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3.1   单相可控整流电路

3.1.1  单相半波可控整流电路

1.电阻性负载

图3-1表示了一个带电阻性负载的单相半波可控整流电路及电路波形。图中T为整流变压器,用来变换电压。引入整流变压器后将能使整流电路输入、输出电压间获得合理的匹配,以提高整流电路的力能指标,尤其是整流电路的功率因数。在生产实际中属于电阻性的负载有如电解、电镀、电焊、电阻加热炉等。电阻性负载情况下的最大特点是负载上的电压、电流同相位,波形相同,掌握这个特点对分析电阻性负载下整流电路的工作原理十分重要。

图3-1  单相半波可控整流电路(电阻性负载)

变压器副边电压u2为工频正弦电压,其有效值为U2,交变角频率为ω,通过负载电阻加到晶闸管VT的阳极与阴极之间。在ωt=0~π的正半周内,晶闸管阳极电压为正、阴极电压为负,元件承受正向阳极电压,具备导通的必要条件。假设门极到ωt1时刻才有正向触发脉冲电压ug,则在ωt=0~α范围内,晶闸管由于无门极触发电压而不导通,处于正向阻断状态。如果忽略漏电流,则负载上无电流流过,负载电压ud=0,晶闸管承受全部电源电压,管子上电压uT=u2。在ωt1时刻门极加上正向触发脉冲电压,满足晶闸管导通的充分条件,元件立即导通,负载上流过电流id。如果忽略晶闸管的正向管压降,则uT=0,ud=u2。由于电阻负载下负载电流id=ud/R,则负载电压、电流ud、id在此ωt1时刻均发生跃变。在以后的ωt=α~π范围内,即使门极触发电压消失,晶闸管继续导通,电路维持uT=0,ud=u2,id=ud/R的状态。当ωt=π时,电源电压u2过零,负载电流亦即晶闸管的阳极电流将小于元件的维持电流IH,晶闸管关断,负载上电压、电流都将消失。在ωt=π~2π的负半周,晶闸管承受反向阳极电压而关断,元件处于反向阻断状态。此时元件承受反向电压uT=u2,负载电压、电流均为零。

第二个周波将重复第一周波的状态。从图3-1波形可以看出,经过晶闸管半波整流后的输出电压ud是一个极性不变幅值变化的脉动直流电压;改变晶闸管门极触发脉冲ug出现的时刻α就可改变ud的波形。如果将ud在一周期内的平均值定义为直流平均电压Ud,则改变α的大小也就改变了Ud的大小,实现了整流输出电压大小可调的可控整流。一般规律是α越小,门极触发脉冲出现时间越早,负载电压波形阴影区面积越大,在一周期内的平均电压Ud就越高。

晶闸管从开始承受正向阳极电压起至开始导通时刻为止的电角度度称为控制角,以α表示;晶闸管导通时间按交流电源角频率折算出的电角度称为导通角,以θ表示。改变控制角α的大小,即改变门极触发脉冲出现的时刻,也即改变门极电压相对正向阳极电压出现时刻的相位,称为移相。

整流电路输出直流电压ud为

       (3-1)

可以看出,Ud是控制角α的函数。当α=0时,晶闸管全导通,Ud=Ud0=0.45U2,直流平均电压最大。当α=π时,晶闸管全关断,Ud=0,直流平均电压最小。输出直流电压总的变化规律是α由小变大时,Ud由大变小。可以看出,单相半波可控整流电路的最大移相范围为180°。由于可控整流是通过触发脉冲的移相控制来实现的,故亦称相控整流。

2.电感性负载

当负载的感抗ωLd与电阻Rd相比不可忽略时,这种负载称电感性负载。属于电感性负载的常有各类电机的激磁绕组、串接平波电抗器的负载等等。电感性负载时电路原理图及波形如图3-2所示。 

在分析电感性负载的可控整流电路工作过程中,必须充分注意电感对电流变化的阻碍作用。这种阻碍作用表现在电流变化时电感自感电势的产生及其对晶闸管导通的作用。

带电感性负载单相半波可控整流电路的工作过程可用图3-2中的波形图分段说明。在ωt=0~α的范围内,晶闸管虽承受正向阳极电压,但门极触发信号ug尚未施加,晶闸管正向阻断,没有负载电流。负载电压ud=0,晶闸管两端承受全部的电源电压,uT=u2。当ωt1=α时刻,触发导通晶闸管VT。假设忽略晶闸管的正向管压降,则uT=0,而全部电源电压立即施加到负载上,ud=u2。由于负载中存在电感,负载电流id不像在电阻性负载时一样发生跃变,只能从零逐渐增长。在ωt1~ωt2的范围内,id从零增长至其最大值。在id增长过程中,电感Ld上的自感电势eL上(+)下(-),力图阻止电流增长。虽然此时eL与u2极性相反,但作用在晶闸管上的阳极电压(u2+eL)>0,元件导通。

在ωt2~ωt3的范围内,id从最大值开始减小。自感电势eL改变方向,上(-)下(+),其极性有助于维持晶闸管导通。当ωt3=π时刻,电源电压u2过零。如果没有电感的自感电势存在,晶闸管此时将因阳极电压为零而关断。然而由于自感电势的存在,作用在元件上的阳极电压仍(u2+eL)>0,使得尽管电源电压为零,管子仍然导通,负载电流id ≠ 0。

在ωt3~ωt4的范围内,电源电压过零变负。负载电流的继续减小使自感电势继续维持着上(-)下(+)极性。只要自感电势在数值上大于电源的负电压,晶闸管将继续承受正向阳极电压(u2+eL)>0而导通。一直到ωt4时刻,自感电势与电源电压大小相等、极性相反,晶闸管才因阳极电压(u2+eL)=0而关断,id=0。从ud波形上可以看出,由于电感的存在,延长了晶闸管导通的时间,使得ud波形中出现了正、负面积,从而使输出直流电压平均值减小。这就是电感负载可控整流电路工作原理上的特点。

 

图3-2  单相半波可控整电流电路(电感性负载)

如果控制角α大,导通迟,电流正半周内提供给电感中的储能小,维持晶闸管导通的能力差,导通角θ就小。负载阻抗角φ大,说明负载电感Ld大,储能多,维持晶闸管导通能力强,导通角θ将大。当负载为ωLd>>Rd的大电感时,φ ≈ π/2。此时直流电压ud波形的正、负面积接近相等,平均电压Ud ≈ 0,造成直流平均电流Id ≈ Ud/Rd也很小,负载上得不到所需的功率。所以单相半波可控整流电路如不采取措施是不可能直接带大电感负载正常工作的。解决的办法是在负载两头并接续流二极管。

大电感负载下造成输出直流平均电压下降的原因是ud波形中出现了负面积的区域。如果设法将负面积的区域消除掉而只剩正面积的区域,就可提高输出直流电压的平均值。为此,可在整流电路负载的两端按图3-3a)所示极性并接一功率二极管VDF。在直流电压ud为正的区域内,VDF承受反向阳极电压而阻断,电路工作情况和不接VDF一样,负载电流id由晶闸管提供。电源电压过零变负后将引起id减小的趋势,引起电感Ld上感应出上(-)下(+)极性的自感电势eL,这个极性的eL正好使二极管VDF承受正向阳极电压而导通,使负载电流id将不经晶闸管而由二极管VDF继续流通,所以二极管VDF常称为续流二极管。由于VDF导通后其管压降近似为零,使负极性电源电压通过VDF全部施加在晶闸管VT上,晶闸管将因承受反向阳极电压而关断。这样,在电源电压负的半波内,负载上得不到电源的负电压,而只有二极管VDF的管压降,接近为零。可见加接了续流二极管的输出直流电压波形和电阻性负载时完全相同,如图3-3b)所示,输出直流电压平均值也就相应提高到了电阻性负载时的大小。

a)                                             b)

图3-3  加续流二极管的单相半波可控整电流电路(电感性负载)

加接续流二极管后,输出电压波形和电阻性负载时相同,因而直流平均电压Ud的大小也相同,其计算公式为(3-1)式。由于负载电感很大,id连续而且大小基本维持不变,近似为一条水平线,恒为Id,则流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为

                                                         (3-2)

                                                         (3-3)

续流二极管上的电流平均值和有效值分别为

                                                        (3-4)

                                                        (3-5)

晶闸管及续流二极管承受的最大正、反向峰值电压均为交流电压的最大值。最大移相范围为180°。

单相半波可控整流电路线路简单,使用晶闸管数目最少,成本低,调整也方便。但它输出电流波形差,脉动频率低(为工频)、脉动幅度大。为了得到平稳的直流,相应所需的平波电抗器电感量也很大。更为突出的是变压器副边线圈中流过含有直流成分的电流,造成变压器铁心直流磁化而饱和。为了克服铁心饱和,只好降低磁通密度,增大铁芯截面,致使变压器体积增大,用铜用铁量增加,利用率降低。所以,单相半波可控整流电路只适合于容量小、装置要求小、重量轻及波形要求不高的场合。实际上目前已很少使用这种电路。

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