02第2章相控整流电路 性能指标 单相半波相控整流电路 67页

天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007 学期：第二学期 课次 ‎7‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 电子 ‎05-1、2‎ 周次 ‎4‎ 日期 课题 第2章相控整流电路 性能指标 单相半波相控整流电路 教学 目的 理解和掌握单相半波相控整流电路的电路结构、工作原理、波形、电气性能、分析方法和参数计算 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 波形分析和基本电量计算的方法 教 学 难 点 波形分析 实 践 环 节 多媒体 作 业 ‎2—1～4‎ 教研室主任意见：‎ 同意该计划，单相相控整流电路是本章内容的基础和重点，掌握其分析方法对后续知识的学习非常有帮助。‎ 签字：刘沂 日期：2007.3.26‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 第2章 相控整流电路 ‎2.1 整流器的性能指标 ‎ ‎2.2 单相相控整流电路 ‎2.3 三相相控整流电路 ‎2.4 相控整流电路的换相压降 ‎2.5 整流电路的有源逆变工作电路 ‎2.6 晶闸管相控电路的驱动控制 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 第2章 相控整流电路 整流电路；交流转换为直流。‎ 相控整流电路:电压可调。‎ 二极管整流电路:电压固定。 ‎ 相控整流电路的类型 ：‎ Ø 按照输入交流电源的相数:单相、三相和多相整流电路；‎ Ø 按电路中组成的电力电子器件控制特性:不可控、半控整流电路；‎ Ø 根据整流电路的结构形式:半波、全波和桥式整流电路等类型。‎ ‎2.1 整流器的性能指标 ‎ l定义：‎ 利用电力电子器件的可控开关特性把交流电能变为直流电能的整流电路构 成的系统称为整流器。‎ l整流器电路性能和控制方式必须满足的要求：‎ ‎（1）输出的直流电压大小可以控制；‎ ‎（2）输出直流侧电压和交流侧电流中的纹波都必须限制在允许范围内；‎ ‎（3）整流器的效率要高。‎ ‎1、电压纹波系数 整流器的输出电压是脉动的，其中除了有主要的直流成分外，还有一定 交流谐波成分。定义整流器的输出电压的交流纹波有效值与直流平均值 之比为电压纹波系数。‎ 即 ： （‎2.1.1‎）‎ 如果直流输出电压有效值用U表示，则， ‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 因此有： （‎2.1.2‎）‎ ‎2、电压脉动系数 若第n次谐波峰值为Unm, 则定义与之比为电压脉动系数，‎ ‎ （‎2.1.3‎）‎ ‎3、输入电流总畸变率THD 整流电路输出为各次谐波电流之和。‎ 输入电流总畸变率THD（Total Harmonic Distortion）又称谐波因数HF ‎（Harmonic Factor），是指除基波电流以外的所有谐波电流有效值与基波电流 效值之比，即：‎ ‎（‎2.1.4‎）‎ 式中为n次谐波电流有效值。‎ ‎4、输入功率因数PF 定义交流电源输入有功功率平均值P与其视在功率S之比为输入功率因数PF ‎（Power factor）, 即：‎ ‎ （‎2.1.5‎）‎ 对于无畸变的正弦波，谐波电流在一个周期内的平均功率为零，只有基波电 流形成有功功率 ‎ 上式中是输入电压与输入电流基波分量之间的相位角。则 称为基 波位移因数(或基波功率因数)，于是输入功率因数为:‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎ （‎2.1.6‎）‎ 式中称为基波因数，且有 所以： （‎2.1.7‎）‎ 上式表明：功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定。‎ 越小，基波功率因数越大，相应的PF也越大。另一方面，输入电流总畸 变率THD越小，功率因数PF也越大。 ‎ ‎2.2 单相相控整流电路 ‎ 单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控整流电路，它 们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。‎ ‎2.2.1‎‎ 单相半波相控整流电路 ‎1. 电阻性负载 图‎2.2.1‎ 单相半波可控整流 ‎ ‎1)工作原理 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 如图‎2.2.1‎（a）所示是单相半波相控整流带电阻性负载的电路。图中称为 整流变压器，其二次侧的输出电压为 ‎ ‎ （‎2.2.1‎）‎ 在电源正半周，晶闸管T承受正向电压，ωt < α期间由于未加触发脉冲 ‎，T处于正向阻断状态而承受全部电压，负载Rd中无电流通过，负载上 压ud为零。在ωt =α 时T被触发导通，电源电压全部加在上（忽略 管压降），到ωt=π时，电压过零，在上述过程中，=。随着电压的下降 电流也下降，当电流下降到小于晶闸管的维持电流时，晶闸管T关断，此时、‎ 均为零。在的负半周，T承受反压，一直处于反相阻断状态，全部加在 T两端。直到下一个周期的触发脉冲到来后，T又被触发导通，电路工作情况 又重复上述过程。如图‎2.2.1‎（b）所示。‎ 在单相相控整流电路中，定义晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电 角度α称为控制角(或移相角)，晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，‎ 用θ表示。对于图‎2.2.1‎所示的电路，若控制角为α，则晶闸管的导通角为 ‎ （‎2.2.2‎）‎ ‎ 2) 电阻性负载时参数计算：‎ ‎（1）整流输出电压平均值 根据波形图‎2.2.1‎ (b)，可求出整流输出电压平均值为 ‎ (‎2.2.3‎)‎ 上式表明，只要改变控制角α(即改变触发时刻)，就可以改变整流输 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 出电压的平均值，达到相控整流的目的。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。‎ 当α=0时，=0，当α=π时，=0.45为最大值。移相范围：整流输 出电压的平均值从最大值变化到零时，控制角α的变化范围为移相范围。单 相半波相控整流电路带电阻性负载时移相范围为π。‎ ‎(2) 整流输出电压的有效值U 根据有效值的定义，整流输出电压的有效值为 ‎ ‎ (‎2.2.4‎)‎ ‎(3) 整流输出电流的平均值和有效值I ‎ （‎2.2.5‎） ‎ ‎ （‎2.2.6‎）‎ ‎(4) 变压器二次侧输出的有功功率P、视在功率S和功率因数PF 如果忽略晶闸管T的损耗，则变压器二次侧输出的有功功率为 ‎ （‎2.2.7‎）‎ 电源输入的视在功率为 ‎ （‎2.2.8‎）‎ 电路的功率因数 ‎ （‎2.2.9‎）‎ 从上式可知，功率因数是控制角α的函数，且α越大，相控整流输出电压 越低，功率因数PF越小。当α=0时，PF=0.707为最大值。这是因为电路的输 出电流中不仅存在谐波，而且基波电流与基波电压(即电源输入正弦电压)也不 同相，即使是电阻性负载，PF也不会等于1。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 例2-1 单相半波相控制整流电路，电阻性负载，，由220V交流 电源直接供电，要求输出平均直流电压50V，求晶闸管的控制角α、导通角θ、电 源容量及功率因数，并选用晶闸管。‎ 解 由于，把、代入，‎ 可得α=89°导通角 因为，‎ 所以电源容量 功率因数 选用晶闸管元件承受的最大电压 ‎。‎ ‎ 流过晶闸管的电流的有效值 晶闸管的额定电流 ‎，‎ 所以选用晶闸管的型号为KP30-8。‎ ‎2. 电感性负载 （等效为电感L和电阻R串联）‎ ‎（1）工作原理及参数计算 整流电路的负载常常是电感性负载。感性负载可以等效为电感L和电阻R串 联。图‎2.2.2‎（a）是带电感性负载的单相半波可控整流电路，图2.2.2（b）是 整流电路各电量波形图。‎ 当正半周时，时刻触发晶闸管T，加到感性负载上。由于电 感中感应电动势的作用，电流只能从零开始上升，到时刻达最大值，‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图‎2.2.2‎ 感性负载单相半波可控整流电路及其波形 随后开始减小。