电力电子技术第3章

第3章整流电路(AC/DC变换）-13.1单相可控整流电路3.2三相可控整流电路3.3变压器漏感对整流电路的影响3.4电容滤波的不可控整流电路3.5整流电路的谐波和功率因数3.6大功率可控整流电路3.7整流电路的有源逆变工作状态3.8相控电路的驱动控制12/27/202313.1单相可控整流电路3.1.1单相半波可控整流电路3.1.2单相桥式全控整流电路3.1.3单相全波全控整流电路3.1.4单相桥式半控整流电路12/27/202323.1.1单相半波可控整流电路1.带电阻负载的工作情况图3-1单相半波可控整流电路及波形几个重要的基本概念

触发延迟角

从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。

导通角

晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用θ表示。VTRu2uVTudid0wt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTaq000+__+aqid12/27/20233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（相控方式）直流输出电压平均值为3.1.1单相半波可控整流电路图3-1单相半波可控整流电路及波形VTRu2uVTudid0wt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTaq000+__+aq1.带电阻负载的工作情况直流输出电流平均值为id12/27/20234直流输出电压有效值为

a移相范围为180

3.1.1单相半波可控整流电路图3-1单相半波可控整流电路及波形VTRu2uVTudid0wt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTaq000+__+aq1.带电阻负载的工作情况直流输出电流有效值为SCR上反压为id12/27/20235图3-2带阻感负载单相半波可控整流电路及波形2.带阻感负载的工作情况波形图与电阻负载的不同之处：负载上电压波形可以为负值。电流波形为断续。原因解释。解决方法。首先负载中电感为小电感。u20wt1p2pwtwtwtwtwtug0ud0id0uVT0qa++VTRu2uVTudidL图3-1单相半波可控整流电路及波形VTRu2uVTudid0wt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTaq000+_aq将负载中的电感换为大电感。+__+_+0V1V10VUd→0，无法进行调压。负载两端反并联二极管。id9V2V8V5V5V0V12/27/20236图3-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形VTRu2uVTudidLVDRiVDuVTiVTIdwtwtwtwtOOOOp-ap+aiVDRu2udidIdwt1wtwtOO+__++_当u2过零变负时，VDR导通，ud为零。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。续流期间ud为零，ud中不再出现负的部分。12/27/20237图2-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形VTRu2uVTudidLVDRiVDuVTiVTIdwtwtwtwtOOOOp-ap+aiVDRu2udidIdwt1wtwtOO+__++_Ud和U的公式同带电阻负载的公式。若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则VT的a移相范围为180

p-ap+a12/27/20238单相半波可控整流电路的特点简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。12/27/20239

3.1.2单相桥式全控整流电路图3-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析

VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。

VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。

1.带电阻负载的工作情况Ti2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udwtwtwt00i2udidud(id)ap+auVT1,4+__++_12/27/202310

3.1.2单相桥式全控整流电路图3-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形

1.带电阻负载的工作情况Ti2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udwtwtwt00i2udidud(id)ap+auVT1,4+__++_数量关系12/27/202311

3.1.2单相桥式全控整流电路图3-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形

1.带电阻负载的工作情况Ti2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udwtwtwt00i2udidud(id)ap+auVT1,4+__++_数量关系变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等S=U2I2a角的移相范围为180

12/27/202312图3-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形假设电路已工作于稳态且负载电感很大，则负载电流id波形近似为一水平线。u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4并不关断，仍流过电流id。至ωt

=π+a

时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，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的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。2.带阻感负载的工作情况LTi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udu2wtwtwtudidi2wtwtwtwtIdIdIdIdIdiVT1,4iVT2,3uVT1,4+__++_12/27/202313图3-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形2.带阻感负载的工作情况LTi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udu2wtwtwtudidi2wtwtwtwtIdIdIdIdIdiVT1,4iVT2,3uVT1,4+__++_数量关系晶闸管移相范围为90

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12/27/202314图3-7单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形3.带反电动势负载时的工作情况|u2|>E时，晶闸管承受正电压，才有导通的可能。ud=u2id降至0,使得晶闸管关断，此后ud

=EidEudwtOwtaqdETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4ud+_|u2|<E时，晶闸管承受反向电压，不能导通。_++_10V12/27/202315图3-7单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形3.带反电动势负载时的工作情况idEudwtOwtaqdETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udd+_停止导电角（δ）与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电。_++_10V12/27/202316图3-7单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形3.带反电动势负载时的工作情况idEudwtOwtaqdETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udd+__+当a

﹤δ

时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不能导通。当ωt=δ

时，晶闸管承受正电压，能触发导通。范围为δ≤a≤π-δ当ωt>π-

δ

时，晶闸管承受反电压，不能触发导通。提问：a的范围为是多少？+_10V12/27/202317图3-7单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形3.带反电动势负载时的工作情况idEudwtOwtaqdETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udd+__+缺点：电流断续.后果：直流电机在换相的过程中会产生电火花.解决方案：直流输出测串联大电感.用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。+_10V12/27/2023183.带反电动势负载时的工作情况idEudwtOwtaqd缺点：电流断续.后果：直流电机在换相的过程中会产生电火花.解决方案：直流输出测串联大电感.用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。ETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udL+__+波形分析：这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，各种计算公式亦一样,除了Id公式。图3-8单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况+_10V返回12/27/2023193.带反电动势负载时的工作情况idEudwtOwtaqdETi2aVT1VT3idRu1u2bVT2VT4udL+_为保证电流连续所需的电感最小量L可由下式求出图3-8单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况EudwtaqdOidwt公式推导见：《半导体变流技术》（第二版）；黄俊；机械工业出版社。+_10V12/27/2023203.1.3单相全波可控整流电路图3-9单相全波可控整流电路及波形

单相全波可控整流电路又称单相双半波可控整流电路与单相全控桥基本一致的。优点：

1、变压器不存在直流磁化的问题。

2、导电回路只含1个晶闸管，降低管损。缺点：

1、变压器结构较复杂，耗材多。

2、晶闸管承受的最大电压为，是单相全控桥的2倍。u1Tu2u2i1VT1VT2ududi1awtwt+_+_+__+_+_++_u2+uVT_12/27/2023213.1.4单相桥式半控整流电路

假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态.

在u2正半周，触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电.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，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断。带阻感负载的情况电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4ududawt+__++_12/27/2023223.1.4单相桥式半控整流电路带阻感负载的情况LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4ududawt+__++_在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。12/27/202323失控问题若无续流二极管，则当a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，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，称为失控。为了解决此问题,加续流二级管.LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4ududawt+__+12/27/202324twuVT1,4加了续流二级管VDR后,u2电压降为零时,负载电流经过续流二级管续流,输出电压降约为1V,迫使VTi和VDi串联电路中的电流降为VTi的维持电流以下,从而使晶闸管关断。LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+__+带阻感负载的情况(接续流二级管)12/27/202325带阻感负载的情况(接续流二级管)LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+_数量关系twuVT1,412/27/202326LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+_带阻感负载的情况(接续流二级管)数量关系twuVT1,412/27/202327LTi2aVT1VT3idRu1u2bVD2VD4udVDRu2udidIdIdIdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRi2+_带阻感负载的情况(接续流二级管)数量关系晶闸管移相范围为180

twuVT1,412/27/202328图3-11单相桥式半控整流电路的另一接法单相桥式半控整流电路的另一种接法可省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。负载Tu2VD3VD4VT1VT212/27/2023293.2三相可控整流电路3.2.1三相半波可控整流电路3.2.2三相桥式全控整流电路12/27/2023303.2.1三相半波可控整流电路电路的特点：三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起为共阴极接法。1.电阻负载思考1：假设将电路中的晶闸管换作二极管，用VD表示，则构成三相半波不可控整流电路。此时负载上的波形是什么样的？RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+12/27/202331一周期中在wt1~wt2期间，

VD1导通，ud=ua

在wt2~wt3期间，

VD2导通，ud=ub

在wt3~wt4期间，

VD3导通，ud=ucudwtOuaubucRudidVD2VD1VD3uaubuc-+-+-+wt1wt2wt3wt412/27/202332udwtOuaubucRudidVD2VD1VD3uaubuc-+-+-+自然换相点：二极管换相时刻为自然换相点。此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a的起点，即a=0

