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1、第第2章：相控整流电路章：相控整流电路 本章要求本章要求: :1.1.了解整流器的性能指标了解整流器的性能指标. .2.2.掌握单相和三相相控整流的工作原理掌握单相和三相相控整流的工作原理. .3.3.理解有源逆变的工作原理理解有源逆变的工作原理. .4.4.晶闸管相控电路的驱动控制晶闸管相控电路的驱动控制. .相控整流电路概述相控整流电路概述整流电路；交流转换为直流整流电路；交流转换为直流 按照输入交流电源的相数按照输入交流电源的相数: :单相、三相和多相整流电路；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按电路中组成的电力电子器件控制特性: :不可控、半控、不可控、半控
2、、全控整流电路；全控整流电路； 根据整流电路的结构形式根据整流电路的结构形式: :半波、全波和桥式整流电路等半波、全波和桥式整流电路等类型。类型。二极管整流电路二极管整流电路: :电压固定；电压固定；相控整流电路相控整流电路: :电压可调电压可调. . 相控整流电路的类型相控整流电路的类型 ：2.1 整流器的性能指标整流器的性能指标 （1）输出的）输出的直流电压直流电压大小可以控制；大小可以控制； （2）输输出出直直流流侧侧电电压压和和交交流流侧侧电电流流中中的的纹纹波波都都必必须限制在须限制在允许范围允许范围内；内； （3）整流器的）整流器的效率效率要高。要高。 利用电力电子器件的可控开关特
3、性把交流电能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变为直流电能的整流电路构成的系统称为整流器整流器。l整流器电路性能和控制方式必须满足的要求：整流器电路性能和控制方式必须满足的要求：l定义：定义：小功率直流稳压电源的组成小功率直流稳压电源的组成小功率直流稳压电源的组成小功率直流稳压电源的组成功能：功能：把交流电压变成稳定的大小合适把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压的直流电压uou3u2u1交流电源交流电源交流电源交流电源负载负载负载负载变压变压变压变压整流整流整流整流滤波滤波滤波滤波稳压稳压稳压稳压基于二极管的不控整流电路基于二极管的不控整流电路整流
4、电路的作用整流电路的作用整流电路的作用整流电路的作用: : 将交流电压转变为脉动的直流电压。将交流电压转变为脉动的直流电压。 分析时可把二极管当作理想元件处理：分析时可把二极管当作理想元件处理：分析时可把二极管当作理想元件处理：分析时可把二极管当作理想元件处理： 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流原理：整流原理：整流原理：整流原理： 利用利用二极管二极管的单向导电性的单向导电性单相半波不控整流电路单相半波不控整流电路2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理 u u 正半周，正半周，正半周，正半周，V Va aVVb b，二极管二极管
5、二极管二极管 D D D D 导通；导通；导通；导通；3. 3. 工作波形工作波形工作波形工作波形 u 负半周，负半周，VaVVb b，二二二二极管极管极管极管 D D1 1、 D D3 3 导通，导通，导通，导通， D D2 2、 D D4 4 截止截止截止截止 。3. 3. 工作波形工作波形工作波形工作波形uD2uD41. 1. 电路结构电路结构电路结构电路结构 uuD t tRLuiouo1234ab+ + 动画动画单相桥式不控整流电路单相桥式不控整流电路2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理3. 3. 工作波形工作波形工作波形工作波形1. 1. 电路结构电路结构电路结构电路结构R
6、Luiouo1234ab+ + u 负半周，负半周，VaRLR的情况下，负载电压波形图中正负面积相近，即的情况下，负载电压波形图中正负面积相近，即的情况下，负载电压波形图中正负面积相近，即的情况下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论不论不论不论为何值，都有为何值，都有为何值，都有为何值，都有 U U U Ud d d d=0=0=0=0。 2. 电感性负载（大电感电感性负载（大电感LLR R ）l l图图图图2.2.4 2.2.4 LR LR 时不同时不同时不同时不同 时的电流波形时的电流波形时的电流波形时的电流波形2.2.1 单相半波相控整流电路单相半波相控整流电路( (续续) ) 2.