由于电感中感应电动势要阻碍电流的减小，‎ 到时刻过零变负时，并未下降到零，而在继续减小，此时负载上的 电压为负值。直到时刻，电感上的感应电动势与电源电压相等，下 降到零，晶闸管T关断。此后晶闸管承受反压，到下一周的时刻，触发脉冲 又使晶闸管导通，并重复上述过程。‎ 从图‎2.2.2‎（b）所示的波形可知，在电角度α到π期间，负载电压为正，在 π到θ+α期间负载上电压为负，因此，与电阻性负载相比，感性负载上所得到的 输出电压平均值变小了，其值可由下式计算：‎ ‎ （‎2.2.10‎）‎ ‎ （‎2.2.11‎）‎ 故 （‎2.2.12‎）‎ ‎(2) 续流二极管（Free Wheeling Diode）的作用 由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸管的导通角θ变 大，且负载中L越大，θ越大，输出电压波形图上负压的面积越大，从而使输出 电压平均值减小。‎ 在大电感负载ωL>>R的情况下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论α 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 为何值，，都有。其波形如图‎2.2.3‎所示。‎ 图‎2.2.3‎ ωL>>R 时不同α时的电流波形 在单相半波相控整流电路中，由于电感的存在，整流输出电压的平均值将减 小，特别在大电感负载（ωL>>R）时，输出电压平均值接近于零，负载上得不到 应有的电压。解决的办法是在负载的两端并联续流二极管D。‎ 图‎2.2.4‎ 大电感负载接续流管的单相半波整流电路及电流电压波形 如图‎2.2.4‎(a)为大电感负载接续流管的单相半波整流电路。‎ 针对图‎2.2.4‎(b)所示的电路，在电源电压正半周ωt=α时刻触发晶闸管导通，‎ 二极管D承受反压不导通，负载上电压波形与不加二极管时相同。当电源电 压过零变负时，二极管受正向电压而导通，负载上电感维持的电流经二极管继续 流通，故二极管D称为续流二极管。二极管导通时，晶闸管被加上反向电压而关 断，此时负载上电压为零不会出现负电压。‎ 由此可见，在电源电压正半周，负载电流由晶闸管导通提供；电源电压负 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 半周时，续流二极管D维持负载电流；因此负载电流是一个连续且平稳的直流电 流。大电感负载时，负载电流波形是一条平行于横轴的直线，其值为。波形图 如图‎2.2.4‎(b)所示。‎ 电感性负载（大电感）参数计算 若设和分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，则容易得出 晶闸管的电压平均值为：‎ ‎ （‎2.2.13‎）‎ 流过续流二极管的电流平均值为：‎ ‎ （‎2.2.14‎）‎ 流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为： ‎ ‎ （‎2.2.15‎）‎ ‎ （‎2.2.16‎）‎ 晶闸管与续流管承受的最大电压均为：‎ ‎3、单相半波可控整流电路特点：‎ ‎•优点：‎ 线路简单，调整方便；‎ ‎•缺点：‎ ‎（1）输出电压脉动大，负载电流脉动大（电阻性负载时）。‎ ‎（2）整流变压器次级绕组中存在直流电流分量， 使铁芯磁化，变压器容量 不能充分利用。若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额 外损耗。‎ ‎•应用：‎ 单相半波可控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。‎ 66‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007学期：第二学期 课次 ‎8‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 电子 ‎05-1、2‎ 周次 ‎4‎ 日期 课题 单相半波相控整流电路安装调试维修 教学 目的 1、 掌握单结晶体管触发电路的调试步骤和维修方法 2、 掌握单相半波可控整流电路在电阻负载及感性负载时的工作 3、 了解续流二极管的作用 课型 面授□多媒体□ 机房□ 实验■ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 掌握单结晶体管触发电路的调试步骤和维修方法 掌握单相半波可控整流电路在电阻负载及感性负载时的工作 教 学 难 点 掌握单相半波可控整流电路在电阻负载及感性负载时的工作 实 践 环 节 多媒体及实践课 作 业 实践报告 教研室主任意见：‎ 同意该计划，实践课加强学生的动手能力的培养，以利于教学的深入。‎ 签字：刘沂 日期：2007.3.29‎ 66‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007学期：第二学期 课次 ‎9‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 电子 ‎05-1、2‎ 周次 ‎5‎ 日期 课题 第2章相控整流电路 单相桥式相控整流电路 教学 目的 理解和掌握单相相控整流电路的电路结构、工作原理、波形、电气性能、分析方法和参数计算 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 波形分析和基本电量计算的方法 教 学 难 点 波形分析 实 践 环 节 多媒体 作 业 ‎2—5～8‎ 教研室主任意见：‎ 同意该计划，注意教学进度及与教学大纲的内容一致。‎ 签字：刘沂 日期：2007.4.2‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎2.2.2‎‎ 单相桥式相控整流电路 ‎ ‎1、阻性负载（α的移相范围是0°～180°）‎ 工作原理分析：‎ 单相全控桥式整流电路带电阻性负载的电路如图‎2.2.5‎组成整流桥。负载电 阻是纯电阻。‎ ‎ 图‎2.2.5‎ 单相全控桥式整流电路带电阻性负载的电路与工作波形 当交流电压进入正半周时，a端电位高于b端电位，两个晶闸管、同 时承受正向电压，如果此时门极无触发信号，则两个晶闸管仍处于正相阻断状 态，其等效电阻远远大于负载电阻，电源电压将全部加在和上，‎ ‎，负载上电压。‎ 在时刻，给和同时加触发脉冲，则两个晶闸管立即触发导通，‎ 电源电压将通过和加在负载电阻上，在的正半周期，同时承 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 受正向电压，在时，同时给和加触发脉冲使其导通，电流经、‎ ‎、、二次侧形成回路。在负载两端获得与正半周相同波形的整流电 压和电流，在这期间和均承受反向电压而处于阻断状态。‎ 当由负半周电压过零变正时，、因电流过零而关断。在此期间、‎ 因承受反压而截止。、又降为零。一个周期过后，、在 时刻又被触发导通。如此循环下去。很明显，上述两组触发脉冲在相位上相差 ‎180°，这就形成了图‎2.2.5‎（b）-（f）所示单相全控桥式整流电路输出电压。电 流和晶闸管上承受电压的波形图。‎ 由以上电路工作原理可知，在交流电源的正、负半周里，、和、‎ 两组晶闸管轮流触发导通，将交流电源变成脉动的直流电。改变触发脉冲出现 的时刻，即改变α的大小，、的波形和平均值随之改变。‎ 阻性负载参数计算：‎ ‎（1）整流输出电压的平均值为 ‎ ‎（‎2.2.17‎）‎ 即为最小值时，α=180°，为最大值时α=0°，所以单相全控桥式 整流电路带电阻性负载时，α的移相范围是0°～180°。‎ ‎（2）整流输出电压的有效值为 ‎ （‎2.2.18‎）‎ ‎（3）输出电流的平均值和有效值分别为 ‎ （‎2.2.19‎）‎ ‎ （2-20）‎ ‎（4）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即 ‎ （2-21）‎ ‎（5）流过每个晶闸管的电流有效值为 ‎ （2-22）‎ ‎（6）晶闸管承受的最大反向电压为U2。 ‎ ‎（7） 在一个周期内，电源通过变压器两次向负载提供能量，因此负载电流有效值 Ｉ与变压器次级电流有效值I2相同。那么电路的功率因数可以按下式计算 ‎ （2-23）‎ 通过上述数量关系的分析，电阻负载时，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：的移相范围相等，均为0～180°；‎ 输出电压平均值Ud是半波整流电路的２倍；‎ 在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半；功率因数提高了倍。