電力電子基礎第四講主講教師：王念春東南大學遠程教育

第一章晶閘管

第一節晶閘管的結構和工作原理一、晶閘管的結構晶閘管的外形和符號如圖所示。

目前國內生產的晶閘管，外形有兩種形式，螺栓形和平板形。螺栓形晶閘管有三個極，螺栓一端是陽極A，另一端粗引線是陰極K，細引線是門極（也稱控制極）G。平行板晶閘管，它的兩端分別是陽極和陰極，中間引出線是門極。

晶閘管測試電路二、晶閘管導通關斷條件

導通條件有兩個：

1、晶閘管的陽極、陰極間必須加上正向陽極電壓；

2、晶閘管的門極、陰極間必須加上適當的正向門極電壓和電流。

晶閘管一旦導通，門極電壓即失去控制作用。故要使晶閘管從阻斷變為導通，在晶閘管承受正向陽極電壓的同時，只需在門極和陰極間加正向脈沖電壓或電流即可。

關斷條件：需使流過晶閘管的電流減小到其維持電流以下。這可用減小陽極電壓到零或在晶閘管陽極、陰極間加反向陽極電壓的方法得到。

第二節晶閘管的特性和主要參數

一、晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性就是指晶閘管陽極陰極間的電壓UAK和陽極電流iA之間的變化關系。如圖1-6所示。

當門極觸發電流Ig＝0時，晶閘管在正向陽極電壓作用下只有很小的漏電流，晶閘管處于正向阻斷狀態。隨著正向陽極電壓的加大，晶閘管的正向漏電流也逐漸增大，當陽極電壓UAK達到正向轉折電壓UBO時，陽極電流IA突然急劇增大，晶閘管從阻斷轉化為導通狀態，特性從高阻區（阻斷狀態）經負阻區到達低阻區（導通狀態）。在使用中，晶閘管承受的工作電壓不允許超過轉折電壓UBO。如果在晶閘管門極加上觸發電流Ig，它就會在較低的陽極電壓下觸發導通，門極電流Ig

越大，轉折電壓越低，當門極電流Ig

足夠大時，只需很小的正向陽極電壓，就可使晶閘管從阻斷變為導通。晶閘管導通后管壓降很小，其陽極電流IA的大小決定于外加電壓和負載。晶閘管導通后的伏安特性與二極管的正向伏安特性相似。當逐漸減小晶閘管的陽極電壓時，其陽極電流也隨之減小，當陽極電流IA小于維持電流IH，晶閘管就從導通轉換成阻斷狀態。晶閘管的反向伏安特性位于第三象限。它是反向陽極電壓與反向陽極漏電流的關系曲線，其特性與一般二極管的反向特性相似。在正常情況下，當晶閘管承受反向陽極電壓時，不論門極是否加上觸發信號，晶閘管總是處于反向阻斷狀態，只流過很小的反向漏電流。反向電壓增加，反向漏電電力電子基礎第五講主講教師：王念春東南大學遠程教育流。反向電壓增加，反向漏電流也逐漸增大，當反向電壓增加到某值時，反向漏電流將急劇增長，導致閘管反向擊穿而損壞。

二、晶閘管的主要參數

1、晶閘管的電壓參數（1）斷態不重復峰值電壓UDSM

晶閘管在門極開路時，施加于晶閘管的正向陽極電壓上升到正向伏安特性曲線急劇彎曲處所對應的對應值，它是一個不論重復且每次持續時間不大于10毫秒的斷態最大脈沖電壓。UDSM值小于轉折電壓UBO，其差值有多大，由晶閘管制造廠自定。（2）斷態重復峰值電壓UDRM

晶閘管在門極開路及額定結溫下，允許每秒50次，每次持續時間不大于10毫秒，重復施加于晶閘管上的正向斷態最大脈沖電壓。UDRM＝80％UDSM。（3）反向不重復峰值電壓URSM

晶閘管門極開路，晶閘管承受

反向電壓時，對應于反向伏安特性曲線急劇彎曲處的反向峰值電壓值。它是一個不能重復施加且持續時間不大于10毫秒的反向最大脈沖電壓。（4）反向重復峰值電壓URRM

晶閘管門極開路及額定結溫下，允許每秒50次、每次持續時間不大于

10毫秒、重復施加于晶閘管上的反向最大每次電壓。URRM＝80％URSM。

（5）額定電壓將斷態重復峰值電壓UDRM和反向重復峰值電壓URRM中較小的那個值取整后作為該晶閘管的額

定電壓值。在使用時，考慮瞬時過電壓等因素的影響，選擇晶閘管的額定電壓值要留有安全裕量。一般取電路正常工作時晶閘管所承受工作電壓峰值的2－3倍。（6）通態平均電壓UON

通過正弦半波的額定通態平均電流和額定結溫時，晶閘管陽極陰極間電壓降的平均值，通稱管壓降。通態平均電壓按規定分為9組，每組差0.1V，最低值為0.4V，最高值為1.2V。

2．晶閘管的電流參數在環境溫度為＋400C和規定的冷卻條件下，晶閘管在導通角不小于1700的電阻性負載電路中，在額定結溫時，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。將該電流按晶閘管標準電流系列取整數值，稱為該晶閘管的通態平均電流，即該元件的額定電流。晶閘管的額定電流用通態平均電流來標定是因為整流電路輸出端的負載常需用平均電流。根據規定條件，流過晶閘管的工頻正弦半波電流波形如下圖所示。設電流峰值為Im，則通態平均電流

（1－4）

則該波形的有效值（1－5）

正弦半波電流波形系數Kf應有

（1－6）由式（1－6）知，如果額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流有效值為

1.57*100＝157A。

在實際電路中，流過晶閘管的波形可能是任意的非正弦波形，如何去計算和選擇晶閘管的額定電流值，應根據電流有效值相等即發熱相同的原則，將非正弦半波電流的有效值IK或平均值Id折合成等效的正弦半

