相控整流電路課程目標(biāo)和學(xué)習(xí)要點(diǎn)掌握基本理論理解相控整流原理和晶閘管特性分析典型電路單相、三相整流電路工作原理計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)輸出電壓、功率因數(shù)、效率計(jì)算掌握設(shè)計(jì)方法相控整流的基本原理交流電輸入提供待整流電源晶閘管控制通過改變觸發(fā)角控制導(dǎo)通時間整流過程交流轉(zhuǎn)直流，可調(diào)節(jié)輸出電壓負(fù)載供電向負(fù)載提供可控直流電壓相控整流的應(yīng)用領(lǐng)域電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)直流電機(jī)調(diào)速交流電機(jī)軟啟動伺服控制系統(tǒng)電源系統(tǒng)可調(diào)直流電源不間斷電源(UPS)高壓直流輸電工業(yè)應(yīng)用電解電鍍感應(yīng)加熱電弧爐控制晶閘管的工作原理阻斷狀態(tài)無觸發(fā)信號，高阻抗?fàn)顟B(tài)觸發(fā)導(dǎo)通柵極正脈沖觸發(fā)，進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)維持導(dǎo)通電流超過維持電流，無需柵極信號自然關(guān)斷電流低于維持電流或反向偏置晶閘管的特性曲線正向特性正向阻斷區(qū)：高阻抗正向?qū)▍^(qū)：低阻抗維持電流：最小保持導(dǎo)通電流反向特性反向阻斷區(qū)：高阻抗反向擊穿區(qū)：避免進(jìn)入最大反向電壓：設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)晶閘管的觸發(fā)方式電壓觸發(fā)柵極正脈沖觸發(fā)溫度觸發(fā)超過結(jié)溫閾值光觸發(fā)光敏晶閘管光照導(dǎo)通電壓過高觸發(fā)超過擊穿電壓自動導(dǎo)通dv/dt觸發(fā)電壓變化率過大導(dǎo)通單相半波可控整流電路簡單結(jié)構(gòu)一個晶閘管，一個交流電源，一個負(fù)載半波整流只利用交流電的正半周輸出可控通過觸發(fā)角調(diào)節(jié)平均輸出電壓低功率場合適用于小功率設(shè)備控制單相半波可控整流電路的工作原理正半周開始晶閘管處于阻斷狀態(tài)，等待觸發(fā)柵極觸發(fā)觸發(fā)角α后施加?xùn)艠O脈沖，晶閘管導(dǎo)通供電負(fù)載α至π角期間電源向負(fù)載提供能量自然關(guān)斷電流過零時晶閘管自然關(guān)斷單相半波可控整流電路的波形分析1輸入電壓波形正弦交流電壓2觸發(fā)信號波形延遲角α的窄脈沖3輸出電壓波形從α到π的部分正弦波單相半波可控整流電路的性能參數(shù)50%最大電壓利用率α=0時達(dá)到最大值0.45最大功率因數(shù)遠(yuǎn)低于全波整流48%波形因數(shù)輸出電壓波形質(zhì)量較差121%紋波系數(shù)紋波較大單相橋式全控整流電路高性能整流全波整流，電壓利用率高四晶閘管結(jié)構(gòu)兩兩交替導(dǎo)通寬觸發(fā)角范圍0-180°全范圍調(diào)節(jié)單相橋式全控整流電路的工作原理正半周T1、T4晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通負(fù)半周T2、T3晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通換流過程上一對晶閘管關(guān)斷，下一對開始導(dǎo)通循環(huán)運(yùn)行兩對晶閘管交替工作單相橋式全控整流電路的波形分析輸入電壓輸出電壓單相橋式全控整流電路的性能參數(shù)單相橋式半控整流電路混合結(jié)構(gòu)兩個晶閘管兩個二極管平衡性能和成本觸發(fā)特點(diǎn)正半周控制負(fù)半周自動整流控制范圍0-90°應(yīng)用優(yōu)勢成本比全控低控制比單相半波好適合中小功率場合單相橋式半控整流電路的工作原理1正半周開始晶閘管T1阻斷，二極管D3阻斷2T1觸發(fā)導(dǎo)通觸發(fā)角α后，T1導(dǎo)通，D3自動導(dǎo)通3負(fù)半周開始T2阻斷，D4阻斷4T2觸發(fā)導(dǎo)通觸發(fā)角α后，T2導