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎ （‎2.2.20‎）‎ ‎（4）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即 ‎ （‎2.2.21‎）‎ ‎（5）流过每个晶闸管的电流有效值为 ‎(‎2.2.22‎） ‎ ‎（6）晶闸管承受的最大反向电压为。 ‎ ‎（7）在一个周期内，电源通过变压器两次向负载提供能量，因此负载电流 有效值Ｉ与变压器次级电流有效值I2相同。那么电路的功率因数可以按下式计算 ‎ （‎2.2.23‎）‎ 通过上述数量关系的分析，电阻负载时，对单相全控桥式整流电路与半波整 流电路可作如下比较：‎ ‎①的移相范围相等，均为0～180°；‎ ‎②输出电压平均值是半波整流电路的２倍；‎ ‎③在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半；‎ ‎④、功率因数提高了倍。‎ 例2-2单相桥式全控整流电路给电阻性负载供电，要求整流输出电压能 在0-100V内连续可调，负载最大电流为‎20A。①由220V交流电网直接供电时，‎ 计算晶闸管的控制角α和电流有效值、电源容量S及时电源的功率因 数PF。②采用降压变压器供电，并考虑最小控制角时，求变压器变压 比K及时电源的功率因数PF。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 解： ①当=100V时，由可得：‎ 当时，α=180°。所以控制角在89.4°-180°内变化。‎ 负载电流有效值 其中 ‎ 当α=89.4°时，，流过晶闸管的电流有效值为 电源容量 当时，α=134.2°此时电源的功率因数为 ‎②当采用降压变压器，，时，‎ 所以变压器副边电压为 变比 ‎ 当时，α=116°此时电源的功率因数为：‎ 由此可见，在计算晶闸管、变压器电流时应计算最大值。整流变压器的作用 不仅能使整流电路与交流电网隔离，还可以通过合理选择，提高电源功率 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 因数、降低晶闸管所承受电压的最大值和减小电源容量，防止相控整流电路中高 次谐波对电网的影响。‎ ‎2．大电感负载 工作原理分析：‎ 电路控制角的移相范围为0～π/2‎ 图‎2.2.6‎ 单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与波形图 当负载有电感与电阻组成时被称为阻感性负载。例如各种电机的励磁绕组，‎ 整流输出端接有平波电抗器的负载等。‎ 在电源电压正半周期间，、承受正向电压，若在时刻触发 ‎、导通，电流经、负载、和二次回路，但由于大电感的存在，过零 变负时，电感上的感应电动势使、继续导通，直到、被触发导通时，‎ ‎、承受反压而关断。输出电压的波形出现了负值部分。‎ 在电源电压负半周期，晶闸管、受正向电压，在时刻触发 ‎、导通，、受反压而关断，负载电流从、中换流至、中。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 在时电压过 零，、因电感中的感应电动势并不断，直到下个周 期、导通时，、加上反压才关断。‎ 值得注意的是，只有当时，负载电流才连续，当时，负载 电流不连续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范 围是 。‎ 电路控制角的移相范围为0～π/2。‎ ‎（1）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为 ‎(0°≤α≤90°) （‎2.2.24‎）‎ ‎（2）整流输出电压有效值为 ‎ （‎2.2.25‎）‎ ‎（3）晶闸管承受的最大正反向电压为。‎ ‎（4）在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，变压器次级 中的电流是正负对称的方波，电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为１。‎ ‎（5）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为 ‎ （‎2.2.26‎）‎ ‎ （‎2.2.27‎）‎ 在大电感负载情况下，α接近π/2时，输出电压的平均值接近于零，负载上 的电压太小。且理想的大电感负载是不存在的，故实际电流波形不可能是一条直 线，而且在α＝π之前，电流就出现断续。电感量越小，电流开始断续的α值就 越小。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 例2-3 单相全控桥式整流电路大电感负载如图2-7所示，已知电感足够大，‎ 电阻，若要求在0~200V内连续可调，且αmin=30°，请就不接蓄 流二极管和接蓄流二极管两种情况，选择晶闸管的型号。‎ 解： 输出的最大电流为：‎ ‎①不接续流二极管时，‎ 所以晶闸管的额定电流，选‎20A 额定电压为选1000V。‎ 所以选择型号为KP-10‎ ‎②接续流二极管时 ‎，得。‎ 所以晶闸管的额定电流，选‎20A 额定电压为，选1000V 所以选择型号为KP-10‎ ‎3．反电势负载 工作原理 反电动势负载：对于可控整流电路来说，被充电的蓄电池、电容器、正在 运行的直流电动机的电枢（电枢旋转时产生感应电动势E）等本身是一个直流电 压的负载。‎ 电角θ＜π时，整流电流波形出现断流。其波形如图所示，‎ 图中的δ为停止导电角。也就是说与电阻负载时相比，晶闸管提前了δ电角 度停止导电。‎ ‎ (‎2.2.28‎)‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 α＜δ时，若触发脉冲到来，晶闸管因承受负电压不可能导通。为了使晶闸 管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当时刻晶闸管开始承受 电压时，触发脉冲仍然存在。这样就要求触发角α≥δ。‎ ‎（1）整流器输出端直流电压平均值 ‎ ‎ （‎2.2.29‎）‎ ‎（2）整流电流平均值 ‎ ‎ ‎ ‎ （‎2.2.30‎）‎ ‎ （3）停止导电角 ‎ （‎2.2.31‎）‎ 在上述条件下，整流电压的波形和负载电流的波形与电感负载电流时的 波形相同，的计算公式也一样。针对电动机在低速轻载运行时电流连续的临界 情况，可计算出需要的电感量L由下式决定：‎ ‎ （‎2.2.32‎）‎ 式中，L为主电路总电感量，其单位为H。‎ 66‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007学期：第二学期 课次 ‎10‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 电子 ‎05-1、2‎ 周次 ‎5‎ 日期 课题 单相桥式相控整流电路安装调试与维修 教学 目的 ‎1、掌握单相桥式相控整流电路在电阻负载及感性负载时的工作情况 ‎2、理解单相桥式相控整流电路安装与调试的方法及故障维修 ‎3、了解续流二极管的作用 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 掌握单相桥式相控整流电路在电阻负载及感性负载时的工作情况 理解单相桥式相控整流电路安装与调试的方法及故障维修 教 学 难 点 理解单相桥式相控整流电路安装与调试的方法及故障维修 实 践 环 节 实践课 作 业 实践报告 教研室主任意见：‎ 同意该计划，实践课中逐步让学生学会对实验中出现的问题加以分析和解决。‎ 签字：刘沂 日期：2007.4.5‎ 课后感想 66‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007学期：第二学期 课次 ‎11‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 电子 ‎05-1、2‎ 周次 ‎6‎ 日期 课题 第2章相控整流电路 三相半波相控整流电路 教学 目的 理解和掌握三相半波相控整流电路的电路结构、工作原理、波形、电气性能、分析方法和参数计算 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 波形分析和基本电量计算的方法 教 学 难 点 波形分析 实 践 环 节 多媒体 作 业 ‎2—9～12‎ 教研室主任意见：‎ 同意该计划，注意教学进度及与教学大纲的内容一致。