波電流的有效值IK或平均值Id折合成等效的正弦半波電流平均值去選擇晶閘管額定值，即

（1－7）

式（1－7）中的Kf為非正弦波形的波形系數。由于晶閘管元件的熱容量小，

過載能力低，故在實際選用時，一般取（1.5－2）倍的安全裕量，故

（1－8）

利用式（1－8），在給定晶閘管的額定電流值ITaV后，可計算流過晶閘管任意波形允許的電流平均值：

（1－9）例：流經晶閘管的電流波形如圖所示，試計算該電流波形的平均值、有效值及波形系數。若取安全裕量為2，問額定電流為100

A的晶閘管，其允許通過的電流平均值和最大值為多少？解：電流平均值

電流有效值

波形系數

100A的晶閘管允許通過的電流平均值

電力電子基礎第六講主講教師：王念春東南大學遠程教育電流最大值（2）維持電流IH

晶閘管被觸發導通以后，在室溫和門極開路條件下，減小陽極電流，使晶閘

管維持通態所必須的最小陽極電流。（3）擎住電流IL

晶閘管一經觸發導通就去掉觸發信號，能使晶閘管保持導通所需用的最小陽極電流。一般晶閘管的擎住電流IL為其維持電流IH的幾倍。如果晶閘管從斷態轉換為通態，其陽極電流還未上升到擎住電流值就去掉觸發脈沖，晶閘管將重新恢復阻斷狀態，故要求晶閘管的觸發脈沖有一定寬度。

（4）斷態觸發平均電流ID和反向重復平均電流IRR額定結溫和門極開路時，對應于斷態重復峰值電壓和反向重復峰值電壓下的平均漏電流。

（5）浪涌電流ITSM

在規定條件下，工頻正弦半周期內所允許的最大過載峰值電流。

3.動態參數

（1）斷態電壓臨界上升率du/dt

在額定結溫和門極開路條件下，使晶閘管保持斷態所能承受的最大電壓上升率。其單位為V/us。（2）通態電流臨界上升率di/dt

在規定條件下，晶閘管用門極觸發信號開通時，晶閘管能夠承受而不會。

導致損壞的通態電流最大上升率。其單位為A/us。

（3）門極控制開通時間tON

在室溫和規定的門極觸發信號作用下，使晶閘管從斷態變成通態時，從門極觸發脈沖前沿的10％到陽極電壓下降至10%的時間間隔，稱為門極控制開通時間。

開通時間tON由延遲時間td和上升時間

tr組成，td是從門極脈沖前沿的10％到陽極電壓下降了10％的時間。（4）電路換向關斷時間tOF

從通態電流降至零瞬時起，到晶閘管開始能承受的斷態電壓瞬時止的時間間隔。關斷時間包括反向恢復時間trr和門極恢復時間tgr兩部分。在實際電路中，必須使晶閘管承受反壓的時間大于它的關斷時間，并考慮一定安全裕量。

三、門極伏安特性和參數定額

晶閘管的門極伏安特性是指門極電壓與電流的關系。由于門極G與陰極K之間只有一個PN結J3，所以電壓與電流的關系呈現出二極管的伏安特性。如下圖所示。電力電子基礎第十講主講教師：王念春東南大學遠程教育第二章可控整流電路

可控整流電路是應用廣泛的電能變換電路，它的作用是將交流電變換成大小可以調節的直流電，用來供給直流用電設備；例如直流電動機的轉速控制，同步發動機的激磁調節，電鍍、電解電源等。

第一節單相橋式可控整流電路

在分析可控整流電路時，為突出主要矛盾，忽略一些次要因素，認為晶閘管為理想開關元件，即晶閘管導通時其管壓降等于零，且認為晶閘管的導通與關斷瞬時完成。

（一）電阻性負載

1.工作原理圖2－1為單相橋式全控整流電路，T1、T4和T2、T3組成兩對橋臂，由整流變壓器供電，u1為變壓器初級電壓，變壓器次級電壓u2接在橋臂的中點a、b端上，R為負載電阻。

當變壓器次級電壓進入正半周時，a端電位高于b端電位，兩個晶閘管T1、T4同時承受正向電壓，如果此時門極無觸發信號，則兩個晶閘管處于正向阻斷狀態；忽略晶閘管的正向漏電流，電源電壓u2將全部加在T1和T4上。當

給T1和T4同時加觸發脈沖則兩晶閘管立即觸發導通，電源電壓u2將通過T1、T4加在負載R上，負載電流id從電源a端經T1、電阻R、T4回到電源b端。在u2正半周期，T2、T3均承受反向電壓而處于阻斷狀態。由于設晶閘管導通時管壓降為零，則負載R兩端的的整流電壓與電源電壓正半周的波形相同。當電源電壓u2降到零時，電流id也降為零，T1和T4關斷。在u2負半周，b端電位高于a端電位，T2、T3承受正向電壓；當時，同時給T2、T3加觸發脈沖使其導通，電流從b端經T2T2負載電阻R、T3、回到電源a端，在負載R兩端獲得與u2正半周相同波形整流電壓和電流，這期間T1和T4均承受的反向電壓而處于阻斷狀態。當u2過零變正時，T2、T3關斷，ud、id又降為零。此后，T1、T4又承受正壓并在相應時刻觸發導通，如此循環工作。輸出整流電壓、電流及

晶閘管兩端電壓的波形如圖2－1（d）、（e）、（f）所示。由以上電路工作原理可知，在交流電源u2的正負半周里，T1、T4和T2、T3兩組晶閘管輪流導通，將交流電轉變成脈動的直流電，改變觸發脈沖出現的時刻即改變角的大小，ud、id的波形相應變化，其直流平均值也相應改變。晶閘管T1陽極陰極兩端承受的電壓uT1的波形如圖2－1（f）所示。認為晶閘管在導通段管壓降uT1=0，故其承受的最大反向電壓為；假定兩晶閘管漏電阻相等，則每個元件承受的最大正向電壓等于。電力電子基礎第十一

講主講教師：王念春東南大學遠程教育結合上述電路工作原理，介紹幾個名詞術語和概念。（1）控制角從晶閘管承受正向電壓起到加觸發脈沖使其導通為止，這段時間所對應的角度。（2）導通角晶閘管在一個周期導通的時間所對應的角度。在該電路中，。

