第4章相位控制型整流器 163页PPT文档
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arctan0.24U5Ud 2 1
第4章 相位控制型整流器
(2) 负载电压有效值U、 负载电流有效值I与α的关系。 负载电压有效值为：
U 2 1 2 U 2 s it2 n d t U 24 1 s2 in 2
负载电流有效值为：
第4章 相位控制型整流器
晶闸管VT1两端电压uVT1的波形如图 4-5(c)所示。 在0～ α之间，VT1和VD2承受正向电压，VD2导通， uVD2=0， 所以uVT1=u2; 在α～π之间，VT1导通， uVT1=0; 在π～ π+α之间， 输出电压ud=0， d点和c点同电位， 二极管 VD1两端电压uVD1=0, a点与c点同电位， 因此a点与d点 同电位， 即uVT1=0；在π+α到2π之间，VT2导通， b点 与d点同电位， 因此uVT1=u2。
VT2 Rd
u V T1
b
VD 1
VD 2
c
(c) 0
ωt
(a ) u V D1
(d ) 0
ωt
图 4-5 单相半控桥式整流电路及工作波形
第4章 相位控制型整流器
1. 电阻性负载
1) 工作过程
当电源电压u2的a端为正、 b端为负时， 晶闸管 VT1与二极管VD2承受正向电压。 在ωt=α时，VT1触发 导通， 电流id经a点→VT1→Rd→VD2回到u2。 u2过零时， VT1因通过它的电流小于IH而关断。 当u2的b端为正、 a 端为负时，VT2与VD1承受正向电压。 在ωt=π+α时， VT2触发导通， 电流由b点→VT2→Rd→VD1回到u2， 当 u2再次过零时，VT2因电流小于IH而关断。 ud、 id波形 如图 4-5(b)所示。
在电源电压u2正半周ωt=α处， 晶闸管触发导通， 忽略晶闸管的压降， 输出电压的有效值Ud为：
Ud UL UR U2
即
Ldi Ri dt
2U2 sint
该方程的解为：
i 章 相位控制型整流器
式中， 负载阻抗
角 arctanL
U d 2 1a 2 U 2 sitn ( d t) 0 .4U 2 5 1 c 2os
由于负载是电阻性的， 所以输出电流平均值为：
Id
Ud 0.4U 521cos
Rd Rd
2
第4章 相位控制型整流器
图 4-2 电压比、 电流比和cos φ与α的关系
第4章 相位控制型整流器
第4章 相位控制型整流器
图中α称为控制角， 它是指晶闸管开始承受正向电 压到触发脉冲加入之间的电角度。 θ称为导通角， 它 是指一个周期内晶闸管导通的电角度。
改变加入触发信号ug的时刻， 控制角α便随之改变， 这叫做触发信号移相。
第4章 相位控制型整流器
2) 输出电压电流与控制角α的关系 (1) 负载电压平均值Ud、 负载电流平均值Id与α的 关系。 由波形图可以看出， 负载电压平均值Ud为：
第4章 相位控制型整流器
图 4-1 电阻负载单相半波可控整流电路及工作波形
第4章 相位控制型整流器
1) 工作过程
在电源电压u2正半周内， 晶闸管承受正向阳极电压， 但是,ωt＜α时， 由于未加门极触发信号， 所以， 晶闸 管不能导通。 在ωt=α处， 加入控制电压ug， 晶闸管触 发导通， 电压u2加在负载两端(忽略uVT)， 电流流过负 载， 如图 4-1(d)所示。当u2过零变负时， 晶闸管因流 过它的电流小于维持电流而关断。 在u2负半周内， 晶 闸管承受反向阳极电压， 不管门极有无触发信号， 都 不会导通， 负载Rd上的电压、 电流均为零。
第4章 相位控制型整流器
4.1.2 单相半控桥式整流电路 单相半控桥式整流电路如图 4-5 所示， 它由两个
晶闸管、 两个二极管和负载组成。VT1与VD2组成一个 桥臂， VT2与VD1组成另一个桥臂。
第4章 相位控制型整流器
ud u2 id u2
ud id
(b )
0 α
π＋α
ωt
d VT1
a u2
