第三章 AC DC变换器

第3章

交流－直流变换器（整流器）

13交流－直流变换器（整流器）

3.0概述3.1整流器的类型和性能指标

3.2不控整流电路3.3单相可控整流电路

3.4三相半波相控整流电路3.5三相桥式相控整流电路3.6交流电路电感对整流特性的影响3.7有源逆变及功率因数校正

3.0概述利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交流电能变为直流电能称为整流。实现整流的电力半导体开关电路连同其辅助元器件和系统称为整流器。整流电路是出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电整流器的类型很多，归纳分类如下：1.按交流电源电流的波形可分为： （1）

半波整流。（2）全波整流。2.按交流电源的相数的不同可分为： （1）

单相整流。（2）多相整流。3.按整流电路中所使用的开关器件及控制能力的不同可分为：

(1）

不控整流。（2）半控整流。（3）全控整流。4.按控制原理的不同可分为： （1）

相控整流。（2）高频PWM整流。开关器件为二极管开关器件为晶闸管开关器件为全控器件5.按电路结构可分为：（1）桥式电路。（2）零式电路。6.按变压器二次侧电流的方向是单向或双向又分为：

（1）单拍电路。（2）双拍电路。

对交流－直流变换最基本的性能要求：直流输出电压可以调控（交流输入电压变化时或负载变化时输出的直流电压可保持为任意指令值）输出电压中交流分量（即谐波电压）被控制在允许值范围以内；交流侧电流中的谐波电流也要求在允许值以内。此外交流侧的功率因数、整流器的效率、重量、体积、成本、电磁干扰EMI和电磁兼容性EMC以及对控制指令的响应特性都是评价整流器的重要指标。3.1整流器的类型和性能指标整流器最基本的性能指标有：1.电压谐波系数或纹波系数RF（RippleFactor）2.电压脉动系数Sn

3.输入电流总畸变THD

(TotalHarmonicDistortion)4.输入功率因数PF（PowerFactor）上述基本性能指标能比较科学地评价各种整流电路的性能优劣。纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平均值电压VD外全部交流谐波分量有效值VH电压谐波系数或纹波系数RF（RippleFactor）进一步可以表示为

：电压谐波（纹波）系数的定义：输出电压中的交流谐波有效值平均值VH与直流平均值VD之比值。表示为电压脉动系数Sn定义：整流输出电压中最低次谐波幅值Vnm与直流平均值VD之比。Sn=Vnm/VD

输入电流总畸变THD(TotalHarmonicDistortion)交流输入电流中除基波电流Is1外通常还含有各次谐波电流Isn（n＝2，3，4，…）。THD的定义：除基波电流外的所有谐波电流总有效值与基波电流有效值之比值定义：交流电源输入有功功率PAC与其视在功率S之比，即输入功率因数PF（PowerFactor）

：若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基波电流形成有功功率。这时，基波电流数值因数（简称基波因数）是基波电流有效值与总电流有效值之比值，即输入电流有效值：交流侧电压与电流基波分量之间的相位角φ1称为基波位移角；基波功率因数cosφ1称为基波位移因数DPF；3.2不控整流电路3.2.0概述3.2.1单相半波不控整流3.2.2单相桥式不控整流3.2.3三相半波不控整流3.2.4三相桥式不控整流3.2.5电容滤波的不控整流电路

3.2.0概述定义：在交流电源与直流负载间插入二极管电路，利用二极管的单向导电性实现交流-直流电能变换的电路。缺点：输出电压平均值不能调节分析法：二极管的单向导电性是分析二极管整流电路的基本原则。典型电路：图1(a)～4(a)由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为二极管整流电路。3.2.1单相半波不控整流在电源电压的正半周wt=0~pD1承受正向电压而导通。vd=vs,id=is在电源电压的负半周wt=p~2p

