第2章 单相及三相整流电路

第2章整流电路

2.1单相可控整流电路

2.2三相可控整流电路

1第2章整流电路·引言整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。22-3整流系统的结构32-4所要学习的整流电路42.1

单相可控整流电路

2.1.1单相半波可控整流电路

2.1.2单相桥式全控整流电路

2.1.3单相桥式半控整流电路工作原理和波形分析、定量计算、不同负载的影响52-6理想化假设为使分析过程中能突出主要矛盾，做如下理想化假设：1）开关元件是理想的，即开关元件导通时通态压降为零，阻断时电阻为无穷大2）变压器是理想的，即变压器的漏抗为零，绕组的电阻为零3）电网电压是理想的正弦波，即

62.1.1单相半波可控整流电路图2-1

单相半波可控整流电路及波形1）带电阻负载的工作情况单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)TVTRa)u1u2uVTudid7wwwwt0wt1p2ptttuguduVTaq0b)c)d)e)00u28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。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.移相：改变a

的大小，即改变触发脉冲在每周期内出现的相位称为移相。移相范围：触发角从0。开始到最大触发角的区间。基本数量关系9

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。直流输出电压平均值为102)带阻感负载的工作情况阻感负载的特点：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。VTRLu2Ud11wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++

图2-2

带阻感负载的单相半波电路及其波形12当VT处于通态时，如下方程成立：VTRLu2（2-2）（2-4）初始条件：ωt=a

，id=0。求解并将初始条件代入可得当ωt=θ+a

时，id=0，代入式（2-3）并整理得

（2-3）其中，13续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+aiVDR+14续流二极管

数量关系(id近似恒为Id）（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）152.1.1单相半波可控整流电路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162.1.2单相桥式全控整流电路1)带电阻负载的工作情况a)单相桥式全控整流电路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)17u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图2-5

单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形18数量关系（2-9）a角的移相范围为180

。19数量关系向负载输出的平均电流值为：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：（2-10）(2-11)202.1.2单相桥式全控整流电路流过晶闸管的电流有效值：变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：（2-12）（2-13）212.1.2单相桥式全控整流电路由式（2-12）和式（2-13）得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2。（2-14）222.1.2单相桥式全控整流电路2）带阻感负载的工作情况

u232.1.2单相桥式全控整流电路2）带阻感负载的工作情况

假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至ωt=π+a时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，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。24uu2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图2-6

单相全控桥带阻感负载时的电路及波形252.1.2单相桥式全控整流电路

数量关系（2-15）晶闸管移相范围为90

。晶闸管承受的最大正反向电压均为。262.1.2单相桥式全控整流电路

数量关系晶闸管导通角θ与a无关，均为180

。电流的平均值和有效值：变压器二次侧电流i2的波形为正负各180

的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。27例：单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2

，L值极大，当

=30°时，要求：1）作出ud、id和i2的波形；2）求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。28解：1）ud、id和i2的波形如右图所示 该波形可参考P26图6作出2）求整流输出平均电压Ud293）晶闸管电流有效值考虑过电流安全储备通常把晶闸管的额定电流放大1.5～2倍，又晶闸管的额定电流值是通态平均电流（正弦半波电流平均值），它同有效值的关系是。因此所选晶闸管的额定电流应为：为此可选50A的晶闸管。30为了对过电压有安全储备，通常把晶闸管的额定电压也放大2～3倍，因此所选晶闸管的电压额定值应为V，为此可选400V的晶闸管。最后根据晶闸管产品型号表可选用KP-50-4，即通态平均电流为20A，额定电压值电压为4级(400)的晶闸管。313）带反电动势负载时的工作情况在|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。导通之后，ud=u2

，

，

直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。323）带反电动势负载时的工作情况在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角，（2-16）333）带反电动势负载时的工作情况图2-7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b)idOEudwtIdOwtaqd电流连续电流断续342.1.2单相桥式全控整流电路当α

