第3章整流电路2.doc

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1、整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。 整流电路的分类 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。 按电路结构可分为桥式电路和零式电路。 按交流输入相数分为单相电路和多相电路。 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为单拍电路和双拍电路。 按控制原理可分为相控整流和高频PWM整流（也叫斩控整流）。 3.1.1 单相半波可控整流电路u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)有续流二极管的电路 电路分析 -5)(3-6)(3-7)(3-8)晶闸

2、管触发信号的移相范围为180，其承受的最大正反向电压均为u2的峰值即 。续流二极管承受的电压为-ud，其最大反向电压为 ，亦为u2的峰值。 单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了设备的容量。实际上很少用这种电路。 3.1.2 单相桥式全控整流电路带电阻负载的工作情况 电路分析 闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2 和VT3组成另一对桥臂。 在u2正半周（即a点电位高于b点电位） 若4个晶闸管均不导通，id=0,ud=0,VT1、VT4串联承受电压u2。 在触发角a处给VT1和VT4加

3、触发 脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。 当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。 在u2负半周，仍在触发角a处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。 到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。 a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形 交流电源的正负半波都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。 一周期内，整流电压波形脉动2次，属于双脉波整流电路。 变压器二次绕组中，正负两个半周电流方

4、向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。幻灯片193.1.2 单相桥式全控整流电路基本数量关系 晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 和 。 整流电压平均值为： =0时，Ud= Ud0=0.9U2。=180时，Ud=0。可见，角的移相范围为180。 向负载输出的直流电流平均值为： (3-9)(3-10)幻灯片203.1.2 单相桥式全控整流电路晶闸管轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流的一半 ： (3-11)幻灯片213.1.2 单相桥式全控整流电路为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此要计算电流有效值

5、流过晶闸管的电流有效值为： 变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为 由式（3-12）和（3-13）可见：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。(3-12)(3-13)(3-14)幻灯片223.1.2 单相桥式全控整流电路带阻感负载的工作情况 电路分析 在u2正半周期 （假设电路已工作于稳态） 触发角a处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。 负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用。假设负载电感很大，id连续且波形近似为一条水平线，如图3-6d所示。 u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关

6、断。 wt=p+a时刻，触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。 a)2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4ub)c)d)e)f)g)h)书中标示有错图3-6 单相桥式全控整流电流带阻感负载时的电路及波形主意3-6h此处与3-5c的区别幻灯片233.1.2 单相桥式全控整流电路基本数量关系 整流电压平均值为： 当a=0时，Ud0=0.9U2。a=90时，Ud=0。晶闸管移相

7、范围为90。 晶闸管承受的最大正反向电压均为 。 晶闸管导通角q与a无关，均为180，其电流平均值和有效值分别为： 和 。 变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。 (3-15)幻灯片243.1.2 单相桥式全控整流电路b)idOEudwtIdOwtaqdd同时也表征了晶闸管可能导通的最小触发角度图3-7 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形带反电动势负载时的工作情况 当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。 电路分析 |u2|E时，才有晶闸管承受正电压，

8、有导通的可能。 晶闸管导通之后，ud=u2， ，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。 与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度d停止导电，d称为停止导电角。 当a30 当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，此时输出电压和电流均为零。 负载电流断续，各晶闸管导通角小于120。 幻灯片49 当某相触发脉冲提早出现在对应自然换流点之前而且脉冲很窄时，会出现触发脉冲到来时管子还未承受正压，而当管子开始承受正压时，触发脉冲却已消失，导致此时输出电压为零，使输出电压成为断续的各相间隔导通的缺相波形，这是不允许的。为此，在实际可控整流装置中，脉冲左

9、移时必须有相应的限制措施。幻灯片503.2.1 三相半波可控整流电路基本数量关系当a继续增大，整流电压将越来越小， a= 150时，整流输出电压为零。故电阻负载时a角的移相范围为0 -150。 整流电压平均值 a30时，负载电流连续，有 当a=0时，Ud最大，为Ud=Ud0=1.17U2。 a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有 (3-18)(3-19)此处书中有错幻灯片513.2.1 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的规律 电阻负载阻感负载电感负载图3-16 三相半波可控整流电路Ud/U2与a的关系幻灯片523.2.1 三相半波可控整流电路负载电流平均值为晶闸管承受的最大反向

10、电压为变压器二次线电压峰值,即 (3-20)(3-21)幻灯片533.2.1 三相半波可控整流电路连续时阳极与阴极间最大正向电压：断续时阳极与阴极间最大正向电压：因为： 所以，晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于变压器二次相电压的峰值即 (3-22)幻灯片543.2.1 三相半波可控整流电路阻感负载 电路分析 L值很大，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波，各管导电120 。 a30时，整流电压波形与电阻负载时相同。 a30时，当u2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1

