1、2-1,2.1.1 单相半波可控整流电路,图2-1 单相半波可控整流电路及波形,1）带电阻负载的工作情况,变压器T起变换电压和电气隔离的作用。 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。,单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier),2-2,2.1.1 单相半波可控整流电路,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。,首先，引入两个重要的基本概念： 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
2、态的电角度，用表示 。,基本数量关系,2-3,直流输出电压平均值,VT的a 移相范围为0-180,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,基本数量关系,输出电压的有效值,a从0变到p，输出电压的平均值从U2m/p变到0；输入变压器电流含直流分量，会产生磁饱和问题。,重要结论,2-4,例,单相半波晶闸管整流器带纯电阻负载，若触发角为p/2，求整流器的效率、变压器利用因数TUF和输入功率因数PF。,2-5,纯电阻，电流为正弦之一部分,输入电流基波有效值,2-6,谐波分析常用数学公式,2-7,阻感负载的特点：电流不能发生突变 电力电子电路的一种基本分析方
3、法 通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算 对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路,图2-2 带阻感负载的单相半波电路及其波形,2. 带阻感负载的工作情况,2-8,（2-3）,（2-4）,初始条件：t= a ，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得,其中,当t=+a 时，id=0，代入式（2-3）并整理得,2-9,f、a、 的关系 若f为定值，a 越大，正半周L储能越少，越小 若a为定值，f越大，则L贮能越多，越大；且f 越大，负半周L维持管导通的时间越接近管正半周导通时间，平均
4、值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。,超越方程，q用迭代法求解,2-10,当u2过零变负时，VDR导通，ud为零。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。续流期间ud为0，ud中不再出现负的部分,图2-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管,2-11,电感充分大时,若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有,VT,VDR,数量关系,直流输出电压平均值,2-12,VT的a 移相范围为180。 a从0变化到p,输出电压平均值从Um/p变化到0. 简单
5、，但输出脉动大，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 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,单相半波可控整流电路的特点,2-13,延迟此脉冲信号a角，经过隔离电路将其加到晶闸管的门极和阴极间。,输出电压、电流都是非正弦的。,单相半波的触发控制特点,在电源电压由负变正过0时产生一个脉冲信号。,2-14,脉冲发生器设定：周期0.02s,宽度10，相位滞后90/360*0.02s,幅值10,单相半波可控整流电路的仿真,输出电压平均值（直流电压）,2-15,单相半波可控整流阻感负载a=90度电流断续的仿真波形,输出电压,输出电流
6、,2-16,2.1.2 单相桥式全控整流电路,1) 带电阻负载的工作情况,a),工作原理及波形分析 VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。 VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,电路结构,单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier),4管均关断时，电压由两管串联承担；2管导通时，未导通管承受反向全压,2-17,2.1.2 单相桥式全控整流电路,数量关系,（2-9）,a 角的移相范围为180。,向负载输出的平均电流值为：,流
7、过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：,（2-10）,(2-11),半波的一倍，重要公式,2-18,2.1.2 单相桥式全控整流电路,流过晶闸管的电流有效值：,变压器二次测电流有效值I2：,由式（2-12）和式（2-13）得：,（2-12）,（2-14）,2-19,在电源电压由负变正过0时产生一个脉冲信号。,延迟此脉冲信号a角，经过隔离电路将其加到晶闸管1、4的门极和阴极间。,同时延迟此脉冲信号ap角，经过隔离电路将其加到晶闸管2、3的门极和阴极间。,单相全波的触发控制特点,2-20,2.1.2 单相桥式全控整流电路,2）带阻感负载的工作情况,u,图2-6 单相全控桥带 阻感负载时
8、的电路及波形,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，晶闸管VT1和VT4并不关断。 至t=+a 时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。 VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，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。,电流电压同方向，输出功率为正：整流工作状态rectification mode,电压电流反方向，输出功率为负，称为逆变工作状态inversion mode 电感存储的能量通过晶闸管逆向变换回送电网,2-21,（2-15）,2.1.2 单相桥式
9、全控整流电路,数量关系,晶闸管移相范围为90。,晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：,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a角决定，有效值I2=Id。,晶闸管承受的最大正反向电压均为 。,超过90度则输出电压平均值小于0，整流器总体进入逆变工作状态【电感充分大】。,晶闸管单向导电，输出电流不改变方向。,输出电压的平均值随触发角变化可能改变正负极性。,输出电压的有效值,电感无穷大时输出电压有效值与触发角无关，恒等于输入端电压有效值,2-22,例,单相全控桥式整流电路。设负载电感充分大，输出电流连续，纹波可以忽略，U2=120V。求输入电流的F级数表达；输
10、入电流的谐波因数、输入位移功率因数和总功率因数。如果触发角a=p/3，计算输出电压的平均值、有效值、输入位移功率因数和总功率因数。,解：,电流基波滞后电压相角为a,输入电流基波有效值为,2-23,例,单相全控桥式整流电路。设负载电感充分大，输出电流连续，纹波可以忽略，U2=120V。求输入电流的F级数表达；输入电流的谐波因数HF、输入位移功率因数DF和总功率因数PF。如果触发角a=p/3，计算输出电压的平均值、有效值、输入位移功率因数和总功率因数。,解：,负载电感充分大时输入电流的基波含量总是占90，谐波因数总是保持48.34%,与a无关。,随触发角的后移，功率因数显著降低,2-24,2.1.
11、2 单相桥式全控整流电路,3） 带反电动势负载时的工作情况,图2-7 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形,在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，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 。,2-25,2.1.2 单相桥式全控整流电路,当 d时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。,图2-7b 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的波形,电流断续,触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=d时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为d。,如图2-7b所示id波形所示：,串入足够大电
12、感可使电流连续,2-26,2.1.2 单相桥式全控整流电路,负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机 的机械特性将很软 。,为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。,这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。 为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出【50Hz】：,（2-17）,如果电流断续，导通角越小，电流波形底部越狭窄，为增大平均电流，必须较多降低反电势，随负载增大，电机转速降落较大。,2-27,2.1.2 单相桥式全控整流电路,对大感性负载，单相全控桥当触发角a从0到p变化时，输出电压的平均值从2Um/p变化
13、到2Um/p；,对纯电阻负载，触发角a变化范围为0到p，对应输出平均电压从2Um/p变化到0。,在大感性负载时单相全控桥可工作在两个象限（整流、逆变），对纯电阻负载只能工作在一个象限（整流）。,2-28,2.1.3 单相全波可控整流电路【略】,单相全波可控整流电路（Single Phase Full Wave Controlled Rectifier)，又称单相双半波可控整流电路。,单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。 变压器不存在直流磁化的问题。,图2-9 单相全波可控整流电路及波形,2-29,2.1.4 单相桥式半控整流电路【略】,电路结构单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，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（先不考虑VDR）。,u,d,图2-10 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。,2-30,习题,2-3,2-5 新33，35,讨论：有效值等效: 陈坚 电力电子学 高等教育出版社 2004年第二版 p25 额定电流: IFR: 额定发热所允许的正弦半波电流的平均值.,全周期均方根电流,即额定电流为100A的功率管在一个正弦周期内(单向导电)可通过有效值为157A的电流,其功耗发热不会超过允许值.,
