1、PWM整流 電路工作原 理，分析和 相控整流電 路的原理和 性能不同之 處 相控整流電路-正文 編輯本段回目錄 采用相位控制方式以實現負載端直流電能控制的可控整流電路。可控是因為整流元件使 用具有控制功能的 晶閘管。在這種電路中，只要適當控制晶閘管觸發導通瞬間的相位角，就 能夠控制直流負載電壓的平均值。故稱為相控。 分類相控整流電路分為單相、三相、多相整流電路3種。 單相整流電路圖1a為單相半波可控整流電路。 匡圖中ug為晶閘管的觸發脈沖， 其 工作過程如下：當 比負半周時，晶閘管不導通。在 匕正半周時，不加觸發脈沖之前，晶閘 管也不導通，只有加觸發脈沖之后，晶閘管才導通，這時負載Rd上流過電

2、流。在電流為零 時刻，晶閘管自動關斷，為下一次觸發導通作好準備，如此循環往復，負載上得到脈動的直 流電壓Ud。晶閘管從開始承受正向電壓起到開始導通這一角度稱為控制角，以a表示。這樣， 只要改變控制角a的大小，即改變觸發脈沖出現的時刻，就改變了直流輸出電壓的平均值。 觸發脈沖總是在電源周期的同一特定時刻加到晶閘管的控制極上，所以，觸發脈沖和電源電 壓在頻率和相位上要配合好，這種協調配合的關系稱為同步。圖1b為單相橋式可控整流電 路。它與單相半波可控整流電路相比，其變壓器利用系數較高，直流側脈動的基波頻率為交 流基波的二倍，故為小功率場合常用的整流電路之一。這里，脈波數 P的概念很重要。所 謂脈波

3、數就是在交流電源的一個周期之內直流側輸出波形的重復次數。通常脈波數越多，直 流側輸出越平滑，交流側電流越接近正弦波。 為了增加脈波數，可以增加交流側相數，但是， 一般相數增加越多，各相的通電時間變得越短，這樣會使整流元件與整流變壓器副邊繞組的 利用率變壞，使裝置體積變大，成本提高。圖1c為單相橋式半控整流電路，由于可控的晶 閘管與不控的二極管混合組成 ，故稱半控。F稱續流二極管，若直流電壓變為負值，它成為 直流側環流的路徑，維持輸出電壓為零。 單相整流電路比較簡單，對觸發電路的要求較低，相位同步問題很簡單，調整也比較容 易。但它的輸出直流電壓的紋波系數較大。由于它接在電網的一相上， 易造成電網

4、負載不平 衡,所以一般只用于4kW以下的中小容量的設備上。如果負載較大，一般都用三相電路。 三相整流電路當整流容量較大，要求直流電壓脈動較小，對快速性有特殊要求的場 合，應考慮采用三相可控整流電路。這是因為三相整流裝置三相是平衡的，輸出的直流電壓 和電流脈動小，對電網影響小，且控制滯后時間短。匡圖2為三相橋式全控整流電路及其 W 3 * f 輸出電壓波形。在理想情況下, 晶閘管導通，一個是共陽極組的 們同時導通才能形成導電回路。 電路在任何時刻都必須有兩個 ,另一個是共陰級組的，只有它 、T2、T3、T4、T5、T6 的觸發 脈沖互差60 。因此，電路每隔 次序為2t3宀4宀56,每個晶閘管導

5、通 120。在整流電 路合閘后，共陰極和共陽級組各有一個晶閘管導通。因此,每個 60有一個晶閘管換流， 導通 觸發脈沖的寬度應大于 60、小于120 ,或用兩個窄脈沖等效地代替大于60的寬脈沖， 即在向某一個晶閘管送出觸發脈沖的同時，向前一個元件補送一個脈沖，稱雙脈沖觸發。整流 輸出電壓波形如圖2所示。當Tl、T6導通時，Ud= Uab ；Tl、T2導通時，Ud=Uac；同理，依次為 Ubc, Uba , Uca, Ucb，均為線電壓的一部分，脈動頻率為300Hz，晶閘管Tl上的電壓UT1波形分為 三段，在Tl導電的120中，UT1= 0 （僅管壓降）；當 T3導通，Tl受反向電壓關斷，UT1