7、电感性负载（大电感）电感性负载（大电感）l l 大电感负载时输出大电感负载时输出大电感负载时输出大电感负载时输出平均电压为零，解决的平均电压为零，解决的平均电压为零，解决的平均电压为零，解决的办法是在负载两端并联办法是在负载两端并联办法是在负载两端并联办法是在负载两端并联续流二极管续流二极管续流二极管续流二极管D D，如图如图如图如图2.2.5(2.2.5(a)a)所示。所示。所示。所示。l l图图图图2.2.5 2.2.5 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半波整流电路及
8、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，负在电源电压正半周，负载电流由晶闸管导通提供；载电流由晶闸管导通提供； 电源电压负半周时，续电源电压负半周时，续流二极管流二极管D D维持负载电流。维持负载电流。输出电压输出电压UdUd与电阻性负载与电阻性负载相同。相同。负载电流负载电流是一个连续且平是一个连续且平稳的直流电流。稳的直流电流。3、单相半波可控整流电路总结：、单相半波可控整流电路总结：(1)带电阻性负载时，带电阻性负载时，的移相范围是的移相范围是0180。(2)(2)(2)(2)电感性负载时，输出电压波形出现负值部分，从而电感性负载时，输出电压波形出现负值部分，从而电感性
9、负载时，输出电压波形出现负值部分，从而电感性负载时，输出电压波形出现负值部分，从而使输出电压平均值减小。使输出电压平均值减小。使输出电压平均值减小。使输出电压平均值减小。 (3)在大电感负载情况下，输出电压的平均值接近于零。在大电感负载情况下，输出电压的平均值接近于零。解决的办法是加续流二极管。解决的办法是加续流二极管。(4)输输出出电电压压脉脉动动大大，而而且且只只利利用用到到了了一一半半的的输输入入电电压压，只适于小容量、波形要求不高的场合。只适于小容量、波形要求不高的场合。2.2.2 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、阻性负载图图2.2.6 单相全控桥式整流电路单相
10、全控桥式整流电路带电阻性负载的电路与工作波形带电阻性负载的电路与工作波形（的移相范围是的移相范围是00180180）工作原理分析：工作原理分析：1、阻性负载参数计算：、阻性负载参数计算：当当=0=0时，时， U Ud d = 0.9U= 0.9U2 2 ( (最大值最大值) )当当=180=180，U Ud d = 0(= 0(最小值最小值) )；所以带电阻性负载时，所以带电阻性负载时，的移相范围是的移相范围是00180180。1 1）整流输出电压的平均值）整流输出电压的平均值 （2.2.18）2) 输出电流的平均值输出电流的平均值3 3）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即）流
11、过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即（2.2.22）4 4）晶闸管承受的最大反向电压为）晶闸管承受的最大反向电压为 U U2 2。 、 的移相范围相等，均为的移相范围相等，均为0 0180180；、输出电压平均值、输出电压平均值U Ud是半波整流电路的倍；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、在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减 小一半；小一半； 通过上述数量关系的分析，通过上述数量关系的分析，电阻负载时，电阻负载时，对单相全对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：2大电感负载大电感负载 图图2.