‎ 签字：刘沂 日期：2007.4.9‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎2.3 三相相控整流电路 ‎ 三相整流电路分为三相半波、三相桥式整流电路两大类，实际中由于三相相 控桥式整流电路具有输出电压脉动小、脉动频率高、网侧功率因数高以及动态响 应快的特点，因此它在中、大功率领域中获得了广泛的应用。‎ 但是三相半波相控整流电路是基础，其分析方法对研究其他整流电路（包 括双反星形相控整流和时而脉波相控整流电路）非常有用，其他电路可看成是它 的串联或并联。下面着重讨论几种常用电路的工作原理。‎ ‎2.3.1‎‎ 三相半波相控整流电路 ‎ ‎1、电阻性负载工作原理分析 带电阻性负载的三相半波相控整流电路如图‎2.3.1‎（a）所示。图中将三个晶 闸管的阴极连在一起接到负载端，这种接法称为共阴接法（若将三个晶闸管的阳 极连在一起接到负载端，这种接法称为共阳接法），三个阳极分别接到变压器二次 侧，变压器为Δ/Y接法。共阴接法时触发电路有公共点，接线比较方便，‎ 应用更为广泛。‎ 图‎2.3.1‎ 电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形(α=0°)‎ ‎(1）在ω～ω期间，Ａ相电压比Ｂ、Ｃ相都高，如果在ω时刻触发晶 闸管导通，负载上得到Ａ相电压。‎ ‎(2）在ω～ω期间，Ｂ相电压最高，若在ω时刻触发导通，负载 上得到B相电压， 关断 。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎ (3)在ω～ω时期间，C相电压最高，若在ω刻触发导通，负载上得 到Ｃ相电压，并关断。 ‎ 如此循环下去，输出的整流电压是一个脉动的直流电压，它是三相交流相 电压正半周的包络线，在三系昂电源的一个周期内有三次脉动。输出电流id、晶 闸管两端电压的波形如图‎2.3.1‎（b）所示。‎ 逐步增大控制角，整流输出电压将逐渐减小。当α=30°时，、波形临 界连续。继续增大α，当α〉30°时，输出电压和电流波形将不再继续。图2-10‎ ‎（b）所实是α=60°式的输出电压波形。继续增大控制角α，整流输出电压继续 减小，当α=150°时，整流输出电压为零。‎ 图‎2.3.2‎ 三相半波相控整流α=18°、60°时的波形图 结论：‎ ① 在α<30°时负载电流连续，每个晶闸管的导电角均为120°，当 α>30°时，输出电压和电流波形将不再连续；‎ ② 在电源交流电路中不存在电感情况下，晶闸管之间的电流转移是在 瞬间完成的；‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎③负载上的电压波形是相电压的一部分；‎ ‎④晶闸管处于截止状态时所承受的电压是线电压而不是相电压。‎ ‎⑤整流输出电压的脉动频率为 HZ(脉波数m=3)。‎ 参数计算 若A相电源输入相电压 ，B、C相相应滞后则：‎ ‎⑴ 当α=0°时整流输出电压平均值最大。增大α，减小，当α=150°‎ 时，=0。所以带电阻性负载的三相半波相控整流电路的α移相范围为0～150°‎ ‎⑵当α≤30°时，负载电流连续各相晶闸管每周期轮流导电120°，导通角 ‎ =120°。输出电压平均值为:‎ ‎ （‎2.3.1‎）‎ 式中为整流变压器二次侧相电压有效值。‎ ‎⑶ 当α>30°时，负载电流断续，，输出电压平均值为:‎ ‎ ‎ ‎ （‎2.3.2‎）‎ ‎(4) 晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压峰值，即 ，最大正向 电压为电源相电压，即。‎ ‎（5）负载电流的平均值: （‎2.3.3‎）‎ 流过每个晶闸管的平均电流: ‎ ‎ ‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 流过每个晶闸管的电流有效值为: ‎ ‎ （‎2.3.4‎）‎ ‎ （‎2.3.5‎）‎ 例2-4 调压范围为2～15V的直流电源，采用三相半波控整流电路带电阻负 载，输出电流不小于‎130A。求：‎ ‎（1）整流变压器二次侧相电压有效值；‎ ‎（2）试计算9V时的α角；‎ ‎（3）选择晶闸管的型号；‎ ‎（4）计算变压器二次侧的容量；‎ 解：（1）因为是电阻性负载，且，此时可视为α=0°，‎ 而 ‎ 则 ‎ ‎（2）当α=30°时，，‎ 因此时，一定有α＞30°，于是 则 α=57.7°‎ ‎（3）当α=57.7°时，有 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 则 ‎ 故 ‎ 晶闸管的额定电流为：‎ 晶闸管的额定电压为： ‎ 考虑欲量，选择KP100-1型号的晶闸管。‎ ‎（4）因为 ‎ ‎ ‎ ‎2、大电感负载 电路特点 ‎(1)在α≤30°时，的波形与电阻性负载时相同。‎ ‎(2)α>30°时波形出现部分负压。‎ ‎(3)尽管α>30°，由于大电感负载的作用，仍然使各相晶闸管导通120°，‎ 保证了电流的连续。‎ 参数计算:‎ ‎（1）整流输出电压平均值为:‎ ‎ (‎2.3.6‎)‎ 当α=0°时最大，当α=90°时，=0。因此，大电感负载时，三相半 整流电路的移相范围为0～90°。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎ ‎ 图‎2.3.3‎ 大电感负载的三相半波整流电路及波形（α=60°）‎ ‎（2）流过每个晶闸管的平均电流与有效电流分别为:‎ ‎ (‎2.3.7‎)‎ ‎ (‎2.3.8‎)‎ 大电感负载时，晶闸管可能承受的最大正反相电压都是，这与电阻 性负载时只承受的正向电压是不同的。‎ 大电感负载接续流二极管时参数计算 ‎（1）的波形与纯电阻性负载时一样，的计算公式也一样。‎ ‎ ‎ ‎ (‎2.3.9‎)‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎（2）负载电流 ,－α。‎ ‎（3）一周期内晶闸管的导通角 ‎（4）续流二极管在一周期内导通三次，其导通角=3(α－30°)。‎ ‎（5）流过晶闸管的平均电流和有效电流分别为 ‎ (‎2.3.10‎)‎ ‎ (‎2.3.11‎)‎ ‎（6）流过续流管的平均电流和有效电流分别为 ‎ (‎2.3.12‎)‎ ‎ (‎2.3.13‎)‎ 3、 共阳极的三相半波相控整流电路 工作原理 三相半拨相控整流电路，除了上面介绍的共阴极接法外，还有还有一种是把 三只晶闸管的阳极连接在一起，而三个阴极分别接到三相交流电、电源，如图 ‎2.3.4‎‎（a）所示，这种接法称为共阳极法。由于三只晶闸管、、的 阳极连接在一起，所以等电位，可把三只晶闸管的阳极固定在同一块大散热板 上，散热效果好，安装也方便。但是，共阳极接法的三相触发电路输出脉冲变压 器二次绕组就不能有公共线，这给调试和使用带来不便。‎ 66‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007学期：第二学期 课次 ‎12‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 电子 ‎05-1、2‎ 周次 ‎6‎ 日期 课题 三相半波相控整流电路安装调试维修 教学 目的 理解和掌握单相相控整流电路的电路结构、工作原理、波形、电气性能、分析方法和参数计算 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 波形分析和基本电量计算的方法 教 学 难 点 波形分析 实 践 环 节 实践课 作 业 实践报告 教研室主任意见：‎ 同意该计划，注意教学进度及与教学大纲的内容一致。‎ 签字：刘沂 日期：2007.4.2‎ 66‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007学期：第二学期 课次 ‎13‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 电子 ‎05-1、2‎ 周次 ‎7‎ 日期 课题 第2章相控整流电路 三相桥式相控整流电路 教学 目的 理解和掌握三相桥式相控整流电路的电路结构、工作原理、波形、电气性能、分析方法和参数计算 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 波形分析和基本电量计算的方法 教 学 难 点 波形分析 实 践 环 节 多媒体 作 业 ‎2—13‎ 教研室主任意见：‎ 同意该计划，注意教学进度及与教学大纲的内容一致。