D1受反压截止，阻断电路。

vd=0,id=0如果负载有电感，则负载电流通过D0续流。主电路：不控二极管D1、D0工作原理：（理想情况下）特点：整流电压直流平均值

VD只与VS有关，不能被调控；输出电压脉动大，脉动频率低，难于滤波。仅正半周有输出（一个电源周期中仅一个电压脉波，即脉波数为1，称为“半波”）；电源电流的直流分量很大点：整流电压直流平均值3.2.2单相桥式不控整流原理及波形分析：在中小容量的不控整流领域中应用广泛。3.2.3三相半波不控整流原理及波形：一周期中，A相D1、B相D3、C相D5依序各导电120°。整流电流为120°脉宽直流。整流电压由三个相同的脉波组成（脉波数m＝3）。特点：直流平均值的数值较高：整流电压脉动较小，脉动频率为电源频率3倍。电源电流含有很大的直流分量。较少实用。3.2.4三相桥式不控整流整流电压由6个相同的脉波组成，脉波宽60°,脉动较小，易滤波。电源电流无直流分量,为120°脉宽、正负对称的交流电。广泛应用较大功率的不控整流中脉波数m＝63.2.4三相桥式不控整流整流电压的直流平均值高：电源线电压有效值电源相电压有效值3.2.5电容滤波的不控整流电路

不控整流电路输出电压中除直流平均值外，还含有谐波电压。为此须在整流电路的输出端与负载之间接入LC滤波器。由于整流输出谐波电压的频率不高，因此要有较好滤波效果必须LC很大。滤波电感L的的重量、体积相对于电容要大得多，通常取较小的L和较大的C组成LC滤波器，甚至完全不用电感只用电容滤波。1电容滤波的单相不可控整流电路常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中。1）工作原理及波形分析图5

电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a)电路

b)波形基本工作过程：在u2正半周过零点至wt=0期间，因u2<ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至wt=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。b)0iudqdp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud2)主要的数量关系

输出电压平均值

电流平均值

输出电流平均值IR为：IR=

Ud/R

Id=IR

二极管电流iD平均值为：ID=Id/2=IR/2

二极管承受的电压

空载时，。重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性。在设计时根据负载的情况选择电容C值，使,此时输出电压为：Ud≈1.2U2。

感容滤波的二极管整流电路实际应用为此情况，但分析复杂。ud波形更平直，电流i2的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的。图6

感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a）电路图b）波形a)b)u2udi20dqpwti2,u2,ud2电容滤波的三相不可控整流电路1）基本原理某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。图7

电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt电流id

断续和连续的临界条件wRC=在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=/wC。由“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在wt+d=2p/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有图8

电容滤波的三相桥式整流电路当wRC等于和小于时的电流波形

a）wRC=

b）wRC<由上式可得a)b)wtwtwtwtaidaidOOOO考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况：电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。图9

考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形

a）电路原理图

b）轻载时的交流侧电流波形

c）重载时的交流侧电流波形b)c)iaiaOO

t

t2)主要数量关系（1）输出电压平均值

Ud在（2.34U2~2.45U2）之间变化（2）电流平均值

输出电流平均值IR为：

IR=

Ud/R

与单相电路情况一样，电容电流iC平均值为零，因此：Id=IR

二极管电流平均值为Id的1/3，即：

ID=Id/3=IR/3

（3）二极管承受的电压

二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为。

问题：相控整流电路(含不控这个特例)的输出电压不是恒定的直流电压：除直流平均值外，还有谐波电压（频率不高）。必须在输出端与负载之间接LC滤波器，LC很大时才有较好滤波效果；通常取较小的L和较大的C组成LC滤波器，或不用L、只用C滤波。（滤波电感L的重量、体积相对于电容要大得多）有时，为了抑制电流冲击，加宽元件的导电角，常在直流侧串入一个较小的电感，构成LC滤波电路.3.3单相可控整流电路3.3.0概述3.3.1单相半波可控整流电路3.3.2单相桥式全控整流电路3.3.3单相全波可控整流电路3.3.4单相桥式半控整流电路

