电力电子技术第四章-可控整流电路课件.ppt

1、第四章可控整流电路 主编第一节单相半波可控整流电路一、电阻性负载电炉、电焊机及白炽灯等均属于电阻性负载之列。电阻性负载的特点是：负载两端电压波形和流过的电流波形相同，大小成比例，电流、电压均允许突变。图4-1单相半波可控整流电路及波形a)电阻性负载电路b)波形图第一节单相半波可控整流电路1.负载上直流平均电压Ud与平均电流Id负载上直流平均电压Ud与平均电流Id根据平均值定义，ud波形的平均值Ud为2.负载上电压有效值U与电流有效值I在计算选择变压器容量、晶闸管额定电流、熔断器以及负载电阻的有功功率等参量时均须按有效值计算。根据有效值的定义，U应是Ud波形的方均根值，即3.晶闸管电流有效值It

2、与管子两端可能承受的最大正反向电压UTM在单相半波可控整流电路中，晶闸管与负载串联，所以负载电流的有效值也就是流过晶闸管电流的有效值，其关系为4.功率因数coscos=P/S=UI/I=(4 9)第一节单相半波可控整流电路例4-1单相半波可控整流电路，电阻性负载。要求输出的直流平均电压为5092V之间连续可调，最大输出直流平均值电流为30A，由交流电网220V供电。1)触发延迟角应有的可调范围。2)最大的功率因数。3)选择晶闸管型号规格(安全余量取2倍)。2)当=30时，输出直流电压平均值最大为92V，这时负载消耗的有功功率也最大。I=166Id=16630A=50A3)当=30时，流过晶闸管

3、的电流有效值最大为50A，额定电流为IT(AV)=2=250/157A=64A第一节单相半波可控整流电路二、电感性负载1.无续流二极管时电感线圈是储能元件，当电流流过线圈时，该线圈就储存磁场能量，流过的电流愈大，线圈储存的磁场能量也就愈大。当id减小时，电感线圈将所储存的磁场能量释放出来，试图维持原有方向的电流，因而流过电感中的电流是不能突变的。图4-2电阻串电感负载当流过电感线圈的电流变化时，电感两端产生感应电动势uL=-Ldidt，其方向总是阻止电流的变化。第一节单相半波可控整流电路图4-3单相半波可控整流电感负载电路a)电路b)波形第一节单相半波可控整流电路2.接续流二极管时为了使u2过

4、零变负时能及时地关断晶闸管，ud波形不出现负值，又能给电感线圈Ld提供续流的旁路，可以在整流输出端并联二极管，如图4 4a所示。由于该二极管是为电感负载在晶闸管关断时提供续流回路，故将此二极管简称为续流管，用VD表示。图4-4有续流管的单相半波可控整流电路及波形第一节单相半波可控整流电路例4-2图4-5所示是中、小型发电机采用的单相半波自励稳压可控整流电路，当发电机满负载运行时，相电压为220V，要求的励磁电压为40V，已知励磁线圈的电阻为2，电感量为0.1H。试求：晶闸管及续流管的电流平均值和有效值各是多少?晶闸管与续流管可能承受的最大电压各是多少?并选择晶闸管与续流管的型号。图4-5中小型

5、发电机采用晶闸管自激稳压电路及波形第二节单相桥式可控整流电路一、单相桥式全控整流电路1.电阻性负载图4-6单相全控桥电阻性负载a)电路b)波形(1)电路工作原理图4-6为单相桥式全控整流电路，电路由4只晶闸管VT1、VT3和VT2、VT4两对桥臂、电源变压器T及负载电阻Rd组成。第二节单相桥式可控整流电路当变压器二次电压u2为正半周时，a端电位高于b端电位，两个晶闸管VT1、VT3同时承受正向电压，如果此时门极无触发信号则两晶闸管均处于正向阻断状态。忽略晶闸管的正向漏电流，电源电压u2将全部加在VT1、VT3上。当t=时，给VT1、VT3同时加触发脉冲，两只晶闸管立即被触发导通，电源电压u2将

