第2章 晶閘管可控整流電路

1、第2章晶閘管可控整流電路 主編2.1單相可控整流電路2.1.1單相半波可控整流電路1.電阻性負載的工作情況(1)工作原理在實際應用中，一些負載基本可看作電阻，如電阻加熱爐、電解、電鍍等。圖2-1單相半波可控整流電路及波形2.1單相可控整流電路(2)參數(shù)分析1)輸出直流電壓平均值Ud。Ud=1202U2sintd(t)=045U21+cos22)輸出直流電流平均值Id。Id=Ud/Rd3)晶閘管承受的最大正、反向電壓UTM。UFM=URM=U22.1單相可控整流電路2.阻感性負載的工作情況 阻感性負載中既有電阻又有電感，且感抗與電阻的大小相比不可忽略。屬于此類負載的有：各種電機的勵磁繞組、經(jīng)電抗

2、器濾波的負載等。阻感性負載與電阻性負載的工作情況大不相同，為了分析方便，通常把電阻Rd與電感Ld分開。阻感性負載表現(xiàn)為電流增加時，阻止電流增加；當電流減小時，反過來阻止電流減小。這使得流過電感的電流不能發(fā)生突變，這是阻感性負載的特點。帶阻感性負載的單相半波可控整流電路及波形如圖2 2所示。圖2-2帶阻感性負載的單相半波可控整流電路及波形2.1單相可控整流電路(1)工作原理0t1期間：電源電壓u2雖然為正，但因無觸發(fā)脈沖，晶閘管處于阻斷狀態(tài)，負載電壓ud、電流id均為零，管子承受全部電源電壓。 (2)續(xù)流二極管的作用為解決上述大電感負載時，整流輸出的直流平均電壓近似為零的問題，關(guān)鍵是使負載端電壓

3、波形不出現(xiàn)負值。圖2-3單相半波帶阻感性負載有續(xù)流二極管的可控整流電路及波形2.1單相可控整流電路單相半波可控整流結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，投資少，但輸出的直流電壓脈動大，整流變壓器只有半周工作，利用率低且有直流分量流過，一般只用在小容量整流且要求不高的場合。單相整流電路中應用較多的是單相橋式全控整流電路。根據(jù)所接負載，單相橋式全控整流電路的工作情況可分為電阻性負載、阻感性負載及反電動勢負載三種，本節(jié)將首先分析帶電阻性負載時的工作情況，并分別討論其他兩種負載情況下單相橋式全控整流電路的工作。1.帶電阻性負載的工作情況(1)工作原理帶電阻性負載時的單相橋式全控整流電路及波形如圖2-4所示。2.1單相可

4、控整流電路2.1.2單相橋式全控整流電路圖2-4帶電阻性負載時的單相橋式全控整流電路及波形a)電路b)波形2.1單相可控整流電路(2)參數(shù)分析1)整流電壓平均值為Ud=102U2sintd(t)=09U21+cos22)負載上輸出的直流電流平均值為Id=Ud/Rd3)晶閘管承受的最大反向電壓為URM=U24)流過晶閘管的有效值和電流平均值。IVT=I2/2.1單相可控整流電路2.帶阻感性負載的工作情況(1)工作原理電路如圖2-5a所示，在負載端串入足夠大的電感，即為大電感負載。圖2-5單相橋式全控整流帶阻感性負載時的電路及波形a)電路b)波形2.1單相可控整流電路(2)參數(shù)分析1)輸出直流電壓

5、平均值為Ud=1+02U2sintd(t)=09U2cos2)輸出電流平均值為Id=Ud/Rd3)晶閘管承受的最大反向電壓為URM=U24)晶閘管平均值和有效值分別為IdVT=Id/2IVT=Id/5)變壓器二次電流i2有效值為I2=Id2.1單相可控整流電路3.帶反電動勢負載的工作情況 具有一定直流電動勢的負載稱為電動勢性負載，如蓄電池、電容器和運行中的直流電動機等；這些負載對于可控整流電路而言，相當于反電動勢，其等效電路用電動勢E和內(nèi)阻Rd表示，負載電動勢的極性如圖2 6a所示。單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載的電路及波形如圖2 6所示。圖2-6單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載的電路及

