第二章 单相可控整流电路.ppt

1,学习要求：1.了解整流的概念；2.掌握负载对整流电路的影响；3.能够根据电路形式和负载形式分析整流电压和电流的波形，并进一步能够计算相应的电压和电流。,第二章单相可控整流电路,2,本章学习重点1.单相半波及桥式整流电路的结构。2.负载为电阻、阻感、电感足够大等情形下的工作原理和波形分析；3.各种情形下对平均电压，平均电流，有效电流，功率因数等参数的计算。,3,最简单的整流电路。利用晶闸管的单向导电特性，在交流电源的作用下，周期性导通和截止，实现变换，将交流转换成脉动直流。,第一节单相半波可控整流电路,一、电阻性负载,电阻性质的负载，如电阻加热炉、电解、电镀。特点：不论流过负载的电流变化与否，负载两端的电压和通过它的电流总是成正比关系，且两者波形相同。,4,1.电路结构,设u1为正弦波。U1,U2:有效值u1,u2:瞬时值Ud:直流输出电压平均值。,可控整流：u20时:未加触发电压uG，晶闸管不导通；u20时:加上触发电压uG，晶闸管导通。且ud的大小随uG加入的早晚而变化；u20时，晶闸管不通，ud=0。故称可控整流。,注意各元件符号的标定,5,2.工作原理,若在t=处触发晶闸管，1.分析工作原理？2.画出ud，id，uT的波形？,6,在t=处触发晶闸管，VT开始导通；负载上电压ud=u2。在t=时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流id=0。,1)在u2正半周，晶闸管VT承受正向电压：,若门极无触发脉冲，VT不能导通。,VT一旦导通，门极失去控制作用。,VT处于关断状态，负载电流id=0，负载上电压ud=0，直到电源电压u2的下一周期。,2)在u2负半周，晶闸管VT承受反向电压：,直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。,7,通过改变触发角的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化。显然=180时，ud=0。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。,8,（1）控制角与导通角控制角：也称触发延迟角或触发角，是指晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度。导通角：指晶闸管在一周期内导通的电角度。,（2）移相与移相范围移相：是指改变触发脉冲uG出现的时刻，即改变控制角的大小。移相范围：是指触发脉冲uG的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是0180。,几个名词,对于单相半波整流电阻性负载：,9,输出平均电压：,输出电压有效值：,2.基本数量关系,1）整流输出平均电压Ud与输出电压有效值U,改变a可改变Ud1.a=?时Ud最大？Udmax=？2.a的范围？,10,输出平均电流:,输出电流有效值:,2）整流输出平均电流Id与整流输出电流有效值I,3)晶闸管承受的最大正反向电压：,思考：当.a=0时Id=？,Um是相电压峰值:,11,4）功率因数（PowerFactor）,每种电机系统均消耗两大功率：真正的有用功及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数，是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。,12,在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号cos表示。在数值上，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S变压器二次侧视在功率U输出电压有效值U2变压器二次侧输出电压有效值I,I2输出电流有效值,13,相控整流电路的缺点：相控的方法只能是滞后触发，即使是电阻性负载，对交流电源来说，变压器二次电流i2总要滞后于电压u2，相当于一个感性负载吸取滞后的无功电流。显然角越大，i2滞后于u2的角度就越大，其功率因数就越低。控制角对功率因数的影响，会对电网造成二次污染。a=0时，PF最大，为0.707。