第一章 单相可控整流电路.ppt

第一章单相可控整流电路,引言,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。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。,整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。,2.1单相可控整流电路,2.1.1单相半波可控整流电路2.1.2单相桥式全控整流电路2.1.3单相全波可控整流电路2.1.4单相桥式半控整流电路,单相半波相控整流电路，整流变压器二次电压、电流有效值下标用2表示，电路输出电压电流平均值下标均用d表示。交流正弦电压波形的横坐标为电角度t，正弦变化一周为2rad或3600电角度，也可用时间表示，50Hz的交流电一个周期为20ms。,2.1.1单相半波可控整流电路,图2-1单相半波可控整流电路及波形,1）带电阻负载的工作情况,变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。,单相半波可控整流电路,2.1.1单相半波可控整流电路,首先，引入两个重要的基本概念：触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示。,基本数量关系,VT的a移相范围为180,通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。,(1)直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id直流输出电压平均值Ud:输出电流平均值Id:,2.1.1单相半波可控整流电路,(2)输出电压有效值U与输出电流有效值I输出电压有效值U:输出电流有效值I:,2.1.1单相半波可控整流电路,(3)晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：,2.1.1单相半波可控整流电路,(4)功率因数cos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，P=UI=I2RS变压器二次侧视在功率，S=U2I2(5)晶闸管承受的最大正反向电压Um由图可以看出晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。,2.1.1单相半波可控整流电路,例2-1如图所示单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50V，直流输出平均电流为20A试计算：(1)晶闸管的控制角。(2)输出电流有效值。(3)电路功率因数。(4)晶闸管的额定电压和额定电流。,2.1.1单相半波可控整流电路,2.1.1单相半波可控整流电路,解(1)则=90(2)(3)当=90时，输出电流有效值,2.1.1单相半波可控整流电路,(4)晶闸管电流有效值IT与输出电流有效值相等，即：则取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为：（5）晶闸管承受的最高电压：考虑(23)倍安全裕量，晶闸管的额定电压为根据计算结果可以选取满足要求的晶闸管。,2.1.1单相半波可控整流电路,2.1.1单相半波可控整流电路,2)带阻感负载的工作情况,图2-2带阻感负载的单相半波电路及其波形,阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。,讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。,2.1.1单相半波可控整流电路,对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路。,图2-3单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态b)VT处于导通状态,电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。,2.1.1单相半波可控整流电路,当VT处于通态时，如下方程成立：,b)VT处于导通状态,（2-2）,（2-4）,初始条件：t=a，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得,当t=+a时，id=0，代入式（2-3）并整理得,2.1.1单相半波可控整流电路,续流二极管,图2-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,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。,数量关系(id近似恒为Id）,2.1.1单相半波可控整流电路,VT的a移相范围为180。简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。,单相半波可控整流电路的特点,单相半波电路虽有线路简单、调整方便等优点，但只有半周工作，直流波形差、整流变压器利用率低且存在直流成分的缺点，因此仅用于要求不高的小功率场合。,（一）非正弦电路分析,从上面分析可见，整流电路输出的直流电压都是周期性有直流成分的非正弦时间函数，不能像正弦量那样直接计算。但是任何周期性函数都可依靠数学方法，用傅氏级数的形式分解成一系列不同频率的正弦或余弦函数。,2.1.2单相桥式全控整流电路,如负载是线性的，应用叠加原理对应不同频率的正弦电压，在负载中产生相应的各次谐波电流，负载电流id便是各次谐波电流的合成。,单相正弦半波（a00）整流电压波形分解成傅氏级数的形式为,单相正弦全波与桥式（a00）整流电压波形分解成傅氏级数的形式为,2.1.2单相桥式全控整流电路,非正弦电压ud的有效值为,由上式可见，任何非正弦电压的有效值是其直流平均电压平方与各次谐波有效值电压平方之和的开方，有效值总是大于平均值d，只有纯粹的直流电压，才有=d。输出直流电压ud的波形是由直流分量d与交流分量ud的叠加，即,2.1.2单相桥式全控整流电路,从示波器中观察，ud的波形与ud相同，只是将ud波形的横轴坐标上移d值，使ud波形中一周期内剖面线部分正负面积相等，直流分量等于0。,2.1.2单相桥式全控整流电路,2.1.2单相桥式全控整流电路,1)带电阻负载的工作情况,a),工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,电路结构,单相桥式全控整流电路,2.1.2单相桥式全控整流电路,数量关系,（2-9）,a角的移相范围为180。,向负载输出的平均电流值为：,流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：,（2-10）,(2-11),2.1.2单相桥式全控整流电路,流过晶闸管的电流有效值：,变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：,由式（2-12）和式（2-13）得：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2。,（2-12）,（2-13）,2.1.2单相桥式全控整流电路,2）带阻感负载的工作情况,u,图2-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。