新电力电子课件一4-22

电力电子基础第四讲主讲教师：王念春东南大学远程教育

第一章晶闸管

第一节晶闸管的结构和工作原理一、晶闸管的结构晶闸管的外形和符号如图所示。

目前国内生产的晶闸管，外形有两种形式，螺栓形和平板形。螺栓形晶闸管有三个极，螺栓一端是阳极A，另一端粗引线是阴极K，细引线是门极（也称控制极）G。平行板晶闸管，它的两端分别是阳极和阴极，中间引出线是门极。

晶闸管测试电路二、晶闸管导通关断条件

导通条件有两个：

1、晶闸管的阳极、阴极间必须加上正向阳极电压；

2、晶闸管的门极、阴极间必须加上适当的正向门极电压和电流。

晶闸管一旦导通，门极电压即失去控制作用。故要使晶闸管从阻断变为导通，在晶闸管承受正向阳极电压的同时，只需在门极和阴极间加正向脉冲电压或电流即可。

关断条件：需使流过晶闸管的电流减小到其维持电流以下。这可用减小阳极电压到零或在晶闸管阳极、阴极间加反向阳极电压的方法得到。

第二节晶闸管的特性和主要参数

一、晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性就是指晶闸管阳极阴极间的电压UAK和阳极电流iA之间的变化关系。如图1-6所示。

当门极触发电流Ig＝0时，晶闸管在正向阳极电压作用下只有很小的漏电流，晶闸管处于正向阻断状态。随着正向阳极电压的加大，晶闸管的正向漏电流也逐渐增大，当阳极电压UAK达到正向转折电压UBO时，阳极电流IA突然急剧增大，晶闸管从阻断转化为导通状态，特性从高阻区（阻断状态）经负阻区到达低阻区（导通状态）。在使用中，晶闸管承受的工作电压不允许超过转折电压UBO。如果在晶闸管门极加上触发电流Ig，它就会在较低的阳极电压下触发导通，门极电流Ig

越大，转折电压越低，当门极电流Ig

足够大时，只需很小的正向阳极电压，就可使晶闸管从阻断变为导通。晶闸管导通后管压降很小，其阳极电流IA的大小决定于外加电压和负载。晶闸管导通后的伏安特性与二极管的正向伏安特性相似。当逐渐减小晶闸管的阳极电压时，其阳极电流也随之减小，当阳极电流IA小于维持电流IH，晶闸管就从导通转换成阻断状态。晶闸管的反向伏安特性位于第三象限。它是反向阳极电压与反向阳极漏电流的关系曲线，其特性与一般二极管的反向特性相似。在正常情况下，当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极是否加上触发信号，晶闸管总是处于反向阻断状态，只流过很小的反向漏电流。反向电压增加，反向漏电电力电子基础第五讲主讲教师：王念春东南大学远程教育流。反向电压增加，反向漏电流也逐渐增大，当反向电压增加到某值时，反向漏电流将急剧增长，导致闸管反向击穿而损坏。

二、晶闸管的主要参数

1、晶闸管的电压参数（1）断态不重复峰值电压UDSM

晶闸管在门极开路时，施加于晶闸管的正向阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的对应值，它是一个不论重复且每次持续时间不大于10毫秒的断态最大脉冲电压。UDSM值小于转折电压UBO，其差值有多大，由晶闸管制造厂自定。（2）断态重复峰值电压UDRM

晶闸管在门极开路及额定结温下，允许每秒50次，每次持续时间不大于10毫秒，重复施加于晶闸管上的正向断态最大脉冲电压。UDRM＝80％UDSM。（3）反向不重复峰值电压URSM

晶闸管门极开路，晶闸管承受

反向电压时，对应于反向伏安特性曲线急剧弯曲处的反向峰值电压值。它是一个不能重复施加且持续时间不大于10毫秒的反向最大脉冲电压。（4）反向重复峰值电压URRM

晶闸管门极开路及额定结温下，允许每秒50次、每次持续时间不大于

10毫秒、重复施加于晶闸管上的反向最大每次电压。URRM＝80％URSM。

（5）额定电压将断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个值取整后作为该晶闸管的额

定电压值。在使用时，考虑瞬时过电压等因素的影响，选择晶闸管的额定电压值要留有安全裕量。一般取电路正常工作时晶闸管所承受工作电压峰值的2－3倍。（6）通态平均电压UON

通过正弦半波的额定通态平均电流和额定结温时，晶闸管阳极阴极间电压降的平均值，通称管压降。通态平均电压按规定分为9组，每组差0.1V，最低值为0.4V，最高值为1.2V。

2．晶闸管的电流参数在环境温度为＋400C和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于1700的电阻性负载电路中，在额定结温时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸管标准电流系列取整数值，称为该晶闸管的通态平均电流，即该元件的额定电流。晶闸管的额定电流用通态平均电流来标定是因为整流电路输出端的负载常需用平均电流。根据规定条件，流过晶闸管的工频正弦半波电流波形如下图所示。设电流峰值为Im，则通态平均电流

（1－4）

则该波形的有效值（1－5）

正弦半波电流波形系数Kf应有

（1－6）由式（1－6）知，如果额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为

1.57*100＝157A。

在实际电路中，流过晶闸管的波形可能是任意的非正弦波形，如何去计算和选择晶闸管的额定电流值，应根据电流有效值相等即发热相同的原则，将非正弦半波电流的有效值IK或平均值Id折合成等效的正弦半

