第1章功率二極管、晶閘管以及單相相控整流電路(第三部分)

1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)第第1章章 功率二極管、晶閘管以及功率二極管、晶閘管以及單相相控整流電路單相相控整流電路(第三部分第三部分) 第四節(jié)第四節(jié)單相半波相控整流電路單相半波相控整流電路第五節(jié)第五節(jié)單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路 第六節(jié)第六節(jié) 晶閘管簡(jiǎn)單觸發(fā)電路晶閘管簡(jiǎn)單觸發(fā)電路Power Electronics Technology引引 言言整流電路整流電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路， 將交流電變?yōu)橹绷麟姲唇M成的器件可分為不可控、半控、全控不可控、半控、全控三種按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路橋式電路和零式電路零式電路按交流輸入相數(shù)分為單相電路單相電路和多相電路多相電路按變壓器二次側(cè)電流的方

2、向是單向或雙向，又分為單拍單拍電路和雙拍雙拍電路主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 單相相控整流電路：工作原理（波形分析）工作原理（波形分析）、 基本數(shù)量關(guān)系、基本數(shù)量關(guān)系、負(fù)載性質(zhì)的影響 變壓器漏抗對(duì)整流電路的影響 電容濾波的二極管整流電路 (X) 整流電路的諧波和功率因數(shù)分析 大功率場(chǎng)合的整流電路(X) 相位控制電路的驅(qū)動(dòng)控制第四節(jié)單相半波相控整流電路第四節(jié)單相半波相控整流電路v 交流側(cè)接單相電源v重點(diǎn)注意重點(diǎn)注意：工作原理（波形分析）、定量計(jì)算、不同負(fù)載的影響。一、單相半波相控整流電路結(jié)一、單相半波相控整流電路結(jié)構(gòu)構(gòu) Single Phase Half Wave Controlled Rectifie

3、r二、二、單相單相半波半波相控相控整整流電路工流電路工作原理作原理. 帶電阻負(fù)載的工作情況帶電阻負(fù)載的工作情況 變壓器T起變換電壓和隔離的作用電阻負(fù)載的特點(diǎn)電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同 TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00第一節(jié)單相半波相控整流電路第一節(jié)單相半波相控整流電路幾個(gè)概念的解釋?zhuān)簬讉€(gè)概念的解釋?zhuān)?ud為脈動(dòng)直流，波形只在u2正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱(chēng)“半波半波”整流 采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，故該電路為單相半波單相半波相控相控整流電路 ud波形在一個(gè)電源周期中只脈動(dòng)1次，故該電路為單脈波單脈波整流電路幾個(gè)重

4、要的基本概念：幾個(gè)重要的基本概念： 觸發(fā)延遲角：觸發(fā)延遲角：從晶閘管開(kāi)始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用表示,也稱(chēng)觸發(fā)角或控制角觸發(fā)角或控制角 導(dǎo)通角導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度稱(chēng)為導(dǎo)導(dǎo)通角通角，用表示: = -TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)002cos145.0)cos1(22)(sin221222UUttdUUd直流輸出電壓平均值直流輸出電壓平均值 VT的 移相范圍為0-180這種通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱(chēng)為相位控制方式相位控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)相控方式相控方式TVTR0a)u1u2u

5、VTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00基本數(shù)量關(guān)系基本數(shù)量關(guān)系阻感負(fù)載的特點(diǎn)阻感負(fù)載的特點(diǎn)：電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不能發(fā)生突變電力電子電路的一種基本分電力電子電路的一種基本分析方法析方法通過(guò)器件的理想化，將電路簡(jiǎn)化為分段線(xiàn)性電路，分段進(jìn)行分析計(jì)算對(duì)單相半波電路的分析可基于上述方法進(jìn)行：當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí)，相當(dāng)于電路在VT處斷開(kāi)，id=0。當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，相當(dāng)于VT短路a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +帶阻感負(fù)載的單相半波電路及其波形2. 帶阻感負(fù)載的工作情況帶阻感負(fù)

6、載的工作情況tURitiLsin2dd2dd)sin(2)sin(22)(2dtZUeZUitLR22)( LRZRLarctan)sin()sin(tanea)b)VTRLVTRLu2u2單相半波可控整流電路的分段線(xiàn)性等效電路a)VT處于關(guān)斷狀態(tài)b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)（1-3）（1-2）（1-4）VT處于通態(tài)時(shí)：初始條件：t= ，id=0。求解式（1-2）并將初始條件代入可得其中當(dāng)t=+ 時(shí)，id=0，代入式（1-3）并整理得負(fù)載阻抗角負(fù)載阻抗角 、觸發(fā)角觸發(fā)角a、晶閘管導(dǎo)晶閘管導(dǎo)通角的關(guān)系通角的關(guān)系 若 為定值，a 越大，在u2正半周L儲(chǔ)能越少，維持導(dǎo)電的能力就越弱，越小 若a為定值， 越大

7、，則L貯能越多，越大；且 越大，在u2負(fù)半周L維持晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就越接近晶閘管在u2正半周導(dǎo)通的時(shí)間，ud中負(fù)的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，輸出的直流電流平均值也越小。)sin()sin(tane超越方程，用迭代法求解a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +當(dāng)u u2 2過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，u ud d為零。此時(shí)為負(fù)的u u2 2通過(guò)VDR向VT施加反壓使其關(guān)斷，L儲(chǔ)存的能量保證了電流i id d在L-R-VDR回路中流通，此過(guò)程通常稱(chēng)為續(xù)流續(xù)流。續(xù)流期間u ud d為0，u ud d中不再出現(xiàn)負(fù)的部分

