交流直流变换电路

第2章交流-直流变换电路

当前1页，总共162页。本章要点不同负载时，单相可控整流电路的结构、工作原理、波形分析和数量关系不同负载时，三相可控整流电路的结构、工作原理、波形分析和数量关系变压器漏抗对整流电路的影响触发电路的定相和同步当前2页，总共162页。2.1单相可控整流电路

2.1.1单相半波可控整流电路（电阻性负载）

1、电路结构

变压器Tr起变换电压和隔离的作用。图2-1当前3页，总共162页。2、工作原理1）在电源电压正半波，晶闸管承受正向电压，在ωt=α处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上的电压等于变压器输出电压u2。在ωt=π时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。2）在电源电压负半波，uAK＜0，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有输出电压，直到电源电压u2的下一周期。直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。当前4页，总共162页。3、波形情况1）图2-1（b）给出了直流输出电压ud和晶闸管两端电压uT的理论分析波形，其中负载电流id和ud的波形相位相同。2）图2-2(a)、(b)、(c)、(d)是α=30˚、60˚、90˚、120˚电阻性负载时的仿真和实验波形。

改变触发角α的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上输出电压平均值发生变化，显然α=180º时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。当前5页，总共162页。

图2-2当前6页，总共162页。

图2-2当前7页，总共162页。

几个名词：（1）触发角α与导通角θ触发角α也称触发延迟角或控制角，是指晶闸管从承受正向电压开始到导通时止之间的电角度。导通角θ，是指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。（2）移相与移相范围移相是指改变触发脉冲ug出现的时刻，即改变控制角α的大小。移相范围是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是0～180º。当前8页，总共162页。

4、基本数量关系1）直流输出电压平均值Ud:2）输出电流平均值Id:(2—1}(2—2}当前9页，总共162页。3）负载电压有效值U:4）负载电流有效值I:(2—3}(2—4}当前10页，总共162页。

5）晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：(2—6}当前11页，总共162页。6）功率因数cosφ整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值式中P—变压器二次侧有功功率，P=UI=I2R

S—变压器二次侧视在功率，S=U2I27）晶闸管承受的最大正反向电压UTM晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。(2-7)来自（2-3）当前12页，总共162页。当前13页，总共162页。3.1.2单相半波可控整流电路（阻感性负载）

1、电路的结构阻感性负载的等效电路可用一个电感和电阻的串联电路来表示。图2-3当前14页，总共162页。

2、工作原理（1）在ωt=0~α期间：晶闸管阳-阴极间的电压uAK大于零，此时没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等于零。（2）在ωt=α时刻，门极加触发信号，晶闸管触发导通，电源电压u2加到负载上，输出电压ud=u2

。由于电感的存在，负载电流id只能从零按指数规律逐渐上升。（3）在ωt=ωt1~ωt2期间：输出电流id从零增至最大值。在id的增长过程中，电感产生的感应电势力图限制电流增大，电源提供的能量一部分供给负载电阻，一部分为电感的储能。当前15页，总共162页。（4）在ωt=ωt2~ωt3期间：负载电流从最大值开始下降，电感电压改变方向，电感释放能量，企图维持电流不变。（5）在ωt=π时，交流电压u2过零，由于感应电压的存在，晶闸管阳极、阴极间的电压uAK仍大于零，晶闸管继续导通，此时电感储存的磁能一部分释放变成电阻的热能，另一部分磁能变成电能送回电网，电感的储能全部释放完后，晶闸管在u2反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周，即ωt=2π+α时，晶闸管再次被触发导通，如此循环不已。

当前16页，总共162页。3、波形情况输出电压、电流及元件的电压波形如图2-3(b)所示。图2-4给出了时单相半波整流电路带阻-感性负载、大电感负载时的负载电压、电流和晶闸管两端电压的仿真波形。

(a)

阻-感性负载(b)大电感负载图2-4当前17页，总共162页。直流输出电压平均值Ud为从Ud的波形可以看出，由于电感的存在，电源电压由正到负过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；当大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零，则id也很小。所以，实际的大感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。当前18页，总共162页。2.1.3单相半波可控整流电路（阻感性负载加续流二极管）

1、电路结构电感性负载加续流二极管的电路如图所示。图2-5当前19页，总共162页。

2、工作原理1）在电源电压正半波，电压u2＞0，晶闸管uAK＞0。在ωt=α处触发晶闸管，使其导通，形成负载电流id，负载上有输出电压和电流，此间续流二极管VD承受反向阳极电压而关断。2）在电源电压负半波，电感感应电压使续流二极管VD导通续流，此时电压u2＜0，u2通过续流二极管VD使晶闸管承受反向电压而关断，负载两端的输出电压为续流二极管的管压降，如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续，且id波形近似为一条直线。3、波形当前20页，总共162页。

图2-6当前21页，总共162页。

(e)

图2-6当前22页，总共162页。电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同，为0～180º，且有α+θ=180º。当前23页，总共162页。4、基本数量关系（感性负载加续流二极管）1）输出电压平均值Ud