11、施加反压使其关断。 uuuudiaabcibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwtu图3-17 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a=60时的波形幻灯片553.2.1 三相半波可控整流电路基本数量关系 a的移相范围为90。 整流电压平均值 Ud/U2与a的关系 L很大，如曲线2所示。 L不是很大，则当a30后，ud中负的部分可能减少，整流电压平均值Ud略为增加，如曲线3 所示。图3-16 三相半波可控整流电路Ud/U2与a的关系幻灯片563.2.1 三相半波可控整流电路 变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为 晶闸管的额定电流为 晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰

12、值，即 三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。(3-23)书中有错(3-24)(3-25)幻灯片573.2.2 三相桥式全控整流电路原理图 阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。 共阴极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1，VT3，VT5，共阳极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2。 晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。 图3-18 三相桥式全控整流电路原理图幻灯片58带电阻负载时

13、的工作情况 电路分析可以采用与分析三相半波可控整流电路时类似的方法，假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就对应于晶闸管a=0时的情况。此时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小（或者说负得最多）的一个导通。这样任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。幻灯片59幻灯片60a=0时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二次绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud波形时，既可以从相电压波形分析，也可以从线

14、电压波形分析。（以变压器二次侧的中点n为参考点）幻灯片61从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为3个相电压在正半轴的包络线；共阳极组晶闸管导通时，整流输出电压ud2为3个相电压在负半轴的包络线；总的输出电压ud=ud1 -ud2，是两条包络线的差值，将其对应到线电压波形上即为6个线电压在正半轴的包络线。幻灯片62直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压的ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为六个线电压在正半轴的包络线。幻灯片

15、633.2.2 三相桥式全控整流电路为了说明各晶闸管的工作情况，将波形中的一个周期等分为六段，每段为60 ，如图83-19所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况表如表3-1所示。表3-1 三相桥式全控整流电路电阻负载a=0时晶闸管工作情况时段共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb幻灯片64幻灯片65幻灯片663.2.2 三相桥式全控整流电路 当触发角a改变时，电路的工作情况将发生变化 a

16、=30时，晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30，ud平均值降低，波形见8图3-20。 a=60时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。a=60时ud出现了为零的点，波形见8图3-21。 由此可见，a60时ud波形是连续的。对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的。当a60时 因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值。 a=90时的波形见8图3-22。 如果a继续增大至120，整流输出电压ud波形将全为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是0- 120 幻灯

17、片67幻灯片683.2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路的一些特点 每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。 对触发脉冲的要求 6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60 。 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120 。 同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180 。幻灯片693.2.2 三相桥式全控整流电路整流输出电压ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉

18、波整流电路。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲 宽脉冲触发 ：使脉冲宽度大于60（一般取80100） 双脉冲触发 ：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为2030 。 双脉冲触发电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁芯体积做得很大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。 幻灯片70幻灯片71l 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大

19、正、反向电压的关系也一样。幻灯片723.2.2 三相桥式全控整流电路阻感负载时的工作情况 电路分析 当a60时 ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。 区别在于电流，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的波形在导通段都可近似为一条水平线。 a=0时的波形见8图3-23，a=30时的波形见8图3-24。 当a60时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。 a=90时，ud波形见8图3-25， 其正负面积基本相等， ud

20、 平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路a角的移相范围是0- 90。 幻灯片733.2.2 三相桥式全控整流电路基本数量关系 带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是0 120，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为0 90。 整流输出电压平均值 （以线电压的过零点为坐标的零点） 带阻感负载时，或带电阻负载a60时 带电阻负载且a60时 (3-26)(3-27)幻灯片743.2.2 三相桥式全控整流电路输出电流平均值为Id=Ud/R。当整流变压器为图3-18中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图3-24中所示，为正负半周各宽120、前

21、沿相差180的矩形波，其有效值为： 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时，在负载电感足够大使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相同，仅在于计算Id时有所不同，为： 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。 (3-28)(3-29)幻灯片75三相桥式半控整流电路幻灯片763.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感 实际上变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感LB表示，并将其折算到变压器二次侧。 由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。 现以三相半波为例来分析，然后将

22、其结论推广 假设负载中电感很大，负载电流为水平线。 幻灯片773.3 变压器漏感对整流电路的影响分析从VT1换相至VT2的过程 在wt1时刻之前VT1导通， wt1时刻触发VT2，因a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变，于是VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，两相间电压差为ub-ua，它在两相组成的回路中产生环流ik如图所示。 ik=ib是逐渐增大的，而 ia=Id-ik是逐渐减小的。 当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断，换流过程结束。 换相过程持续的时间用电角度g表示，称为换相重叠角。 udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubucawt1时刻 图3-26 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形 幻灯片783.3 变压器漏感对整流电路的影响基本数量关系 换相过程中，整流输出电压瞬时值为 换相压降：与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少，即 (3-30)(3-31)幻灯片79幻灯片803.3 变压器漏感对整流电路的影响换相重叠角g 由式（3-30）得出： 由上式得： 进而得出： 当 时， ，于是 (3-32)初始条件：(3-33)(3-34)(3-35)(3-36)幻灯片813.3 变压器漏感对整流电路的影响 g随其它参数变化的规律： Id越大则g越大； XB越大g越大； 当a90时，a越小g越大。其它整流电路的分析结果