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整流电路 整流电路的分类 按组成的器件可分为不可控 半控 全控三种 按电路形式可分为半波 全波和桥式 按交流输入相数分为单相电路和多相电路 4 1 1单相半波不可控整流电路 1 电阻负载 电路图 工作原理 输出波形 电压 电流 数量关系 输出电压和电流的平均值和有效值 则整流输出电压平均值为 输出电流平均值为 由有效值定义 输出电压和电流有效值为 2 R L负载 电路图 输出波形 电压 电流 二极管延迟导通的原因 二极管延迟导通的原因交流电源Us的负半周期中 可将Us看成一个上负下正的直流电源 同时电感L为了阻止回路中电流i的减小 会产生一个感应电势VL 其方向为上负下正 此时加在VD两端的电压为VL Us 在Us刚刚过零变负的一小段时间内Us的绝对值较小 则VD主要承受VL提供的正向电压 所以VD继续导通 随着Us的慢慢变大 当Us的绝对值大于VL时VD就会承受方向电压而关断 3 R C负载 略 4 1 2单相半波可控整流电路 1 电阻负载 电路图 工作原理 在电源正半周 晶闸管承受正向阳极电压 处于正向阻断状态 假定时刻发出触发脉冲 则晶闸管从正向阻断状态进入导通状态 晶闸管一旦被触发 门极失去控制作用 故触发信号只需一个脉冲电压即可 输出波形 数量关系 定义 从晶闸管本身承受正向电压起到加上触发脉冲这一角度称为控制角 触发角 在阻性负载条件下 晶闸管导通角度为导通角 显然有 当触发角为 时 整流输出电压平均值为 上式说明Vo与 关系是非线性的 从0到 则输出电压平均值从最大值变到零 这意味着改变控制角就可以改变输出电压的平均值 达到可控整流的目的 不控整流是 0时的可控整流电路的一种特殊情况 由有效值定义 整流输出电压 电流的有效值为 整流输出电流有效值与其平均值之比为波形系数 例1 某一电热负载 要求直流电压60V 电流30A 采用单相半波可控整流电路 直接由220V电网供电 计算晶闸管的导通角及电流有效值 2 感性负载与续流二极管 电路图 工作原理 在 t 时刻触发晶闸管 电压被加到感性负载上 由于电感存在 负载电流不能突变 所以电流从0开始上升 达到最大值后 然后开始下降 由于电感的感应电势影响 尽管电源电压已反向 但晶闸管仍然为正偏 继续导通 所以在电源负半周的一段时间里 负载电流仍继续流动 直到感应电动势与电源电压瞬时值相等为止 此时回路电压为零 负载电流下降到零 输出波形 使用续流二极管的原因 原因 在单相半波可控整流电路中 由于电感存在 整流输出平均电压变小 特别是在大电感负载下 输出电压接近于零 且负载电流不连续 为解决这个问题 只要在负载两端并接一个续流二极管即可 续流二极管的工作原理 在电源电压的正半周期 二极管截止 其工作情况与不接续流二极管时的情况相同当u2过零变负时 VDR导通 ud为零 VT承受反压关断 L储存的能量保证了电流id在L R VDR回路中流通 此过程通常称为续流 使用续流二极管后的输出波形 特点 感性负载加上续流二极管后其输出平均电压Ud的波形与阻性负载相同 由于负载电感较大 可把负载上的输出电流Id近似的看成一个常数 晶闸管与二极管的平均电流分别是 晶闸管与二极管的有效电流分别是 4 2 1单相桥式 单相全桥 不可控整流电路 1 电阻负载 电路图 工作原理 工作原理单相全桥整流电路中 整流二极管分两组轮流导通 对角二极管同时导通 同时截止 带中心抽头的全波整流电路中 两个二极管轮流导通 数量关系输出直流电压平均值 单相全桥与单相全波 带抽头 的区别 2 R L负载 电路图 输出电压波形 输出电压波形是否有反向 二极管是否存在延迟导通的情况 4 2 2单相桥式可控整流电路 1 电阻负载 电路图 工作原理 工作原理与单相桥式不可控类似 只是 在VT1和VT4导通时 VT2和VT3承受反向电压而截止 VT2和VT3导通时 VT1和VT4承受反向电压而截止 两组触发两组触发脉冲相位相差180o 单相桥式可控整流电路的输出波形 阻性 数量关系 由于属于全波整流 因此其输出平均电压为半波整流的两倍 当 0时 相当于不控桥式整流 当 时 输出电压为零 故晶闸管可控移相范围为0到 负载电流平均值为 1 R L负载 电路图 输出波形与工作原理 假设负载电感很大 负载电流id连续且波形近似为一水平线 u2过零变负时 晶闸管VT1和VT4并不关断 至 t a时刻 晶闸管VT2和VT3得到控制脉冲 VT2和VT3两管导通 