第三章 AC DC變換器

第3章

交流－直流變換器（整流器）

13交流－直流變換器（整流器）

3.0概述3.1整流器的類型和性能指標

3.2不控整流電路3.3單相可控整流電路

3.4三相半波相控整流電路3.5三相橋式相控整流電路3.6交流電路電感對整流特性的影響3.7有源逆變及功率因數(shù)校正

3.0概述利用半導體電力開關器件的通、斷控制，將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芊Q為整流。實現(xiàn)整流的電力半導體開關電路連同其輔助元器件和系統(tǒng)稱為整流器。整流電路是出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟娬髌鞯念愋秃芏?，歸納分類如下：1.按交流電源電流的波形可分為： （1）

半波整流。（2）全波整流。2.按交流電源的相數(shù)的不同可分為： （1）

單相整流。（2）多相整流。3.按整流電路中所使用的開關器件及控制能力的不同可分為：

(1）

不控整流。（2）半控整流。（3）全控整流。4.按控制原理的不同可分為： （1）

相控整流。（2）高頻PWM整流。開關器件為二極管開關器件為晶閘管開關器件為全控器件5.按電路結構可分為：（1）橋式電路。（2）零式電路。6.按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向又分為：

（1）單拍電路。（2）雙拍電路。

對交流－直流變換最基本的性能要求：直流輸出電壓可以調控（交流輸入電壓變化時或負載變化時輸出的直流電壓可保持為任意指令值）輸出電壓中交流分量（即諧波電壓）被控制在允許值范圍以內；交流側電流中的諧波電流也要求在允許值以內。此外交流側的功率因數(shù)、整流器的效率、重量、體積、成本、電磁干擾EMI和電磁兼容性EMC以及對控制指令的響應特性都是評價整流器的重要指標。3.1整流器的類型和性能指標整流器最基本的性能指標有：1.電壓諧波系數(shù)或紋波系數(shù)RF（RippleFactor）2.電壓脈動系數(shù)Sn

3.輸入電流總畸變THD

(TotalHarmonicDistortion)4.輸入功率因數(shù)PF（PowerFactor）上述基本性能指標能比較科學地評價各種整流電路的性能優(yōu)劣。紋波電壓的定義：整流輸出電壓中除直流平均值電壓VD外全部交流諧波分量有效值VH電壓諧波系數(shù)或紋波系數(shù)RF（RippleFactor）進一步可以表示為

：電壓諧波（紋波）系數(shù)的定義：輸出電壓中的交流諧波有效值平均值VH與直流平均值VD之比值。表示為電壓脈動系數(shù)Sn定義：整流輸出電壓中最低次諧波幅值Vnm與直流平均值VD之比。Sn=Vnm/VD

輸入電流總畸變THD(TotalHarmonicDistortion)交流輸入電流中除基波電流Is1外通常還含有各次諧波電流Isn（n＝2，3，4，…）。THD的定義：除基波電流外的所有諧波電流總有效值與基波電流有效值之比值定義：交流電源輸入有功功率PAC與其視在功率S之比，即輸入功率因數(shù)PF（PowerFactor）

：若交流輸入電壓為無畸變的正弦波，則只有輸入電流中的基波電流形成有功功率。這時，基波電流數(shù)值因數(shù)（簡稱基波因數(shù)）是基波電流有效值與總電流有效值之比值，即輸入電流有效值：交流側電壓與電流基波分量之間的相位角φ1稱為基波位移角；基波功率因數(shù)cosφ1稱為基波位移因數(shù)DPF；3.2不控整流電路3.2.0概述3.2.1單相半波不控整流3.2.2單相橋式不控整流3.2.3三相半波不控整流3.2.4三相橋式不控整流3.2.5電容濾波的不控整流電路

3.2.0概述定義：在交流電源與直流負載間插入二極管電路，利用二極管的單向導電性實現(xiàn)交流-直流電能變換的電路。缺點：輸出電壓平均值不能調節(jié)分析法：二極管的單向導電性是分析二極管整流電路的基本原則。典型電路：圖1(a)～4(a)由于電路中的電力電子器件采用整流二極管，故也稱這類電路為二極管整流電路。3.2.1單相半波不控整流在電源電壓的正半周wt=0~pD1承受正向電壓而導通。vd=vs,id=is在電源電壓的負半周wt=p~2p

