单相半波可控整流电路

1、2-13.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 单相半波可控整流电路及波形1 1）带电阻负载的工作情况）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。电阻负载的特点电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)2-2电阻负载电阻负载00dtwa晶闸管正向阻断，u2dtuawp晶闸管触发导通，u触触发发脉脉冲冲20dtpwp晶闸管反向

2、阻断，u dua改变可控 相位控制方式（相控）：通过控制器件相位控制方式（相控）：通过控制器件导通的时刻导通的时刻（相位）（相位）来改变输出功率（电压、电流）的控制方式。来改变输出功率（电压、电流）的控制方式。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)002-33.1.1 单相半波可控整流电路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。基本数量关系基本数量关系wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2

3、ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00导通角导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示 。2-42cos145.0)cos1(22)(sin221222aapwwppaUUttdUUd直流输出电压平均值直流输出电压平均值 VT的a 移相范围为0-180TVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTaq0b)c)d)e)00基本数量关基本数量关系系 输出电压的有效值 2222212sin t2( 2)1 cos2 t t421sin222rmsUUdtUdUpapawpwwpapapa从0变到p，输出电压的平均值从U2m/p变到0；输

4、入变压器电流含直流分量，会产生磁饱和问题。重要结论重要结论2-5例例单相半波晶闸管整流器带纯电阻负载，若触发角为p/2，求整流器的效率、变压器利用因数TUF和输入功率因数PF。2221 cos0.450.22520.225/dUUUIURad22221sin20.5220.5/rmsrmsUUUIURapap20.25%dcddacrmsrmsPU IPUI22222220.225/0.10130.5/dcPURTUFU IUUR2-621(sincos)dnnniIan tbn tww纯电阻，电流为正弦之一部分22121sin2sin24mmIaItd tpapaawwpp221210sin

5、sintcost t2mmIbIdpaapp2222111222111,0.20960.2964216422mmIIabIIpap【弧度】567. 0)24(tantan11111pab221122PFcos0.2964cos( 0.567)0.25U IU I【滞后】输入电流基波有效值2-7谐波分析常用数学公式谐波分析常用数学公式Cuuudu2sin412sin2nmCnmunmnmunmdu,)(2)sin()(2)sin(usinnumsinnmCnmunmnmunmdu,)(2)cos()(2)cos(ucosnumsinABCBCABACCBAaaatan,sin,cos,)sin(

6、cossin222-8阻感负载的特点阻感负载的特点：电流不能发生突变电力电子电路的一种基本分电力电子电路的一种基本分析方法析方法通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算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 带阻感负载的单相半波电路及其波形2. 带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况2-9阻感负载阻感负载00dtwa晶闸管正向阻断，utwa晶闸管触发导通220dtqwp晶闸管反向阻断，u22, udLRdituuLuudtwa， 12, Rtuiawq， u上升，电感储能122, Rtu

7、iqwq， u下降，电感释放储能20u 由于电感的储能作用，后，电流继续流动，晶闸管仍然导通12AA2-10a)b)VTRLVTRLu2u2 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 ) sin(2)sin(22) (2waawwtZUeZUitLRd（3-3）)sin()sin(tanaqaqe（3-4）tURitiLwsin2dd2dd（3-2）VT处于通态时：初始条件：t= a ，id=0。求解式（3-2）并将初始条件代入可得22)( LRZwRLwarctan其中当t=+a 时，id=0，代入式（3-3）并整理得2-11 、a、 的关系的关系

8、若 为定值，a 越大，正半周L储能越少，越小若a为定值，越大，则L贮能越多，越大；且 越大，负半周L维持管导通的时间越接近管正半周导通时间，平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。)sin()sin(tanaqaqe超越方程，超越方程，q q用迭代法求解用迭代法求解a)u1TVTRLu2uVTudidu20wt1p2pwtwtwtwtwtug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +2-12当u u2 2过零变负时，VDR导通，u ud d为零。此时为负的u u2 2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流i id d在L-R-VDR回路中流通，此过程通常

