第2章 晶闸管相控整流电路.ppt

晶闸管相控整流电路,整流电路是指能实现将交流电转化为直流电的电路。如果是用电力二极管为主要器件将交流电转化为大小不变的直流电，这样的电路称为二极管整流电路。但是在调压调速直流电源、电焊等很多场合往往需要电压大小可调的直流电源。利用晶闸管等开关器件的单向导电性，控制其移相角把交流电变换成大小可调的直流电，以满足各种负载的要求，这种整流电路就称为相控整流电路。,晶闸管相控整流电路,相控整流电路的种类很多，按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按电路组成的器件可分为不可控、半控和全控整流电路；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；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。另外，整流电路的负载性质也对电路的输出电压和电流有很大影响，常见的负载有电阻性负载、电感性负载和反电动势负载等。,第一节 单相半波相控整流电路,一、电阻性负载在实际应用中，某些负载基本上是电阻性的，如电阻加热炉、白炽灯、电解和电镀等。电阻性负载的特点是电压与电流成正比，波形相同并且相位相同，而且流过负载的电流可以突变。,图2-1 单相半波可控整流电路（电阻性负载）及波形,图2-1 单相半波可控整流电路及波形,w,w,w,w,t,0,w,t,1,p,2,p,t,t,t,u,g,u,d,u,VT,a,q,0,b),c),d),e),0,0,u,2,在分析电路工作过程之前先假设以下几点：开关元件是理想的，即开关元件（晶闸管）导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大。变压器是理想的，即变压器漏电抗为零，绕组的电阻为零，励磁电流为零。引入两个重要的基本概念：触发角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加发脉冲止的电角度,用表示,也称触发角或控制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角，用表示。两者关系为=。移相与移相范围（1）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。（2）移相范围:是指改变触发脉冲ug的移相范围，它决定了输出电压大小的变化范围。,交流电压u2通过负载电阻R施加到晶闸管的阳极和阴极两端，在u2正半周期，0t1之间，晶闸管虽然承受正向电压，但因门极触发脉冲尚未出现，无直流电压输出，此时由晶闸管VT承受全部u2电压。ud、uVT波形如图2-2（d）、（e）所示。在t1时刻，触发电路向门极送出触发脉冲ug，晶闸管被触发导通。若晶闸管压降忽略不计，则负载电阻R两端的电压波形ud就是变压器二次侧u2的波形，流过负载的电流id波形与ud波形形状相似，但幅值相差R倍。由于二次侧绕组、晶闸管以及负载电阻是串联的，故id波形也就是晶闸管及变压器二次侧的波形。在t=时，u2处于过零点负临界点，晶闸管由于阳极电流也下降零而被关断，电路无直流电压输出。在u2的负半周期，即2区间，由于晶闸管承受反向电压而处于反向阻断状态，负载无电流流过，负载两端电压ud一直为零。u2的下一周期重复上述过程。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。电路中采用可控制件晶闸管，且输入电源为单相交流电，故该电路被称为单相半波相控整流电路。,2.基本数量关系(1)直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id,输出电流平均值Id:,直流输出电压平均值Ud:,(2)输出电压有效值U与输出电流有效值I,输出电流有效值I:,直流输出电压有效值U:,(3)晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值 单相半波可控整流电路中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：,(4)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(5)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UTM是相电压峰值。,例2-1有一单相半波相控整流电路，负载电阻Rd=l0直接接在220V交流电源上。当控制角=60。时，求输出电压平均值Ud.输出电流平均值Id和有效值I，并选择闸管型号(考虑2倍安全裕量)。