‎ 签字：刘沂 日期：2007.4.16‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎2.3.2‎‎ 三相桥式相控整流电路 ‎ ‎1、电阻性负载工作原理 共阴极组的自然换流点(α=0°)在ω、ω、ω时刻，分别触发、‎ ‎、晶闸管。‎ 共阳极组的自然换流点(α=0°)在ω、ω、ω时刻，分别触发、‎ ‎、晶闸管。晶闸管的导通顺序为：‎ ‎→→→→→。‎ 图‎2.3.5‎ 三相桥式相控整流电路带电阻负载α=0° 时的情况 ‎（l）每个时刻均需2个不同组的晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，‎ 其中且不能为同一相的晶闸管；‎ ‎（2）对触发脉冲的要求：6个晶闸管的触发脉冲按 ‎→→→→→的顺序（相位依次差60°）分别触发 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 晶闸管→→→→→；共阴极组、、的触发脉冲依次相差 ‎120°，共阳极组、、的触发脉冲也依次差120°,同一相的上下两个桥臂，‎ 即 、与，与 ，与脉冲相差180°；‎ ‎（3）全控桥触发脉冲类型：‎ 宽脉冲触发：使脉冲宽度大于60°(一般取80°～100°);‎ 双脉冲触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60°，脉宽一般 为20°～30°。 ‎ ‎（4）带电阻负载时三相桥式全控整流电路角α的移相范围是 120°。 ‎ ‎3、三相桥式全控整流 电路α不同时工作原理: α=30°时工作波形：‎ ‎ ‎ 图‎2.3.6‎ 三相桥式相控整流电路 带电阻负载α=30° 时的情况 α=60°时工作波形：‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎ ‎ 图‎2.3.7‎ 三相桥式相控整流电路 带电阻负载α=60° 时的情况 α=90°时工作波形：‎ 图‎2.3.8‎ 三相桥式相控整流电路 带电阻负载α=90° 时的情况 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎4、三相桥式全控整流电路参数计算 ‎1）当α＜60°时，负载电流连续，负载上承受的是线电压设其表达式为 ‎，在内积分上 、下限为和。‎ 因此当控制角为时，整流输出电压的平均值为:‎ ‎ （‎2.3.14‎）‎ ‎2）当α＞60°时，负载电流不连续，整流输出电压的平均值为:‎ ‎（‎2.3.15‎）‎ 晶闸管承受的最大正、反向峰值电压为: ‎ ‎5、大电感负载 这里介绍带大电感负载的三相全控桥式整流电路。‎ 如图2-13（a）所示是带大电感负载的三相全控桥式整流电路。‎ 电路移向范围为0～90°‎ ‎1）α=0°时工作波形 图‎2.3.9‎（a）所示是三相全控桥式整流电路带电感负载的电路。为了节省篇 幅这里只讨论大电感负载的情况。‎ 和三相全控桥式整流电路带电阻负载时一样，把共阴极组的晶闸管依次编号 为、、把共阳极的晶闸管依次编号、、。‎ 图‎2.3.9‎（b）～（e）所式为带大电感负载的三相全控桥式整流电路在 时的电流电压波形。由三相半波电路的分析可知，共阴极组的自然换流点 在、、时刻，分别触发、、晶闸管，同理可知共阳极 组的自然换流点在、、时刻，分别触发、、晶闸管。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎ ‎ 图‎2.3.8‎ 带大电感负载的三相全控桥式整流电路 及α=0°时的电流电压波形 ‎ 晶闸管的导通顺序为。为了分析方便，‎ 把交流电源的一个周期由六个自然换流点划分为六段，并假设在t=0时电路 已在工作，即、同时导通，电流波形已经形成。‎ 在期间，U相电压为最大值，在时刻触发，则导通，‎ 因承受反压而关断。此时变成和同时导通，电流从U相流出，经 ‎、负载、流回V相，负载上得到U、V线电压。在期 间，W相电压变为最小负值，U相电压仍保持最大正值，在时刻触发，‎ 则导通，关断。此时和同时导通，负载上得到U，W线电压。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 在期间，V相电压变为最大正值，W相保持最负，时刻触发、导通，‎ 关断。此时和同时导通，负载得到V、W线电压。依此类推，在 期间和导通，负载上得到，在期间和导通，负 载上得到。在期间，和导通，负载上得到。到 期间，重复从开始的这一过程。在一个周期内负载上得到如图2-13‎ ‎（d）所示的整流输出电压波形，它是线电压波形正半部分的包络线，其基波频率 为300Hz，脉动较小。 ‎ 当α大于0°时，输出电压波形发生变化，如图2-14(b)所示分别为α=30°、‎ ‎90°时的电流电压波形。由图中可见，当α在60°以内时，波形均为正值；‎ 当α在60°到90°之间时，由于电杆的作用，波形出现负值，但正面积大于 负面积，电压平均值Ud仍为正值；当α等于90°时，政府面积基本相等，即Ud 近似为零。‎ ‎2）α=30°、 90°时工作波形 图‎2.3.9‎ 带大电感负载的三相全控桥式整流电路在α=30°、90°时的电流电压波形 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎6、大电感负载参数计算 ‎ 在0°≤α≤90°范围内负载电流连续，负载上承受的是线电压，设其表达式为，而线电压超前于相电压30°，在内积分 上、下限为 和。因此当控制角为α时：‎ ‎1）整流输出电压的平均值为:‎ ‎ ‎ ‎（0°≤α≤90°）‎ ‎2）负载电流平均值为 ‎ (‎2.3.16‎)‎ 三相全控桥式整流电路中，晶闸管换流只在本组内进行，每隔120°换流一 次，即在电流连续的情况下，每个晶闸管的导通角=120°。因此3）流过晶闸 管的电流平均值和有效值 ‎ (‎2.3.17‎)‎ ‎ (‎2.3.18‎)‎ ‎4） 流进变压器次级的电流有效值为 ‎ ‎ ‎ (‎2.3.19‎)‎ ‎5）晶闸管承受的最大电压为 66‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007学期：第二学期 课次 ‎14‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 电子 ‎05-1、2‎ 周次 ‎7‎ 日期 课题 三相桥式相控整流电路安装调试维修 教学 目的 理解和掌握三相桥式相控整流电路的电路结构、工作原理、波形、电气性能、分析方法和参数计算 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 波形分析和基本电量计算的方法 教 学 难 点 波形分析 实 践 环 节 实践课 作 业 实践报告 教研室主任意见：‎ 同意该计划，注意教学进度及与教学大纲的内容一致。‎ 签字：刘沂 日期：2007.4.19‎ 66‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年2007 学期 课次 ‎15‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电子 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 周次 ‎8‎ 日期 课题 第2章相控整流电路 整流电路的换相压降与有源逆变 教学 目的 理解和掌握整流电路的有源逆变的工作原理、波形、电气性能、分析方法和参数计算 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 整流电路的有源逆变的工作原理、波形、电气性能、分析方法和参数计算 教 学 难 点 不同负载对电路的影响和整流器交流侧电抗对整流电路的影响 实 践 环 节 多媒体 作 业 ‎2-18~20‎ 教研室主任意见：‎ 同意该教学计划。‎ 签字：刘沂 日期：2007.4.23‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎2.4 相控整流电路的换相压降 ‎ 图‎2.4.1‎ 考虑变压器的漏抗后相控整流电路 的等效电路及输出电压电流的波形 ‎ ‎1、换相重叠角γ 实际工作中，整流变压器存在漏抗，晶闸管之间的换流不能瞬时完成，会出 现参与换流的两个晶闸管同时导通的现象，同时导通的时间对应的电角度称为换 相重叠角γ。‎ ‎2、工作过程 当ω时刻触发时，Ｂ相电流不能瞬时上升到值，Ａ相电流不能瞬时下 降到零，电流换相需要时间，换流重叠角所对应的时间为 ‎ =γ/ω。