2）输出电流平均值Id(2-9)(2-10)当前24页，总共162页。3）晶闸管的电流平均值IdT

4）晶闸管的电流有效值IT(2-11)(2-12)当前25页，总共162页。

5）续流二极管的电流平均值IdD

6）续流二极管的电流有效值ID

7）晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值。

(2-13)(2-14)()当前26页，总共162页。(2-9)(2-10)(2-11)(2-12)(2-13)(2-14)当前27页，总共162页。单相半波可控整流器的优点是电路简单，调整方便，容易实现。但整流电压脉动大，每周期脉动一次。变压器二次侧流过单方向的电流，存在直流磁化、利用率低的问题，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面，这样就导致设备容量增大。

当前28页，总共162页。2.1.4单相桥式全控整流电路（电阻性负载）1、电路结构用四个晶闸管，两只晶闸管接成共阴极，两只晶闸管接成共阳极，每一只晶闸管是一个桥臂。图2-8当前29页，总共162页。

2、工作原理1）在u2正半波的（0~α）区间：晶闸管VT1、VT4承受正压，但无触发脉冲。四个晶闸管都不通。假设四个晶闸管的漏电阻相等，则uT1.4=

uT2.3=1/2

u2。2）在u2正半波的ωt=α时刻：触发晶闸管VT1、VT4使其导通。电流沿a→VT1→R→VT4→b→Tr的二次绕组→a流通，负载上有电压（ud=u2）和电流输出，两者波形相位相同且uT1.4=0。此时电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反压而处于关断状态，则uT2.3=1/2u2。晶闸管VT1、VT4—直导通到ωt=π止，此时因电源电压过零，晶闸管阳极电流下降为零而关断。当前30页，总共162页。

3）在u2负半波的（π~π+α）区间：晶闸管VT2、VT3承受正压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。此时，uT2.3=uT1.4=

1/2u2。4）在u2负半波的ωt=π+α时刻：触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿b→VT3→R→VT2→a→Tr的二次绕组→b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压（ud=-u2）和电流，且波形相位相同。此时电源电压反向加到晶闸管VT1、VT4上，使其承受反压而处于关断状态。晶闸管VT2、VT3一直要导通到ωt=2π为止，此时电源电压再次过零，晶闸管阳极电流也下降为零而关断。晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3在对应时刻不断周期性交替导通、关断。当前31页，总共162页。3、波形当前32页，总共162页。

(a)

(b)

图2-9当前33页，总共162页。

图2-9当前34页，总共162页。单相桥式整流器电阻性负载时的移相范围是0～180º。α=0º时，输出电压最高；α=180º时，输出电压最小。晶闸管承受最大正反向电压Um是相电压峰值。负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，从而使直流输出电压、电流的脉动程度较前述单相半波得到了改善。变压器二次绕组在正、负半周内均有大小相等、方向相反的电流流过，从而改善了变压器的工作状态，并提高了变压器的有效利用率。当前35页，总共162页。

4.基本数量关系1）输出电压平均值Ud

2）输出电流平均值Id为(2-15)(2-16)当前36页，总共162页。3）输出电压有效值U4）输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2相同为Fig2-8b

(2-17)(2-18)当前37页，总共162页。

5）晶闸管的电流平均值IdT6）晶闸管电流有效值IT

7）功率因数cosφ显然功率因数与α相关，α=0º时，cosφ=1。

8）晶闸管承受的最大反向电压是相电压峰值的承受的最大正向电压是

(2-19)(2-20)(2-21)当前38页，总共162页。2.1.5单相桥式全控整流电路（阻-感性负载）

1、电路结构

电感的感应电势使输出电压波形出现负波。输出电流是近似平直的，晶闸管和变压器副边的电流为矩形波。图2-10(id)id=iT1.4+iT2.3=Ud/R=Id当前39页，总共162页。

2、工作原理1）在u2正半波的（0~α）区间：晶闸管VT1、VT4承受正压，但无触发脉冲，处于关断状态。假设电路已工作在稳定状态，则在0～α区间由于电感释放能量，晶闸管VT2、VT3维持导通。2）在u2正半波的ωt=α时刻及以后：在ωt=α处触发晶闸管VT1、VT4使其导通，电流沿a→VT1→L→R→VT4→b→Tr的二次绕组→a流通，此时负载上有输出电压（ud=u2）和电流。电源电压反向加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反压而处于关断状态。当前40页，总共162页。

3）在u2负半波的（π~π+α）区间：当ωt=π时，电源电压自然过零，感应电势使晶闸管VT1、VT4继续导通。在电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。4）在u2负半波的ωt=π+α时刻及以后：在ωt=π+α处触发晶闸管VT2、VT3使其导通，电流沿b→VT3→L→R→VT2→a→Tr的二次绕组→b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压（ud=-u2）和电流。此时电源电压反向加到VT1、VT4上，使其承受反压而变为关断状态。晶闸管VT2、VT3一直要导通到下一周期ωt=2π+α处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。当前41页，总共162页。当前42页，总共162页。

3、基本数量关系1）输出电压平均值Ud2）输出电流平均值Id

(2-22)(2-23)当前43页，总共162页。3）晶闸管的电流平均值IdT由于晶闸管轮流导电，所以流过每个晶闸管的平均电流只有负载上平均电流的一半。

4）晶闸管的电流有效值IT

与通态平均电流

IT(AV)