（3）移相

改變觸發脈沖出現的

時刻，即改變控制角的大小，稱為移相。改變控制角的大小，使輸出整流平均電壓Ud值發生變化即是移相控制。（4）移相范圍改變角使輸出整流電壓平均值從最大值降到最小值（零或負最大值），控制角的變化范圍即觸發脈沖移動范圍。在單相橋式全控整流電路接電阻性負載時，其移相范圍為1800。

（5）同步使觸發脈沖與可控整流電路的電源電壓之間保持頻率和相位的協調關系稱為同步。使觸發脈沖與電源電壓保持同步是電路正常工作必不可少的條件。關于同步問題將在觸發電路一章中詳細討論。（6）換流在可控整流電路中，一路晶閘管導通變換為另一路晶閘管導通的過程稱為換流，也稱換相。下面具體元件各電量與控制角的關系。（1）輸出直流電壓平均值設電源電壓，則負載R兩端直流平均電壓Ud

（2－1）

（2－2）

由式（2－1）知，直流平均電壓Ud是控制角的函數；愈大Ud愈小，當＝00時，Ud＝0.9U2為最大值；＝時，Ud＝0，故移相范圍為1800。

Ud/U2隨控制角的變化曲線如圖

2－2所示。（2）輸出直流電流平均值Id

(2-3)

(3)晶閘管電流平均值ITaV和有效值IT

兩組晶閘管T1、T4和T2、T3在一個

周期中輪流導通，故流過每個晶閘管的平均電流為負載平均電流的一半。

(2-4)

流過晶閘管的電流有效值（2-5）

（4）變壓器次極繞組電流有效值I2和負載電流有效值I

兩組晶閘管輪流導通，變壓器次級繞組正負半周流過電流，其有效值與負載電流有效值相等，故

(2-6)由式（2－3）和式（2－6）得電流有效值與平均值之比

(2-7)

（5）負載電阻上電壓有效值U

(2-8)

（6）功率因數忽略晶閘管損耗，電源所供應的有功功率P=I2R=UI。對于整流電路，常要考慮到功率因數和對電源要求的伏安容量即視在功率等問題。忽略晶閘管損耗，電源所供應的有功功率P=I2R=UI，而電源的視在功率S=U2I2。將電源供給的有功功率與電源的視在功率之比定義為功率因數。

(2-9)

功率因數是控制角的函數，愈大愈低，＝00，＝1為最大。由上式知，Ud/U2、I2/Id及都是控制角的函數，各用曲線表示如圖2－2。

例2－1單相橋式全控整流電路，接電阻性負載，要求電路輸出的直流平均電壓Ud從20－100V連續可調，負載平均電路Id均能達到20A，考慮最小控制角＝300。試計算晶閘管導通角的變化范圍，要求的電源容量及功率因數，并選擇晶閘管。解由題意，=300,對應Ud最大值為100V，由式（2－1）計算出變壓器次級電壓有效值

考慮嚴重情況，在Ud＝20V時，電路仍能輸出20A電流，據此求出最大控制角及變壓器次極最大電流有效值。

將值代入式（2－7）

變壓器次級電流有效值顯然，若按＝300計算，則I2＝1.17Id＝23.4A，據此計算的變壓器容量偏小，不能滿足運行要求。要求的電源容量

功率因數

＝1290

的I2/Id及還可以通過圖2－2的曲線求取。晶閘管的電流有效值

晶閘管的電流定額

晶閘管的電壓定額

選用KP50－5，即通態平均電流為50A，正反向重復峰值電壓為5級（500V）的晶閘管。電力電子基礎第十二

講主講教師：王念春東南大學遠程教育（二）電感性負載當負載中的感抗與電阻R的大小相比不可忽略時，這個負載稱為電感性負載。例如各種電動機的激磁繞組，整流輸出端接有平波電抗器的負載等。為了便于分析將電感與電阻分開，如圖2－3（a)所示。

由于電感具有阻礙電流變化的作用，因而電感中的電流不能突變。當流過電感中的電流變化時，在電感兩端將產生感應電勢，引起電壓uL，極性如圖2－3（a)所示。由于負載中電感量的大小不同，整流電路的工作情況及輸出ud、id的波形具有不同的特點。

現著重討論電感量很大的情況，即

L》R

當電感量很大L》R的情況下，負載電流id的脈動分量變得很小，其電流波形近似于一條平行于橫軸直線，流過晶閘管的電流近似為矩形波，整流電路的輸出波形如圖2－5所示。基本數量關系（1）整流平均電壓值

由圖2－5得

(2-16)

＝00時，Ud＝0.9U2；＝900時，Ud＝0。故單相橋式全控整流電路大電感負載，控制角移相范圍為900。（2）電流平均值電感為儲能元件，其兩端電壓平均

值為零，因之電流平均值Id的近似只決定于負載電阻，故有（2-17)

（3）晶閘管電流有效值和平均值

（2-18)

（4）變壓器次級電流有效值I2和負載電流有效值I

（2-19）

圖2－5單相橋式全控整流電路大電感負載時的波形

二、單相橋式半控整流電路將單相全控橋電路中一對晶閘管換成兩個二極管，就構成單相橋式半控整流電路，如圖2－7所示。它與單相全控橋相比，比較經濟，觸發裝置也相應簡單一些。

單相橋式半控整流電路的工作特點是晶閘管觸發導通，而整流二

極管為自然換相導通。單相半控橋在接電阻性負載時，其工作情況與單相全控橋電路相同，輸出電壓、電流的波形及元件參數的近似公式也都一樣，下面只著重分析接電感性負載的工作情況。

電力電子基礎第十五講主講教師：王念春東南大學遠程教育

（一）電路工作原理假定負載中的電感足夠大，負載電流id連續并近似為一條直線。如圖2-7(a)(不帶續流二極管D）所示，在u2的正半周

時刻觸發晶閘管T1，則T1、D4導通，電流從電源a端經T1、負載、D4回到b端，整流電壓

ud＝u2，當u2過進入負半周時，電感上的感應電勢將使T1承受正壓而繼續保持導通，而此時由于b端電位高于a端電位，整流二極管D3承受正偏壓而導通，D4受反壓截止，電流從D4轉換到D3，負載電流id經D3、T1構成回

