1第3章整流電路

3.1單相可控整流電路

3.2三相可控整流電路

3.3變壓器漏感對整流電路的影響

3.4電容濾波的不可控整流電路

3.5整流電路的諧波和功率因數

3.6大功率可控整流電路

3.7整流電路的有源逆變工作狀態

3.8整流電路相位控制的實現

本章小結第二章內容回顧晶閘管的工作原理晶閘管的特性晶閘管的主要參數3第3章整流電路·引言整流電路的分類：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結構可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數分為單相電路和多相電路。按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。整流電路：出現最早的電力電子電路，將交流電變為直流電。43.1

單相可控整流電路

3.1.1單相半波可控整流電路

3.1.2單相橋式全控整流電路

3.1.3單相全波可控整流電路

3.1.4單相橋式半控整流電路51.電路分析前提；2.課本中的標識符號定義3.電路模型；4.不同負載的各類波形分析；5.重要名詞的理解掌握；6.相關數值計算；7.元器件選擇；8.習題、例題。掌握內容3.1.1單相半波可控整流電路6開關器件為理想器件，無開通、關斷延時時間，無功率損耗；iA=0，晶閘管關斷；iA>0，晶閘管不關斷；不考慮變壓器漏感在內的交流側電感；換相過程是瞬時完成的；電源為理想的50HZ正弦波；不考慮變壓器的損耗；電路分析前提3.1.1單相半波可控整流電路7模擬放大電路中電壓和電流的符號

直流分量（靜態值）：大寫大注IBICUBEUCE總電量（瞬時值）：小寫大注iBiCuBEuCE

交流分量（瞬時值）：小寫小注ibicubeuce

交流分量（有效值）：大寫小注IbIcUbeUce

8

瞬時值符號

u1：一次電壓瞬時值；u2：二次電壓瞬時值；

ud：直流輸出電壓瞬時值；id：直流輸出電流瞬時值；

uVT：晶閘管承受的電壓瞬時值；

iVT：晶閘管流過的電流瞬時值；

iVD：二極管流過的電流瞬時值；

i2：變壓器二次側電流瞬時值；3.1.1單相半波可控整流電路課本中的標識符號定義9

有效值符號

U1：一次電壓有效值；U2：二次電壓有效值；

U：負載輸出電壓有效值；I：負載輸出電流有效值；

IVT:流過晶閘管電流有效值；I2:變壓器二次側電流有效值;

IVDR:流過二極管電流有效值；3.1.1單相半波可控整流電路課本中的標識符號定義10平均值符號

Ud：直流輸出電壓平均值；

Id：直流輸出電流平均值；

IdVT:流過晶閘管電流平均值；

IdVDR:流過二極管電流平均值;3.1.1單相半波可控整流電路課本中的標識符號定義一、單相半波可控整流電路重點注意：工作原理波形分析定量計算

電壓和電流平均值、有效值的定量計算。不同負載的影響阻性負載、感性負載、容性負載、電動勢負載1.電路:交流側接單相電源變壓器T起變換電壓和隔離的作用電阻負載的特點：電壓與電流成正比，兩者波形相同

U2是u2有效值

u2峰值（一）帶電阻負載的工作情況2.基本工作原理

工作過程和特點：（1）在U2的正半周，VT承受正向電壓，0～ωt1期間，無觸發脈沖，VT處于正向阻斷狀態，UVT＝U2，Ud=0;（2）ωt1以后，VT由于觸發脈沖UG的作用而導通，則Ud=U2,UVT=0,Id=U2/R，一直到π時刻；（3）π～2π期間，U2反向，VT由于承受反向電壓而關斷,UVT=U2,Ud=0。以后不斷重復以上過程。特點：為單拍電路，易出現變壓器直流磁化，應用較少。單相半波可控整流電路及波形圖(純電阻負載)

14wtuda

qa：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發脈沖止的電角度，用a表示，也稱觸發角、觸發延遲角或控制角。q：即晶閘管在一個周期內導通的電角度，稱導通角。幾個重要的基本概念：移相范圍：能使輸出電壓從最大到最小的延遲角的變化。自然換流（相）點：交流電路由負電壓（或正電壓）過零的時刻。換流：在電路中，電流從一個支路向另一個支路轉換的過程。

