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1、第三章 晶闸管可控整流电路 3.1 整流电路的构成原理 3.2 单相可控整流电路分析 3.3 三相可控整流电路分析 3.4 电动势负载三相可控整流电路分析 3.5 交流电源回路电感效应 3.6 全控变流电路的有源逆变工作状态3.1 整流电路的构成原理整流电路的构成原理 整流电路的整流原理 整流电路的基本类型 整流电路的换相规律 负载性质对电路工作的影响 分析整流电路的假设条件 整流电路研究、学习的基本内容一. 整流电路的整流原理 原理： 利用整流管和晶闸管的单相导电开关特性，构成输出单一极性的电力变换电路，从而将输入的交流电能转换为输出的直流电能。 整流电路通常由整流变压器将电源电压变换为适宜
2、的电压幅值，为负载提供需要的直流电压及合理的电压调整范围。二. 整流电路的基本类型划分划分依据依据电源相数电源相数变变压压器器次次级级绕绕组组工工作制作制输出电压输出电压负载性质负载性质基本基本类型类型单相单相三相三相多相多相半波半波桥式桥式不可控不可控可控可控半控半控电阻负载电阻负载阻感负载阻感负载反电动势反电动势阻容负载阻容负载图1：单相半波不可控整流电路图3：单相半波可控整流电路图2：三相半波不可控整流电路图4：三相半波可控整流电路图6：三相全桥可控整流电路图5：单相全桥可控整流电路整流电路的原理图整流电路的原理图1. 桥式整流电路u半波整流电路的电源变压器次级绕组只通过单方向电流，变压
3、器利用率低，且有的电路存在直流磁势，造成铁芯直流磁化。u利用开关器件的单向导电开关特性可构成整流桥，可使电源变压器次级绕组通过正反两个方向的电流。u由于变压器次级绕组正负半周都工作，从而提高了变压器的利用率。2半波整流电路据整流电路中开关元件的连接方式，可分为共阴极组接法和共阳极组接法。 当整流电路中各开关元件的阴极接于一 点，而阳极分别接于各相电源时，称为共阴极组接法。 共阴极组接法为高通电路，输出电压极性为共阴极点为正，变压器次级中点为负。 当整流电路中各开关元件的阳极接于一点，而阴极分别接于各相电源时，称为共阳极组接法。 共阳极组接法为低通电路，输出电压极性为共阳极点为负，变压器次级中点
4、为正。三相半波电路a)共阴极接法b)共阳极接法三. 整流电路的换相规律对电源系统电压的要求对电源系统电压的要求 整流电路在工作过程中，要按照电源电压的变化规律周期性地切换整流工作回路。为保证在稳定工作状态下能均衡工作，使输出电压电流波形变化尽可能小，要求电源系统为对称的，且电压波动在一定范围之内。 2 2自然换相与自然换相点自然换相与自然换相点自然换相点: : 在不可控整流电路中，整流管将按电源电压变化规律自然换相，自然换相的时刻称为自然换相点。控制角 ：从自然换相点计起，到发出控制脉冲使晶闸管导通为止的时间间隔，以电角度表示，称为控制角。 l l对于对于共阴极组共阴极组接法的半波不可控整流电
5、路而言，为接法的半波不可控整流电路而言，为高通高通电路，即总是相电压电路，即总是相电压最高最高的一相元件导通。所以，自然的一相元件导通。所以，自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形换相点在相邻两相工作回路电源电压波形正半周正半周交点，交点，输出电压波形为电源电压波形输出电压波形为电源电压波形正半周正半周包络线。包络线。l l对于对于共阳极组共阳极组接法的半波不可控整流电路而言，为接法的半波不可控整流电路而言，为低通低通电路，即总是相电压电路，即总是相电压最低最低的一相元件导通。所以，自然的一相元件导通。所以，自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形换相点在相邻两相工作回路电源电压波形负半周负
6、半周交点，交点，输出电压波形为电源电压波形输出电压波形为电源电压波形负半周负半周包络线。包络线。四四. .负载性质对电路工作的影响负载性质对电路工作的影响、电阻负载、电阻负载 特点：特点：电压、电流的波形形状相同、电感性负载、电感性负载（主要指电感与电阻串联的电路） 特点：特点：负载电流不能突变，波形分为连续和不连续两种情况。、电容性负载、电容性负载（整流输出接大电容滤波） 特点：特点：由于电容电压也不能突变，所以晶闸管刚一触发导通时，电容电压为零，相当于短路，因而就有很大的充电电流流过晶闸管，电流波形呈尖峰状。 因此为了避免晶闸管遭受过大的电流上升率而损坏，一般不宜在整流输出端直接接大电容。