3.3.0概述晶闸管代替上节电路中的二极管，可得相控整流电路。原理：利用了半控开关器件晶闸管的开通可控特性（承受正向电压，且有触发脉冲）和单向导电性；相控整流：控制晶闸管触发相位角（脉冲施加时刻）就控制了电源电压送至负载的起始时刻，从而控制整流电压。整流电路结构不同、负载性质不同，工作情况也就不同。电路分析时要抓住晶闸管的导通时刻（满足导通条件时）和受到反压被强迫关断的时刻。掌握单相桥式全控整流电路在不同性质负载下的工作情况了解单相桥式半控整流电路的失控现象及解决办法。3.3.1

单相半波可控整流电路图10

单相半波可控整流电路及波形1）带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)

VT的a移相范围为180

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。

首先，引入两个重要的基本概念：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，用θ表示。基本数量关系直流输出电压平均值为(2-1)2)带阻感负载的工作情况

图11

带阻感负载的单相半波电路及其波形阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角θ的关系。wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路。图12单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态b)VT处于导通状态电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。当VT处于通态时，如下方程成立：VTb)RLu2b)VT处于导通状态

初始条件：ωt=a

，id=0。求解式上式并将初始条件代入可得当ωt=θ+a

时，id=0，代入并整理得

其中，续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图13

单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。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。

数量关系(id近似恒为Id）

VT的a移相范围为180

。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。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。单相半波可控整流电路的特点3.3.2单相桥式全控整流电路一、电阻性负载（一）主电路（二）理想化假设

（三）工作原理及波形分析

(四)几个名词术语(五)基本量的计算二、电感性负载三、反电势负载电阻性负载时的工作情况分析（二）理想化假设(1)开关元件是理想的开关：通态压降=0；断态电阻无穷大;漏电流=0;开关过程瞬间完成；(2)变压器是理想的：漏抗、绕组电阻、励磁电流=0(3)电网电压是理想的正弦波

（一）主电路

（1）T为整流变压器；（2）注意各物理量的参考方向v1vST1T2T3T4Rabidd()ai1is主电路1、T1、T4一组，T2、T3一组：两组间、上下桥臂间触发脉冲相差180°电角度。2、问题：元件可能触发导通的区间？何时关断？为什么？v1vST1T2T3T4Rabidvd()ai1is主电路电阻负载时的波形

动态演示阻性负载（三）工作原理及波形分析1.触发脉冲条件（波形、频率、周期、相位）：与电源“同步”。2波形分析法：分段分析法（同频/同周期、有协调的相位关系＝＝正常工作的条件）图14

单相桥式带阻性负载全控式整流电路及波形（1）控制角α:从SCR承受正向电压时刻起到触发脉冲前沿时刻之间的时间所对应的电角度。＝》把不控器件（二极管）的导通时刻后移的电角度。（2）元件导通角θ（导电角）：元件在一周期内导通的时间所对应的电角度。本例θ=π-α（3）移相：改变触发脉冲出现时刻，即改变控制角大小。改变α角的大小就可以控制输出电压的大小实现“移相控制”，被简称“相控”。（4）移相范围：控制角α能够变化的范围，本例0～180°（5）换相（换流）：电流从一个元件转移到另一个元件的过程。(四)几个名词术语Vd

是控制角α的函数；α愈大Vd愈小；当α＝0时为最大值；当α＝π时，Vd=0。α的移相范围为0～π。(五)基本量的计算

（1）输出直流电压平均值Vd电源电压随控制角α的变化曲线图

（2）输出直流电流平均值ID

（3）晶闸管电流的有效值IT

:由于两晶闸管对轮流导通，在一个正弦周期内各导通θ,所以晶闸管平均电流为负载平均电流Id的一半。晶闸管电流平均值:

(4)次级绕组电流有效值IS＝负载电流有效值IL

（5）负载电阻上电压有效值Vrmsv1vST1T2T3T4Rabidi1is

（6）功率因数PF整流电路的输入电流中一般含有谐波电流，基波电流与基波电压一般不同相位，因此电源的视在功率>有功功率P。忽略开关管的损耗，电源提供的有功功率＝负载有功功率P表5.2单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与α的关系表控制角（度）03060901201501800.90.840.6760.450.2260.0060IS/Id1.111.171.331.571.972.80-功率因数PF10.9710.8980.7070.4270.170∴功率因数单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与α的关系曲线特点：电感电流不能突变；电流滞后电压过零。根据负载中电感量L的大小不同，电路有4种可能工况：（1）L、φ较小，α较大，且α>φ时，负载断流；（2）当α＝φ时，电流临界连续；（3）L、φ较大，α较小,且α<φ，电流连续；（4）L、φ很大，，α<φ时，电流连续，忽略脉动二、电感性负载

（1）L、φ较小，α较大，且α>φ时，负载断流，元件的导电角θ<π输出电压波形中出现了负值断流原因

：L较小，电感电流id上升时间不长，L储能较少。id

下降、L释放的能量不足以维持已导通元件持续导通到时刻（π+α）就已降为零。图15

单相桥式带感性负载全控式整流电路及波形

（1）负载断流时，输出整流电、直流等参数的计算

Vd

和Id与控制角α及导通角θ有关vdid00iT4,1iT3,2twtwqap+aa（5－43）θ是α、R、L的函数。已知R、L、φ和α时，由（5-45）式可求θ；再由（5-38）式可求得

（2）当α＝φ时，电流临界连续稳态情况波形分析（特征）：输入电流is为正弦波，滞后于电源电压的角度为φ；相当于电源不经晶闸管而直接对RL供电。负载电流iD

是“正弦双半波”；整流电压直流平均值

（3）L、φ较大，α较小,且α<φ，电流连续稳态情况：（1）波形：整流电压波形、平均值、元件通电角θ等，与电流临界连续时的相同；（2）特征：晶闸管电流的初值、终值都不为零;负载电流不再是“正弦双正半波”，任何时刻都大于零；

以φ为参变量的θ函数关系

负载电流iD脉动很小，近似平行于横标；大小：晶闸管的电流iT为180°单向矩形波

电源电流is为180°正负矩形波电源电流is的基波有效值

（4）L很大，ωL

＞＞R，φ≈90°，α<φ，电流连续且忽略脉动动态演示电源基波功率因数角φ1

＝α；α越大，cosφ1越小。（结论适于所有相控整流电路）电源功率因数

单相桥式全控整流电路控制特性时，导电角，电流断流

时，导电角，电流连续

单相桥式全控整流电路控制特性停止导电角三、反电势负载L＝0时，只有当 晶闸管才能触发导通。晶闸管阻断,阻断期间负载电压vD＝E，故输出电压较RL负载时高。负载电流断流，所以导通之后，VD=Vs，直至|VD|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后VD=E。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，θ<π，电流断流，而回路电阻R一般很小，在输出相同平均电流时，峰值电流大，电流的有效值比其平均值大许多。断流危害：（1）对直流电动机负载：使其换向电流加大，易产生火花。（2）对交流电源：要求电源容量增大、功率因数降低。解决办法：在负载回路中串联平波电抗器、增大时间常数，延长晶闸管的导电时间，使电流连续、且使导电角θ＝π。从而减小电流脉动，使波形连续平直。断流原因、危害及处理相关计算反电势负载E时，若回路等效总电感为L、总电阻为R，则电流临界连续时直流电流平均值（1）它与控制角α及电感L有关；（2）实际负载电流大于此值就是连续的。

（3）单相桥相控整流时电流连续条件三相半波整流时电流连续条件三相全桥整流时电流连续条件3.3.3单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路（SinglePhaseFullWaveControlledRectifier)，又称单相双半波可控整流电路。单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。变压器不存在直流磁化的问题。图16

单相全波可控整流电路及波形a)wtwab)udi1OOt单相全波与单相全控桥的区别：单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。3.3.4单相桥式半控整流电路电路结构

