北京交通大学+电力电子技术+第03章+相控整流电路

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Spring 2006 电力电子技术Power Electronics Technology 电 气 工 程 学 院 陈 洛 忠 Chenlzh@dq.njtu.edu.cn 51687064(o)第三章 相控整流电路 内容和要求内容:单相桥式、三相半波、三相桥式等整 流电路结构、工 作原理、主要电量波 形分析和参数计算要求:理解和掌握电路波形分析和基本电量 计算的方法重点:波形分析和不同负载对工况的影响形式:课堂讲授和实验结合 3. 1 概 述3.1.1 整流电路的分类Ø 不可控整流电路----由不可控器件组成 直流整流电压和交流电源电压的比值固定Ø 全控整流电路---由可控器件组成 直流整流电压的平均值和极性可调Ø 半控整流电路---由不可控器件和可控器件组成 负载电压平均值可调、极性不能改变Ø 按电路结构 桥式电路(又称全波电路或双拍电路) 零式电路(又称半波电路或单拍电路)Ø 按输出电压脉波数 单脉波电路 双脉波电路 三脉波电路 多脉波电路Ø 按控制方式 相控式电路、斩控式电路Ø 按组成器件 全控型电路、半控型电路Ø 按工作范围 单象限电路、多象限电路Ø 按电网相数 单相电路、三相电路、多相电路 3.1.2 可控整流电路的一般结构主电路交流电源:工频电网或整流变压器滤波器:为保证电流连续负载:阻性负载、阻感负载、反电势负载等控制电路:模拟控制、数字控制整流电路基本要求: 直流电压调节范围宽、输出直流电流脉动小 晶闸管元件导电时间尽量长、且正反向电压较低 变压器利用率高、避免直流磁化 交流侧功率因数高、谐波电流小 整流电路理想条件: 理想器件:晶闸管正向阻抗为零、反向阻抗为无穷大、整流变压器无漏感、无内阻和铁损 理想电源:恒频恒压、对称无畸变的三相正弦波电源 本章分析方法要点及数学基础1、分析方法要点 根据SCR的导通/关断条件,确定其导通时刻、 关断时刻,绘出整流输出电压和电流波形,由此 可进一步绘出有关器件上的电压和电流波形 应用电工基础中的平均值、有效值概念,推 导出上述波形随控制角?变化的数学表达式2、数学基础(1)平均值和有效值计算 设f(ωt)为电压或电流实时表达式,则f(ωt)在α、 β期间的平均值和有效值分别为: 1 ? 平均值= f (?t)d?t ?-? ?? 1 ? 有效值 ? f 2 (?t)d?t ? ?? ??( )功率因数计算 2 P其中:P——负载功率 ? ? (电源输出的有功功率) S S——电源(变压器)的视在功率 3.2 单相半波可控整流电路 (Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)其中: 变压器起隔离和电压变换的作用,其副边电压根据直流侧负载电压的大小决定 负载电压始终与流过的电流成正比,且两者波形相同 可控整流电路的基本概念移同自换控导相步然制通:范控换(角改围制触相 换??::变:发点流晶从 控通脉:)闸晶制过冲当:管闸角控信电电在管制号?路流的一开触和中从大允个始发晶的含小许周承脉闸可有,调期受冲管控变即的节电流元正内改相范压元件向导变位围(件全电通触来即的部压发控电一由到脉制源个不被角冲直电支可触度的流压路控发出输)转元导现出在移件通时电频到代这刻压率另替一大和一时角,(小相各个度相的位元支位控上件路)制的方协导过式调电程配转 合换关点系 单输仅出在相电交半压流波可正可通半控过周调输整节出流?电进压行,控 单相输入,所以叫单相整流 单相半波可控整流电路 制所,以所叫半以波叫可整控流整流 整流电路的基本概念Ø 控制角 ? 从晶闸管开始承受正压到被触发导通这一角度Ø 导通角 ? 晶闸管在一个周期内导通的电角度Ø 移相( phase-shift ) 改变控制角?,即改变触发脉冲出现的相位Ø 移相控制(phase-shift control) 通过移相可控制输出整流电压大小,这种改变 控制角调节输出电压的控制方式,称为移相控制Ø 移相范围:控制角?的允许调节范围Ø 同步:触发脉冲信号和晶闸管电压(即电 源电压)在频率和相位上保持一定的 协调配合关系,以使整流输出电压稳 定,称为同步Ø 换相(换流 ):电流从含有变流元件的一 个支路转移到另一个支路的过程Ø 自然换相点:当电路中的可控元件全部由 不可控元件代替时, 各元件的导电 转换点 单相半波可控整流电路输出直流电压平均值Ud为 ? 1 2U 2 1? cos aU d ? 2U 2 sin wtd (wt) ? (1? cos a) ? 0.45U 2 2? ?a 2? 2 a=0时,晶闸管全导通,相当于二极管整流, 输出电压 最大,即 U d ? 0 .4 5 U 2 a=?时,整流输出为零 移相范围为 ? 例题 3-1 单相半波可控整流电路,电阻性负载。交 流电源220伏,要求输出直流平均电压50伏, 最大输出直流平均电流20安。计算(1)晶闸 管的控制角?,(2)电流有效值,(3)负载 的功率因数,(4)选择晶闸管。 解:(1)控制角? 1 ? 1? cos?U ? 2U sin?td?t ? 0.45U d 2? ?? 2 2 2 2U 2?50 cos? ? d ?1? ?1? 0 0.45U 2 0.45?220 ? ? 90?(2)电流有效值 2 1 ? ? 2U sin?t ? I ? ? 2 ? d?t 2 ?? ? ? 2? 2 ? R ? Ud 50 2 R ? ? ? 2.5? 1 ? ? 2 ?220sin?t ? ? ? ? d?t ? 44.4(A) Id 20 ?? ? ? 2? 2 ? 2.5 ? P I 2 R 44.4? 2.5 (3)功率因数 ? ? ? 2 ? ? 0.505 S I 2U 2 220 I 44.4 (4)晶闸管定额 I ? (1.5 ~ 2) 2 ? (1.5 ~ 2) ? 42 ~ 56安 TAV 1.57 1.57 UT=(2~3)×1.414 × 220=620~930V 可选KP50-7型元件,电压等级7,即额定电压700伏、 额定通态平均电流50安的器件 单相半波可控整流电路的特点: Ø 简单、易调整,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 Ø 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 思考和作业习题 2-4、 2-5 习题3-1 、3-2 3 . 3 单相桥式全控整流电路一、电阻负载(R负载) (2)T 和T 组成另一对桥臂,在 (1)T12和T43组成一对桥臂,在u2 u正2负半半周周承承受受电电压压u2-,u得2,到得触到发触脉发 冲即导通,当u2过零时关断 脉冲即导通,当u2过零时关断Ø 电量计算输出平均电压 Ud 1 ? 2 2U 1?cos? 1?cos? U ? 2U sin?td(?t) ? 2 ?0.9U d ? ?? 2 ? 2 2 2 移相范围 0 º ~ 180º输出平均电流 Id U U 1? cos ? I ? d ? 0.9 2 d R R 2SCR平均电流
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