电力电子教案

1、天津机电职业技术学院教师授课教案概 述一 什么是电力电子技术（一）定义将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制，构成了一门完整的学科，被国际电工委员会命名为电力电子学（Power Electronics）或称为电力电子技术。电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。电力电子技术突出对“电力”变换，它变换的功率可以大到数百甚至数千兆瓦，也可以小到几瓦或更小。（二）学科的组成及其研究任务1 电力电子技术的组成电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制技术三个部分。目前，电力电子技术已逐步发展成为一门多学科互相渗

2、透的中和性技术学科。2 电力电子技术的研究任务它的研究任务有三方面的内容：(1)电力电子器件的应用；(2)电力电子电路的电能变换原理；(3)控制技术以及电力电子装置的开发与应用。二 电力电子器件的发展二十世纪五十年代，第一个晶闸管诞生后，在其后近五十年里，以器件为核心的电力电子技术的发展可分为两个阶段：19571980年成为传统电力电子技术阶段；1980年至今称为现代电力电子技术阶段。（一）传统电力电子器件晶闸管的出现，一方面由于他的功率变换能力的突破，另一方面实现了以晶闸管核心强电变换电路的控制，使电子技术步入了功率领域，在工业上引起一场技术革命。晶闸管发展的特点是派生器件越来越多，功率越来

3、越大，性能越来越好。截至1980年，传统的电力电子器件就已由普通晶闸管衍生出了双向晶闸管(TRIAC)、快速晶闸管(FST)、逆导晶闸管(RCT)和不对称晶闸管等。同时，各类晶闸管的电压、电流、电压变化率、电流变化率等参数定额均有很大提高，开关特性也有很大改善。传统的电力电子器件已发展到相当成熟的地步，但在实际应用上存在着两个制约其继续发展的因素。提示控制功能上的欠缺，它通过门极只能控制开通而不能控制关断，所以称之为半控制器件。直流传动、机车牵引、电化电源在应用方面成为当时的三大支柱，这些以晶闸管为核心的变流电路几乎是用了半个世纪，至今也没有多大改进。由于这些电路的功率因数低、网侧负载上的谐波

4、严重，因此阻碍了他们的继续发展，为电力电子变流电路带来新的转机。另一方面，晶闸管系列器件的价格相对低廉，在大电流、高电压的发展空间依然较大，尤其在特大功率应用场合，其它器件尚且不易替代。在我国，以晶闸管为核心的应用设备仍有许多在生产现场使用，晶闸管及其相关的知识仍是初学者的基础，因此在本书中占据了一定大的篇幅。（二）现代电力电子器件二十世纪八十年代以来，微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力集成器件，从而使电力电子技术有传统的电力电子技术跨入现代电力电子技术的新时代。现代电力电子器件是指全控型的电力半导体器件，这类器件分为三大类：双极型、单极型和混合型

5、。1 双极型器件指在器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件。这类器件的通态压降低、阻断电压高、电流容量大，适合于中大容量的变流装置。常见的有门极关断（GTO）晶闸管、功率晶体管（GTR）、静电感应晶闸管（SITH）。2 单极型器件指在器件内部只有一种载流子（多数载流子）参与导电过程的半导体器件。这类器件的典型产品有：电力场控晶体管（电力MOSFET）和静电感应晶体管(SIT)。单极型器件由多数载流子导电，无少子存储效应，因而开关时间短，一般在几十纳秒以下，所以工作频率高。3 混合型器件混合型器件或双极-MOS(BI-MOS)。所谓混合型是指双极型器件与单极型器件的集成混合。它是

6、用GTR、GTO晶闸管以及SCR作为主导器件，用MOSFET为控制器件混合集成之后产生的器件。这种器件既具有GTR、GTO晶闸管及SCR等双极型器件电流密度高、导通压降低的优点，又具有MOSEFT等单极型器件输入阻抗高、响应速度快的优点。因此，这种新型混合器件已引起人们的高度重视。目前已开发的混合型器件有：肖特基注入MOS门极晶体管(SINFET)、绝缘门极双极晶体管(IGT或IGBT)、MOS门极晶体管(MGT)、MOS晶闸管(MCT或MCTH)等。从总体看现代电力电子器件的主要特点是：集成化、高频化、多功能全控化。三 电力电子技术的应用领域变换电路是以电力半导体器件为核心，通过不同电路和控

