我国矿业大学电力电子考研汇总冒死晶闸管可控整流电路单相.ppt

,*,我国矿业大学电力电子考研汇总冒死晶闸管可控整流电路单相,3.1,整流电路的构成原理,整流电路的整流原理,整流电路的基本类型,整流电路的换相规律,负载性质对电路工作的影响,分析整流电路的假设条件,整流电路研究、学习的基本内容,一,.,整流电路的整流原理,整流电路主要分为,相控整流电路,和,PWM,整流电路,相控整流原理：,利用整流管和晶闸管的单相导电开关特性，构成输出单一极性的电力变换电路，从而将输入的交流电能转换为输出的直流电能。,整流电路通常先由整流变压器将电源电压变换为幅值适宜的交流电压，再由直流变换电路变换后得到负载所需要的直流电压。,二,.,整流电路的基本类型,划分,依据,电源相数,变压器次级绕组工作制,组成器件,负载性质,基本,类型,单相,三相,多相,半波,桥式,不可控,可控,半控,电阻负载,阻感负载,反电动势,阻容负载,图,1,：单相半波不可控整流电路,图,2,：单相半波可控整流电路,图,4,：三相半波不可控整流电路,图,5,：三相半波可控整流电路,图,6,：三相全桥可控整流电路,图,3,：单相全桥半控整流电路,整流电路的原理图,1,半波整流电路,据整流电路中开关元件的连接方式，可分为,共阴极组,接法和,共阳极组,接法。,当整流电路中各开关元件的阴极接于一 点，而阳极分别接于各相电源时，称为,共阴极组,接法。,共阴极组接法为,高通电路,，输出电压极性为共阴极点为正，变压器次级中点为负。,当整流电路中各开关元件的阳极接于一点，而阴极分别接于各相电源时，称为,共阳极组,接法。,共阳极组接法为,低通电路,，输出电压极性为共阳极点为负，变压器次级中点为正。,三相半波电路,a),共阴极接法,b),共阳极接法,三相半波公阴级电路分析,2.,桥式整流电路,半波整流电路的电源变压器次级绕组只通过单方向电流，,变压器利用率低，且有的电路存在直流磁势,，造成铁芯直流磁化。,利用开关器件的单向导电开关特性可构成整流桥，可使电源变压器次级绕组通过正反两个方向的电流。,由于变压器次级绕组正负半周都工作，从而提高了变压器的利用率。,三,.,整流电路的换相规律,对电源系统电压的要求,整流电路在工作过程中，要按照电源电压的变化规律周期性地切换整流工作回路。为保证在稳定工作状态下能均衡工作，使输出电压电流波形变化尽可能小，要求电源系统为对称的，且电压波动在一定范围之内。,2,自然换相与自然换相点（书上没有）,自然换相点,:,在不可控整流电路中，整流管将按电源电压变化规律自然换相，自然换相的时刻称为,自然换相点,。,控制角,：从自然换相点计起，到发出控制脉冲使晶闸管导通为止的时间间隔，以电角度表示，称为,控制角,。,对于,共阴极组,接法的半波不可控整流电路而言，为,高通,电路，即总是相电压,最高,的一相元件导通。所以，自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形,正半周,交点，输出电压波形为电源电压波形,正半周,包络线。,对于,共阳极组,接法的半波不可控整流电路而言，为,低通,电路，即总是相电压,最低,的一相元件导通。所以，自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形,负半周,交点，输出电压波形为电源电压波形,负半周,包络线。,四,.,负载性质对电路工作的影响,、电阻负载,特点：,电压、电流的波形形状相同,、电感性负载,（,主要指电感与电阻串联的电路）,特点：,负载电流不能突变，波形分为连续和不连续两种情况。,、电容性负载,（整流输出接大电容滤波）,特点：,由于电容电压也不能突变，所以晶闸管刚一触发导通时，电容电压为零，相当于短路，因而就有很大的充电电流流过晶闸管，电流波形呈尖峰状。,因此为了避免晶闸管遭受过大的电流上升率而损坏，一般不宜在整流输出端直接接大电容。,负载性质对电路工作的影响,、反电势负载,（整流输出供蓄电池充电或直流电动机，即负载有反电势）,特点：,只有当输出电压大于反电动势时才有电流流通，电流波形也呈较大的脉动。,五,.,分析整流电路的假设条件,1,、假定开关元件的开关特性是理想的的开关特性,饱和压降为零,漏电流为零,2,、电源变压器是理想变压器,内阻为零，漏抗为零,3,、电源为理想电动势,内阻为零,在理想条件下所得出的结论，大都适用于实际的电路。对因与假定理想条件不符合而产生的影响，可进一步根据实际特性进行修正。