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1、第第2章章 整流电路整流电路2.1单相可控整流电路单相可控整流电路2.2三相可控整流电路三相可控整流电路2.4电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路2.9相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制1第第2章章 整流电路整流电路引言引言整流电路的分类整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种。按交流输入相数分为单相电路单相电路和多相电路多相电路。整流电路整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。22.1 单相可控整流电路单相可控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路2.1.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路2.1.3单相全波
2、可控整流电路单相全波可控整流电路2.1.4单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路32.1.1单相半波可控整流电路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 1）带电阻负载的工作情况）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。电电阻阻负负载载的的特特点点：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单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)42.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路VT
3、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相位控制方式，简称相控方式相控方式。首先，引入两个重要的基本概念：触触发发延延迟迟角角：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。导通角导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示。基本数量关系基本数量关系直流输出电压平均值为(2-1)52.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路2) 带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况图2-2带阻感负载的单相半波电路及其波形阻阻感感负负载载的的特特点点：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
4、变。讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +62.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路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。72.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路当VT处于通态时，如
5、下方程成立：VTb)RLu2b)VT处于导通状态（2-2）（2-4）初始条件：t= a ，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得当t=+a 时，id=0，代入式（2-3）并整理得（2-3）其中，82.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路续流二极管续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图2-4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续流。数量关系数量关系(
6、id近似恒为Id）（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）92.1.1单相半波可控整流电路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单相半波可控整流电路的特点102.1.3单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路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。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
7、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2-9单相全波可控整流电路及波形a)wtwab)udi1OOt112.1.3单相全波可控整流电路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，相应的，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。122.1.3单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路1) 带电阻负载的工作情
8、况带电阻负载的工作情况a)u (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工作原理及波形分析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。电路结构电路结构单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)132.1.3单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路数量关系数量关系（2-9）a 角的移相范围为
9、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：（2-10）(2-11)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4142.1.3单相桥式全控整流电路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。（2-12）（2-13）（2-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4152.1.3单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路2）带阻感负载的工作情况）带阻感负载的工作情况u2O
10、wtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图2-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形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t=+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，此过程称换相换相，亦称换流换流。162.1.3单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路数量关系数量关系（2-15）晶闸管移相范围为90
11、。晶闸管导通角与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。晶闸管承受的最大正反向电压均为。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4172.1.3单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路3）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在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。导通之后， ud=u2，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断
12、，此后ud=E 。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角，（2-16）b)idOEudwtIdOwtaqd182.1.3单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路当 30 的情况（的情况（图2-14）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动画演示31322.2.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路（2-18）当a=0时，Ud最大，为。(2-19)整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算a30时，负载电流连续，有：a30时，负载电流
13、断续，晶闸管导通角减小，此时有：332.2.1三相半波可控整流电路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342.2.1三相半波可控整流电路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（2-20）（2-21）（2-22）352.2.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2）阻感负载）阻感负载图2-16三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a=60时的波形特点：阻感负
14、载，L值很大，id波形基本平直。a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。a30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。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt动画演示362.2.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路数量关系数量关系由于负载电流连续，Ud可由式（2-18）求出，即当 00时，Ud/U2与 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
15、/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372.2.1三相半波可控整流电路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。（2-23）（2-24）（2-25）382.2.2三相桥式全控整流电路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共阴阴极极组组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共共阳阳极极组组阳极连接在
16、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：VT1VT2VT3VT4VT5VT6392.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路1）带电阻负载时的工作情况）带电阻负载时的工作情况当a60 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218）a =30（图219）a =60（图220）当a60 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221）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120404142432.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路晶闸管及输
17、出整流电压的情况如表21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218442.2.2三相桥式全控整流电路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与与VT4，VT
18、3与与VT6，VT5与与VT2，脉冲相差180。三相桥式全控整流电路的特点特点（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。452.2.2三相桥式全控整流电路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特点46 60 时时（ =0图222； =30图223）ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。各晶闸管
19、的通断情况输出整流电压ud波形晶闸管承受的电压波形2.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路2) 阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况主要包括 60 时（时（ a =90图224）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 角移相范围为90。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。472.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路3) 定量分析定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载 60 时）的平均值为：带
20、电阻负载且 60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为：Id=Ud /R（2-26）（2-27）482.2.2三相桥式全控整流电路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：（2-28）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：（2-29）式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。492.4 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路2.
21、4.1 电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路502.4 电容滤波的不可控整流电路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。512.4.1电容滤波的单相不可控整流电路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工作原理及波形分析图2-26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)波形基本工作过程基本工作过程：在u2正半周过零点至w wt
22、=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至w 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)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud至之后，VD1和VD4关断，电容开始以指数规律放电。522.4.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路2) 主要的数量关系主要的数量关系输出电压平均值输出电压平均值电流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
23、二极管承受的电压二极管承受的电压（2-47）（2-48）（2-49）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：Ud1.2 U2。(T为交流电源的周期)（2-46）532.4.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路感容滤波的二极管整流电路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2-29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,ud542.9
24、相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制2.9.1 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路552.9 相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制引言引言相控电路：相控电路：晶闸管可控整流电路，通过控制触发角 的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。采用晶闸管相控方式时的交流电力变换电路和交交变频电路（第4章）。相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制为保证相控电路正常工作，重要的是应保证按触发角 的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。56晶闸管对触发
25、电路的基本要求如下：1)触发信号应有足够大的功率为使晶闸管可靠触发，触发电路提供的触发电压和电流必须大于晶闸管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，即必须保证具有足够的触发功率。但触发信号不允许超过门极的电压、电流和功率定额，以防损坏晶闸管的门极。2)触发脉冲的同步及移相范围在可控整流、有源逆变及交流调压的触发电路中，为了保持电路的品质及可靠性，要求晶闸管在每个周期都在相同的相位上触发。因此，晶闸管的触发电压必须与其主回路的电源电压保持某种固定的相位关系，即实现同步。同时，为了使电路能在给定范围内工作，必须保证触发脉冲有足够的移相范围。3)触发脉冲信号应有足够的宽度，且前沿要陡。为使被触发的
26、晶闸管能保持住导通状态，晶闸管的阳极电流必须在触发脉冲消失前达到擎住电流，因此要求触发脉冲应具有一定的宽度，不能过窄。特别是当负载为电感性负载时，因其中电流不能突变，更需要较宽的触发脉冲。574)为使并联晶闸管元件能同时导通，触发电路应能产生强触发脉冲。其中，强触发电流幅值为触发电流值的35倍左右，脉冲前沿的陡度通常取为12A/s；脉冲宽度对应时间t2应大于50s，持续时间t3应大于550s。5)应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离582.9.1 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。三个基本环
27、节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。图2-54同步信号为锯齿波的触发电路592.9.1 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路1) 脉冲形成环节脉冲形成环节V4、V5脉冲形成V7、V8脉冲放大控制电压uco加在V4基极上图2-54同步信号为锯齿波的触发电路脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。602.9.1 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路2) 锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波的形成和脉冲移相环节
28、锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。恒流源电路方案恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路图2-54同步信号为锯齿波的触发电路61ucouco622.9.1 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路3) 同步环节同步环节同同步步要求触发脉冲的频率（锯齿波的频率）与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关V2管来控制的。V2开关的频率就是锯锯齿齿波波的的频频率率由同步变压器所接的交流电压来控制V2的通断作用，保证了触发脉冲与主电路电源同步。V2由导通变截止期间产生锯齿波锯锯齿齿波波起
29、起点点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯锯齿齿波波的的宽宽度度取决于充电时间常数R1C1。632.9.1 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路4) 双窄脉冲形成环节双窄脉冲形成环节内双脉冲电路V5、V6构成“或”门当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角 产生。隔60 的第二个脉冲是由滞后60 相位的后一相触发单元产生（通过通过V6）。三相桥式全控整流电路触发器接法如下图。64655)强触发环节电路右上角部分即为强触发环节，由+50V
30、电源、C6、R15、VD15组成，其中+50V电源通过单相桥式整流电路获得。在V8导通输出脉冲前，+50V电源已通过R15向C6充电，使B点的电位升到+50V。当V8导通时，C6经过脉冲变压器TP、R16及V8迅速放电。由于放电回路电阻较小，电容C6两端电压衰减很快，B点电位迅速下降。当B稍低于+15V时，二极管VD15由截止变为导通。虽然这时+50V整流电源电压较高，但它需向V8提供较大的负载电流，在R15上的电阻压降较大，不可能使C6两端电压超过+15V，故B点电位被钳制在+15V。当V8由导通变为截止时，+50V电源又通过R15向C6充电，使B点电位再升到+50V，为下一次强触发作准备。
31、电容C5的作用是提高强触发脉冲前沿陡度。66图图2-13 三相半波可控整流电路，电阻负载，三相半波可控整流电路，电阻负载， =30=30 时的波形时的波形a =30u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac67图图2-14 三相半波可控整流电路，电阻负载， =60时的波形wwttwtwta =60u2uaubucOOOOuGudiVT168图图2-18三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载 =0=0 时的波形时的波形wwwwu2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuac
32、ubcubaucaucbuabuacuaucubwt1OtOtOtOta =0iVT1uVT169图图2-19三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载 = 30 = 30 时的波形时的波形wwwwud1ud2a =30iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuVT170图图2-20三相桥式全控整流电路带电阻负三相桥式全控整流电路带电阻负载载 = 60 = 60 时的波形时的波形wwwa =60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbua
33、buacuaubucOtwt1OtOtuVT171图图2-21三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载 = 90 = 90 时的波形时的波形ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtOwtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT172图图2-22三相桥式全控整流电路带阻感负载三相桥式全控整流电路带阻感负载 = 0 = 0 时的波形时的波形ud1u2ud2u2LudidwtOwtOwtOwtOuaa =0ubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuaciVT173图图2-23三相桥式全控整流电路带阻感负载三相桥式全控整流电路带阻感负载 = 30 = 30 时的波形时的波形ud1a =30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacwtOwtOwtOwtOidiawt1uaubuc74图图2-24三相桥式全控整流电路带阻感负载三相桥式全控整流电路带阻感负载 = = 90 90 时的波形时的波形a =90ud1ud2uacubcubaucaucbuabuacuabuduacuabuacwtOwtOwtOubucuawt1uVT175
