單相可控整流電路

1、1F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)槌霈F(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟?。直流電。整流電路的分類整流電路的分類：按組成的器件可分為按組成的器件可分為不可控、半控、全控不可控、半控、全控三種三種按電路結(jié)構(gòu)可分為按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路橋式電路和和零式電路零式電路按交流輸入相數(shù)分為按交流輸入相數(shù)分為單相電路單相電路和和多相電路多相電路按變壓器二次側(cè)電流的方向是按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向單向或或雙向雙向2單相半波可控整流電路及波形單相半波可控整流電路及波形變壓器變壓器T變換電壓變換電壓隔離隔離交流輸入為單相，直流輸出電壓波交流輸入為單相，直流輸出電壓波形只在交流輸入的

2、正半周內(nèi)出現(xiàn)，形只在交流輸入的正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱為單相半波可控整流電路。故稱為單相半波可控整流電路。特點(diǎn)：特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同電壓與電流成正比，兩者波形相同 wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00（Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)3兩個重要的基本概念兩個重要的基本概念觸發(fā)延遲角觸發(fā)延遲角 從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度觸發(fā)脈沖止的電角度, ,用用表示表示, ,也稱觸發(fā)角或控制角。也稱觸發(fā)角或控

3、制角。導(dǎo)通角導(dǎo)通角 晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度稱晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為，用為，用表示表示 。直流輸出電壓平均值為直流輸出電壓平均值為paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222UUttdUUd 輸出電壓、晶閘管承受電壓隨觸發(fā)角的變化而變化輸出電壓、晶閘管承受電壓隨觸發(fā)角的變化而變化，a a移相范圍為移相范圍為180180 這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為大小的方式稱為 相位控制方式（相控方式）相位控制方式（相控方式）4帶阻感負(fù)載單相半波可控帶阻感負(fù)載單相半波可控

4、整流電路及波形整流電路及波形阻感負(fù)載的特點(diǎn)阻感負(fù)載的特點(diǎn)l電感對電流變化有抗拒電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變。流不發(fā)生突變。l電力電子電路中存在非電力電子電路中存在非線性的電力電子器件，決線性的電力電子器件，決定了電力電子電路是定了電力電子電路是非線非線性性電路。電路。l若將器件看作若將器件看作理想開關(guān)理想開關(guān)，則可將電力電子電路簡化則可將電力電子電路簡化為為分段線性電路分段線性電路，分段進(jìn)，分段進(jìn)行分析計(jì)算。行分析計(jì)算。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +5VTRLu2VTRLu2單

5、相半波可控整流電路的分段線性等效電路單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a) VTa) VT處于關(guān)斷狀態(tài)處于關(guān)斷狀態(tài) b) VT處于導(dǎo)通狀態(tài)處于導(dǎo)通狀態(tài) )sin()sin(tanaqaqe初始條件：初始條件：t= a a ，id=0。求解式。求解式（2-22-2）并將初始條件代入可得）并將初始條件代入可得22)( LRZwRLwarctan其中其中 ，tURitiLwsin2dd2dd（2-2）)sin(2)sin(22)(2waawwtZUeZUitLRd當(dāng)當(dāng)VTVT處于通態(tài)時，如下方程成立處于通態(tài)時，如下方程成立：當(dāng)當(dāng)t =+ a 時，時，id = 0，代入式（，代入式（2-3）并整理

6、得并整理得（2-3）（2-4）由此公式計(jì)算出導(dǎo)通角。由此公式計(jì)算出導(dǎo)通角。6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)通角、晶閘管導(dǎo)通角的關(guān)系的關(guān)系l若若 為定值，為定值，a越大，在越大，在u2正半周正半周L儲能越少，維持儲能越少，維持導(dǎo)電的能力就越弱導(dǎo)電的能力就越弱，越小越小l若若a為定值，為定值， 越大，則越大，則L貯能越貯能越多，多，越大；且越大；且越大，在越大，在u2負(fù)半周負(fù)半周L維持晶閘管導(dǎo)通的時間就越接維持晶閘管導(dǎo)通的時間就越接近晶閘管在近晶閘管在u2正半周導(dǎo)通的時間，正半周導(dǎo)通的時間，ud中負(fù)的部分中負(fù)的部分越接近正的部分，平均值越接近正的部分，平均值Ud越接近零，輸出

