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可控整流电路分析,单相可控整流三相可控整流,可控整流电路分类和实质,整流根据输入交流电的不同和所采用的方式不同可以分为单相可控整流三相可控整流实际上变流器（整流）电路可以被看作是一种电力半导体开关阵列。这一点从三相电路更可以看出来。它的输出电压由输入的电压的分块而拼合而成。,,前面说过整流电路对不同的负载分析是不完全一样的，电流电压波形也不一样。电阻负载如电热器件（电炉），电解，电镀等。电感负载感应线圈，电机励磁绕组，经大电抗滤波器的负载等。电容负载电路输出端有滤波电容器的。反电势负载如蓄电池，直流电机的电枢电压等。,如何分析整流电路,如何分析整流电路呢1）从所采用的元件分成整流元件（SCR）2）从不同的负载的要求负载性能3）单相可控整流电流电压关系Ud0.45U21cosα/2Ud0.9U21cosα/2IdUd/R0.9U21cosα/2R,单相可控整流,1.单相半波可控整流2.单相桥式可控整流3.单相半桥可控整流电阻负载如电热器件（电炉），电解，电镀等。电感负载感应线圈，电机励磁绕组，经大电抗滤波器的负载等。电容负载电路输出端有滤波电容器的。反电势负载如蓄电池，直流电机的电枢电压等。电动机负载前面说过整流电路对不同的负载分析是不完全一样的，电流电压波形也不一样。,三相可控整流,三相半波整流三相半波可控整流三相全桥可控整流三相半桥可控整流,三相全桥可控整流电路,三相全桥可控整流电路三相半桥可控整流电路,单相可控整流,本章先讨论单相可控整流电路（基础）；下章讨论三相可控整流电路（重点）。要求同学们清楚地了解可控硅的工作原理。熟悉变流装置中发生的电磁现象、明白各主要点的电压和电流波形。以便在今后实践应用时能正确地判断电路工作的好坏。有效地寻找故障点，并快速排除故障。,单相半波可控整流电路,前面说过整流电路对不同的负载分析是不完全一样的，电流电压波形也不一样。电阻负载如电热器件（电炉），电解，电镀等。电感负载感应线圈，电机励磁绕组，经大电抗滤波器的负载等。电容负载电路输出端有滤波电容器的。反电势负载如蓄电池，直流电机的电枢电压等。,,尽管负载形式多样，接线方式很多，数量关系复杂，但是只要我们抓住以下五条进行分析就抓住了问题的实质要害⒈整流电路的输出直流平均电压Ud和交输入电压U2有效值之比与控制角α的关系；⒉交流输入电流有效值I2和直流输出平均电流之比与控制角α的关系；,,⒊流过SCR电流的有效值IT和直流输出平均电流值Id之比与控制角α的关系；⒋可控硅，硅整流管和负载电压与电流的波形；⒌触发信号的最大移相范围。我们知道，电路的实际负载可能具有一种性质，也可能几种性质都有。负载不同，电路的工作情况也不同。,一.电阻性负载,负载呈现纯电阻性质。这种负载的特点是不论流过负载的电流如何变化，负载两端的电压和流过负载的电流成正比关系，两者波形相同。如图2-2所示，当输入电压为是220V交流电即时，变压器输出在的正半周，晶闸管承受正电压满足了导通条件之一；但由于无触发信号，SCR仍未导通，负载电阻上压降0无电流流过。,当输入电压为是220V交流电即时，变压器输出电压u2在的正半周，晶闸管承受正电压满足了导通条件之一；但由于无触发信号，SCR仍未导通，负载电阻上压降ud0无电流流过。当控制角α时，触发脉冲到来，可控硅立即导通。可控硅上有电流流过。该电流也是流过负载电阻R上的电流。忽略管压降，则电阻上电压瞬时值ud应和交流电压瞬时值同相。晶闸管SCR一旦导通，门极就失去了控制作用。一直在正半周维持导通。,2.晶闸管如何关断,什么时间关断呢当ωtπ时，交流电瞬时值过零点，流过SCR的电流低于维持电流IH,SCR自行关断。电阻上压降ud和电流id均消失。当ωtπ到ωt2π这段电角度内，SCR承受反压（交流电负半周）。不管有无触发脉冲，SCR都不可能导通。直到第二个周期内，ωtα时，第二组触发脉冲来到，重复前面的过程SCR导通，有电流流过。