(2-24)当前44页，总共162页。5）变压器副边电流I2

6）晶闸管承受的最大正反向电压UTM=

4、波形当前45页，总共162页。

图2-11当前46页，总共162页。

图2-11当前47页，总共162页。从波形可以看出α＞90º输出电压波形正负面积相同，平均值为零，所以移相范围是0～90º。控制角α在0～90º之间变化时，晶闸管导通角θ≡π，导通角θ与控制角α无关。当前48页，总共162页。2.1.6单相桥式全控整流电路（反电势负载）

1、电阻性反电势负载的情况当整流电压的瞬时值ud小于反电势E时，晶闸管承受反压而关断，这使得晶闸管导通角减小。晶闸管导通时，ud=u2，

晶闸管关断时，ud=E。与电阻负载相比晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称作停止导电角。

(2-25)当前49页，总共162页。若α<δ时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟，即α=δ。当前50页，总共162页。

2、阻-感性反电势负载的情况若负载为直流电动机时，此时负载性质为反电动势电感性负载，电感不足够大，输出电流波形仍然断续。在负载回路串接平波电抗器可以减小电流脉动，如果电感足够大，电流就能连续，在这种条件下其工作情况与电感性负载相同。单相全控桥式整流器主要适用于4kW左右的应用场合，与单相半波可控整流器相比，整流电压脉动减小，每周期脉动两次。变压器二次侧流过正反两个方向的电流，不存在直流磁化，利用率高。

当前51页，总共162页。2.1.7单相桥式半控整流电路（阻-感性负载、不带续流二极管）

单相桥式全控整流电路中，每个工作区间有两个晶闸管导通，每个导电回路由两个晶闸管同时控制。实际上，对单个导电回路进行控制，只需一个晶闸管就可以了。为此，在每个导电回路中，一个仍用晶闸管进行控制，另一个则用大功率整流二极管代替，从而简化了整个电路。把全控桥中的晶闸管VT2，VT4换成二极管VD2，VD4即成为单相桥式半控整流电路。电阻性负载时的有关波形如图2-13.当前52页，总共162页。

图2-13当前53页，总共162页。

图2-13当前54页，总共162页。

1、单相桥式半控整流电路结构（阻感性负载、不带续流二极管）在单相桥式全控整流电路中，每个工作区间有两个晶闸管导通，每个导电回路由两个晶闸管同时控制。实际上，对单个导电回路进行控制，只需一个晶闸管就可以了。为此，在每个导电回路中，一个仍用晶闸管进行控制，另一个则用大功率整流二极管代替，从而简化了整个电路。把全控桥中的晶闸管VT2，VT4换成二极管VD2，VD4即成为单相桥式半控整流电路，如下图a所示。当前55页，总共162页。单相桥式半控整流电路带大电感负载时的电路原理图和电压、电流波形

图2-14当前56页，总共162页。

当前57页，总共162页。3、电路波形当前58页，总共162页。

图2-15当前59页，总共162页。

图2-15当前60页，总共162页。

2.1.8、单相桥式半控整流电路（带续流二极管）（1）电路结构和工作原理单相桥式半控整流电路（带续流二极管）的电路和电压、电流波形如下图所示。图2-16当前61页，总共162页。接上续流二极管后，当电源电压降到零时，负载电流经续流二极管续流，使桥路直流输出端只有1V左右的压降，迫使晶闸管与二极管串联电路中的电流减小到维持电流以下，使晶闸管关断，这样就不会出现失控现象了当前62页，总共162页。改进接法如下图a所示，相当于把全控桥中的VT3和VT4换成二极管VD3和VD4，这样可省去续流二极管，续流由VD3和VD4实现。即使不外接续流二极管，电路也不会出现失控现象。但两个晶闸管阴极电位不同，VT1和VT2触发电路要隔离。这种电路的电流和电压波形如下图b所示。图2-17当前63页，总共162页。2.2三相半波可控整流电路

3.2.1三相半波可控整流电路（电阻性负载）

1、电路结构为得到零线，变压器二次绕组为星形。为给三次谐波提供通路，变压器一次绕组接成三角形。三个晶闸管的阴极连在一起，为共阴极接法。

当前64页，总共162页。图2-18当前65页，总共162页。2、工作原理

（1）在ωt1～ωt2区间有uu＞uv、uu＞uw，u相电压最高，VT1承受正压。在ωt1时刻触发VT1使其导通，导通角θ＝120º，输出电压ud＝uu。其它两个晶闸管承受反压而不导通。VT1的电流iT1与变压器二次侧u相电流波形相同，大小相等。（2）在ωt2～ωt3区间有uv＞uu

，v相电压最高，VT2承受正压。在ωt2时刻触发VT2使其导通，ud＝uv。VT1两端电压uT1=uu-uv=uuv<0，晶闸管VT1承受反压关断。在ωt2时刻发生的由一相晶闸管导通转换为另一相晶闸管导通的过程称为换流。当前66页，总共162页。（3）在ωt3～ωt4区间有uw

