第2章相控整流电路课件.ppt

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1、第2章：相控整流电路,本章要求:1.了解整流器的性能指标.2.掌握单相和三相相控整流的工作原理.3.理解有源逆变的工作原理.4.晶闸管相控电路的驱动控制.,相控整流电路概述,整流电路；交流转换为直流,按照输入交流电源的相数:单相、三相和多相整流电路；按电路中组成的电力电子器件控制特性:不可控、半控、全控整流电路；根据整流电路的结构形式:半波、全波和桥式整流电路等类型。,二极管整流电路:电压固定；相控整流电路:电压可调.,相控整流电路的类型：,2.1 整流器的性能指标,（1）输出的直流电压大小可以控制；（2）输出直流侧电压和交流侧电流中的纹波都必须限制在允许范围内；（3）整流器的效率要高。,利用

2、电力电子器件的可控开关特性把交流电能变为直流电能的整流电路构成的系统称为整流器。,整流器电路性能和控制方式必须满足的要求：,定义：,小功率直流稳压电源的组成,功能：把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压,基于二极管的不控整流电路,整流电路的作用:将交流电压转变为脉动的直流电压。,分析时可把二极管当作理想元件处理：二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,整流原理：利用二极管的单向导电性,单相半波不控整流电路,2.工作原理,u 正半周，VaVb，二极管 D 导通；,3.工作波形,u 负半周，Va Vb，二极管D 截止。,1.电路结构,4.参数计算,1)整流电压平均值 Uo,2)整流电流平均

3、值 Io,3)流过二极管电流的平均值 ID,4)每管承受的最高反向电压 UDRM,5.整流二极管的选择,平均电流 ID 与最高反向电压 UDRM 是选择整流二极管的主要依据。,选管时应满足：IOM ID，URWM UDRM,单相桥式不控整流电路,2.工作原理,u 正半周，VaVb，二极管 D1、D3 导通，D2、D4 截止。,3.工作波形,uD2uD4,1.电路结构,动画,单相桥式不控整流电路,2.工作原理,3.工作波形,1.电路结构,u 负半周，VaVb，二极管 2、4 导通，1、3 截止。,uD1uD3,EDA,4.参数计算,1)整流电压平均值 Uo,2)整流电流平均值 Io,3)流过每管

4、电流平均值 ID,4)每管承受的最高反向电压 UDRM,输出直流电压高；脉动较小；电源变压器得到充分利用。,目前，半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制成单相及三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引线。减少接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。,桥式整流电路的优点：,前面介绍的基于二极管的整流电路，叫不控整流，其特点是：整流得到的电压值是固定的，是不可以调节的，即不可控的。如果把前面电路中的二极管换成晶闸管，则变成了可控整流（也称为相控整流），其特点是：整流得到的电压值是可以通过晶闸管来调节，即可控的。,在单相相控整流电路中，定义晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度称为控制

5、角(或移相角)。,2.2.1 单相半波相控整流电路,图2.2.1 单相半波可控整流,1.电阻性负载(1)电路图,上式表明，只要改变控制角(即改变触发时刻)，就可以改变整流输出电压的平均值，达到相控整流的目的。,(2)电阻性负载时参数计算：,整流输出电压平均值为：,移相范围：整流输出电压Ud的平均值从最大值变化到零时，控制角的变化范围为移相范围。,当=时，Ud=0，当=0时，Ud=0.45U2为最大值。,单相半波相控整流电路带电阻性负载时移相范围为0。,图2.2.1 单相半波可控 整流波形图,2.电感性负载,（等效为电感L和电阻R串联）,图2.2.3 感性负载单相半波可控整流电路及其波形,工作原

6、理,2.2.1 单相半波相控整流电路(续),感性负载上的输出电压平均值Ud为,故,（2.2.11）,（2.2.12）,（2.2.13）,式(2.2.13)表明,感性负载上的电压平均值等于负载电阻上的电压平均值。,从图2.2.3的ud的波形图看出，由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，从而使输出电压平均值减小。,由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，从而使输出电压平均值减小。在大电感负载LR的情况下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论为何值，都有 Ud=0。,2.电感性负载（大电感LR）,图2.2.4 LR 时不同时的电流波形,2.2.1 单相半波相控整流电路(续),2.电