波电流的有效值IK或平均值Id折合成等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值，即

（1－7）

式（1－7）中的Kf为非正弦波形的波形系数。由于晶闸管元件的热容量小，

过载能力低，故在实际选用时，一般取（1.5－2）倍的安全裕量，故

（1－8）

利用式（1－8），在给定晶闸管的额定电流值ITaV后，可计算流过晶闸管任意波形允许的电流平均值：

（1－9）例：流经晶闸管的电流波形如图所示，试计算该电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全裕量为2，问额定电流为100

A的晶闸管，其允许通过的电流平均值和最大值为多少？解：电流平均值

电流有效值

波形系数

100A的晶闸管允许通过的电流平均值

电力电子基础第六讲主讲教师：王念春东南大学远程教育电流最大值（2）维持电流IH

晶闸管被触发导通以后，在室温和门极开路条件下，减小阳极电流，使晶闸

管维持通态所必须的最小阳极电流。（3）擎住电流IL

晶闸管一经触发导通就去掉触发信号，能使晶闸管保持导通所需用的最小阳极电流。一般晶闸管的擎住电流IL为其维持电流IH的几倍。如果晶闸管从断态转换为通态，其阳极电流还未上升到擎住电流值就去掉触发脉冲，晶闸管将重新恢复阻断状态，故要求晶闸管的触发脉冲有一定宽度。

（4）断态触发平均电流ID和反向重复平均电流IRR额定结温和门极开路时，对应于断态重复峰值电压和反向重复峰值电压下的平均漏电流。

（5）浪涌电流ITSM

在规定条件下，工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流。

3.动态参数

（1）断态电压临界上升率du/dt

在额定结温和门极开路条件下，使晶闸管保持断态所能承受的最大电压上升率。其单位为V/us。（2）通态电流临界上升率di/dt

在规定条件下，晶闸管用门极触发信号开通时，晶闸管能够承受而不会。

导致损坏的通态电流最大上升率。其单位为A/us。

（3）门极控制开通时间tON

在室温和规定的门极触发信号作用下，使晶闸管从断态变成通态时，从门极触发脉冲前沿的10％到阳极电压下降至10%的时间间隔，称为门极控制开通时间。

开通时间tON由延迟时间td和上升时间

tr组成，td是从门极脉冲前沿的10％到阳极电压下降了10％的时间。（4）电路换向关断时间tOF

从通态电流降至零瞬时起，到晶闸管开始能承受的断态电压瞬时止的时间间隔。关断时间包括反向恢复时间trr和门极恢复时间tgr两部分。在实际电路中，必须使晶闸管承受反压的时间大于它的关断时间，并考虑一定安全裕量。

三、门极伏安特性和参数定额

晶闸管的门极伏安特性是指门极电压与电流的关系。由于门极G与阴极K之间只有一个PN结J3，所以电压与电流的关系呈现出二极管的伏安特性。如下图所示。电力电子基础第十讲主讲教师：王念春东南大学远程教育第二章可控整流电路

可控整流电路是应用广泛的电能变换电路，它的作用是将交流电变换成大小可以调节的直流电，用来供给直流用电设备；例如直流电动机的转速控制，同步发动机的激磁调节，电镀、电解电源等。

第一节单相桥式可控整流电路

在分析可控整流电路时，为突出主要矛盾，忽略一些次要因素，认为晶闸管为理想开关元件，即晶闸管导通时其管压降等于零，且认为晶闸管的导通与关断瞬时完成。

（一）电阻性负载

1.工作原理图2－1为单相桥式全控整流电路，T1、T4和T2、T3组成两对桥臂，由整流变压器供电，u1为变压器初级电压，变压器次级电压u2接在桥臂的中点a、b端上，R为负载电阻。

当变压器次级电压进入正半周时，a端电位高于b端电位，两个晶闸管T1、T4同时承受正向电压，如果此时门极无触发信号，则两个晶闸管处于正向阻断状态；忽略晶闸管的正向漏电流，电源电压u2将全部加在T1和T4上。当

给T1和T4同时加触发脉冲则两晶闸管立即触发导通，电源电压u2将通过T1、T4加在负载R上，负载电流id从电源a端经T1、电阻R、T4回到电源b端。在u2正半周期，T2、T3均承受反向电压而处于阻断状态。由于设晶闸管导通时管压降为零，则负载R两端的的整流电压与电源电压正半周的波形相同。当电源电压u2降到零时，电流id也降为零，T1和T4关断。在u2负半周，b端电位高于a端电位，T2、T3承受正向电压；当时，同时给T2、T3加触发脉冲使其导通，电流从b端经T2T2负载电阻R、T3、回到电源a端，在负载R两端获得与u2正半周相同波形整流电压和电流，这期间T1和T4均承受的反向电压而处于阻断状态。当u2过零变正时，T2、T3关断，ud、id又降为零。此后，T1、T4又承受正压并在相应时刻触发导通，如此循环工作。输出整流电压、电流及

晶闸管两端电压的波形如图2－1（d）、（e）、（f）所示。由以上电路工作原理可知，在交流电源u2的正负半周里，T1、T4和T2、T3两组晶闸管轮流导通，将交流电转变成脉动的直流电，改变触发脉冲出现的时刻即改变角的大小，ud、id的波形相应变化，其直流平均值也相应改变。晶闸管T1阳极阴极两端承受的电压uT1的波形如图2－1（f）所示。认为晶闸管在导通段管压降uT1=0，故其承受的最大反向电压为；假定两晶闸管漏电阻相等，则每个元件承受的最大正向电压等于。电力电子基础第十一

讲主讲教师：王念春东南大学远程教育结合上述电路工作原理，介绍几个名词术语和概念。（1）控制角从晶闸管承受正向电压起到加触发脉冲使其导通为止，这段时间所对应的角度。（2）导通角晶闸管在一个周期导通的时间所对应的角度。在该电路中，。