7、的直越接近零，輸出的直流電流平均值也越小。流電流平均值也越小。l由于電感的存在導(dǎo)致輸出直流電壓減小。由于電感的存在導(dǎo)致輸出直流電壓減小。7單相半波帶阻感負(fù)載單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形有續(xù)流二極管的電路及波形 u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa) 為避免為避免Ud太小，在整流電路太小，在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管的負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管 當(dāng)當(dāng)u2過零變負(fù)時，過零變負(fù)時，VDR導(dǎo)導(dǎo)通，通，ud為零。此時為負(fù)的為零。此時為負(fù)的u2通過通過VDR向向VT施加反壓使其施加反壓使其關(guān)斷，關(guān)斷，L儲存

8、的能量保證了儲存的能量保證了電流電流id在在L-R-VDR回路中流回路中流通，此過程通常稱為通，此過程通常稱為續(xù)流續(xù)流。續(xù)流期間續(xù)流期間ud為零，為零，ud中不再中不再出現(xiàn)負(fù)的部分。出現(xiàn)負(fù)的部分。8ddVT2IIpapddVTItdIIpapwppa2)(212ddVDIIRpap2若近似認(rèn)為若近似認(rèn)為id為一條水平線，恒為為一條水平線，恒為Id，則有，則有（2-5）d22dVD2)(21RItdIIpapwpapp（2-6）（2-7）（2-8）VT的的移相范圍為移相范圍為0180 9VTVT的的移相范圍為移相范圍為180180 。簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中簡單，但輸出脈動大，變壓

9、器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化直流磁化。實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。分析該電路的主要目的建立起整流電路的基分析該電路的主要目的建立起整流電路的基本概念。本概念。 10單相半波相控觸發(fā)電阻型負(fù)載仿真電路圖單相半波相控觸發(fā)電阻型負(fù)載仿真電路圖11單相半波相控觸發(fā)電阻型負(fù)載仿真結(jié)果單相半波相控觸發(fā)電阻型負(fù)載仿真結(jié)果12 u VT1和和VT4組成一對橋臂，在組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷。過零時關(guān)斷。u VT2和和VT3組成另一對橋臂，在組成另一對橋臂，在

10、u2正半周承受電壓正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷。過零時關(guān)斷。a)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4單相全控橋式單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形帶電阻負(fù)載時的電路及波形（Single Phase Bridge Controlled Rectifier)13paaapwwp2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU2cos19 . 02cos12222ddaapRURURUI2cos145.0212ddVTaRUII（2-10）（2-11）角的移相范圍為角的移相范圍為1

11、80180 負(fù)載輸出的平均電流值為：負(fù)載輸出的平均電流值為：流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即的一半，即（2-9）14papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（2-12）papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（2-13）II21VT（2-14）變壓器二次測電流有效值變壓器二次測電流有效值I I2 2與輸出直流電流與輸出直流電流I I有效值相等有效值相等：不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量S=U2I2由式（由式（2-122

12、-12）和式（）和式（2-132-13）15單相全控橋帶單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形阻感負(fù)載時的電路及波形 假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水連續(xù)且波形近似為一水平線。平線。 u2過零變負(fù)時，由于電感的作用過零變負(fù)時，由于電感的作用晶閘管晶閘管VT1和和VT4中仍流過電流中仍流過電流id，并不關(guān)斷。并不關(guān)斷。 至至t =+時刻，給時刻，給VT2和和VT3加觸發(fā)脈沖，因加觸發(fā)脈沖，因VT2和和VT3本已承本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。受正電壓，故兩管導(dǎo)通。 VT2和和VT3導(dǎo)

13、通后，導(dǎo)通后，u2通過通過VT2和和VT3分別向分別向VT1和和VT4施加反壓施加反壓使使VT1和和VT4關(guān)斷，流過關(guān)斷，流過VT1和和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和和VT3上，此過程稱上，此過程稱換相換相，亦稱，亦稱換流換流。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,416apaaapwwpcos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUUddT21IIddT707. 021III 晶閘管移相范圍為晶閘管移相范圍為090 晶閘管承受的最大正反向電壓均為晶閘管承受的最大正反向電壓均為 晶閘管導(dǎo)通

