第2章 單相及三相整流電路

第2章整流電路

2.1單相可控整流電路

2.2三相可控整流電路

1第2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(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。按變壓器二次側(cè)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(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姟?2-3整流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)32-4所要學(xué)習(xí)的整流電路42.1

單相可控整流電路

2.1.1單相半波可控整流電路

2.1.2單相橋式全控整流電路

2.1.3單相橋式半控整流電路工作原理和波形分析、定量計算、不同負(fù)載的影響52-6理想化假設(shè)為使分析過程中能突出主要矛盾，做如下理想化假設(shè)：1）開關(guān)元件是理想的，即開關(guān)元件導(dǎo)通時通態(tài)壓降為零，阻斷時電阻為無窮大2）變壓器是理想的，即變壓器的漏抗為零，繞組的電阻為零3）電網(wǎng)電壓是理想的正弦波，即

62.1.1單相半波可控整流電路圖2-1

單相半波可控整流電路及波形1）帶電阻負(fù)載的工作情況單相半波可控整流電路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)TVTRa)u1u2uVTudid7wwwwt0wt1p2ptttuguduVTaq0b)c)d)e)00u28導(dǎo)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。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.移相：改變a

的大小，即改變觸發(fā)脈沖在每周期內(nèi)出現(xiàn)的相位稱為移相。移相范圍：觸發(fā)角從0。開始到最大觸發(fā)角的區(qū)間?；緮?shù)量關(guān)系9

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。直流輸出電壓平均值為102)帶阻感負(fù)載的工作情況阻感負(fù)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(fù)載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導(dǎo)通角θ的關(guān)系。VTRLu2Ud11wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++

圖2-2

帶阻感負(fù)載的單相半波電路及其波形12當(dāng)VT處于通態(tài)時，如下方程成立：VTRLu2（2-2）（2-4）初始條件：ωt=a

，id=0。求解并將初始條件代入可得當(dāng)ωt=θ+a

時，id=0，代入式（2-3）并整理得

（2-3）其中，13續(xù)流二極管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+aiVDR+14續(xù)流二極管

數(shù)量關(guān)系(id近似恒為Id）（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）152.1.1單相半波可控整流電路VT的a移相范圍為180

。簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)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(yīng)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162.1.2單相橋式全控整流電路1)帶電阻負(fù)載的工作情況a)單相橋式全控整流電路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)17u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖2-5

單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形18數(shù)量關(guān)系（2-9）a角的移相范圍為180

。19數(shù)量關(guān)系向負(fù)載輸出的平均電流值為：流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：（2-10）(2-11)202.1.2單相橋式全控整流電路流過晶閘管的電流有效值：變壓器二次側(cè)電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：（2-12）（2-13）212.1.2單相橋式全控整流電路由式（2-12）和式（2-13）得：不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量S=U2I2。（2-14）222.1.2單相橋式全控整流電路2）帶阻感負(fù)載的工作情況

u232.1.2單相橋式全控整流電路2）帶阻感負(fù)載的工作情況

假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。u2過零變負(fù)時，晶閘管VT1和VT4并不關(guān)斷。至ωt=π+a時刻，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱換相，亦稱換流。24uu2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4圖2-6

單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形252.1.2單相橋式全控整流電路

數(shù)量關(guān)系（2-15）晶閘管移相范圍為90

。晶閘管承受的最大正反向電壓均為。262.1.2單相橋式全控整流電路

數(shù)量關(guān)系晶閘管導(dǎo)通角θ與a無關(guān)，均為180

。電流的平均值和有效值：變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180

的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。27例：單相橋式全控整流電路，U2=100V，負(fù)載中R=2

，L值極大，當(dāng)