＞uv，w相电压最高，VT3承受正压。在ωt3时刻触发VT3使其导通，ud＝uw。VT2两端电压uT2=uv-uw=uvw<0，晶闸管VT2承受反压关断。在VT3导通期间VT1两端电压uT1=uu-uw=uuw<0。这样在一个周期内，VT1只导通120度，在其余240度时间承受反压而处于关断状态。

3、电路波形1）理论波形当前67页，总共162页。电阻性负载α=30º时的输出电流、电压波形α=30º是输出电压、电流连续和断续的临界点。

图2-19当前68页，总共162页。电阻性负载α=60º时的输出电流、电压波形图2-19当前69页，总共162页。显然，α=150º时输出电压为零，所以三相半波整流电路电阻性负载的移相范围是0º～150º。从波形可看出：晶闸管承受的最大正压是变压器二次相电压的峰值，UFM=U2；晶闸管承受的最大反压是二次线电压的峰值，URM=×U2=U2。在选择晶闸管的额定电压时，应考虑到承受最大反向电压的峰值情况。

2）仿真和实验波形当前70页，总共162页。

图2-20当前71页，总共162页。

图2-20p87当前72页，总共162页。任一时刻，只有承受最高压的晶闸管才能导通，输出电压ud是相电压波形的一部分，每周期脉动三次，是三相电源相电压正半波完整的包络线，输出电流id与电压ud波形相同、相位相同。从图中还可看出：电阻性负载α=0º时，VT1在VT2、VT3导通时仅受反压，随着α的增加，晶闸管承受正向电压增加，其它两个晶闸管承受的电压波形相同，仅相位依次相差120º。增大α，则整流电压相应减小。当前73页，总共162页。

4、数量关系（1）输出电压平均值Ud

α=30º是ud波形连续和断续的分界点。计算输出电压平均值Ud时应分两种情况进行。1）α≤30º时

2）α＞30º时

(2-30)(2-31)当前74页，总共162页。（2）输出电流平均值Id（3）晶闸管电流平均值IdT（4）晶闸管电流有效值IT=I2P881)α≤30º时

2)α＞30º时

(2-32)(2-33)(2-34)(2-35)当前75页，总共162页。5、电路（电阻性负载）特点（1）α=0º时，整流电压最大；增大α时，波形的面积减小，即整流电压减小；当α=150º时，整流电压为零。电阻性负载控制角α的移相范围为150º。（2）当α≤30º时，负载电流连续，每个晶闸管在一个周期中持续导通；当α＞30º时，负载电流断续，晶闸管的导通角为（3）流过晶闸管的电流等于变压器的副边电流。（4）晶闸管承受的最大电压（反向）是变压器二次线电压的峰值U2。承受的正向电压是变压器二次相电压。（5）输出整流电压ud的脉动频率为3倍的电源频率。当前76页，总共162页。2.2.2三相半波可控整流电路（阻-感性负载）

1、电路结构P88三相半波可控整流电路（电感性负载）及波形（α=60度）

图2-21当前77页，总共162页。2、工作原理当α≤30º时，相邻两相的换流是在原导通相的交流电压过零变负之前，工作情况与电阻性负载同。由于负载电感的储能作用，电流id波形近似平直，晶闸管中分别流过幅度Id、宽度120º的矩形波电流，导通角θ=120º。当α＞30º时，假设α=60º，VT1已经导通，在u相交流电压过零变负后，由于未到VT2的触发时刻，VT2未导通，在负载电感作用下VT1继续导通，输出电压ud＜0，直到VT2

被触发导通，VT1承受反压而关断，输出电压ud＝uv，然后重复u相的过程。当α=90º时输出电压为零，三相半波整流电路阻感性负载（电流连续）的移相范围是0º～90º。3、电路波形当前78页，总共162页。

图2-22当前79页，总共162页。

图2-22当前80页，总共162页。

4、数量关系1）输出电压平均值

由于ud波形连续，所以计算输出电压Ud时只需一个计算公式2）输出电流平均值

(2-36)(2-37)当前81页，总共162页。

3）晶闸管电流平均值

4）晶闸管电流有效值（和变压器二次电流有效值相等）

5）晶闸管承受的最大正反向电压

=

(2-38)(2-39)(2-40)当前82页，总共162页。2.2.3三相半波共阳极可控整流电路把三只晶闸管的阳极接成公共端连在一起就构成了共阳极接法的三相半波可控整流电路，由于阴极不同电位，要求三相的触发电路必须彼此绝缘。由于晶闸管只有在阳极电位高于阴极电位时才能导通，因此晶闸管只在相电压负半周被触发导通，换相总是换到阴极更负的那一相。下图是共阳极接法的三相半波可控整流电路和α=30º时的工作波形。

当前83页，总共162页。三相半波可控整流电路共阳极接法及波形

图2-23P90当前84页，总共162页。2.3三相全控桥式整流电路P91

2.3.1三相全控桥式整流电路（电阻性负载）

1、电路结构

三相半波整流的变压器存在直流磁化问题，三相全控桥式整流电路可看作是三相半波共阴极接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共阳极接法(VT4，VT6，VT2)的串联组合。