D1受反壓截止，阻斷電路。

vd=0,id=0如果負載有電感，則負載電流通過D0續(xù)流。主電路：不控二極管D1、D0工作原理：（理想情況下）特點：整流電壓直流平均值

VD只與VS有關，不能被調控；輸出電壓脈動大，脈動頻率低，難于濾波。僅正半周有輸出（一個電源周期中僅一個電壓脈波，即脈波數(shù)為1，稱為“半波”）；電源電流的直流分量很大點：整流電壓直流平均值3.2.2單相橋式不控整流原理及波形分析：在中小容量的不控整流領域中應用廣泛。3.2.3三相半波不控整流原理及波形：一周期中，A相D1、B相D3、C相D5依序各導電120°。整流電流為120°脈寬直流。整流電壓由三個相同的脈波組成（脈波數(shù)m＝3）。特點：直流平均值的數(shù)值較高：整流電壓脈動較小，脈動頻率為電源頻率3倍。電源電流含有很大的直流分量。較少實用。3.2.4三相橋式不控整流整流電壓由6個相同的脈波組成，脈波寬60°,脈動較小，易濾波。電源電流無直流分量,為120°脈寬、正負對稱的交流電。廣泛應用較大功率的不控整流中脈波數(shù)m＝63.2.4三相橋式不控整流整流電壓的直流平均值高：電源線電壓有效值電源相電壓有效值3.2.5電容濾波的不控整流電路

不控整流電路輸出電壓中除直流平均值外，還含有諧波電壓。為此須在整流電路的輸出端與負載之間接入LC濾波器。由于整流輸出諧波電壓的頻率不高，因此要有較好濾波效果必須LC很大。濾波電感L的的重量、體積相對于電容要大得多，通常取較小的L和較大的C組成LC濾波器，甚至完全不用電感只用電容濾波。1電容濾波的單相不可控整流電路常用于小功率單相交流輸入的場合，如目前大量普及的微機、電視機等家電產(chǎn)品中。1）工作原理及波形分析圖5

電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形a)電路

b)波形基本工作過程：在u2正半周過零點至wt=0期間，因u2<ud，故二極管均不導通，電容C向R放電，提供負載所需電流。至wt=0之后，u2將要超過ud，使得VD1和VD4開通，ud=u2，交流電源向電容充電，同時向負載R供電。b)0iudqdp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud2)主要的數(shù)量關系

輸出電壓平均值

電流平均值

輸出電流平均值IR為：IR=

Ud/R

Id=IR

二極管電流iD平均值為：ID=Id/2=IR/2

二極管承受的電壓

空載時，。重載時，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于接近電阻負載時的特性。在設計時根據(jù)負載的情況選擇電容C值，使,此時輸出電壓為：Ud≈1.2U2。

感容濾波的二極管整流電路實際應用為此情況，但分析復雜。ud波形更平直，電流i2的上升段平緩了許多，這對于電路的工作是有利的。圖6

感容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形a）電路圖b）波形a)b)u2udi20dqpwti2,u2,ud2電容濾波的三相不可控整流電路1）基本原理某一對二極管導通時，輸出電壓等于交流側線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。當沒有二極管導通時，由電容向負載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。圖7

電容濾波的三相橋式不可控整流電路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt電流id

斷續(xù)和連續(xù)的臨界條件wRC=在輕載時直流側獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時是連續(xù)的，分界點就是R=/wC。由“電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設在wt+d=2p/3的時刻“速度相等”恰好發(fā)生，則有圖8

電容濾波的三相橋式整流電路當wRC等于和小于時的電流波形

a）wRC=

b）wRC<由上式可得a)b)wtwtwtwtaidaidOOOO考慮實際電路中存在的交流側電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感時的工作情況：電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。隨著負載的加重，電流波形與電阻負載時的交流側電流波形逐漸接近。圖9

考慮電感時電容濾波的三相橋式整流電路及其波形

a）電路原理圖

b）輕載時的交流側電流波形

c）重載時的交流側電流波形b)c)iaiaOO

t

t2)主要數(shù)量關系（1）輸出電壓平均值

Ud在（2.34U2~2.45U2）之間變化（2）電流平均值

輸出電流平均值IR為：

IR=

Ud/R

與單相電路情況一樣，電容電流iC平均值為零，因此：Id=IR

二極管電流平均值為Id的1/3，即：

ID=Id/3=IR/3

（3）二極管承受的電壓

二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為。

問題：相控整流電路(含不控這個特例)的輸出電壓不是恒定的直流電壓：除直流平均值外，還有諧波電壓（頻率不高）。必須在輸出端與負載之間接LC濾波器，LC很大時才有較好濾波效果；通常取較小的L和較大的C組成LC濾波器，或不用L、只用C濾波。（濾波電感L的重量、體積相對于電容要大得多）有時，為了抑制電流沖擊，加寬元件的導電角，常在直流側串入一個較小的電感，構成LC濾波電路.3.3單相可控整流電路3.3.0概述3.3.1單相半波可控整流電路3.3.2單相橋式全控整流電路3.3.3單相全波可控整流電路3.3.4單相橋式半控整流電路