在重叠角期间，、同时导通，产生一个虚拟电流 ， ‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 由图可知: ( ‎2.5.1‎ )‎ 而整流输出电压为:‎ ‎ ( ‎2.5.2‎ )‎ 图中的阴影面积大小为： ( ‎2.5.3‎ )‎ ‎3、参数计算 ‎1）换相压降Uγ ‎ 在图‎2.5.1‎(a)所示的三相半波可控整流电路中，整流输出电压为3相波形组 合（即一周期内换相3次），每个周期内有3个阴影面积，这些阴影面积之和3S 除以周期2π，即为换相重叠角期间输出平均电压的减少量，称为换相压降。‎ ‎ (‎2.5.4‎)‎ 上式中是变压器每相漏感折合到二次则的漏电抗。‎ 换相压降正比于负载电流，它相当于整流电源增加了一项等效电阻 ‎，但这个等效内阻并不消耗有功功率。‎ ‎2)换相重叠角γ 计算过程: ‎ ‎ (‎2.5.4‎)‎ 上式表明，当或增大时，γ将增大；当α增大时，γ减小。必须指出，‎ 如果在负载两端并联续流二极管，将不会出现换流重叠的现象，因为换流过程被 续流二极管的存在所改变。在图‎2.5.1‎(b)中为便于计算，将坐标原移到Ａ、Ｂ相 的自然换流点，‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 设 ‎ 由式(‎5.5.1‎)可得 ‎ 将上式两边同乘以ω得 (‎2.5.5‎)‎ 从电路工作原理可知，当电感中电流从０变到时，正好对应ωt从α变到 α+γ，将此条件代入式(‎5.5.5‎)得 ‎ 即 (‎2.5.6‎)‎ 则换相重叠角为 (‎2.5.7‎)‎ 表‎2.4.1‎ 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算 ‎2.5 整流电路的有源逆变工作状态 ‎ ‎1、无源逆变电路：将直流电能变为交流能输出至负载。 ‎ ‎ 2、有源逆变电路：将直流电能变为交流电能输出给交流电网。‎ ‎ 3、有源逆变器：完成有源逆变的装置称为有源逆变器。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎2.5.1‎‎ 有源逆变的工作原理 图‎2.5.1‎单相全波整流电路的整流工作状态 图2.5.2单相全波整流电路的逆变工作状态 ‎ ‎1、有源逆变的条件：‎ ‎（1）一定要有直流电动势源，其极性必须与晶闸管的导通方向一致，其值应 稍大于变流器直流侧的平均电压。‎ ‎（2）变流器必须工作在α＞的区域内，使＜0。‎ ‎2、全波整流电路工作在整流状态 ‎ 当移相控制角α在0范围内变化时，单相全波整流电路直流侧输出电 压> 0，如图‎2.5.1‎所示，电动机M作电机运行。整流器输出功率，电机吸收 功率，电流值为：‎ ‎ (‎2.5.1‎)‎ 式中E为电机的反电动势，为电机绕组电阻。‎ 因为阻值很小,其两端电压也很小，因此，≈E，此时电流从电动机 反电势E的正端注入，直流电机吸收功率。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 如果在电机运动过程中使控制角α减小，则增大，瞬时值也随之增大，‎ 电动机电磁转矩增大，所以电动机转速提高。‎ 随着转速升高，E增大，随之减小，最后恢复到原来的数值，此时电机稳 定运行在较高转速状态。反之，如果使角增大，电动机转速减小。‎ 所以，改变晶闸管的控制角，可以很方便地对电动机进行无级调速。‎ ‎3、全波整流电路工作在逆变状态 ‎ 整流电路的控制角α必须在范围内变化。此时，电流为：‎ ‎ (‎2.5.2‎)‎ 由于晶闸管单向导电性，方向仍然保持不变。如果|E|<||，则=0，‎ 如果|E|>||，则≠0。电动势的极性改变了，而电流的方向未变，因此，功 率的传递关系便发生了变化，电动机处于发电机状态，发出直流功率，整流电路 将直流功率逆变为50Hz的交流电返送到电网，这就是有源逆变工作状态。‎ 逆变时，电流的大小取决于E与，而E由电机的转速决定，可以调 节控制角改变其大小。为了防止过电流，同样应满足E≈ Ud的条件。‎ 在逆变工作状态下，虽然控制角α在间变化，晶闸管的阳极电位大部 分处于交流电压的负半周期，但由于有外接直流电动势E的存在，使晶闸管仍能 承受正向电压导通。‎ ‎2.5.2‎‎ 三相半波有源逆变电路 ‎ ‎1、工作原理 ‎ 图‎2.5.3‎（a）为三相半波整流器带电动机负载时的电路,并假设负载电流连续。‎ 当α在范围内变化时，变流器输出电压的瞬时值在整个周期内虽然有正有 负或者全部为负，但负的面积总是大于正的面积，故输出电压的平均值为负 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 值。电机E的极性具备有源逆变的条件。‎ 图‎2.5.3‎ 三相半波有源逆变电路及其波形 ‎ 当α在范围内变化且E＞Ud时，可以实现有源逆变。‎ ‎2、参数计算 变流器逆变时，直流测电压计算公式与整流时一样。当电流连续时，有：‎ ‎ (‎2.5.3‎)‎ 式中为相电压的有效值。‎ 由于逆变时α>90°，故cos计算不大方便，于是引入逆变角β，令 α=πβ，则（‎2.6.3‎）改写成：‎ ‎ (‎5.5.4‎)‎ 逆变角为β的触发脉冲位置从α=π的时刻左移β角来确定。‎ ‎2.5.3‎‎ 三相桥式有源逆变电路 ‎ ‎1、工作原理 ‎ 三相全控桥式整流电路用作有源逆变时，就成了三相桥式逆变电路。‎ 三相桥式逆变电路的工作与三相桥式整流电路一样，要求每隔60°依次触发 晶闸管，电流连续时，每个管子导通120°，触发脉冲必须是双窄脉冲或者是宽 脉冲。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 直流侧电压计算公式为：‎ ‎ （‎2.5.5‎ ）‎ 或 （‎2.5.6‎ ）‎ 式中：为逆变电路输入相电压， 为逆变电路输入线电压。‎ ‎2.5.4‎有源逆变最小逆变角的限制 ‎ ‎1、逆变失败 如果逆变角β小于换流重叠角γ，即β<γ时，从图‎2.5.4‎所示的波形中可 清楚看到，换流还未结束，电路的工作状态到达与交点P，从P点之后，‎ 将高于，晶闸管承受反压而重新关断，而应该关断的却承受正压而继 续导通，从而造成逆变失败。‎ 因此，为了防止逆变失败，不仅逆变角β不能等于零，而且不能太小，必须 限制在某一允许的最小角度内。‎ 图‎2.5.4‎ 交流侧电抗对逆变换相过程的影响 ‎ ‎2、最小逆变角的选取 ‎（1）换相重叠角γ随电路形式、工作电流的大小不同而不同，一般选取为电 角度。‎ ‎（2）晶闸管关断时间所对应的电角度δ。一般大的可达200300μs，‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 折算电角度δ为 。‎ ‎（3）安全裕量角θ。考虑到脉冲调整时不对称、电网波动等因素影响，还必须 有一个安全裕量角，一般选取θ为 。 ‎ 综上所述，最小逆变角 为：‎ ‎ (‎2.5.7‎)‎ 设计有源逆变电路时，必须保证β大于，因此，常在触发电路中附加一 保护环节，保证控制脉冲不进入区域内。‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年 2006~2007 学期:第二学期 课次 ‎16‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电子 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 周次 ‎8‎ 日期 课题 第2章相控整流电路 单结晶体管触发电路 锯齿波同步触发电路 教学 目的 理解和掌握相控整流电路对触发器的要求及工作原理 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 单结晶体管触发电路的工作原理 教 学 难 点 单结晶体管触发电路的工作原理 实 践 环 节 多媒体教学 作 业 ‎2-14‎ 教研室主任意见：‎ 注意教学进度，同意该计划。‎ 签字：刘沂 日期：2007.4.26‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎2.6 晶闸管相控电路的驱动控制 ‎ ‎2.6.1‎‎ 对触发电路的要求 ‎ 晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其 产生的触发脉冲要求:‎ ‎１、触发信号可为直流、交流或脉冲电压。‎ ‎２、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。 ‎ ‎３、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，‎ 阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。 ‎ ‎４、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。‎ 图‎2.6.1‎ 强触发电流波形 ‎2.6.2‎‎ 晶闸管触发电路 ‎ 特点：‎ 由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性 能好，脉冲前沿陡等优点，在小容量的晶闸管装置中得到了广泛应用。‎ 组成：‎ 由自激振荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成。 ‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图‎2.6.2‎ 单结晶体管触发电路及波形 ‎ ‎（1）单结晶体管自激振荡电路 ‎ 特点：‎ 利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，‎ 产生频率可变的脉冲。‎ 工作原理：‎ 经整流后的直流电源，一路经、加在单结晶体管两个基极 ‎、之间；另一路通过对电容C充电、通过单结晶体管放电。控制BT的 导通、截止；‎ 在电容上形成锯齿波振荡电压，在上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲，‎ 如图‎2.6.2‎(b)所示，其振荡频率为：‎ ‎ (‎2.6.1‎)‎ 上式中是单结晶体管的分压比，即调节，可调节振荡频率。‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎（2）同步电源 ‎ 工作原理：‎ 同步电压由变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步 电压与主电压同相位、同频率。‎ 同步电压经桥式整流、稳压管削波为梯形波，而削波后的最大值 既是同步信号，又是触发电路电源。‎ 当过零时，电容C经e-、迅速放电到零电压。这就是说，每半周 开始，电容C都从零开始充电。进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过 零的时刻（即控制角α）一致，实现了同步。‎ ‎（3）移相控制 工作原理：‎ 当增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压的时间增大，第一个脉 冲出现的时刻推迟，即控制角α增大，实现了移相。‎ ‎（4）脉冲输出 工作原理：‎ 触发脉冲由直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直 接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般采 用脉冲变压器输出。‎ ‎2、同步信号为锯齿波的触发电路 ‎ ‎（1） 锯齿波形成、同步移相环节 ‎ 锯齿波形成电路由、、和等元件组成，其中、、‎ 和为一恒流源电路。截止时，恒流源电流对电容充电，‎ 所以两端电压为： （‎2.6.2‎）‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图‎2.6.3‎ 同步信号为锯齿波的触发电路 ‎ 当导通时，由于阻值很小，所以迅速放电，使电位迅速降 ． 当周期性地导通和关断时，便形成一锯齿波，同样也是一个锯齿波 壹． 电压，射极跟随器的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压的影响。调 貳． 节电位器，即改变的恒定充电电流，可调节锯齿波斜率。‎ ‎（2) 同步移相环节初始位 基极电位由锯齿波电压、控制电压、直流偏移电压三者共同 决定。‎ 如果=0，为负值时，点的波形由+确定。‎ 当为正值时，点的波形由+ +确定。‎ 电压等于0.7V后，导通，经过M点时使电路输出脉冲。之后 ‎ ‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图‎2.6.4‎ 同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形图 一直被钳位在0.7V。M点是由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿。‎ 因此当为某固定值时，改变便可改变M点的时间坐标，即改变了脉冲 产生的时刻，脉冲被移相。可见，加的目的是为了确定控制电压=0时脉冲 的初始相位。‎ 对于三相全控桥接感性负载且电流连续时，脉冲初始相位应定在α=。‎ 如果是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，要求脉冲的移相范围理论 上为（由于考虑和，实际一般为120），由于锯齿波波形两端的非 线性，因而要求锯齿波的宽度大于（例如240）。此时令=0，调节的 大小使产生脉冲的M点移至锯齿波的中央（120处），对应于α=90的位置。‎ 如uco为正值，M点就向前移，控制角α<90，晶闸管电路处于整流工作状态。‎ 如为负值，M点就向后移，控制角α>90，晶闸管电路处于逆变状态。‎ ‎ ‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎（2）同步环节 ‎ 同步环节是由同步变压器TB和作同步开关用的晶体管组成。‎ 同步变压器TB二次电压经二极管间接加在的基极上。当二次电压波形 在负半周的下降段时，导通，电容被迅速充电。因O点接地为零电位，R 点为负电位，Q点电位与R点相近，故在这一阶段基极为反向偏置而截止。在 负半周的上升段，＋15V电源通过给电容反向充电，为电容反向充电波形，‎ 其上升速度比波形慢，故截止。‎ 当Q点电位达1.4V时，T2导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到 TB二次电压 的下一个负半周到来时，重新导通，迅速放电后又被充电，截止。如此 周而复始。在一个正弦波周期内，包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形 恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。‎ 可以看出，Q点电位从同步电压负半周上升段开始时刻到达 1.4V的时间越 长，截止时间就越长，锯齿波就越宽。锯齿波的宽度是由充电时间常数 决定的,可达 。‎ ‎（3）脉冲形成环节 ‎ 脉冲形成环节、组成，、组成脉冲放大电路。‎ 控制电压uco加在基极上。=0时，截止，饱和导通。、处 于截止状态，脉冲变压器TP二次侧无脉冲输出。电容充电，充满后电容两端电 压接近2EC(30V)。当时，导通，A点电位由+ (+15V)下降到1.0V左右，‎ 由于两端的电压不能突变，基极电位迅速降致-2(-30V)，立即截止。‎ 集电极电压由- (-15V)上升到钳位电压+2.1V(、T7、三个PN结正向 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 压降之和)，、导通，脉冲变 压器TP二次侧输出触发脉冲。与此同时，电容经+15V电源、、、‎ 放电和反向充电，使T5基极电位上升，直到>-(-15V)，又重新导通。‎ 使、截止，输出脉冲终止。‎ 输出脉冲前沿由导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数 有关。‎ ‎（4）双窄脉冲形成环节 ‎ ‎、构成“或”门。、的导通使、都导通输出脉冲。 ‎ 第一个脉冲由本相触发单元的对应的控制角α所产生，使由截止变为 导通，造成瞬时截止，于是输出脉冲。‎ 第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过），在其生成 第一个脉冲时刻将其信号引致本相触发单元的基极，使瞬时截止，于是本相触 发单元的管又导通，第二次输出一个脉冲，因而得到间隔60的双脉冲。其中 和的作用主要是防止双脉冲信号互相干扰。‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年 2006~2007 学期:第二学期 课次 ‎17‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电子 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 周次 ‎9‎ 日期 课题 第2章相控整流电路 锯齿波同步触发电路 教学 目的 理解和掌握相控整流电路对锯齿波同步触发电路的要求及工作原理 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 锯齿波同步触发电路的工作原理 教 学 难 点 锯齿波同步触发电路的工作原理 实 践 环 节 作 业 ‎2-15‎ 教研室主任意见：‎ 注意教学进度，同意该计划。