,14,例2-1单相半波相控整流电路，电阻性负载，Rd=5，由220V交流电源直接供电，要求输出平均直流电压50V，求晶闸管的控制角、导通角、电源容量及功率因数，并选用晶闸管。,15,=89,可选用晶闸管的型号为KP30-9。,答案,16,1.电路结构阻感性负载的等效电路可用电感和电阻的串联电路来表示。,二、电感性负载与续流二极管,实践中经常碰到负载中既有电阻又有电感，当负载的感抗与电阻的数值相比不可忽略时称为电感性负载，例如各种电机的励磁绕组。,电感性负载,注意符号的标定，尤其负载输出电压ud,17,电感的基本特性,电感的特性：“阻交通直”。板卡中，电感多被用在储能、滤波、延迟和振荡等方面。,电感的存在是无功功率存在的原因，致使功率因数下降。,18,2.工作原理,若在t=处触发晶闸管，1.分析工作原理？(ud，id，uT)提示：1）u20时：t=0-期间？在t=时刻？在t=t1-t2期间？在t=t2-期间？2）在t=时：3）u20时：在t=-t4期间？在t=t4时刻？2.画出ud，id，uT的波形？,19,2.工作原理,1）u20时：在t=0-期间：VT正向关断，ud=0，id=0，uT=u2。,在t=时刻：VT触发导通，电源电压u2加到负载侧，ud=u2。由于电感的存在，输出电流id只能从零按指数规律逐渐上升，uT=0。,在t=t1-t2期间：VT继续导通，ud=u2，id从零增至最大值。在id的增长过程中，电感产生的感应电势力图限制电流增大，电源提供的能量分别供给负载电阻和电感的储能。uT=0。,在t=t2-期间：VT继续导通，ud=u2，负载电流从最大值开始下降，电感释放能量，uT=0。,20,2）在t=时：交流电压u2过零，由于感应电势的存在，uAK仍大于零，VT继续导通，ud=u2，id继续下降，uT=0.电感的储能释放变成电阻的热能和电能送回电网。3)u20时：在t=-t4期间：由于VT继续导通，ud=u2，id继续下降，uT=0。直到电感储能全部释放完毕。在t=t4时刻：电感储能全部释放完毕，VT在u2反压作用下截止。直到下一个周期的正半周，即t=2+时再次被触发导通，如此循环不已。,21,由于电感的存在，电流波形不能突变，感应电势的作用延迟了晶闸管关断时间，使ud出现负值，输出直流平均电压下降。使得：,22,3.数量关系,从Ud的波形可以看出：电感L的存在使U2由正到负过零点也不会关断，ud出现负波形，Ud和Id减小；若L时，id也很小，ud正负面积趋于相等，Ud趋于零。所以实际的大电感电路中，常在负载两端并联一个续流二极管。,直流输出电压平均值Ud为,影响导通角的因素：1.控制角：a越小，越大；2.与L，R有关；3.与阻抗角有关。(5章),23,电感性负载加续流二极管,1.电路结构电感性负载加续流二极管的电路如图所示。,24,2）u20时：电感L的感应电势使续流二极管VD导通续流，负载两端的输出电压为VD的管压降。若忽略VD的正向压降，则ud=0；由于此时电压u20，u2通过VD使VT承受反压而关断，uT=u2；若电感足够大，VD一直导通到下一周期VT导通，使id连续，且id波形近似为一条直线。,2.工作原理,1）u20时：VT的uAK0。在t=处触发VT使其导通，形成id，ud=u2，此间续流二极管VD承受反向阳极电压而关断。（此区间各个参数波形与大电感时相同）,25,以上分析可看出：由于ud未出现负值，续流二极管VD起到提高输出电压的作用。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。若L，id波形连续且近似一条直线，此电流由VT和VD共同分担。晶闸管导通期从晶闸管流过，晶闸管关断期从续流二极管流过。移相范围：0180，与单相半波可控整流器电阻性负载相同。,26,加续流二极管后，ud波形和电阻性负载一样，因此Ud计算式和电阻性负载一样电感足够大时，可近似认为电流波形为一条直线，电流的脉动比电阻性负载时小的多。,27,3.数量关系（假设L，id连续近似直线）,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,虽与电阻性负载的电流平均值相同，但脉动小，输出电流品质高。