=30°時，要求：1）作出ud、id和i2的波形；2）求整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次電流有效值I2；3）考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。28解：1）ud、id和i2的波形如右圖所示 該波形可參考P26圖6作出2）求整流輸出平均電壓Ud293）晶閘管電流有效值考慮過電流安全儲備通常把晶閘管的額定電流放大1.5～2倍，又晶閘管的額定電流值是通態(tài)平均電流（正弦半波電流平均值），它同有效值的關(guān)系是。因此所選晶閘管的額定電流應(yīng)為：為此可選50A的晶閘管。30為了對過電壓有安全儲備，通常把晶閘管的額定電壓也放大2～3倍，因此所選晶閘管的電壓額定值應(yīng)為V，為此可選400V的晶閘管。最后根據(jù)晶閘管產(chǎn)品型號表可選用KP-50-4，即通態(tài)平均電流為20A，額定電壓值電壓為4級(400)的晶閘管。313）帶反電動勢負(fù)載時的工作情況在|u2|>E時，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。導(dǎo)通之后，ud=u2

，

，

直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud=E。323）帶反電動勢負(fù)載時的工作情況在a角相同時，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時大。與電阻負(fù)載時相比，晶閘管提前了電角度δ停止導(dǎo)電，δ稱為停止導(dǎo)電角，（2-16）333）帶反電動勢負(fù)載時的工作情況圖2-7單相橋式全控整流電路接反電動勢—電阻負(fù)載時的電路及波形b)idOEudwtIdOwtaqd電流連續(xù)電流斷續(xù)342.1.2單相橋式全控整流電路當(dāng)α

<d時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)wt=d時刻有晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為d。352.1.2單相橋式全控整流電路負(fù)載為直流電動機時，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)，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(cè)串聯(lián)一個平波電抗器。這時整流電壓ud的波形和負(fù)載電流id的波形與阻感負(fù)載電流連續(xù)時的波形相同，ud的計算公式也一樣。362.1.2單相橋式全控整流電路（2-17）圖2-8

單相橋式全控整流電路帶反電動勢負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況twwOud0Eidtpdaq=p372.1.3單相橋式半控整流電路單相全控橋中，每個導(dǎo)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）。du電阻負(fù)載

半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時的工作情況相同。單相半控橋帶阻感負(fù)載的情況38392.1.4單相橋式半控整流電路在u2正半周，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。

u2過零變負(fù)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(fù)半周觸發(fā)角a時刻觸發(fā)VT2，VT2導(dǎo)通，u2經(jīng)VT2和VD4向負(fù)載供電。u2過零變正時，VD4導(dǎo)通，VD3關(guān)斷。VT2和VD4續(xù)流，ud又為零。40避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。若無續(xù)流二極管，則當(dāng)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(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)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。41422.1.3單相橋式半控整流電路udOudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR

圖2-10單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時的電路及波形432.1.4單相橋式半控整流電路續(xù)流二極管的作用有續(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(dǎo)電回路中只有一個管壓降，有利于降低損耗。442.1.4單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路的另一種接法相當(dāng)于把圖2-5a中的VT3和VT4換為二極管VD3和VD4，這樣可以省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD3和VD4來實現(xiàn)。圖2-5單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形圖2-11單相橋式半控整流電路的另一接法452.2三相可控整流電路2.2.1三相半波可控整流電路2.2.2三相橋式全控整流電路462.2三相可控整流電路·引言交流側(cè)由三相電源供電。負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動較小、容易濾波。基本的是三相半波可控整流電路，三相橋式全控整流電路應(yīng)用最廣

。472.2.1三相半波可控整流電路1)電阻負(fù)載48圖2-12

三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時的電路及a=0

時的波形

b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt492.2.1三相半波可控整流電路1)電阻負(fù)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(dǎo)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

。502.2.1三相半波可控整流電路a=0

時的工作原理分析變壓器二次側(cè)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。a=30

的波形（圖2-13）特點：負(fù)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2-14

）特點：負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120

。51圖2-13

三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，a=30

時的波形a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac52wtu2OwtOuGwtOuduaubucOwtuVT1uacuab53圖2-14

三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，a=60

時的波形wwttwtwta=60°u2uaubucOOOOuGudiVT1542.2.1三相半波可控整流電路（2-18）當(dāng)a=0時，Ud最大，為。整流電壓平均值的計算a≤30