7、负载性质对电路工作的影响负载性质对电路工作的影响、反电势负载、反电势负载 （整流输出供蓄电池充电或直流电动机，即负载（整流输出供蓄电池充电或直流电动机，即负载有反电势）有反电势） 特点：特点：只有当输出电压大于反电动势时才有电只有当输出电压大于反电动势时才有电流流通，电流波形也呈较大的脉动。流流通，电流波形也呈较大的脉动。五五. .分析整流电路的假设条件分析整流电路的假设条件1、假定开关元件的开关特性是理想的的开关特性、假定开关元件的开关特性是理想的的开关特性 饱和压降为零饱和压降为零, ,漏电流为零漏电流为零 2、电源变压器是理想变压器、电源变压器是理想变压器 内阻为零，漏抗为零内阻为零，漏
8、抗为零3、电源为理想电动势、电源为理想电动势 内阻为零内阻为零 在理想条件下所得出的结论，大都适用于实在理想条件下所得出的结论，大都适用于实际的电路。对因与假定理想条件不符合而产生的际的电路。对因与假定理想条件不符合而产生的影响，可进一步根据实际特性进行修正。影响，可进一步根据实际特性进行修正。 六六. . 整流电路研究、学习的整流电路研究、学习的基本内容基本内容依据开关元件的理想开关特性和负载性质，分析电路的工作过程。根据电路工作过程分析波形，包括输出电压 ud 、各晶闸管端电压 uVT、负载电流 id 、通过各晶闸管电流 iVT 、以及变压器次级和初电流 i2 和 i1 等。 在波形分析基
9、础上，求得一系列电量间的基本数量关系，以便对电路进行定量分析。在设计整流电路时，数量关系可作为选择变压器和开关元件的依据。 3.2 单相可控整流电路分析 3.2.2 单相桥式全控整流电路 3.2.1 单相半波可控整流电路 3.2.3 单相桥式半控整流电路 3.2.4 单相整流电路电动势负载单相可控整流电路基本特点：交流侧接单相电源重点注意： 主电路形式、工作过程及波形分析、数量关系、不同负载的影响。3.2.1 单相半波可控整流电路 单相半波可控整流电路是组成各种类型可控整流电路的基础，所有可控整流电路的工作回路都可等效为单相半波可控整流电路。因此，对于单相半波可控整流电路的分析是十分重要的，可
10、作为研究各种可控整流电流的基础。单相半波可控整流电路可以为各种性质的负载供电。以下主要介绍电阻性负载和阻感负载。 单相半波可控整流电路及波形单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路一一. .电阻性负载电阻性负载1.主电路 输入为单相正弦交流电压源，经整流变压器变压，设次级电压为：2.工作过程及波形分析： 分为三个阶段(1)控制角：控制角：从晶闸管开始承受正向电压到开始导通的这一角度，以 表示。电阻性负载电阻性负载(2)(3)单相半波可控整流电路及波形导导通通角角：晶闸管在一个周期中处于 导 通 的 电 角 度 ， 以表 示 。电阻性负载3.数量关系电阻性
11、负载电阻性负载移相范围：控制角 的有效变化范围。电阻性负载电阻性负载移相范围：电阻性负载电阻性负载导通角：导通角：电阻性负载电阻性负载整流电路的功率因数主要受控制角 的影响。 当 = 0 时时 当 = 时时 可见，尽管是电阻负载，由于存在谐波电流，电源的功率因数也不会是1， 而且 越大，功率因越数小。阻感负载的波形单相半波可控整流电路 1.主电路 输入为单相正弦交流电压源，经整流变压器变压，设次级电压为：2. 工作过程及波形分析： 分为三个阶段(1)二二. .阻感负载阻感负载阻感负载阻感负载(2)(3) 阻感负载阻感负载阻感负载阻感负载移相范围：阻感负载阻感负载导通角：导通角：电力电子电路的一
12、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，分段进行分析计算。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。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处于导通状态阻感负载阻感负载3.3.数量关系数量关系当当VT处于通态时，如下方程成立：处于通态时，如下方程成立：VTRLu2VT处于导通状态（3-1）（3-2）（3-3）初始条件：t= ，id=0。求解式（3-1）并将初始条件代入可得当t=+ 时，id=0，代入式（3-2）并整理得其中，阻感负载阻感负载阻感负载阻感负载（数量关系
13、）阻感负载阻感负载负载负载阻抗角j 、触发角触发角 、晶闸管导通角晶闸管导通角的关系的关系若j j为定值， 越大，在u2正半周L储能越少，维持导电的能力就越弱， 越小。若a为定值，j j 越大，则L贮能越多， 越大；且j j 越大，在u2负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通的时间，ud中负的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。阻感负载阻感负载4.4.纯电感负载纯电感负载（LL R R ）特点：特点： 电源不做功 因为Ud=0，改变 不能控制Ud,但可控制Id的大小。有续流二极管电流断续三三. .有续流二极管的阻感负载有续流二极管的阻感负载1