3.3.0概述晶閘管代替上節(jié)電路中的二極管，可得相控整流電路。原理：利用了半控開關器件晶閘管的開通可控特性（承受正向電壓，且有觸發(fā)脈沖）和單向導電性；相控整流：控制晶閘管觸發(fā)相位角（脈沖施加時刻）就控制了電源電壓送至負載的起始時刻，從而控制整流電壓。整流電路結構不同、負載性質不同，工作情況也就不同。電路分析時要抓住晶閘管的導通時刻（滿足導通條件時）和受到反壓被強迫關斷的時刻。掌握單相橋式全控整流電路在不同性質負載下的工作情況了解單相橋式半控整流電路的失控現(xiàn)象及解決辦法。3.3.1

單相半波可控整流電路圖10

單相半波可控整流電路及波形1）帶電阻負載的工作情況變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用。電阻負載的特點：電壓與電流成正比，兩者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00單相半波可控整流電路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)

VT的a移相范圍為180

通過控制觸發(fā)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。

首先，引入兩個重要的基本概念：觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用a表示,也稱觸發(fā)角或控制角。導通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度，用θ表示?；緮?shù)量關系直流輸出電壓平均值為(2-1)2)帶阻感負載的工作情況

圖11

帶阻感負載的單相半波電路及其波形阻感負載的特點：電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變。討論負載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導通角θ的關系。wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++對單相半波電路的分析可基于上述方法進行：當VT處于斷態(tài)時，相當于電路在VT處斷開，id=0。當VT處于通態(tài)時，相當于VT短路。圖12單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關斷狀態(tài)b)VT處于導通狀態(tài)電力電子電路的一種基本分析方法通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電路。器件的每種狀態(tài)對應于一種線性電路拓撲。當VT處于通態(tài)時，如下方程成立：VTb)RLu2b)VT處于導通狀態(tài)

初始條件：ωt=a

，id=0。求解式上式并將初始條件代入可得當ωt=θ+a

時，id=0，代入并整理得

其中，續(xù)流二極管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)圖13

單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形當u2過零變負時，VDR導通，ud為零，VT承受反壓關斷。L儲存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續(xù)流。

數(shù)量關系(id近似恒為Id）

VT的a移相范圍為180

。簡單，但輸出脈動大，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。實際上很少應用此種電路。分析該電路的主要目的建立起整流電路的基本概念。單相半波可控整流電路的特點3.3.2單相橋式全控整流電路一、電阻性負載（一）主電路（二）理想化假設

（三）工作原理及波形分析

(四)幾個名詞術語(五)基本量的計算二、電感性負載三、反電勢負載電阻性負載時的工作情況分析（二）理想化假設(1)開關元件是理想的開關：通態(tài)壓降=0；斷態(tài)電阻無窮大;漏電流=0;開關過程瞬間完成；(2)變壓器是理想的：漏抗、繞組電阻、勵磁電流=0(3)電網(wǎng)電壓是理想的正弦波

（一）主電路

（1）T為整流變壓器；（2）注意各物理量的參考方向v1vST1T2T3T4Rabidd()ai1is主電路1、T1、T4一組，T2、T3一組：兩組間、上下橋臂間觸發(fā)脈沖相差180°電角度。2、問題：元件可能觸發(fā)導通的區(qū)間？何時關斷？為什么？v1vST1T2T3T4Rabidvd()ai1is主電路電阻負載時的波形

動態(tài)演示阻性負載（三）工作原理及波形分析1.觸發(fā)脈沖條件（波形、頻率、周期、相位）：與電源“同步”。2波形分析法：分段分析法（同頻/同周期、有協(xié)調的相位關系＝＝正常工作的條件）圖14