,六,.,整流电路研究、学习的基本内容,依据开关元件的理想开关特性和负载性质，分析电路的工作过程。,据电路工作过程得出波形分析，包括输出电压,u,d,、,各晶闸管端电压,u,VT,、负载电流,i,d,、,通过各晶闸管电流,i,VT,、以及变压器次级和初电流,i,2,和,i,1,等。,在波形分析基础上，求得一系列电量间的基本数量关系，以便对电路进行定量分析。在设计整流电路时，数量关系可作为选择变压器和开关元件的依据,。,3.2,单相可控整流电路分析,3.2.2,单相桥式全控整流电路,3.2.1,单相半波可控整流电路,3.2.3,单相桥式半控整流电路,3.2.4,单相整流电路,电动势负载,单相可控整流电路,基本特点：交流侧接单相电源,重点注意,：,主电路形式、工作过程及波形分析、数量关系、不同负载的影响。,3.2.1,单相半波可控整流电路,单相半波可控整流电路是组成各种类型可控整流电路的基础，所有可控整流电路的工作回路都可等效为单相半波可控整流电路。因此，对于单相半波可控整流电路的分析是十分重要的，可作为研究各种可控整流电流的基础。单相半波可控整流电路可以为各种性质的负载供电。以下主要介绍电阻性负载和阻感负载。,单相半波可控整流电路及波形,单相半波可控整流电路,一,.,电阻性负载,1.,主电路,输入为单相正弦交流电压源，经整流变压器变压，设次级电压为：,2.,工作过程及波形分析：,分为三个阶段,：,正向阻断、正向导通、反向阻断,(1),控制角：,从晶闸管开始承受正向电压到开始导通的这一角度，以,表示。,电阻性负载,(2),(3),单相半波可控整流电路及波形,导通角：,晶闸管在一个周期中处于导通的电角度，以,表示。,电阻性负载,单相半波可控整流电路及波形,相位控制：,周期性控制，通过控制触发角,的大小（也是控制导通角,）实现调压,相位控制特点：,需要知道主电路的电压相位,电阻性负载,3.,数量关系,电阻性负载,移相范围：控制角,的有效变化范围。,电阻性负载,移相范围：,电阻性负载,导通角：,电力电子电路特点,1,、,电力电子电路的输出一般,是非正弦周期量,2,、,电力电子电路的,电网侧输入的正弦电压，非正弦周期电流,3,、,电力电子电路会带来,严重谐波和无功问题,，是非线性装置,阻感负载的波形,单相半波可控整流电路,1.,主电路,负载中含有储能元件电感，电路中,电流不能突变。,2.,工作过程及波形分析：,分为三个阶段,(1),二,.,阻感负载,阻感负载,(2),(3),阻感负载,阻感负载,移相范围：,阻感负载,导通角：,阻感负载,3.,纯电感负载,（,L,R,）,特点：,电源不做功,因为,U,d,=,0,，,改变,a,不能控制,U,d,但可控制,I,d,的大小。,阻感负载,（,数量关系）,4.,数量关系,电力电子电路的一种基本分析方法,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，,i,d,=0,。,当,VT,处于通态时，相当于,VT,短路。,单相半波可控整流,电路的分段线性等效电路,a)VT,处于关断状态,b)VT,处于导通状态,阻感负载,4.,数量关系,、,、,关系,当,VT,处于通态时，如下方程成立：,VT,R,L,u,2,VT,处于导通状态,（,3-1,）,（,3-2,）,（,3-3,）,初始条件：,t,=,a,，,i,d,=0,。求解式（,3-1,）并将初始条件代入可得,当,t,=,+,a,时，,i,d,=0,，,代入式（,3-2,）,并整理得,其中,，,阻感负载,阻感负载,负载,阻抗角,j,、触发角,a,、,晶闸管导通角,的关系,若,j,为定值,，,a,越大，在,u,2,正半周,L,储能越少，维持导电的能力就越弱，,越小,。,若,a,为定值，,j,越大，则,L,贮能越多，,越大；且,j,越大，在,u,2,负半周,L,维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在,u,2,正半周导通的时间，,u,d,中负的部分越接近正的部分，平均值,U,d,越接近零，输出的直流电流平均值也越小。,有续流二极管电流断续,三,.,有续流二极管的阻感负载,1.,主电路,2.,工作过程及波形分析,有电流断续和电流连续两种情况。,电流断续：,L,作用较小或控制角较大时，在,VD,续流期间，,I,d,衰减较快，等到下次触发,VT,时，,I,d,已经下降到零。