单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR

图17单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。单相半控桥带阻感负载的情况18

单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。

u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD3续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT2，VT2导通，u2经VT2和VD3向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD3关断。VT2和VD4续流，ud又为零。Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR续流二极管的作用避免可能发生的失控现象。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，其平均值保持恒定，称为失控。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。3.4三相半波相控整流电路3.4.0概述3.4.1

三相半波相控整流电路（共阴接法）3.4.2共阳极接的三相半波可控整流电路3.4.0概述三相AC／DC变换器比单相变换器性能更优越，在中、大功率领域中应用广泛。优点：输出电压高脉动小、脉动频率高交流电网侧功率因数高动态响应快三相半波相控整流的特点：

（1）两种接法：共阴接法、共阳接法（2）它是组成其他各种三相整流电路的基础，是分析理解后续各种三相整流电路的基础。（3）交流侧电流中直流分量很大，因而应用不多3.4.1

三相半波相控整流电路（共阴接法）电路的特点：变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起——共阴极接法。三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=0

时的波形

1)电阻负载自然换相点：二极管换相时刻为自然换相点，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a的起点，即a=0

。b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)a=0

时的工作原理分析变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形，由3段组成。三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=0

时的波形

a=30

的波形（图6-14）特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。a>30

的情况（图6-15

）特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120

。b)c)d)e)f)u2uaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)R

当a=0时，Ud最大，为。

整流电压平均值的计算a≤30

时，负载电流连续，有：a>30

时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：Ud/U2随a变化的规律如图中的曲线1所示。三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1－电阻负载2－电感负载3－电阻电感负载负载电流平均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，即晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即（2-20）（2-21）（2-22）3.4.1三相半波相控整流电路（共阴接法续）波形特点（5）整流输出电压的脉动频率为3f（脉波数m=3）。（1）负载电流连续时各晶闸管的导电角均为(120°）（2）若电源交流电路中不存在电感，晶闸管之间的电流转移是瞬间完成的。（3）负载电压波形是相电压波形的一部分。（4）晶闸管截止态所承受的电压是线电压而非相电压。（6）交流侧只有单方向电流（缺点）。若，电流连续且晶闸管导电角120°时，输出直流电压平均值为当当°时，为正值。电路工作在第1象限。当°时，＝0当90°＜α＜180°时，为负值。电路工作在第4象限。讨论：（a）主电路

（b）α＝0°时波形

（c）α＝30°时波形3.4.2共阳极接的三相半波可控整流电路3.5三相桥式相控整流电路3.5.0概述3.5.1

三相桥式全控整流电路3.5.2三相桥式半控整流电路3.5.0概述常用的三种三相桥式整流电路：不控整流（a）全控整流（b）：不控整流电路中的二极管换成SCR半控整流（c）：不控整流电路中共阴接法的二极管换成SCR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）

三相桥式全控整流电路原理图导通顺序：

VT1－VT2

－VT3－

VT4

－VT5－VT6电源条件三相交流对称电源：相电压有效值为Vs相电压幅值为：线电压有效值：线电压幅值为：电源频率为fs，周期为Ts，三相交流相电压依序相差120°;六个线电压依序相差60°3.5.1三相桥式全控整流电路1.基本工作原理2.电阻负载时三相桥式全控整流特性3.感性负载时三相桥式全控整流特性4.反电势、电阻、电感负载时三相桥式全控整流特性1.基本工作原理二极管的6个自然换相点：上桥臂中三相电压瞬时值最正的那一相管自然导通，换相点为1、3、5下桥臂中三相电压瞬时值最负的那一相管自然导通，换相点为2、4、6任何时刻上、下各有一个二极管导通，把线电压最大的瞬时值接至负载。图(c)粗线

控制角α≠0时6个晶闸管的触发脉冲的施加时刻都从各自的自然换相点延迟一个α角度。1.基本工作原理：晶闸管的触发脉冲安排晶闸管触发次序:按1－2－3－4－5－6－1的顺序循环，各脉冲依次互差60°T1T3T5的触发脉冲间相位相差120°

