电力电子技术-Chapter5整流public2013

1、12345相控有源逆变电路相控有源逆变电路 PWM整流电路整流电路 同步整流电路同步整流电路 6概述概述 不控整流电路不控整流电路 相控整流电路相控整流电路基本内容 凡能将交流电能转换为直流电能的电路统称为整流电路，简称为AC-DC。 整流电路是出现最早的电力电子电路，自20世纪20年代至今已经历了以下几种类型：u旋转式变流机组（交流电动机-直流发电机组）u静止式离子整流器和静止式半导体整流器 整流电路有多种分类方法u按交流电源输入相数来分类，可分为单相与多相整流电u按电路结构来分类，可分为半波、全波与桥式整流电路u若按整流电路中使用的电力电子器件来划分，可分为不控整流电路、相控电路、PWM整

2、流电路 5.1 概述概述 利用电力二极管的单相导电性可以十分简单地实现交流直流电力变换。 由于二极管整流电路输出的直流电压只与交流输入电压的大小有关，不能控制其数值，故称为不控整流电路。5.2 不控整流电路不控整流电路t0223二极管导通情况VD1导通VD1截止VD1导通负载电压udu20u2负载电流idu2/R0u2/R二极管端电压uVD10u20负载电压平均值Ud 电源变压器副边电压有效值为U202245. 0)(dsin221UttU5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路图5-1 单相半波整流电路带电阻性负载电路及波形 表5-1 单相半波不控整流电路电阻负载时各区间工作情况不带续流

3、二极管的单相半波整流电路带阻感负载电路及波形 t0t1t12二极管导通情况VD1导通VD1导通 VD1截止负载电压udu2u20负载电流id有有0二极管端电压uVD100u25.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路表5-2 单相半波不控整流电路阻感负载时各区间各区间工作情况带续流二极管的单相半波整流电路带阻感负载电路及带大电感负载电流波形波形 t02二极管导通情况VD1导通、VD2截止VD1截止、VD2导通负载电压udu20负载电流id稳定直流整流二极管电流iVD1方波电流0续流二极管电流iVD20方波电流整流二极管端电压uVD10u2续流二极管端电压uVD2-|u2|05.2.1 单相不

4、控整流电路单相不控整流电路表5-3 单相半波不控整流电路大电感负载带续流二极管时各区间工作情况 除阻感负载不带续流二极管电路之外，半波整流负载电压仅为交流电源的正半周电压，从而使交流电源利用率偏低，且输出脉动大，因此使用范围较窄。 若能经过变换将交流电源的负半周电压也得到利用，即获得图5-2a中的负载电压波形，则负载电压平均值Ud可提高1倍，从而使交流电源利用率成倍提高。 采用单相全波整流电路单相全波整流电路 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路单相半波整流电路带电阻性负载电路及波形 图5-2a 单相全波整流电路负载电压波形 单相全波整流电路图5-2 单相全波整流电路及工作波形a)单相

5、全波整流电路负载电压波形 b)单相全波整流电路 c)交流输入正半周整流电路工作图 d)交流输入负半周整流电路工作图 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路t02二极管导通情况VD1导通、VD2截止VD2导通、VD1截止ud|u2|u2|uVD1和uVD2uVD1=0，uVD2= -2|u2|uVD1= -2|u2|，uVD2=0负载电压平均值Ud0229 . 0)(dsin21UttU5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路表5-4 单相全波整流电路各区间工作情况图5-3 单相桥式整流电路图5-2 单相全波整流电路 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路222U单相全波整流电路

6、必须要有一个带中心抽头的变压器，且二极管承受的最高电压为 。为获得全波整流电路的负载电压波形，并克服全波整流电路的缺点，可采用桥式整流电路a)单相桥式整流电路 b)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 c)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路t02二极管导通情况VD1和VD4导通、VD2和VD3截止VD2和VD3导通、VD1和VD4截止ud|u2|u2|uVDuVD1,4=0， uVD2,3= -|u2|uVD3=0， uVD1,4= -|u2|Ud0229 . 0)(dsin21UttU5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路表5-5 单相桥

7、式整流电路各区间工作情况 在单相输入的AC-DC整流电路中，单相桥式整流电路应用极为广泛。 半波整流电路交流电源电流是单方向的，电源变压器存在直流磁化现象，是半波整流电路的应用不广泛的主要原因之一。 而桥式和全波电路电源电流双向流动，使交流电源得到充分利用，也不存在电源变压器直流磁化现象。5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路 单相交流整流电路的功率通常限制在数个kW以下，因此要求更大功率直流电源的设备就需要利用三相交流电源和三相整流电路，其中应用最广泛的是三相桥式整流电路。 由于三相桥式整流电路多用于中、大功率场合，因此很少采用单个二极管进行组合，而多采用三相整流模块，如图5-4a所示