VT2和VT3导通后 VT1和VT4承受反压关断 流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上 此过程称换相 亦称换流 数量关系 电流连续时 输出电压平均值为 输出电压有效值为 带反电动势负载时的工作情况 在 u2 E时 才有晶闸管承受正电压 有导通的可能 导通之后 ud u2 直至 u2 E id即降至0使得晶闸管关断 此后ud E 电流连续 电流断续 负载为直流电动机时 如果出现电流断续 则电动机的机械特性将很软 为了克服此缺点 一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器 如果 触发脉冲到来时 晶闸管因承受反向电压而不能被触发导通 例2 单相桥式全控整流电路 U2 100V 负载中R 20 L值极大 当 6时 要求 作出输出平均电压Ud 平均电流Id和变压器二次电流I2的波形 求整流输出平均电压 电流 变压器二次电流有效值 解 波形如图 2 求整流输出平均电压 电流 变压器二次电流有效值 单相全波可控整流电路 单相全波可控整流电路及波形 例3 整流电路如下图所示 由一只晶闸管与一只整流二极管组成 已知U2 220V 45 求 画出 45 时Ud 的波形 输出直流电压Ud 解 其中 Ud1为VT导通时的平均电压值 Ud2为VD导通时的平均电压值 单相全波与单相全控桥的区别 单相全波中变压器结构较复杂 材料的消耗多 单相全波只用2个晶闸管 比单相全控桥少2个 相应地 门极驱动电路也少2个 但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍 单相全波导电回路只含1个晶闸管 比单相桥少1个 因而管压降也少1个 单相桥式半控整流电路 电路结构单相全控桥中 每个导电回路中有2个晶闸管 1个晶闸管可以用二极管代替 从而简化整个电路 单相桥式半控整流电路的另一种接法 相当于把左图中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4 这样可以省去续流二极管VDR 续流由VD3和VD4来实现 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形 单相桥式半控整流电路的另一接法 电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同 例4 单相桥式半控整流电路 电阻性负载 画出二极管VD2 VD4在一周内承受的电压波形 分析 注意到二极管的特点 承受电压为正即导通 因此 二极管承受的电压不会出现正的部分 单相半控桥带阻感负载的情况 在u2正半周 u2经VT1和VD4向负载供电 u2过零变负时 因电感作用电流不再流经变压器二次绕组 而是由VT1和VD3续流 在u2负半周触发角a时刻触发VT2 VT2导通 u2经VT2和VD3向负载供电 u2过零变正时 VD4导通 VD3关断 VT2和VD4续流 ud又为零 失控现象及解决办法 当a突然增大至180 或触发脉冲丢失时 会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况 这使ud成为正弦半波 其平均值保持恒定 称为失控 为避免这种情况的发生 可在负载侧并联一个续流二极管 感应电势经续流二极管续流 而不再经过VT1和VD3 这样就可以使VT1恢复阻断能力 单相半控桥带阻感负载的波形 单相半控桥带阻感负载的数量关系 输出平均电流Ud V0 为 输出平均电流Id为 晶闸管和续流二极管的平均电流分别为 晶闸管和续流二极管的有效电流分别为 例5 某一电感负载要求直流电压范围是15 60V 电压最高时电流是10A 采用具有续流二极管的单相桥式半控电路 从220V电源经变压器供电 考虑最小控制角 min 25 计算电源有效值U2 负载电压为60V和15V时晶闸管 续流二极管的电流有效值 解 25 时 Ud 60V 当Ud 15V时 cos 121 电路特点 4 3 2三相半波可控整流电路 变压器二次侧接成星形得到零线 而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网 三个晶闸管分别接入a b c三相电源 其阴极连接在一起 共阴极接法 电阻负载工作原理 相电压波形如右图所示 在 t1 t2期间 a相电压比b和c相都高 如果在 t1时刻触发晶闸管VT1使其导通 