8、a)LTVTRu1u2uVTudVDRidu2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRiVDR單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形為避免Ud太小，在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管續(xù)流二極管ddVDRII2ddVDRItdII2)(2122ddVT2IId2dVT2)(21ItdII若近似認(rèn)為id為一條水平線(xiàn)，恒為Id，則有 VTVDR數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系a)LTVTRu1u2uVTudVDRidu2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRiVDR2cos145.0)(sin22122Ut

9、tdUUd直流輸出電壓平均值直流輸出電壓平均值a)LTVTRu1u2uVTudVDRidu2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRiVDR簡(jiǎn)單，但輸出脈動(dòng)大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路分析該電路的主要目的在于利用其簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，建立起整流電路的基本概念單相半波可控整流電路的特點(diǎn)單相半波可控整流電路的特點(diǎn)第五節(jié)單相橋式全控整流電路第五節(jié)單相橋式全控整流電路）結(jié)構(gòu)和工作原理）結(jié)構(gòu)和工作原理VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在u u2 2正半周承受電壓u u2 2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u u2 2過(guò)零

10、時(shí)關(guān)斷VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在u u2 2正半周承受電壓- -u u2 2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u u2 2過(guò)零時(shí)關(guān)斷RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,4單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形1.1.帶電阻負(fù)載的工作情況帶電阻負(fù)載的工作情況2cos19 . 02cos122)(dsin21222UUttUUd2cos19 . 02cos12222ddRURURUI）數(shù)量關(guān)系）數(shù)量關(guān)系a 角的移相范圍為180。RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(

11、id)uVT1,42sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIII21VT2sin212)(d)sin2(21222RUttRUIVT不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量為S=U2I2。RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud( id)uVT1,42cos145.0212ddVTRUII）結(jié)構(gòu)和工作原理為便于討論，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線(xiàn) u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過(guò)電流id，并不關(guān)斷 至t=+ 時(shí)刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈

12、沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4單相全控橋帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形2. 帶阻感負(fù)載的工作情況帶阻感負(fù)載的工作情況cos9 . 0cos22)( dsin21222dUUttUUVT2和VT3導(dǎo)通后, u2通過(guò)VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過(guò)VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過(guò)程稱(chēng)換相，亦稱(chēng)換流換相，亦稱(chēng)換流）數(shù)量關(guān)系）數(shù)量關(guān)系晶閘管移相范圍為90。晶閘管承受的最大正反向

13、電壓均為晶閘管導(dǎo)通角與a無(wú)關(guān)，均為18022uTabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4ddT21IIddT707. 021III變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4RUIdd3.帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況在|u2|E時(shí)，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能導(dǎo)通之后，u

14、d=u2，直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud=E與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電，稱(chēng)為停止導(dǎo)電角。（1-16）在a 角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。a)b)REidudidOEudtIdOt單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形REuidd212sinUE如圖圖2-7b所示id波形在一周期內(nèi)有部分時(shí)間為0的情況，稱(chēng)為電電流斷續(xù)流斷續(xù)。與此對(duì)應(yīng)，若id波形不出現(xiàn)為0的點(diǎn)的情況，稱(chēng)為電流電流連續(xù)連續(xù)。當(dāng)時(shí)，觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。為了使晶閘管可靠導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng) t= 時(shí)刻晶閘管開(kāi)始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈

15、沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為 。 a)b)REidudidOEudtIdOt Oud0Eidtt =負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將機(jī)械特性將很軟很軟a)b)REidudidOEudtIdOt 為了克服此缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，用來(lái)減少電流的脈動(dòng)和延長(zhǎng)晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間這時(shí)整流電壓ud的波形和負(fù)載電流id的波形與電感負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的波形相同，ud的計(jì)算公式亦一樣為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出（1-17）1087.222dmin23dmin2HIUIUL 單相全波可控整流電路單相全波可控整流電路 a)b)u1TRu2u2i1VT

16、1VT2ududi1OOtt單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的兩者的區(qū)別兩者的區(qū)別 （1）單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，繞組及鐵芯對(duì)銅、鐵等材料的消耗多）單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，繞組及鐵芯對(duì)銅、鐵等材料的消耗多 （2）單相全波只用）單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，相應(yīng)地，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路個(gè)，相應(yīng)地，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路也少也少2個(gè)；但是晶閘管承受的最大電壓為個(gè)；但是晶閘管承受的最大電壓為 U2，是單相全控橋的是單相全控橋的2倍倍 （3）單相全波導(dǎo)電回路只含）單相全波導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，比單相橋少個(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，因而管壓降也少個(gè)

17、，因而管壓降也少1個(gè)個(gè)22單相全波可控整流電路及波形a)b)u1TRu2u2i1VT1VT2ududi1OOtta)b)u1TRu2u2i1VT1VT2ududi1OOtt=900-110-2-1012023/2/2UVT1ud單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路單相全控橋中，每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，為了對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需1個(gè)晶閘管就可以了，另1個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電路。如此即成為單相橋式半控單相橋式半控整流電路整流電路（先不考慮VDR）。TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtI

18、dIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4a)TabRLOb)u2i2udidVT1VT2VD3VD4VDRu2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIdIdttttttt iVT1iVD4iVT2iVD3iVDRa)TabRLOb)u2i2udidVT1VT2VD3VD4VDRu2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIdIdtttttttiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR單相半控橋帶單相半控橋帶阻感負(fù)載的情況阻感負(fù)載的情況a)TabRLOb)u2i2udidVT1VT2VD3VD4VDRu2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIdIdttttttt iVT1iVD4iVT2iVD3iVDR工作原理工作原理: 續(xù)流二極管的作用續(xù)流二極管的作用 若無(wú)續(xù)流二極管，則當(dāng)a 突然增大至180或觸發(fā)脈沖丟失時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期ud為零，其平均值保持恒定，稱(chēng)為