8、。图5-4 三相桥式整流电路 5.2.2 三相不控整流电路三相不控整流电路 整流模块电路 共阴极组的3个二极管中阳极所接交流电压瞬时值最高的一个二极管导通 共阳极组的3个二极管中阴极所接交流电压瞬时值最低的一个二极管导通 即任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个二极管处于导通状态。图5-4 三相桥式整流电路和负载电压波形 5.2.2 三相不控整流电路三相不控整流电路 电路电压波形时时 段段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的二极管VD1VD1VD3VD3VD5VD5共阳极组中导通的二极管VD6VD2VD2VD4VD4VD6整流输出电压uduabuacubcubaucaucb整流电压平均值Ud2

9、323234. 2)(dsin2331UttU 表5-6 三相桥式整流电路各区间工作情况 5.2.2 三相不控整流电路三相不控整流电路 将负载电压ud波形中的一个周期分成6段，每段60，每段导通的二极管及输出整流电压的情况如表5-6所示。 交流电经过二极管整流后多为方向单一的直流电，但是大小还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般不能直接给装置供电。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。 滤波的任务，就是把整流器输出电压或电流中的波动成分尽可能地减小，使其输出接近恒定值的直流电。 常用的滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路和复式滤波电路。 5.2.3 整

10、流滤波电路整流滤波电路 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 1电容滤波电路电容滤波电路 将电容作为储能元件,利用了电容两端电压不能突变的特点。 目前大量普及的微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源中，通常都是在单相桥式不控整流桥后面并联一个较大容值的滤波电容以平滑其输出直流电压，如图5-5a所示。图5-5 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形图5-5 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 在t=0时刻，交流电压u2高于电容电压ud，二极管VD1和VD4导通，交流电源开始向电容C充电，并为负载提供能量； 电容电压逐步升高，当整流桥输入电压低于

11、电容电压时，二极管VD1和VD4关断，此后电容C放电，为负载提供能量，直至二极管VD2和VD3导通；该过程周而复始。电路负载电压波形 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 图5-5 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形电路负载电压波形2d2UU 负载固定的情况下，电容器C的容量越大，充电和放电所需要的时间越长。 空载时，由于电容C储存的电荷无法释放， 。重载时由于负载电阻值较小，Ud逐渐趋向于0.9U2。 显然，电容C的容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压Ud也越高。但是，当电容容量达到一定值以后，再加大电容容量对提高滤波效果已无明显作用。 5.2.3 整流滤波电路整流滤

12、波电路 2电感滤波电路电感滤波电路 电容滤波电路利用了电容两端电压不能突变的特点，可实现电压平滑。 电感滤波电路则是利用流进电感中的电流不能突变的特点，使输出电流平滑。 电感有电流平波作用。电感滤波电路及对应的负载电流波形如图5-6所示。图5-6 电感滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 对于负载而言，采用大电容滤波的整流电路相当于直流电压源，而采用大电感滤波的整流电路相当于直流电流源。 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 3复式滤波电路复式滤波电路 复式滤波器的组成。 图5-7所示是由电感与电容组成的2阶LC滤波器，其滤波效果比单一电容所构成的一阶滤

13、波器的滤波效果有显著提高 ，适用于负载电流较大、要求纹波很小的场合。但是由于电感体积和重量相对较大（高频时可减小） ，成本也较高，一般情况下使用得不多。图5-7 电感和电容组成的复式滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 在上述3种形式的滤波电路中，电容滤波电路的应用相对较多 。 注意注意：在电容滤波电路中，当电路接入电网时瞬间，电容的充电过程会导致电流浪涌，因此在实际应用时要考虑整流桥的抗浪涌能力。 也可采用图5-8所示的抗浪涌电路，也称作软起电路。图5-8 单相桥式不可控整流电路的抗浪涌电路 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 1

14、倍压不控整流电路 世界各国的市电电压（单相电压）并不完全一样，有的单相电压有效值为110V，有的为220V（或230V），如我国的市电电压标准为220V。为适应两种不同交流电压如110V和220V的应用，实现两种输入电源的转换，可采用图5-9所示的倍压整流技术。 图5-9 倍压不可控整流电路 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 两种输入交流电压的转换由开关S来完成。 当输入220V交流电压时，开关S断开，此时，由二极管VD1VD4组成的全桥整流电路对220V交流电压进行整流，若输出滤波电容容量足够大，则整流电路输出负载两端的直流电压ud 。 当输入电压为110V交流电压时

15、，开关S闭合：在输入交流电压正半周，110V交流电压通过VD1、C1进行半波整流，若输出滤波电容C1容量足够大，则C1上输出的直流电压ud1 ；2V2202V110 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 而在输入交流电压负半周，110V交流电压通过VD2、C2进行半波整流，若输出滤波电容C2容量足够大，则 C2上 输 出 的 直 流 电 压 ud2 。 显然，在输入电压为110V交流电压时，若开关S闭合，此时整流电路输出负载两端的直流电压应为ud2+ud2 =ud 。 S闭合时的电流被称为二倍压整流。还有多倍压整流电路，其基本原理与二倍压整流一样。2V1102V220 2倍

16、流不控整流电路 出于电隔离和电压匹配的需要，在DC/DC变换中常采用间接变换方案，即含有DC-AC-DC的直流变换电路。其输出端整流电路属于高频整流电路，输出为正负对称的方波。 当输出为低压大电流时，传统的桥式整流电路中存在两个二极管压降，二极管的导通损耗会大大降低电路的效率；而全波整流电路虽然只需要2个二极管，损耗小，但变压器二次侧绕组有中心抽头，给高频变压器的绕制带来困难。 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 倍流整流电路变压器二次侧匝数与全波整流电路相等，比全桥电路多一倍，但不用中心抽头，电路中只有两个二极管

17、，绕组中的电流iT只是输出电流iL的一半。换句话说，输出电流iL是绕组电流iT的两倍，这也是倍流整流电路得名的由来。图5-10 倍流整流电路 与全波整流电路相比，倍流整流电路中的整流二极管电压定额不变，流过的电流数值少一半。虽然用了两个滤波电感，但由于流过的电流只为负载电流的一半，故电感量可小一些，绕制电感的导线可细一些，因此电感体积缩小不少，两个电感的体积和重量与全波整流电路的滤波电感差不多。 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 图5-10 倍流整流电路 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 t0t1段，电源电压uT处于正半周，二极管VD1截止，VD

18、2正偏导通，iL1由电源经L1、VD2和负载R流过，为负载R提供能量，同时L1储能，因此该段被称为L1储能期。 而L2经VD2释放能量给R，iL1和iL2流动方向如图c所示，iL=iL1+iL22iL1。c） 图5-10 倍流整流电路 t2t3段，电源电压uT处于负半周，二极管VD1正偏导通，VD2截止，iL2由电源经L2、VD1和负载R流过，为负载R提供能量，同时L2储能，而L1经VD1释放能量给R，因此该段被称为L1放能期。 iL1和iL2流动方向如图d所示，iL=iL1+iL22iL1。 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 d） t1t2段和t3t4，电源电压uT=

19、0，L1和L2分别通过VD1和VD2续流，为R提供能量，该段被称为L1L2放能区。 iL1和iL2流动方向如图e所示，iL=iL1+iL22iL1。 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 e） 若将不控整流电路中的整流二极管换成晶闸管或GTR等全控器件，则整流电路就成为可控整流电路。 其中以晶闸管为整流器件的相控整流电路是经典的可控整流电路，该整流电路有多种形式，其负载有电阻负载、阻感负载和反电势负载等，负载的性质不同，晶闸管整流电路的工作情况也不一样，但它们都基于一个工作原理移相控制技术。 5.3 相控整流电路相控整流电路 5.3.1 移移相控制技术相控制技术 在分析晶闸

20、管可控整流电路时，为便于分析，认为晶闸管为理想开关元件，即晶闸管导通时管压降为零，关断时漏电流为零，且认为晶闸管的导通与关断瞬时完成。 将图5-1中的二极管换成晶闸管即组成单相半波相控整流电路，但该电路输出脉动大，且易造成电源变压器铁心直流磁化，实际上很少采用。RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udid 将单相桥式不控整流电路中的二极管换成晶闸管，即构成单相桥式相控整流电路，如图5-11a所示。VT1VT4组成可控整流桥，由整流变压器T供电，u1为变压器一次侧电压，变压器二次侧出线连接在桥臂的中点a、b端上，变压器二次侧电压，R为纯负载电阻。5.3.1 移移相控制技术相控制技术

21、在u2的正半周，a点电位高于b点电位，若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，负载电压ud也为零，假设各晶闸管漏电阻相等，则VT1和VT4各分担u2/2的正向电压，VT2和VT3各分担u2/2的反向电压。在t=时刻，给VT1和VT4施加触发脉冲uG，此时VT1和VT4承受正压而导通，ud=u2；VT2和VT3承受u2的反向电压，id=u2/R；图5-11 带电阻负载的单相 桥式相控整流电路和波形5.3.1 移移相控制技术相控制技术 当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断，而此时VT2和VT3尚无触发脉冲，处于截止状态，VT2和VT3各分担u2/2的正向电压，VT1和VT4各

22、分担u2/2的反向电压，ud=0。 在u2的负半周，在t=+时刻给VT2和VT3施加触发脉冲，VT2和VT3导通，ud=-u2=|u2|；VT1和VT4承受u2的反向电压；当u2进入正半周时，VT2和VT3关断。 图5-11 带电阻负载的单相 桥式相控整流电路和波形5.3.1 移移相控制技术相控制技术 触发角也可称作控制角，指从晶闸管开始承受正向电压起到施加触发脉冲止的电角度。晶闸管可控整流电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小，故称为相控电路。 导通角 指晶闸管在一个周期中处于通态的电角度，图5-11中4个晶闸管的导通角均为-。几个重要概念：5.3.1 移移相控

23、制技术相控制技术 移相 改变触发脉冲出现的时刻，即改变触发角的大小，称为移相。通过改变触发角的大小，可使整流平均电压ud发生变化的控制方式称为移相控制。改变触发角使整流电压平均值从最大值降到零，此时角对应的变化范围称为移相范围，如单相桥式相控整流电路带电阻性负载时的移相范围为180。 同步 使触发脉冲与相控整流电路的电源电压之间保持频率和相位的协调关系称为同步，同步是相控电路正常工作必不可少的条件。 换流 在相控整流电路中，一路晶闸管导通变换为另一路晶闸管导通的过程称为换流，也称换相。5.3.1 移移相控制技术相控制技术 t0+ +2晶闸管导通情况VT1,4截止VT2,3截止VT1,4导通VT

24、2,3截止VT1,4截止VT2,3截止VT1,4截止VT2,3导通ud0|u2|0|u2|id0|u2|/R0|u2|/RuVTuVT1,4=1/2|u2|uVT2,3= -1/2|u2|uVT1,4=0uVT2,3= -|u2|uVT1,4= -1/2|u2|uVT2,3=1/2|u2|uVT1,4= -|u2|uVT2,3=0Ud 负载电流平均值IdUd/R晶闸管的电流平均值IdT （晶闸管VT1、VT4 和VT2、VT3轮流导通，则流过晶闸管的电流平均值为负载电流平均值的一半）变压器二次电流有效值I2 负载电流有效值I与I2相同流过晶闸管的电流有效值IT2sin21)(d)sin2(12

25、22RUttRU2sin212)(d)sin2(21222RUttRU2cos145. 0212dRUI2222cos19 . 0)cos1 (2)(dsin21UUttU表5-7 单相桥式相控整流电路电阻负载时各区间工作情况5.3.1 移移相控制技术相控制技术 当负载为阻感负载时，通过前面分析单相半波整不控流电路带感性负载的工作状态可知，由于电感有阻止电流变化的作用，电流变化时电感L两端产生的感应电势eL与电源电压u2叠加，使得在交流输入电压u2过零变负后，晶闸管仍然在一段时间内承受正压而导通，这会造成负载电压ud在会出现负值。 为便于分析，假设负载电感很大，即LR，并且电路已处于稳态，则负

26、载电流id连续且波形近似为一水平线。 图5-12 带阻感负载的单相桥式相控整流电路和波形 5.3.1 移移相控制技术相控制技术 图5-12 带阻感负载的单相桥式相控整流电路和波形 22U 在u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id而不关断；至t=+时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，则两管导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流转移到VT2和VT3上，实现换流。 由于电感很大，流过晶闸管的电流近似为定值Id，则每个晶闸管连续导通180，即导通角为180。通过晶闸管VT1和VT4

27、两端的电压波形可以看出，晶闸管可能承受的最大正、反向电压均为 ，这是因为大电感负载时，负载电流连续，不存在4个晶闸管都不导通的情况。5.3.1 移移相控制技术相控制技术 222cos9 . 0cos22)( dsin21UUttUt+2+2+3+晶闸管导通情况VT1,4导通VT2,3截止VT1,4截止VT2,3导通VT1,4导通VT2,3截止ud|u2|u2|u2|uVTuVT1,4=0，uVT2,3= -|u2|uVT1,4= -|u2|，uVT2,3=0uVT1,4=0，uVT2,3= -|u2|Ud id幅值为Id=Ud/R的定值电流表5-8 单相桥式相控整流电路大电感负载时各区间工作情

28、况5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 单相可控整流电路元件少，线路简单，但其输出电压的脉动较大，同时由于单相供电，引起三相电网不平衡，故适用于小容量设备。当容量较大，要求输出电压脉动较小，则多采用三相可控整流电路。三相可控整流电路有三相半波、三相桥等多种形式。其中三相半波可控电路是多相整流电路的基础，其它电路可以看作三相半波可控电路不同形式的组合。 5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 图5-13 带电阻负载的三相半波相控整流电路共阴极接法及=0的工作波形 为得到零线，变压器二次侧要接成星形，而一次侧接成三角形，为3次谐波电流提供通路，减少3次谐波对电网的影响

29、。三个晶闸管阴极连接在一起，阳极分别接入a、b、c三相电源，这种接法称为共阴极接法。1三相半波共阴极相控整流电路带电阻性负载5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 图5-13 带电阻负载的三相半波相控整流电路共阴极接法及=0的工作波形 若将电路中的晶闸管VT1VT3换作二极管VD1VD3，该电路即成为三相半波不可控整流电路，则相电压最大的一相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。在一个周期中，在t1-t2期间，VD1导通，ud=ua；t2-t3期间，VD2导通，ud=ub；t3-t4期间，VD3导通，ud=uc，每相晶闸管的导通角均为1

