第二章相相控整流電路

第二章相控整流電路本章重點(diǎn)第一節(jié)單相半波相控整流電路第二節(jié)單相橋式相控整流電路第三節(jié)單相橋式半控整流電路第四節(jié)三相半波相控整流電路第五節(jié)三相橋式全控整流電路第六節(jié)相控整流電路的換相壓降第七節(jié)整流電路的有源逆變工作狀態(tài)本章小結(jié)本章重點(diǎn)單相相控整流電路的結(jié)構(gòu)形式、工作原理、波形分析和各參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。三相相控整流電路的結(jié)構(gòu)形式、工作原理、波形分析和各參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。有源逆變一、整流1.整流：就是指將交流電變換為直流電的過(guò)程。2.整流電路分類(lèi)：（1）不可控整流電路（2）相控整流電路（3）PWM整流電路3.相控整流電路分類(lèi)（1）按相數(shù)分：?jiǎn)蜗?、三相、多相?）按電路結(jié)構(gòu)分：半波、全波、和橋式（半控橋和全控橋）（3）按輸出負(fù)載分：電阻性、電感性和反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載。 第一節(jié)單相相控整流電路1 簡(jiǎn)介 用晶閘管組成的相控整流器電路具有體積小、重量輕、效率高以及控制靈敏等優(yōu)點(diǎn)，獲得廣泛應(yīng)用。如電機(jī)調(diào)速、電焊、電鍍等。

注：本節(jié)分析均把器件看成理想器件，即導(dǎo)通壓降與關(guān)斷漏電流和管子的開(kāi)通和關(guān)斷都不考慮瞬態(tài)過(guò)程。一、單相半波可控整流電路（一）電阻性負(fù)載

1.工作原理 在實(shí)際應(yīng)用中，某些負(fù)載基本上是電阻性的，如電阻加熱爐、電解和電鍍等。電阻性負(fù)載的特點(diǎn)是電壓與電流成正比，波形相同并且同相位，電流可以突變。 首先假設(shè)以下幾點(diǎn)：(1)開(kāi)關(guān)元件是理想的，即開(kāi)關(guān)元件(晶閘管)導(dǎo)通時(shí)，通態(tài)壓降為零，關(guān)斷時(shí)電阻為無(wú)窮大；(2)變壓器是理想的，即變壓器漏抗為零，繞組的電阻為零、勵(lì)磁電流為零。單相半波可控整流器圖和工作波形(電阻性負(fù)載)動(dòng)畫(huà)演示 變壓器T起變換電壓和隔離的作用，在電源電壓正半波，晶閘管承受正向電壓，在ωt=α處觸發(fā)晶閘管，晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通；負(fù)載上的電壓等于變壓器輸出電壓u2。在ωt=π時(shí)刻，電源電壓過(guò)零，晶閘管電流小于維持電流而關(guān)斷，負(fù)載電流為零。 在電源電壓負(fù)半波，uAK＜0，晶閘管承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載電流為零，負(fù)載上沒(méi)有輸出電壓，直到電源電壓u2的下一周期，直流輸出電壓ud和負(fù)載電流id的波形相位相同。 通過(guò)改變觸發(fā)角α的大小，直流輸出電壓ud的波形發(fā)生變化，負(fù)載上的輸出電壓平均值發(fā)生變化，顯然α=180o時(shí)，Ud=0。由于晶閘管只在電源電壓正半波內(nèi)導(dǎo)通，輸出電壓ud為極性不變但瞬時(shí)值變化的脈動(dòng)直流，故稱(chēng)“半波”整流。(1) 觸發(fā)角α與導(dǎo)通角θ觸發(fā)角α也稱(chēng)觸發(fā)延遲角或控制角，是指晶閘管從承受正向電壓開(kāi)始到導(dǎo)通時(shí)止之間的電角度。導(dǎo)通角θ，是指晶閘管在一周期內(nèi)處于通態(tài)的電角度。單相半波可控整流器電阻性負(fù)載情況下(2) 移相與移相范圍 移相是指改變觸發(fā)脈沖ug出現(xiàn)的時(shí)刻，即改變控制角α的大小。 移相范圍是指觸發(fā)脈沖ug的移動(dòng)范圍，它決定了輸出電壓的變化范圍。單相半波可控整流器電阻性負(fù)載時(shí)的移相范圍是0～180o。

直流輸出電流平均值Id

2.基本數(shù)量關(guān)系(1)直流輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id 直流輸出電壓平均值Ud:(2)輸出電壓有效值U與輸出電流有效值I 輸出電壓有效值U: 輸出電流有效值I:(3)晶閘管電流有效值和變壓器二次側(cè)電流有效值

