电力牵引变流技术课题2

21 课题二 直流调速装置 直流调速装置是电力电子技术应用中较为典型的一种装置，本课题通过对与直流调

速装置相关的知识：单相桥式全控整流电路、单相桥式半控整流电路、有源逆变电路以及可关断晶闸管等内容介绍和分析。使学生能够理解这些电路的工作原理，掌握分析电路的方法。 一、本课题学习目标与要求 1．会分析单相桥式可控整流电路（电阻性、电感性负载）输出电压ud、电流id和晶闸管两端电压uT的波形。 2．熟悉续流二极管的作用和在半控桥电路种的电感性负载的自然续流和失控现象。 3．能计算单相桥式可控整流电路（电阻性、电感性负载）下晶闸管可能承受的最大电压与流过晶闸管的电流有效值，正确选择晶闸管。 4．掌握逆变的概念和产生逆变的条件。 5．掌握逆变失败的原因和逆变角的确定。 6．掌握可关断晶闸管的结构、外形及符号；可关断晶闸管的工作原理以及驱动保护电路。 7．会分析晶闸管直流调速装置的工作原理。 二、主要概念提示及难点释疑 1．单相桥式全控整流电路 1）电路使用了四个晶闸管，触发电路需发出在相位上相差180°的两组触发脉冲。 2）电阻性负载时，在电源电压正负半周内，两组晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导通向负载供电，使得输出电压波形为单相半波电路输出电压波形的两倍。 单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算： ①．输出电压平均值的计算公式：

2cos19.0)(sin2122UttdUUd

②．负载电流平均值的计算公式： 22

2cos19.02ddddRURUI

③．输出电压的有效值的计算公式： 2sin21)()sin2(1

222UtdtUU

④．负载电流有效值的计算公式： 2sin212

dR

UI

⑤．流过每只晶闸管的电流的平均值的计算公式： 2cos145.0212dddTRUII

⑥．流过每只晶闸管的电流的有效值的计算公式： IRUtdtRUIddT2122sin41)()sin2(21222



 ⑦．晶闸管可能承受的最大电压为：

22UUTM 3）电感性负载时，如电感足够大，输出电压波形出现负值。α＜90°时，电流连续，Ud=0~0.9U2；α＞90°时，电流断续，Ud≈0。 4）单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算： ①．输出电压平均值的计算公式： cos9.02UUd

②．负载电流平均值的计算公式： cos9.02ddddRURUI

③．流过一只晶闸管的电流的平均值和有效值的计算公式： 23

ddTII21 dTII21 ④．晶闸管可能承受的最大电压为： 22UUTM 2．单相桥式半控整流电路 1）电路是用两只二极管代替了单相桥式全控整流电路种的两只晶闸管，只能用于整流而不能用于逆变。 2）大电感负载时存在自然续流和失控现象 3）单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算： ①．输出电压平均值的计算公式：

2cos19.02UUd

的移相范围是0°～180°。

②．负载电流平均值的计算公式：

2cos19.02ddddRURUI

③．流过一只晶闸管和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式： ddDdTIII21

IIT21 ④．晶闸管可能承受的最大电压为： 22UUTM 4）加了续流二极管后，单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算如下： ①．输出电压平均值的计算公式： 24

2cos19.02UUd

的移相范围是0°～180°。

②．负载电流平均值的计算公式：

2cos19.02ddddRURUI

③．流过一只晶闸管和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式： ddDdTIII2

dDTIII2 ④．流过续流二极管的电流的平均值和有效值分别为： dddDRIII2

2

dDRII ⑤．晶闸管可能承受的最大电压为： 22UUTM 3．有源逆变 1）产生逆变的条件 ① 变流装置的直流侧必须外接电压极性与晶闸管导通方向一致的直流电源，且其值稍大于变流装置直流侧的平均电压。

