整流在材料加工设备中的应用.docx

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整流在材料加工设备中的应用

目录

第一章晶闸管2

第二章单相可控整流电路2

2.1单相桥式半波整流电路2

2.2单相桥式全控整流电路4

2.3单相全波可控整流电路4

2.4单相桥式半控整流电路5

第三章三相可控整流电路6

3.1三相半波可控整流电路6

3.2三相桥式全控整流电路7

第四章整流器工作原理9

4.1桥式整流器原理电路9

4.2对整流电路的意义有一下总结10

参考文献12

第一章晶闸管

闸管在自动控制控制，机电领域，工业电气及家电等方面都有广泛的应用。

晶闸管是一种有源开关元件，平时它保持在非道通状态，直到由一个较少的控制信号对其触发或称“点火”使其道通，一旦被点火就算撤离触发信号它也保持道通状态，要使其截止可在其阳极与阴极间加上反向电压或将流过晶闸管的电流减少到某一个值以下。

晶闸管的工作原理分析：

晶闸管可用两个不同极性（P-N-P和N-P-N）晶体管来模拟，如图G1所示。

当晶闸管的栅极悬空时，BG1和BG2都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL，当栅极输入一个正脉冲电压时BG2道通，使BG1的基极电位下降，BG1因此开始道通，BG1的道通使得BG2的基极电位进一步升高，BG1的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和道通状态。

电路很快从截止状态进入道通状态，这时栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持道通状态不变。

如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于BG1和BG2均处于反向偏置状态所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少BG1和BG2的基电流也将减少，当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路将很快从道通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。

在实际应用中，我们可通过一个开关来短路晶闸管的阳极和阴极从而达到晶闸管的关断。

晶闸管应用举例：

晶闸管在实际应用中电路花样最多的是其栅极触发回路，概括起来有直流触发电路，交流触发电路，相位触发电路等等。

晶

第二章单相可控整流电路

2.1单相桥式半波整流电路

a、带电阻负载的工作情况

SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier.

变压器T起变换电压和隔离的作用。

电阻负载的特点：

电压与电流成正比，两者波形相同结合图2-1进行工作原理及波形分析。

几个概念的解释：

Ud为脉动直流，波形只在U2正半周内出现，故称“半波”整流。

采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路。

Ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。

几个重要的基本概念：

图2-1单形

触发延迟角：

从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度，用a表示，也称触发角或控制角。

导通角：

晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用θ表示。

基本数量关系。

直流输出电压平均值为：

（2-1）

   VT的a移相范围为180°。

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。

直流回路的平均电流为：

（2-2）

回路中的电流有效值为：

（2-3）

由式2.2、式2.3可得流过

晶闸管的电流波形系数：

（2-4）

电源供给的有功功率为：

（2-5）

其中U为R上的电压有效值：

电源侧的输入功率为：

功率因素为：

（2-6）

当α=0时

，α越大，cosα越低，α=π。

可见，尽管是电阻负载，电源的功率因素也不为1。

这是单相半波电路的缺陷。

2.2单相桥式全控整流电路

单相整流电路中应用较多的a带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析：

VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断；

VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。

数量关系：

a角的移相范围为180°。

2.3单相全波可控整流电路

单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。

两者的区别：

（1）单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多；

（2）单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压为，是单相全控桥的2倍；

（3）单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个

从上述

（2）、（3）考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。

2.4单相桥式半控整流电路

单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，为了对每个导电回路进行控制，只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。

如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。

半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同，单相半控桥带阻感负载的情况，

假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态。

在u2正半周，触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。

但因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。

u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。

VT3和VD4续流，ud又为零续流二极管的作用。

若无续流二极管，则当a突然增大至180°或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，称为失控。

有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。

同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗

单相桥式半控整流电路的另一种接法相当于把图2-4a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。

第三章三相可控整流电路

3.1三相半波可控整流电路

a电阻负载

 电路的特点：

变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网三个晶闸管分别接a、b、c三相电源，其阴极连接在一起——共阴极接a=0°时的工作原理分析假设将电路中的晶闸管换作二极管，成为三相半波不可控整流电路。