解 根据单相半波相控整流电路的计算公式，输出平均电压为输出有效值电压为,输出平均电流为输出有效值电流为,晶闸管承受的最大正反向电压为考虑2倍安全裕量，则晶闸管正反向峰值电压为取700V；晶闸管的额定电流为 取20A 根据计算选择晶闸管的型号为KP20-7,二、电感性负载及续流二极管 在实际生产中，更常见的是既有电阻又有电感的负载类型，即为阻感负载。电感性负载通常是电机的励磁绕组和负载串联的电抗器等。电感是储能元件，并且对电流变化有抗拒作用。当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电动势，感应电动势对负载电流的变化有阻碍作用，使得负载电流不能突变。当电流增大时，电感吸收能量储能，电感的感应电动势阻止电流增大;当电流减小时，电感释放出能量，感应电动势阻止电流的减小，输出电压、电流有相位差。,数量关系 直流输出电压平均值Ud为 从Ud的波形可以看出，由于电感负载的存在，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，实际的大电感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。,2.接续流二极管时工作原理u20：u K0。在t=处触发晶闸管导通，ud=u2续流二极管VDR承受反向电压而处于断态。u20：电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，晶闸管承受反压关断,ud=0。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。,图2-5 带阻感负载(接续流管)的 单相半波电路及其波形,+,由以上分析可以看出，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，续流二极管可以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电路电阻性负载相同为0180，且有+=180。,基本数量关系(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输出电流平均值Id,(2)晶闸管的电流平均值IdT与晶闸管的电流有效值IT晶闸管的电流平均值IdT：晶闸管的电流有效值IT：,(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,三、反电动势负载蓄电池、直流电动机的电枢等均属反电动势负载。这类负载的特点是含有直流电动势E，可以看成一个直流电压源。其极性对电路中晶闸管而言是反向电压故称反电动势负载如图2一6(a)所示。,三、反电动势负载蓄电池、直流电动机的电枢等均属反电动势负载。这类负载的特点是含有直流电动势E，可以看成一个直流电压源。其极性对电路中晶闸管而言是反向电压故称反电动势负载如图2一6(a)所示。,综上所述，反电动势负载特点是:电流呈脉冲波形，脉动大。如果要得到较大的平均电流，必须增大电流幅值，这就对可控整流装置和直流电动机的容量提出更高的要求。另外，较大的电流峰值容易产生较大的换向电流，容易产生火花，电动机振动厉害。为了克服这些缺点，常在负载回路中人为地串联一个平波电抗器Ld，用来减小电流的脉动和延长晶闸管的导通时间。反电动势负载串接平波电抗器后，整流电路的工作情况与大电感性负载相似。只要所串入的平波电抗器的电感量足够大，则负载两端的电压基本平整，输出电流波形也就平直连这就大大改善了整流装置和电动机的工作条件。,总结：单相半波相控整流器优点：是电路简单、调整方便、容易实现;缺点（1）整流输出直流电压脉动大，每周期脉动一次。（2）变压器二次侧流过单方向的电流，存在直流磁化、设备利用率低的问题。一般仅适用于对整流指标要求不高、小容量的相控整流装置。实际上现在很少应用此种电路，分析该电路的目的主要在于利用其简单易懂的原理，建立起相控整流电路的基本概念和分析方法。,第二节 单相全波相控整流电路,单相半波相控整流电路中，交流电源u2在一个周期中，最多只能有半个周期向负载供电。单相全波相控整流电路与单相全控桥式整流电路，则能使交流电源u2的另一半周期也能向负载输出同方向的直流电压，同时还能减少输出电压ud波形的脉动，还能提高输出直流电压平均值。,一、单相全波相控整流电路 1.电阻性负载,由于单相全波相控整流输出电压ud波形是单相半波相控整流输出电压波形的2倍，所以输出电压平均值也为单相半波的2倍，输出电压有效值是单相半波的倍，功率因数为单相半波的倍，其计算公式为,晶闸管电流有效值及可能承受的最大正、反向电压分别为 单相全波相控整流电路的移相范围是0180，与单相半波相同。而触发脉冲频率为单相半波的2倍，触发脉冲间隔为，不同于单相半波,2.电感性负载,单相全波相控整流电路电感性负载不接续流管时。移相范围是090,这区间输出电压平均值Ud的计算公式为,为了扩大移相范围，不让ud波形出现负值以及使输出电流更平稳，可在电路负载两端并接续流二极管VD，如图2一9(a)所示。