7、制方法来实现对电能的转换和控制。它的基本功能是使交流（AC）和直流（DC）电能互相转换，分为以下几种类型：可控整流器（ACDC）：把交流电压变换成为固定或可调的直流电压，如应用于直流电动机的调压调速、电解、电镀设备等。有源逆变器（DCAC）:把直流电压变换成为频率固定或可调的交流电压如应用于灯光控制、温度控制等。无源逆变器（ACDCAC）：把固定或变化频率的交流电变换成频率可调的或恒定的交流电，如应用于变频电源、UPS、变频调术等设备。直流斩波器（DCDC）：把固定或变化的直流电压变换成为固定或可调的直流电压，如应用于电气机车、城市电车牵引等设备。无触点电力静态开关：接通或切断交流或直流电流通

8、路。用于取代接触器、继电器。控制技术是改进变流电路的性能和效率所不可缺少的关键技术之一。对于晶闸管而言，其控制方法是调整器件的导通角，即控制触发脉冲预祝电路之间的相移角，称之为相控技术。由全控型器件组成的变流电路中，多采用脉宽调制（PWM）技术，由于PWM技术可以有效的抑制谐波，动态响应速度快，是变流电路的性能大大提高。无论是控制技术还是PWM技术，都在应用中不断的完善、改进，并涌现出许多专用集成触发（驱动）电路，给实际应用电路带来了简便、工作稳定和体积小等特点。与此同时，变流电路的控制技术正朝着数字化的方向发展。由电力半导体器件构成的变流电路，伴随着电力半导体的优点而呈现许多优势。如体积小、

9、重量轻、耐磨损、无噪声及维修方便；功率增益高、控制灵活；控制动态性能好、应快（毫秒激级或微秒级）、动态时间短；效率高、节省能源。电力电子技术的应用范围十分广泛。在交通运输、电力系统、通讯系统、计算机系统、新能源系统及在照明、空调等家电领域都发挥其重要作用，到处都能感受到电力电子技术的存在和其巨大魅力。电力电子装置提供给的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频电源，所以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。四 本课程的教学要求和学习方法电力电子技术是主干课程之一。电力电子技术是高等学校自动化、电气工程及其自动化等相关专业的主干课程之一。学习本课程时，要着重物理概念与基本分析方法的学习，理论要联

10、系实际，尽量做到器件、电路、系统（包括控制技术）应用三者结合。在学习方法上要特别注意电路的波形与相位分析，抓住电力电子器件在电路中导通与截止的变化过程，从波形分析中进一步理解电路的工作情况，同时要注意培养读图与分析、器件参数选择、电路参数计算与测量、调整以及故障分析等方面的实践能力。通过本课程的学习应达到以下要求：1 掌握晶闸管、电力MOSFET、IGBT等电力电子器件的结构、工作原理、特性和使用方法；2 掌握整流电路、直流变换电路、逆变电路、交流变换电路的结构、工作原理、控制和波形分析方法；3 掌握PWM技术的工作原理和控制特性，了解软开关技术的基本原理；4 掌握基本电力电子装置的实验和调试

11、方法；5 了解电力电子技术的应用范围和发展动向。电力电子器件、变换电路、控制技术都在不断发展与不断更新，所涉及的知识面广、内容丰富多彩。在本课程的学习中还应注意与电工基础、电子技术基础、电机与拖动基础等知识的联系；在讲授和学习中注重概念、重视实验、识图等应用能力的培养。第1章 电力电子器件1.1 电力电子器件的基本模型定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。1.1.1 基本模型与特性-一、基本模型：电力电子器件可以抽象成下图1.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开