图2-24当前85页，总共162页。

2、工作原理（α=0º时）

一个周期内，晶闸管的导通顺序T1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6。将一周期相电压分为六个区间(60º/区间)：1）在ωt1~ωt2区间：u相电压最高，VT1触发导通，v相电压最低，VT6触发导通，负载输出电压ud＝uuv。2）在ωt2~ωt3区间：u相电压最高，VT1触发导通，w相电压最低，VT2触发导通，负载输出电压ud＝uuw。3）在ωt3~ωt4区间：v相电压最高，VT3触发导通，w相电压最低，VT2触发导通，负载输出电压ud＝uvw。当前86页，总共162页。4）在ωt4~ωt5区间：v相电压最高，VT3触发导通，u相电压最低，VT4触发导通，负载输出电压ud＝uvu。5）在ωt5~ωt6区间：w相电压最高，VT5触发导通，u相电压最低，VT4触发导通，负载输出电压ud＝uwu。6）在ωt6~ωt7区间：w相电压最高，VT5触发导通，v相电压最低，VT6触发导通，负载输出电压ud＝uwv。3、电路波形

1）理论波形当前87页，总共162页。三相桥式全控整流电路带电阻负载α=60度时的波形

图2-25当前88页，总共162页。三相桥式全控整流电路带电阻负载α=90度时的波形

图2-25α当前89页，总共162页。

图2-262）仿真与实验波形当前90页，总共162页。

图2-26当前91页，总共162页。

4、基本数量关系P93α=60º是输出电压波形连续和断续的分界点，输出电压平均值应分两种情况计算：1）α≤60ºP93

2）α＞60º

(2-41)(2-42)当前92页，总共162页。

5、电路特点

1）任何时候共阴、共阳极组各有一只元件同时导通才能形成电流通路。2）共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5，按相序依次触发导通，相位互差120º，共阳极组VT2、VT4、VT6，相位相差120º，同一相的晶闸管相位相差180º。每个晶闸管导通角120º；3）输出电压ud由六段线电压组成，每周期脉动六次，每周期脉动频率为300Hz。4）晶闸管承受的电压波形与三相半波同，只与晶闸管导通情况有关，波形由3段组成：一段为零(忽略导通时的压降)，两段为线电压。晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。5）变压器二次绕组流过正负两个方向的电流，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的利用率。

当前93页，总共162页。

6）对触发脉冲的要求：要使电路正常工作，需保证应同时导通的2个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：一种是宽脉冲触发，它要求触发脉冲的宽度大于60º（一般为80º～100º），另一种是双窄脉冲触发，即触发一个晶闸管时，向小一个序号的晶闸管补发脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以多采用双窄脉冲触发。

电阻性负载α≤60º时的ud波形连续，α＞60º时ud波形断续。α=120º时，输出电压为零Ud=0，三相全控桥式整流电路电阻性负载移相范围为0º～120º。晶闸管两端承受的最大正反向电压是变压器二次线电压的峰值

当前94页，总共162页。2.3.2三相桥式全控整流电路（阻-感性负载）

1、工作情况和电路波形当α≤60º时，电感性负载的工作情况与电阻负载相似，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都一样；区别在于由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形近似为一条水平线。α＞60º时，电感性负载时的工作情况与电阻负载不同，由于负载电感感应电势的作用，ud波形会出现负的部分。下图是带电感性负载α=90º时的波形，可看出，α=90º时，ud波形上下对称，平均值为零，因此带电感性负载三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90度。

当前95页，总共162页。三相桥式全控整流电路带电感性负载α=0度时的波形

图2-27理论波形当前96页，总共162页。三相桥式整流电路带电感性负载，

α=90度时的波形图2-27当前97页，总共162页。

仿真和实验波形图2-28当前98页，总共162页。

图2-28当前99页，总共162页。

2、基本数量关系1）输出电压平均值由于ud波形是连续的，所以

2）输出电流平均值

(2-44)(2-45)当前100页，总共162页。3）晶闸管电流平均值

4）晶闸管电流有效值

5）晶闸管额定电流

6）变压器二次电流有效值

(2-46)(2-47)(2-48)(2-49)当前101页，总共162页。2.4三相桥式半控整流电路2.4.1三相桥式半控整流电路（电阻性负载）1、电路结构在不要求可逆的电力拖动中，可采用比三相全控桥式整流电路更简单经济的三相桥式半控整流电路，如下图a所示，它由共阴极接法的三相半波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成，因此这种电路兼有可控与不可控两者的特性。共阳极组的三个整流二极管总是在自然换流点换流，使电流换到阴极电位更低的一相中去；而共阴极组的三个晶闸管则要在触发后才能换到阳极电位高的那一相中去。输出整流电压的波形是二组整流电压波形之和，改变共阴极组晶闸管的控制角α，可获得的直流可调电压ud。当前102页，总共162页。