6、= Uab； T5導通時，T3關斷，UT1= Uac。因此晶閘承受的最大正、反向電壓為線電壓的峰值。 采用三相全控橋式整流電路時，輸出電壓交變分量的最低頻率是電網頻率的6倍，交流 分量與直流分量之比也較小，因此濾波器的電感量比同容量的單相或三相半波電路小得多。 另外，晶閘管的額定電壓值也較低。因此，這種電路適用于大功率變流裝置。 多相整流電路隨著整流電路的功率進一步增大（如軋鋼電動機，功率達數兆瓦），為 了減輕對電網的干擾，特別是減輕整流電路高次諧波對電網的影響，可采用十二相、十八相、 二十四相，乃至三十六相的多相整流電路。區圖3a為兩組三相橋串聯組成的十二相整流電 路。為了獲得十二相波形，每

7、個波頭應該錯開30。所以采用三繞組變壓器，次級的兩個 繞組一個接成星形，另一個接成三角形，分別供給兩組三相橋。兩組整流橋串聯后再接到負 載。由于兩組整流橋輸出的電壓的相位彼此差30，因此在負載上得到十二脈波的整流電 壓，合成電壓中最低次諧波頻率為600Hz，輸出電壓Ud=Ud1+Ud2,電流id=id1=id2。圖3b是兩組 三相橋并聯組成大電流的十二相整流電路。兩橋變壓器次級繞組電壓依次相差30。若兩 組橋的交流線電壓相等，各自的控制角也相等，則兩組橋的整流平均電壓也相等，只要極性相 符合，就可以并聯運行。但是兩組整流電壓的瞬時值是不等的，兩組電源間會出現交流環流。 為了限止環流，延長晶閘管

8、的導通時間，需要加入平衡電抗器，輸出電壓Ud=（ Ud1+Ud2）/2，電流 i d = i d1+i d2。 采用多相整流電路能改善 功率因數，提高脈動頻率，使變壓器初級電流的波形更接近正 弦波，從而顯著減少諧波的影響。理論上，隨著相數的增加，可進一步削弱諧波的影響。但 這樣做增加了設備費用， 在技術上對精確地得到相同的控制角提出了較嚴格的要求。因而需 對方案的技術經濟指標進行全面分析，最后作出選擇。 主要特性相控整流電路具有以下幾個主要特性。 輸出直流平均電壓 Ud，在脈波數為P的整流電路中一般有 Ud= Uda- kXI d（1） 式中U為考慮了負載電流引起的電壓降時的直流電壓， k是與

9、電路有關的常數， X是換相電 抗，Id為直流平均電流。由式（1）可見，電壓降主要由交流側電抗引起，由換相重疊現象引起 的電壓降與換相結束時的直流 的作用。 側電流成正比。從直流側看， 交流側電抗起著一個等效電阻 式中Ua為相位控制時的空載 * * 沖軟戌0 1 Uda=UoCOS a (2) 訂二叭 P蘋 P-Pv 電壓，a為控制角。 式中Uo為空載無相位控制時電壓; U2為交流電壓有效值， 在P相半波整流電路中為相電壓, 在P2相橋式整流電路中為線電壓。 當控制角為a時,式（2）適用于全控橋式電路，式（3） 適用于半控橋式電路。 整流變壓器容量和整流功率 Pd的關系：變壓器平均計算容量 S為

10、 S= （ S + S）/2 S2= maU2l2；m、m2分別為變壓器初、次級繞組 式中S為初級容量，S = miUIi；S2為次級容量, 相數。帶有大電感負載的三相半波電路如圖 可以分解成直流分量i 2=和交流分量K O 由于直流分量i 只能產生直流磁通勢，所以它無 法影響初級電流作相應變化。而交流分量 K將通過變壓器的磁耦合反映到初級電流中去。 4所示。囹由圖可見，變壓器次級繞組電流i2 這樣，初、次級電流有效值分別為I 1=I d/3、I 2=I d/ -。在a= 0。和不考慮電網電壓波動 等情況下，得S=1.48Fd、S= 1.21 Pd、S= 1.345 Pd,其中Pd為整流功率。

11、在三相橋式電路中， 次級無直流分量電流，所以初、次級電流是波形相同的交流電，故S= 1.05 Pd,可見橋式接線 時變壓器利用率提高。 重疊導電現象和電壓降：圖5所示為變壓器漏抗存在時對整流電路波形的影響。囹當 T1處于導通狀態，給直流側提供電流I d時，觸發T2,若UdV Ub,則T2變為導通狀態。但由于交 流側存在漏感，T2中的電流并不立即變為Id, T1中的電流也不立即降為零，因此出現T1和T2 同時導通的狀態，這種狀態稱為換相重疊現象，這段時間以相角計算，稱換相重疊角，用 u表 示。在重疊期中，輸出電壓為（Ud+Ub）/2,與不考慮漏抗時相比，輸出電壓降低了（Ub-Ud）/2。 重疊期

12、內直流電流一定的話，則T1、T2回路中流過環流i，這時a相電流i d=I d-i將逐漸減小， 而b相電流i b= i ,當ib增加到Id時，id就等于零，這樣就完成了換相過程。關于電流i，2 X di /d 0 = Ub- Ud式成立，由于在控制角 a處i =0,在（a + U）處i =1 d，故有2X I d=（ Ub- Ud）u。 因此，交流電流在一周期內換相一次引起的平均輸出電壓降為dx= XId/2 n。重疊角U隨a 不同而不同，但電壓降是與a無關的常數。在三相橋式電路中，由于一周內換相 6次，換相 壓降nx = 6XId/2 n，式中X是每相的電抗。 輻射單元 /移相器 / 功率分配

13、念,至發射機 S1 相控陣天坂示意圖 整流電路的功率因數及諧波：功率因數入=P/S= (1 cos 0,卩稱畸變因數，表征電流對正弦波的偏離度；cos 0稱位移因數；0為電壓和基波電流間的相位移。在不控整流 電路中，當重疊角很小時，交流側基波電流與電壓相位相同， 即cos 0 = 1。所以,功率因數可由圖6中的電流波形計算求得， 匡其值分別為單相橋式電路是2、 I n疋0.900,三相橋式電路 是3I n疋0.955 ,在P= 12的電路中為0.989 ,故對于12脈波 以上的電路，實際上可以認為功率因數近似于1。采用晶閘管相位控制時，由于交流電流波 形形狀不變，只是相位延遲了一個控制角a，所

14、以可控整流電路的功率因數入=1 cos a , 此時0 = a，即為不可控整流電路的功率因數乘以位移因數cos a，考慮重疊角時的功率因 數，由于存在重疊角 U,除電流相位延遲外，電流波形也由近似的方波變為近似的梯形波， 其有效值也有所改變，因而功率因數的計算趨于復雜。近似地可以只考慮相位延遲的影響。 如三相橋式電路的控制角為 a ,重疊角為U,則功率因數為0.955 cos( a + U/2)。在整流電 路產生的諧波中，若控制保持對稱的話， 則僅有特定次數的諧波從交流電源側流出。在三相 P脈波整流電路中僅產生 nP土 1次諧波(n= 1, 2,)。 選擇整流電路時，主要從電性能好、結構簡單、

15、經濟實用、對電網影響小等方面考慮， 合理選用。 相控整流電路 整流電路；交流轉換為直流。 相控整流電路：電壓可調。 二極管整流電路：電壓固定。 相控整流電路的類型：按照輸入交流電源的相數：單相、三相和多相整流電路; 按電路中組成的電力電子器件控制特性：不可控、半控整流電路； 2.2單相相控整流電路 單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控整流電路，它 們所連接的負載性質不同就會有不同的特點。 2.2.1單相半波相控整流電路 1.電阻性負載 圖2.2.1單相半波可控整流 如圖2.2.1 (a)所示是 單相半波相控整流帶電阻性負載的 電路。圖中Tr稱為 整流變壓器，其二次側的輸出電壓為 u2 二、2U2 si nt( 2. 2.1) 在電源正半周，晶閘管 T承受正向電壓，3t a期間由于未加觸發脈沖 Ug , T處于正向阻斷狀態而承受全部電壓U2，負載Rd中無電流通過，負載上 壓Ud為零。在3 t = a時T被ug觸發導通，電源電壓 U2全部加在Rd上(忽略 管壓降)，至U 3 t = n時，電壓u2過零，在上述過程中， Ud=U2。隨著電壓的下降 電流也下降，當電流下降到小于晶閘管的維持電流時，晶閘管T關斷，此時id、 Ud均為零。在U2的負半周，T承受反壓，一直處于反相阻斷狀態，U2全部加在 T兩端。直到下一個周期的