交流-直流變換器

電力電子技術(shù)第三章交流－直流變換器（整流器）

3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(biāo)

3.2不控整流電路3.3單相橋式晶閘管相控整流電路

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3.8*

帶平衡電抗器的雙三相橋12脈波整流電路3.9相控有源逆變電路工作原理3.10相控整流及有源逆變晶閘管觸發(fā)控制3.11*含有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)（PFC）的單相高頻整流小結(jié)3.0概述利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件的通、斷控制，將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芊Q為整流。實(shí)現(xiàn)整流的電力半導(dǎo)體開關(guān)電路連同其輔助元器件和系統(tǒng)稱為整流器。

整流器的類型很多，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）三相整流。3.按整流電路中所使用的開關(guān)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(guān)器件為二極管開關(guān)器件為晶閘管開關(guān)器件為全控器件對交流－直流變換最基本的性能要求：直流輸出電壓可以調(diào)控（交流輸入電壓變化時(shí)或負(fù)載變化時(shí)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(nèi)；交流側(cè)電流中的諧波電流也要求在允許值以內(nèi)。此外交流側(cè)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(yīng)特性都是評價(jià)整流器的重要指標(biāo)。3.1整流器的類型和性能指標(biāo)整流器最基本的性能指標(biāo)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.輸入電流總畸變率THD

(TotalHarmonicDistortion)4.輸入功率因數(shù)PF（PowerFactor）

上述基本性能指標(biāo)能比較科學(xué)地評價(jià)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可以進(jìn)一步表示為

：電壓諧波（紋波）系數(shù)RF（RippleFactor）的定義：輸出電壓中的交流諧波有效值VH與直流平均值VD之比值。表示為電壓脈動系數(shù)Sn的定義：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

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輸入電流總畸變率THD(TotalHarmonicDistortion)輸入功率因數(shù)PF（PowerFactor）：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。交流側(cè)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。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(shí)，定義：交流電源輸入有功功率PAC與其視在功率S之比，即3.2不控整流電路3.2.0概述3.2.1單相半波不控整流3.2.2兩相半波不控整流（或雙半波不控整流）3.2.3單相橋式不控整流3.2.4三相半波不控整流3.2.5三相橋式不控整流3.2.6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(fù)載間插入二極管電路，利用二極管的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)交流-直流電能變換的電路。缺點(diǎn)：輸出電壓平均值不能調(diào)節(jié)分析法：二極管的單向?qū)щ娦允欠治龆O管整流電路的基本原則。典型電路：圖3.1(a)～3.5(a)*3.2.1單相半波不控整流主電路：不控二極管D1、D0工作原理：（理想情況下）在電源電壓的正半周wt=0~pD1承受正向電壓而導(dǎo)通。vD=vs,iD=is在電源電壓的負(fù)半周wt=p~2p,D1受反壓截止，阻斷電路。vD=0,iD=0如果負(fù)載有電感，則負(fù)載電流通過D0續(xù)流。*3.2.1單相半波不控整流（續(xù)1）特點(diǎn)：整流電壓直流平均值VD只與VS有關(guān)，不能被調(diào)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(gè)電源周期中僅一個(gè)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。*3.2.2兩相半波不控整流（或雙半波不控整流）主電路：中心抽頭的變壓器提供兩相反向的電壓，D1、D2作開關(guān)。工作原理：（理想情況下）在電源電壓的正半周D1承受正向電壓而導(dǎo)通，D2截止，使得正的A相電壓加到了負(fù)載兩端。在電源電壓的負(fù)半周D1受反壓截止，D2導(dǎo)通，使得正的B相電壓加到了負(fù)載兩端性能優(yōu)于單相半波不控整流正負(fù)半波均有輸出，整流電壓直流平均值高了一倍兩相電壓是通過變壓器中心抽頭得到的一個(gè)電源周期TS中脈波數(shù)為2，脈動頻率提高一倍，易于濾波電源電流正、負(fù)對稱，無直流分量。*3.2.2兩相半波不控整流（或雙半波不控整流）（續(xù)1）*3.2.3單相橋式不控整流

原理及波形分析：與兩相半波電路相比：相同點(diǎn)：整流輸出電壓、交流電源電流波形。多用了兩個(gè)二極管，但可略去有中心抽頭的變壓器。在中小容量的不控整流領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。*3.2.4三相半波不控整流

原理及波形：一周期中，A相D1、B相D3、C相D5依序各導(dǎo)電120°。整流電流為120°脈寬直流。整流電壓由三個(gè)相同的脈波組成（脈波數(shù)m＝3）。特點(diǎn)：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(shí)用。3.2.5三相橋式不控整流

整流電壓由6個(gè)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(fù)對稱的交流電。廣泛應(yīng)用較大功率的不控整流脈波數(shù)m＝63.2.5三相橋式不控整流（續(xù)）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3.2.6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外，還含有諧波。為此須在整流電路的輸出端與負(fù)載之間接入LC濾波器。由于整流輸出諧波電壓的頻率不高，因此要有較好的濾波效果必須LC很大。濾波電感L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。3.3單相橋式晶閘管相控整流電路3.3.0概述3.3.1單相橋式全控整流電路3.3.2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(guān)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?qū)щ娦?；相控整流：控制晶閘管觸發(fā)相位角（脈沖施加時(shí)刻）就控制了電源電壓送至負(fù)載的起始時(shí)刻，從而控制整流電壓。整流電路結(jié)構(gòu)不同、負(fù)載性質(zhì)不同，工作情況也就不同。電路分析時(shí)要抓住晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻（滿足導(dǎo)通條件時(shí)）和受到反壓被強(qiáng)迫關(guān)斷的時(shí)刻。掌握單相橋式全控整流電路在不同性質(zhì)負(fù)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單相橋式全控整流電路一、電阻性負(fù)載（一）主電路（二）理想化假設(shè)

（三）工作原理及波形分析（四）幾個(gè)名詞術(shù)語（五）基本量的計(jì)算二、電感性負(fù)載（一）L、φ較小，α較大，且α>φ時(shí)，負(fù)載斷流，元件的導(dǎo)電角θ<π（二）當(dāng)α＝φ時(shí)，電流臨界連續(xù)

（三）L、φ較大，α較小,且α<φ，電流連續(xù)（四）L很大，ωL>>R，φ≈90°，α<φ，電流連續(xù)且忽略脈動三、反電勢負(fù)載（二）理想化假設(shè)

(1)開關(guān)元件是理想的開關(guān)：通態(tài)壓降=0；斷態(tài)電阻無窮大;漏電流=0;開關(guān)過程瞬間完成；(2)變壓器是理想的：漏抗、繞組電阻、勵(lì)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(dǎo)通的區(qū)間？何時(shí)關(guān)斷？為什么？一、電阻性負(fù)載一、電阻性負(fù)載（續(xù)1）電阻負(fù)載時(shí)的波形