（3）移相

改变触发脉冲出现的

时刻，即改变控制角的大小，称为移相。改变控制角的大小，使输出整流平均电压Ud值发生变化即是移相控制。（4）移相范围改变角使输出整流电压平均值从最大值降到最小值（零或负最大值），控制角的变化范围即触发脉冲移动范围。在单相桥式全控整流电路接电阻性负载时，其移相范围为1800。

（5）同步使触发脉冲与可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。使触发脉冲与电源电压保持同步是电路正常工作必不可少的条件。关于同步问题将在触发电路一章中详细讨论。（6）换流在可控整流电路中，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。下面具体元件各电量与控制角的关系。（1）输出直流电压平均值设电源电压，则负载R两端直流平均电压Ud

（2－1）

（2－2）

由式（2－1）知，直流平均电压Ud是控制角的函数；愈大Ud愈小，当＝00时，Ud＝0.9U2为最大值；＝时，Ud＝0，故移相范围为1800。

Ud/U2随控制角的变化曲线如图

2－2所示。（2）输出直流电流平均值Id

(2-3)

(3)晶闸管电流平均值ITaV和有效值IT

两组晶闸管T1、T4和T2、T3在一个

周期中轮流导通，故流过每个晶闸管的平均电流为负载平均电流的一半。

(2-4)

流过晶闸管的电流有效值（2-5）

（4）变压器次极绕组电流有效值I2和负载电流有效值I

两组晶闸管轮流导通，变压器次级绕组正负半周流过电流，其有效值与负载电流有效值相等，故

(2-6)由式（2－3）和式（2－6）得电流有效值与平均值之比

(2-7)

（5）负载电阻上电压有效值U

(2-8)

（6）功率因数忽略晶闸管损耗，电源所供应的有功功率P=I2R=UI。对于整流电路，常要考虑到功率因数和对电源要求的伏安容量即视在功率等问题。忽略晶闸管损耗，电源所供应的有功功率P=I2R=UI，而电源的视在功率S=U2I2。将电源供给的有功功率与电源的视在功率之比定义为功率因数。

(2-9)

功率因数是控制角的函数，愈大愈低，＝00，＝1为最大。由上式知，Ud/U2、I2/Id及都是控制角的函数，各用曲线表示如图2－2。

例2－1单相桥式全控整流电路，接电阻性负载，要求电路输出的直流平均电压Ud从20－100V连续可调，负载平均电路Id均能达到20A，考虑最小控制角＝300。试计算晶闸管导通角的变化范围，要求的电源容量及功率因数，并选择晶闸管。解由题意，=300,对应Ud最大值为100V，由式（2－1）计算出变压器次级电压有效值

考虑严重情况，在Ud＝20V时，电路仍能输出20A电流，据此求出最大控制角及变压器次极最大电流有效值。

将值代入式（2－7）

变压器次级电流有效值显然，若按＝300计算，则I2＝1.17Id＝23.4A，据此计算的变压器容量偏小，不能满足运行要求。要求的电源容量

功率因数

＝1290

的I2/Id及还可以通过图2－2的曲线求取。晶闸管的电流有效值

晶闸管的电流定额

晶闸管的电压定额

选用KP50－5，即通态平均电流为50A，正反向重复峰值电压为5级（500V）的晶闸管。电力电子基础第十二

讲主讲教师：王念春东南大学远程教育（二）电感性负载当负载中的感抗与电阻R的大小相比不可忽略时，这个负载称为电感性负载。例如各种电动机的激磁绕组，整流输出端接有平波电抗器的负载等。为了便于分析将电感与电阻分开，如图2－3（a)所示。

由于电感具有阻碍电流变化的作用，因而电感中的电流不能突变。当流过电感中的电流变化时，在电感两端将产生感应电势，引起电压uL，极性如图2－3（a)所示。由于负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出ud、id的波形具有不同的特点。

现着重讨论电感量很大的情况，即

L》R

当电感量很大L》R的情况下，负载电流id的脉动分量变得很小，其电流波形近似于一条平行于横轴直线，流过晶闸管的电流近似为矩形波，整流电路的输出波形如图2－5所示。基本数量关系（1）整流平均电压值

由图2－5得

(2-16)

＝00时，Ud＝0.9U2；＝900时，Ud＝0。故单相桥式全控整流电路大电感负载，控制角移相范围为900。（2）电流平均值电感为储能元件，其两端电压平均

值为零，因之电流平均值Id的近似只决定于负载电阻，故有（2-17)

（3）晶闸管电流有效值和平均值

（2-18)

（4）变压器次级电流有效值I2和负载电流有效值I

（2-19）

图2－5单相桥式全控整流电路大电感负载时的波形

二、单相桥式半控整流电路将单相全控桥电路中一对晶闸管换成两个二极管，就构成单相桥式半控整流电路，如图2－7所示。它与单相全控桥相比，比较经济，触发装置也相应简单一些。

单相桥式半控整流电路的工作特点是晶闸管触发导通，而整流二

极管为自然换相导通。单相半控桥在接电阻性负载时，其工作情况与单相全控桥电路相同，输出电压、电流的波形及元件参数的近似公式也都一样，下面只着重分析接电感性负载的工作情况。

电力电子基础第十五讲主讲教师：王念春东南大学远程教育

（一）电路工作原理假定负载中的电感足够大，负载电流id连续并近似为一条直线。如图2-7(a)(不带续流二极管D）所示，在u2的正半周

时刻触发晶闸管T1，则T1、D4导通，电流从电源a端经T1、负载、D4回到b端，整流电压

ud＝u2，当u2过进入负半周时，电感上的感应电势将使T1承受正压而继续保持导通，而此时由于b端电位高于a端电位，整流二极管D3承受正偏压而导通，D4受反压截止，电流从D4转换到D3，负载电流id经D3、T1构成回

