【正文】 第 3章 交流 直流變換電路 概述 單相可控整流電路 三相可控整流 有源逆變電路 整流電路的性能指標(biāo)及應(yīng)用技術(shù) 本章小結(jié) 概述 整流電路的分類 ： 按組成的器件可分為 不可控 、 半控 、 全控 三種。 按電路結(jié)構(gòu)可分為 橋式電路 和 零式電路 。 按交流輸入相數(shù)分為 單相電路 和 多相電路 。 按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路 和 雙拍電路 。 整流電路 ： 出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姟? 單相可控整流電路 單相半波可控整流電路 單相全控橋式整流電路 單相半控橋式整流電路 34 單相半波可控整流電路 一、電阻性負(fù)載 電爐 、 電焊機(jī)及白熾燈等均屬于電阻性負(fù)載 變壓器 T起變換電壓和電氣隔離的作用 。 電阻負(fù)載的特點(diǎn) ：電壓與電流成正比 ， 兩者波形相同 。 工作原理分析 圖 321 單相半波可控整流電路 （電阻性負(fù)載）及波形 w w w w t T VT R 0 a) u 1 u 2 u VT u d i d w t 1 p 2 p t t t u 2 u g u d u VT a q 0 b) c) d) e) 0 0 35 工作原理分析 ? 在電源電壓正半周，晶閘管承受正向電壓，在 ωt=α處觸發(fā)晶閘管，晶閘管開始導(dǎo)通；負(fù)載上的電壓等于變壓器輸出電壓 u2。在ωt=π時(shí)刻，電源電壓過零，晶閘管電流小于維持電流而關(guān)斷，負(fù)載電流為零。 ? 在電源電壓負(fù)半周， uAK＜ 0，晶閘管承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載電流為零，負(fù)載上沒有輸出電壓，直到電源電壓 u2的下一周期，直流輸出電壓 ud和負(fù)載電流 id的波形相位相同。 ? 通過改變觸發(fā)角 α的大小，直流輸出電壓ud的波形發(fā)生變化，負(fù)載上的輸出電壓平均值發(fā)生變化，顯然 α=180186。時(shí)， Ud=0。由于晶閘管只在電源電壓正半波內(nèi)導(dǎo)通，輸出電壓 ud為極性不變但瞬時(shí)值變化的脈動(dòng)直流，故稱 “ 半波 ” 整流。 單相半波可控整流電路 w w w w t T VT R 0 a) u 1 u 2 u VT u d i d w t 1 p 2 p t t t u 2 u g u d u VT a q 0 b) c) d) e) 0 0 圖 321 單相半波可控整流電路 （電阻性負(fù)載）及波形 36 首先 ， 引入兩個(gè)重要的基本概念： ? 觸發(fā)延遲角 ：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度 ,用 α表示 ,也稱觸發(fā)角或控制角 。 ? 導(dǎo)通角 ： 晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為導(dǎo)通角，用 θ表示 。 通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為 相位控制方式 ，簡稱 相控方式 。 在單相半波可控整流電阻性負(fù)載電路中 , ? 移相角 α的控制范圍為 :0～ π， ? 對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通角 θ的可變范圍是 π～ 0， ? 兩者關(guān)系為 α＋ θ=π。 單相半波可控整流電路 37 2. 基本數(shù)量關(guān)系 (1) 直流輸出電壓平均值 Ud與輸出電流平均值 Id ? ? 2c o o s1π2ds i n2π2 1 222d aawwpa ????? ? UUttUU2c o s10 . 4 5 2dda???RURUI 單相半波可控整流電路 ? 輸出電流平均值 Id : ? 直流輸出電壓平均值 Ud : 38 (2) 輸出電壓有效值 U與輸出電流有效值 I ? ? ? ? π2π2s i nπ4 1d2s i n2π2 1 22 aapa ww ????? UttUUπ2π2s i nπ412 aa ????RURUI 單相半波可控整流電路 ? 輸出電流有效值 I : ? 直流輸出電壓有效值 U : 39 (3) 晶閘管電流有效值和變壓器二次側(cè)電流有效值 ? 