（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(diào)的相位關(guān)系：正常工作的條件）(四)幾個(gè)名詞術(shù)語（1）控制角α:從SCR承受正向電壓時(shí)刻起到觸發(fā)脈沖前沿時(shí)刻之間的時(shí)間所對應(yīng)的電角度。＝》把不控器件（二極管）的導(dǎo)通時(shí)刻后移的電角度。（2）元件導(dǎo)通角θ（導(dǎo)電角）：元件在一電源周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間所對應(yīng)的電角度。本例θ=π-α（3）移相：改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)時(shí)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(shí)現(xiàn)“移相控制”，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(gè)元件轉(zhuǎn)移到另一個(gè)元件的過程。VD是控制角α的函數(shù)；α愈大Vd愈??；當(dāng)α＝0時(shí)為最大值；當(dāng)α＝π時(shí)，VD=0。α的移相范圍為0～π。設(shè)電源電壓：(五)基本量的計(jì)算

（1）輸出直流電壓平均值VD（3）晶閘管電流的有效值IT

:由于兩晶閘管對輪流導(dǎo)通，在一個(gè)正弦周期內(nèi)各導(dǎo)通θ,所以晶閘管平均電流為負(fù)載平均電流ID的一半。晶閘管電流平均值Iav

:（2）輸出直流電流平均值ID

（5）負(fù)載電阻上電壓有效值Vrms

(4)次級繞組電流有效值IS＝負(fù)載電流有效值IL

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S=VSIS>有功功率P。忽略開關(guān)管的損耗，電源提供的有功功率＝負(fù)載有功功率P∴功率因數(shù)（6）功率因數(shù)PF表3.2單相全波整流的電壓、電流比值、功率因數(shù)與α的關(guān)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單相全波整流的電壓、電流比值、功率因數(shù)與α的關(guān)系曲線特點(diǎn)：電感電流不能突變；電流滯后電壓過零。根據(jù)負(fù)載中電感量L的大小不同，電路有4種可能工況：二、電感性負(fù)載（一）L、φ較小，α較大，且α>φ時(shí)，負(fù)載斷流；（二）當(dāng)α＝φ時(shí)，電流臨界連續(xù)；（三）L、φ較大，α較小,且α<φ，電流連續(xù)；（四）L、φ很大，wL》R

，α<φ時(shí)，電流連續(xù)，忽略脈動單相橋式電感性負(fù)載動態(tài)演示輸出電壓波形中出現(xiàn)了負(fù)值斷流原因

：L較小，電感電流iD上升時(shí)間不長，L儲能較少。iD

下降、L釋放的能量不足以維持已導(dǎo)通元件持續(xù)導(dǎo)通到時(shí)刻（π+α）就已降為零。（一）L、φ較小，α較大，且α>φ時(shí)，負(fù)載斷流，元件的導(dǎo)電角θ<π負(fù)載斷流時(shí)，輸出整流電、直流等參數(shù)的計(jì)算

VD

和ID與控制角α及導(dǎo)通角θ有關(guān)θ是α、R、L的函數(shù)。已知R、L、φ和α?xí)r，由（3-45）式可求θ；再由（3-38）式可求得VD*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(dāng)于電源不經(jīng)晶閘管而直接對RL供電。負(fù)載電流iD是“正弦雙半波”；整流電壓直流平均值（二）當(dāng)α＝φ時(shí)，電流臨界連續(xù)穩(wěn)態(tài)情況：（1）波形：整流電壓波形、平均值、元件導(dǎo)通角θ等，與電流臨界連續(xù)時(shí)的相同；（2）特征：晶閘管電流的初值、終值都不為零;負(fù)載電流不再是“正弦雙正半波”，任何時(shí)刻都大于零；

（三）L、φ較大，α較小,且α<φ，電流連續(xù)負(fù)載電流iD脈動很小，近似平行于橫標(biāo)；大小：晶閘管的電流iT為180°單向矩形波

電源電流is為180°正負(fù)矩形波電源電流is的基波有效值

動態(tài)演示（四）L很大，ωL>>R，φ≈90°，α<φ，電流連續(xù)且忽略脈動電源基波功率因數(shù)角φ1

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

時(shí)，導(dǎo)電角，電流斷流

時(shí)，導(dǎo)電角，電流連續(xù)

單相橋式全控整流電路控制特性停止導(dǎo)電角L＝0時(shí)，只有當(dāng)vS>E,晶閘管才能觸發(fā)導(dǎo)通。vS<E,晶閘管阻斷,阻斷期間,負(fù)載電壓vD＝E，故輸出電壓較RL負(fù)載時(shí)高。負(fù)載電流斷流，所以

三、反電勢負(fù)載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(shí)，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(jī)負(fù)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(fù)載回路中串聯(lián)平波電抗器、增大時(shí)間常數(shù)，延長晶閘管的導(dǎo)電時(shí)間，使電流連續(xù)、且使導(dǎo)電角θ＝π。從而減小電流脈動，使波形連續(xù)平直。斷流原因、危害及處理反電勢負(fù)載E時(shí)，若回路等效總電感為L、總電阻為R，則電流臨界連續(xù)時(shí)直流電流平均值

相關(guān)計(jì)算單相橋相控整流時(shí)電流連續(xù)條件三相半波整流時(shí)電流連續(xù)條件三相全橋整流時(shí)電流連續(xù)條件（1）它與控制角α及電感L有關(guān)；（2）實(shí)際負(fù)載電流大于此值就是連續(xù)的。

（3）電流連續(xù)條件3.3.2單相橋式半控整流電路與單相全控橋相比電路特點(diǎn)：晶閘管共陰接法少用2只晶閘管觸發(fā)裝置較簡單續(xù)流二極管D0：否則大電感負(fù)載時(shí)電路會失控α的移相范圍為180°；θ＝π－α輸出電壓只能為正值，其平均值L足夠大時(shí)的工作波形三相交流電波形圖wtwt三相整流電路交流測由三相電源供電。負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動較小、容易濾波?；镜氖侨喟氩煽卣麟娐罚鄻蚴饺卣麟娐窇?yīng)用最廣1)電阻負(fù)載自然換相點(diǎn)：二極管換相時(shí)刻為自然換相點(diǎn)，是各管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角a的起點(diǎn),即a

=0電路的特點(diǎn)：T二次側(cè)接成星形得到零線，一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。三個(gè)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wtwtwtRid自然換相點(diǎn)a

=0a=0時(shí)的工作原理分析分析負(fù)載電壓波形ud，電流波形id和晶閘管VT1的電壓波形.波形？波形？wtwtwtwtwtwt電流連續(xù)Ridid斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120id處于連續(xù)、斷續(xù)臨界狀態(tài)電流斷續(xù)wt整流電壓平均值的計(jì)算a≤30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有：a>30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)晶閘管最大正向電壓負(fù)載電流平均值為晶閘管承受最大反向電壓a≤30時(shí)，電流連續(xù)a>30時(shí)，電流斷續(xù)晶閘管最大正向電壓電流平均值為晶閘管承受最大反壓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(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。優(yōu)點(diǎn)：三相半波相控整流的特點(diǎn)：