單相橋式帶阻性負載全控式整流電路及波形（1）控制角α:從SCR承受正向電壓時刻起到觸發(fā)脈沖前沿時刻之間的時間所對應的電角度。＝》把不控器件（二極管）的導通時刻后移的電角度。（2）元件導通角θ（導電角）：元件在一周期內導通的時間所對應的電角度。本例θ=π-α（3）移相：改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)時刻，即改變控制角大小。改變α角的大小就可以控制輸出電壓的大小實現(xiàn)“移相控制”，被簡稱“相控”。（4）移相范圍：控制角α能夠變化的范圍，本例0～180°（5）換相（換流）：電流從一個元件轉移到另一個元件的過程。(四)幾個名詞術語Vd

是控制角α的函數(shù)；α愈大Vd愈?。划敠粒?時為最大值；當α＝π時，Vd=0。α的移相范圍為0～π。(五)基本量的計算

（1）輸出直流電壓平均值Vd電源電壓隨控制角α的變化曲線圖

（2）輸出直流電流平均值ID

（3）晶閘管電流的有效值IT

:由于兩晶閘管對輪流導通，在一個正弦周期內各導通θ,所以晶閘管平均電流為負載平均電流Id的一半。晶閘管電流平均值:

(4)次級繞組電流有效值IS＝負載電流有效值IL

（5）負載電阻上電壓有效值Vrmsv1vST1T2T3T4Rabidi1is

（6）功率因數(shù)PF整流電路的輸入電流中一般含有諧波電流，基波電流與基波電壓一般不同相位，因此電源的視在功率>有功功率P。忽略開關管的損耗，電源提供的有功功率＝負載有功功率P表5.2單相全波整流的電壓、電流比值、功率因數(shù)與α的關系表控制角（度）03060901201501800.90.840.6760.450.2260.0060IS/Id1.111.171.331.571.972.80-功率因數(shù)PF10.9710.8980.7070.4270.170∴功率因數(shù)單相全波整流的電壓、電流比值、功率因數(shù)與α的關系曲線特點：電感電流不能突變；電流滯后電壓過零。根據(jù)負載中電感量L的大小不同，電路有4種可能工況：（1）L、φ較小，α較大，且α>φ時，負載斷流；（2）當α＝φ時，電流臨界連續(xù)；（3）L、φ較大，α較小,且α<φ，電流連續(xù)；（4）L、φ很大，，α<φ時，電流連續(xù)，忽略脈動二、電感性負載

（1）L、φ較小，α較大，且α>φ時，負載斷流，元件的導電角θ<π輸出電壓波形中出現(xiàn)了負值斷流原因

：L較小，電感電流id上升時間不長，L儲能較少。id

下降、L釋放的能量不足以維持已導通元件持續(xù)導通到時刻（π+α）就已降為零。圖15

單相橋式帶感性負載全控式整流電路及波形

（1）負載斷流時，輸出整流電、直流等參數(shù)的計算

Vd

和Id與控制角α及導通角θ有關vdid00iT4,1iT3,2twtwqap+aa（5－43）θ是α、R、L的函數(shù)。已知R、L、φ和α時，由（5-45）式可求θ；再由（5-38）式可求得

（2）當α＝φ時，電流臨界連續(xù)穩(wěn)態(tài)情況波形分析（特征）：輸入電流is為正弦波，滯后于電源電壓的角度為φ；相當于電源不經(jīng)晶閘管而直接對RL供電。負載電流iD

是“正弦雙半波”；整流電壓直流平均值

（3）L、φ較大，α較小,且α<φ，電流連續(xù)穩(wěn)態(tài)情況：（1）波形：整流電壓波形、平均值、元件通電角θ等，與電流臨界連續(xù)時的相同；（2）特征：晶閘管電流的初值、終值都不為零;負載電流不再是“正弦雙正半波”，任何時刻都大于零；

以φ為參變量的θ函數(shù)關系

負載電流iD脈動很小，近似平行于橫標；大?。壕чl管的電流iT為180°單向矩形波

電源電流is為180°正負矩形波電源電流is的基波有效值

（4）L很大，ωL

＞＞R，φ≈90°，α<φ，電流連續(xù)且忽略脈動動態(tài)演示電源基波功率因數(shù)角φ1

＝α；α越大，cosφ1越小。（結論適于所有相控整流電路）電源功率因數(shù)

單相橋式全控整流電路控制特性時，導電角，電流斷流

時，導電角，電流連續(xù)