,(1),有续流二极管的阻感负载,(2),(3),有续流二极管电流断续,有续流二极管的阻感负载,电流连续：,有续流二极管电流连续,(1),(2),(3),有续流二极管的阻感负载,3.,数量关系,电流断续：,L,作用较小或控制角较大时，在,VD,续流期间，,I,d,衰减较快，等到下次触发,VT,时，,I,d,已经下降到零。,注意：不管断续连续一个周期内，电感电压的平均值为零，不做功能,有续流二极管的阻感负载,3.,数量关系,电流连续：,有续流二极管的阻感负载,电感,L,充分大时,（,L,R,）,负载电流,i,d,可,近似为一条水平线，恒为,I,d,，则有,图,-,L,充分大、带续流二极管单相半波可控整流电路电流波形,有续流二极管的阻感负载,电感,L,充分大时,（,w,L,R,）,图,-,L,充分大、带续流二极管单相半波可控整流电路电流波形,单相半波可控整流电路,单相半波可控整流电路的特点,简单，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。,复习：电力电子电路特点,1,、,电力电子电路的输出一般,是非正弦周期量,2,、,电力电子电路的,电网侧输入的正弦电压，非正弦周期电流,3,、,电力电子电路会带来,严重谐波和无功问题,，是非线性装置,电阻负载波形,阻感负载的波形,复习：单相半波电路,有续流二极管电流断续,有续流二极管电流连续,复习：单相半波电路,复习：有续流二极管的阻感负载,电感,L,充分大时,（,w,L,R,）,图,-,L,充分大、带续流二极管单相半波可控整流电路电流波形,3.2.2,单相桥式全控整流电路,单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,一,.,电阻性负载,1.,主电路,2.,工作过程及波形分析,分为四个阶段,VT,1,和,VT,4,组成一对桥臂，在,u,2,正半周承受电压,u,2,，得到触发脉冲时导通，当,u,2,过零时关断。,VT,2,和,VT,3,组成另一对桥臂，在,u,2,负,半周承受电压,-,u,2,，得到触发脉冲时导通，当,u,2,过零时关断,。,0,VT1,、,VT2,、,VT3,、,VT4,关断,VT1,、,VT4,导通，,VT2,、,VT3,关断,VT1,、,VT2,、,VT3,、,VT4,关断,VT1,、,VT4,关断，,VT2,、,VT3,导通,触发,VT1,、,VT2,触发,VT3,、,VT4,电压过零,3.2.2,单相桥式全控整流电路,单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,一,.,电阻性负载,2.,工作过程及波形分析：分为四个阶段,(1)VT1,、,VT2,、,VT3,、,VT4,关断,(2),VT1,、,VT4,导通，,VT2,、,VT3,关断,电阻性负载,单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,(3),VT1,、,VT2,、,VT3,、,VT4,关断,(4)VT1,、,VT4,关断，,VT2,、,VT3,导通,电阻性负载,3.,数量关系,电阻性负载（,数量关系）,电阻性负载（,数量关系）,单相桥式全控整流电路,二,.,阻感负载,1.,主电路,2.,工作过程及波形分析,根据,L,作用不同，分电流断续和电流连续,电流断续：,L,作用较小，,(1),阻感负载电流断续,单相桥式全控整流电路,二,.,阻感负载,1.,主电路,2.,工作过程及波形分析,根据,L,作用不同，分电流断续和电流连续,电流断续：,L,作用较小，,(2),阻感负载电流断续,阻感负载,阻感负载电流断续,(3),(4),阻感负载,阻感负载电流断续,(5),(6),阻感负载（电流断续）,3.,数量关系,导通角：,移项范围：,阻感负载,阻感负载电流连续,电流连续：,(1),(2),阻感负载,阻感负载电流连续,电流连续：,(3),(4),阻感负载（,电流连续）,3.,数量关系,导通角：,=,有效移相范围：要使,i,d,连续,:,阻感负载（,电流连续）,数量关系,当,a,j,时，,I,0,0,，,i,d,连续,阻感负载（,电流连续）,数量关系,为了提高平均值可以负载两端反并联二极管,周期触发时VT3由于驱动电路原因脉冲丢失,得到什么结果？,单相桥式阻感电路,例,1,某电源装置采用单相桥式全控整流电路,向电阻负载供电,若该装置可输出在,12v 30v,连续可调平均电压,;,触发电路最小控制角,min,=20,;,输出平均电流,I,d,均可达,20A,。按下列两种条件求变压器次级电压和电流定 额、晶闸管电压和电流定额：,理想条件；,整流回路两只晶闸管总通态平均压降,2V,、,线路电压损失,1V,、电源电压波动范围,5%U,2,。,电阻性负载题目,例,2,某电源装置采用单相桥式全控整流电路,向阻感负载供电，,wL,R,若该装置可输出在,12v 30v,连续可调平均电压,;,触发电路最小控制角,min,=20,;,输出平均电流,I,d,均可达,20A,。按下列两种条件求变压器次级电压和电流定 额、晶闸管电压和电流定额：,理想条件；,整流回路两只晶闸管总通态平均压降,2V,、,线路电压损失,1V,、电源电压波动范围,5%U,2,。,阻性负载题目,半桥阻感负载时的电路及波形,单相全桥半控电路,失控工作状态的电路波形,自然续流现象,当控制角突然增大至,180,或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管在正、负半周轮流导通的情况，这种异常现象称为,失控。,(,无法用切除脉冲的方式使电路停止工作,),3.2.3,单相桥式半控整流电路,阻感负载电路及波形,1.,主电路,半控：,将全控中的,VT,3,VT,4,换成,VD,3,VD,4,；这样，,VT,1,和,VT,2,控制换相，,VD,3,和,VD,4,自然换相。,VT,1,和,VD,4,构成一整流回路，,VT,2,和,VD,3,构成一整流回路。,2.,工作过程及波形分析,一,.,阻感负载,a.,自然续流现象：（以,i,d,连续为例,）,(1),阻感负载,(2),单相全桥半控电路等效图,自然续流,阻感负载,(3),阻感负载,(4),阻感负载,(,工作过程及波形分析,),b.,失控现象及续流二极管,当控制角突然增大至,180,或触发脉冲丢失时，会发生,一个晶闸管持续导通而两个二极管在正、负半周轮流导通的情况,，这使,u,d,成为正弦半波，即半周期,u,d,为正弦，另外半周期,u,d,为零，其平均值保持恒定，这种异常现象称为,失控,。,例如：若在运行中，,VT,1,和,VD,4,导通时，切除触发脉冲。当,u,2,0,时，,VD,4,和,VD,3,自然换相，则,VT,1,和,VD,4,又构成电源对负载供电的回路。这样，,VT,1,一直导通，,VD,3,和,VD,4,交替导通，无法实现关断，产生失控现象。,失控工作状态的电路波形,阻感负载,b.,失控现象及续流二,极管,为了防止失控的发生，必须消除自然续流现象：,负载两端反并联续流二极管,VDR,，,提供另外一条通路。,有续流二极管,VDR,时，续流过程由,VDR,完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。应当指出，实现这一功能的条件是,VDR,的通态电压低于自然续流回路开关元件通态电压之和,，否则不能消除自然续流现象，关断导通的晶闸管。,VT,1,和,VT,2,共阴极接法，,VT,3,和,VT,4,共阳极接法,VT,1,和,VT,4,组成一对桥臂，在,u,2,正半周得到触发脉冲时肯定导通,VT,2,和,VT,3,组成另一对桥臂，在,u,2,负,半周得到触发脉冲时肯定导通,。,单相全桥电路复习,电阻负载时的电路及波形,单相全桥电路复习,=,并上续流二极管？,单相全桥电路复习,半桥阻感负载时的电路及波形,单相全桥半控电路复习,失控工作状态的电路波形,自然续流现象,WLR,时,当控制角突然增大至,180,或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管在正、负半周轮流导通的情况，这种异常现象称为,失控。,(,无法用切除脉冲的方式使电路停止工作,),单相全桥半控电路等效图,自然续流,失控现象,阻感负载加续流二极管,工作过程可表示为：,该电路电流波形的表示式比较复杂，在讨论有关电流的数量关系时，常以负载参数满足,L,R,为条件。这时，负载电流的变化量相对于平均电流是很小的，可以认为负载电流波形是平直的。相关波形见图。,阻感负载,-,有续流二极管,单相桥式半控整流电路,二,.,阻感负载加续流二极管（电流连续）,阻感负载,-,有续流二极管,1.,主电路,2.,工作过程及波形分析,(1),(2),阻感负载加续流二极管,(3),(4),阻感负载,-,有续流二极管,阻感负载加续流二极管,3.,数量关系：,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,。