路而繼續導通，形成不經過變壓器的自然續流。在續流期間，忽略T1、D3管壓降，負載上的整流電壓ud＝0；當時，觸發T2使其導通，T1承受反壓關斷，負載電流從電源b端經T2、負載、D3回到a端，負載兩端得到相同的整流電壓ud。同樣當u2過變

正時，D4自然換相導通，D3截止，T2、D4自然續流，如此循環工作。電源電壓u2的過零點0、、2、3……稱為整流二極管的自然換相點，也是該電路中計算控制角的起點。輸出整流電壓波形如圖2-7（d）所示。移相范圍為，晶閘管導通角。輸出電壓平均值

（2－22）

輸出電流平均值

（2－23）

（二）帶續流二極管的單相橋式半控整流電路

1.失控現象從上述半控橋電路的工作原理知，T1、T2觸發導通，D3、D4自然換相導通，改變控制角即可改變輸出電壓平均值Ud的大小。但在實際運行中，該電路在接大電感負載的情況下，可能出現一個晶閘管直通，二個整流管交替導通的失控現象。如在u2正半周當T1觸發導通后，如意欲停止工作而斷開觸發脈沖，此后T2雖無觸發脈沖而處于阻斷狀態，但在u2過

進入負半周，電流從D4換到D3，由于電感上感應電勢的作用，電流id經T1、D3繼續流通，電感釋放能量，如果電感很大，晶閘管T1將維持導通到電源電壓u2進入下一個周期的正半周，T1承受正向電壓繼續導通，而此時電流又從D3自然換流到D4，如此循環工作下去，出現T1直通，D3、D4輪流導通現象，電路失去控制，輸出變為單相半波不可控整流電壓波形，晶閘管T1也會因過熱而損壞。

2.續流二極管的作用為了防止失控現象發生，在負載電路兩端并接一續流二極管D如圖2－7（a）所示。續流二極管的作用是取代晶閘管和整流二極管的續流作用。在u2的正半周，T1、D4導通，D承受反壓截止，從u2過變負時，在電感的感應電勢作用下，使D承受正偏壓而導通，負載電流id經續流管D構成通路，電感釋放

能量。由于續流管的管壓降不足以使T1、D3維持導通，從而使T1恢復阻斷，防止了失控現象發生。接續流二極管后，輸出整流電壓ud的波形與不接續流二極管時相同（忽略管壓降），但流過晶閘管和整流管的波形，因二者導通角不同而不一樣，單相半控橋帶續流二極管的電壓電流波形如圖2－7所示。

與之比較，單相半控橋的電壓電流波形如下所示：

3.基本數量關系（1）輸出電壓平均值由圖2－7得

（2-24）

(2)晶閘管和整流管電流有效值和平均值

(2-25)

(2-26)

（3）續流二極管電流有效值IDC與平均值IDD

(2-27)

(2-28)電力電子基礎第十六講主講教師：王念春東南大學遠程教育

第二節三相半波可控整流電路單相可控整流電路元件少，線路簡單調整方便，但其輸出電壓的脈動較大，同時由于單相供電，引起三相電網不平衡，故適用小容量的設備上。當容量較大，要求輸出電壓脈動較小，對控制的快速性有要求時，則多采用三相可控整流電路。三相可控整流電路有三相半波、三相橋以及帶平衡電抗器的雙反星形電路等多種形式。其中三相半波可控整流電路是多相整流電路的基礎，其它電路可可以看作是半波電路不同形式的組合。下面按不同負載從電路的工作原理、電壓電流波形及各參量間關系分別予以討論。一、電阻性負載

三相半波可控整流電路又稱三相零式電路，由三相整流變壓器

供電，變壓器次級接成星形，初級接成三角形，以減少三次諧波的影響。三只晶閘管Ta、Tb、Tc分別接在變壓器次級繞組a相、b相和c相上，它們的陰極聯在一起經負載與三相變壓器次級繞組的中線相連，這種接法稱為共陰極電路。

（一）電路工作原理整流變壓器次級繞組三相正弦波電壓相互差1200的波形ua、ub、uc。如圖2－8。下面分析不同控制角時整流電路的工作原理，仍假定晶閘管為理想開關元件。

1.控制角＝00

若Ta、Tb、Tc為三個整流二極管，則期間，a相電壓最高，輸出ud=ua；期間，b相電壓最高，輸出ud=ub；

期間，c相電壓最高，輸出ud=uc等等依上述相序輪流輸出。

當某個整流二極管導通時，其它兩個整流二極管則因承受反向電源電壓不可能導通。可見此時輸出波形為三相電壓的正半周包絡線。等稱“自然換相點”。

當Ta、Tb、Tc為晶閘管時，用

相差1200的觸發脈沖在“自然換相點”輪流觸發Ta、Tb、Tc則也將得到三相電壓正半周包絡線輸出；此時Tb觸發后，Ta被關斷是自然的，因為此時ub最高而使Ta受反壓；Tc觸發后Tb被關斷以及Ta觸發Tc被關斷情況都是一樣的。一個周期中，各相晶閘管導電輸出1200。

自然換相點也就是各相晶閘管可能被觸發導通的最早時刻，在此之前由于受反壓，導通是不可能的。因此把自然換相點作為計算控制角的起點，即該處＝0。可見，對于起始相位等于零的a相來說，=300相當于

＝00。

圖2－8三相半波可控整流電路電阻性負載、線路及其波形

2.控制角＝300

=300時，輸出電壓波形相應變化如圖2－9所示。

與＝00時不同之處是，當Ta在（=300）處被觸發導通后，過自然換相點，雖然b相電壓高于a相電壓，但此時Tb未被導通，故Ta將繼續導通，直到＝300的相應時刻，給Tb加觸發脈沖使之導通。此時，相電壓ua正好下降大零，電流id也降為零，故Ta關斷。其他晶閘管導通、關斷情況與此相同，負載兩端的整流電壓ud為三相電壓波形的一部分。