14、.主电路2.工作过程及波形分析有电流断续和电流连续两种情况。电流断续：L作用较小或控制角较大时，在VD续流期间，Id衰减较快，等到下次触发VT时，Id已经下降到零。(1)有续流二极管的阻感负载有续流二极管的阻感负载(2)(3)有续流二极管电流断续有续流二极管的阻感负载有续流二极管的阻感负载电流连续：有续流二极管电流连续(1)(2)(3)有续流二极管的阻感负载有续流二极管的阻感负载3. 数量关系电流断续：L作用较小或控制角较大时，在VD续流期间，Id衰减较快，等到下次触发VT时，Id已经下降到零。有续流二极管的阻感负载有续流二极管的阻感负载3. 数量关系电流连续：有续流二极管的阻感负载有续流二极
15、管的阻感负载 电感电感L L充分大时充分大时（ L LRR） 负载电流负载电流i id d可可近似为一条水平线，恒近似为一条水平线，恒为为I Id d，则有则有图图- -L L充分大、带续流二极管单相半波可充分大、带续流二极管单相半波可控整流电路电流波形控整流电路电流波形有续流二极管的阻感负载有续流二极管的阻感负载 电感电感L L充分大时充分大时（L LRR） 图图- -L L充分大、带续流二极管单相半充分大、带续流二极管单相半波可控整流电路电流波形波可控整流电路电流波形单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路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简单，但输出脉动大，变压器二次侧
16、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在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。 3.2.2 单相桥式全控整流电路单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形一一. . 电阻性负载电阻性负载1.主电路2.工作过程及波形分析：分为四个阶段 VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压 u2，得到触发脉冲时导通，当u u2 2过零时关断。 VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负负半周承受电压-u2，得到触发脉冲时导通，当u2过零时关断。(1)(2)0电阻性负载单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形(3)(4)电阻性负载3.数量关系电阻性负载（数量
17、关系）数量关系）电阻性负载（数量关系）数量关系） 例例3-3 某电源装置采用单相桥式全控整流电路某电源装置采用单相桥式全控整流电路, ,向电阻负载供电向电阻负载供电, ,若该若该装置可输出在装置可输出在12v 30v 连续可调平均电压连续可调平均电压; ;触发电路最小控制角触发电路最小控制角min=20;输出平均电流输出平均电流Id均可达均可达20A。按下列两种条件求变压器次级电压和电流定按下列两种条件求变压器次级电压和电流定 额、晶闸管电压和电流定额：额、晶闸管电压和电流定额：理想条件；理想条件；整流回路两只晶闸管总通态整流回路两只晶闸管总通态平均压降平均压降2V、线路电压损失线路电压损失1
18、V、电源电压波动范围电源电压波动范围5%U2。 解 1.理想条件 据最高输出平均电压Ud=30V和最小控制角min=20，由式（3-31）可求得满足工作要求的整流变压器次级电压为 变压器次级电流定额应按严重工作条件考虑，故以输出平均电压Ud=12V、输出平均电流Id=20A为依据。 Ud=12V时的控制角最大，由式（3-31）可得电阻性负载电阻性负载=arccos(-0.224)=102.95 可见,按理想条件计算时,变压器次级电压定额应为U2=34.37V;次级电流定额应为I2=34.28A。 严重工作条件下，通过晶闸管电流有效值应为 例3-3Ue=(23) URm=(97.20145.80
19、)V按理想条件计算时，可选用KP30-2型晶闸管。则晶闸管通态平均电流 ITa应为例3-3 2.考虑晶闸管通态平均压降等条件 考虑到晶闸管通态平均压降（2V）、线路电压损失（1V）时，为保证整流装置能输出最高平均电压为30V，要求最高整流平均电压为 Ud=30+2+1=33V为保证在电源电压波动范围内，均能输出要求的电压，应按电源电压要求最低（0.95U2）的条件确定变压器次级电压定额，由式（3-31）可得同样，以输出平均电压为12V、输出平均电流为20A为严重工作条件，计算变压器次级电流定额。为保证输出平均电压为12V，整流平均电压应为例3-3Ud=12+2+1=15V在电源电压为最高（1.
