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1、第五章：整流电路,5.1 整流器的性能指标 5.2 单相相控整流电路 5.3 三相相控整流电路 5.4 大容量相控整流电路 5.5 相控整流电路的换相压降 5.6 整流电路的谐波分析 5.7 有源逆变电路 5.8 晶闸管相控电路的驱动控制 5.9 PWM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；,整流电路的类型 ：,5.1 整流器的性能指标,（1）输出的直流电压
2、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 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，,（
3、5.1.3）,（5.1.2）,2、电压脉动系数Sn,5.1 整流器的性能指标,整流电路输入断为各次谐波电流之和。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,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
4、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,5.1 整流器的性能指标 5.2 单相相控整流电路 5.3 三相相控整流电路 5.4 大容量相控整流电路 5.5 相控整流电路的换相压降 5.6 整流电路的谐波分析
5、 5.7 有源逆变电路 5.8 晶闸管相控电路的驱动控制 5.9 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 单相半波相控整流电路,图5.2.1 单相半波可控整流,1. 电阻性负载,（5.2.2）,5.2.1 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
6、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 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
7、大，波形系数Kf越大。,5.2.1 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）,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 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
8、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 单相半波相控整流电路,感性负载上的输出电压平均值Ud为,故,（5.2.11）,（5.2.12）,（5.2.13）,式(5.2.13)表明, 感性负载上的电压平均值等于 负载电阻上的电压平均值。,由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸管的流通角变大，且负载中L越大，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LR的情况 下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论为何值， ，都有 。,2. 电感性负载（大电感）,5.2.1 单相半波相控整流电路,图5.2.4
9、 LR 时不同时的电流波形,2. 电感性负载（大电感）,5.2.1 单相半波相控整流电路,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D，如图5.2.5(a)所示。,图5.2.5 大电感负载接续流管的单相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 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T和D分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导
10、通角， 则容易得出晶闸管的电压平均值为,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,（5.2.17）,（5.2.14）,（5.2.15）,（5.2.16）,1）优点：线路简单，调整方便； 2）缺点：（1）输出电压脉动大，负载电流脉动大（电阻性负载时）。（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。 3）应用：单相半波可控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。,3、单相半波可控整流电路特点：,5.2.1 单相半波相控整流电路,5.2.2 单相桥式相控整流电路,1、阻性负
11、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 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）整流输出电压的平均值,（5.2.18）,（5.2.19）,（5.2.20）,（5.2.21）,5.2.2 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.
12、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 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 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
13、。,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 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 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
14、数为。,5.2.2 单相桥式相控整流电路,2大电感负载参数计算：,5）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为,(5.2.29),(5.2.30),单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高， 变压器次级中电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题， 变压器的利用率高。在大电感负载情况下，接近/2时，输出电压的平均值接 近于零，负载上的电压太小。且理想的大电感负载是不存在的， 故实际电流波形不可能是一条直线，而且在之前，电流就 出现断续。电感量越小，电流开始断续的值就越小。,6）结论：,图5.2.9 单相全控桥式整流电路带反电势负载电路与波形图,3反电势负载工作原理,5.2.2 单相桥
15、式相控整流电路,反电动势负载：对于可控整流电路来说，被充电的蓄电池、电容器、正在运行的直流电动机的电枢（电枢旋转时产生感应电动势E）等本身是一个直流电压的负载。,图5.2.9 单相全控桥式整流电路带反电势负载电路波形图,3反电势负载工作原理,5.2.2 单相桥式相控整流电路,导电角时，整流电流波形出现断流。其波形如图5.2.9(c)所示，图中的为停止导电角。也就是说与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电。,(5.2.31),时，若触发脉冲到来，晶闸管因承受负电压不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当 时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样就要求触发角。,3反电势负载参数计算,5.2.2 单相桥式相控整流电路,(5.2.33),(5.2.32),1）整流器输出端直流电压平均值,2）整流电流平均值,1大电感负载时的工作情况,5.2.3 单相桥式半控整流电路,图5.2.10 单相半控桥式整流电路带 大电感负载时的电压、电流波形图,晶闸管在触发时刻被迫换流，二极管则在电源电压过零时自然换流；由于自然续流的作用，整流输出电压ud的波形没有负半波的部分，与全控桥电路带电阻性负载相同。的移相范围为0180，Ud、d的计算公式和全控桥带电阻性负载时相同；流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为180的方波且与无关，交流侧电流为正负对称的交变方波。,