單相半波可控整流器中，負(fù)載、晶閘管和變壓器二次側(cè)流過(guò)相同的電流，故其有效值相等，即：(4)功率因數(shù)cosφ

整流器功率因數(shù)是變壓器二次側(cè)有功功率與視在功率的比值式中P—變壓器二次側(cè)有功功率，P=UI=I2RS—變壓器二次側(cè)視在功率，S=U2I2(5)晶閘管承受的最大正反向電壓Um由圖2-2(f)可以看出晶閘管承受的最大正反電壓Um是相電壓峰值。〖例1-1〗如圖所示單相半波可控整流器，電阻性負(fù)載，電源電壓U2為220V，要求的直流輸出電壓為50V，直流輸出平均電流為20A 試計(jì)算：(1)晶閘管的控制角。(2)輸出電流有效值。(3)電路功率因數(shù)。(4)晶閘管的額定電壓和額定電流。解(1)(2)當(dāng)α=90o時(shí)，輸出電流有效值則α=90o=2.5Ω(3)(4)晶閘管電流有效值IT與輸出電流有效值相等，即：（二）電感性負(fù)載1.工作原理 電感性負(fù)載通常是電機(jī)的勵(lì)磁線圈和負(fù)載串聯(lián)電抗器等。 當(dāng)流過(guò)電感的電流變化時(shí)，電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)對(duì)負(fù)載電流的變化有阻止作用，使得負(fù)載電流不能突變。當(dāng)電流增大時(shí)，電感吸收能量?jī)?chǔ)能，電感的感應(yīng)電勢(shì)阻止電流增大；當(dāng)電流減小時(shí)，電感釋放出能量，感應(yīng)電勢(shì)阻止電流的減小，輸出電壓、電流有相位差。單相半波可控整流器圖和工作波形(電感性負(fù)載)

動(dòng)畫(huà)演示 在ωt=0到α期間，晶閘管陽(yáng)極和陰極之間的電壓uAK大于零，但晶閘管門(mén)極沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)，晶閘管處于正向關(guān)斷狀態(tài)，輸出電壓、電流都等于零。 在ωt=α?xí)r，門(mén)極有觸發(fā)信號(hào)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載電壓ud=u2。 當(dāng)ωt=π時(shí)，交流電壓u2過(guò)零，由于有電感電勢(shì)的存在，晶閘管的電壓uAK仍大于零，晶閘管會(huì)繼續(xù)導(dǎo)通，電感的儲(chǔ)能全部釋放完后，晶閘管在u2反壓作用下而截止。直到下一個(gè)周期的正半周。2.數(shù)量關(guān)系

直流輸出電壓平均值Ud為從Ud的波形可以看出，由于電感負(fù)載的存在，電源電壓由正到負(fù)過(guò)零點(diǎn)也不會(huì)關(guān)斷，輸出電壓出現(xiàn)了負(fù)波形，輸出電壓和電流的平均值減??；當(dāng)大電感負(fù)載時(shí)輸出電壓正負(fù)面積趨于相等，輸出電壓平均值趨于零，則id也很小。所以，實(shí)際的大感電路中，常常在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。（三）電感性負(fù)載加續(xù)流二極管1.工作原理 電源電壓正半波u2＞0，晶閘管電壓uAK＞0。在ωt=α處觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載上有輸出電壓和電流，續(xù)流二極管VDR承受反向電壓而處于斷態(tài)。 電源電壓負(fù)半波u2＜0，通過(guò)續(xù)流二極管VDR使晶閘管承受反向電壓而關(guān)斷。電感的感應(yīng)電壓使VDR承受正向電壓導(dǎo)通續(xù)流，負(fù)載兩端的電壓僅為續(xù)流二極管的管壓降。如果電感足夠大，續(xù)流二極管一直導(dǎo)通到下一周期晶閘管導(dǎo)通，使id連續(xù)。 由以上分析可以看出，電感性負(fù)載加續(xù)流二極管后，輸出電壓波形與電阻性負(fù)載波形相同，續(xù)流二極管可以起到提高輸出電壓的作用。在大電感負(fù)載時(shí)負(fù)載電流波形連續(xù)且近似一條直線，流過(guò)晶閘管的電流波形和流過(guò)續(xù)流二極管的電流波形是矩形波。 對(duì)于電感性負(fù)載加續(xù)流二極管的單相半波可控整流器移相范圍與單相半波可控整流器電阻性負(fù)載相同為0～180o，且有α+θ=180o。單相半波可控整流器圖和工作波形(電感性負(fù)載加續(xù)流二極管)

直流輸出電流平均值Id

2.基本數(shù)量關(guān)系(1)直流輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id 直流輸出電壓平均值Ud:(2)輸出電壓有效值U與輸出電流有效值I 輸出電壓有效值U: 輸出電流有效值I:(3)晶閘管的電流平均值IdT與晶閘管的電流有效值IT晶閘管的電流平均值IdT

