直流调速装置
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u d 、电流i d 和晶闸管两端电压u T 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：
U d =
1ππα⎰2U 2sin ωtd (ωt ) =0. 9U 21+cos α2
②．负载电流平均值的计算公式：
I d =U d U 1+cos α=0. 92
R d R d 2
③．输出电压的有效值的计算公式：
U =1π
2(2U sin ωt ) d (ωt ) =U 22⎰πα1-sin 2α+2ππ
④．负载电流有效值的计算公式：
I =U 2
R d 1π-αsin 2α+2ππ
⑤．流过每只晶闸管的电流的平均值的计算公式：
I dT =U 1+cos α1I d =0. 452
2R d 2
⑥．流过每只晶闸管的电流的有效值的计算公式：
I T =π2U 2U 212(sin ωt ) d (ωt ) =⎰R d 2παR d 1-1sin 2α+=I 4π2π2
⑦．晶闸管可能承受的最大电压为：
U TM =2U 2
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，U d =0~0.9U 2；α＞90°时，电流断续，U d ≈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：
U d =0. 9U 2cos α
②．负载电流平均值的计算公式：
I d =
U d U =0. 92cos αR d R d
③．流过一只晶闸管的电流的平均值和有效值的计算公式：
I dT =1I d 2
I T =
④．晶闸管可能承受的最大电压为： 12I d
U TM =2U 2
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：
U d =0. 9U 2
α的移相范围是0°～180°。
②．负载电流平均值的计算公式： 1+cos α2
I d =U d U 1+cos α=0. 92
R d R d 2
1I d 2 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： I dT =I dD =
I T =
④．晶闸管可能承受的最大电压为： 12I
U TM =2U 2
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：
U d =0. 9U 2
α的移相范围是0°～180°。
②．负载电流平均值的计算公式： 1+cos α2
U d U 1+cos αI d ==0. 92
R d R d 2
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：
I dT =I dD =π-αI d 2π
I T =I D =π-αI d 2π
④．流过续流二极管的电流的平均值和有效值分别为：
I dDR =2ααI d =I d 2ππ
I DR =
⑤．晶闸管可能承受的最大电压为： αI d π
U TM =2U 2
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β＜90°（即α＞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°＜α＜90°时工作在整流状态，当90°＜α＜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
U I 阻R d 为4Ω，计算当α=60︒时，直流输出电压平均值d 、输出电流的平均值d ；若
在负载两端并接续流二极管，其U d 、I d 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？画出上述两种情形下的电压电流波形。
解：不接续流二极管时，由于是大电感负载，故
U d =0. 9U 2cos α=0. 9⨯220⨯cos 60︒=99V
I d =
接续流二极管时 U d 99=A =24. 8A R d 4
U d =0. 9U 21+cos α1+0. 5=0. 9⨯220⨯=148. 5V 22
I d =I dT =U d 148. 5=A =37. 1A R d 4 π-α180︒-60︒I d =⨯37. 1=12. 4A 2π360︒
I T =-180︒-60︒I d =⨯37. 1=21. 4A 2π360︒
2αα60︒I d =I d =⨯37. 1=12. 4A 2ππ180︒ I dVD =
I VD =60︒I d =⨯37. 1=21. 4A π180︒
图2－1 例2－4波形图