電力電子基礎第十七講主講教師：王念春東南大學遠程教育

由圖知，＝300正好是ud、id波形連續的臨界狀態，各相仍導電1200。＞300，電壓電流波形出現斷續。

3.300＜＜1500

圖2－10給出了＝時的波形。

當

＝600時，觸發Ta使之導通，輸出整流電壓Ud=Ua，id＝ia＝ud/R，a相電壓ua降到零時，id＝0，晶閘管Ta關斷，ud、id波形連續，直到＝600

的相應時刻，觸發Tb導通，此時Ud=Ub，id＝ib＝ud/R，同樣當b相電壓過零時，Tb關斷，此后在觸發Tc導通等等。由圖2-10可見，輸出整流電壓ud、電流id均為不連續的脈動波形。控制角增大，波形的平均值減小，當＝1500時，ud＝0，故三相半波可控整流電路電阻性負載移相范圍為1500。

＞300后，由于電流波形斷續，晶閘管Ta承受的電壓波形，在ua過零變負，Ta關斷而Tb還未觸發導通的區間里，晶閘管Ta還承受本相電源電壓，故在整個周期里，晶閘管Ta承受電壓波形由直線段(導通段)、ua、ubb及uac組成。由上述電路工作原理和波形的分析可知，根據波形的特點和分析方法，對于深入理解電路的工作原理、參數計算和實驗調試都是非常重要的。

（二）基本數量關系

1.輸出整流電壓平均值Ud圖2－10三相半波可控整流電路電阻性負載時的波形

每個晶閘管在一個周期里輪流導通一次，ud為三相波形的一部分，故計算平均電壓Ud只需取一相波形在1/3周期內的平均值即可。設相電壓，晶閘管導通角為，則輸出整流平均電壓

300時，波形連續，晶閘管導通角＝1200

(2-30)當＝00時，Ud＝Udo＝1.17U2為最大值。

＞300，波形斷續，導通角

(2-31)當＝1500時，，ud＝0，故三相半波可控整流電路電阻性負載的移相范圍為1500，與前述分析結論一致。與關系如圖2－11所示。

2.輸出電流平均值Id

(2-32)

300＜＜1500

(2-33)3.晶閘管的平均電流三個晶閘管輪流導通，每管平均電流為Id的1/3。

(2-34)4.晶閘管電流有效值IT和變壓器次級繞組電流有效值I2

(2-35)

(2-36)

由式（2－36）知，＝1500時，IT=I2=0。根據式（2－32）、（2－33）及式（2－35）、（2－36）可作出，隨變化的關系曲線如圖2－12所示。左圖2－11三相半波可控整流電路與的關系

1－電阻負載2－電感負載3－電阻電感負載右圖2－12電阻性負載、與的關系曲線電力電子基礎第十八講主講教師：王念春東南大學遠程教育

二、電感性負載（一）工作原理當整流電路帶電感性負載工作時，在id減小的過程中，電感釋放能量，在電源電壓下降到零并變為負值時，由于電感中感應電勢的作用，仍能使原導通相的晶閘管承受正向電壓繼續導通，整流電壓ud波形出現負值。如果負值電感值較大，電感儲能較多，則本相晶閘管能維持導通到下一相晶閘管觸發導通，才使本相晶閘管承受反壓而關斷。每個晶閘管導通角＝1200，負載電流id波形連續，電感量愈大，電流id脈動愈小。當電感量足夠大時，輸出電流id波形近似于一條直線。圖2-13中給出了三相半波可控整流電路電感性負載＝600時輸出整流電壓ud、電流id及晶閘管承受電壓uTa的波形。

由于負載電流id連續，晶閘

管承受的最大反向和最大正向電壓一樣都是線電壓峰值U2l。圖2－13三相半波可控整流電路電感性負載的電路及其波形

（二）基本數量關系

1.輸出整流電壓平均值在電流連續情況下，晶閘管導通角＝1200，整流電壓平均值

（2－37）

＝00時，Ud＝udo＝1.17U2為最大；＝900時，ud＝0。從整流電壓ud的波形看，正負面積相等，平均值為0，故三相半波可控整流電路大電感負載移相范圍為900。Ud/U2與關系曲線如圖2－11曲線2。

2.電流平均值

（2-38）3.晶閘管電流有效值IT和變壓器次級電流有效值I2

當電感足夠大時，負載電流脈動分量很小，id近似為平行于橫軸的直線，id＝Id，＝1200故

(2-39)

(三)線路中電感量較小時的情況如果負載電感量L較小而電阻R較大或控制角較大，則在電流id上升時電感儲能較小，下降時電感儲能全部放出不足以維持電流連續，這時電流id將出現斷續。從輸出電壓波形來看，大電感負載＝900

ud波形與橫軸所包圍的正負面積相等，因此平均電壓Ud為零；而此時電感不大，儲能有限，id斷續，ud波形包圍的負面積將小于正面積。當＞900時，這現象將繼續存在，只有到1500時，正負面積均為零，此時ud

ud或Ud都為零。因此控制特性Ud/U2的關系表示為2－11的曲線3。移相范圍為1500。三、整流變壓器容量與整流功率的關系（＝00時）整流功率Pd＝UdId，就是整流電路輸出給負載所要求的直流功率。

一般直流電路的輸入都經過變壓器。為了根據負載輸出的需要來估算整流變壓器容量S，需要計算S與Pd的關系。變壓器的原邊和副邊視在功率可能相等也可能不相等，視線路不同而異。因之有視在功率S1（原邊）和S2（副邊）之分，通常取其平均值作為變壓器的容量S。下面以三相半波電路、大電感負載、電流id=Id的情況為例來說明。大電感負載時，整流變壓器次級每相繞組電流波形i2波形如圖2－14所示。i2為單方向的矩形波，可將其分解為直流分量i2-_和交流分量i2～。

圖2－14整流變壓器初、次級電流波形直流分量i2_不能感應到初級，只有交流分量i2～才能耦合到初級。忽略變壓器激磁電流并假定初次級匝數相等，則i1=i2～。初級電流有效值有

(2-40)

變壓器初級視在功率S1

(2-41)

變壓器次級視在功率S2

有（2-42）故變壓器容量S應有

(2-43)電力電子基礎第十九講主講教師：王念春東南大學遠程教育

由此可見，為了輸出功率Pd，變壓器容量要比Pd大35%.