12、关通断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”两种情况：通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。图1.1.1 电力电子器件的理想开关模型二、基本特性（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。（2）电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制。（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。1.1.2 电力电子器件的分类一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类 不可控器件：如：电力二极管（Power Diode）；半控型器件：如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。全控型器件：如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-O

13、ff Thyristor ）、功率场效应管（Power MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（Insulated-GateBipolar Transistor）等。二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为两种： 电流控制型器件：如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等； 电压控制半导体器件：如：代表性器件为MOSFET和IGBT。1.2 电力二极管1.2.1 电力二极管及其工作原理一、电力二极管：1、电力二极管（Power Diode）也称为半导体整流器，简称SR。属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件。2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极

14、的作用,具有不可替代的地位。二、PN结与电力二极管工作原理：基本结构和工作原理与二极管一样。以半导体PN结为基础。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。图1.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符号a）外形 b）结构 c）电气符号从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。1、当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。2、与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降。图1.2.2 电力二极管的伏安特性曲线1.2.2电力二极管的开关特性及主要类型一、电力二极管的开关特性1 定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。

15、开通特性：电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。图1.2.3 电力二极管开过程中电压、电流波形延迟时间： （1.2.1）电流下降时间： （1.2.2）反向恢复时间： （1.2.3）二、电力二极管的主要类型：（1）普通二极管：普通二极管又称整流管，多用于开关频率在kHz以下的整流电路中，其反向恢复时间在s以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2）快恢复二极管：反向恢复时间在s以下的称为快恢复二极管.。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特

16、性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。三、电力二极管的主要参数：（1）额定正向平均电流IF(AV)额定正向平均电流在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设该正弦半波电流的峰值为Im,额定电流(平均电流)为: （1.2.4）额定电流有效值为: （1.2.5）正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有1.52倍的裕量。（2）反向重复峰值电压RRM：指器件能重复施加的反向

17、最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿电压U的2/3。（3）正向压降F：指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压(又称管压降)。1.3 晶闸管晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，为特大功率低频(200Hz

18、以下)装置中的主要器件。1.3.1 晶闸管及其工作原理1、晶闸管的结构：（1）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在200A以上),由图1.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。图1.3.1 晶闸管的外型及符号（2）晶闸管有三个电极, 它们是阳极A, 阴极K和门极(或称栅极)G,它的电气符号如图1.3.1(e)所示。晶闸管是大功率器件, 工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。2、晶闸管的工作原理晶闸管(单向导电性),导通条件为阳极正偏和门极加正向触发电流。图1.3.2 晶闸管的内部结构和等效电路（1）导通：阳极施加正向电压时给门极G也加正向

19、电压门极电流Ig经三极管放大后成为集电极电流，又是三极管的基极电流放大后的集电极电流进一步使Ig增大且又作为的基极电流流入重复上述正反馈过程两个三极管、都快速进入饱和状态晶闸管阳极A与阴极K之间导通满足阳极正偏的条件,晶闸管就一直导通。（2）阻断：晶闸管A 、K间承受正向电压门极电流Ig=0时和之间的正反馈不能建立起来晶闸管A 、K间处于正向阻断状态。1.3.2 晶闸管的特性与主要参数1、晶闸管的伏安特性 ：图1.3.3 晶闸管阳极伏安特性晶闸管的正向特性：=0器件两端施加正向电压正向阻断状态只有很小的正向漏电流流过正向电压超过临界极限即正向转折电压，则漏电流急剧增大器件开通随着门极电流幅值的

20、增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。闸管的反向特性：晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。2.晶闸管的开关特性：晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。（1）开通过程：普通晶闸管延迟时为0.51.5s，上升时间为0.53s。（2）关断过程：普通晶闸管的关断时间约几百微秒。（3）晶闸管的开通与关断时间：普通晶闸管的开通时间 约为6s。关断时间约为几十到几百微秒。3.晶闸管的主要特性参数（1）晶闸管的重复峰值电压额定电压1）正向重复峰值电压 ：门极断开(Ig=0), 元件处在额定结温时,正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压 (此电压不可连续施加)的80%