30、20。5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 图5-13 带电阻负载的三相半波相控整流电路共阴极接法及=0的工作波形 在相电压的交点t1、t2、t3、t4处，电流从一个二极管转移到另一个二极管，定义二极管换相时刻为自然换相点。对三相半波整流电路而言，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的起点，即=0。这是三相电路和单相电路的一个区别，单相相控整流电路的自然换相点是变压器二次电压的过零点，而三相相控整流电路的自然换相点是相电压的交点。 相邻的触发脉冲应间隔120，与晶闸管的导通角相对应，晶闸管VT1两端的电压波形，由3段组成；第1段是VT1导通期间

31、，uVT1为晶闸管导通管压降，近似为0；第2段是VT2导通期间，uVT1=ua-ub=uab，为线电压；第3段是VT3导通期间，uVT1=ua-uc=uac。其它两管的电压波形形状相同，相位依次滞后120。 5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 图5-13 带电阻负载的三相半波相控整流电路共阴极接法及=0的工作波形5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 图5-14 三相半波相控整流电路带电阻负载=30和=60的工作波形 增大值，将脉冲后移，整流电路的工作波形相应地发生变化。在t1时刻之后，ubua，此时VT2开始承受正压，但由于没有触发脉冲而不导通，VT1仍然导通

32、。直到触发脉冲出现，VT2导通，VT1承受反压而关断。从输出电压和电流的波形来看，晶闸管的导通角仍为120，但这时负载电流处于连续和断续的临界状态。与 =0 时相比，晶闸管承受的电压中出现了正的部分。5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 图5-14 三相半波相控整流电路带电阻负载=30和=60的工作波形 若30，则当相电压过零变负时，该相晶闸管关断。而此时下一相晶闸管虽承受正压，但因无触发脉冲而不导通，负载电压和电流均为零，直到下一相晶闸管的触发脉冲出现为止，这会导致负载电流断续，晶闸管导通角小于120。图5-14b为 =60时的波形，此时晶闸管导通角为90。5.3.2 三相半

33、波相控整流电路三相半波相控整流电路 由于电流断续，晶闸管承受电压情况较为复杂。 0t1段，VT1截止，VT3导通，则uVT1=uac； t1t2段，c相电压过零变负，VT3截止，VT1承受正压，由于没有触发信号不导通，则uVT1=ua； t2t3段，VT1导通，则uVT1=0； t3t4段，a相电压过零变负，VT1截止，VT2承受正压，但由于没有触发信号不导通，则uVT1=ua； t4t5段，VT2导通，则uVT1= uab； t5t6段，b相电压过零变负，VT2截止，VT3承受正压，但由于没有触发信号不导通，则uVT1=ua； t6t7段，VT3导通，则uVT1=uac；若继续增大，整流电压

34、ud越来越小， =150时，整流电压ud输出为零。故电阻负载时，三相半波可控整流电路的移相范围为150。晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值，即，而晶闸管可能承受的最大正向电压为变压器二次相电压峰值，即 需要注意的是：在图5-13和5-14中，t=0是a相电压从负半周到正半周的过零点，当触发角=0时，t=/6。 . 5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 图5-14 三相半波相控整流电路带电阻负载=30和=60的工作波形 22UUFM5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路cos17. 1cos263)(sin2321226562UUttdUt+/6+5/6

35、+5/6+3/2+3/2+13/6晶闸管导通情况VT1导通，VT2,3截止VT2导通，VT1,3截止VT3导通，VT1,2截止uduaubucuVT10uabuaci VT1ua/ R00Ud 负载电流平均值IdUd/R晶闸管的电流平均值IdT(1/3)Id表5-9 三相半波共阴极相控整流电路电阻负载时各区间工作情况（30）5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路)6cos(1223)(sin2321262UttdUt+/6+5/6+5/65/35/3+3/2+3/27/37/3+13/6晶闸管导通情况VT1导通VT2,3截止VT1,2,3截止VT2导通VT1,3截止VT1,2,3

36、截止VT3导通VT1,2截止VT1,2,3截止udua0ub0uc0uVT10uauabuauacuaiVT1ua/R00000Ud 表5-10 三相半波共阴极相控整流电路电阻负载时各区间工作情况（30）5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路图5-15 带阻感负载的三相半波相控整流电路共阴极接法及 =60的工作波形 为便于分析，假设电感极大，且电路已工作在稳态，因此负载电流id的波形基本是平直的。30时，负载电压ud波形与电阻负载时相同； 而30时，当某相电压过零变负时，由于电感的作用，电流不会降到零，因此该相晶闸管仍然导通，直到下一相晶闸管触发脉冲的到来，才发生换流。 2三相半

37、波共阴极相控整流电路带阻感性负载5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路图5-15 带阻感负载的三相半波相控整流电路共阴极接法及 =60的工作波形 22RMFM45. 26UUUUVT2导通时，VT1承受反压而关断。同理当VT3导通时，VT2承受反压而关断。这种情况下，负载电压波形中会出现负的部分，随着的增大，负载电压波形中负的部分将增加，到当=90时，负载电压ud波形中正负面积相等，负载电压平均值Ud为零，即大电感负载时三相半波相控整流电路的移相范围为90。晶闸管可能承受的最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路cos17