第三節三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路與三相半波電路相比，輸出整流電壓提高一倍，輸出電壓的脈動較小，變壓器利用率高且無直流磁化問題。由于在整流裝置中，三相橋電路晶閘管的最大失控時間只為三相半波電路的一半，故控制快速性較好，因而在大容量負載供電、電力拖動控制系統等方面獲得廣泛的應用。一、電路的構成

從三相半波可控整流電路原理知，共陰極電路工作時，變壓器每相繞組中流過正向電流，共陽極電路工作時，每相繞組流過反向電流，為了提高變壓器利用率，將共陰極電路和共陽極電路輸出串聯，并接到變壓器次級繞組上，如圖2-16所示。在三相橋式電路

的變壓器繞組中，一個周期里既流過正向電流，又流過反向電流，提高了變壓器的利用率，且直流磁勢相互抵消，避免了直流磁化。由于三相橋式整流電路是兩組三相半波整流電路的串聯，因此輸出電壓是三相半波的兩倍。當輸出電流連續時Ud=2*1.17U2=1.35U2l式中U2和U2l為電源變壓器次級相電壓和線電壓有效值。由于變壓器規格并未改變，整流電壓卻比三相半波時大一倍，因此輸出功率加大一倍。變壓器利用率提高了，而晶閘管的電流定額不變。在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管的電壓定定額可比三相不變線路的晶閘管低一半。上面從整體上分析了三相橋式整流電路的特性,為了更具體深入地了解三相全控整流電路，下面詳細分析它的工作過程。

二、三相橋式全控電路的工作過程以圖2－17所示線路電感性負載為例，對電路工作物理過程進行分析。設電感較大，負載電流連續，波形平直。先看控制角＝0的情況，即在電源電壓正半周每自然換相點依次

觸發晶閘管T+a、T+b、T+c，而在電源電壓負半周每自然換相點依次觸發T-a、T-b、T-c。圖2-17中示出了工作波形。為了分析方便，將電源供電周期T分成六段，每段600。晶閘管觸發導通的原則是：共陰極組的晶閘管，哪個陽極電位最高時，哪個應觸發導通；共陽極組的晶閘管，哪個陰極電位最低時，哪個應觸發導通，相應地第一段：

設晶閘管T-b已通，此時a相電壓最高，應觸發晶閘管T+a，則晶閘管T+a、T-b導通。電流由正a相輸出，經晶閘管T+a、負載、晶閘管T-b回到負b相。因此輸出給負載的整流電壓ud為即為線電壓uab。第二段：

a相電壓仍最高，晶閘管T+a仍導通，而c相電壓最負，所以在這一段開始就應當觸發晶閘管T-c使之導通，電流從b相換到c相，同時晶閘管T-b換到T-c。電流由a相輸出，經T+a、負載、T-c回到負c相。此時輸出整流電壓ud為第三段:

此時c相電壓仍最負，T-c導通。而b相電壓變為最高，故應觸發晶閘管T+b導通，電流從a相換到b相，變壓器b、c兩相工作，整流電壓ud為ud＝ub－uc＝ubc等等。以后各階段依次輸出為uba、uca、ucb、uab、uac……。

電力電子基礎第二十講主講教師：王念春東南大學遠程教育圖2－17三相橋式全控整流電路及其工作波形由以上分析，可以得到以下幾點：

1.三相橋式全控整流電路，必須有共陰極組和共陽極組各一個晶閘管同時導通，才能形成輸出通路。

2.三相橋式全控整流電路是兩組三相不變電路的串聯，因此與三相不變電路一樣，對共陰極組觸發脈沖應依次觸發T+a、T+b、T+c，因之它們的觸發脈沖之間的相位差為1200；對于共陽極組觸發脈沖應依次觸發T-a、T-b、T-c，因之它們觸發脈沖之間的相位差也是1200。在負載電流連續的情況，每個晶閘管導電1200。

3.共陰極組晶閘管是在正半周觸發，共陽極組晶閘管是在負半周消費，因此接在同一相的兩個晶閘管的觸發脈沖的相位差應是1800。例如接在a相的T+a和T-a，接在b相的T+b和T-b，接在c相的T+c和T-c，它們觸發脈沖之間相位差都是1800。

4.晶閘管的換流在共陰極組T+a、T+b、T+c之間或共陽極組T-a、T-b、T-c之間進行。但從整個電路來說，每隔600有一個晶閘管要換流，因此每隔600要觸發一個晶閘管，其順序為

為了便于記憶，可畫出三個相差1200的矢量表示共陰極組晶閘管T的下標+a、+b、+c，然后相應各差1800畫出共陽極

晶閘管T的下標-a、-b、-c得到相鄰隔600的六個矢量，圖2－18，則順時鐘所得順序即是各晶閘管換流順序。圖2－18

晶閘管換流順序

5.為了保證電路在接通合閘后，共陰極組和共陽極組應各有一個晶閘管同時導電，或者由于電流斷續后再次導通，必須對兩組中應導通的一對晶閘管同時有觸發脈沖。常用的方法是采用間隔為600的雙觸發脈沖，即是在觸發某一個晶閘管時，同時給前一個晶閘管補發一個脈沖，使共陰極組和共陽極組的兩個應導通的晶閘管都有脈沖。如當觸發T+a時，給T-b也送觸發脈沖；給加T-c觸發時，同時再給T+a送觸發脈沖等等。因此用雙脈沖觸發，在每個周期內對每個晶閘管要觸發兩次，兩次觸發脈沖間隔600。如果把每個晶閘管依次觸發的脈沖延至600以上，一般取800－1000而小于1200，則稱寬脈沖觸發，也可以達到與雙脈沖觸發的相同效果。通常仍采用雙脈沖觸發電路，因脈沖變壓器體積較小，且易于達到脈沖前沿較陡，需要功率也較小，只是線路接線稍為復雜。