晶閘管的電流有效值IT:(4)晶閘管電流有效值和變壓器二次側(cè)電流有效值

單相半波可控整流器中，負(fù)載、晶閘管和變壓器二次側(cè)流過(guò)相同的電流，故其有效值相等，即：(5)晶閘管和續(xù)流二極管承受的最大正反向電壓晶閘管和續(xù)流二極管承受的最大正反向電壓均為電源電壓的峰值。單相半波可控整流器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)。但整流電壓脈動(dòng)大，每周期脈動(dòng)一次。變壓器二次側(cè)流過(guò)單方向的電流，存在直流磁化、利用率低的問(wèn)題，為使變壓器不飽和，必須增大鐵心截面，這樣就導(dǎo)致設(shè)備容量增大。單相全波可控整流電路（SinglePhaseFullWaveControlledRectifier)，又稱(chēng)單相雙半波可控整流電路。單相全波與單相全控橋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(wèn)題。圖2-9單相全波可控整流電路及波形a)wtwab)udi1OOt二.單相全波可控整流電路動(dòng)畫(huà)演示二.單相全波可控整流電路單相全波與單相全控橋的區(qū)別：?jiǎn)蜗嗳ㄖ凶儔浩鹘Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材料的消耗多。單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，相應(yīng)地，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。單相全波導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，因而管壓降也少1個(gè)。從上述后兩點(diǎn)考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場(chǎng)合應(yīng)用。第二節(jié)單相全控可控整流電路（一）電阻性負(fù)載 單相全控橋式整流器圖和工作波形(電阻性負(fù)載)動(dòng)畫(huà)演示1.工作原理

在電源電壓u2正半波，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓。假設(shè)四個(gè)晶閘管的漏電阻相等，則在0～α區(qū)間由于四個(gè)晶閘管都不導(dǎo)通，uAK1，4=1/2u2。在ωt=α處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4導(dǎo)通，電流沿a→VT1→R→VT4→b流通，此時(shí)負(fù)載上輸出電壓ud=u2。電源電壓反向施加到晶閘管VT2、VT3上，處于關(guān)斷狀態(tài)，到ωt=π時(shí)，因電源電壓過(guò)零，晶閘管VT1、VT4陽(yáng)極電流也下降為零而關(guān)斷。單相橋式整流器電阻性負(fù)載時(shí)的移相范圍是0～180o。α=0o時(shí)，輸出電壓最高；α=180o時(shí)，輸出電壓最小。晶閘管承受最大反向電壓Um是相電壓峰值，晶閘管承受最大正向電壓是。 負(fù)載上正負(fù)兩個(gè)半波內(nèi)均有相同方向的電流流過(guò)，從而使直流輸出電壓、電流的脈動(dòng)程度較前述單相半波得到了改善。變壓器二次繞組在正、負(fù)半周內(nèi)均有大小相等、方向相反的電流流過(guò)，從而改善了變壓器的工作狀態(tài)并提高了變壓器的有效利用率。2.基本數(shù)量關(guān)系

(1)輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id

輸出電壓平均值Ud為輸出電流平均值I為(2)輸出電壓有效值U(3)輸出電流有效值I與變壓器二次側(cè)電流I2輸出電流有效值I與變壓器二次側(cè)電流I2相同為(4)晶閘管的電流平均值IdT與晶閘管電流有效值IT(5)功率因數(shù)cosφ顯然功率因數(shù)與α相關(guān)，α=0o時(shí)，cosφ=1。（二）電感性負(fù)載

1.工作原理 電源電壓正半波，在ωt=α處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓，元件導(dǎo)通，電流沿a→VT1→L→R→VT4→b流通，此時(shí)負(fù)載上電壓ud=u2。此時(shí)電源電壓反向施加到晶閘管VT2、VT3上，使其承受反向陽(yáng)極電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)。 當(dāng)ωt=π時(shí)，電源電壓自然過(guò)零，電感感應(yīng)電勢(shì)使晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。在電源電壓負(fù)半波，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，但沒(méi)有觸發(fā)脈沖而不導(dǎo)通；在ωt=π+α處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3，元件導(dǎo)通，電流沿b→VT3→L→R→VT2→a流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載上，負(fù)載上有輸出電壓ud=-u2。此時(shí)VT1、VT4承受反向電壓由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。晶閘管VT2、VT3—直要導(dǎo)通到下一周期ωt=2π+α處再次觸發(fā)晶閘管VT1、VT4為止單相全控橋式整流器圖和工作波形(電感性負(fù)載)動(dòng)畫(huà)演示從波形可以看出α＞90o輸出電壓波形正負(fù)面積相同，平均值為零，所以移相范圍是0～90o?？刂平铅猎?～90o之間變化時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角θ≡π，導(dǎo)通角θ與控制角α無(wú)關(guān)。晶閘管承受的最大正、反向電壓2.基本數(shù)量關(guān)系