14、角晶閘管導(dǎo)通角與與無關(guān)，均為無關(guān)，均為180 ，平均值和有效，平均值和有效值分別為：值分別為： 變壓器二次側(cè)電流變壓器二次側(cè)電流 i i2 2 的波形為正負(fù)各的波形為正負(fù)各180180 的矩形波，的矩形波，其相位由其相位由角決定，角決定，愈大，功率因數(shù)越低有效值愈大，功率因數(shù)越低有效值I I2 2 = = I Id d 。22U17REuidd22arcsinUE單相橋式全控整流電路接單相橋式全控整流電路接RE負(fù)載時的電路及波形負(fù)載時的電路及波形 | |u u2 2| | E E 時，晶閘管承受正電壓，時，晶閘管承受正電壓，才有導(dǎo)通的可能。導(dǎo)通之后才有導(dǎo)通的可能。導(dǎo)通之后 ud=u2 ， 直至

15、直至 | |u u2 2| = | = E E，i id d 即降至即降至 0 0 使得晶使得晶閘管關(guān)斷，此后閘管關(guān)斷，此后 u ud d = = E E與電阻負(fù)載時相比，晶閘管提前了與電阻負(fù)載時相比，晶閘管提前了電角度電角度 停止導(dǎo)電，停止導(dǎo)電， 稱為稱為停止導(dǎo)停止導(dǎo)電角電角（2-16）在在 a a 角相同時，角相同時，整流輸出電壓比整流輸出電壓比電阻負(fù)載時大。電阻負(fù)載時大。電流續(xù)斷電流續(xù)斷 i id d 波形在一周期內(nèi)有波形在一周期內(nèi)有 部分時間為部分時間為 0 0 的情況的情況電流連續(xù)電流連續(xù) i id d 波形在一周期內(nèi)不波形在一周期內(nèi)不 出現(xiàn)為出現(xiàn)為 0 0 的情況的情況 當(dāng)當(dāng) a

16、a 時時，觸發(fā)脈沖到來時，晶，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受閘管承受負(fù)負(fù)電壓，不能導(dǎo)通。電壓，不能導(dǎo)通。為使晶閘管可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖需足為使晶閘管可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖需足夠的寬度，夠的寬度，保證當(dāng)保證當(dāng) tt = = 時時，晶閘管承受，晶閘管承受正正電電壓，觸發(fā)脈沖仍然存在，相當(dāng)于觸發(fā)壓，觸發(fā)脈沖仍然存在，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為角被推遲為，即即 a a = b)idOEudwtIdOwtaq18 負(fù)載為直流電動機(jī)時，負(fù)載為直流電動機(jī)時，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動機(jī)如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動機(jī)的機(jī)械特性將很軟的機(jī)械特性將很軟 。 為了克服此缺點(diǎn)，一般為了克服此缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)在主電路中直流輸出

17、側(cè)串聯(lián)一個平波電抗器，用來減少一個平波電抗器，用來減少電流的脈動和延長晶閘管導(dǎo)電流的脈動和延長晶閘管導(dǎo)通的時間。通的時間。 這時整流電壓這時整流電壓u ud d的波形的波形和負(fù)載電流和負(fù)載電流i id d的波形與電感的波形與電感負(fù)載電流連續(xù)時的波形相同，負(fù)載電流連續(xù)時的波形相同，u ud d的計(jì)算公式亦一樣。的計(jì)算公式亦一樣。 為保證電流連續(xù)所需的為保證電流連續(xù)所需的電感量電感量L L可由下式求出可由下式求出dmin23dmin21087.222IUIULpw（2-17）單相橋式全控整流電路帶反電動勢負(fù)載單相橋式全控整流電路帶反電動勢負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況串平波電抗器，電流連續(xù)的

18、臨界情況twwOud0Eidtpaq = p19例：單相橋式全控整流電路，例：單相橋式全控整流電路，U2=100V，負(fù)載中，負(fù)載中R=2，L值極大，反電勢值極大，反電勢E=60V，當(dāng)，當(dāng)a a=30 時，要求：時，要求： 作出作出ud、id和和i2的波形；的波形； 求整流輸出平均電壓求整流輸出平均電壓Ud、電流、電流Id，變壓器二次側(cè)電流有，變壓器二次側(cè)電流有效值效值I2； 考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流?？紤]安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。解：解：ud、id和和i2的波形如圖的波形如圖 u2OwtOwtOwtudidi2OwtIdIdIdppaa ud、id和和i2的

