第2章单相可控整流电路

第一章内容回顾晶闸管的工作原理晶闸管的特性晶闸管的主要参数第二节单相可控整流电路1一、单相半波可控整流电路2二、单相桥式全控整流电路3三、单相桥式半控整流电路一、单相半波可控整流电路重点注意：工作原理波形分析定量计算电压和电流平均值、有效值的定量计算。不同负载的影响阻性负载、感性负载、容性负载、电动势负载1.电路:交流侧接单相电源变压器T起变换电压和隔离的作用电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同U2是u2有效值u2峰值222uUsint22U（一）带电阻负载的工作情况22U2.基本工作原理TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00工作过程和特点：（1）在U2的正半周，VT承受正向电压，0～ωt1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，UVT＝U2，Ud=0;（2）ωt1以后，VT由于触发脉冲UG的作用而导通，则Ud=U2,UVT=0,Id=U2/R，一直到π时刻；（3）π～2π期间，U2反向，VT由于承受反向电压而关断,UVT=U2,Ud=0。以后不断重复以上过程。特点：为单拍电路，易出现变压器直流磁化，应用较少。单相半波可控整流电路及波形图(纯电阻负载)直流输出电压平均值Ud说明：使用万用表直流档测量Ud即为该数值；U2为电源电压有效值（220V）；α＝0时，Ud=0.45U2；α＝π时，Ud=0，可见可以通过调整α来调整Ud。2cos145.0)cos1(22)(sin221222UUttdUUd3.定量计算（二）带电感负载的工作情况负载阻抗角Φ＝arctg(ωL/R)，反映出负载中电感所占的比重，该角度越大（0~90之间），则电感量越大。当负载中的感抗ωL和R相比不可忽略时，称为电感性负载。在生产实践中，常见的电感性负载如电机的励磁绕组。电感在电力电子线路中大量使用，大容量、大功率电感常常又称为电抗器。电感中电流与感应电动势的关系：电感中电流发生变化电感产生的感应电动势将阻止电流变化。电感中电流愈大其储存的能量愈大。电流增大。电流的方向与电压方向相同，电流从高电位流到低电位，电感吸收能量。电流减小。电流的方向与电压方向相反，电流从低电位流到高电位，电感释放能量。带电感负载的工作原理工作过程和特点：（1）在U2的正半周，VT承受正向电压，0～ωt1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，UVT＝U2，Ud=0;（2）ωt1以后，VT由于触发脉冲UG的作用而导通，则Ud=U2,UVT=0，一直到π时刻。但由于L的作用，在π时刻，Ud=0，而L中仍蓄有磁场能，id0；（3）π～ωt2期间，L释放磁场能，使id逐渐减为0，此时负载反给电源充电，电感L感应电势极性是上负下正，使电流方向不变，只要该感应电动势比U2大，VT仍承受正向电压而继续维持导通，直至L中磁场能量释放完毕，VT承受反向电压而关断；带电感性负载的单相半波电路及其波形工作过程和特点请同学们思考：（a）L两端的电压何时变为上负下正，如何简单判断？（b）id能否抵达2π点？为什么？（c)一个周期中L两端的电压波形如何？（4）ωt2～2π期间，VT承受反向电压而处于关断状态，UVT＝U2，Ud=0。以后不断重复以上过程。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++ωt2ωt2ωt2ωt2带电感负载的定量计算直流输出电压平均值由于从ud的波形可以看出，此时输出的平均电压Ud和电阻负载相比，有所下降。考虑一种极端情况：如果为大电感负载，则ud中的负面积接近正面积，输出的直流平均电压Ud≈0，则id也很小，这样的电路无实际用途。所以，实际的大感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。212)(sin221ttdUUd带续流二极管的工作情况工作过程和特点：（1）在U2的正半周，VDR承受反向电压，不导通，不影响电路的正常工作;（2）π～2π期间，电感L的感应电势（下正上负）使VDR导通，此时，L释放能量，维持负载电流通过VDR构成回路，而不通过变压器。称为续流。在续流期间，VT承受u2的负压而关断，此时Ud=0。（3)当ωL》R时，id不但连续而且基本上维持不变，电流波形接近一条直线。〔注意〕：在考试中，可以直接用直线表示id。a)LTVTRu1u2uVTudVDRidu2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRiVDR带续流二极管单相半波可控整流电路及波形带续流二极管的定量计算输出直流电压的平均值Ud（和纯阻性负载相同）若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则流过SCR的电流平均值和有效值分别为：2VIIdTd21()22VIIdtITdd2cos145.02UUd续流二极管的平均电流和有效值：2RdVDdII221()22RVDddIIdtI注意：当整流电路中接有大电感负载时，对触发脉冲的宽度也有要求，即在一定宽度脉冲内，能保证晶闸管电流上升到擎住电流值，之后，即脉冲消失后晶闸管仍能导通。单相半波可控整流电路的特点线路简单、易调整，但输出电流脉动大，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。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。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。二、单相桥式全控整流电路带电阻负载的工作情况晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在实际的电路中，一般都采用这种标注方法，即上面为1、3，下面为2、4。VT1和VT3组成共阴极组，加触发脉冲后，阳极电位高者导通。VT2和VT4组成共阳极组，加触发脉冲后，阴极电位低者导通。触发脉冲每隔180°发一次，分别触发VT1、VT4、VT2、VT3。工作过程和特点：（1）0～ωt1:U2为正，VT1和VT4无触发脉冲截止，VT1和VT4分担U2/2的正向电压，VT2和VT3分担U2/2的反向电压,Ud=0;（2）ωt1～π:U2为正，VT1和VT4由于触发脉冲UG的作用而导通，VT2和VT3承受U2的反向电压，id=U2/R；（3）π～ωt2(π+ωt1)：U2为负，VT2和VT3无触发脉冲截止，VT2和VT3分担U2/2的正向电压，VT1和VT4分担U2/2的反向电压,Ud=0;（4）ωt2(π+ωt1)～2π:U2为负，VT2和VT3由于触发脉冲UG的作用而导通，VT1和VT4承受U2的反向电压，id=U2/R，且方向保持不变。RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,4ωt2ωt1ωt2ωt2ωt1ωt1基本工作原理无论u2在正半波或负半波，流过负载电阻的电流方向是相同的，ud，id波形相似。1)晶闸管的电压（uVT）：①当四个晶闸管都不通时，设其漏电阻都相等，则的VT1压降为近u2/2；②当VT1导通时，压降为其通态电压，近似为零；③当另一对桥臂上的晶闸管导通时，u2反向加在VT1上，因此晶闸管承受的最大反向电压为。2)变压器二次绕组的电流：两个半波的电流方向相反且波形对称，所以不存在直流磁化的问题。22U单相桥式全控整流电路的特点单相桥式全控整流电路的计算（1）负载电压①平均值：直流输出电压平均值Udα＝0时，Ud=0.9U2；α＝π时，Ud=0。可见：在同样的控制角α情况下，输出的平均电压Ud是单相半波的两倍；SCR可控移相范围为180；属于双拍电路。②有效值:2cos19.0)cos1(2)(sin21222UUttdUUd22211(2sin)()sin22UUtdtU（2）负载电流:①直流输出电流平均值Id②直流输出电流有效值I，即为变压器二次侧绕组电流有效值I22cos19.02cos12222ddRURURUI2sin21)(d)sin2(12222RUttRUII（3）流过每个晶闸管的电流:①SCR的平均电流idT由于SCR轮流导电，所以流过每个SCR的平均电流idT只有负载上平均电流的一半。②SCR的有效电流IVT，由于SCR轮流导电，所以IVT为：211cos0.4522VUIIRdTd222211(sin)()sin2222VTUUItdtRR12VTII（4）功率因数:电源提供视在功率为:负载消耗的有功功率为:所以:22S=UI2P=IR=UI221cossin22UIUI1.电路2.工作原理为便于讨论，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，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断；至ωt=π+α时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通，而VT1和VT4立刻承受负电压，故两管关断。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4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。TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4单相全控桥带电感性负载时的电路及波形带电感性负载的工作情况（1）整流电路输出电压的平均值：晶闸管移相范围为90，因为当α＝0时，Ud＝0.9U2；α＝90时，Ud＝0。（2）整流电路输出平均电流Id（因为负载电感很大，输出电流波动很小，可以近似看作直流，而电感对于直流可以看作短路）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α角决定，有效值I＝I2=Id。cos9.0cos22)(dsin21222dUUttUURUIdd3.定量分析（3）流过晶闸管的电流①SCR的电流平均值IdVT为：②有效值：（4）晶闸管承受的电压①最大正向电压：②最大反向电压：（5）两组晶闸管轮流导通各导通180°,与控制角α无关。dVTd12II12VTdII22U1.电路2.工作原理对于像蓄电池、直流电动机的电枢（转子）这类负载，本身有反电势，对整流电路来说，称为反电动势负载。在|u2|E时，晶闸管才承受正电压，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与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导通，δ称为停止导电角。在α角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。a)b)REidudidOEudtIdOt带反电动势单相桥式全控整流电路图及波形212sinUE带反电动势负载时的工作情况输出电流平均值有效值其中:22sin1dUtEIdtR222sin1()UtEIdtR+=-单相桥式半控整流电路（单相半控桥）1.电路单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，为了对每个导电回路进行控制，其实只需1个晶闸管就可以了，另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（单相半控桥）。当负载为阻性负载时，单相半控桥与单相全控桥工作过程和波形完全一致。单相半控桥中一般使用续流二极管VDR，它的作用是防止在感性负载时，出现失控现象。a)TabRLOb)u2i2udidVT1VT2VD3VD4VDRu2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIdIdtttttttiVT1iVD4iV