(1)輸出電壓平均值Ud(2)輸出電流平均值Id和變壓器副邊電流I2(3)晶閘管的電流平均值IdT

由于晶閘管輪流導(dǎo)電，所以流過(guò)每個(gè)晶閘管的平均電流只有負(fù)載上平均電流的一半。(4)晶閘管的電流有效值IT與通態(tài)平均電流IT(AV)（三）反電勢(shì)負(fù)載1.反電勢(shì)電阻負(fù)載的情況

在負(fù)載回路無(wú)電感時(shí)，反電勢(shì)電阻負(fù)載的特點(diǎn)是：當(dāng)整流電壓的瞬時(shí)值ud小于反電勢(shì)E時(shí)，晶閘管承受反壓而關(guān)斷，這使得晶閘管導(dǎo)通角減小。晶閘管導(dǎo)通時(shí)，

晶閘管關(guān)斷時(shí)，ud=E。與電阻負(fù)載相比晶閘管提前了電角度δ停止導(dǎo)電，δ稱(chēng)作停止導(dǎo)電角。若α<δ時(shí)，觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。為了使晶閘管可靠導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)晶閘管開(kāi)始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲，即α=δ。單相全控橋電路圖和工作波形(反電勢(shì)無(wú)負(fù)載)2.反電勢(shì)電感性負(fù)載的情況 若負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，此時(shí)負(fù)載性質(zhì)為反電動(dòng)勢(shì)電感性負(fù)載，電感不足夠大，輸出電流波形仍然斷續(xù)。在負(fù)載回路串接平波電抗器可以減小電流脈動(dòng)，如果電感足夠大，電流就能連續(xù)，在這種條件下其工作情況與電感性負(fù)載相同。 單相全控橋式整流器主要適用于4kW左右的應(yīng)用場(chǎng)合，與單相半波可控整流器相比，整流電壓脈動(dòng)減小，每周期脈動(dòng)兩次。變壓器二次側(cè)流過(guò)正反兩個(gè)方向的電流，不存在直流磁化，利用率高。第三節(jié)單相橋式半控整流電路（阻感性負(fù)載）

1、單相橋式半控整流電路（不帶續(xù)流二極管）（1）電路結(jié)構(gòu)在單相橋式全控整流電路中，每個(gè)工作區(qū)間有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，每個(gè)導(dǎo)電回路由兩個(gè)晶閘管同時(shí)控制。實(shí)際上，對(duì)單個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需一個(gè)晶閘管就可以了。為此，在每個(gè)導(dǎo)電回路中，一個(gè)仍用晶閘管進(jìn)行控制，另一個(gè)則用大功率整流二極管代替，從而簡(jiǎn)化了整個(gè)電路。把圖3-5a中的晶閘管VT2，VT4換成二極管VD2，VD4即成為單相橋式半控整流電路，如下圖a所示。單相橋式半控整流電路帶大電感負(fù)載時(shí)的電路原理圖和電壓、電流波形

純阻性動(dòng)畫(huà)演示動(dòng)畫(huà)演示

2、單相橋式半控整流電路（帶續(xù)流二極管）（1）電路結(jié)構(gòu)和工作原理單相橋式半控整流電路（帶續(xù)流二極管）的電路和電壓、電流波形如下圖所示。接上續(xù)流二極管后，當(dāng)電源電壓降到零時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)續(xù)流二極管續(xù)流，使橋路直流輸出端只有1V左右的壓降，迫使晶閘管與二極管串聯(lián)電路中的電流減小到維持電流以下，使晶閘管關(guān)斷，這樣就不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象了另一種接法如下圖a所示，相當(dāng)于把全控橋中的VT3和VT4換成二極管VD3和VD4，這樣可省去續(xù)流二極管，續(xù)流由VD3和VD4實(shí)現(xiàn)。即使不外接續(xù)流二極管，電路也不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。但兩個(gè)晶閘管陰極電位不同，VT1和VT2觸發(fā)電路要隔離。這種電路的電流和電壓波形如下圖b所示。第四節(jié)三相半波相控整流電路

一、三相半波相控整流電路（電阻性負(fù)載）

1、電路結(jié)構(gòu)為得到零線，變壓器二次繞組為星形。為給三次諧波提供通路，變壓器一次繞組接成三角形。三個(gè)晶閘管的陰極連在一起，為共陰極接法。

動(dòng)畫(huà)演示2、工作原理

（1）在ωt1～ωt2區(qū)間有uu＞uv、uu＞uw，u相電壓最高，VT1承受正壓。在ωt1時(shí)刻觸發(fā)VT1使其導(dǎo)通，導(dǎo)通角θ＝120o，輸出電壓ud＝uu。其它兩個(gè)晶閘管承受反壓而不導(dǎo)通。VT1的電流iT1與變壓器二次側(cè)u相電流波形相同，大小相等。（2）在ωt2～ωt3區(qū)間有uv＞uu