6、通过VT1、VT3加在负载电阻Rd上，负载电流id从电源a端经VT1、电阻Rd、VT3回到电源的b端。在u2正半周期，VT2、VT4均承受反向电压而处于阻断状态。由于设晶闸管导通时管压降为零，则负载Rd两端的整流电压ud与电源电压u2正半周的波形相同。当电源电压u2降到零时，电流id也降为零，VT1和VT3关断。第二节单相桥式可控整流电路(2)基本数量关系图4-7电感负载不接续流管a)电路b)波形第二节单相桥式可控整流电路2.大电感负载(1)不接续流二极管在单相半波可控整流带大电感负载电路中，如果不并接续流二极管，无论如何调节移相角，输出整流电压ud波形的正负面积几乎相等，负载直流平均电压Ud

7、均接近于零。Ud=09U2cos(2)接入续流二极管为了扩大移相范围，不让ud波形出现负值以及使输出电流更加平稳，可在负载两端并接续流二极管，如图4-8a电路所示。图4-8电感负载接续流管a)电路b)波形第二节单相桥式可控整流电路第二节单相桥式可控整流电路3.反电动势负载被充电的蓄电池、正在运行的直流电动机的电枢(忽略电枢电感)等负载本身是一个直流电源，对于可控整流电路来说，它们是反电动势负载，其等效电路用电动势E和负载回路电阻Rd(电枢电阻)表示，负载电动势的极性如图4 9a所示。图4-9单相全控桥反电动势负载电路与波形图a)电路图b)波形图第二节单相桥式可控整流电路图4-10反电动势负载串

8、平波电抗器的情况a)电路图b)波形图第二节单相桥式可控整流电路二、单相桥式半控整流电路将单相全控桥电路中一对晶闸管换成两个整流二极管，就构成单相桥式半控整流电路。如图所示。它与单相全控桥相比，较为经济，触发装置也相应简单一些，在中小容量的可控整流装置中得到广泛应用。1.电路工作原理假设负载中电感量足够大，负载电流id连续，其波形近似为一直线。在u2的正半周，t=时触发晶闸管VT1，则VT1、VD1导通，电流从电源a端经VT1、负载、VD1回到电源b端，负载两端整流电压ud=u2,当u2过零进入负半周时，电感上的感应电势将使VT1承受正向电压而继续保持导通，而此时由于b端电位较a端高，二极管D2

9、承受正偏电压而导通，第二节单相桥式可控整流电路VD1承受反偏电压而截止，电流从VD1转换到VD2，负载电流id经VD2、VT1构成回路而继续导通，不经过变压器自然续流。在续流期间，忽略VT1、VD2管压降，负载上的整流电压ud=0，当t=+时，触发VT2使其导通，VT1承受反向电压而关断，电流从电源b端经VT2、负载、VD2回到a端，负载上得到相同的整流电压ud。同样，当u2过2变正时，VD1自然换相导通，VD2截止，VT2、VD1自然续流。如此循环工作，电源电压u2的过零点0、2就是整流二极管的自然换相点，也就是该电路中控制角的起点。第二节单相桥式可控整流电路2.大电感负载不带续流二极管时的

10、情况(1)失控现象从上述工作原理可知，共阴极连接的晶闸管VT1、VT2被触发后才导通；VD1、VD2自然换相导通；改变控制角即可改变整流输出电压平均值Ud的大小。图4-12单相半控桥电感性负载不接续流二极管的情况分析a)失控时的通路b)失控时的波形第二节单相桥式可控整流电路(2)续流管的作用为了防止失控现象发生，在负载回路两端并接一续流二极管VD，如图4-11a所示。对于单相半控桥带反电动势负载的分析，除了注意串接平波电抗器后的失控问题外，其他与单相全控桥带反电势负载时情况相同，在此不再重复讨论。图4-11单相半控桥带电感性负载a)电路图b)波形图第三节三相半波可控整流电路一、电阻性负载三相半

11、波可控整流电路，如图4 13a所示。T为三相整流变压器，晶闸管VT1、VT3、VT5分别与变压器的U、V、W三相相连，三只晶闸管的阴极接在一起，经负载电阻Rd与变压器的中线相连，它们组成共阴极接法电路。1.电路工作原理与波形分析图4-13三相半波可控整流电路及=0时电压波形第三节三相半波可控整流电路(1)控制角=0时当=0时，晶闸管VT1、VT3、VT5相当于三个整流二极管，有如图4-14c所示的负载电压波形：t1t3期间，uU瞬时值最高，U相所接的晶闸管VT1可被触发导通，输出电压,V相和W相所接VT3、VT5承受反向线电压而阻断；t3t5期间，uV瞬时值最高，VT3可被触发导通，输出电压u

