天津冶金职业技术学院教案(

1天津冶金职业技术学院教案(首页)学年：2006~2007学期：第二学期课次7课时2班级电气05-1、2电气05-3、4电子05-1、2周次4日期课题第2章相控整流电路性能指标单相半波相控整流电路教学目的理解和掌握单相半波相控整流电路的电路结构、工作原理、波形、电气性能、分析方法和参数计算课型面授■多媒体■机房□实验□实习□课程设计□教学重点波形分析和基本电量计算的方法教学难点波形分析实践环节多媒体作业2—1～4教研室主任意见：同意该计划，单相相控整流电路是本章内容的基础和重点，掌握其分析方法对后续知识的学习非常有帮助。签字：刘沂日期：2007.3.262天津冶金职业技术学院教师授课教案第2章相控整流电路2.1整流器的性能指标2.2单相相控整流电路2.3三相相控整流电路2.4相控整流电路的换相压降2.5整流电路的有源逆变工作电路2.6晶闸管相控电路的驱动控制3天津冶金职业技术学院教师授课教案天津冶金职业技术学院教师授课教案第2章相控整流电路整流电路；交流转换为直流。相控整流电路:电压可调。二极管整流电路:电压固定。相控整流电路的类型：按照输入交流电源的相数:单相、三相和多相整流电路；按电路中组成的电力电子器件控制特性:不可控、半控整流电路；根据整流电路的结构形式:半波、全波和桥式整流电路等类型。2.1整流器的性能指标定义：利用电力电子器件的可控开关特性把交流电能变为直流电能的整流电路构成的系统称为整流器。整流器电路性能和控制方式必须满足的要求：（1）输出的直流电压大小可以控制；（2）输出直流侧电压和交流侧电流中的纹波都必须限制在允许范围内；（3）整流器的效率要高。1、电压纹波系数u整流器的输出电压是脉动的，其中除了有主要的直流成分外，还有一定交流谐波成分。定义整流器的输出电压的交流纹波有效值HU与直流平均值DU之比为电压纹波系数u。即：DHuUU（2.1.1）如果直流输出电压有效值用U表示，则22DHUUU，4天津冶金职业技术学院教师授课教案天津冶金职业技术学院教师授课教案因此有：12DuUU（2.1.2）2、电压脉动系数nS若第n次谐波峰值为Unm,则定义nmU与DU之比为电压脉动系数nS，DnmnUUS（2.1.3）3、输入电流总畸变率THD整流电路输出为各次谐波电流之和。输入电流总畸变率THD（TotalHarmonicDistortion）又称谐波因数HF（HarmonicFactor），是指除基波电流以外的所有谐波电流有效值与基波电流效值之比，即：2122212112121nssnsnsssssIIIIIIIITHD（2.1.4）式中snI为n次谐波电流有效值。4、输入功率因数PF定义交流电源输入有功功率平均值P与其视在功率S之比为输入功率因数PF（Powerfactor）,即：SPPF（2.1.5）ssIUS对于无畸变的正弦波，谐波电流在一个周期内的平均功率为零，只有基波电流s1I形成有功功率11cosssIUP上式中1是输入电压与输入电流基波分量之间的相位角。则1cos称为基波位移因数(或基波功率因数)，于是输入功率因数为:5天津冶金职业技术学院教师授课教案天津冶金职业技术学院教师授课教案1111coscosssssssIIIUIUSPPF（2.1.6）式中ssII1称为基波因数，且有22122221111111THDIIIIIIInssnnsnssss所以：211cosTHDPF（2.1.7）上式表明：功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定。1越小，基波功率因数1cos越大，相应的PF也越大。另一方面，输入电流总畸变率THD越小，功率因数PF也越大。2.2单相相控整流电路单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相相控控整整流流电电路路，，它它们们所所连连接接的的负负载载性性质质不不同同就就会会有有不不同同的的特特点点。。22..22..11单单相相半半波波相相控控整整流流电电路路1.电阻性负载图2.2.1单相半波可控整流1)工作原理6天津冶金职业技术学院教师授课教案如图2.2.1（a）所示是单单相相半半波波相相控控整整流流带带电阻性负载的电电路路。。图图中中rT称称为为整整流流变变压压器器，，其其二二次次侧侧的的输输出出电电压压为为222sinuUt（（22..22..11））在电源正半周，晶闸管T承受正向电压，ωωttα期间由于未加触发脉冲gu，T处于正向阻断状态而承受全部电压2u，负载Rd中无电流通过，负载上压ud为零。在ωωtt=α时T被gu触发导通，电源电压2u全部加在dR上（忽略管压降），到ωωtt=π时，电压2u过零，在上述过程中，du=2u。随着电压的下降电流也下降，当电流下降到小于晶闸管的维持电流时，晶闸管T关断，此时di、du均为零。在2u的负半周，T承受反压，一直处于反相阻断状态，2u全部加在T两端。直到下一个周期的触发脉冲gu到来后，T又被触发导通，电路工作情况又重复上述过程。如图2.2.1（b）所示。在单相相控整流电路中，定义晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度α称为控制角(或移相角)，晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，用θ表示。对于图2.2.1所示的电路，若控制角为α，则晶闸管的导通角为（2.2.2）2)电阻性负载时参数计算：（1）整流输出电压平均值du根据波形图2.2.1(b)，可求出整流输出电压平均值为2cos145.02cos12)(sin221222UUttdUUd＝＝(2.2.3)上式表明，只要改变控制角α(即改变触发时刻)，就可以改变整流输7天津冶金职业技术学院教师授课教案出电压的平均值，达到相控整流的目的。