接续流二极管后，移相范围就可扩大到0,总结：优点：单相全波相控整流电路具有输出电压脉动小、平均电压大以及整流变压器没有直流磁化等优点。缺点：该电路一定要配备有中心抽头的整流变压器，且变压器二次侧抽头的上下绕组利用率仍然很低，最多只能工作半个周期，变压器设置容量仍未充分利用。并且晶闸管承受电压最高达，元件价格昂贵。为了克服以上缺点，可采用单相全控桥式相控整流电路。,二、单相全控桥式相控整流电路,单相半波相控整流电路中，交流电源u2在一个周期中，最多只能有半个周期向负载供电。单相全波相控整流电路与单相全控桥式整流电路，则能使交流电源u2的另一半周期也能向负载输出同方向的直流电压，同时还能减少输出电压ud波形的脉动，还能提高输出直流电压平均值。,1.电阻性负载,图2一10所示为单相全控桥式相控整流电路带电阻性负载时的电路图及波形图。VT l和VT4,VT2和VT3分别组成一对桥臂，电路分析与计算同单相全波相控整流电路。所不同的是：（1）单相全控桥式触发电路必须有四个二次侧绕组的脉冲变压器，分别向VT1VT4的门极发送触发脉冲，（2）另外晶闸管承受的电压波形也不同,单相桥式相控整流电路电阻性负载时的移相范围是0180。=0时，输出电压最高;=时，输出电压最小。晶闸管承受最大反向电压是相电压峰值2U2，晶闸管承受最大正向电压是2/2U2。各电量计算公式如下:输出电压平均值Ud为输出电压有效值U为,由于晶闸管VTI,VT2,VT3,VT4轮流导通，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半.即流过晶闸管的电流有效值为,2.阻感负载,从图2一11(b)可以看出，晶闸管承受的最大正、反向电压为U。当a90时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。晶闸管导通角与控制角无关，控制角a在090之间变化时，晶闸管导通角恒为180。各电量计算公式如下:输出电压平均值Ud为电流的平均值和有效值为,3.反电动势负载,单相全波相控整流电路与单相全控桥式整流电路的区别在于:（1）单相全波相控整流电路中变压器二次绕组要带中心抽头，结构较复杂，材料的消耗比单相全控桥多。(2)单相全波相控整流电路中只用两个晶闸管，比单相全控桥式整流电路少两个，相应地，门极驱动电路也少两个，但是在单相全波相控整流电路中，晶闸管承受的最大电压是单相全控桥式整流电路的2倍。（3）单相全波相控整流电路中，导电回路只含1个晶闸管，比单相全控桥式整流电路中少1个，因而管压降也降低一半。（4）单相全波相控整流电路较适宜在低输出场合使用，单相全控桥式整流电路主要适用于4KW左右的应用场合。,第三节 三相半波相控整流电路,单相相控整流电路线路简单，价格便宜，制造、调整、维修都比较容易，但其输出的直流电压脉动大、脉动频率低，并且当负载容量较大时易造成三相电压不平衡，因而只用在容量较小的地方。一般负载容量较大或要求直流电压脉动较小时，可以采用三相相控整流电路。三相相控整流电路的类型很多，三相半波相控整流电路是最基本的电路，其他电路可看作是三相半波以不同方式串联或并联组合而成的。实际中由于三相桥式全控整流电路具有输出脉动小、脉动频率高、动态响应快等特点，在大、中功率领域应用最广泛。,一、三相半波不可控整流电路,电路中将三个整流二极管VD l.VD3,VD5的阴极连接在一起，这种接法叫共阴极接法。这种共阴极接法对触发电路有公共线者，使用、调试都比较方便。由于二极管为不可控器件，其导通条件为：哪一相二极管的阳极电位最高，哪只二极管就承受正向电压而导通。整流输出电压ud的波形即是三相电源相电压的正向包络线 电源相电压正半波形相邻交点1,3,5点即是VD1,VD3,VD5三个二极管轮流导通的始末点，即每到电压正向波形交点就自动换相，所以三相相电压正半波形的交点1,3,5称为自然换相点。,VDl管两端承受电压的波形为电源线电压的波形，最大值为电源线电压的反向电压的峰值，即可计算输出直流平均电压Ud为,二、三相半波相控整流电路,在三相半波相控整流电路中使用的是晶闸管，和刚才的三相不可控电路的区别在于不是用整流二极管，用的晶闸管。其导通条件：是晶闸管阳极承受正向电压同时门极加正的触发信号。把图2-14(a)所示电路中三只整流二极管换成三只晶闸管就变成三相半波相控整流电路,（一）电阻性负载,定义=30为控制角的零起始点，也就是自然换相点。三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正半周波形的交叉点，在各相相电压的30处，即、点，如果这些时刻之前送上触发脉冲，晶闸管因承受反向电压而不能触发导通，因此将其作为计算控制角的起点，即该处的=0。若分析不同控制角的波形，则触发脉冲的位置距对应相电压的原点为30+。