此时负载上得到a相相压 在 t2 t3期间 b相电压最高 在 t2时刻触发晶闸管VT2导通 此时VT1因承受反向电压而关断 负载上得到b相电压 在 t3时刻触发晶闸管VT3导通 负载上得到c相电压 电阻负载工作原理 导通规律 三相电压中哪相最高就触发与之相连的晶闸管导通 思考一 把三个晶闸管换成二极管 导通情况如何 思考二 把三个二极管采用共阳接法 导通情况又如何 电阻负载工作原理 自然换相点 把晶闸管换成不可控的整流二极管 相电压的交点就是二极管的自然换相点 自然换相点为导通角起点 在三相电路中 通常规定 t 6为触发角 的起算点 即该处 0 各相触发脉冲依次间隔 3 在一个周期内 三相电源轮流向负载供电 负载电流是连续的 电阻负载数量关系 6 观察右图可发现 6是负载电流连续和断续的临界点 6时负载平均电压Ud如何计算 先计算一个周期之内一相电压的输出平均值 而负载总的平均电压就是这个值的3倍 所以Ud为 电阻负载数量关系 6 观察右图可发现 3时 a相电压减至零时VT1关断 而此时下一个触发脉冲还未到来 故负载上的电压输出波形断续 Ud为 电阻负载数量关系 6 若触发角 继续增大 Ud将随之减小 当 5 6时晶闸管获得触发脉冲时 承受的相电压已为负值 不可能导通 Ud为零 阻感负载波形 三相半波可控整流电路 阻感负载时的电路及a 60 时的波形 特点 阻感负载 L值很大 id波形基本平直 a 30 时 整流电压波形与电阻负载时相同 30 时u2过零时 VT1不关断 直到VT2的脉冲到来 才换流 ud波形中出现负的部分 若 增大 波形中负的部分将增多 直到 2时 Ud波形中正负面积相等 Ud 0 u d i a u a u b u c i b i c i d u ac O w t O w t O O w t O O w t a w t w t 阻感负载带续流二极管 三相半波可控整流电路 阻感负载时的电路及a 60 时的波形 为了避免整流输出电压波形出现负值 可在大电感负载两端并联续流二极管 以提高输出平均电压值 改善负载电流的平稳性 u d i a u a u b u c i b i c i d u ac O w t O w t O O w t O O w t a w t w t 数量关系 与阻性一样 6时 6时 晶闸管的平均电流Ivt 例6 三相半波可控整流电路 U2 100V 带电阻电感负载 R 5 L值极大 当 3时 要求 画出Ud Id和Ivt1的波形 计算Ud Id和Idvt 例7 三相半波可控整流电路 负载电感极大 电阻R 2 U2 220V 当 3 求出不接续流二极管和接续流二极管两种电路结构下的负载平均电压Ud 平均电流Id和流过晶闸管的平均电流Ivt 不接续流二极管时 接续流二极管时 4 3 2三相桥式全控整流电路 共阴极组 阴极连接在一起的3个晶闸管 VT1 VT3 VT5 共阳极组 阳极连接在一起的3个晶闸管 VT4 VT6 VT2 电路结构 三相桥式可控整流电路带电阻负载a 0 时的波形 整流原理 整流原理 分段分析 a 0 时的波形如图所示 把一个周期分为六等份 每份60度 I阶段 a相电位电压最高 b相电位最低 电流流向 a VT1 负载 VT6 b 此时负载R上的电压是多大呢 整流原理 等效分析 由于此时电流从a点 VT1 负载 VT6 b点 其中a点电位为正 b点为负 也就是说负载上端电位为正 下端为负 找到负载中电势为零的点O 将负载一分为二 同时由于三相电源的中点O 也是零电位 故将O与O 用辅助线连接起来 这样就得到了下面的等效电路图 整流原理 等效分析 依据等效电路可以将电流流向做如下分解 a点 VT1 负载 VT6 b点 a点 VT1 R1 O O 点 O 点 O R2 VT6 b点 此时R1上的电压Upo为a相的相电压Ua R2上的电压Uoq为b相的相电压 且是负的即Uoq Ub 所以整个负载上的电压Upq Upo Uoq Ua Ub Ua Ub Uab 此处Uab为线电压 这样就可以把三相桥式全控看成两个三相半波的叠加 上面的是共阴的三相半波 下面一个是共阳的三相半波 相电压与线电压 整流原理 分段分析 阶段 这时 a相电位仍然最高 VT1继续导通 但c相电位最低 经自然换相点后触发c相VT2 电流从b相换到c相 VT6承受反向关断 负载上的电压为线电压Uac 整流原理 分段分析 第 阶段 这是b相电位最高 VT3导通 电流从a相换到b相 VT2继续导通 负载上电压为Ubc第 阶段 b相仍然最高 