三相桥式半控整流电路及其电压电流波形（a）电路图（b）α=30度（c）α=60度（d）α=120度

图2-293当前103页，总共162页。当前104页，总共162页。

3、电路波形当前105页，总共162页。

当前106页，总共162页。三相半控桥式整流电路与全控桥式整流电路比较如下(书上无)1）三相全控桥式整流电路能工作于有源逆变状态，而三相半控桥式整流电路只能作可控整流，不能工作于逆变状态。2）三相全控桥式整流电路输出电压脉动小，基波频率为300Hz，比三相半控桥式整流电路高一倍(α＞60º时)，在同样的脉动要求下，全控桥式整流电路要求平波电抗器的电感量可小些。3）三相半控桥式整流电路只用三个晶闸管，只需三套触发电路，不需宽脉冲或双脉冲触发，线路简单经济，调整方便。4）三相全控桥式整流电路控制增益大、灵敏度高，其控制滞后时间(改变电路的控制角后，直流输出电压相应变化的时间)为3.3ms，而三相半控桥式整流电路为6.6ms，因此三相全控桥式整流电路的动态响应比半控桥式整流电路好。当前107页，总共162页。2.5变压器漏抗对整流电路的影响

前面介绍的各种整流电路都是在理想工作状态下的工作情况，即假设：1）变压器的漏抗、绕组电阻和励磁电流可忽略；2）晶闸管元件是理想的。但实际的交流供电电源总存在电源阻抗，如电源变压器的漏电抗、导线电阻以及为了限制短路电流而加上的交流进线电抗器等。由于电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬时完成。

当前108页，总共162页。

1、换相过程与换相重叠角以三相半波可控整流电路为例来讨论换相过程。假设三相漏抗相等，忽略交流侧的电阻，负载电感足够大，则负载电流连续且平直。以晶闸管从u相换到v相为例，VT1已导通。当α=30°时触发VT2，由于变压器漏抗的作用，VT1不立即关断，u相电流iu=Id-ik逐渐减小到零；VT2导通，iv=0逐渐增加到Id。换相过程中，两个晶闸管同时导通，在

uvu电压作用下产生短路电流ik，当

iu=0，iv=Id时，u相和v相之间完成了换相。

当前109页，总共162页。变压器漏感对整流电路的影响

图2-31LB变压器漏感P101当前110页，总共162页。

2换相期间的整流电压换相回路电压平衡方程换相期间变压器漏感LB两端的电压

换相期间输出电压（2-52）当前111页，总共162页。

3、换相压降由波形可以看出：与不考虑变压器漏抗的情况比较，整流电压波形少了一块阴影部分，缺少部分为：式中

XB—漏感为LB的变压器每相折算到二次侧的漏电抗，

单相双半波电路m=2，三相半波m=3，三相桥式电路m=6

当前112页，总共162页。说明：对于单相全控桥，换相压降的计算上述通式不成立，因为单相全控桥虽然每周期换相2次(m=2)，但换相过程中ik是从-Id增加到Id，所以上式)中的Id应该带入2Id，故对于单相全控桥有：

当前113页，总共162页。

4、换相重叠角γ对下式：两边积分，可得

显然，当α一定时，XB、Id增大，则γ增大，换流时间增大；XB

、Id一定时，γ随α角的增大而减小。

当前114页，总共162页。

（1）与换相压降的讨论一样，对单相全控桥有m=2，Id应该带入2Id，故有

（2）对三相桥式电路，m=6，三相桥式电路等效为相电压为的六相半波整流电路，

变压器漏感LB的存在可以限制短路电流，限制电流变化率di/dt

。但也会引起电网波形畸变，使du/dt加大，影响其他负载；会使功率因数降低，输出电压脉动增大，降低电压调整率。当前115页，总共162页。2.6.1、单结晶体管触发电路

1、单结晶体管

1）单结晶体管的结构、等效电路、图形符号及外形2.6晶闸管相控电路的驱动控制P101图2-32当前116页，总共162页。单结晶体管的原理结构如图（a）所示，图中e为发射极，b1为第一基极，b2为第二基极。由图可见，在一块高电阻率的N型硅片上引出两个基极b1和b2，两个基极之间的电阻就是硅片本身的电阻，一般为2～12kΩ。在两个基极之间靠近b1的地方用合金法或扩散法掺入P型杂质并引出电极，成为发射极e。它是一种特殊的半导体器件，有三个电极，只有一个PN结，因此称为“单结晶体管”，又因为管子有两个基极，所以又称为“双极二极管”。当前117页，总共162页。

2）单结晶体管的伏安特性及主要参数a）单结晶体管的伏安特性当两基极b1和b2间加某一固定直流电压时，发射极电流与发射极正向电压Ue之间的关系曲线称为单结晶体管的伏安特性＝f（Ue），试验电路图及特性如图（a）所示。当开关S断开，Ibb为零，加发射极电压Ue时，得到如图（b）①所示伏安特性曲线，该曲线与二极管伏安特性曲线相似。当前118页，总共162页。

图2-34当前119页，总共162页。

①截止区——aP段当开关S闭合，电压Ubb通过单结晶体管等效电路中的Rbl和Rb2分压，A点电位UA可表示为式中η为分压比，是单结晶体管的主要参数，一般为0.3～0.9。当Ue从零逐渐增加，但Ue<UA时，单结晶体管的PN结反向偏置，只有很小的反向漏电流。当Ue增加到与UA相等时，

