天津冶金职业技术学院教案(.docx
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1、天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院教 案 ( 首页 ) 学年:20062007 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214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天津冶金职业技术
2、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
3、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 案天津冶金职业技术学院教 师 授 课 教 案因此有: (2.1.2)2、
4、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
5、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.
6、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,t < 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t = 时T被触发导通,电源电压全部加在上(忽略管压降),到t=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
7、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,用表示。对于图2.2.1所示的电路,若控制角为,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(即改变触发时刻),就可以改变整流输天津冶金职业技术学院教 师 授 课 教 案出电压的平均值,
8、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=0时,=0,当=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。(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
9、路的功率因数 (2.2.9)从上式可知,功率因数是控制角的函数,且越大,相控整流输出电压越低,功率因数PF越小。当=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。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、导通角、电源容量及功率因数,并选用晶闸管。解 由于,把、代入,可得=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
10、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,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
11、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,在电角度到期间,负载电压为正,在到+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,晶闸管的导通角变大,且负载中L越大,越大,输出电压波形图上负压的面积越大,从而使输出
12、电压平均值减小。在大电感负载L>>R的情况下,负载电压波形图中正负面积相近,即不论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 L>>R 时不同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(L>>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
13、压正半周t=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
14、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。天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院教 案
15、( 首页 ) 学年:20062007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
16、利于教学的深入。签字:刘沂日期:2007.3.29天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院教 案 ( 首页 ) 学年:20062007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258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天津冶金职业技术学院教 师 授
17、 课 教 案2.2.2 单相桥式相控整流电路 1、阻性负载(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,同时承天津冶金职业技术学院教 师 授
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