20、05U2）时，Ud=15V对应的控制角最大，由式（3-31）可得=arccos(-0.202)=101.68例3-3则晶闸管通态平均电流ITa应为Ue=(23)URm=(118.2177.3)V可选用KP30-2型晶闸管。 可见，考虑到有关条件时，变压器次级电压定额应为U2=39.8V；次级电流定额应为I2=34A。 严重工作条件时，通过晶闸管电流有效值为例3-3单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路二二二二. . . . 阻感负载阻感负载阻感负载阻感负载1.主电路2.工作过程及波形分析根据L作用不同，有电流断续和电流连续两种情况。电流断续：L作用较小，(1)(2)阻感负载电流断续 阻感负载
21、阻感负载阻感负载电流断续 (3)(4) 阻感负载阻感负载阻感负载电流断续 (5)(6)阻感负载（电流断续）阻感负载（电流断续） 3.数量关系数量关系导通角：移项范围： 阻感负载阻感负载电流连续电流连续：(1)(2)阻感负载阻感负载电流连续电流连续：(3)(4)阻感负载（电流连续）3.数量关系阻感负载（电流连续）数量关系当 j j 时，I00，id连续有效移项范围：要使id连续:导通角： = 阻感负载（电流连续）数量关系3.2.3 单相桥式半控整流电路阻感负载电路及波形1.主电路半控：将全控中的VT3,VT4换成VD3,VD4；这样，VT1和VT2控制换相， VD3和VD4自然换相。 VT1和V
22、D4 构成一整流回路，VT2和VD3构成一整流回路。2.工作过程及波形分析一一一一. . 阻感负载阻感负载阻感负载阻感负载a.自然续流现象：（以id连续为例）(1)阻感负载阻感负载(2)阻感负载阻感负载(3)阻感负载阻感负载(4)阻感负载阻感负载(工作过程及波形分析工作过程及波形分析)b.失控现象及续流二极管 当控制角突然增大至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在正、负半周轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，这种异常现象称为失控失控。 例如：若在运行中，VT1和VD4导通时，切除触发脉冲。当u20时， VD4
23、和VD3自然换相， 则VT1和VD4又构成电源对负载供电的回路。这样，VT1一直导通， VD3和VD4交替导通，无法实现关断，产生失控现象。失控工作状态的电路波形阻感负载阻感负载b.失控现象及续流二极管 为了防止失控的发生，必须消除自然续流现象：负载两端反并联续流二极管VDR，提供另外一条通路。 有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。应当指出，实现这一功能的条件是VDR的通态电压低于自然续流回路开关元件通态电压之和，否则不能消除自然续流现象，关断导通的晶闸管。单相桥式半控整流
24、电路单相桥式半控整流电路二二二二. . 阻感负载加续流二极管阻感负载加续流二极管阻感负载加续流二极管阻感负载加续流二极管阻感负载-有续流二极管1.主电路2.工作过程及波形分析(1)(2)阻感负载加续流二极管阻感负载加续流二极管(3)(4)阻感负载-有续流二极管阻感负载加续流二极管阻感负载加续流二极管工作过程可表示为： 该电路电流波形的表示式比较复杂，在讨论有关电流的数量关系时，常以负载参数满足LR 为条件。这时，负载电流的变化量相对于平均电流是很小的，可以认为负载电流波形是平直的。相关波形见图。阻感负载-有续流二极管阻感负载加续流二极管阻感负载加续流二极管3.数量关系：单相桥式半控整流电路单相