a相最低VT3 VT4导通 负载电压为Uba 整流原理 分段分析 同理 第 段 VT4 VT5导通 从c a两相工作 负载电压Uca 在第 段 VT5 VT6导通 c b两相工作 负载电压Ucb 晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示 1 2管同时通形成供电回路 其中共阴极组和共阳极组各1 且不能为同1相器件 2 对触发脉冲的要求 按VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6的顺序 相位依次差60 共阴极组VT1 VT3 VT5的脉冲依次差120 共阳极组VT4 VT6 VT2也依次差120 同一相的上下两个桥臂 即VT1与VT4 VT3与VT6 VT5与VT2 脉冲相差180 3 ud一周期脉动6次 每次脉动的波形都一样 故该电路为6脉波整流电路 4 需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法 一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发 常用 5 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同 晶闸管承受最大正 反向电压的关系也相同 三相桥式可控控整流电路带电阻负载a 30 时的波形 三相桥式可控整流电路带电阻负载a 60 时的波形 三相桥式全控整流电路带电阻负载a 90 时的波形 带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120 a 60 时ud波形连续 工作情况与带电阻负载时十分相似 各晶闸管的通断情况输出整流电压ud波形晶闸管承受的电压波形 阻感负载时的工作情况 主要包括 a 60 时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同 电阻负载时 ud波形不会出现负的部分 阻感负载时 ud波形会出现负的部分 带阻感负载时 三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90 区别在于 得到的负载电流id波形不同 当电感足够大的时候 id的波形可近似为一条水平线 定量分析 当整流输出电压连续时 即带阻感负载时 或带电阻负载a 60 时 的平均值为 带电阻负载且a 60 时 整流电压平均值为 输出电流平均值为 Id Ud R 接反电势阻感负载时 在负载电流连续的情况下 电路工作情况与电感性负载时相似 电路中各处电压 电流波形均相同 仅在计算Id时有所不同 接反电势阻感负载时的Id为 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值 例8 三相桥式全控 直流电机负载 E 200vRd 1 U2 220v 30度 当1 电源漏感Lb 02 Lb 1mH时 分别求Ud Id 例9 三相半波可控整流 大电感负载 Id 10A不变 U2 100V 10度 换相重叠角 60度 求 整流输出电压Ud 变压器漏感对整流电路的影响 换相重叠现象 现以三相半波为例 然后将其结论推广 问题的提出 在分析电感性负载的可控整流电路过程时都假设晶闸管的换相是瞬时完成的 即认为欲停止导通的晶闸管其电流从突然下降到零 而刚开始导通的晶闸管电流从零瞬时上升到 众所周知变压器都有漏感 该漏感与线路上的杂散电感可用一个集中参数Lb表示 且其值是折算到变压器二次侧的 由于电感要阻止电流的变化 电感电流不能突变 因此电流换相必然要经过一段时间 不能瞬时完成 VT1导通 换相开始前 VT2 VT3不通 开始换相时 此时触发VT2 因为每一相中都有电感 所以VT1管中的电流不能突然消失 VT2管中的电流也不能突然增加到Id 而需要一个逐渐变化的过程 也就是说 VT1管中的电流不能瞬间的转移到VT2管中去 而需要一个换相过程 在换相过程中VT1管的电流逐渐变小 VT2管中的电流逐渐上升 即存在一个很短的两个晶闸管同时导通的重叠期间 这就是通常所说的换相重叠现象 换相重叠现象 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形 换相重叠现象的危害及解决办法 变压器的漏抗与交流进线电抗器的作用一样 能够限制其短路电流 使电流变化比较缓和 但是 在漏抗引起的换相重叠期间 相间短