38、.1)(sin232126562UttdUdd577.031IIt+/6+5/6+5/6+3/2+3/2+13/6晶闸管导通情况VT1导通，VT2,3截止VT2导通，VT1,3截止VT3导通，VT1,2截止uduaubucuVT10uabuacUd i d幅值为Id= Ud/R的定值电流晶闸管电流的有效值IVT表5-11 三相半波共阴极相控整流电路大电感负载时各区间工作情况 当负载为蓄电池、直流电动机的电枢时，负载可看成是一个直流电压源，对于整流电路而言，它们就是反电动势负载。 图5-16为三相半波共阴极相控整流电路带反电动势电阻负载的电路和工作波形。设反电动势为E，若在时触发晶闸管VT1，由

39、于此时uaE，VT1承受反压不能导通。在时，uaE，则VT1承受正压可以导通。因此称为最小导电角。5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路图5-16 带反电动势电阻负载的三相半波相控整流电路共阴极接法及工作波形 3三相半波共阴极相控整流电路带反电动势负载5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路图5-16 带反电动势电阻负载的三相半波相控整流电路共阴极接法及工作波形 REUIdd另外在t1时，由于uaE，VT1承受反压而关断，此时VT2尚未导通，id=0，而ud=E。不难看出，在角相同时，该电路整流输出电压平均值比带电阻负载时大。若电路带有足够大的电感时负载电流id连续，

40、其负载电压ud波形连续，与该电路带大电感负载时的负载电压ud波形相同。负载电流id仍近似为水平直线，但幅值即整流输出电流的平均值为5.3.2 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路图5-17 三相半波共阳极相控整流电路及负载电压波形 将三个晶闸管的阳极连在一起，其阴极分别接变压器的三个绕组，变压器的零线作为输出电压的正端，晶闸管共阳极端作为输出电压的负端。 与共阴极电路不同的是，由于电路采用共阳极接法，各晶闸管只能在相电压为负时触发导通，换流总是从电位较高的相换到电位较低的相。自然换相点为三相电压负半波的交点，负载电压ud为负值。4三相半波共阳极相控整流电路5.3.2 三相半波相控整流电路三

41、相半波相控整流电路 三相半波相控整流电路晶闸管元件少，只需三套触发装置，控制比较容易，但缺点也很明显： 1）变压器每相绕组只有1/3周期流过电流，变压器利用率低； 2）变压器二次侧的电流为单方向，易造成变压器铁心直流磁化。而且在三铁心变压器中，三相直流励磁方向相同，磁通互相抵制，在铁芯中无法形成通路，只能从空气隙或外壳中通过，产生较大的漏磁通，引起附加损耗。若不用整流变压器，将三相半波相控整流电路直接接入电网，直流分量会流入电网，除引起电网额外损耗外，还会增大零线电流，则必须加大零线截面积。因此三相半波可控整流电路一般用于中、小容量设备。5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 在

42、三相半波共阴极整流电路中相绕组流过的电流均为正向，而三相半波共阳极整流电路中相绕组流过的电流均为负向。为克服直流磁化现象，将三相半波共阴极相控整流电路和三相半波共阳极相控整流电路串联，如图a。图5-18 带电阻负载的三相桥式相控整流电路及 =0的工作波形 如果两组电路负载对称，触发角相同，则它们输出电流的平均值Id1与Id2相等，则在变压器绕组中一个周期流过的正、反向电流的平均值相等，直流磁势相互抵消，且能提高变压器利用率。由于此时零线流过的电流为0，即去掉零线也不会影响电路工作，即构成如5-18b所示的三相桥式相控整流电路。VT1，VT3，VT5组成共阴极组，VT4，VT6，VT2组成共阳极

43、组。5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路图5-18 带电阻负载的三相桥式相控整流电路及 =0的工作波形5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 触发角的起点，仍然是从自然换相点开始计算，注意正负方向均有自然换相点。同三相不控桥式整流电路相同，负载电压ud为变压器二次侧线电压u2L的包络线。将流过VT1的电流波形顺延180即可获得流过VT4的电流波形，与同一桥臂的两个晶闸管导通角相差180相对应；而相绕组电流波形为该相共阴极和共阳极晶闸管电流波形的叠加，如ia的电流波形为iVT1和iVT4（反向）的叠加。1三相桥式相控整流电路带电阻性负载=60是三相桥式相控整流电路电

44、阻性负载电压ud波形连续与断续的临界点。5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路图5-19 三相桥式相控整流电路带电阻负载 =30和 =60的工作波形a) =30 b) =605.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路cos34.2)(dsin63123232dUttUUt+/6+/2+/2+5/6+5/6+7/6+7/6+3/2+3/2+11/6+11/6+13/6晶闸管导通情况VT1,6导通其它截止VT1,2导通其它截止VT3,2导通其它截止VT3,4导通其它截止VT5,4导通其它截止VT5,6导通其它截止uduabuacubcubaucaucbuVT100uabua