不接续流二极管时波形如图2－1（a ）所示；接续流二极管时波形如图2－1（b ）所示。
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
I =30A ，和续流二极管，变压器二次侧电压220V ，若控制角α=60︒，且此时负载电流d
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I 2、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。
当α=60︒时，晶闸管的平均电流为
I dT =π-α180︒-60︒I d =⨯30=10A 2π360︒
I dD =I dT =10A 整流二极管的电流平均值与晶闸管的电流平均值相等
晶闸管电流有效值为
I T =π-α︒-60︒I d =⨯30A =17. 3A 2π360︒
整流二极管和晶闸管的电流有效值为
I D =I T =17. 3A
续流二极管的电流平均值为
I dVD =α60︒I d =⨯30=10A π180︒
I VD =
变压器的二次侧电流为 60︒I d =⨯30=17. 3A π180︒
I 2=
电源容量为 π-α︒-60︒I d =⨯30A =24. 5A π180︒
S =I 2U 2=24. 5⨯220=5390W
例2－6 图2－2（a ）为具有中点二极管的单相半控桥式整流电路。
（1） 绘出α=45︒时输出电压波形；
（2） 推导出输出电压U d 的计算公式；
（3） 求出的U d 最大值和最小值。
图2－2 例2－6图
解：（1）设在0～α期间，VT1、VT2未触发导通，电路在正半周，VD3和VD2导通；输出电压u d =u 2；
在α～π期间，由于VT1因触发而导通，VD3承受反压而关断，VD2继续导通，
则输出电压u d =2u 2。
u d =-u 2； 在π～π＋α期间，VT1承受反压而关断，VD3和VD1导通，输出电压
在π＋α～2π期间，VT2因触发而导通，VD1继续导通，VD3因反压而截止，则输出电压u d =-2u 2。输出电压波形如图2－2（b ）所示。
U d =
（2）1απ+απ[⎰2U 2sin ωt d(ωt) +
0α⎰22U 2sin ωt d(ωt)]=
U 2 2πU 2(3+cos α) （3）当α=0︒时，U d =U d max =
2242π
当α＝π时，U d =U d max =πU 2
例2－7 图2－3（a ）所示，晶闸管的α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。
（a ） (b)
图2－3 例2－7图
例2－8 直流电动机负载单相全控桥整流电路中，串接平波电抗器的意义是什么? 解：由单相全控桥整流电路输出的电压波形是脉动的缺角正弦波，当α增大时，输出电压、电流脉冲加剧，电流的交流分量增大。对直流电动机来说，过大的交流分量将导致电动机的换向恶化、铁损增加，使电动机过热。又因为电流使脉动的
例2-9在单相桥式全控整流电路中，若U2＝220V ，E ＝100V ，R ＝2Ω，当β＝30°时，能否实现有源逆变？为什么？画出这时的电压电流波形。
解：U d =-0. 9U 2cos β=-0. 9⨯220⨯cos 30︒=-171. 4V
E ＝100V ，所以无法实现有源逆变。波形如图2－4所示。
图2－4 例2－9波形图
例2－10 单相全控桥式整流电路，当α＞90°时，若直流侧直流电动机取走，而代之以一个电阻，晶闸管的导通角还能达到180°吗？晶闸管的输出电压平均值还能出现负值吗？
解：不能。因为实现有源逆变不可缺少的条件时必须具有对晶闸管时正向的直流电源，当用电阻取代电动机后，在α＝90°时，输出电压接近零，而α＞90°时，输出电压平均值保持零，电流出现断续，不可能使电压平均值出现负值。
例2－11 导致逆变失败的原因是什么？最小逆变角一般取为多少？
解：导致逆变失败的原因主要有：
（1） 触发电路工作不可靠。例如脉冲丢失、脉冲延迟等。
（2） 晶闸管本身性能不好。应该导通时导通不了、应该阻断时无阻断能力。
（3） 交流电源故障。例如突然停电、缺相、电压过低。
（4）换相裕量角过小。
最小逆变角βmin =30︒≈35︒
例2－12 可关断晶闸管GTO 有哪些主要参数？其中哪些参数与普通晶闸管相同？哪些不同？
解：可关断晶闸管GTO 的主要参数有：断态重复峰值电压、断态不娼妇峰值电压、反向重复峰值电压和反向不重复峰值电压、开通时间、关断时间等，这些参数定义与普通晶闸管相同。
与普通晶闸管不同的是：
（1）最大可关断阳极电流I ATO 。也是标称GTO 额定电流的参数。与普通晶闸管的额定电流不同。
（2）电流关断增益βoff βoff =。定义为I ATO I GM
（3）维持电流与擎住电流。GTO 的维持电流和擎住电流的含义和普通晶闸管的含义基本相同。但是，由于GTO 的多元集成结构，使得每个GTO 远的维持电流和擎住电流不可能完全相同。因此把阳极电流减小到开始出现某些GTO 元不能再维持导通时的值称为整个GTO 的维持电流；而规定所有GTO 元都达到其擎住电流的阳极电流为GTO 的擎住电流。
例2－13 哪些因素影响GTO 的导通和关断？
解：影响GTO 导通的主要因素有：阳极电压、阳极电流、温度和开通控制信号的波形。
影响GTO 关断的主要因素有：被关断的阳极电流、负载性质、温度、工作频率、缓冲电路和关断控制信号波形等。
五、自我检测题
1．填空题
1）一个单相全控桥式整流电路，交流电压有效值为220V ，流过晶闸管的大电流有效值为15A ，则这个电路中晶闸管的额定电压可选为 ；晶闸管的额定电流可选 为 。
2）可关断晶闸管的图形符号是
3）单相桥式可控整流电路中，晶闸管承受的最大反向电压为
4）有源逆变指的是把 能量转变成 能量后送给 装置。
5）造成逆变失败的原因有、
2．判断题
1）在单相桥式半控整流带大电感负载不加续流二极管电路中，电路出故障时会出现失控现象。 （ ）
2）逆变角太大会造成逆变失败。 （ ）
3）有源逆变指的是把直流电能转变成交流电能送给负载。 （ ）
4）在单相全控桥整流电路中，晶闸管的额定电压应取U 2。 （ ）
5）逆变失败，是因主电路元件出现损坏，触发脉冲丢失，电源缺相，或是逆变角太小造成的。 （ ）
6）触发普通晶闸管的触发脉冲，也能触发可关断晶闸管。 （ ）
7）有源逆变装置是把逆变后的交流能量送回电网。 （ ）
8）在单相桥式半控整流电路中，带大电感负载，不带续流二极管时，输出电压波形中没有负面积。 （ ）
3．选择题
1）单相半控桥整流电路的两只晶闸管的触发脉冲依次应相差
A 、180°， B 、60°， C 、360°， D 、120°
2）单相桥式全控整流电阻性负载电路中，控制角α的最大移相范围是( )
A 、90° B 、120° C 、150° D 、180°
3）单相桥式全控整流电感性负载电路中，控制角α的最大移相范围是( )
A 、90° B 、120° C 、150° D 、180°
4）变流器工作在逆变状态时，控制角α必须在度。
A 、0°-90°； B、30°-120°； C、60°-150°； D、90°-150°
5）单相全控桥式整流电路带电阻负载，当触发角α=0º时，输出的负载电压平均值为 。
A 、0.45U 2； B、0.9U 2；
C 、1.17U 2； D、2.34U 2；
4．问答题
1）实现有源逆变必须满足哪两个必不可少的条件？
2）什么是逆变失败？逆变失败后有什么后果？形成的原因是什么？
3）说明可关断晶闸管GTO 的开通和关断原理。与普通晶闸管相比较有何不同？
4）单相半控桥能否实现有源逆变？为什么？
5．画图题
1）单相桥式半控整流电路，电阻性负载。当控制角α=90º时，画出：负载电压u d 、
晶闸管VT1电压u VT1、整流二极管VD2电压u VD2，在一周期内的电压波形图。
u 2）设单相桥式整流电路有源逆变电路的逆变角为β=60︒，试画出输出电压d 的波
形图。
6．计算题
1）单相半控桥电路，对恒温电炉供电。已知电炉的电阻为34Ω，直接由220V 交流电网输入，试选择晶闸管的型号，并计算电炉的功率。
2）在单相桥式全控整流电路中，U2＝220V ，E ＝120V ，R ＝1Ω，当β＝60°时，能否实现有源逆变？为什么？求这时电动机的制动电流多大？画出这时的电压电流波形。
3）某一电阻负载，要求0～100V 连续可调，30 V以上时要求负载电流能达到20A ，采用单相桥式半控整流电路，如果由220V 交流电直接供电，试计算晶闸管导通角、电流平均值和有效值，交流侧电流有效值和对电源容量的要求。并选择晶闸管型号。
六、自我检测题答案
1．填空题
1）(1. 5-2倍
3）2U 2
4）直流，交流，电网的
5）逆变桥晶闸管或元件损坏，供电电源缺相，逆变角太小，触发脉冲丢失或未按时到达
2．判断题
1）√ 2）√ 3）× 4）× 5）√ 6）× 7）√ 8）√
3．选择题
1）A 2）D 3）A 4）D 5）B
4．问答题
2220V 、(1. 5-2倍)151. 57A 2）
1）直流侧必需外接与直流电流Id 同方向的直流电源E ，其数值要稍大于逆变器输出平均电压Ud ，才能提供逆变能量。
逆变器必需工作在β90º）区域，使Ud
2）逆变失败指的是：逆变过程中因某种原因使换流失败，该关断的器件末关断，该导通的器件末导通。从而使逆变桥进入整流状态，造成两电源顺向联接，形成短路。逆变失败后果是严重的，会在逆变桥与逆变电源之间产生强大的环流，损坏开关器件。产生逆变失败的原因：一是逆变角太小；二是出现触发脉冲丢失；三是主电路器件损坏；四是电源缺相等。
3）见教材
4）不能
5．画图题
1）
2）见教材
6．计算题
1）KP5-7 P=1.42Kw
2）可以实现，21A
3）α=116º，I 2=38A，S=4500W，KP50-4