（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(chǔ)，是分析理解后續(xù)各種三相整流電路的基礎(chǔ)。（3）交流側(cè)電流中直流分量很大，因而應(yīng)用不多輸出電壓高脈動小、脈動頻率高交流電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高動態(tài)響應(yīng)快（一）控制角觸發(fā)脈沖順序晶閘管的導(dǎo)通順序（二）波形分析自然換相點(diǎn)3.4.1三相半波相控整流電路（共陰接法）（5）整流輸出電壓的脈動頻率為3f（脈波數(shù)m=3）。（1）負(fù)載電流連續(xù)時(shí)各晶閘管的導(dǎo)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(zhuǎn)移是瞬間完成的。（3）負(fù)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(cè)只有單方向電流（缺點(diǎn)）。若，電流連續(xù)且晶閘管導(dǎo)電角120°時(shí)，輸出直流電壓平均值為3.4.1三相半波相控整流電路（共陰接法續(xù)）波形特點(diǎn)當(dāng)當(dāng)°時(shí)，為正值。電路工作在第1象限。當(dāng)°時(shí)，＝0當(dāng)90°＜α＜180°時(shí)，為負(fù)值。電路工作在第4象限。討論：（a）主電路

（b）α＝0°時(shí)波形

（c）α＝30°時(shí)波形3.4.2共陽極接的三相半波可控整流電路作業(yè)5p955\6\7\113.5三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SCR3.5.0概述(續(xù))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(gè)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(fù)載時(shí)三相橋式全控整流特性3.感性負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流特性4.反電勢、電阻、電感負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流特性1.基本工作原理SCR的6個(gè)自然換相點(diǎn)：上橋臂中三相電壓瞬時(shí)值最正的那一相管自然導(dǎo)通，換相點(diǎn)為1、3、5下橋臂中三相電壓瞬時(shí)值最負(fù)的那一相管自然導(dǎo)通，換相點(diǎn)為2、4、6控制角α＝0時(shí)，上、下各有一個(gè)SCR導(dǎo)通，把線電壓最大的瞬時(shí)值接至負(fù)載?？刂平铅痢?時(shí)，6個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖的施加時(shí)刻都從各自的自然換相點(diǎn)延遲一個(gè)α角度。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(dǎo)電角θ為120°每個(gè)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(gè)窄觸發(fā)脈沖后，間隔60°再補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖 1.基本工作原理：晶閘管的觸發(fā)脈沖安排相控整流特性：（1）與相控角α有關(guān);

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

(1)α＝0°時(shí)的波形；(2)α＝30°時(shí)的波形

(3)α＝60°時(shí)的波形，(4)α＝90°時(shí)的波形2.α≠0時(shí)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VD2.電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流特性圖3.17不控整流電路及全控整流電路阻性負(fù)載α＝0、α＝30°時(shí)的波形整流電壓vD的波形依然由6段線電壓波形組成,次序不變，僅六個(gè)導(dǎo)電區(qū)后延30°負(fù)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(shí)相比各波形在時(shí)間上順延30°電阻負(fù)載α＝30°時(shí)工作波形特點(diǎn)：電阻負(fù)載α＝60°時(shí)工作波形及其特點(diǎn)：與α＝0°時(shí)相比各波形在時(shí)間上順延60°；元件導(dǎo)電終點(diǎn)時(shí)刻，整流電壓、電流的瞬時(shí)值都為零。α≤60°時(shí)iD連續(xù)，且整流電壓平均值VD

：電阻負(fù)載α＝90°時(shí)工作波形及其特點(diǎn)：α>60°后iD不連續(xù)；導(dǎo)電寬度120°-α<60°整流電壓平均值VD

α＝120°時(shí)vD=0。由上式也可知VD＝0。電阻負(fù)載時(shí)α的有效移相范圍是0～120°3.感性負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流特性多數(shù)負(fù)載為RL負(fù)載或反電勢、電阻、電感負(fù)載，負(fù)載中的電感通常會使電流iD連續(xù)。當(dāng)電感值大到以致負(fù)載電路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電流脈動周期6TS時(shí)，可忽略iD的脈動,看作恒值電流ID負(fù)載電流連續(xù)且α≤60°時(shí)整流電壓vD波形、整流電壓平均值VD與電阻負(fù)載時(shí)的情況相同，但是電流不同。

(1)電阻性負(fù)載α＝0°時(shí)波形；

(2)電阻性負(fù)載α＝30°時(shí)波形；

(3)電阻電感性負(fù)載α＝60°時(shí)的波形；

(4)電阻電感性負(fù)載α＝90°時(shí)的波形；

(5)電阻電感性負(fù)載α＝120°時(shí)的波形；

(6)電阻電感性負(fù)載α＝180°時(shí)的波形圖3.21電阻感性負(fù)載時(shí)的整流特性α＝60°時(shí)的波形圖3.22電阻感性負(fù)載時(shí)的整流特性α＝90°時(shí)的波形圖3.23電阻感性負(fù)載時(shí)的整流特性α＝120°時(shí)的波形圖3.24電阻感性負(fù)載時(shí)的整流特性α＝180°時(shí)的波形3.感性負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流特性整流電壓平均值感性負(fù)載、電感足夠大時(shí)（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(dāng)α<90°時(shí)，VD為正值；當(dāng)α＝90°時(shí)，VD＝0；當(dāng)α>90°時(shí)，VD為負(fù)值。整流電壓vD中除直流平均值VD外，還含有6K次諧波電壓（K=1，2，3…)3.感性負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流特性（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(diǎn)30°就是基波電流的起點(diǎn)，∴相電流基波的起點(diǎn)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(fù)載時(shí)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(fù)載且負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，與電感電阻性負(fù)載時(shí)工作情況相似；電路各電壓、電流波形相同，僅負(fù)載電流直流平均值ID為:3個(gè)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(shí)vPO平均值3個(gè)二極管相當(dāng)于三相半波不控整流或α＝0時(shí)的相控整流：

vNO的平均值為

整流電壓平均值VD：vPN

應(yīng)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。3.5.2三相橋式半控整流電路α＝0時(shí)，VD

最大；α>0時(shí)，VD為正值；α＝180°時(shí)，VD

最??；∴VD≥0（不可能為負(fù)值）α的移相控制范圍為0～180°輸出電壓不可能為負(fù)值討論：3.6.0概述3.6.1考慮LS的三相半波相控整流電路及整流電壓波形3.6.2換相重疊期中的波形及關(guān)系3.6.3整流電壓平均值的計(jì)算3.6.4ID與α、γ、換相壓降的關(guān)系3.6.5引入換相電阻RS后的關(guān)系式3.6.6各種相控整流電路換相壓降和換相重疊角計(jì)算3.6.7電壓波形畸變及影響3.6交流電路電感對整流特性的影響LS≠0時(shí)三相半波整流電路

3.6.0概述問題的提出：實(shí)際交流電源電路中存在電感LS，前面的vD波形卻沒有考慮其影響。交流電路電感對整流特性有什么樣的影響呢？

以m相半波整流電路（如m＝3）為例進(jìn)行分析，以期得到交流電路電感LS對換流過程及輸出電壓平均值VD的影響的一般性結(jié)論。3.6.1考慮LS的三相半波相控整流電路及整流電壓波形在自然換相點(diǎn)E點(diǎn)之后、

F點(diǎn)之前Tb未被觸發(fā)，Ta一直導(dǎo)電，Tb截止，ia＝ID，va＝vD(t)如果LS＝0，一旦Tb導(dǎo)通

Ta立即受反壓截止，ID立即從a相換到b相，換相（或換流）過程瞬時(shí)完成。這時(shí)vD為PEFQH曲線。

3.6.2換相重疊期中的波形及關(guān)系如果LS≠0，LS儲能不能突變?yōu)榱悖琲a不能從ID突降為零，而必須經(jīng)歷一個(gè)Ta、Tb同時(shí)導(dǎo)通的過渡過程。過程歷時(shí)tr，對應(yīng)的相位角，因Ta、Tb同時(shí)導(dǎo)電而被稱為換相重疊期。換相重疊期內(nèi)若ID恒定，參與換流的兩相電流以及整流電壓有如下關(guān)系：

3.6.2換相重疊期中的波形及關(guān)系（續(xù)）在一個(gè)脈波期中整流電壓為EFGDHM換相前vD=va；換相后vD=vb換相中，vD是圖中的GD段。3.6.3整流電壓平均值的計(jì)算3相橋式m＝6，V＝Vl

3相半波m＝3，V＝VS單相橋式和2相半波m＝2，V＝VS

（1）α＝0或不控整流，且LS＝0時(shí)VD0為曲線EQHME’的面積平均值3.6.3整流電壓平均值的計(jì)算(續(xù))（3）α≠0且LS≠0時(shí)因換相重疊而損失的面積（換相壓降）是QGDH。（2）α≠0且LS＝0時(shí),VD為曲線EFQHME’的平均值,因移相而損失的面積為而△VS的計(jì)算式：3.6.4ID與α、γ、換相壓降的關(guān)系3.6.5引入換相電阻RS后的關(guān)系式換相電阻：已知負(fù)載電流ID，可求換相壓降。已知負(fù)載電流ID，可求出不同α?xí)r的γ換相壓降只與RS、ID有關(guān)而與α無關(guān)，但γ與α有關(guān)整流電壓平均值已知V、m、ωLS、負(fù)載電流ID以及α可求出VD

。如三相橋式（m＝6，V＝Vl

）時(shí)，由3.6.6各種相控整流電路換相壓降和換相重疊角計(jì)算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(jì)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。3.6.7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(shí)的突降和突升毛刺），同時(shí)也影響晶閘管截止時(shí)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(shè)備的正常工作產(chǎn)生不良的影響，因此，實(shí)際的整流電源裝置的輸入端有時(shí)加濾波器消除這種畸變波形的影響。

作業(yè)3p9513\17\26\29整流裝置功率越大，它對電網(wǎng)的干擾也越嚴(yán)重在一個(gè)電源周期中整流輸出電壓VD脈波數(shù)m越多，則輸出電壓中諧波階次越高，諧波幅值越小，整流特性越好整流裝置的交流電流中的諧波頻率越高，諧波電流數(shù)值也越小。為了減輕整流裝置諧波對電網(wǎng)的影響，可采用下圖（圖

3.29(a)所示）兩個(gè)三相橋式整流，經(jīng)平衡電抗器LP并聯(lián)輸出的六相12脈波相控整流電路。

*3.8帶平衡電抗器的雙三相橋12脈波整流電路

若無平衡電抗器，則在區(qū)間I，一旦第一組三相橋整流器導(dǎo)電，第二組三相橋整流器的晶閘管立即被反壓截止，只能由第一組三相橋整流器對負(fù)載供電；同理，區(qū)間II，僅第二組三相橋整流器導(dǎo)電，并提供全部負(fù)載電流。

有了平衡電抗器以后，任何時(shí)刻電壓差VP平衡電抗器兩側(cè)繞組各承擔(dān)VP/2，使兩個(gè)整流器同時(shí)導(dǎo)電并共同承擔(dān)負(fù)載電流，每個(gè)晶閘管及變壓器繞組導(dǎo)電時(shí)間延長一倍，而電流卻只輸出1/2負(fù)載電流。觸發(fā)控制角=0時(shí)，第一組三相全橋整流輸出主要是6次諧波，6次諧波的幅值電壓差：相差30°兩組三相橋經(jīng)平衡電抗器以后輸出電壓的瞬時(shí)值為：或整流電路電流連續(xù)的條件是：電壓差在兩個(gè)三相橋之間引起的環(huán)流最大值近似為vP有最大值：直流輸出電壓平均值:輸出波形的脈動分量減小了，脈動頻率比三相橋時(shí)增大了一倍。以上為控制角=0時(shí)的情況，如果≠0，可以根據(jù)兩組三相橋式電路的相應(yīng)輸出波形進(jìn)行分析。

其幅值僅為直流輸出電壓平均值的1.4%

12次諧波電壓幅值為：輸出電壓中的諧波階次為12k次(K=1,2,…),最低為12次。圖中120°方波的傅立葉級數(shù)表達(dá)式為：N2繞組a、b、c相電流滿足：由于三相對稱：原方A相電流應(yīng)為：除基波外，僅含12K1（K=1，2，3）次電流諧波。最低次電流諧波為11次.帶平衡電抗器的雙三相橋12脈波整流電路中交流電源只含有12K1次諧波電流，最低次電流諧波為11次，而三相橋6脈波整流電路交流電源中含有6K1次諧波電流，最低次諧波電流為5次。兩組整流橋相差30°的整流電壓，既可經(jīng)平衡電抗器并聯(lián)輸出（稱為并聯(lián)多重結(jié)構(gòu)），也可以將其串聯(lián)輸出給負(fù)載供電（稱為串聯(lián)多重結(jié)構(gòu)）。采用串聯(lián)多重結(jié)構(gòu)和并聯(lián)多重結(jié)構(gòu)其效果是相同的，串聯(lián)輸出適用于輸出高電壓應(yīng)用，并聯(lián)輸出適用于輸出大電流應(yīng)用。結(jié)論3.9相控有源逆變電路工作原理3.9.1有源逆變原理3.9.2有源逆變安全工作條件3.9.3三相全橋相控整流和有源逆變的控制特性3.9.4晶閘管相控有源逆變的應(yīng)用3.9.1有源逆變原理把直流變換成交流的變換稱之為逆變實(shí)現(xiàn)逆變的電路及裝置稱逆變電路、逆變器有源逆變是把直流電能所轉(zhuǎn)換的交流電能輸送給交流電網(wǎng)有源（有交流電源）逆變是依靠交流電網(wǎng)電壓周期性的反向變負(fù)使逆變電路中處于通態(tài)的開關(guān)器件承受反向電壓而關(guān)斷，因而可以不用自關(guān)斷器件而用無自關(guān)斷能力的晶閘管。事實(shí)上，有源逆變就是從晶閘管相控整流發(fā)展、延伸出來的，所以把它放在AC－DC整流變換這一章介紹。3.9.1有源逆變原理（續(xù)1）上圖三相半波相控整流電路中，若控制角（從自然換相點(diǎn)E1、E2、E3算起的觸發(fā)滯后角）為a，則當(dāng)控制角a=60°(<90°)和a=120°(>90°)兩種情況下整流電壓瞬時(shí)值波形如右圖。

3.9.1有源逆變原理（續(xù)2）

a<90°時(shí)整流電壓vD（t）為PE2DE5曲線電壓。

a>90°時(shí)整流電壓vD（t）為PDE5Q曲線電壓。

a<90°時(shí)整流電壓vD（t）的正面積大于負(fù)面積，如果負(fù)載電流為恒定直流，則功率平均值為正值，變換器將交流電能變?yōu)橹绷麟娔?，向直流?fù)載供電，實(shí)現(xiàn)整流變換。a>90°時(shí),整流電壓vD（t）的負(fù)面積大于正面積，故直流電壓平均值和功率平均值均為負(fù)值，變換器將直流電能變?yōu)榻涣麟娔芩椭两涣麟娫?，?shí)現(xiàn)有源逆變。

圖中的“負(fù)載”應(yīng)是一個(gè)直流電源，且其電壓Ei極性必須與圖中晶閘管導(dǎo)通方向一致。橋式變換器電路中開關(guān)器件的觸發(fā)控制角>/2。

3.9.1有源逆變原理（續(xù)3）在0≤≤/2

范圍內(nèi)改變控制角，即可控制正值電壓VD

和正值功率PD的大?。辉?2≤≤范圍內(nèi)改變控制角，即可控制負(fù)值電壓VD和負(fù)值功率PD的大小。在>/2大部分時(shí)區(qū),vD(t)為負(fù)值。為了維持電流ID，直流側(cè)必須有右上圖中所示的直流電源才能向交流電源輸送功率實(shí)現(xiàn)有源逆變。結(jié)論(f)有源逆變(e)相控整流實(shí)現(xiàn)有源逆變的條件是：3.9.2有源逆變安全工作條件相控整流電路中以自然換相點(diǎn)為起始點(diǎn)的控制角>/2時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)有源逆變。越接近180°時(shí)整流電壓負(fù)值越大，有源逆變功率越大。但在>/2有源逆變狀態(tài)下工作時(shí)，由于實(shí)際電路中交流電源電路中電感LS

≠0，實(shí)際存在換相重疊過程。如果過大，就可能引起換相失敗事故。

換相重疊角g的確定：對于三相橋式電路m=6，則對三相半波電路m=3，則3.9.2有源逆變安全工作條件（續(xù)1）或3.9.2有源逆變安全工作條件（續(xù)2）相控有源逆變的臨界換相條件是

故有：

且：則臨界有源逆變時(shí)控制角、逆變角和換相重疊角的關(guān)系是：定義逆變角，即3.9.2有源逆變安全工作條件（續(xù)4）

為了確保晶閘管的安全關(guān)斷，需要在其電流下降為零后仍在其兩端再施加一段時(shí)間的反向電壓，以恢復(fù)其阻斷正向電壓的能力，這段時(shí)間稱為晶閘管關(guān)斷時(shí)間toff

對普通高壓大功率晶閘管，toff一般不超過200～300μs。這段時(shí)間相對應(yīng)的（頻率f=50Hz時(shí)）角度q0

(=wtoff）約為4°～5°。（4°～5°）稱為關(guān)斷角。實(shí)際換相重疊角的大小與負(fù)載電流ID、電感LS及電路交流電壓角頻率及電壓有效值VS等有關(guān)。在額定負(fù)載時(shí)g通常約為10°~20°。因此，如果控制角為a，則在換相結(jié)束時(shí),wt已達(dá)到a+g，再經(jīng)過q0角度到wt=a+g+q0

時(shí)晶閘管才能恢復(fù)阻斷電壓的能力。如果再留一個(gè)剩余的安全角fr，則

3.9.2有源逆變安全工作條件（續(xù)5）對于設(shè)定的剩余安全角fr(如5°～10°)及關(guān)斷角q0(=wtoff由晶閘管關(guān)斷時(shí)間決定)，根據(jù)ID、Vl及LS值可得如果實(shí)際運(yùn)行中a>amax(或b<bmin），則剩余安全角f<fr，有源逆變運(yùn)行的安全性就比較差。a超過amax很多時(shí)，可能使剩余安全角fr→0，導(dǎo)致?lián)Q相失敗，變換器故障、損壞。最小允許的逆變角：最大允許的觸發(fā)延遲控制角：對三相橋式電路m=6，則3.9.3三相全橋相控整流和有源逆變的控制特性右圖(a)為兩個(gè)三相全橋相控整流-有源逆變電路反并聯(lián)對直流電機(jī)M供電電路，圖(b)和(c)為三相橋運(yùn)行于相控整流時(shí)和有源逆變時(shí)的等值電路。（假設(shè)電機(jī)等效電阻、電感、電勢分別為R、L、E。）若交流電源線電壓有效值為Vl，三相全橋六脈波相控整流時(shí)的直流輸出電壓為VD，負(fù)載電流連續(xù)，電流平均值為ID，直流負(fù)載電阻為R，電感為L，電勢為ER，則整流輸出的直流電壓平均值為：3.9.3三相全橋相控整流和有源逆變的控制特性（續(xù)）由于換相重疊而引起的直流電壓損失：換相重疊角g由下式確定：工作在有源逆變工作情況時(shí)若直流側(cè)電源為Ei

，則因此：上述各式是三相全橋相控AC/DC變換器工作在相控整流和有源逆變兩種工作情況時(shí)的電流控制方程，通過改變晶閘管的觸發(fā)控制角或逆變角，可以調(diào)節(jié)整流或逆變電壓VD、控制直流電流平均值ID和交流電源－直流負(fù)載之間交換的功率P的大小和流向。3.9.4晶閘管相控有源逆變的應(yīng)用

晶閘管三相橋式相控整流電路既可在VD>0(a<p/2)、ID為正、PD=VDID>0情況下作為整流器，將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流負(fù)載，也可在VD<0(a>p/2)、ID為正、PD=VDID<0情況下作為有源逆變器，將直流電能變?yōu)榻涣麟娔芩椭两涣麟娋W(wǎng)（交流電源）。只要有交流電網(wǎng)和直流電源存在，都可以用晶閘管全控型整流電路靠交流電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值變負(fù)、在已導(dǎo)通的晶閘管上施加反向電壓而令其關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)將直流電能有源逆變?yōu)榻涣麟娔芩腿虢涣麟娋W(wǎng)。如果整流電路是半控型電路，其輸出直流電壓平均值不可能為負(fù)值，電流又不可能為負(fù)值，則功率不能為負(fù)值，因而不可能實(shí)現(xiàn)有源逆變。所以要實(shí)現(xiàn)有源逆變，整流電路必須是全控型電路。

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩Te正比于電樞電流ID，轉(zhuǎn)速N正比于電樞電壓VD，改變VD、ID的大小和方向即可使電機(jī)四象限運(yùn)行（分別對應(yīng)正、反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)的電動機(jī)、發(fā)電機(jī)工作情況）。控制一個(gè)三相全控橋型晶閘管相控整流電路，改變控制角可以輸出單方向電流和可正、可負(fù)的直流電壓。再用另一個(gè)同樣的三相全控橋型晶閘管相控整流電路，改變其控制角又可輸出一個(gè)反方向的電流和輸出電壓為可正、可負(fù)的直流電壓。

將兩個(gè)三相橋電路反并聯(lián)如圖3.31(a)所示，即可對直流電機(jī)提供四象限電源，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行（或可逆?zhèn)鲃樱?/p>

1、直流電機(jī)四象限傳動系統(tǒng)圖3.32交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)繞線型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)：轉(zhuǎn)子繞組的三相交流電經(jīng)三相不控整流橋輸出，其直流電壓平均值：令三相全控橋工作在有源逆變狀態(tài)，則

不計(jì)換流電壓損失：

則得電動機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速：

2、交流繞線式異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3、高壓直流輸電

遠(yuǎn)距離高壓直流輸電具有許多優(yōu)越性。需要在輸電線首端（發(fā)電機(jī)處）將交流電變?yōu)橹绷麟姡?jīng)遠(yuǎn)距離直流傳輸后在輸電線末端用戶（負(fù)載）處再將直流電變?yōu)榻涣麟姽┴?fù)載用電。直流輸電線首、末端要接入整流器和逆變器。由于輸電功率極大，遠(yuǎn)距離輸電大都采用晶閘管（半控型器件）相控整流和有源逆變器，變換系統(tǒng)圖類似圖3.31，只是中間直流環(huán)節(jié)不是直流電機(jī)而是遠(yuǎn)距離直流輸電線。實(shí)際高壓直流輸電系統(tǒng)中，線路首、末兩端的整流器和有源逆變器都是由三相全控橋電路為基本單元的復(fù)合型變換器，即由多個(gè)三相橋變換器串、并聯(lián)組合成復(fù)合結(jié)構(gòu)變換器，每個(gè)三相橋變換器中的A、B、C三相上下橋臂又由許多晶閘管串聯(lián)組成，以提供高壓大電流的相控整流和有源逆變。9.1.1電力電子器件驅(qū)動電路概述■驅(qū)動電路

◆是電力電子主電路與控制電路之間的接口?！袅己玫尿?qū)動電路使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗。

◆對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義?！粢恍┍Ｗo(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)?！鲵?qū)動電路的基本任務(wù)

◆按控制目標(biāo)的要求給器件施加開通或關(guān)斷的信號。

◆對半控型器件只需提供開通控制信號；對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號?！鲵?qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。

◆光隔離一般采用光耦合器

?光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。

?有普通、高速和高傳輸比三種類型。ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖9-1光耦合器的類型及接法a)普通型TLP521

b)高速型6N137

c)高傳輸比型TIL113

光耦——可隔離交流或直流信號。特點(diǎn)：參數(shù)設(shè)計(jì)簡單、輸出端需要隔離驅(qū)動電源、帶寬/驅(qū)動功率有限。

◆磁隔離的元件通常是脈沖變壓器——可傳遞交變或單向的矩形脈沖，能進(jìn)行電流或電壓變換。存在問題——脈沖寬度較寬時(shí)，變壓器體積重量大、激磁電流大。解決方法——高頻調(diào)制解調(diào)(寬脈沖變成寬度為脈沖寬度的高頻脈沖列)特點(diǎn)——即可傳遞信號又可傳遞功率、頻率越高,體積越小?！m合高頻應(yīng)用■驅(qū)動電路的分類

◆按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，可以將電力電子器件分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型兩類。

◆晶閘管的驅(qū)動電路常稱為觸發(fā)電路?！鲵?qū)動電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路。

◆雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。

◆為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路IIMt1t2t3t4圖9-2理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2脈沖前沿上升時(shí)間（<1s）t1~t3強(qiáng)脈沖寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）

■晶閘管的觸發(fā)電路

◆作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通?！艟чl管觸發(fā)電路往往還包括對其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。

◆觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求

?觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，比如對感性和反電動勢負(fù)載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。

?觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的3~5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)1~2A/s。

?觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。

?應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。9.1.3同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路1、脈沖形成與放大環(huán)節(jié)+15V-15V脈沖形成環(huán)節(jié)由V4、V5構(gòu)成；放大環(huán)節(jié)由V7、V8組成?？刂齐妷簎co加在V4基極上，觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次輸出。

當(dāng)V4的基極電壓uco=0時(shí)，V4截止。電源+E1經(jīng)R11供給V5基極電流，使V5飽和導(dǎo)通。所以V5集電極電壓接近-E1，V7、V8處于截止?fàn)顟B(tài)，無脈沖輸出。電源+E1經(jīng)R9、V5的發(fā)射極到-E1對電容C3充電，充滿后電容端電壓接近2E1，極性如圖所示。當(dāng)uco≥0.7V時(shí)，V4導(dǎo)通。A點(diǎn)電位從+E1突降到1V，由于電容C3兩端電壓不能突變，所以V5基極電位也突降到-2E1，V5基射極反偏置，V5立即截止。它的集電極電壓由-E1迅速上升到鉗位電壓2.1V時(shí)，使得V7、V8導(dǎo)通，輸出觸發(fā)脈沖。同時(shí)電容C3由+E1經(jīng)R11、VD4、V4放電并反向充電，使V5基極電位逐漸上升。直到V5基極電位ub5>-E1，V5又重新導(dǎo)通。這時(shí)V5集電極電壓立即降到-E1，使V7、V8截止，輸出脈沖終止。脈沖前沿由V4導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度由反向充電時(shí)間常數(shù)R11C3決定。

2、鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)+15V當(dāng)V2截止時(shí)，恒流源電流I1C對電容C2充電，所以C2兩端的電壓uC為uC按線性增長，即ub3按線性增長。調(diào)節(jié)電位器RP2，可以改變C2的恒定充電電流I1C。

當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí)，因R4很小，所以C2迅速放電，使得ub3電位迅速降到零伏附近。當(dāng)V2周期性地導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，ub3便形成一鋸齒波。射極跟隨器V3的作用是減小控制回路電流對鋸齒波電壓ub3的影響。V4基極電位由鋸齒波電壓、控制電壓uco、直流偏移電壓up三者疊加所定，它們分別通過電阻R6、R7、R8

與V4基極連接。

鋸齒波電壓形成電路由V1、V2、V3和C2等元件組成，其中V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路。根據(jù)疊加原理，先設(shè)uh為鋸齒波電壓ue3單獨(dú)作用在基極時(shí)的電壓，其值為

所以uh仍為鋸齒波，但斜率比ue3低。同理，直流偏移電壓up單獨(dú)作用在V4基極時(shí)的電壓為

控制電壓uco單獨(dú)作用在V4基極時(shí)的電壓為：

所以，仍為一條與up平行的直線，但絕對值比up??；仍為一條與uco平行的直線，但絕對值比uco小。

當(dāng)V4不導(dǎo)通時(shí)，V4的基極b4的波形由確定。當(dāng)b4點(diǎn)電壓等于0.7V后，V4導(dǎo)通。產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。改變uco便可以改變脈沖產(chǎn)生時(shí)刻，脈沖被移相。加up的目的是為了確定控制電壓uco=0時(shí)脈沖的初始相位。以三相全控橋?yàn)槔?，?dāng)接反電勢電感負(fù)載時(shí)，脈沖初始相位應(yīng)定在α=90度；當(dāng)uco=0時(shí)，調(diào)節(jié)up的大小使產(chǎn)生脈沖的M點(diǎn)對應(yīng)α=90度的位置。當(dāng)uco為0，α=90度，則輸出電壓為0；如uco為正值，M點(diǎn)就向前移，控制角α<90度，處于整流工作狀態(tài)；如uco為負(fù)值，M點(diǎn)就向后移，控制角α>90度，處于逆變狀態(tài)。

3、同步環(huán)節(jié)同步環(huán)節(jié)是由同步變壓器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶體管V2組成。同步變壓器和整流變壓器接在同一電源上，用同步變壓器的二次電壓來控制V2的通斷作用，這就保證了觸發(fā)脈沖與主電路電源同步。同步是指鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。鋸齒波是由開關(guān)管V2控制的，也就是由V2的基極電位決定的。同步電壓uTS經(jīng)二極管VD1加在V2的基極上。當(dāng)電壓波形在負(fù)半周的下降段時(shí)，因Q點(diǎn)為零電位，R點(diǎn)為負(fù)電位，VD1導(dǎo)通，電容C1被迅速充電。Q點(diǎn)電位與R點(diǎn)相近，故在這一階段V2基極為反向偏置，V2截止。在負(fù)半周的上升段，+E1電源通過R1給電容C1充電，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止，uQ為電容反向充電波形。當(dāng)Q點(diǎn)電位達(dá)1.4V時(shí)，V2導(dǎo)通，Q點(diǎn)電位被鉗位在1.4V。直到TS二次電壓的下一個(gè)負(fù)半周到來，VD1重新導(dǎo)通，C1放電后又被充電，V2截止。如此循環(huán)往復(fù)，在一個(gè)正弦波周期內(nèi)，包括截止與導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)，對應(yīng)鋸齒波波形恰好是一個(gè)周期，與主電路電源頻率和相位完全同步，達(dá)到同步的目的?？梢钥闯鲣忼X波的寬度是由充電時(shí)間常數(shù)R1C1決定的。觸發(fā)電路自身在一個(gè)周期內(nèi)可輸出兩個(gè)間隔60度的脈沖，稱內(nèi)雙脈沖電路。而在觸發(fā)器外部通過脈沖變壓器的連接得到雙脈沖稱為外雙脈沖。本觸發(fā)電路屬于內(nèi)雙脈沖電路。當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時(shí)，V7、V8截止，沒有脈沖輸出。只要V5、V6有一個(gè)截止，就會使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。因此本電路可產(chǎn)生符合要求的雙脈沖。第一個(gè)脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對應(yīng)的控制角α使V4由截止變導(dǎo)通造成V5瞬時(shí)截止，使得V8輸出脈沖。隔60度的第二個(gè)脈沖是由后一相觸發(fā)單元通過連接到引腳Y使本單元V6截止，使本觸發(fā)電路第二次輸出觸發(fā)脈沖。其中VD4和R17的作用主要是防止雙脈沖信號相互干擾。4、雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)在三相橋式全控整流電路中，雙脈沖環(huán)節(jié)的可按下圖接線。六個(gè)觸發(fā)器的連接順序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。

36V交流電壓經(jīng)整流、濾波后得到50V直流電壓，經(jīng)R15對C6充電，B點(diǎn)電位為50V。當(dāng)V8導(dǎo)通時(shí)，C6經(jīng)脈沖變壓器一次側(cè)R16、V8迅速放電，形成脈沖尖峰，由于有R15的電阻，且電容C6的存儲能量有限，B點(diǎn)電位迅速下降。當(dāng)B點(diǎn)電位下降到14.3V時(shí)，VD15導(dǎo)通，B點(diǎn)電位被15V電源鉗位在14.3V，形成脈沖平臺。C5組成加速電路，用來提高觸發(fā)脈沖前沿陡度。

6、脈沖封鎖二極管

VD5陰極接零電位或負(fù)電位，使V7、V8截止，可以實(shí)現(xiàn)脈沖封鎖。VD5用來防止接地端與負(fù)電源之間形成大電流通路。5、強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié)*9.1.4集成觸發(fā)電路(簡介)目前國內(nèi)生產(chǎn)的集成觸發(fā)器有KJ系列和KC系列，國外生產(chǎn)的有TCA系列，下面簡要介紹由KC系列的KC04移相觸發(fā)器和KC4lC六路雙脈沖形成器所組成的三相全控橋集成觸發(fā)器的工作原理。（1）KC04移相觸發(fā)器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：電源電壓：DC±l5V，允許波動±5%；電源電流：正電流≤l5mA，負(fù)電流≤8mA；移相范圍：≥(=30V，=l5KΩ)；脈沖寬度：400s～2ms；脈沖幅值：≥13V；最大輸出能力：100mA；正負(fù)半周脈沖不均衡：≤土；環(huán)境溫度：-——。內(nèi)部結(jié)構(gòu)KC4lC六路雙窄脈沖形成器KC4lC是六路雙脈沖形成集成電路KC4lC的輸入信號通常是KC04的輸出，把三塊KC04移相觸發(fā)器的l腳與15腳產(chǎn)生的6個(gè)主脈沖分別接到KC4lC集成塊的1~6腳，經(jīng)內(nèi)部集成二極管完成“或”功能，形成雙窄脈沖，再由內(nèi)部6個(gè)集成三極管放大，從10~15腳輸出，還可以在外部設(shè)置Vl~V6晶體管作功率放大，可得到800mA的觸發(fā)脈沖電流，供觸發(fā)大電流的晶閘管用。KC4lC不僅具有雙窄脈沖形成功能，而且還具有電子開關(guān)控制封鎖功能，當(dāng)7腳接地或處于低電位時(shí)，內(nèi)部集成開關(guān)管截止，各路正常輸出脈沖；當(dāng)7腳接高電位或懸空時(shí)，飽和導(dǎo)通，各路無脈沖輸出。圖3-57AKJ041電路原理圖KC4lC與KC04組成的雙窄脈沖觸發(fā)電路觸發(fā)電路的定相初始脈沖是指Ud＝0時(shí)，控制電壓uco與偏移電壓up為固定值條件下的觸發(fā)脈沖。因此，必須根據(jù)被觸發(fā)晶閘管陽極電壓的相位，正確供給各觸發(fā)電路特定相位的同步電壓，才能使觸發(fā)電路分別在各晶閘管需要觸發(fā)脈沖的時(shí)刻輸出脈沖。這種選擇同步電壓相位以及得到要求的觸發(fā)時(shí)刻的方法，稱為觸發(fā)電路的定相。

晶閘管VT1的陽極與uu相接，VT1所接主電路電壓為+uu，觸發(fā)脈沖從0°至180°對應(yīng)的范圍為ωt1～ωt2。采用鋸齒波同步的觸發(fā)電路時(shí)，同步信號負(fù)半周的起點(diǎn)對應(yīng)于鋸齒波的起點(diǎn)，通常使鋸齒波的上升段為240度，上升段起始的30度和終了段30度線性度不好，舍去不用，使用中間的180度。所以取同步波-uu。

三相橋整流電路大量用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通常要求可實(shí)現(xiàn)再生制動，使Ud=0時(shí)的觸發(fā)角α為90o。當(dāng)α

<90o時(shí)為整流工作，α>90o時(shí)為逆變工作。將α=90o確定為鋸齒波的中點(diǎn)，鋸齒波向前向后各有90o的移相范圍。α=0o對應(yīng)于uu的30o的位置，說明VT1的同步電壓應(yīng)滯后于uu180o。對于其他5個(gè)晶閘管，也存在同樣的關(guān)系，即同步電壓滯后于主電路電壓180o。

三相全控橋的定相同步變壓器和整流變壓器的接法及矢量圖(了解)

因此一旦確定了整流變壓器和同步變壓器的接法，即可選定每一個(gè)晶閘管的同步電壓信號。為防止電網(wǎng)電壓波形畸變對觸發(fā)電路產(chǎn)生干擾，可對同步電壓進(jìn)行R-C濾波，當(dāng)R-C濾波器滯后角為60o時(shí)，同步電壓選取結(jié)果見表晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+Uu-Uw+Uv-Uu+Uw-Uv同步電壓+Usv-Usu+Usw-Usv+Usu-Usw同步電壓的選取結(jié)果見表晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+Uu-Uw+Uv-Uu+Uw-Uv同步電壓-Usu+Usw-Usv+Usu-Usw+Usv*3.11含有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)(PFC)的單相高頻整流3.11.1諧波電流的危害及改善措施3.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流3.11.3帶反激式功率因數(shù)校正器的高頻整流3.11.1諧波電流的危害及改善措施

220V單相交流電網(wǎng)不控整流電容濾波的應(yīng)用極為廣泛，但主要缺點(diǎn)是：

(1)輸入交流電壓是正弦波，僅在交流電壓的瞬時(shí)值大于電容電壓時(shí)才有輸入電流，因此輸入交流電流波形嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀。

(2)直流輸出電壓只與交流輸入電壓有關(guān)而不能調(diào)控。為了得到輸出可控的直流電壓，可采用相控整流。但相控整流直流電壓脈動很大，且最低次諧波頻率為2次諧波，需要很大的濾波器才能得到平穩(wěn)的直流電壓。在相控直流電壓較低時(shí)電源功率因數(shù)低，同時(shí)交流電源輸入電流中仍含有大量的諧波電流。3.11.1諧波電流的危害及改善措施（續(xù)1）流過線路阻抗造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓也發(fā)生畸變；可能危害通訊線路；會使線路和配電變壓器過熱，損壞電器設(shè)備；會引起電網(wǎng)LC諧振；高次諧波電流流過電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波電壓可能使電容器過流、過熱而爆炸；在三相四線制電路中，中線流過三相的三次諧波電流(3倍的3次諧波電流)，使中線過流而損壞；還使整流負(fù)載交流輸入端功率因數(shù)下降，其結(jié)果是發(fā)電、配電及變電設(shè)備的利用率降低，功耗加大，效率降低。

諧波電流對電網(wǎng)有嚴(yán)重的危害作用：3.11.1諧波電流的危害及改善措施（續(xù)2）為了減小AC-DC變流電路輸入端諧波電流造成的嚴(yán)重后果，確保電網(wǎng)良好運(yùn)行，提高電網(wǎng)的可靠性，同時(shí)也為了提高輸入端功率因數(shù)，必須限制AC-DC整流電路的輸入端諧波電流。現(xiàn)在，限制電網(wǎng)諧波電流相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布實(shí)施，如IEC-555-2，EN60555-2等，一般規(guī)定各次諧波電流不得大于某極限值。表3.7給出了某一標(biāo)準(zhǔn)要求的諧波電流限制值。

表3.7AC-DC變流電路對輸入端諧波電流的限制值由于整流器輸入端功率因數(shù)PF不僅與基波電流的相位移角φ1有關(guān)，同時(shí)還與諧波電流的大小有關(guān)，不控整流能使基波電流與交流電源電壓基本同相，cosφ1=1，但呈脈沖狀的電流含有很大的諧波成份，因而交流電源的功率因數(shù)不高。…710302諧波電流％(以基波為基數(shù))…7次5次3次2次諧波階次圖3.35AC/DC整流電路3.35(1)附加無源濾波器

無源LC濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：簡單、成本低、可靠性高、電磁干擾EMI小。缺點(diǎn)是：體積、重量大，難以得到高功率因數(shù)(一般提高到0.9左右)，工作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)，電感和電容間有大的充放電電流并可能引發(fā)電路L、C諧振等。

在圖示的整流器和電容之間接入一個(gè)濾波電感，增加導(dǎo)電寬度，減緩其脈沖性，從而減小電流的諧波成份。或者在交流側(cè)并聯(lián)接入LC濾波器，使諧波電流經(jīng)LC濾波器形成回路而不進(jìn)入交流電源。采用兩類技術(shù)措施可減小電源電流中的諧波電流，提高功率因數(shù)3.11.1諧波電流的危害及改善措施（續(xù)3）3.11.1諧波電流的危害及改善措施（續(xù)4）(2)附加有源功率因數(shù)校正器或采用高頻PWM整流不控整流電路與負(fù)載之間接入DC-DC開關(guān)變換器，用電流反饋技術(shù)使交流電源電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，并與之同相，從而使輸入端總諧波畸變率THD小于5％，而功率因數(shù)可提高到0.95或更高。

含有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的單相整流被簡稱為有源功率因數(shù)校正(ActivePowerFactorCorrection)APFC。它是將高頻PWMDC-DC變換應(yīng)用于單相整流，故也是一種單相高頻PWM整流。3.11.1諧波電流的危害及改善措施（續(xù)5）優(yōu)點(diǎn)：可得到較高的功率因數(shù)，如0.95~0.99，且THD小；可在較寬的輸入電壓范圍(如90~264VAC)下工作；體積、重量??；輸出電壓也可保持恒定，或被調(diào)控為指令值。不足:電能只能從交流電源流向直流側(cè)負(fù)載，而不可能將直流側(cè)的電能反送至交流電網(wǎng)，因此只是一種單向的PWM整流。現(xiàn)在APFC技術(shù)已廣泛應(yīng)用于AC-DC開關(guān)電源、交流不間斷電源(UPS)、熒光燈電子鎮(zhèn)流器及其它電子儀器電源中。3.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)1）主電路：1)單相橋式不控整流器2)Boost變換器控制電路：1)電壓誤差放大器VAR2)電流誤差放大器CAR3)乘法器4)比較器C5)驅(qū)動器6)其它相關(guān)電路

3.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)2）主電路拓?fù)涫且粋€(gè)全波整流器，實(shí)現(xiàn)AC→DC的變換，電壓波形不會失真；在濾波電容C之前是一個(gè)BoostConverter，實(shí)現(xiàn)升壓式

DC→DC的變換；從控制回路看，它由一個(gè)電壓外環(huán)和一個(gè)電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成；升壓電感中的電流受到連續(xù)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，使之能跟隨整流后正弦半波電壓波形。

電路特點(diǎn)：3.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)3）有源功率因數(shù)校正的控制思想思路:

主要是控制已整流后的電流，使之在對濾波大電容充電之前，能與整流后的電壓波形相同，從而避免電流脈沖的形成，達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。Boost—APFC原理電路

3.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)4）有源功率因數(shù)校正器(APFC)工作原理

主電路的輸出電壓Vo和指令輸出電壓送入電壓誤差放大器VAR，進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，VAR的輸出是個(gè)直流量m；將二極管整流電壓檢測值vdc=|vS|(交流電源電壓瞬時(shí)值的絕對值)和VAR的輸出電壓信號m共同加到乘法器的輸入端，用乘法器的輸出m|vS|作為電感電流iL(|iS|=iL)指令ir；電流指令的波形與交流電源電壓相同，即與交流電源同相位的正弦波，大小ir(ir=mVdc)=m|VS|取決于實(shí)際電壓與電壓指令值的誤差。將ir與電感電流的檢測值iL=|iS|