此时，相电压最大的一个所对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压一周期中，在t1~wt2期间，VD1导通，ud=ua在wt2~wt3期间，VD2导通，ud=ub在wt3~wt4期间，VD3导通，ud=uc二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a=0°变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量晶闸管的电压波形，由3段组成：

第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为uT1=0第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，uT1=ua-ub=uab，为一段线电压第3段，在VT3导通期间，uT1=ua-uc=uac为另一段线电压增大a值，将脉冲后移，整流电路的工作情况相应地发生变化 a=30°时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态 a>30°的情况。

特点：

负载电流断续，晶闸管导通角小于120°电阻负载时a角的移相范围为150°整流电压平均值的计算

（1）a≤30°时，负载电流连续

当a=0时，Ud最大，为

。

（2）a>30°时，负载电流断续，

晶闸管导通角减小，此时有：

负载电流平均值为：

晶闸管承受的最大反向电压，不难看出为变压器二次线电压峰值，即：

由于晶闸管阴极与零点间的电压即为整流输出电压ud，其最小值为零，而晶闸管阳极与零点间的最高电压等于变压器二次相电压的峰值，因此晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于

变压器二次相电压的峰值，即b阻感负载特点：

阻感负载，L值很大，id波形基本平直：

 a≤30°时：

整流电压波形与电阻负载时相同；

 a>30°时，u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断——ud波形中出现负的部分阻感负载时的移相范围为90°。

 数量关系：

Ud/U2与a成余弦关系。

如果负载中的电感量不是很大，则当a>30°后，ud中负的部分减少，

Ud略为增加，Ud/U2与a的关系将介于曲线1和2之间。

变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为

晶闸管的额定电流为

晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值

id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。

三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。

3.2三相桥式全控整流电路

应用最为广泛，共阴极组——阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组——阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）

编号：

1、3、5，4、6、2

a带电阻负载时的工作情况

 a=0°时的情况

假设将电路中的晶闸管换作二极管进行分析对于共阴极阻的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通

任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态

从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，ud1为相电压的正包络线，共阳极组导通时，ud2为相电压的负包络线，ud=ud1-ud2是两者的差值，为线电压在正半周的包络线直接从线电压波形看，ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。

 三相桥式全控整流电路的特点：

（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。

（2）对触发脉冲的要求：

按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°。

共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180°。

（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。

（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：

一种是宽脉冲触发另一种方法是双脉冲触发（常用）。

（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同 a=30°时的工作情况从wt1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表2-1的规律区别在于：

晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成ud的每一段线电压因此推迟30°变压器二次侧电流ia波形的特点：

在VT1处于通态的120°期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。

a=60°时工作情况ud波形中每段线电压的波形继续后移，ud平均值继续降低。

a=60°时ud出现为零的点。

第四章整流器工作原理

4.1桥式整流器原理电路

桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。

这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服它的缺点。

桥式整流电路的工作原理如下：

e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。

电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。

电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。

以上两种工作状态分别如图4-1（a）和（b）所示。

图4-1 桥式整流电路的工作原理示意图

如此重复下去，结果在Rfz，上便得到全波整流电压。

其波形图和全波整流波形图是一样的。

从图4-1中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。

桥式整流电路的整流效率和直流输出与全波整流电路相同，变压器的利用率最高。

现在常用的全桥整流，不用单独的四只二极管而用一只全桥，其中包括四只二极管，但是要标清符号，有交流符号的两端接变压器输出，+、-两端接入整流电路。

需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。

如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。

另外，在高电压或大电流的情况下，如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件，可以把二极管串联或并联起来使用。