6、波形a)電路b)波形2.1單相可控整流電路2.1.3單相橋式半控整流電路 在單相橋式全控整流電路中共用了四個晶閘管，分兩個導電回路，每一個導電回路中有兩個晶閘管同時控制電路工作。實際上，對每個導電回路進行控制，只需一個晶閘管就可以了，另一個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個電路。把圖2 4a中所示的晶閘管VT3、VT4換成二極管VD1、VD2，即成為單相橋式半控整流電路，如圖2 7a所示，其波形圖如圖2 7b所示。圖2-7單相橋式半控整流電路及波形a)電路b)波形2.1單相可控整流電路圖2-8實際應用的單相橋式半控整流電路a)加設續(xù)流二極管b)不加設續(xù)流二極管2.1單相可控整流電路圖2-9常

7、見觸發(fā)信號電壓波形a)正弦波b)尖脈沖c)方脈沖d)強觸發(fā)脈沖2.1.4晶閘管的觸發(fā)電路2.1單相可控整流電路1.對觸發(fā)電路的要求(1)觸發(fā)信號應有足夠的功率(觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流)觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應大于晶閘管的門極觸發(fā)電壓和門極觸發(fā)電流。(2)觸發(fā)脈沖的移相范圍應能滿足變流裝置的要求觸發(fā)脈沖的移相范圍與主電路形式、負載性質(zhì)及變流裝置的用途有關(guān)。(3)觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿應盡可能陡觸發(fā)脈沖的寬度一般應保證晶閘管陽極電流在脈沖消失前能達到擎住電流，使晶閘管保持通態(tài)，這是最小的允許寬度。(4)觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步為了使晶閘管在每一周期都能重復在相同的相位上觸發(fā)，保證變流裝

8、置的品質(zhì)和可靠性，觸發(fā)電路的同步電壓與主電路電源電壓必須保持某種固定的相位關(guān)系。2.1單相可控整流電路2.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路(1)單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)及其伏安特性圖2-10單結(jié)晶體管a)外形b)結(jié)構(gòu)c)圖形符號d)等效電路2.1單相可控整流電路1)單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)。2)單結(jié)晶體管的伏安特性。圖2-11單結(jié)晶體管的伏安特性a)實驗電路b)伏安特性曲線2.1單相可控整流電路(2)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強、脈沖前沿陡等優(yōu)點，在小容量的晶閘管裝置中得到了廣泛應用。1)同步電源。2)自激振蕩電路。3)移相控制。4)脈沖輸出。圖2-12單結(jié)晶體管觸發(fā)電路a)電路b)

9、f)波形2.1單相可控整流電路3.集成觸發(fā)電路集成化晶閘管移相觸發(fā)電路具有移相線性度好、性能穩(wěn)定可靠、體積小、溫度漂移小等優(yōu)點，形成了系列化的產(chǎn)品，國產(chǎn)KC系列、改進型產(chǎn)品KJ系列已經(jīng)得到越來越廣泛的應用?，F(xiàn)以國產(chǎn)KC系列KC04移相觸發(fā)電路為例，介紹其外部結(jié)構(gòu)與工作過程。圖2-13KC04組成的觸發(fā)電路圖2-14KC04各點電壓波形圖2.1單相可控整流電路(1)同步單元同步電路由晶體管VT1VT4等器件組成。(2)鋸齒波形成單元外接電容器C1通過芯片的和端接至VT5管的基極和集電極之間，構(gòu)成了電容負反饋的鋸齒波發(fā)生器。(3)移相控制單元鋸齒波電壓uVT5C(晶閘管VT5的集電極電壓)和外接偏