21、所对应的电压(此电压可重复施加,其重复频率为50HZ，每次持续时间不大于10ms)。2）反向重复峰值电压 :元件承受反向电压时,阳极电压为反向不重复峰值电压的80%所对应的电压。3）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取与中的最小值,选用时，定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。（2）晶闸管的额定通态平均电流额定电流1）定义：在环境温度为40和规定的冷却条件下, 晶闸管在电阻性负载导通角不小于170°的单相工频正弦半波电路中, 当结温稳定且不超过额定结温所允许的最大通态平均电流。在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流算后至少还要乘以1.52的安全系数

22、，其有一定的电流裕量。2）计算方法：额定电流(平均电流)为： （1.3.3）额定电流有效值为： （1.3.4）（3）门极触发电流和门极触发电压定义：在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压。（4）通态平均电压定义：在规定环境温度、标准散热条件下， 元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压(又称管压降)。（5）维持电流和掣住电流在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流。给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除

23、触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流。1.3.3 晶闸管的派生器件1. 快速晶闸管(Fast Switching ThyristorFST)可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管(简称FST)。开关频率在10KHZ 以上的称为高频晶闸管。快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般在2000V以下。2. 双向晶闸管(TRIAC)正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第II象限有对称的伏安特性。图1.3.4 双向晶闸管的电气图形符号 图 1.3.5 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 和伏安特性（a

24、) 电气图形符号 (b) 伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性3. 逆导晶闸管 (RCT)1)将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。2)与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点；4. 光控晶闸管(LTT)1)又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。2) 小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。3）大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。4）光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中占据重

25、要的地位。图1.3.6 控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性1.4 可关断晶闸管可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。1、可关断晶闸管的结构与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。图1.4.1 GTO的内部结构和电气图形符号(a)

26、各单元的阴极、门极间隔排列的图形 ( b) 并联单元结构断面示意图 (c) 电气图形符号2、可关断晶闸管的工作原理1）GTO的导通机理与SCR是相同的。2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。3、可关断晶闸管的应用1）GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，达到兆瓦级的数量级。用门极正脉冲可使GTO开通， 用门极负脉冲可以使其关断， 这是GTO最大的优点。GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型， 在使用时要特别注意。不少GTO都制造成逆导型，类似于逆

27、导晶闸管，需承受反压时应和电力二极管串联 。1.4.2 可关断晶闸管的特性图1.4.2 可关断晶闸管的开关特性1.5 电力晶体管1) 术语用法：电力晶体管（GTR，直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。2）应用：20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。1.5.1 电力晶体管及其工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。1.5.2 电

28、力晶体管的特性GTR共射电路输出特性输出特性：截止区(又叫阻断区)、线性放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。1.6 电力场效应晶体管1）分为结型场效应管简称JFET）和绝缘栅金属-氧化物-半导体场效应管（简称MOSFET）2）通常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。3）特点：输入阻抗高(可达40M以上)、开关速度快，工作频率高(开关频率可达1000kHz)、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区(SOA)宽；电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过10kW的电力电子装置。1.6.1 电力场效应管及其工作原理1、电力场效应管的结构图1.6.1 N沟道VD

29、MOS管元胞结构与电气符号目前生产的VDMOS中绝大多数是N沟道增强型，这是由于P沟道器件在相同硅片面积下，其通态电阻是N型器件的23倍。因此今后若无特别说明，均指N沟道增强型器件。VDMOS的典型结构特点：(1)垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利用，而且可获得大的电流容量；(2)设置了高电阻率的N区以提高电压容量；(3)短沟道(1 2m)降低了栅极下端SiO2层的栅沟本征电容和沟道电阻，提高了开关频率；(4)载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。2、电力场效应管的工作原理（1）截止：栅源电压 0 或 0 (为开启电压，又叫阈值电压)；（2）导通：时，加至漏极电压0；