單相橋式全控整流電路控制特性停止導電角三、反電勢負載L＝0時，只有當 晶閘管才能觸發(fā)導通。晶閘管阻斷,阻斷期間負載電壓vD＝E，故輸出電壓較RL負載時高。負載電流斷流，所以導通之后，VD=Vs，直至|VD|=E，id即降至0使得晶閘管關斷，此后VD=E。與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度δ停止導電，θ<π，電流斷流，而回路電阻R一般很小，在輸出相同平均電流時，峰值電流大，電流的有效值比其平均值大許多。斷流危害：（1）對直流電動機負載：使其換向電流加大，易產(chǎn)生火花。（2）對交流電源：要求電源容量增大、功率因數(shù)降低。解決辦法：在負載回路中串聯(lián)平波電抗器、增大時間常數(shù)，延長晶閘管的導電時間，使電流連續(xù)、且使導電角θ＝π。從而減小電流脈動，使波形連續(xù)平直。斷流原因、危害及處理相關計算反電勢負載E時，若回路等效總電感為L、總電阻為R，則電流臨界連續(xù)時直流電流平均值（1）它與控制角α及電感L有關；（2）實際負載電流大于此值就是連續(xù)的。

（3）單相橋相控整流時電流連續(xù)條件三相半波整流時電流連續(xù)條件三相全橋整流時電流連續(xù)條件3.3.3單相全波可控整流電路單相全波可控整流電路（SinglePhaseFullWaveControlledRectifier)，又稱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題。圖16

單相全波可控整流電路及波形a)wtwab)udi1OOt單相全波與單相全控橋的區(qū)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。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。3.3.4單相橋式半控整流電路電路結構

單相全控橋中，每個導電回路中有2個晶閘管，1個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個電路。如此即成為單相橋式半控整流電路（先不考慮VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR

圖17單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負載時的電路及波形電阻負載半控電路與全控電路在電阻負載時的工作情況相同。單相半控橋帶阻感負載的情況18

單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負載時的電路及波形在u2正半周，u2經(jīng)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(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD3續(xù)流。在u2負半周觸發(fā)角a時刻觸發(fā)VT2，VT2導通，u2經(jīng)VT2和VD3向負載供電。u2過零變正時，VD4導通，VD3關斷。VT2和VD4續(xù)流，ud又為零。Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR續(xù)流二極管的作用避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。若無續(xù)流二極管，則當a

突然增大至180

或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使ud成為正弦半波，其平均值保持恒定，稱為失控。有續(xù)流二極管VDR時，續(xù)流過程由VDR完成，避免了失控的現(xiàn)象。續(xù)流期間導電回路中只有一個管壓降，有利于降低損耗。3.4三相半波相控整流電路3.4.0概述3.4.1

三相半波相控整流電路（共陰接法）3.4.2共陽極接的三相半波可控整流電路3.4.0概述三相AC／DC變換器比單相變換器性能更優(yōu)越，在中、大功率領域中應用廣泛。優(yōu)點：輸出電壓高脈動小、脈動頻率高交流電網(wǎng)側功率因數(shù)高動態(tài)響應快三相半波相控整流的特點：

（1）兩種接法：共陰接法、共陽接法（2）它是組成其他各種三相整流電路的基礎，是分析理解后續(xù)各種三相整流電路的基礎。（3）交流側電流中直流分量很大，因而應用不多3.4.1

三相半波相控整流電路（共陰接法）電路的特點：變壓器二次側接成星形得到零線，而一次側接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。三個晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起——共陰極接法。三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負載時的電路及a=0

時的波形

1)電阻負載自然換相點：二極管換相時刻為自然換相點，是各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發(fā)角a的起點，即a=0

。b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)a=0

時的工作原理分析變壓器二次側a相繞組和晶閘管VT1的電流波形，變壓器二次繞組電流有直流分量。晶閘管的電壓波形，由3段組成。三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負載時的電路及a=0