10、移電壓uP、移相控制電壓uK，分別經(jīng)過電阻R16、R17、R18由端子進入芯片，經(jīng)疊加后，如果偏移電壓uP和鋸齒波電壓uVT5C為定值，那么改變uK的大小即可改變脈沖產(chǎn)生的時刻，起到移相控制的作用。(4)脈沖形成單元+15V電源、C2、R19為外接電路，C2與芯片端子、連接，在就得到一個寬度固定的移相脈沖，該脈沖寬度由時間常數(shù)C2R19(C2、R19的相關(guān)參數(shù))決定。(5)脈沖放大輸出單元VT8VT15組成脈沖輸出電路，承擔脈沖功率放大及輸出。2.2三相可控整流電路2.2.1三相半波可控整流電路1.三相半波不可控整流電路三相半波不可控整流電路由三相變壓器TR、整流二極管VD1VD3和負載電阻R

11、d組成，電路如圖2 15所示。圖2-15三相半波不可控整流電路(帶電阻性負載)2.2三相可控整流電路2.三相半波可控整流電路把三相半波不可控整流電路中的三個二極管換成三個晶閘管即可得到三相半波可控整流電路（帶電阻性負載），如圖2 16a所示。圖2-16三相半波可控整流電路(帶電阻性負載)a)電路圖b)=0時的波形2.2三相可控整流電路(1)帶電阻性負載的工作情況晶閘管只有在陽極承受正向電壓，同時門極加觸發(fā)電壓時才能導通。圖2-17三相半波可控整流電路帶電阻性負載時的波形a)=30時b)=60時2.2三相可控整流電路圖2-18三相半波可控整流電路(帶阻感性負載) 整流電壓平均值為2.2三相可控整

12、流電路Ud=32(5/6)+(/6)+2U2sintd(t)=(36/2)U2cos=117U2cos 負載電流平均值為Id=Ud/Rd。 每個晶閘管電流平均值為IdVT=Id/3。 每個晶閘管電流有效值為IVT=Id/。 晶閘管承受的最大正、反向電壓均為變壓器二次線電壓峰值，UFM=URM=U2。2.2三相可控整流電路2.2.2三相橋式全控整流電路三相半波電路比單相整流波形平直，但每相只有13周期導電，變壓器利用率低，且存在直流磁化。所以實際應用較為廣泛的是三相橋式全控整流電路。1.帶電阻性負載的工作情況設t=0時電路已在工作，即VT5、VT6同時導通，電流波形已經(jīng)形成。三相橋式全控整流電路

13、電阻性負載=0時的情況如圖2 19b所示。圖2-19三相橋式全控整流電路(帶電阻性負載)a)電路圖b)=0時的波形2.2三相可控整流電路1)每個時刻均需兩個晶閘管同時導通，形成向負載供電的回路，其中一個晶閘管是共陰極組的，另一個是共陽極組的，且不能為同一相的晶閘管。2)各晶閘管均在自然換相點處換相。3)對觸發(fā)脈沖的要求：六個晶閘管的脈沖按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的順序，相位依次差60；共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2的脈沖也依次差120；同一相的上、下兩個橋臂，即VT1與VT4、VT3與VT6、VT5與VT2脈沖相差180。2.2三相

14、可控整流電路4)整流輸出電壓ud在一個周期內(nèi)脈動六次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為六脈沖整流電路。當觸發(fā)延遲角改變時，電路的工作情況將發(fā)生變化。圖2 20a給出了=30時的波形。從t1開始把一個周期等分為六段，每段為60。圖2-20三相橋式全波整流電路帶電阻性負載時的波形a)=30時b)=60時2.2三相可控整流電路圖2-21三相橋式全控整流電路帶電阻性負載時=90的波形2.2三相可控整流電路Ud=1/3(2/3)+(/3)+6U2sintd(t)=(36/）U2cos=234U2cos(60）Ud=1/3(/3)+6U2sintd(t)=(36/)U21+cos3+=234U21+cos