＝0，即图中所示特性曲线与横坐标交点b处。进一步增加Ue，PN结开始正偏，出现正向漏电流，直到当发射结电位Ue增加到高出ηUbb一个PN结正向压降UD（即Ue＝UP＝ηUbb+UD）时，等效二极管VD导通，此时单结晶体管由截止状态进入到导通状态，该转折点称为峰点P。P点所对应的电压称为峰点电压Up，所对应的电流称为峰点电流IP。当前120页，总共162页。②负阻区——PV段当Ue>Up时，等效二极管VD导通，增大，大量的空穴载流子从发射极注入A点到b1的硅片，使Rbl迅速减小，导致UA下降，因而Ue也下降。UA的下降，使PN结承受更大的正偏，引起更多的空穴载流子注入到硅片中，使Rbl进一步减小，形成更大的发射极电流，这是一个强烈的正反馈过程。当增大到一定程度，硅片中载流子的浓度趋于饱和，Rbl已减小至最小值，A点的分压UA最小，因而Ue也最小，即曲线上的V点，V点称为谷点。谷点所对应的电压和电流称为谷点电压Uv和谷点电流Iv。这一区间称为特性曲线的负阻区。当前121页，总共162页。

③饱和区——VN段当硅片中载流子饱和后，欲使继续增大，必须增大电压Ue，单结晶体管处于饱和导通状态。改变Ubb，器件等效电路中的UA和特性曲线中Up也随之改变，从而可获得一族单结晶体管伏安特性曲线，如图（c）所示。（b）单结晶体管的主要参数单结晶体管的主要参数有基极间电阻Rbb、分压比η、峰点电流IP、谷点电压UV、谷点电流IV及耗散功率等。当前122页，总共162页。2、单结晶体管张驰振荡电路图2-35当前123页，总共162页。3、单结晶体管触发电路

图2-36当前124页，总共162页。（1）同步电路1）什么是同步触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调的关系叫同步。在单相半波可控整流电路中，触发脉冲应出现在电源电压正半周范围内，而且每个周期的角相同，确保电路输出波形不变，输出电压稳定。2）同步电路组成同步电路由同步变压器Ts、整流二极管VD、电阻R3及稳压管V1组成。同步变压器一次侧与晶闸管整流电路接在同一电源上，交流电压经同步变压器降压、单相半波整流后再经过稳压管稳压削波，形成一梯形波电压，作为触发电路的供电电压。梯形波电压零点与晶闸管阳极电压过零点一致，从而实现触发电路与整流主电路的同步。当前125页，总共162页。3）波形分析①半波整流后脉动电压的波形（图中“A”点）

（a）实测波形（b）理论波形半波整流后的电压波形图2-37当前126页，总共162页。②削波后梯形电压波形（图中“B”点）

（a）实测波形（b）理论波形削波后的梯形电压波形图2-38当前127页，总共162页。（2）脉冲移相与形成1）电路组成脉冲移相与形成电路实际上就是上述张驰振荡电路。脉冲移相由电阻和电容C组成，脉冲形成由单结晶体管、温度补偿电阻R2、输出电阻R1组成。改变张驰振荡电路中电容C的充电电阻RP的阻值，就可以改变充电的时间常数，图中用电位器RP来实现这一变化，例如：RP↑→τc↑→出现第一个脉冲的时间后移→α↑→Ud↓当前128页，总共162页。2）波形分析①电容电压的波形（图中“C”点）

（a）实测波形（b）理论波形电容两端电压波形图2-39当前129页，总共162页。②输出脉冲的波形（图中“G”点）

单结晶体管导通后，电容通过单结晶体管的eb1迅速向输出电阻放电，在上得到很窄的尖脉冲。

（a）实测波形（b）理论波形图2-40输出波形图2-40当前130页，总共162页。（3）触发电路各元件的选择1）充电电阻RP的选择2）电阻的选择电阻用来补偿温度对UA的影响，通常在200~600Ω之间。3）输出电阻R1的选择输出电阻R1的大小将影响输出脉冲的宽度与幅值，如R1太小，放电太快，脉冲太窄，不易触发晶闸管；如R1太大，在单结晶体管末导通时，电流Ie在R1上的压降较大，可能造成晶闸管误导通，通常取50~100Ω。4）电容C的选择电容C的大小影响脉冲宽窄，通常取0.1~1μF。当前131页，总共162页。当前132页，总共162页。2.6.2、同步信号为锯齿波的触发电路图2-41当前133页，总共162页。1、脉冲形成与放大环节脉冲形成环节由V4、V5构成；放大环节由V7、V8组成。控制电压uco加在V4基极上，触发脉冲由脉冲变压器TP二次输出。