路而继续导通，形成不经过变压器的自然续流。在续流期间，忽略T1、D3管压降，负载上的整流电压ud＝0；当时，触发T2使其导通，T1承受反压关断，负载电流从电源b端经T2、负载、D3回到a端，负载两端得到相同的整流电压ud。同样当u2过变

正时，D4自然换相导通，D3截止，T2、D4自然续流，如此循环工作。电源电压u2的过零点0、、2、3……称为整流二极管的自然换相点，也是该电路中计算控制角的起点。输出整流电压波形如图2-7（d）所示。移相范围为，晶闸管导通角。输出电压平均值

（2－22）

输出电流平均值

（2－23）

（二）带续流二极管的单相桥式半控整流电路

1.失控现象从上述半控桥电路的工作原理知，T1、T2触发导通，D3、D4自然换相导通，改变控制角即可改变输出电压平均值Ud的大小。但在实际运行中，该电路在接大电感负载的情况下，可能出现一个晶闸管直通，二个整流管交替导通的失控现象。如在u2正半周当T1触发导通后，如意欲停止工作而断开触发脉冲，此后T2虽无触发脉冲而处于阻断状态，但在u2过

进入负半周，电流从D4换到D3，由于电感上感应电势的作用，电流id经T1、D3继续流通，电感释放能量，如果电感很大，晶闸管T1将维持导通到电源电压u2进入下一个周期的正半周，T1承受正向电压继续导通，而此时电流又从D3自然换流到D4，如此循环工作下去，出现T1直通，D3、D4轮流导通现象，电路失去控制，输出变为单相半波不可控整流电压波形，晶闸管T1也会因过热而损坏。

2.续流二极管的作用为了防止失控现象发生，在负载电路两端并接一续流二极管D如图2－7（a）所示。续流二极管的作用是取代晶闸管和整流二极管的续流作用。在u2的正半周，T1、D4导通，D承受反压截止，从u2过变负时，在电感的感应电势作用下，使D承受正偏压而导通，负载电流id经续流管D构成通路，电感释放

能量。由于续流管的管压降不足以使T1、D3维持导通，从而使T1恢复阻断，防止了失控现象发生。接续流二极管后，输出整流电压ud的波形与不接续流二极管时相同（忽略管压降），但流过晶闸管和整流管的波形，因二者导通角不同而不一样，单相半控桥带续流二极管的电压电流波形如图2－7所示。

与之比较，单相半控桥的电压电流波形如下所示：

3.基本数量关系（1）输出电压平均值由图2－7得

（2-24）

(2)晶闸管和整流管电流有效值和平均值

(2-25)

(2-26)

（3）续流二极管电流有效值IDC与平均值IDD

(2-27)

(2-28)电力电子基础第十六讲主讲教师：王念春东南大学远程教育

第二节三相半波可控整流电路单相可控整流电路元件少，线路简单调整方便，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，故适用小容量的设备上。当容量较大，要求输出电压脉动较小，对控制的快速性有要求时，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、三相桥以及带平衡电抗器的双反星形电路等多种形式。其中三相半波可控整流电路是多相整流电路的基础，其它电路可可以看作是半波电路不同形式的组合。下面按不同负载从电路的工作原理、电压电流波形及各参量间关系分别予以讨论。一、电阻性负载

三相半波可控整流电路又称三相零式电路，由三相整流变压器

供电，变压器次级接成星形，初级接成三角形，以减少三次谐波的影响。三只晶闸管Ta、Tb、Tc分别接在变压器次级绕组a相、b相和c相上，它们的阴极联在一起经负载与三相变压器次级绕组的中线相连，这种接法称为共阴极电路。

（一）电路工作原理整流变压器次级绕组三相正弦波电压相互差1200的波形ua、ub、uc。如图2－8。下面分析不同控制角时整流电路的工作原理，仍假定晶闸管为理想开关元件。

1.控制角＝00

若Ta、Tb、Tc为三个整流二极管，则期间，a相电压最高，输出ud=ua；期间，b相电压最高，输出ud=ub；

期间，c相电压最高，输出ud=uc等等依上述相序轮流输出。

当某个整流二极管导通时，其它两个整流二极管则因承受反向电源电压不可能导通。可见此时输出波形为三相电压的正半周包络线。等称“自然换相点”。

当Ta、Tb、Tc为晶闸管时，用

相差1200的触发脉冲在“自然换相点”轮流触发Ta、Tb、Tc则也将得到三相电压正半周包络线输出；此时Tb触发后，Ta被关断是自然的，因为此时ub最高而使Ta受反压；Tc触发后Tb被关断以及Ta触发Tc被关断情况都是一样的。一个周期中，各相晶闸管导电输出1200。

自然换相点也就是各相晶闸管可能被触发导通的最早时刻，在此之前由于受反压，导通是不可能的。因此把自然换相点作为计算控制角的起点，即该处＝0。可见，对于起始相位等于零的a相来说，=300相当于

＝00。

图2－8三相半波可控整流电路电阻性负载、线路及其波形

2.控制角＝300

=300时，输出电压波形相应变化如图2－9所示。

与＝00时不同之处是，当Ta在（=300）处被触发导通后，过自然换相点，虽然b相电压高于a相电压，但此时Tb未被导通，故Ta将继续导通，直到＝300的相应时刻，给Tb加触发脉冲使之导通。此时，相电压ua正好下降大零，电流id也降为零，故Ta关断。其他晶闸管导通、关断情况与此相同，负载两端的整流电压ud为三相电压波形的一部分。

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由图知，＝300正好是ud、id波形连续的临界状态，各相仍导电1200。＞300，电压电流波形出现断续。