12、d=uV，VT1、VT5承受反向线电压而阻断；在t3t5期间，uW瞬时值最高，VT5导通，输出电压ud=uW,VT1、VT3承受反向线电压而阻断。t1、t3、t5时刻所对应的1、2、3三个点，称为自然换相点，分别是三只晶闸管轮换导通的起始点。自然换相点也是各相所接晶闸管可能被触发导通的最早时刻，在此之前由于晶闸管承受反向电压，不可能导通，因此把自然换相点作为计算控制角的起点，即该点=0，对应于t=30。第三节三相半波可控整流电路(2)控制角=30图4-14为当触发脉冲后移到=30时的波形。(3)控制角=60图4-15为当触发脉冲后移到=60时的波形，其输出电压ud波形及负载电流id波形均已断续

13、，三只晶闸管都在此相电源电压过零时自行关断。显然，当触发脉冲后移到=150时，由于晶闸管已不再承受正向电压而无法导通，0V。所以，三相半波可控整流电路带电阻性负载时，其移相角的可调范围是0150。2.定量计算(1)直流平均电压Ud及负载电流Id根据电路工作原理，ud波形在030区间是连续的，而在30150区间是断续的。第三节三相半波可控整流电路图4-15电阻性负载=60时波形图4-14电阻性负载=30时波形第三节三相半波可控整流电路二、大电感负载1.工作原理及波形分析大电感负载的三相半波可控整流电路，如图4 16a所示。由于负载是大电感，所以只要输出电压平均值Ud不为零，晶闸管导通角均为120

14、，与控制角无关。其电流波形近似为方波，如图4 16c、e所示。2.各电量计算(1)输出电压平均值UdUd=117U2cos=Udocos(2)负载电流平均值第三节三相半波可控整流电路图4-16三相半波可控整流大电感负载电路及波形第三节三相半波可控整流电路(3)流过晶闸管的电流平均值IdT、有效值IT以及承受的最高电压UTM分别为IdT=1/3Id图4-17大电感负载接续流管后的波形第三节三相半波可控整流电路3.大电感负载接续流管为了扩大移相范围并使负载电流id平稳，可在电感负载两端并接续流二极管，如图4 16a的VD。由于续流管的作用，ud波形已不出现负值，与电阻性负载ud波形相同。(1)负载

15、电压平均值Ud和电流平均值Id(2)晶闸管电流平均值IdT、有效值IT及晶闸管承受的最高电压值TM(3)续流管平均电流IdD、有效值I及承受的最高电压UDM(30150)IdD=-30/120IdID=IdUDM=U2第三节三相半波可控整流电路三、反电动势负载如图4 18所示，它与单相全控桥反电动势负载情况相似，为了使电枢电流id连续平稳，在电枢回路中串入电感量足够大的平波电抗器Ld。这样三相半波电路所带负载是含有反图4-18三相半波可控整流带平波电抗器的反电动势负载电路a)电路图b)VD不接，连续c)VD不接，不连续d)接VD，连续e)接VD，不连续第三节三相半波可控整流电路例4-4已知三相

16、半波可控整流电路电感负载，Ld=0.2H，Rd=2，U2=220V。当60时，试求：画出这两种情况的ud,uT1,iT1及iD波形；计算不接续流管与接续流管两种情况下的负载电流平均值、流过晶闸管的电流平均值和有效值。解由于Xd=Ld=3140.2=62.8Rd=2，所以电路属于大电感负载，id波形可视为平稳的直线。各相应波形如图4-19所示。图4-19电压电流波形图a)不接续流管时b)接续流管时第三节三相半波可控整流电路四、共阳极的三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路，除了上面介绍的共阴极接法外，还有一种是把三只晶闸管的阳极连接在一起，而三个阴极分别接到三相交流电源端(如图4 20a所示)