,在一周期内晶闸管VT1,VT3,VT5依次轮流导通，各导通120，在其余240区间承受反向电压而处于关断状态，它们所承受的电压波形相同仅相位依次相差120，以晶闸管VT1承受的电压波形为例，可以分成三个部分:VT1本身导通，忽略管压降=0VT3导通，VT1承受的电压是u相和v相的电压差 VT5导通，VT1承受的电压是u相和w相的电压差，,从图2-16和图2-17可以看出，当控制角为零时输出电压最大，随着控制角增大，整流输出电压减小，当=150时输出电压为零，所以三相半波整流电路电阻性负载移相范围是0150。,整流电压平均值等各电量的计算分两种情况:3,（二）、电感性负载,当 时的工作情况与电阻性负载相同，输出电压ud波形、uvT波形也相同。不同的是由于负载大电感的储能作用，输出电流id是近似平直的直线波形。当 时Ud波形出现负值，为90度时波形正负面积相等，电压平均值ud为0，所以三相半波电感性负载的有效移相范围为,由于ud波形是连续的，所以计算输出电压平均值Ud时只需一个计算公式：,三、共阳极整流电路,共阳极三相半波相控整流电路的优点在于三只晶闸管的阳极连接在一起可固定在一块散热器上，散热效果好;但阴极不在一起，没有公共线，调试和使用不方便。,第四节 三相全控桥式相控整流电路,目前，在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相全控桥式整流电路。其原理如图2_21所示，三相全控桥式整流电路是由一组共阴极接法的3个晶闸管(VT1,VT3,VT5)和一组共阳极接法的3个晶闸管(VT4,VT6,VT2)所组成的。,一、电阻性负载,可以采用分析三相半波相控整流电路的方法，对于共阴极组的晶闸管，阳极所接交流电压最高的一个能够触发导通，而对于共阳极组的晶闸管，则是阴极所接交流电压最低的一个可被触发导通。这样，任一时刻共阴极组和共阳极组要各有一个晶闸管处于导通状态，电路中就会有电流流过，负载上得到的电压为某一线电压。,为分析方便，把三相交流电源的一个周期由6个自然换相点划分为6段，每段为60度。这6个自然换相点即是触发电路中6只晶闸管控制角的起始点，在这6个点处送上触发脉冲来触发晶闸管，控制角=0。由变压器二次绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。所以分析负载电压波形时既可以从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。输出整流电压波形为线电压在正半周期的包络线。,三相全控桥式整流电路的一些工作特点:(1)任何时候共阴、共阳极组各有一只元件同时导通才能形成电流通路，且不能为同一相的晶闸管。(2)共阴极组晶闸管VT1,VT3,VT5，按相序依次触发导通，相位相差120，共阳极组晶闸管VT2,VT4,VT6，按相序依次触发导通相位相差120，同一相的晶闸管相位相差180，每个晶闸管导通角为120，每隔60 进行一次换相。（3)输出电压由6段线电压组成，每周期脉动6次。(4)晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，如图2一22所示，只与晶闸管导通情况有关，其波形由3段组成，每段120，一段为零(忽略导通时的压降)，两段为线电压。晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。电阻负载晶闸管流过的电流波形与其相应导通时段的ud波形形状相同。（5)变压器二次绕组流过正负两个方向的电流，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的利用率。,由以上分析可见60 电流将出现断续。以90 为例，电阻负载时的工作波形如图2一25所示，此时在ud的波形中每60 中有30 为零，这是因为电阻负载时id波形与ud波形一致，一旦ud为零，电流id也要降至零，即流过晶闸管电流也为零，晶闸管关断，此时整流电路输出为零，直到下一对晶闸管被触发导通。如果继续增大控制角至120,整流电路输出电压平均值将减小到零，可见带电阻性负载的三相全控桥式整流电路控制角的移相范围是0 120.,整流电压平均值等各电量的计算分两种情况:,VDl管两端承受电压的波形为电源线电压的波形，最大值为电源线电压的反向电压的峰值，即可计算输出直流平均电压Ud为,三、大电感负载分析,当60 时电感性负载的工作作情况与电阻负载时不同，电阻负载时，当线电压下降到零时，晶闸管关断，ud波形不会出现负的部分。阻感负载时，即使线电压过零变负，由于负载电感感应电动势的作用，晶闸管会继续维持导通，从而输出电压ud彼形会出现负的部分。图2一29所示为电感性负载=90 时的波形，可以看出，=90 时，ud波形上下对称，正负面积基本相等，平均值为零，因此带电感性负载三相桥式全控整流电路的角移相范围为0 90。,