，v相電壓最高，VT2承受正壓。在ωt2時(shí)刻觸發(fā)VT2使其導(dǎo)通，ud＝uv。VT1兩端電壓uT1=uu-uv=uuv<0，晶閘管VT1承受反壓關(guān)斷。在ωt2時(shí)刻發(fā)生的由一相晶閘管導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為另一相晶閘管導(dǎo)通的過(guò)程稱(chēng)為換流。（3）在ωt3～ωt4區(qū)間有uw

＞uv，w相電壓最高，VT3承受正壓。在ωt3時(shí)刻觸發(fā)VT3使其導(dǎo)通，ud＝uw。VT2兩端電壓uT2=uv-uw=uvw<0，晶閘管VT2承受反壓關(guān)斷。在VT3導(dǎo)通期間VT1兩端電壓uT1=uu-uw=uuw<0。這樣在一個(gè)周期內(nèi)，VT1只導(dǎo)通120度，在其余240度時(shí)間承受反壓而處于關(guān)斷狀態(tài)。

任一時(shí)刻，只有承受最高壓的晶閘管才能導(dǎo)通，輸出電壓ud是相電壓波形的一部分，每周期脈動(dòng)三次，是三相電源相電壓正半波完整的包絡(luò)線，輸出電流id與電壓ud波形相同、相位相同。從圖中還可看出：電阻性負(fù)載α=0o時(shí)，VT1在VT2、VT3導(dǎo)通時(shí)僅受反壓，隨著α的增加，晶閘管承受正向電壓增加，其它兩個(gè)晶閘管承受的電壓波形相同，僅相位依次相差120o。增大α，則整流電壓相應(yīng)減小。電阻性負(fù)載α=30o時(shí)的輸出電流、電壓波形α=30o是輸出電壓、電流連續(xù)和斷續(xù)的臨界點(diǎn)。

電阻性負(fù)載α=60o時(shí)的輸出電流、電壓波形顯然，α=150o時(shí)輸出電壓為零，所以三相半波整流電路電阻性負(fù)載的移相范圍是0o～150o。從波形可看出：晶閘管承受的最大正壓是變壓器二次相電壓的峰值，UFM=U2；晶閘管承受的最大反壓是二次線電壓的峰值，URM=×U2=U2。在選擇晶閘管的額定電壓時(shí)，應(yīng)考慮到承受最大反向電壓的峰值情況。

3、數(shù)量關(guān)系（1）輸出電壓平均值Ud

α=30o是ud波形連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn)。計(jì)算輸出電壓平均值Ud時(shí)應(yīng)分兩種情況進(jìn)行。1）α≤30o時(shí)

2）α＞30o時(shí)

（2）輸出電流平均值Id（3）晶閘管電流平均值IdT（4）晶閘管電流有效值IT1)α≤30o時(shí)

2)α＞30o時(shí)

三相半波可控整流電路（電阻性負(fù)載）特點(diǎn)歸納：（1）α=0o時(shí)，整流電壓最大；增大α?xí)r，波形的面積減小，即整流電壓減??；當(dāng)α=150o時(shí)，整流電壓為零。電阻性負(fù)載控制角α的移相范圍為150o。（2）當(dāng)α≤30o時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，每個(gè)晶閘管在一個(gè)周期中持續(xù)導(dǎo)通1200；當(dāng)α＞30o時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管的導(dǎo)通角為?=1500

-α。（3）流過(guò)晶閘管的電流等于變壓器的副邊電流。（4）晶閘管承受的最大電壓是變壓器二次線電壓的峰值

U2。（5）輸出整流電壓ud的脈動(dòng)頻率為3倍的電源頻率。二、三相半波可控整流電路（阻感性負(fù)載）

1、電路結(jié)構(gòu)三相半波可控整流電路（電感性負(fù)載）及波形（α=60度）

動(dòng)畫(huà)演示2、工作原理當(dāng)α≤30o時(shí)，相鄰兩相的換流是在原導(dǎo)通相的交流電壓過(guò)零變負(fù)之前，工作情況與電阻性負(fù)載同。由于負(fù)載電感的儲(chǔ)能作用，電流id波形近似平直，晶閘管中分別流過(guò)幅度Id、寬度120o的矩形波電流，導(dǎo)通角θ=120o。當(dāng)α＞30o時(shí)，假設(shè)α=60o，VT1已經(jīng)導(dǎo)通，在u相交流電壓過(guò)零變負(fù)后，由于未到VT2的觸發(fā)時(shí)刻，VT2未導(dǎo)通，在負(fù)載電感作用下VT1繼續(xù)導(dǎo)通，輸出電壓ud＜0，直到VT2

被觸發(fā)導(dǎo)通，VT1承受反壓而關(guān)斷，輸出電壓ud＝uv，然后重復(fù)u相的過(guò)程。當(dāng)α=90o時(shí)輸出電壓為零，三相半波整流電路阻感性負(fù)載（電流連續(xù)）的移相范圍是0o～90o。

3、數(shù)量關(guān)系（1）輸出電壓平均值

由于ud波形連續(xù)，所以計(jì)算輸出電壓Ud時(shí)只需一個(gè)計(jì)算公式（2）輸出電流平均值

（3）晶閘管電流平均值（5）晶閘管通態(tài)平均電流

（4）晶閘管電流有效值三、三相半波共陽(yáng)極可控整流電路把三只晶閘管的陽(yáng)極接成公共端連在一起就構(gòu)成了共陽(yáng)極接法的三相半波可控整流電路，由于陰極不同電位，要求三相的觸發(fā)電路必須彼此絕緣。由于晶閘管只有在陽(yáng)極電位高于陰極電位時(shí)才能導(dǎo)通，因此晶閘管只在相電壓負(fù)半周被觸發(fā)導(dǎo)通，換相總是換到陰極更負(fù)的那一相。下圖是共陽(yáng)極接法的三相半波可控整流電路和α=30o時(shí)的工作波形。

三相半波可控整流電路共陽(yáng)極接法及波形

第五節(jié)三相全控橋式整流電路

一、三相全控橋式整流電路（電阻性負(fù)載）

1、電路結(jié)構(gòu)

三相半波整流的變壓器存在直流磁化問(wèn)題，三相全控橋式整流電路可看作是三相半波共陰極接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共陽(yáng)極接法(VT4，VT6，VT2)的串聯(lián)組合。

動(dòng)畫(huà)演示2、工作原理（α=0o時(shí)）

一個(gè)周期內(nèi)，晶閘管的導(dǎo)通順序T1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6。將一周期相電壓分為六個(gè)區(qū)間：（1）在ωt1~ωt2區(qū)間：u相電壓最高，VT1觸發(fā)導(dǎo)通，v相電壓最低，VT6觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載輸出電壓ud＝uuv。（2）在ωt2~ωt3區(qū)間：u相電壓最高，VT1觸發(fā)導(dǎo)通，w相電壓最低，VT2觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載輸出電壓ud＝uuw。（3）在ωt3~ωt4區(qū)間：v相電壓最高，VT3觸發(fā)導(dǎo)通，w相電壓最低，VT2觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載輸出電壓ud＝uvw。（4）在ωt4~ωt5區(qū)間：v相電壓最高，VT3觸發(fā)導(dǎo)通，u相電壓最低，VT4觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載輸出電壓ud＝uvu。（5）在ωt5~ωt6區(qū)間：w相電壓最高，VT5觸發(fā)導(dǎo)通，u相電壓最低，VT4觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載輸出電壓ud＝uwu。（6）在ωt6~ωt7區(qū)間：w相電壓最高，VT5觸發(fā)導(dǎo)通，v相電壓最低，VT6觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載輸出電壓ud＝uwv。三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載α=60度時(shí)的波形

三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載α=90度時(shí)的波形

三相全控橋式整流電路的工作特點(diǎn)：1）任何時(shí)候共陰、共陽(yáng)極組各有一只元件同時(shí)導(dǎo)通才能形成電流通路。2）共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5，按相序依次觸發(fā)導(dǎo)通，相位互差120o，共陽(yáng)極組VT2、VT4、VT6，相位相差120o，同一相的晶閘管相位相差180o。每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角120o；3）輸出電壓ud由六段線電壓組成，每周期脈動(dòng)六次，每周期脈動(dòng)頻率為300Hz。4）晶閘管承受的電壓波形與三相半波同，只與晶閘管導(dǎo)通情況有關(guān)，波形由3段組成：一段為零(忽略導(dǎo)通時(shí)的壓降)，兩段為線電壓。晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。5）變壓器二次繞組流過(guò)正負(fù)兩個(gè)方向的電流，消除了變壓器的直流磁化，提高了變壓器的利用率。

6）對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：要使電路正常工作，需保證應(yīng)同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖，常用的方法有兩種：一種是寬脈沖觸發(fā)，它要求觸發(fā)脈沖的寬度大于60o（一般為80o～100o），另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，即觸發(fā)一個(gè)晶閘管時(shí)，向小一個(gè)序號(hào)的晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以多采用雙窄脈沖觸發(fā)。

電阻性負(fù)載α≤60o時(shí)的ud波形連續(xù)，α＞60o時(shí)ud波形斷續(xù)。α=120o時(shí)，輸出電壓為零Ud=0，三相全控橋式整流電路電阻性負(fù)載移相范圍為0o～120o。晶閘管兩端承受的最大正反向電壓是變壓器二次線電壓的峰值

3、參數(shù)計(jì)算α=60o是輸出電壓波形連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn)，輸出電壓平均值應(yīng)分兩種情況計(jì)算：（1）α≤60o（2）α＞60o