6.整流后的輸出電壓是兩相電壓相減后的波形，即是線電壓。控制角為零時的輸出電壓ud，是線電壓正半周的包絡線。線電壓的交點與相電壓的交點是在同一角度位置上，所以相電壓的交點同樣是自然換相點。還可見三相橋式情況電路的整流電壓在一個周期內脈動六次，對于工頻電源脈動頻率為6*50Hz。比三相半波時大一倍。

7.晶閘管應能承受峰值電壓，即U2l。當控制角不為零時，晶閘管在觸發導通前承受正向電壓，其大小與有關。

現在分析

＝300時的工作波形，波形示于圖2－19。此時每個晶閘管是從自然換相點后移一個

角開始換相。如晶閘管T+a和T-c導通時輸出線電壓uac，經過a相和b相間自然換相點，b相電壓雖然高于a相，但是T+b尚未觸發導通，

因而T+a、T-c繼續導通輸出電壓uac。直到經過自然換相點＝300觸發晶閘管T+b，則T+a受反壓關斷，電流由T+a換到了T+b，此時T+b和T-c導通，輸出線電壓ubc，其余類似。由波形分析可見，由于＝300，使得輸出線電壓的包絡減小了一塊相應于＝300的面積，因而使輸出整流電壓減小。圖2－19三相全控橋，時工作波形圖2－20則給出了時的工作波形。

當＞600時，當線電壓瞬時值過零變負時，由于電感釋放能量維持原反向電流，導通的晶閘管繼續導通，整流輸出電壓出現負壓，從而使整流輸出平均電壓進一步減小。

圖2－21畫出了＝900時的工作波形。當電流連續時，此時輸出電壓波形正負兩部分面積相等，因而輸出平均電壓等于零。從此也可見，電感性負載當電感大小能保證輸出電流連續時，控制角的最大移相范圍為900。圖2－21三相橋式電感性負載，時波形

下面計算輸出整流電壓與控制角的關系。從2－19等波形中可見，輸出電壓波形每隔重復一次，所以計算輸出電壓平均值，在600內取其平均值即可。為計算方便，將坐標原點取在線電壓的過零點uab處，則自然換相點距原點橫坐標變為，則整流輸出電壓為

（2－46）

可見，得到與（2－45）式相同的結果。從此式也可得到，當＝900時Ud＝0，即最大控制角移相為900。三、三相橋式全控整流電路電阻負載時

當控制角600時，由于輸出電壓波形

連續，負載電流R，因此電流波形也連續，在一個周期內每個晶閘管導電1200，輸出電壓波形與電感性負載時相同。當從＞600時，由于線電壓過零變負時晶閘管關斷，輸出電壓為零，電流波形變為不連續，不能象電感性負載那樣輸出負電壓。圖2－22表示＝900時的電壓波形。當＝1200時，輸出電壓為零。所以電阻負載時最大移相范圍是1200。

圖2－22三相全控橋電阻負載時下面討論整流輸出電壓與控制角的關系當時，ud

波形連續，和電感性負載時相同，整流輸出電壓也一樣。當600＜＜1200時，電流斷續，當時，u2l為零，故輸出電壓平均值為（2－47）

由式（2－47）也可見，時，Ud＝0，最大移相范圍為1200。三相橋式全控整流電路與控制角的曲線曲線如圖2－23。

圖2－23

三相全控橋輸出特性

電力電子基礎第二十二講主講教師：王念春東南大學遠程教育第六節整流變壓器漏抗對可控整流電路的影響以上分析可控整流電路工作過程，都是忽略整流變壓器漏抗的影響，認為晶閘管的換流是瞬時完成的。實際上，由于變壓器存在漏抗，在換相時，電流不能突然變化，因而換相有一過程。一、換相的物理過程和整流電壓波形圖2－33變壓器漏抗對可控整流電路電壓電流的影響

現以三相半波可控整流電路電感性負載為例（2－33）討論換相的物理過程，分析變壓器漏抗對輸出整流波形的影響。

假設負載為大電感負載，輸出電流為恒定值Id，變壓器每相初級繞組漏感折合到次級用一

集中電感LB表示。由于漏感LB有阻止電流變化的作用，所以當在角觸發相上的晶閘管Tb時，b相電流不能瞬時突變到Id，而是從零逐漸上升到Id；同時，流經Ta的a相電流也不能瞬時降為零，而是逐漸減小到零，因而換相有一過程，直到ia降到零，ib上升到Id，換相過程結束后，Ta關斷，電流從a相換到b相。電流id的波形如圖2-33所示。換相期間所對應的角度

稱為換相重疊角。

在換相期間，兩相晶閘管Ta和Tb同時導通，相當于a、b兩相間短路，短路電壓即是相間電位差ub－ua。忽略晶閘管上壓降和變壓器內阻壓降，短路電壓與回路中的漏感電勢相平衡，則有：

(2-66)

在換相過程中，輸出整流電壓

(2-67)

式(2-67)表明，換相期間，輸出整

流電壓是換相的兩相相電壓的平均值，其整流電壓的波形如圖2-33所示。

二、換相壓降和整流平均電壓由于變壓器漏抗的存在，使輸出整流電壓的平均值有所下降.它是負載電流Id在換相期間引起的電壓降，故稱為換相壓降，用表示，對于三相半波可控整流電路

（2－68）

式（2－68）中稱為變壓器漏抗，可用下式計算

（2－69）式中U2――變壓器次級繞組額定電壓；

I2――變壓器次級繞組額定電流；％――變壓器短路電壓比，其值可查閱電工手冊，一般，變壓器容量越大，取值越大。對于m相可控整流電路，一個周期中有m個波頭，換相m次，其換相壓降（2－70）三相橋可控整流電路，m＝6，故換相電壓降

(2-71)考慮漏抗造成換相壓降后，輸出整流電壓平均值為（2－72）式中，Ud0為＝00時不考慮漏抗影響的整流電壓平均值，對于三相半波可控整流電路Ud0＝1.17U2，三相橋可控整流電路Ud0=2.34U2。