（T2T4T6亦如此）晶闸管最大导电角θ为120°每个触发脉冲的宽度要超过1/6Ts；或双脉冲触发方式:给晶闸管发一个窄触发脉冲后，间隔60°再补发一个脉冲 2.电阻负载时三相桥式全控整流特性相控整流特性：（1）与相控角α有关;

（2）与负载性质有关。1.电阻负载时的整流特性纯电阻性负载时，iD与vD波形完全相同。

(1)α＝0°时的波形；(2)α＝30°时的波形;

(3)α＝60°时的波形;(4)α＝90°时的波形;2.α≠0时将使整流电压vD的平均值VD减小，改变触发延迟角（或相控角）α的大小，即可控制整流电压平均值VD3.当a≤60

时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续4.当a>60

时，ud波形每60

中有一段为零，ud波形不能出现负值5.带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120

不控整流电路及全控整流电路阻性负载α＝0时的波形wwwwu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OtOtOtOta=0°iVT1uVT1

全控整流电路阻性负载α＝30°时的波形wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1电阻负载α＝30°时工作波形特点：

整流电压vD的波形依然由6段线电压波形组成,次序不变，仅六个导电区后延30°负载电流iD波形：与vD的波形完全相同电源电流ia波形与α＝0°时相比各波形在时间上顺延30°wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1全控整流电路阻性负载α＝60°时的波形wwwa=60°ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtwt1OtOtuVT1电阻负载α＝60°时工作波形特点：与α＝0°时相比各波形在时间上顺延60°；元件导电终点时刻，整流电压、电流的瞬时值都为零。α≤60°时iD连续，且整流电压平均值VD

全控整流电路阻性负载α＝90°时的波形ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtOwtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1α>60°后iD不连续；导电宽度120°-α<60°整流电压平均值VD

α＝120°时vD≡0。由上式也可知VD＝0。电阻负载时α的有效移相范围是0～120°电阻负载α＝90°时工作波形特点：3.感性负载时三相桥式全控整流特性多数负载为RL性负载或反电势、电阻、电感负载，负载中的电感通常会使电流iD连续。当电感值大到以致负载电路时间常数Tl＝L/R>>电流脉动周期6TS时，可忽略iD的脉动,看作恒值电流ID负载电流连续且α≤60°时整流电压vD波形、整流电压平均值VD与电阻负载时的情况相同，但是电流不同。当电感足够大的时候，id的波形可近似为一条水平线。 例如(1)电阻负载α＝0°时波形中的vD；(2)电阻负载α＝30°时波形中的vD；(3)α＝60°时的波形；a>60

时阻感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。阻感负载时，ud波形会出现负的部分。(1)α＝90°时的波形；(2)α＝120°时的波形；

(3)α＝180°时的波形带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90

。三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0

时的波形ud1u2ud2u2LudidwtOwtOwtOwtOuaa=0°ubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥiVT1三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30

时的波形ud1a=30°ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥwtOwtOwtOwtOidiawt1uaubuc电阻感性负载时的整流特性α＝60°时的波形

电阻感性负载时的整流特性α＝90°时的波形电阻感性负载时的整流特性α＝120°时的波形电阻感性负载时的整流特性α＝180°时的波形感性负载、电感足够大时（1）整流电压的平均值VD

Vlm为电源线电压最大值

Vl为线电压有效值，Vs为相电压有效值当α<90°时，VD为正值；当α＝90°时，VD＝0；当α>90°时，VD为负值。整流电压

D中除支流平均值VD外，还含有6K次谐波电压（K=1，2，3…)整流电压平均值

（2）输出电压vD的脉动频率是电源频率的6倍，最低次谐波为6次谐波。（3）交流电源电流的波形：幅值为ID，宽度为120°的交流方波，除基波外，还含有6k±1等次谐波。（4）电源基波功率因数：∵超前方波电流的起点30°就是基波电流的起点，∴相电流基波的起点比相电压滞后α。电源基波功率因数也是cosφ1＝cosα。4.反电势、电阻、电感负载时三相桥式全控整流特性三相桥式相控整流电路接反电势、电阻、电感负载且负载电流连续时，与电感电阻性负载时工作情况相似；电路各电压、电流波形相同，仅负载电流直流平均值ID为:（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60