19、波形圖的波形圖20 整流輸出平均電壓整流輸出平均電壓Ud、電流、電流Id，變壓器二次側(cè)電，變壓器二次側(cè)電流有效值流有效值I2分別為分別為 Ud0.9 U2 cosa a0.9100cos3077.97(A) Id (UdE)/R(77.9760)/29(A) I2Id9(A) 晶閘管承受的最大反向電壓為：晶閘管承受的最大反向電壓為： U2100 141.4（V） 流過每個晶閘管的電流的有效值為：流過每個晶閘管的電流的有效值為： IVTId 6.36（A） 故晶閘管的額定電壓為：故晶閘管的額定電壓為： UN(23)141.4283424（V） 晶閘管的額定電流為：晶閘管的額定電流為： IN(1.

20、52)6.361.5768（A） 晶閘管額定電壓和電流的具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)晶閘管額定電壓和電流的具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。品系列參數(shù)選取。22221單相全波可控整流電路及波形單相全波可控整流電路及波形u 單相全波單相全波可控整流可控整流電路又稱電路又稱單相雙半波單相雙半波可控整流電路。可控整流電路。u 單相全波與單相全單相全波與單相全控橋從直流輸出端或控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是從交流輸入端看均是基本一致的?；疽恢碌摹 變壓器不存在直流變壓器不存在直流磁化的問題。磁化的問題。 （Single Phase Full Wave Controlled Rectifier)wt

21、waudi1OOt22單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，繞組及鐵芯對銅、鐵單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，繞組及鐵芯對銅、鐵等等材料的消耗多材料的消耗多。單相全波只用單相全波只用2 2個晶閘管，比單相全控橋少個晶閘管，比單相全控橋少2 2個，相應(yīng)個，相應(yīng)地，門極驅(qū)動電路也少地，門極驅(qū)動電路也少2 2個；但是晶閘管承受的最大個；但是晶閘管承受的最大電壓為電壓為 ，是單相全控橋的，是單相全控橋的2 2倍。倍。單相全波導(dǎo)電回路只含單相全波導(dǎo)電回路只含1 1個晶閘管，比單相橋少個晶閘管，比單相橋少1 1個，個，因而管壓降也少因而管壓降也少1 1個。個。從上述考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場從上述考慮，單

22、相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。合應(yīng)用。222U23單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時的電路及波形管，阻感負(fù)載時的電路及波形 假設(shè)假設(shè)負(fù)載中電感負(fù)載中電感很大，且電很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài)。路已工作于穩(wěn)態(tài)。O2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtapapaiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR電路分析（先不考慮電路分析（先不考慮VDRVDR ） 每一個每一個導(dǎo)電回路導(dǎo)電回路由由1 1個晶閘個晶閘管管和和1 1個二極管個二極管構(gòu)成。構(gòu)成。 在在u u2 2正半周，正半周，a a處觸發(fā)處觸發(fā)VTVT1 1

23、，u u2 2經(jīng)經(jīng)VTVT1 1和和VDVD4 4向負(fù)載供電。向負(fù)載供電。 u u2 2過零變負(fù)時，因電感作過零變負(fù)時，因電感作用使電流連續(xù)，用使電流連續(xù)，VTVT1 1繼續(xù)導(dǎo)通，繼續(xù)導(dǎo)通，但因但因a a點(diǎn)電位低于點(diǎn)電位低于b b點(diǎn)電位，電流點(diǎn)電位，電流是由是由VTVT1 1和和VDVD2 2續(xù)流續(xù)流 ，u ud d=0=0。24單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時的電路及波形管，阻感負(fù)載時的電路及波形O2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtapapaiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR 在在u u2 2負(fù)半周，負(fù)半周，a a處觸發(fā)處觸發(fā)觸發(fā)觸發(fā)VTVT3 3，向，向VTVT1 1加反壓使之關(guān)加反壓使之關(guān)斷，斷，u u2 2經(jīng)經(jīng)VTVT3 3和和VDVD2 2向負(fù)載供電。向負(fù)載供電。 u