17、，这种接法称为共阳极接法。由于三只晶闸管VT2、VT4及VT6的阳极连接在一起，所以等电位，可把三只晶闸管的阳极固定在同一块大散热器上，散热效果好，安装也方便。但是，共阳极接法的三相触发电路输出脉冲变压器二次侧绕组就不能有公用线，这给调试和使用带来不便。图4-20共阳极接法三相半波可控整流电路及波形第三节三相半波可控整流电路五、整流变压器容量与整流功率关系(以=0时为例)图4-21整流变压器一、二次侧电流波形图4-22三相桥式全控整流电路及=0波形图第四节三相桥式全控整流电路一、工作原理=0时电路工作情况。图4 22a所示为接续流管时三相桥式全控整流电路。触发电路先后向各自所控制的6只晶闸管的

18、门极(对应自然换相点)送出触发脉冲，即在三相电源电压正半波的1、3、5点(正半波自然换相点)向共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5输出触发脉冲；在三相电源电压负半波的2、4、6点(负半波自然换相点)向共阳极组晶闸管VT2、VT4、VT6输出触发脉冲。负载上所得到的整流输出电压ud波形为三相电源相电压波形正负半周包络线，如图4 22b所示，或由三相电源线电压uUV、uUW、uVW、uVU、uWU和uWV的正半波所组成的包络线，如图4 22c所示。图中各线电压的交点处16就是三相桥式全控整流电路6只晶闸管VT1VT6的自然换相点，也就是晶闸管控制角的起始点。第四节三相桥式全控整流电路1)三相全控桥

19、整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。2)整流输出电压ud波形是由电源线电压uUV、uUW、uVW、uVU、uWU和uWV的轮流输出所组成的，各线电压正半波交点16分别是VT1VT6的自然换相点。图4-23三相桥式全控整流电路晶闸管的导通顺序与输出电压关系图3)6只晶闸管中每管导通120，每间隔60有一只晶闸管换流。第四节三相桥式全控整流电路二、对触发脉冲的要求为了保证整流桥路在任何时刻共阴组和共阳组各有一只晶闸管同时导通，必须对应该导通的一对晶闸管同时给出触发脉冲，为此可用以下两种触发方式：1.采用单宽脉冲触发如图4 22d所示，使

20、每一个触发脉冲的宽度大于60而小于120(如80100)，在相隔60要换相时，当后一个脉冲出现的时刻，而前一个脉冲还未消失，因此在任何换相点均能同时触发相邻两只晶闸管。例如，在触发VT3时，由于VT2的触发脉冲ug2还未消失，故VT3与VT2同时被触发导通。第四节三相桥式全控整流电路2.采用双窄脉冲触发如图4 22e所示，在触发某一相晶闸管时，触发电路能同时给前一相晶闸管补发一个脉冲(称辅助脉冲)。例如：在送出1号脉冲触发VT1的同时，对VT6也送出6号辅助脉冲，这样VT1与VT6就能同时被触通；在送出2号脉冲触发VT2的同时，对VT1也送出1号辅助脉冲，这样VT1与VT2就能同时被触通；其余

21、各管依次导通，保证在任一时刻有两管同时导通。双窄脉冲的触发电路虽然较复杂，但它可以减少触发电路的输出功率，缩小脉冲变压器的铁心体积，故这种触发方式用得较多。第四节三相桥式全控整流电路三、不同控制角时电路的电压电流波形三相全控桥带有反电动势串大电感的负载，因属于大电感性质，所以只要输出整流电压平均值不为零，每只晶闸管的导通角都是120，与控制角大小无关。负载电流为连续平稳的一条水平线，而流过晶闸管与变压器绕组的电流均为方波。1.=60时的波形如图4 24a所示，在电源线电压uWV与uUV相交点1为VT1的自然换相点亦是VT1管的起算点，过该点60触发电路同时向VT1与VT6送出窄脉冲，于是VT1