当前134页，总共162页。当V4的基极电压uco=0时，V4截止。电源+E1经R11供给V5基极电流，使V5饱和导通。所以V5集电极电压接近-E1，V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。电源+E1经R9、V5的发射极到-E1对电容C3充电，充满后电容端电压接近2E1，极性如图所示。当uco≥0.7V时，V4导通。A点电位从+E1突降到1V，由于电容C3两端电压不能突变，所以V5基极电位也突降到-2E1，V5基射极反偏置，V5立即截止。它的集电极电压由-E1迅速上升到钳位电压2.1V时，使得V7、V8导通，输出触发脉冲。同时电容C3由+E1经R11、VD4、V4放电并反向充电，使V5基极电位逐渐上升。直到V5基极电位ub5>-E1，V5又重新导通。这时V5集电极电压立即降到-E1，使V7、V8截止，输出脉冲终止。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度由反向充电时间常数R11C3决定。

当前135页，总共162页。

2、锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成电路由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。

当前136页，总共162页。当V2截止时，恒流源电流I1C对电容C2充电，所以C2两端的电压uC为uC按线性增长，即ub3按线性增长。调节电位器RP2，可以改变C2的恒定充电电流I1C。

当V2导通时，因R4很小，所以C2迅速放电，使得ub3电位迅速降到零伏附近。当V2周期性地导通和关断时，ub3便形成一锯齿波。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者叠加所定，它们分别通过电阻R6、R7、R8

与V4基极连接。

当前137页，总共162页。根据叠加原理，先设uh为锯齿波电压ue3单独作用在基极时的电压，其值为

所以uh仍为锯齿波，但斜率比ue3低。同理，直流偏移电压up单独作用在V4基极时的电压为

控制电压uco单独作用在V4基极时的电压为：

所以，仍为一条与up平行的直线，但绝对值比up小；仍为一条与uco平行的直线，但绝对值比uco小。

当前138页，总共162页。当V4不导通时，V4的基极b4的波形由确定。当b4点电压等于0.7V后，V4导通。产生触发脉冲。改变uco便可以改变脉冲产生时刻，脉冲被移相。加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。以三相全控桥为例，当接反电势电感负载时，脉冲初始相位应定在α=90度；当uco=0时，调节up的大小使产生脉冲的M点对应α=90度的位置。当uco为0，α=90度，则输出电压为0；如uco为正值，M点就向前移，控制角α<90度，处于整流工作状态；如uco为负值，M点就向后移，控制角α>90度，处于逆变状态。

当前139页，总共162页。同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形图2-42当前140页，总共162页。

锯齿波波形

波形图2-42同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形图2-42当前141页，总共162页。

3、同步环节同步环节是由同步变压器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶体管V2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。

当前142页，总共162页。

同步是指锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关管V2控制的，也就是由V2的基极电位决定的。同步电压uTS经二极管VD1加在V2的基极上。当电压波形在负半周的下降段时，因Q点为零电位，R点为负电位，VD1导通，电容C1被迅速充电。Q点电位与R点相近，故在这一阶段V2基极为反向偏置，V2截止。在负半周的上升段，+E1电源通过R1给电容C1充电，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止，uQ为电容反向充电波形。当Q点电位达1.4V时，V2导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来，VD1重新导通，C1放电后又被充电，V2截止。如此循环往复，在一个正弦波周期内，包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。

当前143页，总共162页。

4、双窄脉冲形成环节触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60度的脉冲，称内双脉冲电路。而在触发器外部通过脉冲变压器的连接得到双脉冲称为外双脉冲。本触发电路属于内双脉冲电路。当V5、V6都导通时，V7、V8截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，就会使V7、V8导通，有脉冲输出。因此本电路可产生符合要求的双脉冲。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角α使V4由截止变导通造成V5瞬时截止，使得V8输出脉冲。隔60度的第二个脉冲是由后一相触发单元通过连接到引脚Y使本单元V6截止，使本触发电路第二次输出触发脉冲。其中VD4和R17的作用主要是防止双脉冲信号相互干扰。

当前144页，总共162页。在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按下图接线。六个触发器的连接顺序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。

当前145页，总共162页。

5、脉冲封锁二极管VD5阴极接零电位或负电位，使V7、V8截止，可以实现脉冲封锁。VD5用来防止接地端与负电源之间形成大电流通路。

6、强触发环节36V交流电压经整流、滤波后得到50V直流电压，经R15对C6充电，B点电位为50V。当V8导通时，C6经脉冲变压器一次侧R16、V8迅速放电，形成脉冲尖峰，由于有R15的电阻，且电容C6的存储能量有限，B点电位迅速下降。当B点电位下降到14.3V时，VD15导通，B点电位被15V电源钳位在14.3V，形成脉冲平台。C5组成加速电路，用来提高触发脉冲前沿陡度。当前146页，总共162页。2.6.3集成触发电路(简介)目前国内生产的集成触发器有KJ系列和KC系列，国外生产的有TCA系列，下面简要介绍由KC系列的KC04移相触发器和KC4lC六路双脉冲形成器所组成的三相全控桥集成触发器的工作原理。

当前147页，总共162页。1、KC04移相触发器

1）KC04移相触发器的主要技术指标电源电压：DC±l5V，允许波动±5%；电源电流：正电流≤l5mA，负电流≤8mA；移相范围：≥(=30V，=l5KΩ)；脉冲宽度：400s～2ms；脉冲幅值：≥13V；最大输出能力：100mA；

正负半周脉冲不均衡：≤土；环境温度：-——。当前148页，总共162页。2）内部结构当前14