二、三相橋式全控整流電路（阻感性負(fù)載）

1、工作情況分析當(dāng)α≤60o時(shí)，電感性負(fù)載的工作情況與電阻負(fù)載相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形都一樣；區(qū)別在于由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流的波形近似為一條水平線。

α＞60o時(shí)，電感性負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載不同，由于負(fù)載電感感應(yīng)電勢(shì)的作用，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。下圖是帶電感性負(fù)載α=90o時(shí)的波形，可看出，α=90o時(shí)，ud波形上下對(duì)稱(chēng)，平均值為零，因此帶電感性負(fù)載三相橋式全控整流電路的α角移相范圍為90度。

三相橋式全控整流電路帶電感性負(fù)載α=0度時(shí)的波形

動(dòng)畫(huà)演示三相橋式整流電路帶電感性負(fù)載，

α=90度時(shí)的波形

2、參數(shù)計(jì)算（1）輸出電壓平均值由于ud波形是連續(xù)的，所以

（2）輸出電流平均值

（3）晶閘管電流平均值

（4）晶閘管電流有效值

（5）晶閘管額定電流

（6）變壓器二次電流有效值

三、三相橋式半控整流電路（一）、三相橋式半控整流電路（電阻性負(fù)載）1、電路結(jié)構(gòu)在不要求可逆的電力拖動(dòng)中，可采用比三相全控橋式整流電路更簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的三相橋式半控整流電路，如下圖a所示，它由共陰極接法的三相半波可控整流電路與共陽(yáng)極接法的三相半波不可控整流電路串聯(lián)而成，因此這種電路兼有可控與不可控兩者的特性。共陽(yáng)極組的三個(gè)整流二極管總是在自然換流點(diǎn)換流，使電流換到陰極電位更低的一相中去；而共陰極組的三個(gè)晶閘管則要在觸發(fā)后才能換到陽(yáng)極電位高的那一相中去。輸出整流電壓的波形是二組整流電壓波形之和，改變共陰極組晶閘管的控制角α，可獲得的直流可調(diào)電壓ud。

三相橋式半控整流電路及其電壓電流波形（a）電路圖（b）α=30度（c）α=60度（d）α=120度

（二）、三相半控橋式整流（大電感性負(fù)載）三相半控橋式整流電路與全控橋式整流電路比較如下:1）三相全控橋式整流電路能工作于有源逆變狀態(tài)，而三相半控橋式整流電路只能作可控整流，不能工作于逆變狀態(tài)。2）三相全控橋式整流電路輸出電壓脈動(dòng)小，基波頻率為300Hz，比三相半控橋式整流電路高一倍，在同樣的脈動(dòng)要求下，全控橋式整流電路要求平波電抗器的電感量可小些。3）三相半控橋式整流電路只用三個(gè)晶閘管，只需三套觸發(fā)電路，不需寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)，線路簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，調(diào)整方便。4）三相全控橋式整流電路控制增益大、靈敏度高，其控制滯后時(shí)間(改變電路的控制角后，直流輸出電壓相應(yīng)變化的時(shí)間)為3.3ms，而三相半控橋式整流電路為6.6ms，因此三相全控橋式整流電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比半控橋式整流電路好。第六節(jié)相控整流電路的換相壓降

前面介紹的各種整流電路都是在理想工作狀態(tài)下的工作情況，即假設(shè)：（1）變壓器的漏抗、繞組電阻和勵(lì)磁電流都可忽略；（2）晶閘管元件是理想的。但實(shí)際的交流供電電源總存在電源阻抗，如電源變壓器的漏電抗、導(dǎo)線電阻以及為了限制短路電流而加上的交流進(jìn)線電抗器等。由于電感電流不能突變，因此換相過(guò)程不能瞬時(shí)完成。

1、換相過(guò)程與換相重疊角以三相半波可控整流電路為例來(lái)討論換相過(guò)程。假設(shè)三相漏抗相等，忽略交流側(cè)的電阻，負(fù)載電感足夠大，則負(fù)載電流連續(xù)且平直。以晶閘管從u相換到v相為例，VT1已導(dǎo)通。當(dāng)α=30°時(shí)觸發(fā)VT2，由于變壓器漏抗的作用，VT1不立即關(guān)斷，u相電流iu=Id-ik逐漸減小到零；VT2導(dǎo)通，iv=0逐漸增加到Id。換相過(guò)程中，兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，在

uvu電壓作用下產(chǎn)生短路電流ik，當(dāng)

iu=0，iv=Id時(shí)，u相和v相之間完成了換相。

變壓器漏感對(duì)整流電路的影響

2換相期間的整流電壓換相回路電壓平衡方程換相期間變壓器漏感LB兩端的電壓

換相期間輸出電壓

3、換相壓降由波形可以看出：與不考慮變壓器漏抗的情況比較，整流電壓波形少了一塊陰影部分，缺少部分為：式中

XB—漏感為L(zhǎng)B的變壓器每相折算到二次側(cè)的漏電抗，

單相雙半波電路m=2，三相半波m=3，三相橋式電路m=6

說(shuō)明：對(duì)于單相全控橋，換相壓降的計(jì)算上述通式不成立，因?yàn)閱蜗嗳貥螂m然每周期換相2次(m=2)，但換相過(guò)程中ik是從-Id增加到Id，所以上式)中的Id應(yīng)該帶入2Id，故對(duì)于單相全控橋有：