時，負(fù)載電流連續(xù)，有：552.2.1三相半波可控整流電路(2-19)整流電壓平均值的計算a>30

時，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時有：562.2.1三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的規(guī)律如圖2-15中的曲線1所示。圖2-15

三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關(guān)系1－電阻負(fù)載2－電感負(fù)載3－電阻電感負(fù)載572.2.1三相半波可控整流電路

負(fù)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（2-20）（2-21）582.2.1三相半波可控整流電路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（2-22）2）阻感負(fù)載592.2.1三相半波可控整流電路2）阻感負(fù)載特點：阻感負(fù)載，L值很大，id波形基本平直。a≤30

時：整流電壓波形與電阻負(fù)載時相同。60圖2-16

三相半波可控整流電路，阻感負(fù)載時的電路及a=60

時的波形udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwtuVT1612.2.1三相半波可控整流電路2）阻感負(fù)載a>30

時（如a=60

時的波形如圖2-16所示）。u2過零時，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，——ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分。id波形有一定的脈動，但為簡化分析及定量計算，可將id近似為一條水平線。阻感負(fù)載時的移相范圍為90

。622.2.1三相半波可控整流電路數(shù)量關(guān)系由于負(fù)載電流連續(xù)，

Ud可由式（2-18）求出，即Ud/U2與a成余弦關(guān)系，如圖2-15中的曲線2所示。如果負(fù)載中的電感量不是很大，Ud/U2與a的關(guān)系將介于曲線1和2之間，曲線3給出了這種情況的一個例子。圖2-15三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關(guān)系1－電阻負(fù)載2－電感負(fù)載

3－電阻電感負(fù)載632.2.1三相半波可控整流電路變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為晶閘管的額定電流為（2-23）（2-24）642.2.1三相半波可控整流電路晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值三相半波的主要缺點在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少。（2-25）65圖2-12

三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時的電路及a=0

時的波形

b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt66wtu2OwtOuGwtOuduaubucOwtuVT1uacuab67例：三相半波整流電路中，如果a相的觸發(fā)脈沖消失，試?yán)L出在電阻性負(fù)載和電感性負(fù)載下整流電壓波形。解：以

=60°為例68三相半波整流電路電路結(jié)構(gòu)：工作原理：電阻負(fù)載和電感負(fù)載電壓瞬時值最大的相優(yōu)先導(dǎo)通a=0~30電流連續(xù)a=30-150電流斷續(xù)，導(dǎo)通角<120基本數(shù)量關(guān)系輸出平均電壓：連續(xù)和斷續(xù)輸出平均電流：晶閘管承受最高的正反向壓降69702.2.2三相橋式全控整流電路三相橋是應(yīng)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）圖2-17三相橋式全控整流電路原理圖導(dǎo)通順序：

VT1－VT2

－VT3－

VT4

－VT5－VT6712.2.2三相橋式全控整流電路1）帶電阻負(fù)載時的工作情況72三相可控整流電路73wwwwu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OtOtOtOta=0°iVT1uVT174a=30

時的波形

圖2-19wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT175圖2-20a=60

時的波形wwwa=60°ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtwt1OtOtuVT176圖2-21三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=90

時的波形ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtOwtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1772.2.2三相橋式全控整流電路晶閘管及輸出整流電壓的情況如表2－1所示時段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb請參照圖2－18782.2.2三相橋式全控整流電路1）帶電阻負(fù)載時的工作情況當(dāng)a≤60

時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)波形圖：a=0（圖2－18）a=30

（圖2－19）

a=60

（圖2－20）當(dāng)a>60

時，ud波形每60

中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值波形圖：a=90

（圖2－21）帶電阻負(fù)載時三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是120

792.2.2三相橋式全控整流電路（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。802.2.2三相橋式全控整流電路（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(dǎo)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(guān)系也相同。

三相橋式全控整流電路的特點8182圖2-22三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=0

時的波形ud1u2ud2u2LudidwtOwtOwtOwtOuaa=0°ubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥiVT183圖2-23三相橋式全控整流電路帶