3.300＜＜1500

图2－10给出了＝时的波形。

当

＝600时，触发Ta使之导通，输出整流电压Ud=Ua，id＝ia＝ud/R，a相电压ua降到零时，id＝0，晶闸管Ta关断，ud、id波形连续，直到＝600

的相应时刻，触发Tb导通，此时Ud=Ub，id＝ib＝ud/R，同样当b相电压过零时，Tb关断，此后在触发Tc导通等等。由图2-10可见，输出整流电压ud、电流id均为不连续的脉动波形。控制角增大，波形的平均值减小，当＝1500时，ud＝0，故三相半波可控整流电路电阻性负载移相范围为1500。

＞300后，由于电流波形断续，晶闸管Ta承受的电压波形，在ua过零变负，Ta关断而Tb还未触发导通的区间里，晶闸管Ta还承受本相电源电压，故在整个周期里，晶闸管Ta承受电压波形由直线段(导通段)、ua、ubb及uac组成。由上述电路工作原理和波形的分析可知，根据波形的特点和分析方法，对于深入理解电路的工作原理、参数计算和实验调试都是非常重要的。

（二）基本数量关系

1.输出整流电压平均值Ud图2－10三相半波可控整流电路电阻性负载时的波形

每个晶闸管在一个周期里轮流导通一次，ud为三相波形的一部分，故计算平均电压Ud只需取一相波形在1/3周期内的平均值即可。设相电压，晶闸管导通角为，则输出整流平均电压

300时，波形连续，晶闸管导通角＝1200

(2-30)当＝00时，Ud＝Udo＝1.17U2为最大值。

＞300，波形断续，导通角

(2-31)当＝1500时，，ud＝0，故三相半波可控整流电路电阻性负载的移相范围为1500，与前述分析结论一致。与关系如图2－11所示。

2.输出电流平均值Id

(2-32)

300＜＜1500

(2-33)3.晶闸管的平均电流三个晶闸管轮流导通，每管平均电流为Id的1/3。

(2-34)4.晶闸管电流有效值IT和变压器次级绕组电流有效值I2

(2-35)

(2-36)

由式（2－36）知，＝1500时，IT=I2=0。根据式（2－32）、（2－33）及式（2－35）、（2－36）可作出，随变化的关系曲线如图2－12所示。左图2－11三相半波可控整流电路与的关系

1－电阻负载2－电感负载3－电阻电感负载右图2－12电阻性负载、与的关系曲线电力电子基础第十八讲主讲教师：王念春东南大学远程教育

二、电感性负载（一）工作原理当整流电路带电感性负载工作时，在id减小的过程中，电感释放能量，在电源电压下降到零并变为负值时，由于电感中感应电势的作用，仍能使原导通相的晶闸管承受正向电压继续导通，整流电压ud波形出现负值。如果负值电感值较大，电感储能较多，则本相晶闸管能维持导通到下一相晶闸管触发导通，才使本相晶闸管承受反压而关断。每个晶闸管导通角＝1200，负载电流id波形连续，电感量愈大，电流id脉动愈小。当电感量足够大时，输出电流id波形近似于一条直线。图2-13中给出了三相半波可控整流电路电感性负载＝600时输出整流电压ud、电流id及晶闸管承受电压uTa的波形。

由于负载电流id连续，晶闸

管承受的最大反向和最大正向电压一样都是线电压峰值U2l。图2－13三相半波可控整流电路电感性负载的电路及其波形

（二）基本数量关系

1.输出整流电压平均值在电流连续情况下，晶闸管导通角＝1200，整流电压平均值

（2－37）

＝00时，Ud＝udo＝1.17U2为最大；＝900时，ud＝0。从整流电压ud的波形看，正负面积相等，平均值为0，故三相半波可控整流电路大电感负载移相范围为900。Ud/U2与关系曲线如图2－11曲线2。

2.电流平均值

（2-38）3.晶闸管电流有效值IT和变压器次级电流有效值I2

当电感足够大时，负载电流脉动分量很小，id近似为平行于横轴的直线，id＝Id，＝1200故

(2-39)

(三)线路中电感量较小时的情况如果负载电感量L较小而电阻R较大或控制角较大，则在电流id上升时电感储能较小，下降时电感储能全部放出不足以维持电流连续，这时电流id将出现断续。从输出电压波形来看，大电感负载＝900

ud波形与横轴所包围的正负面积相等，因此平均电压Ud为零；而此时电感不大，储能有限，id断续，ud波形包围的负面积将小于正面积。当＞900时，这现象将继续存在，只有到1500时，正负面积均为零，此时ud

ud或Ud都为零。因此控制特性Ud/U2的关系表示为2－11的曲线3。移相范围为1500。三、整流变压器容量与整流功率的关系（＝00时）整流功率Pd＝UdId，就是整流电路输出给负载所要求的直流功率。

一般直流电路的输入都经过变压器。为了根据负载输出的需要来估算整流变压器容量S，需要计算S与Pd的关系。变压器的原边和副边视在功率可能相等也可能不相等，视线路不同而异。因之有视在功率S1（原边）和S2（副边）之分，通常取其平均值作为变压器的容量S。下面以三相半波电路、大电感负载、电流id=Id的情况为例来说明。大电感负载时，整流变压器次级每相绕组电流波形i2波形如图2－14所示。i2为单方向的矩形波，可将其分解为直流分量i2­_和交流分量i2～。

图2－14整流变压器初、次级电流波形直流分量i2_不能感应到初级，只有交流分量i2～才能耦合到初级。忽略变压器激磁电流并假定初次级匝数相等，则i1=i2～。初级电流有效值有

(2-40)

变压器初级视在功率S1

(2-41)

变压器次级视在功率S2

有（2-42）故变压器容量S应有

(2-43)电力电子基础第十九讲主讲教师：王念春东南大学远程教育

由此可见，为了输出功率Pd，变压器容量要比Pd大35%.