22、与VT6同时被触发导通，输出整流电压ud为uUV。当VT1与VT6导通60电角度时，uUV波形已降到零，如图4 24a中的t1点。此时触发电路又立即同时触发VT2与VT1导通。第四节三相桥式全控整流电路VT2的导通，使VT6承受反压而被关断，于是输出整流电压ud变为uUW波形，负载电流从VT6换到VT2，其余依次类推。至于晶闸管两端电压波形的画法，与三相半波电路分析方法相同，即晶闸管本身导通为零，同组相邻晶闸管导通时，就承受相应线电压波形的某一段。如图4 24a中uT1的波形就是遵循该原则画出的。2.60时的波形当60时波形出现了负面积，但由于大电感负载，只要输出电压波形ud的平均值不为零，晶

23、闸管的导通角总是能维持120。由此可见，当=90时，输出整流电压ud波形正负面积相等，平均值为零，如图4 24b所示。所以，在三相桥式全控整流电路大电感负载时，移相范围只能为090。第四节三相桥式全控整流电路四、定量计算1.整流输出电压平均值Ud对于大电感负载，在090范围，负载电流连续，晶闸管导通角均为120，输出整流电压ud波形连续，整流输出电压平均值Ud为图4-24三相全控桥大电感负载不同角时的电压与电流波形a)=60时的波形b)60时的波形第四节三相桥式全控整流电路2.负载电流平均值IdId=3.整流变压器二次侧绕组电流有效值I2由于i2波形是方波(见图4 24a中iU波形)，而且一周

24、内有三分之二时间在工作，所以，二次侧绕组(指星形联结)电流有效值I2为4.流过晶闸管的电流平均值IdT、有效值IT和晶闸管承受的最高电压UTM由于流过晶闸管的电流是方波，一周期内每管仅导通三分之一时间，所以，流过晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT分别为图4-25晶体管相控流电路及波形a)电路图b)波形图第五节晶闸管的有源逆变工作状态一、有源逆变的工作原理两电源之间的能量流转。两个直流电源E1和E2可有三种相连的电路形式，如图4 26所示。图4-26两直流电源间的功率传递1)电流从电源正极端流出者为输出功率，电流从电源正极端流入者为吸收功率。第五节晶闸管的有源逆变工作状态2)两个电源同极性相连

25、，电流总是从电动势高的电源流向电动势低的电源，电流大小取决于两电动势之差和回路电阻。3)两电源反极性相连时，电动势数值相加，若回路电阻很小，则形成短路。图4-27单相桥式电路的整流与逆变原理第五节晶闸管的有源逆变工作状态二、有源逆变产生的条件1)变流装置的直流侧必须外接有电压极性与晶闸管导通方向一致的直流电源E，且E的数值要大于Ud。2)变流器必须工作在90(90)区间，使Ud0V，才能将直流功率逆变为交流功率返送电网。3)为了保证变流装置回路中的电流连续，逆变电路中一定要串接大电抗。三、逆变失败与最小逆变角限制变流器工作在有源逆变状态时，若出现输出电压平均值与直流电源E顺极性串联，必然形成很

26、大的短路电流流过晶闸管和负载，造成事故。这种现象称为逆变失败或逆变颠覆。第五节晶闸管的有源逆变工作状态1)触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失或脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相，使交流电源电压和直流电动势顺向串联，形成短路。2)晶闸管发生故障，在应该阻断期间，器件失去阻断能力，或在应该导通期间器件不能导通，造成逆变失败。3)在逆变工作时，交流电源发生缺相或突然消失，由于直流电动势E的存在，晶闸管仍可导通，此时变流器的交流侧由于失去了同直流电动势极性相反的交流电压，则直流电动势将通过晶闸管使电路短路。4)换相的裕量角不足，引起换相失败。第五节晶闸管的有源逆变工作状态四、有源逆变应用电路常用的有源逆变电路除三相半波可控电路外，还有单相全控桥和三相全控桥电路等。1.三相半波有源逆变电路图4-28三相半波有源逆变电路图4-29三相全控桥带电动机负载的电路第五节晶闸管的有源逆变工作状态2.三相全控桥有源逆变电路图4 29为三相全控桥式有源逆变电路，晶闸管的控制过程与三相全控桥整流电路相同，只是控制角的移相范围为180。当90时，电路工作在整流状态；当90时，电路工作在逆变状态。当不同时的Ud波形如图4 30所示。图4-30为三相全控桥带电动机负载的电路及波形第五节晶闸管的有源逆变工作状态表4-1不同类型的可控整流电路