(dǎo)通，D4自動導(dǎo)通單相橋式半控整流電路的波形分析單相橋式半控整流電路的性能參數(shù)電壓利用率比半波整流高，低于全橋功率因數(shù)介于半波與全橋之間紋波系數(shù)較全控整流略高三相半波可控整流電路基本結(jié)構(gòu)三個晶閘管連接三相電源輸出特點(diǎn)比單相紋波小，輸出電壓高主要應(yīng)用中功率工業(yè)控制設(shè)備三相半波可控整流電路的工作原理相序輪換三相電壓依次輪換最高值順序觸發(fā)對應(yīng)相電壓最高時觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通傳遞電流從一相向下一相轉(zhuǎn)移三相半波可控整流電路的波形分析輸入波形三相交流電，相位差120°每相導(dǎo)通120°頻率為基波頻率輸出波形三個脈沖合成紋波頻率為3f最高電壓為線電壓峰值可通過α角調(diào)節(jié)平均值三相半波可控整流電路的性能參數(shù)82%電壓利用率高于單相整流0.67功率因數(shù)α=0時最大值18%紋波系數(shù)遠(yuǎn)低于單相整流三相橋式全控整流電路高性能工業(yè)整流最佳整流性能方案2六脈波整流器六個晶閘管完整橋路3廣泛工業(yè)應(yīng)用大功率電力電子系統(tǒng)首選三相橋式全控整流電路的工作原理六步導(dǎo)通六個晶閘管按序觸發(fā)1兩晶閘管同時導(dǎo)通上下橋臂各一個2120°導(dǎo)通模式每個晶閘管導(dǎo)通120°360°重疊導(dǎo)通相鄰晶閘管有60°重疊4三相橋式全控整流電路的波形分析導(dǎo)通器件V1>V2>V3V1>V3>V2V3>V1>V2V3>V2>V1V2>V3>V1V2>V1>V3正極組T1T1T3T3T5T5負(fù)極組T6T2T2T4T4T6輸出電壓V1-V2V1-V3V3-V2V3-V1V2-V1V2-V3三相橋式全控整流電路的性能參數(shù)三相橋式半控整流電路混合結(jié)構(gòu)三個晶閘管三個二極管成本與性能平衡控制特點(diǎn)正半橋可控負(fù)半橋固定控制范圍受限主要應(yīng)用電機(jī)控制電解工業(yè)中功率場合三相橋式半控整流電路的工作原理正極組觸發(fā)三個晶閘管按序觸發(fā)電流傳導(dǎo)電流流過負(fù)載負(fù)極組自動導(dǎo)通對應(yīng)二極管自動導(dǎo)通循環(huán)運(yùn)行相序循環(huán)，形成六步整流三相橋式半控整流電路的波形分析輸入波形三相電源，120°相位差觸發(fā)脈沖三個晶閘管依次觸發(fā)輸出電壓六脈波整流，可調(diào)節(jié)平均值三相橋式半控整流電路的性能參數(shù)單相半波單相全波三相半波三相半控橋三相全控橋相控整流電路的控制角和導(dǎo)通角控制角α從過零點(diǎn)到觸發(fā)點(diǎn)的角度決定平均輸出電壓單相范圍：0-180°三相范圍：0-150°導(dǎo)通角β晶閘管的導(dǎo)通時間角度β=180°-α（單相）β=120°-α（三相半波）關(guān)系：α+β=導(dǎo)通周期相控整流電路的輸出電壓計(jì)算單相半波Vdc=(Vm/2π)(1+cosα)單相全波Vdc=(2Vm/π)(1+cosα)三相半波Vdc=(3Vm/2π)(1+cosα)三相全波Vdc=(3√3Vm/π)cosα相控整流電路的功率因數(shù)定義PF=有功功率/視在功率1與控制角關(guān)系PF隨α角增大而降低諧波影響諧波增加降低功率因數(shù)改善方法無源濾波、有源補(bǔ)償相控整流電路的諧波分析相控整流電路的電壓利用率45%單相半波最低電壓利用率70%單相全波中等電壓利用率82%三相半波較高電壓利用率95%三相全波最高電壓利用率相控整流電路的效率分析相控整流電路的電流波形因數(shù)波形因數(shù)定義FF=電流有效值/電流平均值計(jì)算方法需積分計(jì)算不同電流波形與控制角關(guān)系α角增大，波形因數(shù)通常增大工程意義影響電流載流量與發(fā)熱相控整流電路的電壓波形因數(shù)1電壓波形因數(shù)定義電壓有效值與平均值之比2波形因數(shù)與電路類型單相半波>單相全波>三相3波形因數(shù)與α角關(guān)系α角增大，波形因數(shù)增大4波形因數(shù)改善方法增加脈波數(shù)，添加濾波電路阻性負(fù)載下的相控整流特性即時響應(yīng)電