12、2.8 2.2.8 单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与波形图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：工作原理分析：只有当控制角只有当控制角 /2时，时，负载电流才连续；当负载电流才连续；当 /2时，负载电流会不时，负载电流会不连续；连续；所以电路控制角的所以电路控制角的移相移相范围为范围为0 0/2/22大电感负载大电感负载参数计算：参数计算：1 1）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为2 2）晶闸管承受的最大正反向电压为）晶闸管承受的最大正反向电压为 U U2 2。(0(090)90)(2.2.27) 当当=0时，时， Ud
13、 = 0.9U2 (最大值最大值)当当=90， Ud = 0(最小值最小值)；所以大电感负载时，所以大电感负载时，的移相范围是的移相范围是090。3）/2时，电感电流会出现断续，输出电压的平均值时，电感电流会出现断续，输出电压的平均值接近于零，即负载上得不到直流电压。接近于零，即负载上得不到直流电压。解决的办法是在解决的办法是在负载两端加入续流二极管。负载两端加入续流二极管。加入续流二极管后，输出电加入续流二极管后，输出电压波形就与电阻性负载的波形一样了。压波形就与电阻性负载的波形一样了。 (1) 单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，变压器单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，变压器的利
14、用率高。的利用率高。相同条件下，输出电压是半波整流的两倍。相同条件下，输出电压是半波整流的两倍。 (2)带电阻性负载时，带电阻性负载时，的移相范围是的移相范围是0180。 (3)在大电感负载情况下，在大电感负载情况下，/2时，输出电压的平均值接时，输出电压的平均值接近于零，负载上的电压太小近于零，负载上的电压太小,电感电流会接近断续。解决的办电感电流会接近断续。解决的办法是加续流二极管。法是加续流二极管。3. 单相桥式整流电路总结：单相桥式整流电路总结：习题1. 有一电炉，其电阻有一电炉，其电阻R14.85，为了调节加热温度，用，为了调节加热温度，用一只晶闸管控制，供电电路为单相半波可控整流电
15、路，接一只晶闸管控制，供电电路为单相半波可控整流电路，接在在220V的市电交流电源上，试求：的市电交流电源上，试求：（1）画出可控整流电路图；）画出可控整流电路图；（2）当控制角为）当控制角为60o时，求加在电炉上的电压平均值；时，求加在电炉上的电压平均值；（3）当控制角为）当控制角为60o时，求通过电炉的电流平均值。时，求通过电炉的电流平均值。习题2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路如下图所示，已知变压器如下图所示，已知变压器副边电压波形及触发信号副边电压波形及触发信号波形如图中所示。波形如图中所示。(1)试画出输出电压试画出输出电压Ud的波形的波形及流过晶闸管及流过晶闸管T2的电流
16、波的电流波形。形。(2)图中图中,若有一只晶闸管因为若有一只晶闸管因为过流而烧成断路过流而烧成断路,结果会怎结果会怎样样?(3)如果这只晶闸管被烧成短如果这只晶闸管被烧成短路路,结果又会怎样？结果又会怎样？ 1 1）在）在t1t2期间，相电压比、相都高，如果在期间，相电压比、相都高，如果在t1时刻触发晶闸管时刻触发晶闸管导通，负载上得到相电压导通，负载上得到相电压uA。 2 2）在）在t2t3期间，相电压最高，若在期间，相电压最高，若在t2时刻触发时刻触发导导通，负载上得到通，负载上得到B相电压相电压uB， 关断关断 。 3 3）在）在t3 t4时期间，时期间，C C相电压最高，若在相电压最高
17、，若在t3刻触发刻触发导导通，负载上得到相电压通，负载上得到相电压uC，并关断并关断。 2.3.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路 1 1、电阻性负载工作原理分析、电阻性负载工作原理分析图图2.3.1 2.3.1 电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形( (=0=0) )自然换流点：自然换流点：tt1 1、tt2 2和和tt3 3时刻距相电压波形过零时刻距相电压波形过零点点3030电角度，把它叫做自然换流点。电角度，把它叫做自然换流点。把自然换流点作为计算控制角把自然换流点作为计算控制角的起点的起点，即该处，即该处=0=0（注意：注意：这与单相可
18、控整流电路是不同的这与单相可控整流电路是不同的）。）。2.3.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路( (续续) ) 1 1、电阻性负载工作原理分析、电阻性负载工作原理分析图图2.3.1 2.3.1 电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形( (=0=0) )1 1、电阻性负载工作原理分析、电阻性负载工作原理分析当当=30=30时，时，整整流输出电压流输出电压u ud、波波形临界连续。形临界连续。 当当=150=150时，整时，整流输出电压为零。流输出电压为零。图图2.3.2 三相半波相控整流三相半波相控整流=18、60时的波形图时的波形图2.3.1