负载上有电压电流。,由于是纯电阻负载，电流电压的关系符合欧姆定律idud/R，电流电压波形相同。所以负载上是一个极性和幅度变化着的脉冲电压。它的波形只在正半周内出现，因此称为半波整流。,晶闸管两端电压,晶闸管两端电压在ωt1前，晶闸管承受正向阳极压降；ωt1时刻触发晶闸管导通后，只有饱合压降；在交流电过零时，晶闸管关断，在交流电负半周，承受反向阳极压降u2。,引入几个概念之一,①控制角α从晶闸管开始承受正电压起到晶闸管开通时的电角度控制角α。,引入几个概念之一,②导通角θ晶闸管从导通到过零截止这一电角度称为导通角θ。显而易见θ＝π－α。或者说SCR在一个周期内导通时间用电角度表示称为导通角θ。,引入几个概念之一,③移相改变控制角α的大小就改变了触发脉冲相对与交流电过零点推后的时间。把这种通过改变控制角α的方法称为移相。,引入几个概念之一,移相原理就是通过改变移相角来改变电路输出电压电流波形，改变输出平均电压Ｕd的值。,引入几个概念之一,④同步触发信号和电源电压在频率和相位上的相互协调配合的关系称为同步。这是同频触发电路必须解决的问题。后面要具体讲。这里分析时认为是同步的。,计算五种值,1.直流平均电压Ud与控制角α的关系当ωt1α时，输入触发脉冲，则输出直流平均电压Ud（2-1）写成2-2,移相角的范围,移相角的范围α0时，Ud0.45U2απ时，Ud0显而易见，单向半波可控整流电路的移相角α的移相范围是0-180。Ud/U2,计算,对应不同的α值可以计算出一组Ud/U2的值来，以便设计电路时选择效率较高的α值。,计算,整流电流平均值Id与控制角α的关系电阻负载，电流电压同相位，符合欧姆定律（2-3）当α0时，Id0.45U2当απ时,Id0,,变压器次级绕组电流有效值I2与α的关系由于单相半波整流电路只有一个回路，故i2ikid因此回路电流的有效值就是负载电流的有效值即（2-4）计算变压器的容量和确定SCR定额时要用到I2和。Ik，另外，我们也可以计算一下I2和Id的比值，以确定波形系数（2-5）,,当α0时，I2/Id1.57；当α增大时，I2/Id也增大，即波形系数增大。当απ时，分母为0，I2/Id趋于无穷大，没有实际意义。,,功率因素,电流供给的有功功率和电源的视在功率之比为功率因素（2-6）上面的计算都忽略了晶闸管的损耗。由式2-6显见，cosφ是α的函数，α增大cosφ减小。这是因为负载电流一定时，随着α增大，SCR导通的时间缩短了。负载电阻上的电压有效值减小，结果使电源功率因素下降。,,从另一方面说，上叙的相位控制的方法只能是滞后触发，即使是电阻负载对交流电来说，变压器二次电流i2总是要滞后u2.这就相当于一个感性负载吸取滞后的无功功率。显然α越大，滞后的角度越大，其功率因素cosφ就越低。,电感性负载与续流二极管（一）,当整流回路接上感性负载时（日常生活中是些既有电感又有电阻的负载）。如图所示。前面讲过了电阻性负载，日常应用中经常遇到的是负载既有电阻，又有电感。当ωL与电阻R的数值相比不能忽略时称电感性负载。比如电机的激磁绕组。（其电阻和电感是不可分割的）感性负载的特点是回路的电流不能突变。电感对电流的变化有抗拒的作用。电流增大时，抗拒作用阻碍增大；电流减小时，抗拒作用阻碍电流减小。电流的波形滞后与电压波形。,电流流过电感时，在电感上产生一个电压（电动势），它的极性是阻碍电流增加的。当电流减小时，它的方向是阻碍电流减小的，力图维持原电流。,电感性负载,如图2-4的原理图，u1为工频正弦交流电，经变压器B变压为u2的波形仍为正弦交流电。当u2正半周时，但未到ωt1时，晶闸管承受正压，但未导通；在ωt1时ig脉冲到来，可控硅导通,,电流由零开始增加，（如果没有L存在，则电流id上升到idud/R）；由于L的存在，电流不能突变，只会从零开始慢慢增加，自感电动势的极性是上正下负，它力图阻碍电流的增加。此时，id在电感中从高电位流向低电位，故电感L从电网中吸收能量。