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VT1和VT4关断，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。,2.1.2单相桥式全控整流电路,数量关系,（2-15）,晶闸管移相范围为90。,晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：,变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。,晶闸管承受的最大正反向电压均为。,2.1.2单相桥式全控整流电路,3）带反电动势负载时的工作情况,图2-7单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形,在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。,在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,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。,2.1.2单相桥式全控整流电路,当d时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。,图2-7b单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的波形,电流断续,触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=d时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为d。,如图2-7b所示id波形所示：,电流连续,2.1.2单相桥式全控整流电路,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。,这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：,（2-17）,2.1.3单相全波可控整流电路,单相全波可控整流电路（SinglePhaseFullWaveControlledRectifier)，又称单相双半波可控整流电路。,单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。变压器不存在直流磁化的问题。,图2-9单相全波可控整流电路及波形,2.1.3单相全波可控整流电路,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。,从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。,2.1.4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。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。,u,d,图2-10单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,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。,2.1.4单相桥式半控整流电路,单相半控桥带阻感负载的情况,图2-10单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,半控电路与全控电路在阻感负载时的工作情况相同。,2.1.4单相桥式半控整流电路,续流二极管的作用,避免可能发生的失控现象。若无续流二极管，则当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。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。,2.1.4单相桥式半控整流电路,单相桥式半控整流电路的另一种接法,相当于把图2-5a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。,图2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,图2-11单相桥式半控整流电路的另一接法,2.2.1电力电子器件驱动电路概述,使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。,驱动电路主电路与控制电路之间的接口,2.2.1电力电子器件驱动电路概述,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器,图2-12光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型,2.2.1电力电子器件驱动电路概述,按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,分类,一、对晶闸管触发电路的要求,（一）触发信号应有足够的功率（电压与电流）由于触发信号是脉冲形式，只要触发功率不超过规定值，触发电压、电流的幅值短时间内可大大超过铭牌规定值。,（二）对触发信号的波形要求对于电阻负载脉宽大于2050s，电感负载脉宽大于lms，对于三相桥式全控电路脉宽要大于600或采用双窄脉冲。,2.2.2晶闸管的触发电路,为了快速而可靠地触发大功率晶闸管，常在脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲波形，前沿电流上升率不小于0.5A/s，强脉冲宽度t2应大于50s，脉冲持续时间t3应大于550s。,2.2.2晶闸管的触发电路,（三）触发脉冲的同步及移相范围为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角触发导通，触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压也就是电源同步，并与电源波形保持固定的相位关系。为使电路在给定范围内工作，应保证脉冲能在相应范围内进行移相。,（四）防止干扰与误触发晶闸管的误导通往往是由于干扰信号进入门极电路而引起，因此需要对触发电路进行屏蔽、隔离等抗干扰措施。,2.2.2晶闸管的触发电路,二、单结晶体管触发电路,1结构单结晶体管示意性结构，在一块高电阻率的N型硅半导体基片上，引出两个电极，第一基极b1与第二基极b2，这两个基极之间的电阻Rbb即是基片的电阻约212k。在两基极之间，靠近b2极处设法掺入P型杂质引出电极称为发射极e。所以它是一种特殊的半导体器件，有三个引出端，只有一个PN结故称单结晶体管，其等效电路、符号与管脚，Rb1、Rb2分别为e极与b1、b2之间基片电阻。,2.2.2晶闸管的触发电路,2.2.2晶闸管的触发电路,2特性与单结晶体管振荡电路将管子接成试验电路，Q断开时基极电压bb由Rb1、Rb2分压，管子内部A点电压为,式中单结晶体管的分压比，由内部结构决定，通常在0.30.9之间。,2.2.2晶闸管的触发电路,当Q合上，开始增大，当时，流入发射极，中的载流子增多，阻值减小，下降，增大，阻值继续减小，形成正反馈，管子瞬时导通。,当下降大于增大时，随着增大而减小，动态电阻为负值，这就是单结晶体管特有的负阻特性。,负阻特性,2.2.2晶闸管的触发电路,峰点电压与谷点电压,当增大到（=）峰点电压时管子进入负阻