15、3+(60) 晶閘管承受的最大正、反向電壓值為UFM=URM=U22.帶阻感性負載的工作情況三相橋式全控整流電路大多用于向阻感性負載供電，下面對這種情況作一基本分析。2.2三相可控整流電路圖2-22三相橋式全控整流電路帶阻感性負載時的波形a)=0b)=302.帶阻感性負載的工作情況三相橋式全控整流電路大多用于向阻感性負載供電，下面對這種情況作一基本分析。2.2三相可控整流電路圖2-23三相橋式全控整流電路帶阻感性負載時=90的波形(2)晶閘管承受的最大電壓為U2230.3V，取兩倍的裕量，URM=460.6V。晶閘管的平均電流為IdVT=Id/3,又因為Id=Ud/Rd=220V/4=55A2

16、.2三相可控整流電路3.帶反電動勢阻感性負載的工作情況三相橋式全控整流電路接反電動勢阻感性負載，即向存在反電動勢的阻感性負載供電，如用于直流電動機傳動，若負載電感量足夠大(足以使負載電流連續(xù))，電路的工作情況與帶阻感性負載時的工作情況相似，電路中各處的電壓、電流波形與帶阻感性負載時基本相同。2.2三相可控整流電路2.2.3電容濾波的三相不可控整流電路 電容濾波的三相不可控整流電路是用途很廣的一類電路，其最常用的是三相橋式結(jié)構(gòu)。電路如圖2 24a所示，波形如圖2 24b所示。圖2-24電容濾波的三相橋式不可控整流電路a)電路b)波形2.2三相可控整流電路1.基本工作原理 該電路中，當某一對二極管

17、導通時，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。當沒有二極管導通時，由電容向負載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。當下一對二極管導通時，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中另一個成為最大的線電壓，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。以上過程重復。2.主要數(shù)量關(guān)系電容濾波的三相橋式不可控整流電路的有關(guān)量計算如下：1)輸出電壓平均值?？梢?，Ud在234U2 245U2之間變化。2)輸出電流平均值。3)流過每一個二極管的電流平均值為IVD,IVD=Id/3=IR/3。4)二極管承受的最大反向電壓是線電壓的峰值，為URM=U2=2.45U2。2.2三相可控整流電路2.2.4晶閘

18、管的保護與容量擴展1.晶閘管的保護由于晶閘管承受過電壓和過電流的能力較差，短時間的過電壓和過電流都有可能造成管子的損壞。所以在實際應用中，為保證電路安全正常地工作，除了合理選擇晶閘管的額定值以外，還必須在電路中采取必要的保護措施。2.2三相可控整流電路(1)過電流的產(chǎn)生及保護若通過晶閘管的電流超過了其正常工作時的最大電流，就稱為過電流。1)過電流產(chǎn)生的主要原因有： 晶閘管損壞或觸發(fā)電路故障； 生產(chǎn)機械過載或直流側(cè)短路； 交流電源過高、過低或缺相； 可逆系統(tǒng)中產(chǎn)生環(huán)流或有源逆變失敗等。過電流保護的任務就是當電路一旦出現(xiàn)過電流時，能在晶閘管尚未損壞之前，迅速地抑制過電流或快速切斷電路，以達到保護晶閘管的目的。2.2三相可控整流電路2)常用的過電流保護措施有以下五種，如圖2-25所示。圖2-25常用的過電流保護措施2.2三相可控整流電路 快速熔斷器保護。它是最有效、最常用的一種過電流保護措施。與普通熔斷器比較，快速熔斷器具有快速熔斷的特性，熔斷時間一般小于0.02s，可在晶閘管被損壞之前迅速切斷短路電流，故適用于短路保護場合?？焖偃蹟嗥鞯慕臃ㄓ腥N，如圖2-26所示，串聯(lián)在橋臂、串聯(lián)在交流側(cè)以及串聯(lián)在直流側(cè)。圖2-26快速熔斷器的接法a)串聯(lián)在橋