30、（3）漏极电流ID ：VDMOS的漏极电流ID受控于栅压。1.7 绝缘栅双极型晶体管IGBT：绝缘栅双极型晶体管。兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市场。1.7.1 绝缘栅双极型晶体管及其工作原理1. IGBT的结构 图1.7.1 IGBT的结构、简化等效电

31、路与电气符号IGBT的结构如图1.7.1(a)所示。它是在VDMOS管结构的基础上再增加一个P+层，形成了一个大面积的P+N结，和其它结、一起构成了一个相当于由VDMOS驱动的厚基区PNP型GTR;简化等效电路如图1.7.1(b)所示。电气符号如图1.7.1（c）所示GBT有三个电极:集电极、发射极和栅极。2. IGBT的工作原理IGBT也属场控器件，其驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种由栅电压控制集电极电流的栅控自关断器件。1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性IGBT的伏安特性和转移特性图1.7.2 IGBT的伏安特性和转移特性（1）IGBT的伏安特性（如图1.7.2a)反映在一定的栅

32、极一发射极电压下器件的输出端电压UCE与电流的关系。IGBT的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。（2）IGBT的转移特性曲线（如图1.7.2b）IGBT开通： > (开启电压,一般为36V) ；其输出电流与驱动电压基本呈线性关系；IGBT关断： < ；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 ：按照输入交流电源的相数:单相、三相和多相整流电路；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；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 整流器的性能指标定义：利用电力

33、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。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，则因此有 （2.1.2）2、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

34、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: （2.1.6）式

35、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2.2.1 单相半波可控整流如图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

36、，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，

37、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)，就可以改变整流输出电压的平均值，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

38、.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。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

39、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；。流过晶闸管的电流的有效值晶闸管的额定电，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

40、，到时刻达最大值，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 Whe

41、eling 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

42、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

43、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

44、适于小容量、波形要求不高的场合。2.3 三相相控整流电路2.3.1 三相半波相控整流电路1、电阻性负载1）工作原理分析1）在t1t2期间，相电压比、相都高，如果在t1时刻触发晶闸管导通，负载上得到相电压uA。2）在t2t3期间，相电压最高，若在t2时刻触发导通，负载上得到B相电压uB， 并关断 。3）在t3 t4时期间，C相电压最高，若在t3刻触发导通，负载上得到相电压uC，并关断。自然换流点：t1、t2和t3时刻距相电压波形过零点30°电角度，它是各相晶闸管能被正常触发导通的最早时刻，在该点以前，对应的晶闸管因承受反压，不能触发导通，所以把它叫做自然换流点。在三相相控整流电路中，把

45、自然换流点作为计算控制角的起点，即该处=0°（注意：这与单相可控整流电路是不同的）。当=30°时，ud、id波形临界连续。当=150°时，整流输出电压为零。结论： 在<30°时负载电流连续，每个晶闸管的导电角均为120°，当>30°时，输出电压和电流波形将不再连续； 在电源交流电路中不存在电感情况下，晶闸管之间的电流转移是在瞬间完成的； 负载上的电压波形是相电压的一部分； 晶闸管处于截止状态时所承受的电压是线电压而不是相电压。aq-=o150若A相电源输入相电压 ，B、C相相应滞后1200则有如下数量关系： 当=0

46、6;时整流输出电压平均值d最大。增大，Ud减小，当=150°时，Ud=0。所以带电阻性负载的三相半波相控整流电路的移相范围为0150° 当30°时，负载电流连续，各相晶闸管每周期轮流导电120°，即导通角T =120°。输出电压平均值为)300(cos17.1)(sin23/2126562°££°=ò+aawwpappaUttdUUd式中2为整流变压器二次侧相电压有效值。 当>30°时，负载电流断续， ，输出电压平均值d为ò+=papwwp62)(sin23/21ttd