45、buacuacUd三相桥式整流电路中负载电压为线电压的包络线，=0对应于相电压/6，对应到线电压则为/3。表5-12 三相桥式相控整流电路电阻负载时各区间工作情况（60） 图5-20a是=90时电阻负载情况下的工作波形。电阻负载时，当60时，ud波形不再连续， 若继续增大，到120时，Ud为0，因此电阻负载时三相桥式相控整流电路的移相范围为120。图5-20a中，在t1时刻，uab过零，则VT1和VT6由通态转为关断。到t2时刻，应给VT2触发脉冲，若VT1此时无触发脉冲不能导通，则没有电流流过，即VT2也无法导通。 5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路图5-20 三相桥式相控

46、整流电路电阻负载=90的负载电压波形和触发脉冲波形a)=90负载电压波形 b)宽脉冲触发波形 c)双窄脉冲触发波形)3cos(134. 2)(dsin63232dUttUU5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 为保证同时2个晶闸管都能导通，触发时可采用两种方法：一种是宽脉冲触发（触发脉冲宽度大于60而小于120，一般取80100），如图5-20b所示 另一种是双脉冲触发，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，在ud的六个时间段，给应该导通的晶闸管都提供触发脉冲，而不管其原来是否导通，所以每隔60就需要提供两个触发脉冲。实际提供脉冲的顺序为：1,2-2,3-3,4-4,5-5,6-6,1-1

47、,2如图5-20c所示。图5-20 三相桥式相控整流电路电阻负载=90的负载电压波形和触发脉冲波形a)=90负载电压波形 b)宽脉冲触发波形 c)双窄脉冲触发波形三相桥式相控整流电路电阻负载时晶闸管承受的最大反压为变压器二次线电压峰值，即，而晶闸管可能承受的最大正压则要根据负载电流是否连续进行分析。以晶闸管VT1为例，在VT1导通之前，VT5和VT6导通，负载电压ud=ucb，VT1承受的电压为uac，在图5-19b中t1时刻（=60 时的触发时刻），ucb过零，若60 ，则此时VT1没有触发脉冲不导通，即所有晶闸管均不导通，在t1t2段，uac电压最高，则VT1与VT2共同承担uac，直到V

48、T1和VT6导通。因此三相桥式相控整流电路电阻负载时晶闸管VT1可能承受的最大正压就出现t1时刻，即5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路22FM2233sin32UUU22RM45. 26UUU5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 阻感负载时，当60 时ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。由于电感的作用，使得负载电流id波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流id的波形可近似为一条水平线。 当60 时，电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而

49、电感性负载时，由于电感的作用，ud波形会出现负的部分。 2三相桥式相控整流电路带阻感性负载在90 时，ud波形上下对称，平均值为零。因此带电感性负载时，三相桥式相控整流电路的移相范围为90 。由于大电感负载电流连续，晶闸管承受的最大正、反压均为变压器二次线电压峰值，即由于负载电流连续，5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路图5-21 三相桥式相控整流电路阻感负载 =90 的工作波形22RMFM45. 26UUUU cos34.22dUU5.3.3 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 三相桥式全控整流电路可等效为两个三相半波可控整流电路相的串联，采用相同的触发角，三相桥式相控

50、整流电路的整流输出的平均电压Ud数值是三相半波可控整流电路的2倍。因此在输出整流电压相同的情况下，三相桥式整流电路晶闸管的电压额定值可比三相半波整流电路的晶闸管低一半。5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路 在晶闸管单相桥整流电路中，每个导电回路中有2个晶闸管，实际上若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，从而简化触发电路。如此即成为单相桥式半控整流电路，如图5-22a所示。 当负载为电阻性负载时，晶闸管单相半控桥与晶闸管单相全控桥工作过程和波形完全一致。图5-22 单相桥式半控整流电路带阻感负载的电路和波形 在u2电压正半周、触发角为时，触发

51、VT1，VT1和VD4导通。当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VD2正偏导通，而VD4反偏截止，电流从VD4转移至VD2，电流id不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。此时整流桥输出电压为VT1和VD2的正向压降，接近于零，所以整流输出电压ud没有负半波。这种现象被称为自然续流，在这点上，晶闸管半控桥与晶闸管全控桥是不同的。 5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路图5-22 单相桥式半控整流电路带阻感负载的电路和波形 在u2电压负半周，具有与正半周相似的特性，触发角时触发VT3，VT3和VD2导通，u2过零变正时电流id经V

52、T3和VD4自然续流。 综上所述，晶闸管单相半控桥式整流电路带大电感负载时的工作特点是：晶闸管在触发时刻换流，二极管在电源电压过零时换流；由于自然续流的作用，整流输出电压的波形与晶闸管全控桥整流电路带电阻性负载时相同，移相范围为0180，流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为的方波，交流侧电流为正负对称的交变方波。5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路图5-22 单相桥式半控整流电路带阻感负载的电路和波形5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路表5-13 单相桥式半控整流电路大电感负载时各区间工作情况t+22+2晶闸管导通情况VT1导通，VT3截止VT1截止，VT3导通二极管导通情况VD

