性负载

14、（数量关系）,例3-3 某电源装置采用单相桥式全控整流电路,向电阻负载供电,若该装置可输出在12v 30v 连续可调平均电压;触发电路最小控制角min=20;输出平均电流Id均可达20A。按下列两种条件求变压器次级电压和电流定 额、晶闸管电压和电流定额：理想条件；整流回路两只晶闸管总通态平均压降2V、线路电压损失1V、电源电压波动范围5%U2。,解 1.理想条件 据最高输出平均电压Ud=30 V和最小控制角min=20，由式（3-31） 可求得满足工作要求的整流变压器次级电压为,变压器次级电流定额应按严重工作条件考虑，故以输出平均电压Ud=12V、输出平均电流Id=20A为依据。 Ud=12

15、V时的控制角最大，由式（3-31）可得,电阻性负载,=arccos(-0.224)=102.95,可见,按理想条件计算时,变压器次级电压定额应为U2=34.37 V;次级电流定额应为I2=34.28 A。 严重工作条件下，通过晶闸管电流有效值应为,例3-3,Ue=(23) URm=(97.20145.80) V,按理想条件计算时，可选用KP30-2型晶闸管。,则晶闸管通态平均电流 ITa应为,例3-3,2.考虑晶闸管通态平均压降等条件 考虑到晶闸管通态平均压降（2V）、线路电压损失（1V）时，为保证整流装置能输出最高平均电压为30V，要求最高整流平均电压为 Ud=30+2+1=33 V 为保证

16、在电源电压波动范围内，均能输出要求的电压，应按电源电压要求最低（0.95U2）的条件确定变压器次级电压定额，由式（3-31）可得,同样，以输出平均电压为12V、输出平均电流为20A为严重工作条件，计算变压器次级电流定额。为保证输出平均电压为12V，整流平均电压应为,例3-3,Ud=12+2+1=15V,在电源电压为最高（1.05U2）时，Ud=15V对应的控制角最大， 由式（3-31）可得,=arccos(-0.202)=101.68,例3-3,则晶闸管通态平均电流ITa应为,Ue=(23) URm=(118.2177.3) V,可选用KP30-2型晶闸管。,可见，考虑到有关条件时，变压器次级

17、电压定额应为U2=39.8V；次级电流定额应为I2 =34 A。 严重工作条件时，通过晶闸管电流有效值为,例3-3,单相桥式全控整流电路,二. 阻感负载,1.主电路 2.工作过程及波形分析 根据L作用不同，有电流断续和电流连续两种情况。 电流断续：L作用较小，,(1),(2),阻感负载电流断续,阻感负载,阻感负载电流断续,(3),(4),阻感负载,阻感负载电流断续,(5),(6),阻感负载（电流断续）,3.数量关系,导通角：,移项范围：, ,阻感负载,阻感负载电流连续,电流连续：,(1),(2),阻感负载,阻感负载电流连续,电流连续：,(3),(4),阻感负载（电流连续）,3.数量关系,阻感负

18、载（电流连续）,数量关系,当a j 时，I00，id连续,有效移项范围：要使id连续:,导通角： =,阻感负载（电流连续）,数量关系,3.2.3 单相桥式半控整流电路,阻感负载电路及波形,1.主电路 半控：将全控中的VT3,VT4换成VD3,VD4；这样，VT1和VT2控制换相， VD3和VD4自然换相。 VT1和VD4 构成一整流回路，VT2和VD3构成一整流回路。,2.工作过程及波形分析,一. 阻感负载,a.自然续流现象：（以id连续为例）,(1),阻感负载,(2),阻感负载,(3),阻感负载,(4),阻感负载(工作过程及波形分析),b.失控现象及续流二极管,当控制角突然增大至180或触发

19、脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管在正、负半周轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，这种异常现象称为失控。 例如：若在运行中，VT1和VD4导通时，切除触发脉冲。当u20时， VD4和VD3自然换相， 则VT1和VD4又构成电源对负载供电的回路。这样，VT1一直导通， VD3和VD4交替导通，无法实现关断，产生失控现象。,失控工作状态的电路波形,阻感负载,b.失控现象及续流二极管,为了防止失控的发生，必须消除自然续流现象： 负载两端反并联续流二极管VDR ，提供另外一条通路。 有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶

20、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。应当指出，实现这一功能的条件是VDR的通态电压低于自然续流回路开关元件通态电压之和，否则不能消除自然续流现象，关断导通的晶闸管。,单相桥式半控整流电路,二. 阻感负载加续流二极管,阻感负载-有续流二极管,1.主电路 2.工作过程及波形分析,(1),(2),阻感负载加续流二极管,(3),(4),阻感负载-有续流二极管,阻感负载加续流二极管,工作过程可表示为：,该电路电流波形的表示式比较复杂，在讨论有关电流的数量关系时，常以负载参数满足 L R 为条件。这时，负载电流的变化量相对于平均电

21、流是很小的，可以认为负载电流波形是平直的。相关波形见图。,阻感负载-有续流二极管,阻感负载加续流二极管,3.数量关系：,单相桥式半控整流电路,单相桥式半控整流电路 的另一种接法 把单相桥式全控整流电路中的VT2和VT4换为二极管VD2和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD2和VD4来实现。 两个晶闸管的阴极电位不同,触发电路需要隔离.,0,3.2.4 单相整流电路电动势负载,整流电路的负载中，有一种带直流电动势的含源负载，由整流电路供给电能，实现能量传递与转换功能。作为负载的电动势，对整流电路而言为反向电势性质，故常称之为反电动势负载。从负载的构成看，带电动势E的负载可分为RE和R

22、LE两种类型。,一、RE负载 1、电动势对晶闸管开、关条件的影响,半波可控整流电路RE负载及桥式全控整流电路如图所示。,RE负载单相半波可控整流电路及波形,RE负载,电源正半周u20时：,当0t时 u2E VT反向阻断，不可能导通 当t-时 u2E VT正向阻断，具备开通条件通 当-t时 u2E VT反向阻断,电源电压为：,0,晶闸管导通时 晶闸管关断时 负载电压：ud=u2， 负载电压： ud=E 负载电流：id =（ud-E）/ R 负载电流：id =0 终止导电角：从t= 起向左计量到终止导电时刻 为止的时间间隔，以电角度表示。 可由下式求得表示终止导电的时刻,电动势对晶闸管开、关条件的影响,0,RE负载单相桥式全控整流