19、三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路( (续续) ) 2 2、电阻性负载数量关系、电阻性负载数量关系式中式中2 2为整流变压器二次侧相电压有效值。为整流变压器二次侧相电压有效值。 (2.3.1) 当当30时，负载电流连续时，负载电流连续。输出电压平均值为输出电压平均值为 当当=0时整流输出电压平均值时整流输出电压平均值d最大。增大最大。增大，Ud减小，当减小，当=150时，时，Ud=0。所以带电阻性负载的三相所以带电阻性负载的三相半波相控整流电路的半波相控整流电路的移相范围为移相范围为01502.3.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路( (续续) ) 当当30时，负载电流断续。时
20、，负载电流断续。(4) 晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压峰值，晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压峰值，即即 ，最大正向电压为电源相电压，即最大正向电压为电源相电压，即 。2.3.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路( (续续) ) 3 3、大电感负载、大电感负载 (1) (1)在在3030时，时，u ud d的波形与电的波形与电阻性负载时相同。阻性负载时相同。 (2)30 (2)30时时u ud d波形出现部分负压。波形出现部分负压。 电路特点：电路特点：图图2.3.32.3.3 大电感负载的三相半波整流电路及波形大电感负载的三相半波整流电路及波形 续流二极管续流二极管续流二极管
21、续流二极管接续流二极管接续流二极管接续流二极管接续流二极管2.3.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路( (续续) ) 大电感负载（无续流二极管时）的数量关系大电感负载（无续流二极管时）的数量关系 当当=0时时Ud最最大大，当当=90时时，Ud=0。因因此此，大大电电感感负负载时，载时，三相半波整流电路的移相范围为三相半波整流电路的移相范围为090。整流输出电压平均值整流输出电压平均值ud为为(2.3.7) 2.3.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路( (续续) ) 大电感负载接续流二极管时数量关系大电感负载接续流二极管时数量关系2 2）续流二极管在一周）续流二极管在一周期内
22、导通三次期内导通三次。 1）ud的波形与纯电阻性负载时一样，的波形与纯电阻性负载时一样，Ud的计算公式也一样。的计算公式也一样。图图2.3.3 大电感负载接续流二极管的大电感负载接续流二极管的 三相半波整流电路三相半波整流电路2.3.1 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路( (续续) ) 2.3.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 共阴极组的自然换流点共阴极组的自然换流点( (=0)=0)在在tt1 1、tt、tt时刻，分别时刻，分别触发触发、晶闸管。晶闸管。 共阳极组的自然换流点共阳极组的自然换流点( (=0)=0)在在tt、tt、tt时刻，分别时刻，分别触发触发2 2、晶闸
23、管。晶闸管。 晶闸管的导通顺序为：晶闸管的导通顺序为：1 12 23 34 45 56 6。 图图2.3.42.3.4 三相桥式相控整流电路带电阻负载三相桥式相控整流电路带电阻负载 时的情况时的情况1 1、电阻性负载工作原理电阻性负载工作原理2、取不同值时取不同值时=30=30时工作波形：时工作波形：图图2.3.5 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 带电阻负载带电阻负载=30=30 时的情况时的情况2.3.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路( (续续) ) =60=60时工作波形：时工作波形：图图2.3.6 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 带电阻负载带电阻负载=60
