第 2 章 整流电路

1. 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 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 2.4 电容滤波的不可控整流电路 2.5 整流电路的谐波和功率因数 2.6 大功率可控整流电路 2.7 整流电路的有源逆变工作状态 2.8 晶闸管直流电动机系统 2.9 相控电路的驱动控制 本章小结

2. 第2章 整流电路·引言 • 整流电路： • 出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。 • 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。

3. 2.1 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 单相全波可控整流电路 2.1.4 单相桥式半控整流电路

4. VT T i d u VT u u u a) R 1 2 d u 2 b) p w w t t p 0 2 1 u g c) w 0 t u d d) w 0 t q a u VT e) w 0 t 2.1.1 单相半波可控整流电路 单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier) 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。 图2-1 单相半波可控整流电路及波形

5. (2-1) 2.1.1 单相半波可控整流电路 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 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

6. u 2 b) p w w p t 0 t 2 1 u g c) w 0 t u d + + d) 0 w t a i d e) q w 0 t u VT f) w 0 t 2.1.1 单相半波可控整流电路 2) 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。 图2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形

7. 2.1.1 单相半波可控整流电路 • 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。 • 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2-3 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

8. VT （2-2） L u 2 R （2-3） b) ， • 其中 （2-4） 2.1.1 单相半波可控整流电路 • 当VT处于通态时，如下方程成立： 初始条件：ωt= a，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得 b) VT处于导通状态 当ωt=θ+a时，id=0，代入式（2-3）并整理得

9. a) u 2 b) w w t t O 1 u d c) w O t i d I d d) w O t i VT I d e) p a + w O t （2-5） p a - i VD R f) w t O （2-6） u VT g) w O t （2-7） （2-8） 2.1.1 单相半波可控整流电路 • 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。 • 续流二极管 数量关系(id近似恒为Id） 图2-4 单相半波带阻感负载 有续流二极管的电路及波形

10. 2.1.1 单相半波可控整流电路 单相半波可控整流电路的特点 • 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。

11. u ( i ) d d u d i d b) p a a 0 w t u VT 1,4 c) 0 w t i 2 d) w 0 t 图2-5 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形 2.1.2 单相桥式全控整流电路 单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier) 1) 带电阻负载的工作情况 a) 电路结构 • 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。

12. （2-9） (2-11) d d u d i d b) p a a 0 w t u VT 1,4 c) 0 w t i 2 d) （2-10） w 0 t 2.1.2 单相桥式全控整流电路 • 数量关系 a 角的移相范围为180。 • 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：

13. （2-12） （2-13） d d u d i d b) p a a （2-14） 0 w t u VT 1,4 c) 0 w t i 2 d) w 0 t 2.1.2 单相桥式全控整流电路 • 流过晶闸管的电流有效值： • 变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等： • 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。

14. 2 w t O u d w t O I i d d w t O i I VT d 1,4 w O t i I VT d 2,3 w O t I i d 2 w t O I u d VT 1,4 w t O b) 2.1.2 单相桥式全控整流电路 • 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。 2）带阻感负载的工作情况 u 图2-6 单相全控桥带 阻感负载时的电路及波形

15. （2-15） 2 w • 晶闸管承受的最大正反向电压均为 。 t O u d w t O I i d d w t O i I VT d 1,4 w O t i I VT d 2,3 w O t I i d 2 w t O I u d VT 1,4 w t O b) 2.1.2 单相桥式全控整流电路 • 数量关系 • 晶闸管移相范围为90。 • 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。

16. u d E a q O d w t i d I d 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 。 w O t b) 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， 2.1.2 单相桥式全控整流电路 3） 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。 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 （2-16） 在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。

17. u d E α q O d w t i d I d w O t b) 2.1.2 单相桥式全控整流电路 如图2-7b所示id波形所示： • 当α < d时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。 电流连续 电流断续 图2-7b 单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的波形 • 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。

18. u d q p a = d E p w t 0 i d w O t 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 （2-17） 2.1.2 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。 • 为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：

19. u d a O w t i 1 w O t b) a) 2.1.3 单相全波可控整流电路 单相全波可控整流电路（Single Phase Full Wave Controlled Rectifier)，又称单相双半波可控整流电路。 图2-9 单相全波可控整流电路及波形 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。