53、2截止，VD4导通VD2导通，VD4截止VD2导通，VD4截止VD2截止，VD4导通 晶闸管单相半控桥式整流电路带大电感负载时虽然本身具有自然续流能力，但在实际运行时，当角突然增大至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，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，角失去控制作用，称为失控。为避免失控，带电感性负载的半控桥式整流电路需另加续流二极管，如图5-23a所示。5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路图5-23 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，带阻感负载的电路和波形 5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路 有续流二极管VD

54、R时，当u2电压降到零时，负载电流经VDR完成续流，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，也有利于降低损耗。图5-23 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，带阻感负载的电路和波形 5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路表5-13单相桥式半控整流电路大电感负载时各区间工作情况（有续流二极管） t+22+2晶闸管导通情况VT1导通，VT3截止VT1截止，VT3截止VT1截止，VT3导通VT1截止，VT3截止二极管导通情况VD2截止，VD4导通，VDR截止VD2截止，VD4截止，VDR导通VD2导通，VD4截止，VDR截止VD2截止，

55、VD4截止，VDR导通5.3.4 桥式半控整流电路桥式半控整流电路 单相桥式半控整流电路还有另一种接法，即保留VT1和VT2，VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管，续流由VD3和VD4来实现，其电路和工作波形如图5-24所示。图5-24 单相桥式半控整流另一种接法的电路和波形a)电路 b)波形 与图5-23单相桥式半控整流电路相比，图5-24电路的晶闸管连接方式使得晶闸管触发电路需要隔离。5.3.5 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响 在前面分析整流电路时，都忽略了整流变压器漏感的影响，认为晶闸管的换相是瞬时完成的。实际上由于变压器存在漏感，在换相时

56、，电感对电流的变化起阻碍作用，电流不能突变，使得实际换相过程不能瞬时完成。 整流变压器漏感可用一个集中的电感LB表示，并将其折算到变压器二次侧。以三相半波电路为例来分析变压器漏感对换相影响。 5.3.5 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响 假设负载电感L很大，则负载电流id为幅值恒定的直流电流Id 。 从VT1换相至VT2的过程中，因a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变，于是VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，两相之间的电位差瞬时值是ub-ua，电位差在两相回路中产生一个假想的短路环流ik，如图中虚线所示（实际上每相晶闸管都是单向导电的，相当于在原有的电流上

57、迭加一个ik，ik与换相前每个晶闸管初始电流之和是换相过程中流过晶闸管的实际电流）。 图5-25 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路带大电感负载时换相波形a)等效电路 b)换相波形5.3.5 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响 由于两相都有电感LB，所以ib=ik是逐渐增大的，而a相电流ia=Id-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断,换相过程结束。换相过程持续的时间用电角度表示，称为换相重叠角。 换相过程中，整流输出电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。图5-25 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路带大电感负载时换相波形

58、a)等效电路 b)换相波形5.3.5 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响 与不考虑变压器漏感时相比，ud的波形出现一个明显的缺口，少了图中阴影的面积，使得ud平均值降低，这块面积是负载电流id换相引起的，称为换相压降，用Ud来表示。其换相压降相当于阴影部分的电压降在一个晶闸管导通时间内的平均值 。 图5-25 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路带大电感负载时换相波形a)等效电路 b)换相波形5.3.5 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响 表5-15 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算电路形式电路形式单相全波单相全波单相全控桥单相全控桥三相半波三相半波

59、三相全控桥三相全控桥m m脉波整流电路脉波整流电路dUdBIXdB2IXdB23IXdB3IXdB2ImX)cos(cos2Bd2 UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIsin22Bd由表5-15可知，与Id和XB的值成正比，这是因为重叠角的产生是由于换相期间变压器漏感储存了电磁能量而引起的，Id和XB越大，变压器储存的能量越大，释放的时间越长，越大。当90时，越大，越小，这是因为越大，相邻相的相电压差值越大，两相重叠导电时dik/dt越大，即能量要释放得快。变压器漏感有利于限制短路电流，使得电流变化比较平缓，对限制晶闸管的di/dt有利。但由于漏感的存在，使得换相期间

60、两相相当于短路，若整流装置容量很大，则换相瞬间会使电网电压出现缺口，造成电网波形畸变，成为干扰源，影响本身和电网上其它设备的正常运行。 重叠角的计算较为复杂，本书直接给出结论，如表5-15所示： 将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向过程，称为“逆变”。 有源逆变指的是将直流电转换成交流电后，将其返送回电网。这里的“源”指的就是电网。例如当电力机车下坡行驶，机车的位能转变为电能，反送到交流电网中去，有助于刹车。 有源逆变常用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。对于相控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。因此本章将