直流輸出電壓平均值Ud

說明：使用萬用表直流檔測量Ud即為該數值；

U2為電源電壓有效值（220V）；

α＝0時，Ud=0.45U2

；

α＝π時，Ud=0，可見可以通過調整α來調整Ud。

3.定量計算

通過控制觸發脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式16

思考以下問題：負載R上流過的電流平均值表達式。（輸出電流）負載R上流過的電流有效值表達式。晶閘管上流過的電流有效值表達式。變壓器二次側流過的電流有效值表達式。變壓器（電源）供給的有功功率表達式。變壓器提供的視在功率表達式。計算這些參數的意義所在。（有效值、平均值）

例：有一單相半波可控整流電路，負載電阻為直接接到交流電壓為220V電源上，如圖所示。在控制角時，求輸出電壓平均值、輸出電流平均值和有效值，并選擇晶閘管元件（考慮兩倍裕量）。（二）帶電感負載的工作情況負載阻抗角Φ＝arctg(ωL/R)，反映出負載中電感所占的比重，該角度越大（0~90之間），則電感量越大。當負載中的感抗ωL和R相比不可忽略時，稱為電感性負載。在生產實踐中，常見的電感性負載如電機的勵磁繞組。電感在電力電子線路中大量使用，大容量、大功率電感常常又稱為電抗器。電感中電流與感應電動勢的關系：電感中電流發生變化電感產生的感應電動勢將阻止電流變化。電感中電流愈大其儲存的能量愈大。

電流增大。電流的方向與電壓方向相同，電流從高電位流到低電位，電感吸收能量。

電流減小。電流的方向與電壓方向相反，電流從低電位流到高電位，電感釋放能量。

帶電感負載的工作原理工作過程和特點：（1）在U2的正半周，VT承受正向電壓，0～ωt1期間，無觸發脈沖，VT處于正向阻斷狀態，UVT＝U2，Ud=0;（2）ωt1以后，VT由于觸發脈沖UG的作用而導通，則Ud=U2,UVT=0，一直到π時刻。但由于L的作用，在π時刻，Ud=0，而L中仍蓄有磁場能，id>0；（3）π～ωt2期間，L釋放磁場能，使id逐漸減為0，此時負載反給電源充電，電感L感應電勢極性是上負下正，使電流方向不變，只要該感應電動勢比U2大，VT仍承受正向電壓而繼續維持導通，直至L中磁場能量釋放完畢，VT承受反向電壓而關斷；

帶電感性負載的單相半波電路及其波形工作過程和特點請同學們思考：（a）L兩端的電壓何時變為上負下正，如何簡單判斷？（b）id能否抵達2π點？為什么？（c)一個周期中L兩端的電壓波形如何？（4）ωt2

～

2π期間，VT承受反向電壓而處于關斷狀態，UVT＝U2，Ud=0。以后不斷重復以上過程。ωt2ωt2ωt2ωt2

由波形圖可知，在電角度α到π期間，負載上電壓為正，在π到α+θ期間，負載上電壓為負，所以與電阻性負載相比，阻感性負載上所得到的輸出電壓平均值變小了。其輸出電壓平均值Ud為故

上式表明:阻感性負載上的電壓平均值等于負載電阻上的電壓平均值。所以

可以看出：平均電壓與控制角α、導通角θ有關，對同一控制角α而言，負載阻抗越大（即L越大），導通角θ越大，輸出電壓平均值Ud越低。

由于負載中存在電感，使負載電壓波形出現負值部分，晶閘管的導通角θ變大，且負載中L越大，θ越大，輸出電壓波形圖上負電壓的面積越大，從而使輸出電壓平均值減小。在大電感負載ωL>>R的情況下，負載電壓波形圖中正負面積相近，即不論α為何值，都有，都有。

由上述分析可知：在單相半波可控整流電路中，由于電感的存在使整流輸出電壓的平均值減小，特別是在大電感負載時輸出平均電壓為零，負載上得不到應有的電壓。解決的辦法是在負載兩端并聯續流二極管VDR，如下圖所示。工作原理：