第三节三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路与三相半波电路相比，输出整流电压提高一倍，输出电压的脉动较小，变压器利用率高且无直流磁化问题。由于在整流装置中，三相桥电路晶闸管的最大失控时间只为三相半波电路的一半，故控制快速性较好，因而在大容量负载供电、电力拖动控制系统等方面获得广泛的应用。一、电路的构成

从三相半波可控整流电路原理知，共阴极电路工作时，变压器每相绕组中流过正向电流，共阳极电路工作时，每相绕组流过反向电流，为了提高变压器利用率，将共阴极电路和共阳极电路输出串联，并接到变压器次级绕组上，如图2-16所示。在三相桥式电路

的变压器绕组中，一个周期里既流过正向电流，又流过反向电流，提高了变压器的利用率，且直流磁势相互抵消，避免了直流磁化。由于三相桥式整流电路是两组三相半波整流电路的串联，因此输出电压是三相半波的两倍。当输出电流连续时Ud=2*1.17U2=1.35U2l式中U2和U2l为电源变压器次级相电压和线电压有效值。由于变压器规格并未改变，整流电压却比三相半波时大一倍，因此输出功率加大一倍。变压器利用率提高了，而晶闸管的电流定额不变。在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管的电压定定额可比三相不变线路的晶闸管低一半。上面从整体上分析了三相桥式整流电路的特性,为了更具体深入地了解三相全控整流电路，下面详细分析它的工作过程。

二、三相桥式全控电路的工作过程以图2－17所示线路电感性负载为例，对电路工作物理过程进行分析。设电感较大，负载电流连续，波形平直。先看控制角＝0的情况，即在电源电压正半周每自然换相点依次

触发晶闸管T+a、T+b、T+c，而在电源电压负半周每自然换相点依次触发T-a、T-b、T-c。图2-17中示出了工作波形。为了分析方便，将电源供电周期T分成六段，每段600。晶闸管触发导通的原则是：共阴极组的晶闸管，哪个阳极电位最高时，哪个应触发导通；共阳极组的晶闸管，哪个阴极电位最低时，哪个应触发导通，相应地第一段：

设晶闸管T-b已通，此时a相电压最高，应触发晶闸管T+a，则晶闸管T+a、T-b导通。电流由正a相输出，经晶闸管T+a、负载、晶闸管T-b回到负b相。因此输出给负载的整流电压ud为即为线电压uab。第二段：

a相电压仍最高，晶闸管T+a仍导通，而c相电压最负，所以在这一段开始就应当触发晶闸管T-c使之导通，电流从b相换到c相，同时晶闸管T-b换到T-c。电流由a相输出，经T+a、负载、T-c回到负c相。此时输出整流电压ud为第三段:

此时c相电压仍最负，T-c导通。而b相电压变为最高，故应触发晶闸管T+b导通，电流从a相换到b相，变压器b、c两相工作，整流电压ud为ud＝ub－uc＝ubc等等。以后各阶段依次输出为uba、uca、ucb、uab、uac……。

电力电子基础第二十讲主讲教师：王念春东南大学远程教育图2－17三相桥式全控整流电路及其工作波形由以上分析，可以得到以下几点：

1.三相桥式全控整流电路，必须有共阴极组和共阳极组各一个晶闸管同时导通，才能形成输出通路。

2.三相桥式全控整流电路是两组三相不变电路的串联，因此与三相不变电路一样，对共阴极组触发脉冲应依次触发T+a、T+b、T+c，因之它们的触发脉冲之间的相位差为1200；对于共阳极组触发脉冲应依次触发T-a、T-b、T-c，因之它们触发脉冲之间的相位差也是1200。在负载电流连续的情况，每个晶闸管导电1200。

3.共阴极组晶闸管是在正半周触发，共阳极组晶闸管是在负半周消费，因此接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲的相位差应是1800。例如接在a相的T+a和T-a，接在b相的T+b和T-b，接在c相的T+c和T-c，它们触发脉冲之间相位差都是1800。

4.晶闸管的换流在共阴极组T+a、T+b、T+c之间或共阳极组T-a、T-b、T-c之间进行。但从整个电路来说，每隔600有一个晶闸管要换流，因此每隔600要触发一个晶闸管，其顺序为

为了便于记忆，可画出三个相差1200的矢量表示共阴极组晶闸管T的下标+a、+b、+c，然后相应各差1800画出共阳极

晶闸管T的下标-a、-b、-c得到相邻隔600的六个矢量，图2－18，则顺时钟所得顺序即是各晶闸管换流顺序。图2－18

晶闸管换流顺序

5.为了保证电路在接通合闸后，共阴极组和共阳极组应各有一个晶闸管同时导电，或者由于电流断续后再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时有触发脉冲。常用的方法是采用间隔为600的双触发脉冲，即是在触发某一个晶闸管时，同时给前一个晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组的两个应导通的晶闸管都有脉冲。如当触发T+a时，给T-b也送触发脉冲；给加T-c触发时，同时再给T+a送触发脉冲等等。因此用双脉冲触发，在每个周期内对每个晶闸管要触发两次，两次触发脉冲间隔600。如果把每个晶闸管依次触发的脉冲延至600以上，一般取800－1000而小于1200，则称宽脉冲触发，也可以达到与双脉冲触发的相同效果。通常仍采用双脉冲触发电路，因脉冲变压器体积较小，且易于达到脉冲前沿较陡，需要功率也较小，只是线路接线稍为复杂。