時的波形

a=30

的波形（圖6-14）特點：負載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。a>30

的情況（圖6-15

）特點：負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角小于120

。b)c)d)e)f)u2uaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)R

當a=0時，Ud最大，為。

整流電壓平均值的計算a≤30

時，負載電流連續(xù)，有：a>30

時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時有：Ud/U2隨a變化的規(guī)律如圖中的曲線1所示。三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關系1－電阻負載2－電感負載3－電阻電感負載負載電流平均值為晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值，即晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即（2-20）（2-21）（2-22）3.4.1三相半波相控整流電路（共陰接法續(xù)）波形特點（5）整流輸出電壓的脈動頻率為3f（脈波數(shù)m=3）。（1）負載電流連續(xù)時各晶閘管的導電角均為(120°）（2）若電源交流電路中不存在電感，晶閘管之間的電流轉移是瞬間完成的。（3）負載電壓波形是相電壓波形的一部分。（4）晶閘管截止態(tài)所承受的電壓是線電壓而非相電壓。（6）交流側只有單方向電流（缺點）。若，電流連續(xù)且晶閘管導電角120°時，輸出直流電壓平均值為當當°時，為正值。電路工作在第1象限。當°時，＝0當90°＜α＜180°時，為負值。電路工作在第4象限。討論：（a）主電路

（b）α＝0°時波形

（c）α＝30°時波形3.4.2共陽極接的三相半波可控整流電路3.5三相橋式相控整流電路3.5.0概述3.5.1

三相橋式全控整流電路3.5.2三相橋式半控整流電路3.5.0概述常用的三種三相橋式整流電路：不控整流（a）全控整流（b）：不控整流電路中的二極管換成SCR半控整流（c）：不控整流電路中共陰接法的二極管換成SCR三相橋是應用最為廣泛的整流電路共陰極組——陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組——陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）

三相橋式全控整流電路原理圖導通順序：

VT1－VT2

－VT3－

VT4

－VT5－VT6電源條件三相交流對稱電源：相電壓有效值為Vs相電壓幅值為：線電壓有效值：線電壓幅值為：電源頻率為fs，周期為Ts，三相交流相電壓依序相差120°;六個線電壓依序相差60°3.5.1三相橋式全控整流電路1.基本工作原理2.電阻負載時三相橋式全控整流特性3.感性負載時三相橋式全控整流特性4.反電勢、電阻、電感負載時三相橋式全控整流特性1.基本工作原理二極管的6個自然換相點：上橋臂中三相電壓瞬時值最正的那一相管自然導通，換相點為1、3、5下橋臂中三相電壓瞬時值最負的那一相管自然導通，換相點為2、4、6任何時刻上、下各有一個二極管導通，把線電壓最大的瞬時值接至負載。圖(c)粗線

控制角α≠0時6個晶閘管的觸發(fā)脈沖的施加時刻都從各自的自然換相點延遲一個α角度。1.基本工作原理：晶閘管的觸發(fā)脈沖安排晶閘管觸發(fā)次序:按1－2－3－4－5－6－1的順序循環(huán)，各脈沖依次互差60°T1T3T5的觸發(fā)脈沖間相位相差120°

（T2T4T6亦如此）晶閘管最大導電角θ為120°每個觸發(fā)脈沖的寬度要超過1/6Ts；或雙脈沖觸發(fā)方式:給晶閘管發(fā)一個窄觸發(fā)脈沖后，間隔60°再補發(fā)一個脈沖 2.電阻負載時三相橋式全控整流特性相控整流特性：（1）與相控角α有關;

（2）與負載性質有關。1.電阻負載時的整流特性純電阻性負載時，iD與vD波形完全相同。

(1)α＝0°時的波形；(2)α＝30°時的波形;

(3)α＝60°時的波形;(4)α＝90°時的波形;2.α≠0時將使整流電壓vD的平均值VD減小，改變觸發(fā)延遲角（或相控角）α的大小，即可控制整流電壓平均值VD3.當a≤60

時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)4.當a>60

時，ud波形每60

中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負值5.帶電阻負載時三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是120

不控整流電路及全控整流電路阻性負載α＝0時的波形wwwwu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OtOtOtOta=0°iVT1uVT1

全控整流電路阻性負載α＝30°時的波形wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1電阻負載α＝30°時工作波形特點：

整流電壓vD的波形依然由6段線電壓波形組成,次序不變，僅六個導電區(qū)后延30°負載電流iD波形：與vD的波形完全相同電源電流ia波形與α＝0°時相比各波形在時間上順延30°wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1全控整流電路阻性負載α＝60°時的波形wwwa=60°ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtwt1OtOtuVT1電阻負載α＝60°時工作波形特點：與α＝0°時相比各波形在時間上順延60°；元件導電終點時刻，整流電壓、電流的瞬時值都為零。α≤60°時iD連續(xù)，且整流電壓平均值VD

全控整流電路阻性負載α＝90°時的波形ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtOwtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1α>60°后iD不連續(xù)；導電寬度120°-α<60°整流電壓平均值VD