單相半波可控整流電路中，負(fù)載、晶閘管和變壓器二次側(cè)流過相同的電流，故其有效值相等，即： π2π2s i nπ4122Taa ?????RUIII 單相半波可控整流電路 310 (4) 功率因數(shù) cosφ ? 整流器功率因數(shù)是變壓器二次側(cè)有功功率與視在功率的比值 式中 P— 變壓器二次側(cè)有功功率， P=UI=I2R S— 變壓器二次側(cè)視在功率， S=U2I2 (5) 晶閘管承受的最大正反向電壓 UTM 晶閘管承受的最大正反向電壓 UTM是相電壓峰值。 π2π2s i nπ41c o s222 aa? ?????IUUISPU UTM ? 2 2 單相半波可控整流電路 311 〖 例 31〗 如圖所示單相半波可控整流器，電阻性負(fù)載，電源電壓 U2為 220V，要求的直流輸出電壓為 50 V，直流輸出平均電流為 20A。 試計(jì)算： (1) 晶閘管的控制角。 (2) 輸出電流有效值。 (3) 電路功率因數(shù)。 (4) 晶閘管的額定電壓和額定電流。 單相半波可控整流電路 312 解 : (1) 2c o s ???????2dUUaA 4 4 . 4 π2π2s i nπ4 12 ????? aaRURUI當(dāng) α=90186。時(shí) ， 輸出電流有效值 22020c o s2222 ??????UUIUUISP?(3) dd ???IUR Ω (2) 則 α=90186。 313 (4) 晶閘管電流有效值 IT 與輸出電流有效值相等 ， 即： II ?T )2~(TT ( A V )II ?A ( AV ) ?IV31122022 2m ???? UUV 933~622311)3~2()3~2( mTN ??? UU（ 5）晶閘管承受的最高電壓： 考慮 (2~3)倍安全裕量，晶閘管的額定電壓為 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以選取滿足要求的晶閘管。 取 2倍安全裕量，晶閘管的額定電流為： 則 314 單相半波可控整流電路 2） 電感性負(fù)載 ? 電感性負(fù)載 通常是電機(jī)的勵(lì)磁線圈和負(fù)載串聯(lián)電抗器等 。 ? 電感性負(fù)載的特點(diǎn)： 電感對(duì)電流變化有抗拒作用 ， 使得流過電感的電流不發(fā)生突變 。 圖 322 帶阻感負(fù)載的 單相半波電路及其波形 a) u1TVTRLu2uVTudidu20 w t1p 2 p w tw tw tw tw tug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ +315 圖 323 帶阻感負(fù)載 (不接續(xù)流管 )的 單相半波電路及其波形 1. 無 續(xù)流二極管時(shí) ? 工作原理 ? 0~α： uAK大于零，但門極沒有觸發(fā)信號(hào)，晶閘管處于正向關(guān)斷狀態(tài)，輸出電壓、電流都等于零。 ? 在 ωt=α?xí)r，門極有觸發(fā)信號(hào)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載電壓 ud= u2。 ? 當(dāng) ωt=π時(shí)，交流電壓 u2過零，由于有電感電勢(shì)的存在，晶閘管的電壓uAK仍大于零，晶閘管會(huì)繼續(xù)導(dǎo)通，電感的儲(chǔ)能全部釋放完后，晶閘管在 u2反壓作用下而截止。直到下一個(gè)周期的正半周。 單相半波可控整流電路 有負(fù)面積 316 ? 數(shù)量關(guān)系 直流輸出電壓平均值 Ud為 從 Ud的波形可以看出，由于電感負(fù)載的存在，電源電壓由正到負(fù)過零點(diǎn)也不會(huì)關(guān)斷，輸出電壓出現(xiàn)了負(fù)波形，輸出電壓和電流的平均值減?。划?dāng)大電感負(fù)載時(shí)輸出電壓正負(fù)面積趨于相等，輸出電壓平均值趨于零，則 Id也很小。所以，實(shí)際的大電感電路中，常常在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管 。 ? ?? qaa wwp )(s i n22 1 2 ttdUU d 單相半波可控整流電路 317 ? 工作原理 ? u2＞ 0： uAK＞ 0。在 ωt=α處觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通， ud= u2續(xù)流二極管 VDR承受反向電壓而處于斷態(tài)。 ? u2＜ 0： 電感的感應(yīng)電壓使VDR承受正向電壓導(dǎo)通續(xù)流，晶閘管承受反壓關(guān)斷 ,ud=0。如果電感足夠大，續(xù)流二極管一直導(dǎo)通到下一周期晶閘管導(dǎo)通，使 id連續(xù)。 單相半波可控整流電路 圖 324 帶阻感負(fù)載 (接續(xù)流管 )的 單相半波電路及其波形 u 2 u d i d u VT i VT I d I d w t 1 w t w t w t w t w t w t O O O O O O p a p + a b) c) d) e) f) g) i VD R a) 318 ? 由以上分析可以看出，電感性負(fù)載加續(xù)流二極管后，輸出電壓波形與電阻性負(fù)載波形相同，續(xù)流二極管可以起到提高輸出電壓的作用。在大電感負(fù)載時(shí)負(fù)載 電流波形連續(xù)且近似一條直線，流過晶閘管的電流波形和流過續(xù)流二極管的電流波形是矩形波 。 ? 對(duì)于電感性負(fù)載加續(xù)流二極管的單相半波可控整流器移相范圍 與單相半波可控整流電路電阻性負(fù)載相同為0～ 180186。，且有 α+θ=180186。 單相半波可控整流電路 319 ?基本數(shù)量關(guān)系 (1) 輸出電壓平均值 Ud與輸出電流平均值 Id 輸出電壓平均值 Ud 輸出電流平均值 Id ? ? 2c o o s1π 22ds i n22π2 1 2d aawwpa ????? ? UUttUU2c o s10 . 4 5 ddda???RURUI 單相半波可控整流電路 320 (2) 晶閘管的電流平均值 IdT與晶閘管的電流有效值 IT 晶閘管的電流平均值 IdT ： 晶閘管的電流有效值 IT： d2 ππdT IIa?d2)(2d21T ItdII pappa wp???? 單相半波可控整流電路 321 (3) 續(xù)流二極管的電流平均值 IdD與續(xù)流二極管的電流有效值 ID ddD 2 ππ II a??d02dD 2)(21 ItdIIpapwpap ??? ? ? 單相半波可控整流電路 322 ? 單相半波可控整流電路的特點(diǎn) – 簡單，但輸出脈動(dòng)大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。 – 實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。 – 分析該電路的主要目的是建立起整流電路的基本概念。 單相半波可控整流電路 單相全控橋式整流電路 1) 帶電阻負(fù)載的工作情況 a) u ( i ) p w t w t w t 0 0 0 i 2 u d i d b) c) d) d d a a u VT 1,4 圖 325 單相全控橋式 帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形 工作原理及波形分析 VT1和 VT4組成一對(duì)橋臂 ， 在u2正半周承受電壓 u2， 得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通 ， 當(dāng) u2過零時(shí)關(guān)斷 。 VT2和 VT3組成另一對(duì)橋臂 ，在 u2正半周承受電壓 u2， 得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通 ， 當(dāng) u2過零時(shí)關(guān)斷 。 電路結(jié)構(gòu) 單相全控橋式整流電路 (Single Phase Bridge Contrelled Rectifier) 324 ? 數(shù)量關(guān)系 1)輸出直流電壓平均值 Ud及有效值 U（ a 角的移相范圍為 180?。 ） ? ????? pa aapwwp 2c o o s122)(ds i n21 222d UUttUU2c o 2c o s122 22ddaap?????RURURUI2c o 21 2 a???RUIIddT 單相全控橋式整流電路 ppppppaaUaaUU ?????? 2s i n2122s i n412222) 輸出直流電流平均值 Id 3) 晶閘管電流平均值 IdT和有效值 IT p w t w t w t 0 0 0 i 2 u d i d b) c) d) d d a a u VT 1,4 325 單相全控橋式整流電路 papapwwppa???? ? 2s i n2