电力电子技术(第2版)[王云亮][电子教案]第1章 (2)

第2章可控整流器与有源逆变器本章主要内容整流器的结构形式、工作原理，分析整流器的工作波形，整流器各参数的数量关系和设计方法;整流器工作在逆变状态时的工作原理、工作波形。变压器漏抗对整流器的影响、整流器带电动机负载时的机械特性、触发电路等内容。晶闸管触发电路2.1简介整流电路：整流器是将交流电变换为固定的或可调的直流电。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工频可控整流器2.2单相半波可控整流器2.2.1电阻性负载1.工作原理在实际应用中，某些负载基本上是电阻性的，如电阻加热炉、电解和电镀等。电阻性负载的特点是电压与电流成正比，波形相同并且同相位，电流可以突变。首先假设以下几点：(1)开关元件是理想的，即开关元件导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大；(2)变压器是理想的，即变压器漏抗为零，绕组的电阻为零、励磁电流为零。单相半波整流电路阻性负载演示带电阻负载的工作情况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几个概念的解释：ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路几个重要的基本概念：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称为，用θ表示移相范围:是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是0～180º。通过改变触发角α的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然α=180º时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。2基本数量关系(1)输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud:α=0º时，Ud=0.45U2，α=180º时，Ud=0，所以控制角的移相范围是0~180º输出电流平均值Id:2cos145.02cos1π2dsin2π21222dUUttUU2cos145.0L2dRUI(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:π2π2sinπ41d2sin2π2122UttUUπ2π2sinπ41L2LRURUI(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：π2π2sinπ41L22TRUIII(4)晶闸管承受的最大正反向电压Um由图2-2(f)可以看出晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。(5)功率因数cosφ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，当忽略晶闸管的压降时，电源供给的有功功率为P=UI式中P—变压器二次侧有功功率S—变压器二次侧视在功率π2π2sinπ41cos222IUUISP2m2UU〖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)电路功率因数。(3)晶闸管的额定电压和额定电流。解(1)则α=90º(2)当α=90º时，输出电流有效值(3)0122045.0502145.02cosddUUA44.4π2π2sinπ412RURUI505.022020504.44cos2222UUIUUISP5.22050ddIUR(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(2~3)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。IIT)2~5.1(57.1TT(AV)IIA6.56T(AV)IV311220222mUUV933~622311)3~2()3~2(mTNUU2.2.2电感性负载1.工作原理电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等。当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电势，感应电势对负载电流的变化有阻止作用，使得负载电流不能突变。当电流增大时，电感吸收能量储能，电感的感应电势阻止电流增大；当电流减小时，电感释放出能量，感应电势阻止电流的减小，输出电压、电流有相位差。单相半波整流电路感性负载演示在ωt=0到α期间，晶闸管阳极和阴极之间的电压uAK大于零，但晶闸管门极没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等于零。在ωt=α时，门极有触发信号，晶闸管被触发导通，负载电压ud=u2。当ωt=π时，交流电压u2过零，由于有电感电势的存在，晶闸管的电压uAK仍大于零，晶闸管会继续导通，电感的储能全部释放完后，晶闸管在u2反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周。2.数量关系直流输出电压平均值Ud为)(sin2212ttdUUd当取不同的φ角时，θ=f(α)的曲线如图所示，2.2.3电感性负载加续流二极管1.工作原理从ud的波形可以看出，在负载两端并联一个续流二极管后,输出电压波形和电阻性负载一样,但电流却有着本质的区别。单相半波带续流二级管演示电源电压正半波u2＞0，晶闸管电压uAK＞0。在ωt=α处触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流，续流二极管VDR承受反向电压而处于断态。电源电压负半波u2＜0，通过续流二极管VDR使晶闸管承受反向电压而关断。电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，负载两端的电压仅为续流二极管的管压降。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续。