加续流二极管后， 输出电压不再出现负值， 从而 提高了平均电压Ud。 输出电压ud的波形与电阻负载时 相同， 负载电流的波形与电阻性负载时差别很大， 晶 闸管导通时，负载电流ID由电源提供； 续流二极管导 通时， id由自感电势提供， 如图 4-4(f)、 (g)所示。 若 负载的感抗ωLd>>Rd， id的脉动很小， 波形趋于一条 直线。
第4章 相位控制型整流器
2. 电感性负载 电感性负载单相半控桥式整流电路和波形， 如 图 4-6 所示。 假定 ωLd>>Rd， 输出电流id的波形为一条 直线， 还假定电路工作已稳定。
第4章 相位控制型整流器
(a )
u2 (b )
0
Ld
i2
VT1 VT2
id
u2
ud
Rd VD1 VD2
ωt
ud
由于负载电感的存在， 晶闸管的导通角θ增大， 负载电压出现负值， 因而负载电压平均值Ud降低。 为 了防止输出电压出现负值， 可在负载两端并联一只二 极管VD，如图 4-4 所示。
第4章 相位控制型整流器
图 4-4 带续流二极管的单相半波整流电路及 工作波形可控整流电路及工作波形
第4章 相位控制型整流器
第4章 相位控制型整流器
2) 平均值、 有效值与控制角α的关系 (1) 输出电压和电流的平均值与α的关系：
Ud10 2U2si ntd(t) 2 U2(1co)s0.9U21c2os
IdU Rd d0.R 9U d21c2os
第4章 相位控制型整流器
(2) 输出电压和电流有效值与α的关系：
P=UI
因此，
co sPU I
S U 2I
41 si2 n 2
第4章 相位控制型整流器
4) 晶闸管的选择 由波形图可以看出， 晶闸管正、 反向阻断时， 承
受的电压最大值就是U2的峰值， 即 UVTmax 2U2 。
考虑安全系数， 晶闸管额定电压应选为：
U N (2~3 )U Vm T a(x 2~3 )2 U 2
在大电感负载整流电路中， 触发信号要有一定的 宽度， 以免晶闸管触发后， 阳极电流尚未达到掣住电 流， 触发信号就消失， 使晶闸管又恢复阻断状态。
第4章 相位控制型整流器
单相半波可控整流电路的优点是电路简单， 调整 方便； 缺点是输出电压低， 脉动大， 输入端不接电源 变压器时， 交流回路中有直流电流流过， 造成电网损 耗增大。 使用电源变压器时， 次级电流的直流分量使 铁芯磁化， 变压器利用率降低。 所以， 这种电路只适 用于小容量整流器。
不难看出， Ud、 Id随控制角α而变， α越大， Ud、 Id越小； 反之， Ud、 Id增大； 当α=0时， Ud=0.45U2， 当α=π时， Ud、 Id为零。不同α时， 负载电压平均值与 电源电压有效值的比值Ud/U2如图 4-2 中的曲线所示。
如果控制角α已经确定， 则可方便地从图 4-2 找出 Ud/U2； 若已知Ud， 便可求出U2； 若已知U2， 也可求 出Ud。 若U2、 Ud都已知， 即可按下式求出α：
(ωt=α时i=0)求出。R
Z R2(L)2 ， 阻抗
，常数A可根据起始条件
i2 U 2sitn ( ) sin )( e (R /L ) (/ t) 2
当ωt=β时， 负载电流i=0， 即：
si n si n e ( R /L ) / ( t )
晶闸管的额定电流应为α=0时负载电流平均值Id0的 1.5～2倍， 即IN=(1.5～2)Id0。
第4章 相位控制型整流器
例： 电源电压为 220 V、 电阻性负载的单相半波 可控整流电路， 要求输出电压平均值为 24 V， 最大输 出直流电流为 10 A。 试计算晶闸管的控制角α、 电流 有效值I、 功率因数cos φ， 并选用合适的晶闸管。
第4章 相位控制型整流器
2. 电感性负载 在有些应用中， 整流电路的负载既有电阻， 又有 电感。 当负载的感抗ωL与电阻Rd相比不可忽略时， 负 载即为电感性。 整流器输出端接的平波电抗器、 电机 的励磁线圈等就是电感性负载。 电感负载单相半波可 控整流电路如图 4-3(a)所示。