47、UUd3)30cos(117.12a+°+=U)15030(°£<°a26U22UdddRUI=(4) 晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压峰值，即 ，最大正向电压为电源相电压，即 。(5) 负载电流的平均值ddTII31=流过每个晶闸管的平均电流流过每个晶闸管的电流有效值为)2cos2332(212app+=dTRUIoo30££ao)2sin412cos4365(212aaapp+-=dTRUIoo15030<£a2、大电感负载波形分析例=60°时不接续流二极管的波形1）电路特点：(1)在30

48、76;时，Ud的波形与电阻性负载时相同。(2)>30°时Ud波形出现部分负压。(3)尽管>30°，由于大电感负载的作用，仍然使各相晶闸管导通120°，保证了电流的连续。2）大电感负载数量关系整流输出电压平均值ud为ò+=apapawwp65622cos17.1)(sin23/21UttdUUd当=0°时Ud最大，当=90°时，Ud=0。因此，大电感负载时，三相半波整流电路的移相范围为090°。流过每个晶闸管的平均电流与有效电流分别为dddTdTIIII313601202=°°=pqdddTTI

49、III577.0312=pq3、大电感负载接续流二极管时数量关系1）ud的波形与纯电阻性负载时一样，Ud的计算公式也一样。)300(cos17.1)(sin23/2126562°££°=ò+aawwpappaUttdUUd2）负载电流id=iT1+iT2+iT3+iD。3）一周期内晶闸管的导通角 T=15004）续流二极管在一周期内导通三次，其导通角D=3(30°)。5）流过晶闸管的平均电流和有效电流分别为ddTTIII°-°=3601502apqddTdTIII°-°=3601502apq6）

50、流过续流管的平均电流和有效电流分别为2.3.2 三相桥式相控整流电路 1、电阻性负载工作原理共阴极组的自然换流点(=0°)在、时刻，分别触发、晶闸管。共阳极组的自然换流点(=0°)在、时刻，分别触发、晶闸管。晶闸管的导通顺序为：。图2.3.5 三相桥式相控整流电路带电阻负载=0° 时的情况（l）每个时刻均需2个不同组的晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中且不能为同一相的晶闸管；（2）对触发脉冲的要求：6个晶闸管的触发脉冲按的顺序（相位依次差60°）分别触发晶闸管；共阴极组、的触发脉冲依次相差120°，共阳极组、的触发脉冲也依次差120&#

51、176;,同一相的上下两个桥臂，即 、与，与 ，与脉冲相差180°；（3）全控桥触发脉冲类型：宽脉冲触发：使脉冲宽度大于60°(一般取80°100°);双脉冲触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60°，脉宽一般为20°30°。 （4）带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是 120°。 3、三相桥式全控整流电路不同时工作原理: =30°时工作波形： 图2.3.6 三相桥式相控整流电路 带电阻负载=30° 时的情况=60°时工作波形： 图2.3.7 三相桥式相控整流电

52、路 带电阻负载=60° 时的情况=90°时工作波形：图2.3.8 三相桥式相控整流电路 带电阻负载=90° 时的情况4、三相桥式全控整流电路参数计算1）当60°时，负载电流连续，负载上承受的是线电压设其表达式为，在内积分上 、下限为和。因此当控制角为时，整流输出电压的平均值为: （2.3.14）2）当60°时，负载电流不连续，整流输出电压的平均值为:（2.3.15）晶闸管承受的最大正、反向峰值电压为: 5、大电感负载这里介绍带大电感负载的三相全控桥式整流电路。如图2-13（a）所示是带大电感负载的三相全控桥式整流电路。电路移向范围为090°1）=0°时工作波形图2.3.9（a）所示是三相全控桥式整流电路带电感负载的电路。为了节省篇幅这里只讨论大电感负载的情况。和三相全控桥式整流电路带电阻负载时一样，把共阴极组的晶闸管依次编号为、把共阳极的晶闸管依次编号、。图2.3.9（b）（e）所式为带大电感负载的三相全控桥式整流电路在时的电流电压波形。由三相半波电路的分析可知，共阴极组的自然换流点在、时刻，分别触发