帶續流二極管的工作情況工作過程和特點：（1）在U2的正半周，VDR承受反向電壓，不導通，不影響電路的正常工作;（2）π～2π期間，電感L的感應電勢（下正上負）使VDR導通，此時，L釋放能量，維持負載電流通過VDR構成回路，而不通過變壓器。稱為續流。在續流期間，VT承受u2的負壓而關斷，此時Ud=0。（3)當ωL》R時，id不但連續而且基本上維持不變，電流波形接近一條直線。〔注意〕：在考試中，可以直接用直線表示id。帶續流二極管單相半波可控整流電路及波形

帶續流二極管的定量計算輸出直流電壓的平均值Ud（和純阻性負載相同）

若近似認為id為一條水平線，恒為Id，則流過SCR的電流平均值和有效值分別為：

續流二極管的平均電流和有效值：

注意：當整流電路中接有大電感負載時，對觸發脈沖的寬度也有要求，即在一定寬度脈沖內，能保證晶閘管電流上升到擎住電流值，之后，即脈沖消失后晶閘管仍能導通。單相半波可控整流電路的特點線路簡單、易調整，但輸出電流脈動大，變壓器二次側電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。為使變壓器鐵心不飽和，需增大鐵心截面積，增大了設備的容量。實際上很少應用此種電路；分析該電路的主要目的在于利用其簡單易學的特點，建立起整流電路的基本概念。二、單相橋式全控整流電路帶電阻負載的工作情況晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3組成另一對橋臂。在實際的電路中，一般都采用這種標注方法，即上面為1、3，下面為2、4。VT1和VT3組成共陰極組，加觸發脈沖后，陽極電位高者導通。VT2和VT4組成共陽極組，加觸發脈沖后，陰極電位低者導通。觸發脈沖每隔180°發一次，分別觸發VT1、VT4、VT2、VT3。工作過程和特點：（1）0～ωt1:U2為正，VT1和VT4無觸發脈沖截止，VT1和VT4分擔U2/2的正向電壓，VT2和VT3分擔U2/2的反向電壓,Ud=0;（2）ωt1

～

π:U2為正，VT1和VT4由于觸發脈沖UG的作用而導通，VT2和VT3承受U2

的反向電壓，

id=U2/R

；（3）π～ωt2(π+ωt1)：U2為負，VT2和VT3無觸發脈沖截止，VT2和VT3分擔U2/2的正向電壓，VT1和VT4分擔U2/2的反向電壓,Ud=0;（4）ωt2(π+ωt1)～

2π:U2為負，VT2和VT3由于觸發脈沖UG的作用而導通，VT1和VT4承受U2

的反向電壓，

id

=U2/R，且方向保持不變。ωt2ωt1ωt2ωt2ωt1ωt1基本工作原理無論u2在正半波或負半波，流過負載電阻的電流方向是相同的，ud，id波形相似。1)晶閘管的電壓（uVT）：①當四個晶閘管都不通時，設其漏電阻都相等，則的VT1壓降為近u2/2；②當VT1導通時，壓降為其通態電壓，近似為零；③當另一對橋臂上的晶閘管導通時，u2反向加在VT1上，因此晶閘管承受的最大反向電壓為。2)變壓器二次繞組的電流：兩個半波的電流方向相反且波形對稱，所以不存在直流磁化的問題。單相橋式全控整流電路的特點單相橋式全控整流電路的計算（1）負載電壓①平均值：直流輸出電壓平均值Ud

α＝0時，Ud=0.9U2

；α＝π時，Ud=0。可見：在同樣的控制角α情況下，輸出的平均電壓Ud是單相半波的兩倍；

SCR可控移相范圍為180；屬于雙拍電路。②有效值:

（2）負載電流:①直流輸出電流平均值Id

②直流輸出電流有效值I，即為變壓器二次側繞組電流有效值I2

（3）流過每個晶閘管的電流:①

SCR的平均電流idT由于SCR輪流導電，所以流過每個SCR的平均電流idT只有負載上平均電流的一半。

②

SCR的有效電流IVT，由于SCR輪流導電，所以IVT為：

（4）功率因數:電源提供視在功率為:

負載消耗的有功功率為:所以:

1.電路

2.工作原理

為便于討論，假設電路已工作于穩態，id的平均值不變。假設負載電感很大，負載電流id連續且波形近似為一水平線：

u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關斷；至ωt=π+α時刻，給VT2和VT3加觸發脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導通，而VT1和VT4立刻承受負電壓，故兩管關斷。VT2和VT3導通后，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉移到VT2和VT3上，此過程稱換相，亦稱換流。