24、=60 时的情况时的情况2.3.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路( (续续) ) =90=90时工作波形：时工作波形：图图2.3.7 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 带电阻负载带电阻负载=90=90 时的情况时的情况2.3.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路( (续续) ) 3、三相桥式全控整流电路参数计算三相桥式全控整流电路参数计算 2）当）当6060时，负载电流不连续。时，负载电流不连续。 3)电路的移相范围是电路的移相范围是120度。度。 1）当）当6060时，负载电流连续时，负载电流连续.整流输出电压的平均整流输出电压的平均值为值为（2.3.14）4)
25、4) 晶闸管承受的最大正、反向峰值电压为晶闸管承受的最大正、反向峰值电压为 2.3.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路( (续续) ) 4 4、大电感负载、大电感负载 图图2.3.8 2.3.8 带大电感负载的带大电感负载的三相全控桥式三相全控桥式 整流电路及整流电路及=0=0时的电流电压波形时的电流电压波形 1 1）=0=0时工作波形时工作波形电路移相范围为电路移相范围为0 09 9002.3.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路( (续续) ) 大电感负载大电感负载 图图2.3.9 2.3.9 带大电感负载的三相全控桥式整流电路在带大电感负载的三相全控桥式整流电路在=30
26、=30、9090时的电流电压波形时的电流电压波形 2 2）=30=30、9090时工作波形时工作波形2.3.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路( (续续) ) 5 5、大电感负载参数计算、大电感负载参数计算 在在009090范围内负载电流连续。范围内负载电流连续。(2.3.16)(2.3.16)1）整流输出电压的平均值为）整流输出电压的平均值为（009090）2）负载电流平均值为）负载电流平均值为(2.3.17)(2.3.17)2.3.2 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路( (续续) ) 3）晶闸管承受的最大电压为）晶闸管承受的最大电压为2.7.1 对触发电路的要求对触发电路
27、的要求 l 晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求：触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求： 、触发信号可为直流、交流或脉冲电压。为了减小门极的、触发信号可为直流、交流或脉冲电压。为了减小门极的损耗，一般不采用直流或直流信号触发，而多数采用脉冲触发。损耗，一般不采用直流或直流信号触发，而多数采用脉冲触发。l、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。 l、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡。、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡。 l、触
28、发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。围必须满足电路要求。图图2.7.1 2.7.1 强触发电流波形强触发电流波形2.7.2 晶闸管触发电路晶闸管触发电路 、单结晶体管触发电路、单结晶体管触发电路 图图2.7.2 2.7.2 单结晶体管触发单结晶体管触发电路及波形电路及波形 图图2.7.2 2.7.2 单结晶体管触发电路及波形单结晶体管触发电路及波形 经经D1D4整流后的直流电整流后的直流电源源UW，一路经一路经R2、R1加在单加在单结晶体管两个基极结晶体管两个基极b1、b2之间；之间；另一路通过另一路通过e对电容对电容
29、C充电、充电、通过单结晶体管放电。控制通过单结晶体管放电。控制BTBT的导通、截止；的导通、截止； 在电容上形成锯齿波振荡在电容上形成锯齿波振荡电压，在电压，在R R1 1上得到一系列前沿上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲很陡的触发尖脉冲u ug g.工作原理：工作原理：图图2.7.2 2.7.2 单结晶体管触发电路及波形单结晶体管触发电路及波形 当当R Re e增大时，单结晶增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电体管发射极充电到峰点电压压U Up p的时间增大，的时间增大，第一个第一个脉冲出现的时刻推迟脉冲出现的时刻推迟，即，即控制角控制角增大，实现了移增大，实现了移相。相。注：控制角注：控制角是由第一个是由第一个脉冲出现的时刻决定的。脉冲出现的时刻决定的。移相控制移相控制图图2.7.2 2.7.2 单结晶体管触发电路及波形单结晶体管触发电路及波形 触触发发脉脉冲冲ug由由1直直接接取取出出，这这种种方方法法简简单单、经经济济，但但触触发发电电路路与与主主电电路路有有直直接接的的电电联联系系，不不安安全全。所所以以一一般般采采用用脉脉冲冲变变压压器器输输出出。例例如如实实验验指指导导书书Page15Page15图图4-14-1。脉冲输出脉冲输出