α＝120°時vD≡0。由上式也可知VD＝0。電阻負載時α的有效移相范圍是0～120°電阻負載α＝90°時工作波形特點：3.感性負載時三相橋式全控整流特性多數(shù)負載為RL性負載或反電勢、電阻、電感負載，負載中的電感通常會使電流iD連續(xù)。當電感值大到以致負載電路時間常數(shù)Tl＝L/R>>電流脈動周期6TS時，可忽略iD的脈動,看作恒值電流ID負載電流連續(xù)且α≤60°時整流電壓vD波形、整流電壓平均值VD與電阻負載時的情況相同，但是電流不同。當電感足夠大的時候，id的波形可近似為一條水平線。 例如(1)電阻負載α＝0°時波形中的vD；(2)電阻負載α＝30°時波形中的vD；(3)α＝60°時的波形；a>60

時阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同。電阻負載時，ud波形不會出現(xiàn)負的部分。阻感負載時，ud波形會出現(xiàn)負的部分。(1)α＝90°時的波形；(2)α＝120°時的波形；

(3)α＝180°時的波形帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90

。三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=0

時的波形ud1u2ud2u2LudidwtOwtOwtOwtOuaa=0°ubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥiVT1三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=30

時的波形ud1a=30°ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥwtOwtOwtOwtOidiawt1uaubuc電阻感性負載時的整流特性α＝60°時的波形

電阻感性負載時的整流特性α＝90°時的波形電阻感性負載時的整流特性α＝120°時的波形電阻感性負載時的整流特性α＝180°時的波形感性負載、電感足夠大時（1）整流電壓的平均值VD

Vlm為電源線電壓最大值

Vl為線電壓有效值，Vs為相電壓有效值當α<90°時，VD為正值；當α＝90°時，VD＝0；當α>90°時，VD為負值。整流電壓

D中除支流平均值VD外，還含有6K次諧波電壓（K=1，2，3…)整流電壓平均值

（2）輸出電壓vD的脈動頻率是電源頻率的6倍，最低次諧波為6次諧波。（3）交流電源電流的波形：幅值為ID，寬度為120°的交流方波，除基波外，還含有6k±1等次諧波。（4）電源基波功率因數(shù)：∵超前方波電流的起點30°就是基波電流的起點，∴相電流基波的起點比相電壓滯后α。電源基波功率因數(shù)也是cosφ1＝cosα。4.反電勢、電阻、電感負載時三相橋式全控整流特性三相橋式相控整流電路接反電勢、電阻、電感負載且負載電流連續(xù)時，與電感電阻性負載時工作情況相似；電路各電壓、電流波形相同，僅負載電流直流平均值ID為:（2）對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60

。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120

，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120

。同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180

。三相橋式全控整流電路的特點（1）2管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。（3）ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）

(5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同。三相橋式全控整流電路的特點3.5.2三相橋式半控整流電路3個晶閘管觸發(fā)脈沖互差120°，類似三相半波相控整流：電流連續(xù)時vPo平均值3個二極管相當于三相半波不控整流或α＝0時的相控整流：

vNo的平均值為

整流電壓平均值VD：vPN

應是共陰極的三相半波相控整流輸出電壓vPo和共陽極的三相半波不控整流電壓vNo

之和。討論：

α＝0時，VD

最大；α>0時，VD為正值；α＝180°時，VD

最大；∴VD≥0（不可能為負值）α的移相控制范圍為0～180°輸出電壓不可能為負值ik=ib是逐漸增大的，而ia=Id-ik是逐漸減小的。當ik增大到等于Id時，ia=0，VT1關斷,換流過程結束。3.6交流電路電感對整流特性的影響考慮包括變壓器漏感在內的交流側電感的影響，該漏感可用一個集中的電感LB表示?，F(xiàn)以三相半波為例，然后將其結論推廣。VT1換相至VT2的過程：因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時導通，相當于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik。

考慮變壓器漏感時的三相半波可控整流電路及波形udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca換相重疊角——換相過程持續(xù)的時間，用電角度g表示。換相過程中，整流電壓ud為同時導通的兩個晶閘管所對應的兩個相電壓的平均值。換相壓降——與不考慮變壓器漏感時相比，ud平均值降低的多少。

換相重疊角g的計算由上式得：進而得出：

由上述推導過程，已經(jīng)求得：當時，，于是g隨其它參數(shù)變化的規(guī)律：（1）

Id越大則g越大；（2）

XB越大g越大；（3）

當a≤90

時，

越小g越大。

變壓器漏抗對各種整流電路的影響

②電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路

①

各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計算注：①單相全控橋電路中，環(huán)流ik是從-Id變?yōu)镮d。本表所列通用公式不適用；

②三相橋等效為相電壓等于的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按代入。變壓器漏感對整流電路影響的一些結論:出現(xiàn)換相重疊角g

，整流輸出電壓平均值Ud降低。整流電路的工作狀態(tài)增多。晶閘管的di/dt

減小，有利于晶閘管的安全開通。有時人為串入進線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。換相時晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導通，為此必須加吸收電路。換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。

電壓波形畸變及影響

在換相重疊期中，a、b兩相處于經(jīng)電感2LS短接狀態(tài)，使整流電路的輸入電壓波形畸變（有短時的突降和突升毛刺），同時也影響晶閘管截止時端電壓波形。這種波形畸變有可能對自身的控制電路以及其它設備的正常工作產(chǎn)生不良的影響，因此，實際的整流電源裝置的輸入端有時加濾波器消除這種畸變波形的影響。

3.7有源逆變及有源功率因數(shù)校正3.7.1有源逆變3.7.2有源功率因數(shù)校正控制策略3.7.1有源逆變1)什么是逆變？為什么要逆變？逆變（Invertion）——把直流電轉變成交流電，整流的逆過程。逆變電路——把直流電逆變成交流電的電路。有源逆變電路——交流側和電網(wǎng)連結。應用：直流可逆調速系統(tǒng)、交流繞線轉子異步電動機串級調速以及高壓直流輸電等。無源逆變電路——變流電路的交流側不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載，將在下章介紹。對于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路。2)直流發(fā)電機—電動機系統(tǒng)電能的流轉直流發(fā)電機—電動機之間電能的流轉a）兩電動勢同極性EG

>EM

b）兩電動勢同極性EM>EG

c）兩電動勢反極性，形成短路電路過程分析。兩個電動勢同極性相接時，電流總是從電動勢高的流向低的，回路電阻小，可在兩個電動勢間交換很大的功率。3)逆變產(chǎn)生的條件單相全波電路代替上述發(fā)電機單相全波電路的整流和逆變交流電網(wǎng)輸出電功率電動機輸出電功率a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUd>EMu10udu20u10OOwtwtIdidUd<EMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1從上述分析中，可以歸納出產(chǎn)生逆變的條件有二：有直流電動勢，其極性和晶閘管導通方向一致，其值大于變流器直流側平均電壓。晶閘管的控制角

>/2，使Ud為負值。半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負值，也不允許直流側出現(xiàn)負極性的電動勢，故不能實現(xiàn)有源逆變。欲實現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。逆變和整流的區(qū)別：控制角

不同

0<

<p

/2

時，電路工作在整流狀態(tài)。

p

/2<

<

p時，電路工作在逆變狀態(tài)?？裳赜谜鞯霓k法來處理逆變時有關波形與參數(shù)計算等各項問題。把a>p/2時的控制角用p-

=b表示，b稱為逆變角。逆變角b和控制角a的計量方向相反，其大小自b=0的起始點向左方計量。三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖2-46所示。三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時的電壓波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt2有源逆變狀態(tài)時各電量的計算：輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式，即

每個晶閘管導通2p/3，故流過晶閘管的電流有效值為：

從交流電源送到直流側負載的有功功率為：當逆變工作時，由于EM為負值，故Pd一般為負值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。

在三相橋式電路中，變壓器二次側線電流的有效值為：逆變失?。孀冾嵏玻?/p>

逆變時，一旦換相失敗，外接直流電源就會通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯(lián)，形成很大短路電流。觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時、準確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時等，致使晶閘管不能正常換相。晶閘管發(fā)生故障，該斷時不斷，或該通時不通。交流電源缺相或突然消失。換相的裕量角不足，引起換相失敗。(1)

逆變失敗的原因換相重疊角的影響：

交流側電抗對逆變換相過程的影響當b>g時，換相結束時，晶閘管能承受反壓而關斷。如果b<g時（從圖

右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT2）會關斷，而應關斷的晶閘管（VT1)不能關斷，最終導致逆變失敗。udOOidwtwtuaubucuaubpbgb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT322(2)確定最小逆變角bmin的依據(jù)逆變時允許采用的最小逆變角b應等于