这种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。当α=0时，du=0，当α=π时，du=0.452u为最大值。移相范围：整流输出电压du的平均值从最大值变化到零时，控制角α的变化范围为移相范围。单相半波相控整流电路带电阻性负载时移相范围为π。(2)整流输出电压的有效值U根据有效值的定义，整流输出电压的有效值为242sin)()sin2(21222UtdtUU(2.2.4)(3)整流输出电流的平均值dI和有效值IRUIdd（2.2.5）RUI（2.2.6）(4)变压器二次侧输出的有功功率P、视在功率S和功率因数PF如果忽略晶闸管T的损耗，则变压器二次侧输出的有功功率为UIRIPd2（2.2.7）电源输入的视在功率为IUS2（2.2.8）电路的功率因数242sin22UUIUUISPPF（2.2.9）从上式可知，功率因数是控制角α的函数，且α越大，相控整流输出电压越低，功率因数PF越小。当α=0时，PF=0.707为最大值。这是因为电路的输出电流中不仅存在谐波，而且基波电流与基波电压(即电源输入正弦电压)也不同相，即使是电阻性负载，PF也不会等于1。8天津冶金职业技术学院教师授课教案例2-1单相半波相控制整流电路，电阻性负载，5dR，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α、导通角θ、电源容量及功率因数，并选用晶闸管。解由于21cos0.452dUU，把50dUV、2220UV代入，可得α=89°导通角18089911.59rad因为sin22224UIAR，所以电源容量24840SUIVA功率因数2sin20.49924PUIPFSUI选用晶闸管元件承受的最大电压22311TMUUV(2~3)(2~3)311622~933,800TnTmUUVV选取。流过晶闸管的电流的有效值22TIA晶闸管的额定电流()22(1.5~2)(1.5~2)21~28,301.571.57TTAVIIAA选取，所以选用晶闸管的型号为KP30-8。2.电感性负载（等效为电感L和电阻R串联）（1）工作原理及参数计算整流电路的负载常常是电感性负载。感性负载可以等效为电感L和电阻R串联。图2.2.2（a）是带电感性负载的单相半波可控整流电路，图2.2.2（b）是整流电路各电量波形图。当正半周时，1tt时刻触发晶闸管T，2u加到感性负载上。由于电感中感应电动势的作用，电流di只能从零开始上升，到2tt时刻达最大值，9天津冶金职业技术学院教师授课教案图2.2.2感性负载单相半波可控整流电路及其波形随后di开始减小。由于电感中感应电动势要阻碍电流的减小，到3tt时刻2u过零变负时，di并未下降到零，而在继续减小，此时负载上的电压du为负值。直到4tt时刻，电感上的感应电动势与电源电压相等，di下降到零，晶闸管T关断。此后晶闸管承受反压，到下一周的5t时刻，触发脉冲又使晶闸管导通，并重复上述过程。从图2.2.2（b）所示的波形可知，在电角度α到π期间，负载电压为正，在π到θ+α期间负载上电压为负，因此，与电阻性负载相比，感性负载上所得到的输出电压平均值变小了，其值可由下式计算：11()()22ddRdLRLUUUudtudt（2.2.10）0011()()0222dLLdiLUudtLdtdidt（2.2.11）故1()2dRUudt（2.2.12）(2)续流二极管（FreeWheelingDiode）的作用由由于于负负载载中中存存在在电电感感，，使使负负载载电电压压波波形形出出现现负负值值部部分分，，晶晶闸闸管管的的导导通通角角θθ变变大大，，且且负负载载中中LL越越大大，，θθ越越大大，，输输出出电电压压波波形形图图上上负负压压的的面面积积越越大大，，从从而而使使输输出出电电压压平平均均值值减减小小。。在在大大电电感感负负载载ωωLLRR的的情情况况下下，，负负载载电电压压波波形形图图中中正正负负面面积积相相近近，，即即不不论论αα10天津冶金职业技术学院教师授课教案为为何何值值，，22，，都都有有0dU。。其其波波形形如如图图22..22..33所所示示。。图图22..22..33ωωLLRR时时不不同同αα时时的的电电流流波波形形在在单单相相半半波波相相控控整整流流电电路路中中，，由由于于电电感感的的存存在在，，整整流流输输出出电电压压的的平平均均值值将将减减小小，，特特别别在在大电感负载（ωωLLRR））时时，，输输出出电电压压平平均均值值接接近近于于零零，，负负载载上上得得不不到到应应有有的的电电压压。。解解决决的的办办法法是是在在负负载载的的两两端端并并联联续流二极管DD。。图图22..22..44大大电电感感负负载载接接续续流流管管的的单单相相半半波波整整流流电电路路及及电电流流电电压压波波形形如如图图22..22..44((aa))为为大大电电感感负负载载接接续续流流管管的的单单相相半半波波整整流流电电路路。。针针对对图图22..22..44((bb))所所示示的的电电路路，，在电源电压正半周ωωtt==αα时时刻刻触触发发晶闸管导通，二极管DD承承受受反反压压不不导导通通，，负载上电压波形与不加二极管时相同。当电源电压过零变负时，二极管受正向电压而导通，负载上电感维持的电流经二极管继续流通，故二极管D称为续流二极管。二极管导通时，晶闸管被加上反向电压而关断，此时负载上电压为零不会出现负电压。由此可见，在电源电压正半周，负载电流由晶闸管导通提供；电源电压负11天津冶金职业技术学院教师授课教案半周时，续流二极管D维持负载电流；因此负载电流是一个连续且平稳的直流电流。大电感负载时，负载电流波形是一条平行于横轴的直线，其值为dI。波形图如图22..22..44((bb