6.整流后的输出电压是两相电压相减后的波形，即是线电压。控制角为零时的输出电压ud，是线电压正半周的包络线。线电压的交点与相电压的交点是在同一角度位置上，所以相电压的交点同样是自然换相点。还可见三相桥式情况电路的整流电压在一个周期内脉动六次，对于工频电源脉动频率为6*50Hz。比三相半波时大一倍。

7.晶闸管应能承受峰值电压，即U2l。当控制角不为零时，晶闸管在触发导通前承受正向电压，其大小与有关。

现在分析

＝300时的工作波形，波形示于图2－19。此时每个晶闸管是从自然换相点后移一个

角开始换相。如晶闸管T+a和T-c导通时输出线电压uac，经过a相和b相间自然换相点，b相电压虽然高于a相，但是T+b尚未触发导通，

因而T+a、T-c继续导通输出电压uac。直到经过自然换相点＝300触发晶闸管T+b，则T+a受反压关断，电流由T+a换到了T+b，此时T+b和T-c导通，输出线电压ubc，其余类似。由波形分析可见，由于＝300，使得输出线电压的包络减小了一块相应于＝300的面积，因而使输出整流电压减小。图2－19三相全控桥，时工作波形图2－20则给出了时的工作波形。

当＞600时，当线电压瞬时值过零变负时，由于电感释放能量维持原反向电流，导通的晶闸管继续导通，整流输出电压出现负压，从而使整流输出平均电压进一步减小。

图2－21画出了＝900时的工作波形。当电流连续时，此时输出电压波形正负两部分面积相等，因而输出平均电压等于零。从此也可见，电感性负载当电感大小能保证输出电流连续时，控制角的最大移相范围为900。图2－21三相桥式电感性负载，时波形

下面计算输出整流电压与控制角的关系。从2－19等波形中可见，输出电压波形每隔重复一次，所以计算输出电压平均值，在600内取其平均值即可。为计算方便，将坐标原点取在线电压的过零点uab处，则自然换相点距原点横坐标变为，则整流输出电压为

（2－46）

可见，得到与（2－45）式相同的结果。从此式也可得到，当＝900时Ud＝0，即最大控制角移相为900。三、三相桥式全控整流电路电阻负载时

当控制角600时，由于输出电压波形

连续，负载电流R，因此电流波形也连续，在一个周期内每个晶闸管导电1200，输出电压波形与电感性负载时相同。当从＞600时，由于线电压过零变负时晶闸管关断，输出电压为零，电流波形变为不连续，不能象电感性负载那样输出负电压。图2－22表示＝900时的电压波形。当＝1200时，输出电压为零。所以电阻负载时最大移相范围是1200。

图2－22三相全控桥电阻负载时下面讨论整流输出电压与控制角的关系当时，ud

波形连续，和电感性负载时相同，整流输出电压也一样。当600＜＜1200时，电流断续，当时，u2l为零，故输出电压平均值为（2－47）

由式（2－47）也可见，时，Ud＝0，最大移相范围为1200。三相桥式全控整流电路与控制角的曲线曲线如图2－23。

图2－23

三相全控桥输出特性

电力电子基础第二十二讲主讲教师：王念春东南大学远程教育第六节整流变压器漏抗对可控整流电路的影响以上分析可控整流电路工作过程，都是忽略整流变压器漏抗的影响，认为晶闸管的换流是瞬时完成的。实际上，由于变压器存在漏抗，在换相时，电流不能突然变化，因而换相有一过程。一、换相的物理过程和整流电压波形图2－33变压器漏抗对可控整流电路电压电流的影响

现以三相半波可控整流电路电感性负载为例（2－33）讨论换相的物理过程，分析变压器漏抗对输出整流波形的影响。

假设负载为大电感负载，输出电流为恒定值Id，变压器每相初级绕组漏感折合到次级用一

集中电感LB表示。由于漏感LB有阻止电流变化的作用，所以当在角触发相上的晶闸管Tb时，b相电流不能瞬时突变到Id，而是从零逐渐上升到Id；同时，流经Ta的a相电流也不能瞬时降为零，而是逐渐减小到零，因而换相有一过程，直到ia降到零，ib上升到Id，换相过程结束后，Ta关断，电流从a相换到b相。电流id的波形如图2-33所示。换相期间所对应的角度

称为换相重叠角。

在换相期间，两相晶闸管Ta和Tb同时导通，相当于a、b两相间短路，短路电压即是相间电位差ub－ua。忽略晶闸管上压降和变压器内阻压降，短路电压与回路中的漏感电势相平衡，则有：

(2-66)

在换相过程中，输出整流电压

(2-67)

式(2-67)表明，换相期间，输出整

流电压是换相的两相相电压的平均值，其整流电压的波形如图2-33所示。

二、换相压降和整流平均电压由于变压器漏抗的存在，使输出整流电压的平均值有所下降.它是负载电流Id在换相期间引起的电压降，故称为换相压降，用表示，对于三相半波可控整流电路

（2－68）

式（2－68）中称为变压器漏抗，可用下式计算

（2－69）式中U2――变压器次级绕组额定电压；

I2――变压器次级绕组额定电流；％――变压器短路电压比，其值可查阅电工手册，一般，变压器容量越大，取值越大。对于m相可控整流电路，一个周期中有m个波头，换相m次，其换相压降（2－70）三相桥可控整流电路，m＝6，故换相电压降

(2-71)考虑漏抗造成换相压降后，输出整流电压平均值为（2－72）式中，Ud0为＝00时不考虑漏抗影响的整流电压平均值，对于三相半波可控整流电路Ud0＝1.17U2，三相桥可控整流电路Ud0=2.34U2。