。

wt1wt2wt3wt412/27/202333udwtOuaubucwt1wt2wt3wt4思考2：

为什么自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，即a=0

的点？RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+假设A相在wt=15

时触发导通成功.5V2V-7V

到B相的1200+150时，VT2受反压无法触发。A相持续导通。3V3V-6V当A相和B相的电压相等时，VT2刚好受正压，可进行触发。12/27/202334udwtOuaubucwt1wt2wt3wt4RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+3V3V-6V思考3：

将二极管换成晶闸管后，a=0

度时，负载上的电压、电流波形，晶闸管上电压、电流波形是什么样的？12/27/202335udidwtOwtOwtOwtOuaubucuabuacucaiVT1uVT112/27/202336udidwtOwtOwtOwtOuaubucuabuaciVT1uVT1RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+

负载电流平均值为

负载电流有效值为

SCR电流平均值为

SCR电流有效值为12/27/202337思考4：a=多少度时，负载上的电压、电流波形断续？a=多少度时，负载上的电压为零？u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°15RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+12/27/202338思考4：a=多少度时，负载上的电压、电流波形断续？a=多少度时，负载上的电压为零？u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°30a=30度时，断续。RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+12/27/202339思考4：a=多少度时，负载上的电压、电流波形断续？a=多少度时，负载上的电压为零？a=150度时，负载上电压为零。u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°60移相范围:00-1500RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+12/27/202340udidwtOwtOwtOwtOuaubucuabuaciVT1uVT1RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+

a≤30

时，负载电流连续，有：u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°1512/27/202341RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°30

a>30

时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：12/27/202342udidwtOwtOwtOwtOuaubucuabuaciVT1uVT1RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值晶闸管承受的最大正向电压,为变压器二次相电压峰值12/27/202343思考5：为什么晶闸管所受的正向最大电压为？uVT1wtOuabuacu2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°3012/27/202344思考5：为什么晶闸管所受的正向最大电压为？uVT1wtOuabuacu2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°6012/27/202345特点：id近似为一条水平线。大电感因为要续流,所以a>30

时ud波形中可以出现负的部分。同理,由于大电感的续流,负载上的Ud只有一个式子.阻感负载时的移相范围为90

。晶闸管承受的最大正向电压,为变压器二次线电压峰值2.阻感负载12/27/202346u2uaubucOwtOwtOwtuGuda=°60uVT1wtOuabuac解释：RudidVT2VT1VT3uaubuc-+-+-+12/27/2023473.2.2三相桥式全控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）共阴极组和共阳极组采用串联结构导通顺序：

VT1－〉VT2－〉VT3－〉VT4－〉VT5－〉VT6（差60°触发一个晶闸管）采用双窄脉冲触发晶闸管VT61VT12VT23VT45VT34VT56bac负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2ua-+-+ub-+uc12/27/2023481.带电阻负载时的工作情况bac负载iaidudVD1VD3VD5VD4VD6VD2ua-+-+ub-+uc首先换成二极管。在每一瞬间共阴极组中阳极电位最高的二极管导通；共阳极组中阴极电位最低的二极管导通。uaucubu2Owt135135

2462466将360度等分成了6等分。即以两两自然换相点之间为一份，共6份。611223344556611223344556

abac

bc

baca

cb

abac

bc

baca

cb

每等分内均有一个共阴极组和一个共阳极组的VD管处于导通状态，从而得到负载上六脉线电压。udOwt12/27/2023491.带电阻负载时的工作情况换成晶闸管。并在自然换相点处触发对于的SCR。uaucubu2Owt135135

2462466611223344556611223344556

abac

bc

baca

cb

abac

bc

baca

cb

bac负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2ua-+-+ub-+ucudOwt分析波形同二极管的分析波形，此即为a=00时的波形。思考：为什么采用双窄脉冲触发？换相的先断后通原则。对损耗功率要求不高时可采用宽脉冲。12/27/202350udOwtuabucaubcu61u12u23u45u34u56uabuacubcucaubaucbubaucbuacuVT1OwtuabucaubcubaucbuaciVT1wtiaOwt1）a=0

时的波形bac负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2ua-+-+ub-+uc12/27/202351udOwtuabucaubcubaucbuacuVT1OwtuabucaubcubaucbuaciVT1wtiaOwt1）a=0

时的波形

负载电流平均值和有效值为

SCR电流平均值和有效值为

I2电流有效值为晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值12/27/2023522）a=30

时的波形wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt