電力電子第3章 整流電路 z

1、第第3章章 整流電路整流電路 3.1 單相可控整流電路單相可控整流電路 3.2 三相可控整流電路三相可控整流電路 3.3 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響 3.4 電容濾波的不可控整流電路電容濾波的不可控整流電路 3.5 整流電路的諧波和功率因數整流電路的諧波和功率因數 3.6 大功率可控整流電路大功率可控整流電路 3.7 整流電路的有源逆變工作狀態(tài)整流電路的有源逆變工作狀態(tài) 3.8 相控電路的驅動控制相控電路的驅動控制 本章小結本章小結 2/131引言引言整流電路（整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現最）是電力電子電路中出現最早的一種，它的作用是將交流電能變

2、為直流電能早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設備。供給直流用電設備。 整流電路的分類整流電路的分類 按組成的器件可分為按組成的器件可分為不可控不可控、半控半控、全控全控三種。三種。 按電路結構可分為按電路結構可分為橋式橋式電路和電路和零式零式電路。電路。 按交流輸入相數分為按交流輸入相數分為單相單相電路和電路和多相多相電路電路。 按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，分按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，分為為單拍單拍電路和電路和雙拍雙拍電路。電路。3/1313.1 單相可控整流電路單相可控整流電路 3.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 3.1.2 單相橋

3、式全控整流電路單相橋式全控整流電路 3.1.3 單相全波可控整流電路單相全波可控整流電路 3.1.4 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路第1章第4頁3.13.1單相可控整流電路單相可控整流電路v 重點重點：工作原理（波形分析）、定量計算、不同負載的影響。3.1.1單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路Single Phase Half Wave Controlled Rectifier基本概念： 單相單相：交流側接單相電源u2 半波半波：ud為脈動直流，波形只在u2正半周內出現，故稱“半波”整流 可控可控：采用了可控器件晶閘管 整流電壓ud波形在一個電源周期中只脈動1次，故該電路為單脈

4、單脈波波整流電路。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00圖圖3-1 單相半波可控整流電路及波形單相半波可控整流電路及波形5/1313.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路帶電阻負載的工作情況帶電阻負載的工作情況 變壓器變壓器T起變換電壓和隔離的起變換電壓和隔離的作用，其一次側和二次側電壓瞬時作用，其一次側和二次側電壓瞬時值分別用值分別用u1和和u2表示，有效值分別表示，有效值分別用用U1和和U2表示，其中表示，其中U2的大小根據的大小根據需要的直流輸出電壓需要的直流輸出電壓ud的平均值的平均值Ud確定。確定。 電

5、阻負載的特點是電阻負載的特點是: 電壓與電流電壓與電流成正比，兩者波形相同成正比，兩者波形相同。 在分析整流電路工作時，認為在分析整流電路工作時，認為晶閘管（開關器件）為晶閘管（開關器件）為理想器件理想器件，即晶閘管導通時其管壓降等于零，即晶閘管導通時其管壓降等于零，晶閘管阻斷時其漏電流等于零，除晶閘管阻斷時其漏電流等于零，除非特意研究晶閘管的開通、關斷過非特意研究晶閘管的開通、關斷過程，一般認為晶閘管的開通與關斷程，一般認為晶閘管的開通與關斷過程瞬時完成。過程瞬時完成。 第1章第6頁基本概念基本概念觸發(fā)延遲角觸發(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,用表示,也稱觸發(fā)

6、角或控制角。導通角導通角 晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度，用表示 。 移相移相：改變的大小，即改變觸發(fā)脈沖在每個周期內出現的時刻，稱為移相。 a移相范圍為這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制輸出電壓大小的方式稱為 相位控制方式（相控方式）相位控制方式（相控方式）0180 a 越大，輸出電壓越小動畫演示第1章第7頁直流輸出電壓平均值電壓平均值 （3-1） 改變觸發(fā)角，即可調節(jié)輸出電壓。直流電流平均值電流平均值 22212sin()221cos(1cos)0.4522UUtdtUUpawwpaapd21cos0.452ddUUIRRadd基本數量關系第1章第8頁輸出電壓有效值電壓有效值（均方根

7、值） 電流有效值電流有效值 電流有效值用于選擇器件、選擇導線以及計算負載的有功功率等。 例題中有體現。222112sin()sin2242UUtdtUpapawwappp21sin 242ddUUIRRpaapp9/131改變觸發(fā)時刻，改變觸發(fā)時刻，ud和和id波形隨之改變，直流輸出電壓波形隨之改變，直流輸出電壓ud為極性不變?yōu)闃O性不變 但瞬時值變化的但瞬時值變化的脈動直流脈動直流，其波形只在，其波形只在u2正半周內出現，故稱正半周內出現，故稱“半半波波”整流。加之電路中采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為整流。加之電路中采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相單相，故該電路稱為故該電路稱為單相半

8、波可控整流電路單相半波可控整流電路。整流電壓。整流電壓ud波形在一個電源波形在一個電源周期中只脈動周期中只脈動1次次，故該電路為，故該電路為單脈波整流電路單脈波整流電路?；緮盗筷P系基本數量關系 a a：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：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度稱為觸發(fā)延遲角，也稱觸發(fā)角或控制角。稱為觸發(fā)延遲角，也稱觸發(fā)角或控制角。 q q：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為導通角。晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為導通角。 直流輸出電壓平均值直流輸出電壓平均值 隨著隨著a a增大，增大，Ud減小，該電路中減小，該電路中VT的

9、的a a移相范圍移相范圍為為180 。 通過控制觸發(fā)脈沖的通過控制觸發(fā)脈沖的相位相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為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?？刂品绞剑喎Q相控方式。 3.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222UUttdUUd（3-1）第1章第10頁 3.1.1 3.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路圖3-2 帶阻感負載單相半波可控整流電路及波形2.帶阻感負載的工作情況resistor-inductor load阻感負載阻感負載負載中感抗L與電阻R相比不可忽

10、略 阻感負載的特點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能發(fā)生突變。與電阻負載波形圖的不同之處：圖2 d ew t2電感中電感中電流電流與與感應電動勢感應電動勢的關系：的關系：電感中電流發(fā)生變化電感產生的感應電動勢將阻止電電感中電流發(fā)生變化電感產生的感應電動勢將阻止電流變化。流變化。電感中電流愈大其儲存的能量愈大。電感中電流愈大其儲存的能量愈大。 電流增大。電流增大。 電流的方向與電壓電流的方向與電壓方向相同，電流從高方向相同，電流從高電位流到低電位，電電位流到低電位，電感吸收能量。感吸收能量。 電流減小。電流減小。 電流的方向與電壓電流的方向與電壓方向相反，電流從低電方

11、向相反，電流從低電位流到高電位，電感釋位流到高電位，電感釋放能量。放能量。( (二二) )帶阻感負載的工作情況帶阻感負載的工作情況12/1313.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +圖圖3-2 帶阻感負載的單相半帶阻感負載的單相半波可控整流電路及其波形波可控整流電路及其波形帶阻感負載的工作情況帶阻感負載的工作情況 阻感負載的特點是電感對電流變化有抗阻感負載的特點是電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不能發(fā)生突變。拒作用，使得流過電感的電流不能發(fā)生突變。 電路分析電路分析 晶閘管

12、晶閘管VT處于斷態(tài)處于斷態(tài),id=0,ud=0,uVT=u2。 在在w wt1時刻，即觸發(fā)角時刻，即觸發(fā)角a a處處 ud=u2。 L的存在使的存在使id不能突變不能突變，id從從0開始增開始增加。加。 u2由正變負的過零點處，由正變負的過零點處，id已經處于減已經處于減小的過程中，但尚未降到零，因此小的過程中，但尚未降到零，因此VT仍處仍處于通態(tài)于通態(tài)。 w wt2時刻，電感能量釋放完畢，時刻，電感能量釋放完畢，id降至降至零，零，VT關斷并立即承受反壓關斷并立即承受反壓。 由于電感的存在延遲了由于電感的存在延遲了VT的關斷時刻，的關斷時刻，使使ud波形出現負的部分，與帶電阻負載時相波形出現

13、負的部分，與帶電阻負載時相比其平均值比其平均值Ud下降。下降。 13/1312.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路uwttwwtwtw20p 2ptug0ud0id0uVT0q a b)c)d)e)f)+ + +圖圖2 帶阻感負載的單相半波帶阻感負載的單相半波可控整流電路及其波形可控整流電路及其波形電路分析電路分析 1） 0 w w t1,晶閘管晶閘管VT處于斷態(tài)處于斷態(tài), id=0,ud=0,uVT=u2 2）在在w wt1時刻，即觸發(fā)角時刻，即觸發(fā)角a a處處 ud=u2 L的存在使的存在使id不能突變不能突變，id從從0開始增加開始增加電流滯后于電壓電流滯后于電壓 w t2w

14、t114/1312.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路uwttwwtwtw20p 2ptug0ud0id0uVT0q a b)c)d)e)f)+ + +圖圖2 帶阻感負載的單相半波帶阻感負載的單相半波可控整流電路及其波形可控整流電路及其波形 3）u2由正變負的過由正變負的過0處處()，id已經處于減小的過程中，但尚未已經處于減小的過程中，但尚未降到零，因此降到零，因此VT仍處于通態(tài)仍處于通態(tài)。在在t=,電源電壓過零。但電源電壓過零。但由于由于電感中感應電動勢的作用電感中感應電動勢的作用，使晶閘管仍然承受正向電壓，仍使晶閘管仍然承受正向電壓，仍維持導通；維持導通； 4）w wt2時刻，

15、電感能量釋放完時刻，電感能量釋放完畢，畢，id降至零，降至零，VT關斷并立即承關斷并立即承受反壓受反壓。 w t2w t1電感作用分析由于電感的存在延遲了由于電感的存在延遲了VT的關斷時刻，使的關斷時刻，使ud波形出現波形出現負的部分，與帶電阻負載時相比其平均值負的部分，與帶電阻負載時相比其平均值Ud下降。下降。 電感越大，導通角越大，負面積也越大；電感越大，導通角越大，負面積也越大；當電感增大到使負面積接近正面積時，整流輸出的直流當電感增大到使負面積接近正面積時，整流輸出的直流電壓電壓Ud接近接近0。動畫演示16/1313.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路電力電子電路的一種分

16、析方法電力電子電路的一種分析方法 把器件理想化，將電路簡化把器件理想化，將電路簡化為為分段線性電路分段線性電路。 器件的每種狀態(tài)組合對應一器件的每種狀態(tài)組合對應一種種線性電路拓撲線性電路拓撲，器件通斷狀態(tài)，器件通斷狀態(tài)變化時，電路拓撲發(fā)生改變。變化時，電路拓撲發(fā)生改變。 以前述單相半波電路為例以前述單相半波電路為例 當當VT處于斷態(tài)時，相當于電處于斷態(tài)時，相當于電路在路在VT處斷開，處斷開， id=0。 VT導通時，相當于導通時，相當于VT短路。短路。兩種情況的等效電路如圖兩種情況的等效電路如圖3-3所所示。示。 a)b)VTRLVTRLu2u2圖圖3-3 單相半波可控整流電路單相半波可控整流

17、電路的分段線性等效電路的分段線性等效電路 a) VT處于關斷狀態(tài)處于關斷狀態(tài) b) VT處于導通狀態(tài)處于導通狀態(tài)17/1313.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路VTb)RLu2VT處于通態(tài)時，如下方程成立：處于通態(tài)時，如下方程成立： 在在VT導通時刻，有導通時刻，有w wt=a a，id=0，這是式（，這是式（3-2）的）的初始條件。求解式（初始條件。求解式（3-2）并將初始條件代入可得）并將初始條件代入可得tURitiLwsin2dd2dd)sin(2)sin(22)(2waawwtZUeZUitLRd式中，式中， ， 。由此式可得出圖。由此式可得出圖3-2e所示的所示的id

18、波形。波形。當當w wt=q q+a a時，時，id=0，代入式（，代入式（3-3）并整理得）并整理得 22)( LRZwRLtgw1)sin()sin(aqaqtge圖圖3-3 b) VT處于導通狀態(tài)處于導通狀態(tài) (3-2)(3-3)(3-4)若若 為定值，為定值，a a角大，角大，q q越小。越小。 若若a a為定值，為定值， 越大，越大，q q越大越大 ，且平均值，且平均值Ud越接近零。越接近零。18/1313.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 若若 為定值，為定值，a a角大，角大，q q越小。越小。 若若a a為定值，為定值， 越大，越大，q q越大越大 ，且，且 平

19、均值平均值Ud越接近零。為解決上述矛越接近零。為解決上述矛 盾，在整流電路的負載兩端并聯一盾，在整流電路的負載兩端并聯一 個二極管，稱為個二極管，稱為續(xù)流二極管續(xù)流二極管，用，用 VDR表示。表示。有續(xù)流二極管的電路有續(xù)流二極管的電路 電路分析電路分析 u2正半周時，與沒有續(xù)流二極管正半周時，與沒有續(xù)流二極管 時的情況是一樣的。時的情況是一樣的。 當當u2過零變負時，過零變負時，VDR導通，導通，ud 為零，此時為負的為零，此時為負的u2通過通過VDR向向VT 施加反壓使其關斷，施加反壓使其關斷，L儲存的能量保儲存的能量保 證了電流證了電流id在在L-R-VDR回路回路中流通，中流通， 此過程

20、通常稱為此過程通常稱為續(xù)流續(xù)流。 若若L足夠大，足夠大，id連續(xù)連續(xù)，且，且id波形接波形接 近一條水平線近一條水平線 。u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp -ap +ab)c)d)e)f)g)iVDRa)圖圖3-4 單相半波帶阻感負載有單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形續(xù)流二極管的電路及波形 19/131 基本數量關系基本數量關系 流過晶閘管的電流平均值流過晶閘管的電流平均值IdT和有效值和有效值IT分別為：分別為： 續(xù)流二極管的電流平均值續(xù)流二極管的電流平均值IdDR和有效值和有效值IDR分別為分別為 其移相范圍為其移相范圍為180 ，其承

21、受的最大正反向電壓均為，其承受的最大正反向電壓均為u2的峰值即的峰值即 。 續(xù)流二極管承受的電壓為續(xù)流二極管承受的電壓為-ud，其最大反向電壓為，其最大反向電壓為 ，亦為，亦為u2的峰值。的峰值。 單相半波可控整流電路的特點是簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側電流單相半波可控整流電路的特點是簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化直流磁化。為使變壓器鐵芯不飽和，需增。為使變壓器鐵芯不飽和，需增大鐵芯截面積，增大了設備的容量。大鐵芯截面積，增大了設備的容量。 3.1.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路ddTIIpap2ddTIt

22、dIIpapwppa2)(212ddDRIIpap2ddDRItdIIpapwpapp2)(2122(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)22U22U為了使電源電壓過零變負時能及時地關斷晶閘管，使為了使電源電壓過零變負時能及時地關斷晶閘管，使ud波波形不出現負值，形不出現負值，避免避免Ud太小，太小，又能給電感線圈又能給電感線圈L提供續(xù)流的提供續(xù)流的旁路，可以在旁路，可以在負載兩端負載兩端并聯二極管，如圖所示。并聯二極管，如圖所示。 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路3. 負載側接續(xù)流二極管的工作情況rectifier with freewheeling diode圖圖3-4 3-4

23、單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形 a)LTVTRu1u2uVTudVDidiVDR+-1) 當u2為正時（0區(qū)間）在此期間續(xù)流二極管在此期間續(xù)流二極管VDR承承受反向電壓而關斷。受反向電壓而關斷。與沒有續(xù)流二極管時的與沒有續(xù)流二極管時的工作工作情況一樣。情況一樣。1圖圖4 4 單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形 2) 當u2變負時(2區(qū)間)，VDR導通，負載電壓導通，負載電壓ud為零為零此時此時u20，通過，通過VDR向向VT施施加反壓使其關斷加反壓使其關斷L儲存的能量保證了電流儲存的能量保證

24、了電流id在在L-R-VDR回路回路中流通，此過程中流通，此過程通常稱為通常稱為續(xù)流續(xù)流。若若L足夠大，足夠大，id連續(xù)連續(xù)，且，且id波形波形接近一條水平線接近一條水平線 。2ddVT2IIpapd2dVT2)(21ItdIIpapwppa2IIpapdVDd221()22II dtIp appawppVDdd 如果電感足夠大，續(xù)流二極管一直導通到下一周期晶閘管導通，使電流id連續(xù)，且id波形近似為一條水平直線，大小為Id，則基本的物理量基本的物理量計算公式如下計算公式如下 ：1 流過晶閘管電流的平均值IdVT和有效值 IVT 為：2 流過續(xù)流二極管電流的平均值IdVD和有效值IVD 動畫演

25、示 輸出電流平均值Id =Ud/R4 從波形圖可以看出，晶閘管和續(xù)流二極管承受的最大電壓：電壓：波形和電阻負載相同，所以計算公式也相同。3 輸出電壓平均值Ud 為：2212sin()21cos0.452UUtdtUpawwpad22TMDMUUU結論：結論：電阻負載加續(xù)流二極管后，輸出電壓波形與電阻性負載波形相同，可見續(xù)流二極管的作用是為了提高輸出電壓。1.負載電流波形連續(xù)且近似為一條直線，如果電感為無窮大，則負載電流為一直線。流過晶閘管和續(xù)流二極管的電流波形是矩形波。例題單向半波整流電路，相電壓220V，負載電阻2歐，電感0.1亨。要求負載電壓為45V，求：續(xù)流二極管電流平均值和有效值，并確

26、定晶閘管和二極管的型號。解：L=2f L=31.4 R=2 所以電流波形平直求出Id和導通角后，帶入p47的公式即可分別求出晶閘管和續(xù)流二極管的平均電流和有效電流值。2222.51cos0.4522245cos110.090.450.45 22095.184.9dooUIARUUUUaaaqpa dddd5.34 ,10.9 ,17.2 ,19.6dTTdDdTIAIAIAIA 1.額定電壓：取晶閘管和續(xù)流二極管承受正反向電壓最大值?？紤]23倍的裕量，所以取耐壓為800V的管子。2.額定電流：按照p14式(1-7)計算：所以，選額定電流10A的晶閘管，20A的二極管222220311TMDMU

27、UUV()()(1.5 2)10.4 13.91.57(1.5 2)18.7 251.57TTAVDDAVIIAIIAVT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單相半波可控整流電路的特點重點內容 晶閘管選型：額定電壓，額定電流 半波整流工作原理，不同負載對輸出波形的影響。3.1.2 3.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)電路結構電路結構3.

28、單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路1) 帶電阻負載的工作情況帶電阻負載的工作情況圖3-5 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形工作原理及波形分析工作原理及波形分析 VT1和和VT4組成一對橋臂組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。 VT2和和VT3組成另一對橋臂，組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。圖5 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形p在電源正半周，a正b負；VT1和VT4會承受正向陽極電壓，給VT1和VT4同時加脈沖，則VT1和VT4會導通；電流id從電源a端經VT1、負載Rd及

29、VT4回到電源b端，負載上得到電壓ud為電源電壓u2（忽略VT1和VT4的導通壓降），方向為上正下負；VT2和VT3因承受反壓而不會導通；電流波形id與ud相同。工作原理及波形分析工作原理及波形分析 正半周正半周+-圖5 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形pu2負半周，a-，b+；VT2和VT3會承受正向電壓，在時刻給VT2和VT3同時加脈沖，會被觸發(fā)導通。電流id從電源b端經VT3、負載Rd及VT2回電源a端，負載上得到電壓ud仍為電源電壓u2，方向也還為上正下負，與正半周一致。VT1和VT4則承受反壓u2而處于 截止 狀態(tài)。u2過零時，id也過零，使VT2和VT3關斷。工作原理及波形分析

30、工作原理及波形分析 負半周負半周-+圖5 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形從圖中可看出，負載上的直流電壓輸出波形比單相半波時多了一倍，晶閘管的控制角可從0180，導通角為-。晶 閘 管 承 受 的 最 大 電 壓為 。該部分內容要理解。該部分內容要理解。工作原理及波形分析工作原理及波形分析 小結小結電路參數的計算電路參數的計算電路參數的計算 paaapwwp2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUUa 角的移相范圍為0180向負載輸出的平均電流值為：2cos19 . 02cos12222ddaapRURURUI輸出電壓平均值的計算公式： 第1章第37頁流過每只

31、晶閘管的電流平均值，只有輸出直流平均值流過每只晶閘管的電流平均值，只有輸出直流平均值的一半，即：的一半，即：2cos145. 0212ddVTaRUII變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：papapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII 流過晶閘管的電流有效值： 由上兩式得：變壓器的容量 S=U2I2。從而可以得出電路功率因數。papapwwppa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUIII21VT2221cossin2,0,cos?2U IPUSU IUpaaapp圖5a 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形負載電壓、電流波形

32、負載電壓、電流波形負載電壓、電流公式負載電壓、電流公式 輸出電壓、電流平均值： 2211 cos2sind()0.92UUttUpaawwpd 輸出電流有效值： UIRdd222211(sin)()sin22UUItdtRRpapawwappp圖5a 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形晶閘管兩端的波形晶閘管兩端的波形iVT1,4晶閘管電壓、電流晶閘管電壓、電流 流過晶閘管的電流： iVT1,4 承受的最大電壓： 22TMUU平均值有效值12IIdVTd22211(sin) d()22UIttIRpawwpVT負載電流波形負載電流波形平均值：平均值：Id有效值：有效值：I 變壓器輸出電壓平均值

33、：變壓器二次測電流變壓器的輸出波形變壓器的輸出波形有效值I2 ：0 ；有效值： U20 ；I2 = I平均值：變壓器的輸出波形變壓器的輸出波形 變壓器的容量 S=U2I2， 負載功率 P=UI ； 可以得出電路功率因數：2221cossin22U IPUSU IUpaapp0,cos?a重點：工作情況分析 波形繪制 相關計算 例題單相橋式全控整流電路46/1313.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖圖3-5 單相全控橋式單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形帶電阻負載時的電路及波形a)帶電阻負載的工作情況

34、帶電阻負載的工作情況 電路分析電路分析 閘管閘管VT1和和VT4組成一對橋臂，組成一對橋臂，VT2 和和VT3組成另一對橋臂。組成另一對橋臂。 在在u2正半周（即正半周（即a點電位高于點電位高于b點電點電位）位） 若若4個晶閘管均不導通，個晶閘管均不導通，id=0,ud=0,VT1、VT4串聯承受電壓串聯承受電壓u2。 在觸發(fā)角在觸發(fā)角a a處給處給VT1和和VT4加觸發(fā)加觸發(fā) 脈脈沖，沖，VT1和和VT4即導通，電流從電源即導通，電流從電源a端經端經VT1、R、VT4流回電源流回電源b端。端。 當當u2過零時，流經晶閘管的電流也降過零時，流經晶閘管的電流也降到零，到零，VT1和和VT4關斷。

35、關斷。 在在u2負半周，仍在觸發(fā)角負半周，仍在觸發(fā)角a a處觸發(fā)處觸發(fā)VT2和和VT3，VT2和和VT3導通，電流從電源導通，電流從電源b端流出，經端流出，經VT3、R、VT2流回電源流回電源a端。端。 到到u2過零時，電流又降為零，過零時，電流又降為零，VT2和和VT3關斷。關斷。 VT2和和VT3的的a a=0處為處為w wt=p p47/131基本數量關系基本數量關系 晶閘管承受的最大晶閘管承受的最大正向電壓正向電壓和和反向電壓反向電壓分別為分別為 和和 。 整流電壓平均值為：整流電壓平均值為： =0時，時，Ud= Ud0=0.9U2。=180 時，時，Ud=0?？梢?，?？梢姡墙堑牡囊?/p>

36、相范圍移相范圍為為180 。 向負載輸出的直流電流平均值為：向負載輸出的直流電流平均值為： 3.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路222U22Upaaapwwp2cos19 . 02cos122)( dsin21222UUttUUd2cos19 . 02cos12222aapRURURUIdd(3-9)(3-10)48/131流過晶閘管的電流平均值流過晶閘管的電流平均值 ： 流過晶閘管的電流有效值為：流過晶閘管的電流有效值為： 變壓器二次側電流有效值變壓器二次側電流有效值I2與輸出直流電流有效值與輸出直流電流有效值I相等，相等，為為 由式（由式（3-12）和（）和（3-13）可見

37、：）可見：不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為S=U2I2。3.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路2cos145. 0212aRUIIddTpapapwwppa2sin212)(d)sin2(21222RUttRUITpapapwwppa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIIIT21(3-11)(3-12)(3-13)(3-14)49/1313.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u圖圖3-6

38、單相橋式全控整流電流帶單相橋式全控整流電流帶阻感負載時的電路及波形阻感負載時的電路及波形帶阻感負載的工作情況帶阻感負載的工作情況 電路分析電路分析 在在u2正半周期正半周期 觸發(fā)角觸發(fā)角a a處給晶閘管處給晶閘管VT1和和VT4加加觸發(fā)脈沖使其開通，觸發(fā)脈沖使其開通，ud=u2。 負載電感很大，負載電感很大，id不能突變且波不能突變且波形近似為一條水平線。形近似為一條水平線。 u2過零變負時，由于電感的作用過零變負時，由于電感的作用晶閘管晶閘管VT1和和VT4中仍流過電流中仍流過電流id，并不，并不關斷。關斷。 w wt=p p+a a時刻，觸發(fā)時刻，觸發(fā)VT2和和VT3，VT2和和VT3導通

39、，導通，u2通過通過VT2和和VT3分別分別向向VT1和和VT4施加反壓使施加反壓使VT1和和VT4關斷，關斷，流過流過VT1和和VT4的電流迅速轉移到的電流迅速轉移到VT2和和VT3上，此過程稱為上，此過程稱為換相換相，亦稱，亦稱換流換流。 50/1313.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路基本數量關系基本數量關系 整流電壓平均值為：整流電壓平均值為： 當當a a=0時，時，Ud0=0.9U2。a a=90 時，時，Ud=0。晶閘管。晶閘管移相范圍移相范圍為為90 。 晶閘管承受的最大晶閘管承受的最大正反向電壓正反向電壓均為均為 。 晶閘管導通角晶閘管導通角q q與與a a無關

40、，均為無關，均為180 ，其電流平均值和，其電流平均值和有效值分別為：有效值分別為： 和和 。 變壓器二次側電流變壓器二次側電流i2的波形為正負各的波形為正負各180 的矩形波，其的矩形波，其相位由相位由a a角決定，有效值角決定，有效值I2=Id。 apaaapwwpcos9 . 0cos22)( dsin21222dUUttUU22UddT21IIddT707. 021III(3-15)2）帶阻感負載的工作情況）帶阻感負載的工作情況 u圖6 單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形 假設負載電感很大，負載電流id連續(xù)，且波形近似為一條直線 。ud的波形出現了負半周部分動畫演示正半周正半周u圖6

41、單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形 電源u2正半周，觸發(fā)VT1和VT4導通，輸出電壓ud=u2。至電源電壓過零變負時，由于電感產生的自感電動勢會使VT1和VT4繼續(xù)導通，輸出電壓仍為udu2，所以出現了負電壓輸出。VT2和VT3雖然已承受正向電壓，但還沒有觸發(fā)脈沖，所以不會導通。 負半周負半周圖6 單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形 至t=+a 時刻，給VT2和VT3同時加觸發(fā)脈沖，晶閘管VT1和VT4關斷，VT2和VT3兩管導通。 VT2和VT3導通后，VT1和VT4承受反壓關斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉移到VT2和VT3上，此過程稱換相換相，亦稱換流換流。圖6 單相全控橋帶阻感負載時

42、的電路及波形 兩組管子輪流導通，每只晶閘管的導通時間比電阻性負載時延長了； 導通角 = ，與a無關； 正半周電流由VT1、4流過，負半周電流由VT2、3流過；形狀均為方波； 變壓器二次側的波形為正負交替的方波。在 時，輸出電壓Ud最小，等于零。因此，因此， a 的移相范圍是的移相范圍是090。在 時，輸出電壓Ud最大，輸出電壓平均值：單相全控橋式整流電路 帶電感性負載電路參數的計算d212sind()UUttp aawwp 0a209 . 0 UUd 90a負載電流平均值的計算公式： acos9 . 02ddddRURUI20.9cosUa晶閘管導通角與a無關，均為180。所以，流過一只晶閘管

43、的電流平均值和有效值：ddT21IITd12II晶閘管可能承受的最大正反向電壓均為： 22TMUU變壓器二次側電流i2的波形為正負各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id=id。電路功率因數22220.9coscos0.9cosdddPPU IUISU IPSaa負載電阻的功率：有功功率直流功率有功功率直流功率諧波功率由于電流為直流，所以無諧波電流，諧波功率為02.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路例：單相橋式全控整流電路，例：單相橋式全控整流電路，U2=100V，負載中，負載中R=2，L值極大，值極大，當當a a=30 時，要求：時，要求： 作出作出ud、id和和i2的

44、波形；的波形； 求整流輸出平均電壓求整流輸出平均電壓Ud、電流、電流Id，變壓器二次側電流有效值，變壓器二次側電流有效值I2； 考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流?？紤]安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。解：解：ud、id和和i2的波形如圖的波形如圖1： u2OwtOwtOwtudidi2OwtIdIdIdppaa 圖圖1 ud、id和和i2的波形圖的波形圖2.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 整流輸出平均電壓整流輸出平均電壓Ud、電流、電流Id，變壓器二次側電流有效值，變壓器二次側電流有效值I2分別為分別為 Ud0.9 U2 cosa a0.9100cos3077

45、.97(A) Id Ud/R77.97/239(A) I2Id39(A) 晶閘管承受的最大反向電壓為：晶閘管承受的最大反向電壓為： U2100 141.4（V） 流過每個晶閘管的電流的有效值為：流過每個晶閘管的電流的有效值為： IVTId 27.6（A） 故晶閘管的額定電壓為：故晶閘管的額定電壓為： UN(23)141.4283424（V） 晶閘管的額定電流為：晶閘管的額定電流為： IN(1.52)27.61.572635（A） 晶閘管額定電壓和電流的具體數值可按晶閘管產品系列參數選取。晶閘管額定電壓和電流的具體數值可按晶閘管產品系列參數選取。22260/131帶反電動勢負載時的工作情況帶反電

46、動勢負載時的工作情況 當負載為蓄電池、直流電動機的電樞（忽略其中的電感）等時，負載可看當負載為蓄電池、直流電動機的電樞（忽略其中的電感）等時，負載可看成一個直流電壓源，對于整流電路，它們就是反電動勢負載。成一個直流電壓源，對于整流電路，它們就是反電動勢負載。 電路分析電路分析 |u2|E時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能。時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能。 晶閘管導通之后，晶閘管導通之后，ud=u2， ，直至，直至|u2|=E，id即降至即降至0使得晶閘管使得晶閘管關斷，此后關斷，此后ud=E。 與電阻負載時相比，晶閘管提前了與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度電角度 停止導電，停止

47、導電， 稱為稱為停止導電角停止導電角。 當當a a30 當導通一相的相電壓過零變負時，該相晶閘管關斷，但下一相晶閘管因未當導通一相的相電壓過零變負時，該相晶閘管關斷，但下一相晶閘管因未觸發(fā)而不導通，此時輸出電壓電流為零。觸發(fā)而不導通，此時輸出電壓電流為零。 負載電流負載電流斷續(xù)斷續(xù)，各晶閘管導通角，各晶閘管導通角小于小于120 。 87/1313.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路基本數量關系基本數量關系電阻負載時電阻負載時a a角的角的移相范圍移相范圍為為150 。 整流電壓平均值整流電壓平均值 a a30 時，負載電流時，負載電流連續(xù)連續(xù)，有，有 當當a a=0時，時，Ud最

48、大，為最大，為Ud=Ud0=1.17U2。 a a30 時，負載電流時，負載電流斷續(xù)斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時，晶閘管導通角減小，此時有有 aapwwpapapcos17.1cos263)(sin2321226562UUttdUUd)6cos(1675.0)6cos(1223)(sin2321262apappwwppapUttdUUd(3-18)(3-19)電路結構：晶閘管代替二極管；三相半波不可控整流電路，相當于可控整流電路a=0 時的工作情況。電路及波形圖。3.1三相半波相控整流電路二、三相半波可控整流電路二、三相半波可控整流電路 電阻負載電阻負載0 30 時的波形特點：負載電流斷續(xù)，晶

49、閘管導通角減小= 150- a小于120 wtwtwtwta =60u2uaubucOOOOuGudiVT1圖3-2-2 三相半波可控整流電路，電阻負載，a =60時的波形 3030時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小， 此時電壓平均值電壓平均值： 26212sin()233 21 cos()260.675 1 cos()6UUtdtUppawwppappad當a=150時，Ud為0，移相范圍為： wtwtwtwta =60u2uaubucOOOOuGudiVT1015094/1313.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路Ud/U2隨隨a a變化的規(guī)律變化的規(guī)律 0306090120

50、1501.17321a/( )Ud/U2圖圖3-16 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路Ud/U2與與a a的關系的關系電阻電阻負載負載電感電感負載負載電阻電電阻電感負載感負載95/1313.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路負載電流平均值為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晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次線電壓峰值,即即 晶閘管陽極與陰極間的最大電壓等于變壓器二次相電壓晶閘管陽極與陰極間的最大電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即的峰值，即 RUIdd22245. 2632UUUURM22UUFM(3-20)(3-21)(3-

51、22)圖3-3-1 三相半波可控整流電路，阻感負載時的電路及a =30時的波形阻感負載，且L值很大，id 波形基本平直。 電壓波形與電阻負載時相同 電流波形基本為一直線二、三相半波可控整流電路二、三相半波可控整流電路 - 阻感負載阻感負載圖3-3-2 三相半波可控整流電路，阻感負載時的電路及a =60時的波形u2過零變負時，由于L的作用，id 0，VT1不會自動關斷直到VT2的觸發(fā)脈沖到來，換流后由VT2導通向負載供電(圖中青色部分)VT1承受反壓而關斷三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路- 阻感負載阻感負載a 30時圖3-3-2 三相半波可控整流電路，阻感負載時的電路及a =60時的波形

52、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 晶閘管導通角度為120三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路- 阻感負載阻感負載 a 30時數量關系數量關系負載側直流電壓 Ud （2-4）aapwwpapapcos17. 1cos263)(sin2321226562dUUttdUU當a=90時，Ud=0；此時電壓波形正負面積相等，所以大電感負載時，觸發(fā)脈沖大電感負載時，觸發(fā)脈沖移相范圍移相范圍為為 。 090100/1313.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路基本數量關系基本數量關系 a a的的移相范圍移相范圍為為90 。 整流電壓平均值整流電壓平均值

53、Ud/U2與與a a的關系的關系 L很大，如曲線很大，如曲線2所示。所示。 L不是很大，則當不是很大，則當a a30 后，后，ud中負的部分中負的部分可能減少，整流電壓平可能減少，整流電壓平均值均值Ud略為增加，如曲略為增加，如曲線線3 所示。所示。acos17.12dUU03060901201501.17321a/( )Ud/U2圖圖3-16 三相半波可控整三相半波可控整流電路流電路Ud/U2與與a a的關系的關系數量關系數量關系13dTIId晶閘管電流的有效值為： 流過晶閘管的平均電流為：輸出電流的平均值：10.5773IIITddId =Ud / Rd102/1313.

54、2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路阻感負載阻感負載 電路分析電路分析 L值很大，整流電流值很大，整流電流id的的波形基本是平直的，流過晶波形基本是平直的，流過晶閘管的電流接近閘管的電流接近矩形波矩形波。 a a30 時，整流電壓波形時，整流電壓波形與電阻負載時相同。與電阻負載時相同。 a a30 時，當時，當u2過零時，過零時，由于電感的存在，阻止電流由于電感的存在，阻止電流下降，因而下降，因而VT1繼續(xù)導通，繼續(xù)導通，直到下一相晶閘管直到下一相晶閘管VT2的觸的觸發(fā)脈沖到來，才發(fā)生換流，發(fā)脈沖到來，才發(fā)生換流，由由VT2導通向負載供電，同導通向負載供電，同時向時向VT1施加反壓

55、使其關斷。施加反壓使其關斷。 uuuudiaabcibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwtu圖圖3-17 三相半波可控整流電路，阻三相半波可控整流電路，阻感負載時的電路及感負載時的電路及a a=60 時的波形時的波形103/1313.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路基本數量關系基本數量關系 a a的的移相范圍移相范圍為為90 。 整流電壓平均值整流電壓平均值 Ud/U2與與a a的關系的關系 L很大，如曲線很大，如曲線2所示。所示。 L不是很大，則當不是很大，則當a a30 后，后，ud中負的部分中負的部分可能減少，整流電壓平可能減少，整流電壓平均值均值Ud略為

56、增加，如曲略為增加，如曲線線3 所示。所示。acos17.12dUU03060901201501.17321a/( )Ud/U2圖圖3-16 三相半波可控整三相半波可控整流電路流電路Ud/U2與與a a的關系的關系104/1313.2.1 三相半波可控整流電路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晶閘管的額定電流為 晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值，即值，即 三相半波可控整流電路的主要缺點在于其變壓器二次電三相半波可控整流電路的主要缺點在于

57、其變壓器二次電流中含有流中含有直流分量直流分量，為此其應用較少。，為此其應用較少。ddTIIII577. 0312ddAVTIII368. 057. 1)(245. 2UUURMFM(3-23)(3-24)(3-25)105/1313.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路 b)c)d)e)f)u2Riduaubuca =0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt a)圖圖3-13 三相半波可控整流電路共陰極接三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負載時的電路及法電阻負載時的電路及a a=0 時的波形時的波形 電阻負載電阻負載 電路分析電路分析

58、 為得到零線，變壓器二次側必須為得到零線，變壓器二次側必須接成接成星形星形，而一次側接成，而一次側接成三角形三角形，避，避免免3次諧波次諧波流入電網。流入電網。 三個晶閘管按三個晶閘管按共陰極接法共陰極接法連接連接,這種接法觸發(fā)電路有公共端，連線方這種接法觸發(fā)電路有公共端，連線方便。便。 假設將晶閘管換作二極管，三個假設將晶閘管換作二極管，三個二極管對應的相電壓中哪一個的值最二極管對應的相電壓中哪一個的值最大，則該相所對應的二極管導通，并大，則該相所對應的二極管導通，并使另兩相的二極管承受反壓關斷，輸使另兩相的二極管承受反壓關斷，輸出整流電壓即為該相的出整流電壓即為該相的相電壓相電壓。 自然換

59、相點自然換相點 在相電壓的交點在相電壓的交點w wt1、w wt2、w wt3處，處，均出現了二極管換相，稱這些交點為均出現了二極管換相，稱這些交點為自然換相點自然換相點。 將其作為將其作為a a的起點的起點，即，即a a=0。106/1313.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路a =30u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uaca a=0 (波形見上頁波形見上頁) 三個晶閘管輪流導通三個晶閘管輪流導通120 ，ud波形為三個相電波形為三個相電壓在正半周期的壓在正半周期的包絡線包絡線。 變壓器二次繞組電流有變壓器二次繞組電流有直

60、流分量直流分量。 晶閘管電壓由一段晶閘管電壓由一段管壓管壓降降和兩段和兩段線電壓線電壓組成，隨組成，隨著著a a增大，晶閘管承受的電增大，晶閘管承受的電壓中正的部分逐漸增多。壓中正的部分逐漸增多。a a=30 負載電流處于負載電流處于連續(xù)和斷連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)續(xù)的臨界狀態(tài)，各相仍導，各相仍導電電120 。 圖圖3-14 三相半波可控整流電路，三相半波可控整流電路，電阻負載，電阻負載，a a=30 時的波形時的波形107/1313.2.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路wwttwtwta =60u2uaubucOOOOuGudiVT1圖圖3-15 三相半波可控整流電路，電阻負載，三相