。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120

，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120

。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180

。三相桥式全控整流电路的特点（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）

(5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。三相桥式全控整流电路的特点3.5.2三相桥式半控整流电路3个晶闸管触发脉冲互差120°，类似三相半波相控整流：电流连续时vPo平均值3个二极管相当于三相半波不控整流或α＝0时的相控整流：

vNo的平均值为

整流电压平均值VD：vPN

应是共阴极的三相半波相控整流输出电压vPo和共阳极的三相半波不控整流电压vNo

之和。讨论：

α＝0时，VD

最大；α>0时，VD为正值；α＝180°时，VD

最大；∴VD≥0（不可能为负值）α的移相控制范围为0～180°输出电压不可能为负值ik=ib是逐渐增大的，而ia=Id-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断,换流过程结束。3.6交流电路电感对整流特性的影响考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示。现以三相半波为例，然后将其结论推广。VT1换相至VT2的过程：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，在两相组成的回路中产生环流ik。

考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca换相重叠角——换相过程持续的时间，用电角度g表示。换相过程中，整流电压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。换相压降——与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。

换相重叠角g的计算由上式得：进而得出：

由上述推导过程，已经求得：当时，，于是g随其它参数变化的规律：（1）

Id越大则g越大；（2）

XB越大g越大；（3）

当a≤90

时，

越小g越大。

变压器漏抗对各种整流电路的影响

②电路形式单相全波单相全控桥三相半波三相全控桥m脉波整流电路

①

各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算注：①单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用；

②三相桥等效为相电压等于的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按代入。变压器漏感对整流电路影响的一些结论:出现换相重叠角g

，整流输出电压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多。晶闸管的di/dt

减小，有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。

电压波形畸变及影响

在换相重叠期中，a、b两相处于经电感2LS短接状态，使整流电路的输入电压波形畸变（有短时的突降和突升毛刺），同时也影响晶闸管截止时端电压波形。这种波形畸变有可能对自身的控制电路以及其它设备的正常工作产生不良的影响，因此，实际的整流电源装置的输入端有时加滤波器消除这种畸变波形的影响。

3.7有源逆变及有源功率因数校正3.7.1有源逆变3.7.2有源功率因数校正控制策略3.7.1有源逆变1)什么是逆变？为什么要逆变？逆变（Invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路——交流侧和电网连结。应用：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。无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，将在下章介绍。对于可控整流电路，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。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。2)直流发电机—电动机系统电能的流转直流发电机—电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG

>EM

b）两电动势同极性EM>EG

c）两电动势反极性，形成短路电路过程分析。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。3)逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机单相全波电路的整流和逆变交流电网输出电功率电动机输出电功率a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUd>EMu10udu20u10OOwtwtIdidUd<EMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有二：有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。晶闸管的控制角

>/2，使Ud为负值。半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。逆变和整流的区别：控制角

不同

0<

<p

/2

时，电路工作在整流状态。

p

/2<

<

p时，电路工作在逆变状态。可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题。把a>p/2时的控制角用p-

=b表示，b称为逆变角。逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自b=0的起始点向左方计量。三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图2-46所示。三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt2有源逆变状态时各电量的计算：输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即

每个晶闸管导通2p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：

从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。

在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：逆变失败（逆变颠覆）

逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。交流电源缺相或突然消失。换相的裕量角不足，引起换相失败。(1)

逆变失败的原因换相重叠角的影响：

交流侧电抗对逆变换相过程的影响当b>g时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。如果b<g时（从图

右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1)不能关断，最终导致逆变失败。udOOidwtwtuaubucuaubpbgb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT322(2)确定最小逆变角bmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角b应等于