由以上分析可以看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同为0～180º，且有α+θ=180º。2.基本数量关系(1)输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud输出电流平均值Id(2)晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值晶闸管和变压器二次侧电流有效值相等，即：2cos145.02cos1π22dsin22π212dUUttUU2cos10.45dddRURUId2)(d212d2ItIIIT（3）续流二极管的电流平均值IdDR与续流二极管的电流有效值IDR续流二极管的电流平均值IdDR为续流二极管的电流有效值IDRddDR2IId22dDR2)(d21ItII（4）晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值续流二极管承受的最大反向电压为电源电压的峰值。2m2UU2m2UU(3)续流二极管的电流平均值IdDR与续流二极管的电流有效值IDR(4)晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值。ddDR2ππIId02dDR2)(21ItdII2m2UU单相半波可控整流器的优点是电路简单，调整方便，容易实现。但整流电压脉动大，每周期脉动一次。变压器二次侧流过单方向的电流，存在直流磁化、利用率低的问题，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面，这样就导致设备容量增大。2.3单相桥式全控整流器2.3.1电阻性负载单相全控桥式整流器图和工作波形(电阻性负载)单相桥式整流电路阻性负载演示1.工作原理在电源电压u2正半波，晶闸管VT1、VT4承受正向电压。假设四个晶闸管的漏电阻相等，则在0～α区间由于四个晶闸管都不导通，uAK1，4=1/2u2。在ωt=α处触发晶闸管VT1、VT4导通，电流沿a→VT1→R→VT4→b流通，此时负载上输出电压ud=u2。电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，处于关断状态，到ωt=π时，因电源电压过零，晶闸管VT1、VT4阳极电流也下降为零而关断。在电源电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，在π～π+α区间，uAK2，3=1/2u2，在ωt=π+α处触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿b→VT3→R→VT2→a流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压ud=-u2。此时电源电压反向施加到晶闸管VT1、VT4上，使其处于关断状态。到ωt=2π，电源电压再次过零，VT2、VT3阳极电流也下降为零而关断。单相桥式整流器电阻性负载时的移相范围是0～180º。α=0º时，输出电压最高；α=180º时，输出电压最小。晶闸管承受最大反向电压Um是相电压峰值，晶闸管承受最大正向电压是Um/2。负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，从而使直流输出电压、电流的脉动程度较前述单相半波得到了改善。变压器二次绕组在正、负半周内均有大小相等、方向相反的电流流过，从而改善了变压器的工作状态并提高了变压器的有效利用率。2.基本数量关系(1)输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud为α=0º时，Ud=0.9U2，α=180º时，Ud=0，所以控制角的移相范围是0~180º输出电流平均值Id为2cos19.02cos1π22dsin2π1222dUUttUU2cos19.0L2LddRURUI(2)输出电压有效值U(3)晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2相同为晶闸管的电流平均值是输出电流的二分之一，其有效值为ππ2sinπ21dsin22π122UttUUππ2sinπ21L22RUIIIRUI212ππ2sinπ41L2T(4)晶闸管承受的最大正反向电压Um晶闸管承受的最大反向电压为电源电压的峰值晶闸管承受的最大正向电压为电源电压的峰值的一半所以晶闸管承受的正反向电压的最大值是22U2/22U22U2.3.2电感性负载1.工作原理电源电压正半波，在ωt=α处触发晶闸管VT1、VT4，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，元件导通，电流沿a→VT1→L→R→VT4→b流通，此时负载上电压ud=u2。此时电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反向阳极电压而处于关断状态。当ωt=π时，电源电压自然过零，电感感应电势使晶闸管继续导通。在电源电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，但没有触发脉冲而不导通；在ωt=π+α处触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿b→VT3→L→R→VT2→a流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压ud=-u2。此时VT1、VT4承受反向电压由导通状态变为关断状态。晶闸管VT2、VT3—直要导通到下一周期ωt=2π+α处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。单相桥式整流电路感性负载从波形可以看出α＞90º输出电压波形正负面积相同，平均值为零，所以移相范围是0～90º。控制角α在0～90º之间变化时，晶闸管导通角θ≡π，导通角θ与控制角α无关。晶闸管承受的最大正、反向电压2m2UU2.基本数量关系(1)输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id当α=0º时，Ud=0.9U2，α=90º时，Ud=0，所以控制角的移相范围是0~90º输出电流平均值Id为cos9.0cosπ22dsin2π1222dUUttUUL2Ld