9、称为续流续流。续流期间u ud d为0，u ud d中不再出现负的部分a)LTVTRu1u2uVTudVDRidu2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRiVDR 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管续流二极管2-13电感充分大时ddVDRIIpap2ddVDRItdIIrmspapwpapp2)(2122ddVT2IIpapddVTItdIIrmspapwppa2)(212若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有 VTVDR数量关系数量关系a)LTVTRu1

10、u2uVTudVDRidu2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRiVDR2cos145.0)(sin22122awwppaUttdUUd直流输出电压平均值直流输出电压平均值2-14VT的a 移相范围为180 。a从0变化到p,输出电压平均值从Um/p变化到0.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在于利用其简单易学的特点，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可控整流电路的特点a)u1TVTRLu2uVTudidu20wt

11、1p2pwtwtwtwtwtug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +2-15延迟此脉冲信号a角，经过隔离电路将其加到晶闸管的门极和阴极间。输出电压、电流都是非正弦的。单相半波的触发控制特点单相半波的触发控制特点a)u1TVTRLu2uVTudidu20wt1p2pwtwtwtwtwtug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +在电源电压由负变正过0时产生一个脉冲信号。2-16相位控制信号的生成方法相位控制信号的生成方法触发电路触发电路的组成的组成同步同步变压器变压器同步信号同步信号发生器发生器移相控制移相控制脉冲形成脉冲形成180controlstuua触发

12、触发脉冲脉冲交流交流电源电源2-17脉冲发生器设定：周期0.02s,宽度10，相位滞后90/360*0.02s,幅值10单相半波可控整流电路的仿真单相半波可控整流电路的仿真Discrete,Ts = 0.0001 s.powerguiv+-Voltage Measurement2v+-Voltage Measurement1gakThyristorScope2Scope1R=5,L=0.01PulseGeneratorInMeanMean Value41.77Displayi+-Current Measurement1i+-Current Measurement220V,50Hz0.001输出

13、电压平均值（直流电压）2-18单相半波可控整流阻感负载单相半波可控整流阻感负载a a=90度电流断续的仿真波形度电流断续的仿真波形输出电压输出电流2-193.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路1) 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况a)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析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

14、构电路结构单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)4管均关断时，电压由两管串联承担；2管导通时，未导通管承受反向全压2-20单相桥式全控整流电路电阻负载单相桥式全控整流电路电阻负载数量关系数量关系paaapwwp2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU（3-9）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平均值只有输出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTaRUII（3-10）2cos19 . 02cos12222ddaapRURUR

15、UI(3-11)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4半波的一倍，重要公式重要公式2-21单相桥式全控整流电路电阻负载单相桥式全控整流电路电阻负载流过晶闸管的电流有效值有效值：变压器二次测电流有效值I2：由式（3-12）和式（3-13）得：papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI22222112(sin)()sin222UUIItdtRRpapawwapppII21VT（3-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,42-22例例单相桥式全控整流电路接电阻性负载，交流电源电压U2=220V，要求输出的平

16、均直流电压在50150V范围内连续可调，并且在此范围内，要求输出的平均直流电流都能达到10A。试计算控制角的变化范围，确定电源容量，并选择晶闸管。解：解：22001 cos0.9 22cos10.92 5050 cos10.5 =120 0.9 2202 150150 cos10.51 =590.9 220ddddUUUUUVUVaaaaaa （纯电阻负载）控制角变化范围在59120度之间。21sin222UIRpaappVT21cos0.92ddUIURRa0021sin20.9(1cos)2259 ,109.4120 ,1013.9ddVTdVTIIIAIAIAIApaaappaaVT流过

17、晶闸管的电流有效值为：2-23晶闸管额定电流选择：(1.5 2)13.317.71.57VTNVTIIA，选20A 晶闸管额定电压选择晶闸管额定电压选择：2(2 3) 2622 933 ,1000VNVTUUV选变压器二次侧电流：变压器二次侧电流：22222 13.919.720220 204.4VTIIAASU IkVA电源容量2-24在电源电压由负变正过0时产生一个脉冲信号。延迟此脉冲信号a角，经过隔离电路将其加到晶闸管1、4的门极和阴极间。同时延迟此脉冲信号ap角，经过隔离电路将其加到晶闸管2、3的门极和阴极间。单相全波的触发控制特点单相全波的触发控制特点pwtwtwt000i2udid