由式（2－72）可知，换相压降正比于负载电流Id，负载电流愈大，换相压降愈大，就其对输出整流电压平均值的影响而言，相当于在整流电源增加了一项“内阻”，其值为。但是这项“内阻”，并不消耗功率。

第七章无源逆变器

在第二章中所论述的整流是将交流电经晶闸管变换成直流；第三章中的有源逆变，是将直流电经逆变向交流电源供电。本章所讲的无源逆变是将直流电经逆变器转换为负载所需要的不同频率和电压值的交流电。它们在交流电机调速、感应加速、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。若逆变器的直流电源由蓄电池、直流发电机等直流电源供电，被称为直流－交流逆变器，又称直－交逆变器。一般较大功率的无源逆变器，直流电是由交流电整流得到的，因此，这种系统的电源构成是交流－直流－不同频率和电压的交流，故称它为交－直－交变频器。

最基本的无源逆变器是单相逆变器，它可以很好的说明逆变器的工作原理，其电路如图7－1（a）。输入直流电压E，逆变器负载是电阻。当以频率f交替切换开关K1、4和K2、3时，则在电阻上得到图7－1（b）的第一节逆变器的工作原理电压波形。图中T＝1/f，所以负载电压就是频率为f的交变电压，它含有各次谐波，如欲得到正弦电压或电流，可以通过滤波器滤波。图7－1（a）电路中的开关K1～4实际是各种半导体器件的一种理想模型。逆变器电路中现在常用的开关器件有功率晶体管（GTR）、功率场效应管（POWERMOSFET）、可关断晶闸管（GTO）、普通型和快速型晶闸管（SCR）；近年来新的器件绝缘栅晶体管（IGBT）也逐渐在应用。它们和开关二极管反并联构成了各种逆导型开关管。GTR、GTO、

POWERMOSFET等在控制信号控制控制下导通，当控制极信号撤出后（GTO为加反向电压），就自行关断，所有它们是自关断元件。由它们构成图7－1（a）的开关，就可以用控制信号方便地控制导通与关断切换。晶闸管在控制极的触发信号作用下，一经导通，若使其关断，必须使阳极电流过零才行，因而需要有换流电路，使晶闸管强迫关断，这点要比自关断器件麻烦。容量较大的半导体开关器件主要是晶闸管，所以目前已在应用的较大容量的逆变器多是晶闸管逆变器。但随着电力电子技术的发展，GTR、MOSFET、GTO等单只容量增大，价格也逐渐便宜，先GTO的单只容量已接近普通晶闸管，所以从80年代中期开始，逆变器中的开关元件采用可关断器件已占有相当比重。

逆变器类型可由直流电源近似是电压源或电流源分为电压型和电流型。可根据输出相数分单相和三相逆变器。又可根据开关元件类型分晶体管逆变器、可关断晶闸管逆变器和晶闸管逆变器等。对晶闸管逆变器又可根据换流型式不同分为脉冲换流、谐振换流等多种形式。下面将介绍主要类型逆变器，分析其各种原理和电路参数的确定。第二节功率晶闸管单相逆变器

功率晶闸管基级对集电极电流的控制作用与一般晶体管一样。当逆变输出频率不很高时，功率晶体管可采用内部结构为达林顿连接的复合管，这样可有大的电流放大倍数；内部结构的等效电路如图7－2（a）所示。图7－2（b）为逆导型晶体管结构，它相当于晶体管再反并联一只二极管。在此讲述逆变器工作原理时，将它看作是受基极信号控制的理想开关即可。一、电压型逆变器工作原理

由于多数负载是电感性的，下面着重分析带有电感性负载的晶体管单相桥式逆变器的工作原理。图7－3（a）是直流电源供电的直－交逆变器，图7－3（b）是交流供电的交－直－交逆变器，图中电容C是滤波电容，其容量较大，对逆变器来说可以把整流滤波后的输出当做电压源。这种由电压源供电的逆变器，就称为电压型逆变器。图7－3（b）是一种教常用的电路，可以通过调整整流桥晶闸管控制角实现对整流电压的控制，该电路就是变压变频系统（VVVF系统）。比较图7－3（a）和图7－3（b）可见，带电感性负载时，每个逆变桥臂的晶体管都反并联一只二极管，这些二极管是在Q1、4和Q2、3相互切换时，为负载电感提供能量释放通路的，电感储能提供Q2、3或Q1、4回馈给直流电源，所以称D1～4为能量回馈二极管。设Q1、4、和Q2、3以频率f进行切换，基极控制信号如图7－4（a）。但由于负载电感的这样，负载电流并联突变，在Q1、4关断到Q2、3导通（或Q2、3关断到Q1、4导通）的中间有一段时间，二极管D2、3（或D1、4）在自感电势作用下导通，使电感储能向电源回送。因此在一个工作周期中，开关元件的开通顺序是Q1、4，D2、3，Q2、3，D1、4四种，构成如图7－5四种工作模式，图中标出了电流的实际方向，可由帮助理解各种模式的各种情况。在Q1、4或D1、4导通时，负载电压uab=E,D2、3

或Q2、3导通时，uab=－E，所以负载电压是方波，必须如图7－4（b）。下面按这四个阶段分析。第一阶段在t=t1时导通，此时负载电流为0。负载电流按指数规律上升，方向由a端到b端（设为正方向）。此阶段电路图如图7-5（a）。第二阶段在t=t2时，Q1、4基极信号撤除，Q1、4关断；Q2、3给基极信号，此时i在负载电感作用下将不能突变，，使Q2、3导通，负载电流继续按正方向流通，将电感储能向电源回馈。而Q2、3承受D2、3导通压降的反偏电压，故虽有基极驱动信号却不能导通。由于D