输出电压瞬时值为显然，交流电网除供给R上消耗的能量外，还要供给L吸收的能量。随着id上升,Rid增大，使电流上升速度变慢，uL减小。当idRu2时，uL0。此时是电流id为最大值。,此后u2下降，id开始下降。电感上产生的感应电动势uLLdi/dt阻碍电流的减小。即方向变为下正上负（上负下正）。,当ωtπ时，u2电压过零。ωtπ时，u2变负。由于电感上电流不可能消失，id仍然在不断减小情况下通过变压器的次级和晶闸管流动。,为什么晶闸管还能导通,我们来看看晶闸管能否满足导通条件①晶闸管仍然维持正向压降ωtπ以后，变成上负下正，电流在电感中从低电位流向高电位，这时电感放出能量（电流方向不变）。好象变成了一个“电源”，只要，晶闸管仍然承受正向压降。可以在电源的负半周前段导通。此时输出电压为负半周（负值）。。,②电感提供能量我们知道，电感的电流不能突变。在电感中的电流保持原来的流向。只要晶闸管中流过的电流大于维持电流，晶闸管就会维持导通。电感L供出的能量除了供给电阻消耗外，还要供给变压器的次级绕组吸收能量，并通过初级绕组把能量反送给电网。晶闸管导通的两个条件都满足。晶闸管维持导通,什么时侯关断呢当ωtωt2时，电感L中的电压时，SCR承受零压，因而id0。晶闸管关断。也就是当L中的电流下降到晶闸管的维持电流后，SCR关断并立即承受反压U2。（或者说L中能量释放完毕）显见，由于电感的存在，和纯电阻相比延迟了晶闸管的关断时间。使波形出现了负值。因而会使直流输出平均电压下降,电感下Ud,由于电感的存在，和纯电阻相比延迟了晶闸管的关断时间。使波形出现了负值。因而会使直流输出平均电压下降从该式我们知道，输出的平均电压不仅与控制角α有关，也与导通角θ有关，,,从该式我们知道，输出的平均电压不仅与控制角α有关，也与导通角θ有关，同时是α和θ的函数。Udf（α，θ）导通角θ的大小有取决于电感L的大小以及电阻R的值。可以看出，如果L越大，则在正半周存储的能量就越大，在交流电负半周维持可控硅导通时间就越长。电流在电阻上产生的压降就越大。为了准确地反映R及L的影响大小，定义了φ为负载阻抗角，其值为φarctg（ωL/R）,,当α一定时，Φ愈大，说明L越大，储能越多，维持可控硅导通时间越长，θ就越大。当φ一定时，若α愈大，说明SCR在正半周导通的时间短，L中储能就少，维持SCR导通的时间就短，则θ角就愈小。,,由此回路方程可以求解出id,超越方程,解此方程可以求出θ来。（一般用作图法求解方程）。则输出直流平均电压可求出。,,当R一定时，L越大，U2进入负半周后L维持晶闸管导通时间越长。这样ud波形中负值部分占的比例就越大，平均值Ud就越低。当ωtR时，Ud波形中的负面积就越接正面积，Ud约等于0，输出的直流平均电流就很小了。见图。为了克服电感带来的负作用，我们必须寻找新的办法。,电感性负载与续流二极管（二）,当电感负载比较大，且控制角α≈θ导通角时，L维持晶闸管导通的时间就长。Ud负半周中负值的部分就越大，越接近二分之一面积.这时Ud0，输出直流电流也就很小。怎样来解决这一矛盾呢对半波整流来说，由于交流电负半周电感中的电流要流过变压器的副边，引起直流磁化，发热，供不出应有的功率。要供出相应的功率就必须加大变压器的容量。但这是很不经济的。这时主要是在交流电负半周让电感L的电流有释放回路。要解决这一问题很简单，在回路中负载和电感边上并联“续流二极管”D。,加续流二极管D后的电路如左图我们从图中可以看输出电压电流的波形，以及通路。当交流电过零变负时，电感L中的电流经过续流二极管继续流通，不经过变压器。这时晶闸管承受负压而关断。SCR只有θπ-α这段电角度内导通，流过电流ITId。,,这时，图上的黄色区虚线是因刚一开始，无电流时，电流从0开始上升到Ud/RL。因为电感很大，流过负载的电流不但连续，而且基本上维持不变。电感愈大，电流波形就愈接近一条水平线。流过续流二极管的电流（见图），续流二极管导通的电角度是（πα）。电感愈大，电流下降越小，近似在（πα）电角度内为一条平直线（与ωt轴平行）。