壓電流同相位波形特點(diǎn)電流跟隨電壓變化平均輸出隨α角增大線性減小感性負(fù)載下的相控整流特性電流延遲電流滯后于電壓電流連續(xù)性增強(qiáng)形成續(xù)流現(xiàn)象續(xù)流角關(guān)斷延遲角度與負(fù)載電感成正比增大有效導(dǎo)通角控制特點(diǎn)控制范圍受限需考慮電感儲能需防止電感反電動勢電動勢負(fù)載下的相控整流特性1反電動勢作用阻礙整流器電流2最小觸發(fā)角要求需大于臨界角度才能導(dǎo)通3應(yīng)用場景直流電機(jī)控制，電池充電相控整流電路的續(xù)流現(xiàn)象感性能量儲存電感存儲能量電源反向電源電壓變?yōu)樨?fù)值續(xù)流路徑形成電流通過續(xù)流二極管能量釋放電感能量逐漸釋放相控整流電路的斷續(xù)電流模式產(chǎn)生條件小電感，低電流，大α角電流特征出現(xiàn)零電流間隔影響增加紋波，引起轉(zhuǎn)矩脈動相控整流電路的連續(xù)電流模式穩(wěn)定運(yùn)行電流無零值區(qū)間大電感負(fù)載電感平滑電流波形3高電流應(yīng)用重載工業(yè)應(yīng)用首選相控整流電路的臨界電流臨界電流定義連續(xù)/斷續(xù)模式分界點(diǎn)與負(fù)載參數(shù)相關(guān)與控制角相關(guān)計(jì)算方法臨界電感法臨界電阻法臨界電流法工程意義設(shè)計(jì)邊界條件優(yōu)化控制策略保證系統(tǒng)穩(wěn)定性相控整流電路的觸發(fā)電路設(shè)計(jì)同步電路與交流電壓同步延時電路產(chǎn)生可控延時脈沖產(chǎn)生生成窄高能脈沖4驅(qū)動隔離電隔離保護(hù)控制電路相控整流電路的保護(hù)電路設(shè)計(jì)過壓保護(hù)壓敏電阻，TVS二極管1過流保護(hù)熔斷器，電流繼電器dv/dt保護(hù)RC緩沖電路過熱保護(hù)溫度傳感器，散熱控制相控整流電路的散熱設(shè)計(jì)熱阻計(jì)算結(jié)-殼-散熱器-環(huán)境熱阻鏈強(qiáng)制風(fēng)冷風(fēng)扇增強(qiáng)散熱能力液冷系統(tǒng)大功率系統(tǒng)散熱方案溫度監(jiān)測實(shí)時監(jiān)控防止過熱相控整流電路的EMC設(shè)計(jì)考慮電磁干擾類型傳導(dǎo)干擾，輻射干擾濾波設(shè)計(jì)EMI濾波器，共模抑制屏蔽措施屏蔽外殼，磁屏蔽接地技術(shù)多點(diǎn)接地，單點(diǎn)接地相控整流電路在電機(jī)控制中的應(yīng)用直流電機(jī)調(diào)速通過控制角調(diào)節(jié)電壓四象限驅(qū)動實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和制動交流電機(jī)軟啟動減小啟動電流沖擊相控整流電路在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用可調(diào)直流電源精確控制輸出電壓高壓直流輸電遠(yuǎn)距離電力傳輸不間斷電源交直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)蓄電池充電器控制充電電流和電壓相控整流電路在電解電鍍中的應(yīng)用精確電流控制調(diào)節(jié)電解電流大小反向脈沖功能改善電鍍質(zhì)量穩(wěn)定電壓輸出確保電鍍均勻性能量回饋提高系統(tǒng)能效相控整流電路在感應(yīng)加熱中的應(yīng)用電源部分相控整流提供可控直流電壓調(diào)節(jié)適應(yīng)不同負(fù)載高功率因數(shù)設(shè)計(jì)逆變部分將直流轉(zhuǎn)換為高頻交流驅(qū)動感應(yīng)線圈頻率控制加熱特性相控整流電路的仿真技術(shù)相控整流電路的實(shí)驗(yàn)測試方法波形觀測示波器測量關(guān)鍵波形2參數(shù)測量萬用表，功率分析儀熱性能測試紅外熱像儀，溫度傳感器相控整流電路的故障診斷常見故障晶閘管擊穿觸發(fā)失效散熱不良保護(hù)電路失效診斷方法波形分析阻值測量熱成像檢測驅(qū)動信號檢查預(yù)防措施定期維護(hù)冗余設(shè)計(jì)在線監(jiān)測老化測試相控整流技術(shù)的發(fā)展趨勢1數(shù)字化控制基于DSP和FPGA的精確控制2新型