20. 2.1.3 单相全波可控整流电路 • 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。

21. 2 b) w t O u d a w O t i I d d w O t I i d VT i 1 VD 4 p - a w t O I i d VT i 2 VD 3 p - a w O t I i d VD R a w t O I i d 2 w t O I 2.1.4 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）。 u 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。 d 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

22. 2 b) w t O u d a w O t i I d d w O t I i d VT i 1 VD 4 p - a w t O I i d VT i 2 VD 3 p - a w O t I i d VD R a w t O I i d 2 w t O I 2.1.4 单相桥式半控整流电路 • 单相半控桥带阻感负载的情况 • 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VD2续流。 • 在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，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。 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

23. 2.1.4 单相桥式半控整流电路 • 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。

24. 图2-11 单相桥式半控整流电路的另一接法 2.1.4 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 图2-5 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形 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。

25. 2.2 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

26. 2.2 三相可控整流电路·引言 • 交流测由三相电源供电。 • 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。

27. a) i R u u u a =0 d u a b c 2 b) w w w t t t w O t 1 2 3 u G c) w O t u d d) w O t i VT 1 e) O w t u VT f) 1 w t O u u ab ac 2.2.1 三相半波可控整流电路 1)电阻负载 • 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 。 • 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。 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 动画演示

28. a) R 2.2.1 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。 u u u a =0 u a b c 2 b) w w w t t t w O t 1 2 3 u G c) w O t u d 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。 d) w O t i VT 1 e) O w t u VT f) 1 w t O u u ab ac 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 动画演示

29. （2-18） 当a=0时，Ud最大，为 。 (2-19) 2.2.1 三相半波可控整流电路 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：

30. 2.2.1 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

31. （2-20） （2-21） （2-22） 2.2.1 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 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

32. 2.2.1 三相半波可控整流电路 • 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。 • 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。 2）阻感负载 u u u u a b c d O w t a i a w O t i b w O t i c w O t i d O w t O w t u ac 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 动画演示

33. 2.2.1 三相半波可控整流电路 • 由于负载电流连续，Ud可由式（2-18）求出，即 • 数量关系 • 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

34. （2-23） （2-24） （2-25） 2.2.1 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 • 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。

35. 2.2.2 三相桥式全控整流电路 导通顺序： VT1－VT2 －VT3－VT4 －VT5－VT6 共阴极组——阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5） • 三相桥是应用最为广泛的整流电路 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

36. 2.2.2 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

37. 时 段 I II III IV V VI 共阴极组中导通的晶闸管 VT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5 共阳极组中导通的晶闸管 VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6 整流输出电压ud ua-ub =uab ua-uc =uac ub-uc =ubc ub-ua =uba uc-ua =uca uc-ub =ucb 2.2.2 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 请参照图2－18

38. 2.2.2 三相桥式全控整流电路 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。 （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。

39. 2.2.2 三相桥式全控整流电路 三相桥式全控整流电路的特点 （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。

40. 2.2.2 三相桥式全控整流电路 • a≤60时（a=0图2－22；a =30 图2－23） • ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。 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 2) 阻感负载时的工作情况 主要 包括 • 区别在于：得到的负载电流id波形不同。 当电感足够大的时候， id的波形可近似为一条水平线。 • a >60时（a=90图2－24） • 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。 • 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。

41. （2-26） （2-27） 2.2.2 三相桥式全控整流电路 当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤60时）的平均值为： 3) 定量分析 带电阻负载且a>60时，整流电压平均值为： 输出电流平均值为 ：Id=Ud /R

42. （2-28） （2-29） 2.2.2 三相桥式全控整流电路 • 当整流变压器为图2-17中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-23中所示，其有效值为： 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 接反电势阻感负载时，在负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同。 仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为： 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。

43. a u u u u d b c a w O t i i i i i I i c a b c a d d w O t g 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 • 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。 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。 图2-25 考虑变压器漏感时的 三相半波可控整流电路及波形

44. （2-30） （2-31） 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 • 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。

45. 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 • 换相重叠角g的计算 （2-32） 由上式得： （2-33） 进而得出： （2-34）

46. 当 时， ，于是 （2-35） （2-36） 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 • 由上述推导过程，已经求得： 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。

47. 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 ② 电路形式 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。 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 • 变压器漏抗对各种整流电路的影响 表2-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算

48. 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 • 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。

49. 2.4 电容滤波的不可控整流电路 2.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路 2.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路

50. 2.4 电容滤波的不可控整流电路 • 在交—直—交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用。 最常用的是单相桥和三相桥两种接法。 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。