7、感性负载（大电感）,大电感负载时输出平均电压为零，解决的办法是在负载两端并联续流二极管D，如图2.2.5(a)所示。,图2.2.5 大电感负载接续流管的单相 半波整流电路及电流电压波形,在电源电压正半周，负载电流由晶闸管导通提供；电源电压负半周时，续流二极管D维持负载电流。输出电压Ud与电阻性负载相同。负载电流是一个连续且平稳的直流电流。,3、单相半波可控整流电路总结：带电阻性负载时，的移相范围是0180。(2)电感性负载时，输出电压波形出现负值部分，从而使输出电压平均值减小。(3)在大电感负载情况下，输出电压的平均值接近于零。解决的办法是加续流二极管。(4)输出电压脉动大，而且只利用到了一半

8、的输入电压，只适于小容量、波形要求不高的场合。,2.2.2 单相桥式相控整流电路,1、阻性负载,图2.2.6 单相全控桥式整流电路带电阻性负载的电路与工作波形,（的移相范围是0180）,工作原理分析：,1、阻性负载参数计算：,当=0时，Ud=0.9U2(最大值)当=180，Ud=0(最小值)；所以带电阻性负载时，的移相范围是0180。,1）整流输出电压的平均值,（2.2.18）,2)输出电流的平均值,3）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即,（2.2.22）,4）晶闸管承受的最大反向电压为 U2。,、的移相范围相等，均为0180；、输出电压平均值Ud是半波整流电路的倍；、在相同的

9、负载功率下，流过晶闸管的平均电流减 小一半；,通过上述数量关系的分析，电阻负载时，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：,2大电感负载,图2.2.8 单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与波形图,工作原理分析：,只有当控制角/2时，负载电流才连续；当/2时，负载电流会不连续；所以电路控制角的移相范围为0/2,2大电感负载参数计算：,1）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为,2）晶闸管承受的最大正反向电压为 U2。,(090),(2.2.27),当=0时，Ud=0.9U2(最大值)当=90，Ud=0(最小值)；所以大电感负载时，的移相范围是090。,3）/2时，电感电流会出现断续

10、，输出电压的平均值接近于零，即负载上得不到直流电压。解决的办法是在负载两端加入续流二极管。加入续流二极管后，输出电压波形就与电阻性负载的波形一样了。,(1)单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，变压器的利用率高。相同条件下，输出电压是半波整流的两倍。(2)带电阻性负载时，的移相范围是0180。(3)在大电感负载情况下，/2时，输出电压的平均值接近于零，负载上的电压太小,电感电流会接近断续。解决的办法是加续流二极管。,3.单相桥式整流电路总结：,习题,1.有一电炉，其电阻R14.85，为了调节加热温度，用一只晶闸管控制，供电电路为单相半波可控整流电路，接在220V的市电交流电源上，试求：（1）

11、画出可控整流电路图；（2）当控制角为60o时，求加在电炉上的电压平均值；（3）当控制角为60o时，求通过电炉的电流平均值。,习题,2 单相桥式全控整流电路如下图所示，已知变压器副边电压波形及触发信号波形如图中所示。(1)试画出输出电压Ud的波形及流过晶闸管T2的电流波形。(2)图中,若有一只晶闸管因为过流而烧成断路,结果会怎样?(3)如果这只晶闸管被烧成短路,结果又会怎样？,1）在t1t2期间，相电压比、相都高，如果在t1时刻触发晶闸管导通，负载上得到相电压uA。2）在t2t3期间，相电压最高，若在t2时刻触发导通，负载上得到B相电压uB，关断。3）在t3 t4时期间，C相电压最高，若在t3刻

12、触发导通，负载上得到相电压uC，并关断。,2.3.1 三相半波相控整流电路,1、电阻性负载工作原理分析,图2.3.1 电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形(=0),自然换流点：t1、t2和t3时刻距相电压波形过零点30电角度，把它叫做自然换流点。把自然换流点作为计算控制角的起点，即该处=0（注意：这与单相可控整流电路是不同的）。,2.3.1 三相半波相控整流电路(续),1、电阻性负载工作原理分析,图2.3.1 电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形(=0),1、电阻性负载工作原理分析,当=30时，整流输出电压ud、波形临界连续。,当=150时，整流输出电压为零。,图2.3.2 三相半波相控整