<d时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=d时刻有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为d。352.1.2单相桥式全控整流电路负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。362.1.2单相桥式全控整流电路（2-17）图2-8

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twwOud0Eidtpdaq=p372.1.3单相桥式半控整流电路单相全控桥中，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）。du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38392.1.4单相桥式半控整流电路在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VD4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。40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。41422.1.3单相桥式半控整流电路udOudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR

图2-10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432.1.4单相桥式半控整流电路续流二极管的作用有续流二极管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。442.1.4单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路的另一种接法相当于把图2-5a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。图2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形图2-11单相桥式半控整流电路的另一接法452.2三相可控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路2.2.2三相桥式全控整流电路462.2三相可控整流电路·引言交流侧由三相电源供电。负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广

。472.2.1三相半波可控整流电路1)电阻负载48图2-12

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

b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt492.2.1三相半波可控整流电路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

。502.2.1三相半波可控整流电路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。a=30

的波形（图2-13）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2-14

）特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120

。51图2-13

三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30

时的波形a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac52wtu2OwtOuGwtOuduaubucOwtuVT1uacuab53图2-14

三相半波可控整流电路，电阻负载，a=60

时的波形wwttwtwta=60°u2uaubucOOOOuGudiVT1542.2.1三相半波可控整流电路（2-18）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：552.2.1三相半波可控整流电路(2-19)整流电压平均值的计算a>30

时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：562.2.1三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的规律如图2-15中的曲线1所示。图2-15

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572.2.1三相半波可控整流电路

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（2-20）（2-21）582.2.1三相半波可控整流电路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（2-22）2）阻感负载592.2.1三相半波可控整流电路2）阻感负载特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。a≤30

时：整流电压波形与电阻负载时相同。60图2-16

三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a=60

时的波形udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwtuVT1612.2.1三相半波可控整流电路2）阻感负载a>30

时（如a=60

时的波形如图2-16所示）。u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，——ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为90

。622.2.1三相半波可控整流电路数量关系由于负载电流连续，

Ud可由式（2-18）求出，即Ud/U2与a成余弦关系，如图2-15中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，Ud/U2与a的关系将介于曲线1和2之间，曲线3给出了这种情况的一个例子。图2-15三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632.2.1三相半波可控整流电路变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为晶闸管的额定电流为（2-23）（2-24）642.2.1三相半波可控整流电路晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。（2-25）65图2-12

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

b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt66wtu2OwtOuGwtOuduaubucOwtuVT1uacuab67例：三相半波整流电路中，如果a相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压波形。解：以

=60°为例68三相半波整流电路电路结构：工作原理：电阻负载和电感负载电压瞬时值最大的相优先导通a=0~30电流连续a=30-150电流断续，导通角<120基本数量关系输出平均电压：连续和断续输出平均电流：晶闸管承受最高的正反向压降69702.2.2三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）图2-17三相桥式全控整流电路原理图导通顺序：

VT1－VT2

－VT3－

VT4

－VT5－VT6712.2.2三相桥式全控整流电路1）带电阻负载时的工作情况72三相可控整流电路73wwwwu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OtOtOtOta=0°iVT1uVT174a=30

时的波形

图2-19wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT175图2-20a=60

时的波形wwwa=60°ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtwt1OtOtuVT176图2-21三相桥式全控整流电路带电阻负载a=90

时的波形ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtOwtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1772.2.2三相桥式全控整流电路晶闸管及输出整流电压的情况如表2－1所示时段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb请参照图2－18782.2.2三相桥式全控整流电路1）带电阻负载时的工作情况当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，也连续波形图：a=0（图2－18）a=30

（图2－19）

a=60

（图2－20）当a>60

时，ud波形每60

中有一段为零，ud波形不能出现负值波形图：a=90

（图2－21）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

792.2.2三相桥式全控整流电路（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。802.2.2三相桥式全控整流电路（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8182图2-22三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0

时的波形ud1u2ud2u2LudidwtOwtOwtOwtOuaa=0°ubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥiVT183图2-23三相桥式全控整流电路带