,28,2）晶闸管的电流平均值IdT与电流有效值IT（id连续近似直线）,电流平均值IdT,电流有效值IT,3）续流二极管的电流平均值IdDR与电流有效值IDR,电流平均值IdDR,电流有效值IDR,29,4）晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压VT和VD承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值。,30,特别注意：,1）触发脉冲的宽度：大电感负载时，由于L的抑制作用，使得达到擎住电流的时间增加，所以触发脉冲要有一定的宽度，以防止管子导通时，由于阳极电流上升太慢以致还没有上升到擎住电流触发脉冲已经消失，造成晶闸管又一次截止。,2）变压器的直流磁化问题变压器次级绕组中存在直流电流分量，使铁芯磁化，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面。,31,优点:电路简单，调整方便，容易实现。,单相半波可控整流电路特点：,缺点：输出电压脉动大，每周期脉动一次；变压器次级绕组中存在直流电流分量，使铁芯磁化，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面，这样就导致设备容量增大，变压器容量不能充分利用。,应用：单相半波可控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。,32,第二节单相桥式全控整流电路,单相桥式整流电路中，把四个整流管都换成晶闸管，就组成单相桥式全控整流电路。,一、电阻性负载,1.电路结构,注意晶闸管的编号,33,2.工作原理,1）u20时:uaub，若此时门极无触发信号ug，VT1，VT4同时正相阻断，其等效电阻Rd，u2全部加在VT1和VT4上，ud=0，id=0，uT1=uT4=1/2u2。,2）t时刻:VT1和VT4同时触发导通,VT2和VT3承受反压关断，ud=u2，id=u2/R，uT1=uT4=0，uT2=uT3=-u2。,4)在t时:VT2和VT3同时触发导通,工作过程同上。,5)VT2、VT3一直导通到t=2为止，u2再次过零，VT2、VT3关断。,VT1,4,VT2,3,VT1,4,VT1，VT4和VT2，VT3在对应时刻不断周期性交替导通和关断。,3)t时刻:VT1、VT4直导通到t=为止，此时因u2过零，VT1、VT4关断,ud=0，id=0。,34,35,（1）输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id,3.基本数量关系,输出电压平均值Ud为,输出电流平均值Id为,单相半波整流时的2倍,36,（2）输出电压有效值U,（3）输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2,输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2相同,37,（5）晶闸管的电流平均值IdT与晶闸管电流有效值IT,轮流导通，导通角相同，各占Id的一半，与单相半波整流相同,（4）功率因数cos,显然功率因数与相关，=0时，cos=1。,38,移相范围均为0180；输出电压平均值Ud是半波整流电路的倍；相同负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半；功率因数提高了倍。,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：,39,1.电路结构,二、阻感性负载,为了讨论方便，假设：1）L足够大，id连续，波形为一水平线。2）电路已进入平稳状态,电流波形已经形成。,40,1）u20：t=0区间：无触发脉冲，VT1、VT4正向关断。由于电路已工作在稳定状态，id为一水平直线，由于电感释放能量，晶闸管VT2、VT3维持导通。t=时刻：VT1、VT4同时触发导通，ud=u2；由于电感中的电流不能突变，id=id，id方向：aVT1LRVT4bTr的二次绕组a；u2反向加到VT2、VT3上，uT1=uT4=0，uT2=uT3=-u2。t=区间：VT1、VT4继续导通，ud=u2，id不变；uT1=uT4=0，uT2=uT3=-u2。,2.工作原理,41,2)t=时刻：u2过零，由于感应电势的存在,VT1、VT4的uAK仍大于零，VT1、VT4继续导通，ud=u2（过零点），id不变；uT1=uT4=0，uT2=uT3=-u2。,3）u20：t=+区间：由于L的存在，VT1、VT4继续导通，VT2、VT3虽受正压但无触发脉冲仍关断。ud=u2（出现负值），电流id不变；uT1=uT4=0，uT2=uT3=u2.,42,t=+时刻及以后：VT2、VT3同时触发导通，VT1、VT4反压关断，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，ud=-u2，id不变，方向：bVT3LRVT2aTr的二次绕组b，VT2、VT3一直导通到下一周期t=2+处再次触发VT1、VT4为止。,注意:与id不同，i2为正负方波。,VT1,4,VT2,3,VT1,4,换相,43,从波形可以看出:90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。控制角在090之间变化时，晶闸管导通角，导通角与控制角无关。,90时，出现电流断续情况。,晶闸管承受的最大正、反向电压Um=,44,3.基本数量关系,（1）输出电压平均值Ud,(090),45,（2）输出电流平均值Id、有效值I和变压器副边电流I2,由于L，id波形是一条水平线。一个周期内两组晶闸管轮流导通,每组各导通180，变压器次级中的电流i2是正负对称的方波。,46,（4）晶闸管通态平均电流IT(AV),（3）晶闸管的电流平均值IdT和电流有效值IT,由于晶闸管轮流导电，所以流过每个晶闸管的平均电流只有负载上平均电流的一半。,47,实际应用中，Id为负载需求的最大平均电流Idmax。,例如：负载直流电动机的IN=100A，即直流电机的Idmax=100A。但直流电动机一般允许过载1.52.5倍，则一般取Id=2Idmax=2100=200A从而计算得到IT(AV).一般还要进行一定的放大（1.52）倍才满足实际选择晶闸管要求。,48,3.若L不够大，电流断续,输出电压平均值Ud,实际设计中要考虑尽量使L增大，从而使问题简化，系统得到优化。,49,三、反电动势负载,1.电路结构,负载中的蓄电池、直流电动机的电枢等这类负载本身是一个直流电源，对于可控整流电路来说就构成反电动势负载。,可能是一组蓄电池：,也可能是一台直流电动机：,E：,充电电路,调压调速,注意：极性与晶闸管导通方向相反。,50,2.工作原理,与电阻负载相比,晶闸管提前了电角度停止导电，称作停止导电角。,核心问题：即使有触发脉冲，也只有udE时晶闸管才导通。若导通，在udE时，晶闸管反压关断。,晶闸管导通角减小,导通、关断临界条件：,停止导通角：,51,时，晶闸管即使触发也不可能导通。为使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当晶闸管开始承受正电压(t=)时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟，即min=。,需注意：,52,3.基本数量关系,（1）输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id,输出电压平均值Ud:,输出电流平均值Id：,电流断续,53,若负载为直流电动机时，电流断续是不允许出现的。,解决办法：在负载回路串接平波电抗器大电感，以达到减小电流脉动，延长晶闸管导通时间的目的。若电感足够大，电流就能连续，工作情况与电感性负载相同。,Idmin通常是给定的最小电流值（约额定值的5）。,54,总结：,单相桥式全控整流电路中，若负载呈感性(L)：,单相桥式全控整流电路中，若负载呈阻性：移相范围？Ud？Id?,若90，Ud？Id?,若=90，Ud？Id?,若90，Ud？Id?,思考：若90，负载是极性与整流时相反，幅值稍大的蓄电池或直流电源，会是什么情况？,55,与单相桥式全控整流电路工作情况相同，参数计算亦相同。,第三节单相桥式半控整流电路,单相桥式整流电路中，采用两个晶闸管同时导通规定电流流通的路径。若仅用于整流状态，每个支路只需一个晶闸管就能控制导通的时刻，用硅整流管来限定电流的路径。,一、电阻性负载,56,将单相桥式全控整流电路中的两个晶闸管用大功率整流二极管代替。,1.电路结构,二、电感性负载,57,2)t=:电感L的作用使电流连续，VT1继续导通。ud=u2=0;,2.工作原理,1）u20：t处给触发VT1导通，ud=u2,电流从aVT1LRVD4b。