② 变流装置必须工作在＜90°（即＞90°）区间，使其输出直流电压极性与整流状态时相反，才能将直流功率逆变为交流功率送至交流电网。 2）逆变和整流的关系 同一晶闸管变流装置，当0°＜＜90°时工作在整流状态，当90°＜＜180°同时存在一个适当的外接直流电源，则工作在逆变状态。整流和逆变、交流和直流是通过 25

晶闸管变流器联系在一起，在一定条件下可以转化。因而逆变电路的工作原理、参数计算、分析方法等都和整流电路密切相关。

三、学习方法 1．波形分析法：读者要学会利用波形分析来分析桥式整流电路工作原理。 2．分析计算法：电路中各电量的计算要通过工作原理分析来推导。 3． 对比法：将单相桥式全控桥和半控桥电路波形和工作原理对比分析。 4．理论联系实际法：将理论波形和实际波形联系起来，对照分析。 5．讨论分析法：读者要学习与他人讨论分析问题，并了解其他读者的学习方法和学习收获，提高学习效率。 四、典型题解析 例2－1 单相桥式全控整流电路中，若有一只晶闸管因过电流而烧成短路，结果会怎样？若这只晶闸管烧成断路，结果又会怎样？ 解：若有一晶闸管因为过流而烧成断路，则单相桥式全控整流电路变成单相半波可控整流电路。如果这只晶闸管被烧成短路，会引起其他晶闸管因对电源短路而烧毁，严重时使输入变压器因过流而损坏。 例2－2 单相桥式全控整流电路带大电感负载时，它与单相桥式半控整流电路中的续流二极管的作用是否相同？为什么？ 解：作用不同。全控整流电路电感性负载时，其输出电压波形出现负值，使输出电压平均值降低，因此，负载两端接上续流二极管后，输出电压波形中不再有负值，可以提高输出平均电压，以满足负载的需要。 半控桥电路电感性负载时，由于本身的自然续流作用，即使不接续流二极管，其输出电压波形也不会出现负值。但是一旦触发脉冲丢失，会使晶闸管失控。因此仍要再负载两端街上续流二极管，防止失控。 例2－3 单相桥式全控整流电路，大电感负载，交流侧电流有效值为220V，负载电

阻Rd为4Ω，计算当60时，直流输出电压平均值dU、输出电流的平均值dI；若 26

在负载两端并接续流二极管，其dU、dI又是多少？此时流过晶闸管和续流二极管的电流平均值和有效值又是多少？ 解：不接续流二极管时，由于是大电感负载，故 VUUd9960cos2209.0cos9.02

AARUIddd8.24499 接续流二极管时 VUUd5.14825.012209.02cos19.02

AARUIddd1.3745.148 AIIddT4.121.37360601802



AIIdT4.211.37360601802



AIIIdddVD4.121.371806022



AIIdVD4.211.3718060



例2－4单相桥半控整流电路，对直流电动机供电，加有电感量足够大的平波电抗器和续流二极管，变压器二次侧电压220V，若控制角60，且此时负载电流AId30，计算晶闸管、整流二极管和续流二极管的电流平均值及有效值，以及变压器的二次侧电

流2I、容量S。 解：由于平波电抗器的电感量足够大，所以可视为大电感负载，整流输出电流的波形为以水平直线。 27

当60时，晶闸管的平均电流为 AIIddT1030360601802



整流二极管的电流平均值与晶闸管的电流平均值相等 AIIdTdD10 晶闸管电流有效值为 AAIIdT3.1730360601802



整流二极管和晶闸管的电流有效值为 AIITD3.17 续流二极管的电流平均值为 AIIddVD103018060



AIIdVD3.173018060



变压器的二次侧电流为 AAIId5.2430180601802



电源容量为 WUIS53902205.2422 例2－7 图2－3（a）所示，晶闸管的为60°，试画出晶闸管承受的电压波形，整流管和续流二极管每周期各导电多少度？并计算晶闸管、整流二极管以及续流二极管的电流平均值和有效值。已知电源电压是220V，负载是电感性负载，电阻为5Ω。