25、桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路 的另一种接法的另一种接法 把把单单相相桥桥式式全全控控整整流流电电路路中中的的VT2和和VT4换换为为二二极极管管VD2和和VD4，这这样样可可以以省省去去续续流流二二极极管管VDR，续续流流由由VD2和和VD4来实现。来实现。 两两个个晶晶闸闸管管的的阴阴极极电电位位不同不同, ,触发电路需要隔离触发电路需要隔离. .03.2.4 单相整流电路电动势负载 整流电路的负载中，有一种带直流电动势的含源负载，由整流电路供给电能，实现能量传递与转换功能。作为负载的电动势，对整流电路而言为反向电势性质，故常称之为反电动势负载。从负载的构成看，带电动势E的负载可分为
26、RE和RLE两种类型。 一、RE负载 1、电动势对晶闸管开、关条件的影响 半波可控整流电路RE负载及桥式全控整流电路如图所示。RE负载单相半波可控整流电路及波形RE负载电源正半周u20时：当0t时 u2EVT反向阻断，不可能导通当t-时 u2EVT正向阻断，具备开通条件通当-t时 u2EVT反向阻断电源电压为：0 晶闸管导通时 晶闸管关断时 负载电压：ud=u2， 负载电压： ud=E 负载电流：id=（ud-E）/R 负载电流：id=0 终止导电角：从t= 起向左计量到终止导电时刻 为止的时间间隔，以电角度表示。 可由下式求得表示终止导电的时刻电动势对晶闸管开、关条件的影响0 RE负载单相桥
27、式全控整流电路及波形 2.RE负载单相桥式全控整流电路正半周VT1、VT4触发导通，负半周VT2、VT3触发导通要求控制角：RE负载单相桥式全控整流电路及波形 RE负载单相桥式全控整流电路 正半周VT1、VT4导通时RE负载单相桥式全控整流电路及波形 RE负载单相桥式全控整流电路负半周VT2、VT3导通时RE负载单相桥式全控整流电路及波形 RE负载单相桥式全控整流电路VT1VT4处于阻断状态时 基于上述三种工作状态，若以相同的控制角轮流触发VT1、VT4与VT2、VT3两对桥臂，则两条整流回路轮流工作，对电动势负载供电。电路波形如图所示，输出整流电压ud、电流id可用T=的周期量表示为 RE负
28、载单相桥式全控整流电路 3.数量关系晶闸管端电压为T=2的周期量 数量关系 电路有效移相范围为 - 电路输出整流电压平均值的表达式为输出电流平均值为输出电流有效值的表达式为晶闸管元件导通角为 数量关系二. RLE负载阻感负载-续流二极管1.主电路2.工作过程及波形分析(1)电流断续：电感L作用较小(2)(3)二. RLE负载阻感负载-续流二极管电流连续：(1)(2)单相可控整流电路小结： 电阻负载电阻负载电阻负载电阻负载 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 阻感负载阻感负载阻感负载阻感负载 单相可控整流电路单相可控整流电路单相可控整流电路单相可控整
29、流电路 电阻负载电阻负载电阻负载电阻负载 ( (工作过程、波形、工作过程、波形、工作过程、波形、工作过程、波形、 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 阻感负载阻感负载阻感负载阻感负载 反电动势负载反电动势负载反电动势负载反电动势负载 数量关系数量关系数量关系数量关系) ) 阻感负载阻感负载阻感负载阻感负载 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路 反电动势负载反电动势负载反电动势负载反电动势负载 0自然换相与自然换相点自然换相与自然换相点自然换相点: : 在不可控整流电路中，整流管将按电源电压变化规律自然换相，自然换相的时刻称为自然换相点。控制角 ：从自然换相点计起，到发出控制脉冲使晶闸管导通为止的时间间隔，以电角度表示，称为控制角。 00