13、流=18、60时的波形图,2.3.1 三相半波相控整流电路(续),2、电阻性负载数量关系,式中2为整流变压器二次侧相电压有效值。,(2.3.1),当30时，负载电流连续。输出电压平均值为,当=0时整流输出电压平均值d最大。增大，Ud减小，当=150时，Ud=0。所以带电阻性负载的三相半波相控整流电路的移相范围为0150,2.3.1 三相半波相控整流电路(续),当30时，负载电流断续。,(4)晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压峰值，即，最大正向电压为电源相电压，即。,2.3.1 三相半波相控整流电路(续),3、大电感负载,(1)在30时，ud的波形与电阻性负载时相同。(2)30时ud波形出现部

14、分负压。,电路特点：,图2.3.3 大电感负载的三相半波整流电路及波形,续流二极管,接续流二极管,2.3.1 三相半波相控整流电路(续),大电感负载（无续流二极管时）的数量关系,当=0时Ud最大，当=90时，Ud=0。因此，大电感负载时，三相半波整流电路的移相范围为090。,整流输出电压平均值ud为,(2.3.7),2.3.1 三相半波相控整流电路(续),大电感负载接续流二极管时数量关系,2）续流二极管在一周期内导通三次。,1）ud的波形与纯电阻性负载时一样，Ud的计算公式也一样。,图2.3.3 大电感负载接续流二极管的 三相半波整流电路,2.3.1 三相半波相控整流电路(续),2.3.2 三

15、相桥式相控整流电路,共阴极组的自然换流点(=0)在t1、t、t时刻，分别触发、晶闸管。共阳极组的自然换流点(=0)在t、t、t时刻，分别触发2、晶闸管。晶闸管的导通顺序为：123456。,图2.3.4 三相桥式相控整流电路带电阻负载 时的情况,1、电阻性负载工作原理,2、取不同值时,=30时工作波形：,图2.3.5 三相桥式相控整流电路 带电阻负载=30 时的情况,2.3.2 三相桥式相控整流电路(续),=60时工作波形：,图2.3.6 三相桥式相控整流电路 带电阻负载=60 时的情况,2.3.2 三相桥式相控整流电路(续),=90时工作波形：,图2.3.7 三相桥式相控整流电路 带电阻负载=

16、90 时的情况,2.3.2 三相桥式相控整流电路(续),3、三相桥式全控整流电路参数计算,2）当60时，负载电流不连续。3)电路的移相范围是120度。,1）当60时，负载电流连续.整流输出电压的平均值为,（2.3.14）,4)晶闸管承受的最大正、反向峰值电压为,2.3.2 三相桥式相控整流电路(续),4、大电感负载,图2.3.8 带大电感负载的三相全控桥式 整流电路及=0时的电流电压波形,1）=0时工作波形,电路移相范围为090,2.3.2 三相桥式相控整流电路(续),大电感负载,图2.3.9 带大电感负载的三相全控桥式整流电路在=30、90时的电流电压波形,2）=30、90时工作波形,2.3

17、.2 三相桥式相控整流电路(续),5、大电感负载参数计算,在090范围内负载电流连续。,(2.3.16),1）整流输出电压的平均值为,（090）,2）负载电流平均值为,(2.3.17),2.3.2 三相桥式相控整流电路(续),3）晶闸管承受的最大电压为,2.7.1 对触发电路的要求,晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求：,、触发信号可为直流、交流或脉冲电压。为了减小门极的损耗，一般不采用直流或直流信号触发，而多数采用脉冲触发。,、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。,、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡。,、触发脉冲必须与晶闸管

18、的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。,图2.7.1 强触发电流波形,2.7.2 晶闸管触发电路,、单结晶体管触发电路,图2.7.2 单结晶体管触发电路及波形,图2.7.2 单结晶体管触发电路及波形,经D1D4整流后的直流电源UW，一路经R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间；另一路通过e对电容C充电、通过单结晶体管放电。控制BT的导通、截止；在电容上形成锯齿波振荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲ug.,工作原理：,图2.7.2 单结晶体管触发电路及波形,当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角增大，实现了移相。注：控制角是由第一个脉冲出现的时刻决定的。,移相控制,图2.7.2 单结晶体管触发电路及波形,触发脉冲ug由1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。所以一般采用脉冲变压器输出。例如实验指导书Page15图4-1。,脉冲输出,