,单相全波可控整流电路,单相全波与单相全控桥的区别,（,1,）单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多。,（,2,）单相全波只用,2,个晶闸管，比单相全控桥少,2,个，相应地，门极驱动电路也少,2,个；但是晶闸管承受的最大电压为 ，是单相全控桥的,2,倍。,（,3,）单相全波导电回路只含,1,个晶闸管，比单相桥少,1,个，因而管压降也少,1,个。,从上述（,2,）、（,3,）考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用,。,单相全波可控整流电路,单相全波可控整流电路,单相桥式半控整流电路,单相桥式半控整流电路,的另一种接法,把单相桥式全控整流电路中的,VT,2,和,VT,4,换为二极管,VD,2,和,VD,4,，这样可以省去续流二极管,VD,R,，续流由,VD,2,和,VD,4,来实现。,两个晶闸管的阴极电位不同,触发电路需要隔离,.,3.2.4,单相整流电路,电动势负载,整流电路的负载中，有一种带直流电动势的含源负载，由整流电路供给电能，实现能量传递与转换功能。作为负载的电动势，对整流电路而言为反向电势性质，故常称之为反电动势负载。从负载的构成看，带电动势,E,的负载可分为,RE,和,RLE,两种类型。,一、,RE,负载,1,、电动势对晶闸管开、关条件的影响,半波可控整流电路,RE,负载及,桥式全控整流电路,如图所示。,RE,负载单相半波可控整流电路及波形,RE,负载,电源正半周,u,2,0,时：,当,0,t,时,u,2,E VT,反向阻断，不可能导通,当,t,-,时,u,2,E VT,正向阻断，具备开通条件通,当,-,t,时,u,2,E VT,反向阻断,电源电压为：,晶闸管导通时,晶闸管关断时,负载电压：,u,d,=,u,2,，,负载电压,：,u,d,=E,负载电流：,i,d,=,（,u,d,-E,）,/,R,负载电流：,i,d,=0,终止导电角,：,从,t=,起向左计量到终止导电时刻,为止的时间间隔，以电角度表示。,可由下式求得,表示终止导电的时刻,电动势对晶闸管开、关条件的影响,RE,负载单相桥式全控整流电路及波形,2.,RE,负载单相桥式全控整流电路,正半周,VT,1,、,VT,4,触发导通，,负半周,VT,2,、,VT,3,触发导通,要求控制角：,RE,负载单相桥式全控整流电路及波形,RE,负载单相桥式全控整流电路,正半周,VT,1,、,VT,4,导通时,-,wt,RE,负载单相桥式全控整流电路及波形,RE,负载单相桥式全控整流电路,负半周,VT,2,、,VT,3,导通时,2-,wt,+,RE,负载单相桥式全控整流电路及波形,RE,负载单相桥式全控整流电路,VT,1,VT,4,处于阻断状态时,基于上述三种工作状态，若以相同的控制角,轮流触发,VT,1,、,VT,4,与,VT,2,、,VT,3,两对桥臂，则两条整流回,路,轮流工作，对电动势负载供电。电路波形如图,所示，输出整流电压,u,d,、电流,i,d,可用,T,=,的周期量表示为,RE,负载单相桥式全控整流电路,3.,数量关系,晶闸管端电压为,T,=2,的周期量,数量关系,电路有效移相范围为,-,电路输出整流电压平均值的表达式为,输出电流平均值为,输出电流有效值的表达式为,晶闸管元件导通角为,数量关系,二,.,单相全桥半控电路,-,RLE,负载（带续流二极管）,阻感负载,-,续流二极管,1.,主电路,2.,工作过程及波形分析,(1),电流断续：,电感,L,作用较小,(2),(3),二,.,RLE,负载,阻感负载,-,续流二极管,电流连续：,(1),(2),单相可控整流电路小结：,电阻负载,单相半波可控整流电路,阻感负载,单相可控整流电路,电阻负载,(,工作过程、波形、单相桥式全控整流电路 阻感负载,反电动势负载,数量关系,),阻感负载,单相桥式半控整流电路,反电动势负载,0,VT,1,、,VT,4,工作,VT,2,、,VT,3,工作,自然换相与自然换相点,自然换相点,:,在不可控整流电路中，整流管将按电源电压变化规律自然换相，自然换相的时刻称为,自然换相点,。,控制角,：,从自然换相点计起，到发出控制脉冲使晶闸管导通为止的时间间隔，以电角度表示，称为,控制角,。,0,0,