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詳細講解:可控硅整流電路
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可控硅整流電路
一、單相半波可控整流電路
1、工作原理
電路和波形如圖1所示,設u2=U2sinω。
正半周?lt;BR>0t=t時,加入ug脈沖,T導通,忽略其正向壓降,uT=0,ud=u2,id=ud/Rd。
負半周:
π≤t<2π當u2自然過零時,T自行關斷而處于反向阻斷狀態,ut=0,ud=0,id=0。
從0到t1的電度角為α,叫控制角。從t1到π的電度角為θ,叫導通角,顯然
α+θ=π。當α=0,θ=180度時,可控硅全導通,與不控整流一樣,當α=180度,θ=0度時,可控硅全關斷,輸出電壓為零。

圖1、單相半波可控整流
2、各電量關系

ud波形為非正弦波,其平均值(直流電壓):
ud=(1/2π)u2sinωtd(ωt)=(0.45u2)[1+cosα)/2]-------------式1
由上式可見,負載電阻Rd上的直流電壓是控制角α的函數,所以改變α的大小就可以控制直流電壓Ud的數值,這就是可控整流意義之所在。
流過Rd的直流電流Id:
Id=(Ud/Rd)=0.45(u2/Rd)×[(1+cosα)/2]--------------------------式2
Ud的有效值(均方根值):
-------------------------------------式3
流過Rd的電流有效值:

I=U/Rd=(U2/Rd) ---------------------------------式4
由于電源提供的有功功率P=UI,電源視在功率S=U2I(U2是電源電壓有效值),所以功率因數:
cosψ=P/S= -------------------------------------式5

由上式可見,功率因數cosψ也是α的函數,當α=0時,cosψ=0.707。顯然,對于電阻性負載,單相半波可控整流的功率因數也不會是1。
比值Ud/U、I/Id和cosψ隨α的變化數值,見表一,它們相應的關系曲線,如圖2所示
表一 Ud/U、I/Id和cosψ的關系

α
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180°
Ud/U
I/Id
cosψ
0.45
1.57
0.707
0.42
1.66
0.698
0.338
1.88
0.635
0.225
2.22
0.508
0.113
2.87
0.302
0.03
3.99
0.12
0
-
0

圖2、單相半波可控整流的電壓、電流及功率因數與控制角的關系
由于可控硅T與Rd是串聯的,所以,流過Rd的有效值電流I與平均值電流Id的比值,也就是流過可控硅T的有效值電流IT與平均值電流IdT的比值,即I/Id=It/IdT。
二、單相橋式半控整流電路
電路與波形如圖3所示

圖3、單相橋式半控整流

t1時刻加入ug1,T1導通,電流通路如圖實線所示。uT1=0,ud=u2,uT2=-u2。u2過零時,T1自行關斷。
負半周:
t2時刻加入ug2,T2導通,電流通路如圖虛線所示,uT2=0,ud=-u2,ut1=u2。u2過零時T2自行關斷。
2、各電量關系
由圖3可見,ud波形為非正弦波,其幅值為半波整流的兩倍,所以Rd上的直流電壓Ud:
Ud=0.9U2[(1+cosα)/2]--------------------------式6
直流電流Id:
Id=Ud/Rd=0.9(u2/Rd)×[(1+cosα)/2]-------------式7
電壓有效值U:

--------------------------式8
電流有效值I:
--------------------------式9
功率因數cosψ:
cosψ= ------------------------式10
比值Ud/U,I/Id和cosψ隨α的變化數值見表二,相應關系曲線見圖4
表二、 Ud/U、I/Id、cosψ與α的關系表
α
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180°
Ud/U
I/Id
cosψ
0.9
1.112
1
0.84
1.179
0.985
0.676
1.335
0.896
0.45
1.575
0.717
0.226
1.97
0.426
0.06
2.835
0.169
0
-
0

圖4、單相全波和橋式電路電壓、電流及功率因數與控制角的關系
把單相全波整流單相半波整流進行比較可知:
(1)當α相同時,全波的輸出直流電壓比半波的大一倍。
(2)在α和Id相同時,全波的電流有效值比半波的減小倍。
(3)α相同時,全波的功率因數比半波的提高了倍。
三、整流電路波形分析
1、單相半波可控整流
(1)電阻性負載(見圖1)
1)電阻性負載,id波形與ud波形相似,因為可控硅T與負載電阻Rd串聯,所以id=id。
2)可控硅T承受的正向電壓隨控制角α而變化,但它承受的反向電壓總是負半波電壓,負半波電壓的最大值為U2。
3)線路簡單,多用在要求不高的電阻負載的場合。
(2)感性負載(不帶續流二極管,見圖5):
1)電機電器的電磁線圈、帶電感濾波的電阻負載等均屬于電感性負載。
2)電感具有障礙電流變化的作用可控硅T導通時,其壓降uT=0,但電流id只能從零開始上升。id增加和減少時線圈Ld兩端的感應電動勢eL的極性變化如圖示。

圖5、電感性負載無續流二極管
3)當電源電壓u2下降及u2≥0時,只要釋放磁場能量可以維持id繼續流通,可控硅T仍然牌導通狀態,此時ud=u2。當u2<0時,雖然ud出現負值,但電流id的方向不變。
4)當電流id減小到小于維持電流IH時,可控硅T自行關斷,id=0,UT=u2,可控硅承受反壓。
5)負載電壓平均值:

其中電感Ld兩端電壓的平均值為零。
6)電感Ld的存在使負載電壓ud出現負值,Ld越大,ud負值越大,負載上直流電壓Ud就越小,Id=Ud/Rd也越小,所以如果不采取措施,可控硅的輸出就達不到應有的電壓和電流。
(3)感性負載(帶續流二極管,見圖6):
1)在負載上并聯一只續流二極管D,可使Ud提高到和電阻性負載時一樣,
2)在電源電壓u2≤0時,D的作用有點:①把電源負電壓u2引到可控硅T兩端,使T關斷,uT=u2;②給電感電流續流,形成iD;③把負載短路,ud=0,避免ud出現負值,使負載上直流輸出電壓ud提高。
3)負載電流為何控硅電流iT和二極管的續流iD之和,即id=iT+iD。當ωLd≥R時,iD下降很慢使id近似為一條水平線,所以流過T和D的電注平均值與有效值分別為:
平均值:IdT=(θ/360°)Id
IdD=[(360°-θ)/360°]Id
有效值:IT=根號下(θ/360°)Id
ID=根號下[(360°-θ)/360°]Id
4)可控硅T開始導通后,如果電感Ld很大,iT的上升很慢,這就有可能導致觸發脈沖消失時可控硅的電流還上升不到維持導通狀態的維持電流,就是說,可控硅觸發不了,為了使可控硅可靠觸發,觸發脈沖應該足夠寬,或者在負載兩端并聯一只電阻,以利于加快iT的上升。

圖6、電感性負載有續流二極管
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