單相全控橋帶電感性負載時的電路及波形帶電感性負載的工作情況

（1）整流電路輸出電壓的平均值：

晶閘管移相范圍為90，因為當α

＝0時，Ud＝0.9U2；α

＝90時，Ud＝0。（2）整流電路輸出平均電流Id（因為負載電感很大，輸出電流波動很小，可以近似看作直流，而電感對于直流可以看作短路）

變壓器二次側電流i2的波形為正負各180的矩形波，其相位由α角決定，有效值I＝I2=Id。3.定量分析

（3）流過晶閘管的電流①SCR的電流平均值IdVT為：②有效值：（4）晶閘管承受的電壓①最大正向電壓：②最大反向電壓：（5）兩組晶閘管輪流導通各導通180°,與控制角α無關。1.電路2.工作原理

對于像蓄電池、直流電動機的電樞（轉子）這類負載，本身有反電勢，對整流電路來說，稱為反電動勢負載。在|u2|>E時，晶閘管才承受正電壓，有導通的可能；導通之后ud=u2，

直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關斷，此后ud=E與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度δ停止導通，δ稱為停止導電角。

在α角相同時，整流輸出電壓比電阻負載時大。帶反電動勢負載時的工作情況b)idOEudwtIdOwtaqd圖3-7單相橋式全控整流電路接反電動勢—電阻負載時的電路及波形413.1.2單相橋式全控整流電路當α

<d時，觸發脈沖到來時，晶閘管承受負電壓，不可能導通。圖3-7b單相橋式全控整流電路接反電動勢—電阻負載時的波形電流斷續觸發脈沖有足夠的寬度，保證當wt=d時刻有晶閘管開始承受正電壓時，觸發脈沖仍然存在。這樣，相當于觸發角被推遲為d。如圖3-7b所示id波形所示：電流連續ub)idOEdwtIdOwtαqd輸出電流平均值有效值其中:433.1.2單相橋式全控整流電路負載為直流電動機時，如果出現電流斷續，則電動機的機械特性將很軟。為了克服此缺點，一般在主電路中直流輸出側串聯一個平波電抗器。這時整流電壓ud的波形和負載電流id的波形與阻感負載電流連續時的波形相同，ud的計算公式也一樣。為保證電流連續所需的電感量L可由下式求出：（3-17）圖3-8

單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載串平波電抗器，電流連續的臨界情況twwOud0Eidtpdaq=p443.1.3單相全波可控整流電路單相全波可控整流與單相橋式全控整流從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。變壓器不存在直流磁化的問題。圖3-9

單相全波可控整流電路及波形453.1.3單相全波可控整流電路單相全波與單相全控橋的區別：單相全波中變壓器結構較復雜，材料的消耗多。單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，相應地，門極驅動電路也少2個；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍，即單相全波導電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，因而管壓降也少1個。從上述后兩點考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應用。463.1.4單相橋式半控整流電路圖3-10單相橋式半控整流電路，有續流二極管，阻感負載時的電路及波形1）電阻負載與全控電路在電阻負載時的工作情況相同。2）帶電感負載（討論）

◆電路分析（先不考慮VDR

）

每一個導電回路由1個晶閘管和1個二極管構成。

在u2正半周，處觸發VT1，u2經VT1和VD4向負載供電。

u2過零變負時，因電感作用使電流連續，VT1繼續導通，但因a點電位低于b點電位，電流是由VT1和VD2續流，ud=0。在u2負半周，處觸發觸發VT3，向VT1加反壓使之關斷，u2經VT3和VD2向負載供電。

u2過零變正時，VD4導通，VD2關斷。VT3和VD4續流，ud又為零。

Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDRu473.1.4單相橋式半控整流電路3）阻感負載（有VDR）的情況

圖3-10單相橋式半控整流電路，有續流二極管，阻感負載時的電路及波形在u2正半周，u2經VT1和VD4向負載供電。

u2過零變負時，因電感作用電流不再流經變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續流。在u2負半周觸發角a時刻，觸發VT3，VT3導通，u2經VT3和VD2向負載供電。u2過零變正時，VD4導通，VD2關斷。VT3和VD4續流，ud又為零。Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT