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1、第五章：整流电路第五章：整流电路 l5.1 整流器的性能指标 l5.2 单相相控整流电路 l5.3 三相相控整流电路 l5.4 大容量相控整流电路 l5.5 相控整流电路的换相压降 l5.6 整流电路的谐波分析 l5.7 有源逆变电路 l5.8 晶闸管相控电路的驱动控制 l5.9 PWM整流电路 第五章：整流电路第五章：整流电路 整流电路；交流转换为直流 按照输入交流电源的相数:单相、三相和多相整流电路； 按电路中组成的电力电子器件控制特性:不可控、半控和全控整流电路； 根据整流电路的结构形式:半波、全波和桥式整流电路等类型。 相控整流电路:电压可调； 二极管整流电路:电压固定； 整流电路的类
2、型 ： 5.1 5.1 整流器的性能指标整流器的性能指标 （1）输出的直流电压大小可以控制； （2）输出直流侧电压和交流侧电流中的纹波都 必须限制在允许范围内； （3）整流器的效率要高。 利用电力电子器件的可控开关特性把交流电能 变为直流电能的整流电路构成的系统称为整流器。 2、整流器电路性能和控制方式必须满足的要求： 1、定义： 5.1 5.1 整流器的性能指标整流器的性能指标 整流器的输出电压是脉动的，其中除了有主要的直流成分外， 还有一定的交流谐波成分。定义整流器的输出电压的交流纹波有 效值UH与直流平均值UD之比为电压纹波系数u。即 1、电压纹波系数u （5.1.1） 如果直流输出电压
3、有效值用U表示，则 ， 因此有： 若第n次谐波峰值为Unm, 则定义Unm与UD之比为电压脉动系数Sn， （5.1.3） （5.1.2） 2、电压脉动系数Sn 5.1 5.1 整流器的性能指标整流器的性能指标 l 整流电路输入端为各次谐波电流之和。 l 输入电流总畸变率THD（Total Harmonic Distortion ）又称谐波因数HF（Harmonic Factor），是指除基波电 流以外的所有谐波电流有效值与基波电流有效值之比， 即 l 3、 输入电流总畸变率THD （5.1.4） 式中Isn为n次谐波电流有效值。 4、 输入功率因数PF 定义交流电源输入有功功率平均值P与其视在
4、功率S之比为输入 功率因数PF（Power factor）, 即 对于无畸变的正弦波，谐波电流在一个周期内的平均功率为零， 只有基波电流Is1形成有功功率 上式中1是输入电压与输入电流基波分量之间的相位角。则 称为基波位移因数(或基波功率因数)，于是输入功率因数为: （5.1.5） （5.1.6） 上式表明：功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素 共同决定。1越小，基波功率因数 越大，相应的PF也越大。另 一方面，输入电流总畸变率THD越小，功率因数PF也越大。 4、 输入功率因数PF(续) （5.1.7） 中 称为基波因数，且有 所以 式 （5.1.6） 第五章：整流电路第五章：整流
5、电路 l5.1 整流器的性能指标 l5.2 单相相控整流电路 l5.3 三相相控整流电路 l5.4 大容量相控整流电路 l5.5 相控整流电路的换相压降 l5.6 整流电路的谐波分析 l5.7 有源逆变电路 l5.8 晶闸管相控电路的驱动控制 l5.9 PWM整流电路 在单相相控整流电路中，定义晶闸管从承受正向电压起到触 发导通之间的电角度称为控制角(或移相角)，晶闸管在一个周期 内导通的电角度称为导通角，用表示。 5.2.1 5.2.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路 P69P69 图5.2.1 单相半波可控整流 1. 电阻性负载 （5.2.2） 5.2.1 5.2.1 单相半波相
6、控整流电路单相半波相控整流电路 上式(5.2.3)表明，只要改变控制角(即改变触发时 刻)，就可以改变整流输出电压的平均值，达到相控 整流的目的。 1. 电阻性负载时参数计算： 根据波形图5.2.1 (b)，可求出整流输出电压平均值为： 移相范围：整流输出电压Ud的平均值从最大值变 化到零时，控制角的变化范围为移相范围。 当=0时，Ud=0，当=时，Ud=0.45U2为最大值。 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，简称相控方式。 单相半波相控整流电路带电阻性负载时移相范围为。 图5.2.1 单相半波可控 整流波形图 5.2.1 5.2.1 单相半波相控整流
7、电路单相半波相控整流电路 1. 电阻性负载时参数计算（续）： 图5.2.1 单相半波可控 整流波形图 根据有效值的定义，整流输出电压的有效值为 （5.2.4） 那么，整流输出电流的平均值Id和有效值I分别为 电流的波形系数Kf为 （5.2.7） （5.2.5）（5.2.6） 上式(5.2.7)表明，控制角越大，波形系数Kf越大。 5.2.1 5.2.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路 1. 电阻性负载时参数计算（续）： 图5.2.1 单相半波可控 整流原理 （5.2.8） 如果忽略晶闸管T的损耗，则变压器二次侧输出的有功功率为 电源输入的视在功率为 （5.2.10） （5.2.9）
8、从上式可知，功率因数是控制角的函数，且越大，相控整流输出电压越低，功 率因数PF越小。 当=0时，PF=0.707为最大值。这是因为电路的输出电流中不仅存在谐波，而且 基波电流与基波电压(即电源输入正弦电压)也不同相，即是使电阻性负载，PF也不 会等于1。 电路的功率因数 5.2.1 5.2.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路 2. 电感性负载 （等效为电感L和电阻R串联） 图5.2.3 感性负载单相半波可控整流电路及其波形 工作原理 2. 电感性负载 5.2.1 5.2.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路 感性负载上的输出电压平均值感性负载上的输出电压平均值U Ud d为
9、为 故 （5.2.11） （5.2.12） （5.2.13） 式式(5.2.13)(5.2.13)表明表明, , 感性负载上的电压平均值等于感性负载上的电压平均值等于 负载电阻上的电压平均值。负载电阻上的电压平均值。 l l 由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸管的由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸管的 流通角流通角变大，且负载中变大，且负载中L L越大，越大，越大，输出电压波形图上负压的面越大，输出电压波形图上负压的面 积越大，从而使输出电压平均值减小。在大电感负载积越大，从而使输出电压平均值减小。在大电感负载L LRR的情况的情况 l l 下，负载电压波形