,58,t+时刻：VT3触发导通，VT1反压关断，电流流bVT3LRVD2au2过零变正时，电流从VD2转移至VD4。VT3和VD4续流，ud=0。此后重复以上过程。,3）u20：,由于大电感的存在，输出电流波形为一水平线。,t+:VT1继续导通,由于ubua，使电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是经VT1和VD2续流，ud=u2=0。,59,失控现象:,上述电路特点：晶闸管在触发时换相；二极管在电源过零时换相。,实际运行中，当突然把控制角增大到180或突然把触发电路切断时，会发生一个将闸管直通而两个二极管轮流导通的异常现象，称为失控。,失控现象,60,上述电路具有自续流能力，为避免可能发生的失控现象，需要加设续流二极管VDR。,失控现象的避免：,61,62,单相桥式半控整流电路的另一种接法如下图，这样可省去续流二极管(VD3，VD4兼续流作用)。,63,第四节单结晶体管触发电路,要使晶闸管导通，除了加正向阳极电压外，还必须在控制极和阴极之间加触发电压，提供触发电压的电路称为触发电路。触发电路的种类很多，常用的有单结晶体管触发电路、阻容移相触发电路、集成触发电路以及晶体管触发电路等。本节重点介绍单结晶体管触发电路。,64,对触发电路的要求,(1)应能提供足够大的触发功率。,(4)为了保证触发时间准确，触发脉冲具有陡峭上升沿，并有足够的宽度。,(3)触发脉冲应与主电路的交流电源同步，使每一个周期都能在同样的相位上触发。,(2)触发脉冲应能在足够宽的范围内平稳地移相。,65,一、单结晶体管的结构与特性,1.单结晶体管的外形符号与结构,N型单结晶体管,单结晶体管外形与普通三极管相似具有三个电极，但不是三极管，而是具有三个电极的二极管，即发射极e、第一基极b1、第二基极b2，由于管内只有一个PN结，所以称为单结晶体管。,单结晶体管的图形符号如图(c)所示，发射极箭头倾斜指向b1，表示经PN结的电流只流向b1极。,66,图(d)是它的等效电路图。因为e和b1间是一个PN结，故用二极管V等效，其正向压降VD=0.7V。Rb1：e与b1间电阻，它随发射极电流而变，IE上升，Rb1下降。Rb2：e与b2间电阻，数值与IE无关。Rbb表示两基极间电阻，Rbb=Rb1+Rb2。称为分压比，一般在0.30.8之间。,单结晶体管的型号有BT31、BT32、BT33、BT35等。,67,2.单结晶体管的负阻,单结晶体管具有负阻特性。所谓负阻特性，就是当发射极电流增加时，发射极电压VE反而减小。,若在b1、b2间加固定电压VBB，且在e和b1间加一个可调节的电源GE，A点电位VA为：,68,当VEVA时，二极管V处于反偏，不导通，此时只有很小的反向漏电流。,逐渐增大VE，当VE=VBB+VD(VD是PN结正向压降)，PN结正偏，开始导通，此时VE达到最大值VP。VP表示峰点电压，VP=VBB+VD；此时的电流称为峰点电流IP。,69,PN结正偏，大量的载流子流入b1极，Rb1迅速减小，VA迅速下降，Ve随之下降，Ie迅速增加，更多的载流子进入e-b1，Rb1减小更多形成正反馈，进入负阻区。,当e-b1之间的载流子浓度达到一定极限后，Rb1下降至极限不再下降，VE下降到谷点电压VV，此时的电流称谷点电流IV。,欲使IV继续增大，必须增大VE，使VEVV,急剧上升的IE使得VE反而减小，呈现明显的负阻特性。,饱和,70,1）UeUA时，PN结反偏，只有很小的反偏电流2）UeUA+UD时，二极管导通，载流子注入A点，Rb1减小，Ie增大，注入更多载流子，形成正反馈，进入负阻区3）当Ie增大到一定程度时，载流子饱和，要使Ie增大，必须增大Ue,单结晶体管工作特性总结：,71,峰点P峰点电压UP,峰点电流IP谷点V谷点电压UV谷点电流IV,UP，UV的值随Ebb改变而改变。,72,二、单结晶体管自振荡电路,利用单结晶体管的负阻特性可构成自激振荡电路，产生控制脉冲，用以触发晶闸管。,1.电路结构,73,2.工作原理,电源未接通，uc=0。电源接通，C充电，uc升高。当uC=UP时，单结管导通，C经e,b1向R1放电，输出一个脉冲电压。当uC=UV时,单结管截止，R1上的脉冲电压接束。C从UV值又开始充电，充电到UP时，又输出一个脉冲电压.,温度补偿,74,充电时间常数：ReC放电时间常