,,平均电流id由SCR晶闸管和续流二极管共同担当。交流电正半周的ωtα时后，SCR担当。交流电负半周及ωtα前，由续流二极管担当续流任务。,α,晶闸管承受电压情况,显而易见，SCR承受的电压，其波形与纯电阻负载一样。正向时，当ωtα，且ωtπ,且ωt90时，会产生逆变。例如，若是应用在整流状态，实际上每个支路只需一个晶闸管和一个整流二极管配合使用就可以了，其电路如图210分析时我们同样以不同阻抗负载来分析，电阻负载同全桥一样，不再分析。,一、电感性负载,只要电感足够大，负载电流id为一水平线。当u2正半周时，D2处于正偏导通。当在控制角α＝时，DT1承受正压，且被触发导通。ud为u2的波形。到过零时关断，续流二极管导通。负载电流流经续流二极管DR而续流。DT1承受反压而关断。在续流期间ud0.,,当u2负半周时，D4正偏导通，在相同控制角α时DT3承受正压且有触发脉冲触发，DT3导通。续流二极管DR承受反压而关断。此时负载电流id经DT3，L，R，D4到电源变压器次级，到a点，ud波形同u2,当u2过零时，续流二极管导通，u2变负后,DT3截止。这样反复循环。这种整流电路的特点是硅整流二极管D2，D4在电源电压过零时换相；可控硅在触发时换相。,,Ud0.9U21cosα/2电流平均值IdUd/RL。,,从上面分析看出当DT1，D2导通后，u2过零后变负时，D2已承受反压而关断，D4承受正压而导通。电路即使不接续流二极管，负载电流id，也在D4，DT1内部续流。电路似乎不必再接续流二极管就能正常工作。,,在交流电的正半周，当DT1，D2导通后，u2过零后变负时，D2已承受反压而关断，D4承受正压而导通。DT1、D4导通，形成续流回路。,,在交流电的负半周，DT3承受正向电压，DT3、D4导通后，当u2过零变正后，D4承受反压而关断，D2承受正压而导通。DT3、D2导通形成续流回路。,特殊情况,实际上，当把α增大到180或突然把触发脉冲电路切断时，电路会发生正在导通的晶闸管一直导通，而两只整流二极管D2、D4不断交替导通的现象。我们把这种不是人为控制的现象叫做“失控”电路失去控制。工作中是不允许出现的，其输出波形ud为单相正弦波形。,则DT1和D4的内部自然续流也可维持整个负半周。当u2进入正半周时，DT1仍导通，D4关断，D2导通。于是，DT1和D2又构成单相半波整流（无触发信号作用）。ud波形是单相半波。平均值Ud0.45U2.,,,如图DT1和D2正处于导通状态时，突然关掉触发电路ug0，当u2过零变负时，D2关断，D4导通。这样D4和DT1就构成内部续流回路，只要L所储存的能量足够维持在u2整个负半周,,这种关断了触发电路主回路仍有直流输出的不正常现象称为电路失控现象。在生产中是不允许的。为此，电路必须接续流二极管避免失控现象，,,也可以修改电路以防失控。,,如图DT1和D2正处于导通状态时，突然关掉触发电路ug0，当u2过零变负时，D2关断，D4导通。这样D4和DT1就构成内部续流回路，只要L所储存的能量足够维持u2整个负半周,,,作业,1．单相半波可控整流电路在阻性负载，要求输出直流平均电压Ud在5092伏之间连续可调，最大输出平均电流为30A，直接由220伏交流电网供电。求①控制角α的可调范围；②负载电阻的最大有功功率和最大功率因素；③选择SCR,,2．如图所示的中小型发电机采用的单相半波自激稳压可控整流电路，当发电机满负荷运行时，相电压为220伏，要求的励磁电压为40伏。已知励磁线圈的电阻为2Ω，电感量为0.1H，试求①晶闸管及续流二极管的电流平均值和有效值；②晶闸管及续流二极管承受的最大电压；③选择SCR和续流二极管,,3．某电感负载采用带续流二极管的单相半桥可控整流电路，已知电感线圈的内阻为5Ω，输入的交流电压为220伏，α角为60，试求晶闸管及续流二极管的电流平均值和有效值；,反电动势负载,单相桥式半控整流电路结构简单，比较经济。在仅需要整流，如蓄电池充电、不可逆的电力拖动等场合应用。,