10、图中正负面积相近，即不论下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论为何为何 值，值， ，都有，都有 。 2. 电感性负载（大电感） 5.2.1 5.2.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路 l l 图图5.2.4 5.2.4 L LR R 时不同时不同 时的电流波形时的电流波形 2. 电感性负载（大电感） 5.2.1 5.2.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路 l l 大电感负载时输出平均电压为零，解大电感负载时输出平均电压为零，解 决的办法是在负载两端并联续流二极管决的办法是在负载两端并联续流二极管D D ，如图如图5.2.5(5.2.5(a)a)所示。所示。 l l 图图5
11、.2.5 5.2.5 大电感负载接续流管的单相大电感负载接续流管的单相 l l 半波整流电路及电流电压波形半波整流电路及电流电压波形 在电源电压正半周，负载电流由晶 闸管导通提供； 电源电压负半周时，续流二极管D 维持负载电流； 因此负载电流是一个连续且平稳的 直流电流。大电感负载时，负载电流波 形是一条平行于横轴的直线，其值为Id ； 晶闸管与续流管承受的最大电压均为 5.2.1 5.2.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路 2. 电感性负载（大电感）参数计算 若设若设 T T和 和 D D分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，
12、则容易得出晶闸管的电流平均值为则容易得出晶闸管的电流平均值为 流过续流二极管的电流平均值为流过续流二极管的电流平均值为 流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为 （5.2.17） （5.2.14） （5.2.15） （5.2.16） l1）优点： l 线路简单，调整方便； l2）缺点： l （1）输出电压脉动大，负载电流脉动大（电阻性负 载时）。 l （2）整流变压器次级绕组中存在直流电流分量， 使铁芯磁化，变压器容量不能充分利用。若不用变压器 ，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损 耗。 l3）应用： l 单相半波可控整流电路只适于小容量、波形要求不
13、 高的场合。 3、单相半波可控整流电路特点： 5.2.1 5.2.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路 5.2.2 5.2.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路 P74P74 1、阻性负载 图5.2.6 单相全控桥式整流电路 带电阻性负载的电路与工作波形 （的移相范围是0180） 工作原理分析： 5.2.2 5.2.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路 1、阻性负载参数计算： 3）输出电流的平均值和有效值分别为 2）整流输出电压的有效值为 即Ud为最小值时，=180，Ud为最大值时=0，所以单相全控 桥式整流电路带电阻性负载时，的移相范围是0180。 1）整流输出电压的
14、平均值 （5.2.18） （5.2.19） （5.2.20） （5.2.21） 5.2.2 5.2.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路 1、阻性负载参数计算： 4）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即 5）流过每个晶闸管的电流有效值为 （5.2.23） （5.2.22） 6）晶闸管承受的最大反向电压为 U2。 7）在一个周期内每个晶闸管只导通一次，流过晶闸管的电流 波形系数为 （5.2.24） 5.2.2 5.2.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路 1、阻性负载参数计算： 9） 在一个周期内电源通过变压器两次向负载提供能量，因此负载电流有效值d与变压器次级电流
15、有 效值I2相同。那么电路的功率因数可以按下式计算 8）负载电流的波形系数为 （5.2.26） （5.2.25） 5.2.2 5.2.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路 、 的移相范围相等，均为0180； 、输出电压平均值Ud是半波整流电路的倍； 、在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减 小一半； 、功率因数提高了 倍。 通过上述数量关系的分析，电阻负载时，对单相全控桥式整流电路与半波整流 电路可作如下比较： 5.2.2 5.2.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路 2大电感负载 图5.2.8 单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与波形图 工作原理分析： 电路控制角的移相范围为0/2 5.2.2 5.2.2 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路 2大电感负载参数计算： 1）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为 2）整流输出电压有效值为 3）晶闸管承受的最大正反向电压为 U2。 (090) (5.2.27) (5.2.28) 4）在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通， 变压器次级中的电流是正负对称的方波，电流的平均值Id和 有效值I相等，其波形系数为。 5.2.2 5.2.2 单相桥式相控整流电路单相桥