两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半口三只二极管并联，每只分担电路总电流的三分之一。

总之，有几只二极管并联，流经每只二极管的电流就等于总电流的几分之一。

但是，在实际并联运用时，由于各二极管特性不完全一致，不能均分所通过的电流，会使有的管子困负担过重而烧毁。

因此需在每只二极管上串联一只阻值相同的小电阻器，使各并联二极管流过的电流接近一致。

这种均流电阻R一般选用零点几欧至几十欧的电阻器。

电流越大，R应选得越小。

在二极管串联的情况。

显然在理想条件下，有几只管子串联，每只管子承受的反向电压就应等于总电压的几分之一。

但因为每只二极管的反向电阻不尽相同，会造成电压分配不均：

内阻大的二极管，有可能由于电压过高而被击穿，并由此引起连锁反应，逐个把二极管击穿。

在二极管上并联的电阻R，可以使电压分配均匀。

均压电阻要取阻值比二极管反向电阻值小的电阻器，各个电阻器的阻值要相等。

4.2对整流电路的意义有一下总结

　　1、电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种，倍压整流电路用于其它交流信号的整流，例如用于发光二极管电平指示器电路中，对音频信号进行整流。

　　2、前三种整流电路输出的单向脉动性直流电特性有所不同，半波整流电路输出的电压只有半周，所以这种单向脉动性直流电主要成分仍然是50Hz的，因为输入交流市电的频率是50Hz，半波整流电路去掉了交流电的半周，没有改变单向脉动性直流电中交流成分的频率；全波和桥式整流电路相同，用到了输入交流电压的正、负半周，使频率扩大在倍为100Hz，所以这种单向脉动性直流电的交流成分主要成分是100Hz的，这是因为整流电路将输入交流电压的一个半周转换了极性，使输出的直流脉动性电压的频率比输入交流电压提高了一倍，这一频率的提高有利于滤波电路的滤波。

　　3、在电源电路的三种整流电路中，只有全波整流电路要求电源变压器的次级线圈设有中心抽头，其他两种电路对电源变压器没有抽头要求。

另外，半波整流电路中只用一只二极管，全波整流电路中要用两只二极管，而桥式整流电路中则要用四只二极管。

根据上述两个特点，可以方便地分辨出三种整流电路的类型，但要注意以电源变压器有无抽头来分辨三种整流电路比较准确。

　　4、在半波整流电路中，当整流二极管截止时，交流电压峰值全部加到二极管两端。

对于全波整流电路而言也是这样，当一只二极管导通时，另一只二极管截止，承受全部交流峰值电压。

所以对这两种整流电路，要求电路的整流二极管其承受反向峰值电压的能力较高；对于桥式整流电路而言，两只二极管导通，另两只二极管截止，它们串联起来承受反向峰值电压，在每只二极管两端只有反向峰值电压的一半，所以对这一电路中整流二极管承受反向峰值电压的能力要求较低。

整流电路

5、在要求直流电压相同的情况下，对全波整流电路而言，电源变压器次级线圈抽头到上、下端交流电压相等，且等于桥式整流电路中电源变压器次级线圈的输出电压，这样在全波整流电路中的电源变压器相当于绕了两组次级线圈。

　　6、在全波和桥式整流电路中，都将输入交流电压的负半周转到正半周或将正半周转到负半周，这一点与半波整流电路不同，在半波整流电路中，将输入交流电压一个半周切除。

　　7、在整流电路中，输入交流电压的幅值远大于二极管导通的管压降，所以可将整流二极管的管压降忽略不计。

　　8、对于倍压整流电路，它能够输出比输入交流电压更高的直流电压，但这种电路输出电流的能力较差，所以具有高电压，小电流的输出特性。

9、分析上述整流电路时，主要用二极管的单向导电特性，整流二极管的导通电压由输入交流电压提供。

参考文献

1黄俊，王兆安编.电力电子变流技术（第2版）.机械工业出版社，1999

2黄石生主编，弧焊电源及其数字化控制.北京.机械工业出版社，2006

3黄俊主编，半导体变流技术（第2版）.北京.机械工业出版社，1986