由式（2－72）可知，換相壓降正比于負載電流Id，負載電流愈大，換相壓降愈大，就其對輸出整流電壓平均值的影響而言，相當于在整流電源增加了一項“內阻”，其值為。但是這項“內阻”，并不消耗功率。

第七章無源逆變器

在第二章中所論述的整流是將交流電經晶閘管變換成直流；第三章中的有源逆變，是將直流電經逆變向交流電源供電。本章所講的無源逆變是將直流電經逆變器轉換為負載所需要的不同頻率和電壓值的交流電。它們在交流電機調速、感應加速、不停電電源等方面應用十分廣泛，是構成電力電子技術的重要內容。若逆變器的直流電源由蓄電池、直流發電機等直流電源供電，被稱為直流－交流逆變器，又稱直－交逆變器。一般較大功率的無源逆變器，直流電是由交流電整流得到的，因此，這種系統的電源構成是交流－直流－不同頻率和電壓的交流，故稱它為交－直－交變頻器。

最基本的無源逆變器是單相逆變器，它可以很好的說明逆變器的工作原理，其電路如圖7－1（a）。輸入直流電壓E，逆變器負載是電阻。當以頻率f交替切換開關K1、4和K2、3時，則在電阻上得到圖7－1（b）的第一節逆變器的工作原理電壓波形。圖中T＝1/f，所以負載電壓就是頻率為f的交變電壓，它含有各次諧波，如欲得到正弦電壓或電流，可以通過濾波器濾波。圖7－1（a）電路中的開關K1～4實際是各種半導體器件的一種理想模型。逆變器電路中現在常用的開關器件有功率晶體管（GTR）、功率場效應管（POWERMOSFET）、可關斷晶閘管（GTO）、普通型和快速型晶閘管（SCR）；近年來新的器件絕緣柵晶體管（IGBT）也逐漸在應用。它們和開關二極管反并聯構成了各種逆導型開關管。GTR、GTO、

POWERMOSFET等在控制信號控制控制下導通，當控制極信號撤出后（GTO為加反向電壓），就自行關斷，所有它們是自關斷元件。由它們構成圖7－1（a）的開關，就可以用控制信號方便地控制導通與關斷切換。晶閘管在控制極的觸發信號作用下，一經導通，若使其關斷，必須使陽極電流過零才行，因而需要有換流電路，使晶閘管強迫關斷，這點要比自關斷器件麻煩。容量較大的半導體開關器件主要是晶閘管，所以目前已在應用的較大容量的逆變器多是晶閘管逆變器。但隨著電力電子技術的發展，GTR、MOSFET、GTO等單只容量增大，價格也逐漸便宜，先GTO的單只容量已接近普通晶閘管，所以從80年代中期開始，逆變器中的開關元件采用可關斷器件已占有相當比重。

逆變器類型可由直流電源近似是電壓源或電流源分為電壓型和電流型。可根據輸出相數分單相和三相逆變器。又可根據開關元件類型分晶體管逆變器、可關斷晶閘管逆變器和晶閘管逆變器等。對晶閘管逆變器又可根據換流型式不同分為脈沖換流、諧振換流等多種形式。下面將介紹主要類型逆變器，分析其各種原理和電路參數的確定。第二節功率晶閘管單相逆變器

功率晶閘管基級對集電極電流的控制作用與一般晶體管一樣。當逆變輸出頻率不很高時，功率晶體管可采用內部結構為達林頓連接的復合管，這樣可有大的電流放大倍數；內部結構的等效電路如圖7－2（a）所示。圖7－2（b）為逆導型晶體管結構，它相當于晶體管再反并聯一只二極管。在此講述逆變器工作原理時，將它看作是受基極信號控制的理想開關即可。一、電壓型逆變器工作原理

由于多數負載是電感性的，下面著重分析帶有電感性負載的晶體管單相橋式逆變器的工作原理。圖7－3（a）是直流電源供電的直－交逆變器，圖7－3（b）是交流供電的交－直－交逆變器，圖中電容C是濾波電容，其容量較大，對逆變器來說可以把整流濾波后的輸出當做電壓源。這種由電壓源供電的逆變器，就稱為電壓型逆變器。圖7－3（b）是一種教常用的電路，可以通過調整整流橋晶閘管控制角實現對整流電壓的控制，該電路就是變壓變頻系統（VVVF系統）。比較圖7－3（a）和圖7－3（b）可見，帶電感性負載時，每個逆變橋臂的晶體管都反并聯一只二極管，這些二極管是在Q1、4和Q2、3相互切換時，為負載電感提供能量釋放通路的，電感儲能提供Q2、3或Q1、4回饋給直流電源，所以稱D1～4為能量回饋二極管。設Q1、4、和Q2、3以頻率f進行切換，基極控制信號如圖7－4（a）。但由于負載電感的這樣，負載電流并聯突變，在Q1、4關斷到Q2、3導通（或Q2、3關斷到Q1、4導通）的中間有一段時間，二極管D2、3（或D1、4）在自感電勢作用下導通，使電感儲能向電源回送。因此在一個工作周期中，開關元件的開通順序是Q1、4，D2、3，Q2、3，D1、4四種，構成如圖7－5四種工作模式，圖中標出了電流的實際方向，可由幫助理解各種模式的各種情況。在Q1、4或D1、4導通時，負載電壓uab=E,D2、3

或Q2、3導通時，uab=－E，所以負載電壓是方波，必須如圖7－4（b）。下面按這四個階段分析。第一階段在t=t1時導通，此時負載電流為0。負載電流按指數規律上升，方向由a端到b端（設為正方向）。此階段電路圖如圖7-5（a）。第二階段在t=t2時，Q1、4基極信號撤除，Q1、4關斷；Q2、3給基極信號，此時i在負載電感作用下將不能突變，，使Q2、3導通，負載電流繼續按正方向流通，將電感儲能向電源回饋。而Q2、3承受D2、3導通壓降的反偏電壓，故雖有基極驅動信號卻不能導通。由于D