第4章 相位控制型整流器
U 1 0
2
2U 2 sin t d ( t )
U2
1 sin 2 2
I U U 2 1 sin 2 Rd Rd 2
第4章 相位控制型整流器
(3) 通过晶闸管和二极管的电流有效值与α的关系：
2
IVT IVD
可见， 给定α、 ω、 R、 L时， β即为确定值。
第4章 相位控制型整流器
负载电流的波形如图 4-3(d)所示， 该电流由两个 分量组成。 由于负载电感的作用，晶闸管导通后， 电 流id只能从零开始逐渐增大， 此时， 电源供给的能量， 一部分消耗在电阻R上， 一部分贮存在电感中。 当电 源电压u2下降过零变负时， 电流id逐渐减小， 电感上 产生左“-”右“+”的感应电势， 阻碍电流id减小。只要 eL＞u2， 晶闸管就仍然维持导通状态， 这时， 电感释 放的能量， 一部分消耗在电阻上， 一部分送回电源， 负载电压瞬时值ud出现负值， 如图 4-3(e)所示。 ωt=β 时， u2与eL数值接近(方向相反)， 阳极电流Ia小于维持 电流IH， 晶闸管关断， 并立刻承受反向电压， 如图 43(f)所示。
IUU2 Rd Rd
41si2 n2
I与Id的比值为：
I si2n2()
Id
2(1cos)
第4章 相位控制型整流器
3) 功率因数cos φ与α的关系 电源供给的有功功率与电源的视在功率之比， 叫 做功率因数， 用cos φ表示。 电源的视在功率为：
S=U2I2=U2I 电源供给的有功功率为：
第4章 相位控制型整流器
第4章 相位控制型整流器
4.1 可控整流电路 4.2 触发电路 4.3 DZ603系列通信用晶闸管整流器
第4章 相位控制型整流器
4.1 可控整流电路
4.1.1 单相半波可控整流电路 1. 电阻性负载 电阻负载单相半波可控整流电路如图 4-1 所示。
图中VT是晶闸管，u2是电源电压瞬时值，i2是电流瞬时 值，ud是负载电压瞬时值，id是负载电流瞬时值，Ud是 负载电压平均值，Id是负载电流平均值，uVT是晶闸管 压降瞬时值。
第4章 相位控制型整流器
ωt=ωt2时， 加入触发电压ug， 晶闸管导通。 如果触发 信号周期地加到门极， 负载就可得到一连串单向脉动 电压ud和电流id， 波形如图 4-1(d)所示。 如果忽略晶闸 管的压降， 则VT导通时uVT=0, VT截止时，uVT=u2， uVT的波形如图 4-1(e)所示。
第4章 相位控制型整流器
图 4-3 电感负载单相半波可控
第4章 相位控制型整流器
由波形图可以看出， 由于负载电感的作用， 导通 角θ增大了φ0导通角θ与负载阻抗角φ有密切的关系， 在负载电阻R一定的条件下， φ值越大， 表示电感L越 大， 电源电压上升时， L贮存的能量越多， 因而， 电 源电压下降时， 维持晶闸管导通的时间越长， 即θ越 大。 θ也受α的影响， 一般来说， α越小， θ越大。
(c )
0 α
π－ α α
id
(d ) 0
i VT1
(e )
Id
0
i VD2
(f)
Id
0
i VT2
(g )
Id
0
i VD1
(h )
Id
0
i2
(i)
0
Id
π－ α
ωt Id
ωt ωt ωt ωt ωt ωt
图 4-6 电感负载单相半控桥式整流电路及工作波形
第4章 相位控制型整流器
在u2正半周内， 晶闸管VT1与二极管VD2承受正向 电压。 当ωt=α时，VT1导通。 当u2过零变负时， 电感 产生的自感电动势使VT1继续导通， 但是， 这时，VD2 截止，VD1导通， 电流流过Ld、 Rd、VD1、VT1。VT1与 VD1起续流作用， 输出电压等于VT1与VD1两管的通态 压降， 近似为零。
1
2
2U2 Rd
sint
d(t)
U2 1 sin2 1 I
2Rd 2
2
α=0时， Ud=0.9U2， α=π时， Ud=0， 该电路的移 相范围为0°～180°。
第4章 相位控制型整流器
(4) 功率因数cos φ与α的关系：
co sP SU U 2I IU U 2 2 1 si2 n
第4章 相位控制型整流器
(2) 负载电压有效值U、 负载电流有效值I与α的关系。 负载电压有效值为：
U 2 1 2 U 2 s it2 n d t U 24 1 s2 in 2
负载电流有效值为：
第4章 相位控制型整流器
晶闸管VT1两端电压uVT1的波形如图 4-5(c)所示。 在0～ α之间，VT1和VD2承受正向电压，VD2导通， uVD2=0， 所以uVT1=u2; 在α～π之间，VT1导通， uVT1=0; 在π～ π+α之间， 输出电压ud=0， d点和c点同电位， 二极管 VD1两端电压uVD1=0, a点与c点同电位， 因此a点与d点 同电位， 即uVT1=0；在π+α到2π之间，VT2导通， b点 与d点同电位， 因此uVT1=u2。
VT2 Rd
u V T1
b
VD 1
VD 2
c
(c) 0
ωt
(a ) u V D1
(d ) 0
ωt
图 4-5 单相半控桥式整流电路及工作波形
第4章 相位控制型整流器
1. 电阻性负载
1) 工作过程
当电源电压u2的a端为正、 b端为负时， 晶闸管 VT1与二极管VD2承受正向电压。 在ωt=α时，VT1触发 导通， 电流id经a点→VT1→Rd→VD2回到u2。 u2过零时， VT1因通过它的电流小于IH而关断。 当u2的b端为正、 a 端为负时，VT2与VD1承受正向电压。 在ωt=π+α时， VT2触发导通， 电流由b点→VT2→Rd→VD1回到u2， 当 u2再次过零时，VT2因电流小于IH而关断。 ud、 id波形 如图 4-5(b)所示。
在电源电压u2正半周ωt=α处， 晶闸管触发导通， 忽略晶闸管的压降， 输出电压的有效值Ud为：
Ud UL UR U2
即
Ldi Ri dt
2U2 sint
该方程的解为：
i 章 相位控制型整流器
式中， 负载阻抗
角 arctanL
U d 2 1a 2 U 2 sitn ( d t) 0 .4U 2 5 1 c 2os
由于负载是电阻性的， 所以输出电流平均值为：
Id
Ud 0.4U 521cos
Rd Rd
2
第4章 相位控制型整流器
图 4-2 电压比、 电流比和cos φ与α的关系
第4章 相位控制型整流器
第4章 相位控制型整流器
图中α称为控制角， 它是指晶闸管开始承受正向电 压到触发脉冲加入之间的电角度。 θ称为导通角， 它 是指一个周期内晶闸管导通的电角度。
改变加入触发信号ug的时刻， 控制角α便随之改变， 这叫做触发信号移相。
第4章 相位控制型整流器
2) 输出电压电流与控制角α的关系 (1) 负载电压平均值Ud、 负载电流平均值Id与α的 关系。 由波形图可以看出， 负载电压平均值Ud为：
第4章 相位控制型整流器
图 4-1 电阻负载单相半波可控整流电路及工作波形
第4章 相位控制型整流器
1) 工作过程
在电源电压u2正半周内， 晶闸管承受正向阳极电压， 但是,ωt＜α时， 由于未加门极触发信号， 所以， 晶闸 管不能导通。 在ωt=α处， 加入控制电压ug， 晶闸管触 发导通， 电压u2加在负载两端(忽略uVT)， 电流流过负 载， 如图 4-1(d)所示。当u2过零变负时， 晶闸管因流 过它的电流小于维持电流而关断。 在u2负半周内， 晶 闸管承受反向阳极电压， 不管门极有无触发信号， 都 不会导通， 负载Rd上的电压、 电流均为零。
第4章 相位控制型整流器
4.1.2 单相半控桥式整流电路 单相半控桥式整流电路如图 4-5 所示， 它由两个
晶闸管、 两个二极管和负载组成。VT1与VD2组成一个 桥臂， VT2与VD1组成另一个桥臂。
第4章 相位控制型整流器
ud u2 id u2
ud id
(b )
0 α
π＋α
ωt
d VT1
a u2
加续流二极管后， 输出电压不再出现负值， 从而 提高了平均电压Ud。 输出电压ud的波形与电阻负载时 相同， 负载电流的波形与电阻性负载时差别很大， 晶 闸管导通时，负载电流ID由电源提供； 续流二极管导 通时， id由自感电势提供， 如图 4-4(f)、 (g)所示。 若 负载的感抗ωLd>>Rd， id的脉动很小， 波形趋于一条 直线。
第4章 相位控制型整流器
2. 电感性负载 电感性负载单相半控桥式整流电路和波形， 如 图 4-6 所示。 假定 ωLd>>Rd， 输出电流id的波形为一条 直线， 还假定电路工作已稳定。
第4章 相位控制型整流器
(a )
u2 (b )
0
Ld
i2
VT1 VT2
id
u2
ud
Rd VD1 VD2
ωt
ud
由于负载电感的存在， 晶闸管的导通角θ增大， 负载电压出现负值， 因而负载电压平均值Ud降低。 为 了防止输出电压出现负值， 可在负载两端并联一只二 极管VD，如图 4-4 所示。
第4章 相位控制型整流器
图 4-4 带续流二极管的单相半波整流电路及 工作波形可控整流电路及工作波形
第4章 相位控制型整流器
第4章 相位控制型整流器
2) 平均值、 有效值与控制角α的关系 (1) 输出电压和电流的平均值与α的关系：
Ud10 2U2si ntd(t) 2 U2(1co)s0.9U21c2os
IdU Rd d0.R 9U d21c2os
第4章 相位控制型整流器
(2) 输出电压和电流有效值与α的关系：
P=UI
因此，
co sPU I
S U 2I
41 si2 n 2
第4章 相位控制型整流器
4) 晶闸管的选择 由波形图可以看出， 晶闸管正、 反向阻断时， 承
受的电压最大值就是U2的峰值， 即 UVTmax 2U2 。
考虑安全系数， 晶闸管额定电压应选为：
U N (2~3 )U Vm T a(x 2~3 )2 U 2
在大电感负载整流电路中， 触发信号要有一定的 宽度， 以免晶闸管触发后， 阳极电流尚未达到掣住电 流， 触发信号就消失， 使晶闸管又恢复阻断状态。
第4章 相位控制型整流器
单相半波可控整流电路的优点是电路简单， 调整 方便； 缺点是输出电压低， 脉动大， 输入端不接电源 变压器时， 交流回路中有直流电流流过， 造成电网损 耗增大。 使用电源变压器时， 次级电流的直流分量使 铁芯磁化， 变压器利用率降低。 所以， 这种电路只适 用于小容量整流器。
不难看出， Ud、 Id随控制角α而变， α越大， Ud、 Id越小； 反之， Ud、 Id增大； 当α=0时， Ud=0.45U2， 当α=π时， Ud、 Id为零。不同α时， 负载电压平均值与 电源电压有效值的比值Ud/U2如图 4-2 中的曲线所示。
如果控制角α已经确定， 则可方便地从图 4-2 找出 Ud/U2； 若已知Ud， 便可求出U2； 若已知U2， 也可求 出Ud。 若U2、 Ud都已知， 即可按下式求出α：
(ωt=α时i=0)求出。R
Z R2(L)2 ， 阻抗
，常数A可根据起始条件
i2 U 2sitn ( ) sin )( e (R /L ) (/ t) 2
当ωt=β时， 负载电流i=0， 即：
si n si n e ( R /L ) / ( t )
晶闸管的额定电流应为α=0时负载电流平均值Id0的 1.5～2倍， 即IN=(1.5～2)Id0。
第4章 相位控制型整流器
例： 电源电压为 220 V、 电阻性负载的单相半波 可控整流电路， 要求输出电压平均值为 24 V， 最大输 出直流电流为 10 A。 试计算晶闸管的控制角α、 电流 有效值I、 功率因数cos φ， 并选用合适的晶闸管。
第4章 相位控制型整流器
2. 电感性负载 在有些应用中， 整流电路的负载既有电阻， 又有 电感。 当负载的感抗ωL与电阻Rd相比不可忽略时， 负 载即为电感性。 整流器输出端接的平波电抗器、 电机 的励磁线圈等就是电感性负载。 电感负载单相半波可 控整流电路如图 4-3(a)所示。
第4章 相位控制型整流器
U 1 0
2