18、b)c)d)ddaauVT1,42-253.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路2）带阻感负载的工作情况）带阻感负载的工作情况 u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4 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V

19、T3上，此过程称换相换相，亦称换流换流。电流电压同方向，输出功率为正：电流电压同方向，输出功率为正：整整流流工作状态工作状态rectification mode电压电流反方向，输出功率为负，称为电压电流反方向，输出功率为负，称为逆变逆变工作工作状态状态inversion mode电感存储的能量通过晶闸管逆向变换回送电网电感存储的能量通过晶闸管逆向变换回送电网2-26apaaapwwpcos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU（3-15）3.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 数量关系数量关系晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和

20、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。ddT21IIVTdd10.7072III晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22U2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4超过超过90度则输出电压平度则输出电压平均值小于均值小于0，整流器总，整流器总体进入逆变工作状态体进入逆变工作状态【电感充分大电感充分大】。输出电压有效值输出电压有效值2-27（3-15）3.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 数量关系数量关系22UUdcid0a0a0晶闸管单向导电，输晶闸管

21、单向导电，输出电流不改变方向。出电流不改变方向。输出电压的平均值随输出电压的平均值随触发角变化可能改变触发角变化可能改变正负极性。正负极性。22222 tsin22UUdtUUmmrmsapawp电感无穷大时输出电压有效值与触发角无关，恒等于输入端电压有效值2-28例例单相全控桥式整流电路。设负载电感充分大，输出电流连续，纹波可以忽略，U2=120V。求输入电流的F级数表达；输入电流的谐波因数、输入位移功率因数和总功率因数。如果触发角a=p/3，计算输出电压的平均值、有效值、输入位移功率因数和总功率因数。1,2,nn02 t)cosb tsin(wwnnaain解：解：apapapaapaww

22、pwp22200 t)( td21 t)d(21dIIiadd, 4 , 2, 0, 5 , 3 , 1,cos4 t) td(sinn122nnnnIiadnapwwpapa, 4 , 2, 0, 5 , 3 , 1,sin4 t) td(cos122nnnnInibdnapwwpapa次谐波有效值，nnIbaInabnIidnnnnnnn,2221tan ) tsin(22211,3,5,nn2paw电流基波滞后电压相角为a输入电流基波有效值为pdI 222-29单相全控桥式整流电路。设负载电感充分大，输出电流连续，纹波可以忽略，U2=120V。求输入电流的F级数表达；输入电流的谐波因数H

23、F、输入位移功率因数DF和总功率因数PF。如果触发角a=p/3，计算输出电压的平均值、有效值、输入位移功率因数和总功率因数。ddIdIIapawp t2222解：解：483. 012212rmsIIHF)cos(aDFapaacos22)cos()cos(221222121212IIIUIUPFUU【滞后】则45. 0)cos(5 . 03cos4834. 09 . 02212002.54cos2,120, 3/2212212022appappaIIPFDFHFIIIIIVUUVUUVUdddmdc负载电感充负载电感充分大时输入分大时输入电流的基波电流的基波含量总是占含量总是占90，谐波，谐波

24、因数总是保因数总是保持持48.34%,与与a a无关。无关。随触发角的后移，功率因数显著降低2-303.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路3） 带反电动势负载时的工作情况 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。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 。REuidd在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电， 称为停止导电角，212sinUE（3-16）b)idOEudwtIdOwtaq2-313.1.2 单相桥式全

25、控整流电路单相桥式全控整流电路当 时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。单相桥式全控整流电路接反电动势电阻电阻负载时的波形 电流断续电流断续触发脉冲有足够的宽度，保证当w wt= 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 。 如图所示id波形所示：串入足够大电串入足够大电感可使电流连感可使电流连续续ub)idOEdwtIdOwtq2-323.1.2 单相桥式全控整流电路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【50Hz】：dmin23dmin21087.222IUIULpw（3-17） 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况twwOud0Eidtpaq = p如果电流断续，导通角越小，电流波形底部越狭窄，为增大平均电流，必须较多降低反电