‎ 签字：刘沂 日期：2007.5.7‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 强触发环节：‎ 单相桥式整流获得近似50V直流电压作电源。‎ 在导通前，50V直流电源经对充电，B点电位为 50V。‎ 当导通时，经脉冲变压器TP一次侧、、 迅速放电，由于放电 回路电阻很小，B点电位迅速下降，当B点电位下跳到14.3V时导通．脉冲变 压器 TP改由+15V稳压电源供电。这时虽然 50V电源也在向再充电使它电压 回升，但由于充电回路时间常数较大，B点电位只能被15 V电源钳位在14.3V。‎ 电容的作用是为了提高强触发脉冲前沿。‎ 加强触发后，脉冲变压器TP一次侧电压如图‎2.6.5‎所示。晶闸管采用强 触发可缩短开通时间，提高管子承受电流上升率的能力。‎ ‎3、KC04集成移相触发器 可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成，脉冲输出等几部分电路。‎ ‎（1）同步电路 ‎ 同步电路由晶体管等元件组成。正弦波同步电压经限流电阻加到 ‎、基极。‎ 在正半周，截止，导通，导通，得不到足够的基极电压而截止。‎ 在 的负半周，截止，、导通，导通，同样得不到足够的 基极电压而截止。‎ 在上述的正、负半周内，当||<0.7V时，、、均截止，、‎ 也截止，于是从电源+15V经、获得足够的基极电流而饱和导通，形成图 ‎2.7.6‎所示的与正弦波同步电压同步的脉冲。‎ 教 师 授 课 教 案 加强触发后，脉冲变压器TP一次侧电压如图‎2.6.5‎所示。晶闸管 采用强触发可缩短开通时间，提高管子承受电流上升率的能力。‎ ‎3、KC04集成移相触发器 可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成，脉冲输出等几部分电路。‎ ‎（1）同步电路 ‎ 同步电路由晶体管等元件组成。正弦波同步电压经限流电 阻加到、基极。‎ 在正半周，截止，导通，导通，得不到足够的基极电压 而截止。‎ 在 的负半周，截止，、导通，导通，同样得不到足 够的基极电压而截止。‎ 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图‎2.6.5‎ KC04组成的移相式触发电路及各点电压波形图 ‎ ‎（2）锯齿波形成电路 锯齿波发生器由三极管、电容等组成。‎ 当截止时，+15V电源通过、、、-15V对充电。‎ 当导通时，通过、迅速放电，在KC04的第④脚(也就是的集 电极)形成锯齿波电压，锯齿波的斜率取决于、与的大小，锯齿 的相位与相同。 ‎ ‎3）移相电路 ‎ 晶体管与外围元件组成移相电路。锯齿波电压、控制电压、偏移 电压分别通过电阻、、在的基极叠加成，当>0.7V 时，导通，即++控制了的导通与截止时刻，也就是控制了脉冲 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 的移相。‎ ‎（4）脉冲形成电路 ‎ 与外围元件组成脉冲形成电路。‎ 当截止时，+15V电源通过、的b-e对充电（左正右负），同时 经获得基极电流而导通。‎ 当导通时，上的充电电压成为的b-e结的反偏电压，截止。此后 ‎+15V经、对充电（左负右正），当反向充电电压大于1.4V时，又恢 复导通。‎ 这样在的集电极得到了脉冲，其脉宽由时间常数大小决定。 ‎ ‎（5）脉冲输出电路 ‎ ‎～组成脉冲输出电路。在同步电压的一个周期内，的集电极输出 两个相位差180°的脉冲。‎ 在的正半周，导通，Ａ点为低电位，Ｂ点为高电位，使截止，‎ 导通。的导通使Dw4截止，由、、组成的放大电路无脉冲输出。‎ 的截止，使导通，集电极的脉冲经、、组成的电路放大后由①‎ 脚输出。‎ 在的负半周， 同理可知，导通，截止，的正脉冲经、、‎ 组成电路放大后由(15)脚输出。‎ ‎4、六路双脉冲发生器KC‎41C ‎ ‎①～⑥脚是六路脉冲输入端(如三片KC04的六个输出脉冲)，每路脉冲由输入 二极管送给本相和前相，再由～组成的六路电流放大器，分六路输出。‎ 组成电子开关，当控制端⑦脚接低电平时，截止，⑾～⒃脚有脉冲输出。当⑦‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图‎2.6.6‎ KC‎41C原理图及其外部接线图 ‎ 脚接高电平时，导通，各路输出脉冲被封锁。 ‎ ‎5、三相全控桥整流电路的集成触发电路 ‎2.6.3‎‎ 触发脉冲与主电路电压的同步 ‎ 加强触发后，脉冲变压器TP一次侧电压如图‎2.6.5‎所示。晶闸管 采用强触发可缩短开通时间，提高管子承受电流上升率的能力。‎ ‎3、KC04集成移相触发器 可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成，脉冲输出等几部分电路。‎ ‎（1）同步电路 ‎ 同步电路由晶体管等元件组成。正弦波同步电压经限流电阻加到 ‎、基极。‎ 在正半周，截止，导通，导通，得不到足够的基极电压而截止。‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图‎2.6.7‎三相全控桥整流电路的集成触发电路 ‎ 在 的负半周，截止，、导通，导通，同样得不到足够的 基极电压而截止。‎ 同步电压与被触发晶闸管的阳极电压之间的相位关系取决于主电路、触发 电路形式、负载性质、移相范围要求等几个方面。‎ 实现同步，就是确定同步变压器的接法，‎ 具体步骤是：‎ ‎1．根据主电路、触发电路形式与移相范围来确定同步电压 与对应的晶闸 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 管阳极电压之间的相位关系。‎ ‎2．根据整流变压器TR的实际连接或钟点数，以电网某线电压作参考矢量，‎ 画出整流变压器次级电压，也就是晶闸管阳极电压的矢量。再根据步骤1所确 定的同步电压与晶闸管阳极电压的相位关系，画出同步相电压与同步线电压矢量。‎ ‎3．根据同步变压器次级线电压矢量位置，确定同步变压器的钟点数和连接 法。‎ 主电路为图‎2.6.8‎步触发电路，且移相范围要求180°。因为锯齿波底宽为 ‎ ‎240°，考虑到两端的非线性，故取30°～210°作为 0°～180°的移相区间。‎ 以A相晶闸管Tl为例时，触发电路产生的触发脉冲应对准相电压自然换流点，‎ 即对准相电压为30°时刻。这说明，锯齿波的起点正好是相电压的上升过零点，‎ 即控制锯齿波电路的同步电压 应与晶闸管阳极电压相位上相差180°。同理，‎ 与、与亦应相位相差180°。‎ 图‎2.6.8‎ 三相半波相控整流电路主电压与触发同步电压的相位关系 三相同步变压器有二十四种接法 ‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图‎2.6.9‎ 三相同步变压器的接法与钟点数 ‎ 例2-6三相全控桥整流电路，整流变压器 为△／Y—5接法。 采用 图‎2.6.3‎所示锯齿波同步触发电路。电路要求工作在整流与逆变状态。同步 变压器TB次级电压经阻容滤波后变为送至触发电路，滞后的电角度为 ‎30°。试确定同步变压器TB的接线。‎ 解： ‎ 图‎2.6.8‎ 整流、同步电压矢量图 图2.6.9 同步变压器接线图 ‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 66‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年 2006~2007 学期:第二学期 课次 ‎18‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电子 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 周次 ‎9‎ 日期 课题 锯齿波同步、集成触发电路安装调试维修 教学 目的 理解锯齿波同步、集成触发电路的工作原理及元件的作用 掌握锯齿波同步触发电路的调试和维修方法 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 理解锯齿波同步、集成触发电路的工作原理及元件的作用 教 学 难 点 掌握锯齿波同步触发电路的调试和维修方法 实 践 环 节 实践课 作 业 实践报告 教研室主任意见：‎ 注意教学进度，同意该计划。‎ 签字：刘沂 日期：2007.5.10‎ 66‎ 66‎