2U 2 sin t d ( t )
U2
1 sin 2 2
I U U 2 1 sin 2 Rd Rd 2
第4章 相位控制型整流器
(3) 通过晶闸管和二极管的电流有效值与α的关系：
2
IVT IVD
可见， 给定α、 ω、 R、 L时， β即为确定值。
第4章 相位控制型整流器
负载电流的波形如图 4-3(d)所示， 该电流由两个 分量组成。 由于负载电感的作用，晶闸管导通后， 电 流id只能从零开始逐渐增大， 此时， 电源供给的能量， 一部分消耗在电阻R上， 一部分贮存在电感中。 当电 源电压u2下降过零变负时， 电流id逐渐减小， 电感上 产生左“-”右“+”的感应电势， 阻碍电流id减小。只要 eL＞u2， 晶闸管就仍然维持导通状态， 这时， 电感释 放的能量， 一部分消耗在电阻上， 一部分送回电源， 负载电压瞬时值ud出现负值， 如图 4-3(e)所示。 ωt=β 时， u2与eL数值接近(方向相反)， 阳极电流Ia小于维持 电流IH， 晶闸管关断， 并立刻承受反向电压， 如图 43(f)所示。
IUU2 Rd Rd
41si2 n2
I与Id的比值为：
I si2n2()
Id
2(1cos)
第4章 相位控制型整流器
3) 功率因数cos φ与α的关系 电源供给的有功功率与电源的视在功率之比， 叫 做功率因数， 用cos φ表示。 电源的视在功率为：
S=U2I2=U2I 电源供给的有功功率为：
第4章 相位控制型整流器
第4章 相位控制型整流器
4.1 可控整流电路 4.2 触发电路 4.3 DZ603系列通信用晶闸管整流器
第4章 相位控制型整流器
4.1 可控整流电路
4.1.1 单相半波可控整流电路 1. 电阻性负载 电阻负载单相半波可控整流电路如图 4-1 所示。
图中VT是晶闸管，u2是电源电压瞬时值，i2是电流瞬时 值，ud是负载电压瞬时值，id是负载电流瞬时值，Ud是 负载电压平均值，Id是负载电流平均值，uVT是晶闸管 压降瞬时值。
第4章 相位控制型整流器
ωt=ωt2时， 加入触发电压ug， 晶闸管导通。 如果触发 信号周期地加到门极， 负载就可得到一连串单向脉动 电压ud和电流id， 波形如图 4-1(d)所示。 如果忽略晶闸 管的压降， 则VT导通时uVT=0, VT截止时，uVT=u2， uVT的波形如图 4-1(e)所示。
第4章 相位控制型整流器
图 4-3 电感负载单相半波可控
第4章 相位控制型整流器
由波形图可以看出， 由于负载电感的作用， 导通 角θ增大了φ0导通角θ与负载阻抗角φ有密切的关系， 在负载电阻R一定的条件下， φ值越大， 表示电感L越 大， 电源电压上升时， L贮存的能量越多， 因而， 电 源电压下降时， 维持晶闸管导通的时间越长， 即θ越 大。 θ也受α的影响， 一般来说， α越小， θ越大。
(c )
0 α
π－ α α
id
(d ) 0
i VT1
(e )
Id
0
i VD2
(f)
Id
0
i VT2
(g )
Id
0
i VD1
(h )
Id
0
i2
(i)
0
Id
π－ α
ωt Id
ωt ωt ωt ωt ωt ωt
图 4-6 电感负载单相半控桥式整流电路及工作波形
第4章 相位控制型整流器
在u2正半周内， 晶闸管VT1与二极管VD2承受正向 电压。 当ωt=α时，VT1导通。 当u2过零变负时， 电感 产生的自感电动势使VT1继续导通， 但是， 这时，VD2 截止，VD1导通， 电流流过Ld、 Rd、VD1、VT1。VT1与 VD1起续流作用， 输出电压等于VT1与VD1两管的通态 压降， 近似为零。
1
2
2U2 Rd
sint
d(t)
U2 1 sin2 1 I
2Rd 2
2
α=0时， Ud=0.9U2， α=π时， Ud=0， 该电路的移 相范围为0°～180°。
第4章 相位控制型整流器
(4) 功率因数cos φ与α的关系：
co sP SU U 2I IU U 2 2 1 si2 n