4、換相重疊角γ對(duì)下式：兩邊積分，可得

顯然，當(dāng)α一定時(shí)，XB、Id增大，則γ增大，換流時(shí)間增大；XB

、Id一定時(shí)，γ隨α角的增大而減小。

（1）與換相壓降的討論一樣，對(duì)單相全控橋有m=2，Id應(yīng)該帶入2Id，故有

（2）對(duì)三相橋式電路，m=6，三相橋式電路等效為相電壓為的六相半波整流電路，

變壓器漏感LB的存在可以限制短路電流，限制電流變化率di/dt

。但也會(huì)引起電網(wǎng)波形畸變，使du/dt加大，影響其他負(fù)載；會(huì)使功率因數(shù)降低，輸出電壓脈動(dòng)增大，降低電壓調(diào)整率。第七節(jié)整流電路的有源逆變工作狀態(tài)本節(jié)要點(diǎn)有源逆變電路、有源逆變的條件、逆變失敗與最小逆變角的限制；直流可逆拖動(dòng)的工作原理；一、逆變的概念1．逆變電路是把直流電逆變成交流電的電路。2．按照負(fù)載性質(zhì)的不同，逆變分為有源逆變和無(wú)源逆變。3．當(dāng)可控整流電路工作在逆變狀態(tài)時(shí)，如果把該電路的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變成與交流電源同頻率的交流電返送到電網(wǎng)上去，則稱(chēng)作有源逆變。4．如果可控整流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到無(wú)源負(fù)載，則稱(chēng)為無(wú)源逆變或變頻。2.7.1有源逆變的工作原理

一、有源逆變的工作原理1、以單相全波可控有源逆變電路為例

2、工作原理1）整流狀態(tài)（0≤α﹤90°）當(dāng)α等于零時(shí)，輸出電壓瞬時(shí)值ud在整個(gè)周期內(nèi)全部為正；當(dāng)90°>α>0時(shí)，ud在整個(gè)周期內(nèi)有正有負(fù)，但正面積總是大于負(fù)面積，故平均值Ud為正值，其極性是上正下負(fù)，如上圖a。通常Ud略大于E，此時(shí)電流Id從Ud的正端流出，從E的正端流進(jìn)。電機(jī)M吸收電能，作電動(dòng)運(yùn)行，電路把從交流電網(wǎng)吸收的電能轉(zhuǎn)變成直流電能輸送給電動(dòng)機(jī)，電路工作在整流狀態(tài)，電機(jī)M工作在電動(dòng)狀態(tài)。2）逆變狀態(tài)（90°﹤α≤180°）逆變是將電機(jī)吸收的直流電能轉(zhuǎn)變成交流反饋回電網(wǎng)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕?fù)載電流Id不能改變方向，只有將E反向，即電機(jī)作發(fā)電運(yùn)行才能回饋電能；為避免Ud與E順接，此時(shí)將Ud的極性也反過(guò)來(lái)，如上圖b示。要使Ud反向，α應(yīng)該大于90°。當(dāng)α在90°﹤α≤180°間變動(dòng)時(shí)，輸出電壓瞬時(shí)值ud在整個(gè)周期內(nèi)有正有負(fù)，但負(fù)面積大于正面積，故平均值Ud為負(fù)值，見(jiàn)上圖b所示。此時(shí)E略大于Ud，電流Id的流向是從E的正端流出，從Ud的正端流入，逆變電路吸收從電機(jī)反送來(lái)的直流電能，并將其轉(zhuǎn)變成交流電能反饋回電網(wǎng)，這就是該電路的有源逆變狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)有源逆變的兩個(gè)條件：1）變流器的輸出Ud能夠改變極性（內(nèi)部條件）。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，電流Id不能改變方向，為實(shí)現(xiàn)有源逆變，必須改變Ud的極性。即讓變流器的控制角α＞90°即可。2）須有外接的提供直流電能的電源E。E也要能改變極性，且有（外部條件）。2.7.3、逆變失敗與逆變角的限制1、逆變角β逆變狀態(tài)時(shí)的控制角稱(chēng)為逆變角β，規(guī)定以α=π處作為計(jì)量β角的起點(diǎn)，大小由計(jì)量起點(diǎn)向左計(jì)算。滿(mǎn)足如下關(guān)系