電力電子電路第三章20160101

第3章交流-直流變換電路（含有源逆變電路）電力電子技術

將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芊Q為整流，將功率從電源傳向負載。凡能將交流電能轉換為直流電能的電路統(tǒng)稱為整流電路（Rectifier），簡稱為AC-DC電路。第3章交流-直流變換電路

整流電路有多種分類方法按電路的控制特點可分為： 由二極管組成的不可控整流電路 由半控型器件晶閘管組成的相控整流電路 由全控型器件組成的PWM整流電路等。按交流電源輸入相數可分為： 單相整流電路 三相整流電路 多相整流電路按電路結構分類，可分為： 半波整流電路（零式整流電路） 全波整流電路（橋式整流電路）按電路的工作象限可分為： 一象限工作電路 二象限工作電路 四象限工作電路第3章交流-直流變換電路

3.1.1單相不可控整流電路-電阻負載3.1不可控整流電路圖3-1單相半波不可控整流電路帶電阻性負載的電路和波形b)3.1.1單相不可控整流電路-電阻負載3.1不可控整流電路表3-1單相半波不可控整流電路帶電阻性負載時各區(qū)間工作情況ωt0～ππ～2π2π～3π二極管導通情況VD1導通VD1截止VD1導通負載電壓udu20u2負載電流idu2/R0u2/R二極管端電壓uVD10u20負載電壓平均值Ud

U2為電源變壓器副邊電壓有效值3.1不可控整流電路圖3-2不帶續(xù)流二極管的單相半波不可控整流電路帶阻感性負載的電路和波形3.1.1單相不可控整流電路-阻感負載(無續(xù)流二極管)3.1.1單相不可控整流電路-阻感負載(無續(xù)流二極管)3.1不可控整流電路表3-2單相半波不可控整流電路帶阻感性負載（無續(xù)流二極管）時各區(qū)間工作情況

ωt0～ππ～ωt1ωt1～2π二極管導通情況VD1導通VD1導通VD1截止負載電壓udu2u20負載電流id有有0二極管端電壓uVD100u23.1不可控整流電路圖3-3帶續(xù)流二極管的單相半波不可控整流電路帶大電感負載的電路和波形3.1.1單相不可控整流電路-阻感負載(帶續(xù)流二極管)3.1不可控整流電路表3-3單相半波不可控整流電路帶阻感性負載（有續(xù)流二極管）時各區(qū)間工作情況

ωt0～ππ～2π二極管導通情況VD1導通、VD2截止VD1截止、VD2導通負載電壓udu20負載電流id水平直線整流二極管電流iVD1矩形波0續(xù)流二極管電流iVD20矩形波整流二極管端電壓uVD10u2續(xù)流二極管端電壓uVD2-|u2|03.1.1單相不可控整流電路-阻感負載(帶續(xù)流二極管)3.1不可控整流電路圖3-4單相全波整流電路帶電阻性負載的電路和波形

a-單相全波整流電路負載電壓波形b-單相全波整流電路c-交流輸入正半波整流電路工作圖d-交流輸入負半波整流電路工作圖3.1.1單相不可控整流電路-全波整流3.1不可控整流電路表3-4單相全波整流電路帶電阻性負載時各區(qū)間工作情況

UduVD1=-2|u2|，uVD2=0uVD1=0，uVD2=-2|u2|uVD1和uVD2|u2||u2|udVD2導通、VD1截止VD1導通、VD2截止二極管導通情況π～2π0～πωt3.1.1單相不可控整流電路-全波整流3.1.1單相不可控整流電路-橋式整流3.1不可控整流電路圖3-5單相橋式整流電路

a-單相橋式整流電路b-交流輸入正半波整流電路工作圖c-交流輸入負半波整流電路工作圖3.1不可控整流電路表3-5單相橋式整流電路帶電阻性負載時各區(qū)間工作情況

ωt0～ππ～2π二極管導通情況VD1和VD4導通VD2和VD3截止VD2和VD3導通VD1和VD4截止ud|u2||u2|uVDuVD1,4=0，uVD2,3=-|u2|uVD2,,3=0，uVD1,4=-|u2|Ud3.1.1單相不可控整流電路-橋式整流3.1.2三相不可控整流電路3.1不可控整流電路c)電壓波形u2u2luduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwtwtOOwtwt123.1.2三相不可控整流電路3.1不可控整流電路

三相橋式整流電路工作時，共陰極組的3只二極管中，陽極交流電壓最高的那只二極管優(yōu)先導通，使另外兩只二極管承受反壓而處于關斷狀態(tài)；同理，共陽極組的3只二極管中陰極交流電壓最低的那只二極管優(yōu)先導通，使另外兩只二極管承受反壓而處于關斷狀態(tài)。即任意時刻，共陽極組和共陰極組中各有一只二極管處于導通狀態(tài)，其工作波形如圖3-6c)所示。3.1.2三相不可控整流電路3.1不可控整流電路

輸出負載電壓ud為線電壓中最大的一個，其波形為線電壓u2l的包絡線。輸出負載電壓ud一個周期脈動6次，每次脈動的波形相同，故三相橋式整流電路也被稱為6脈波整流電路。這種電路的輸出負載電壓波形比單相橋式整流電路的輸出負載電壓波形更平滑，因而更容易濾波。將負載電壓ud波形中的一個周期分成6段，每段各60°，在每段中導通的二極管及輸出整流電壓的情況如表3-6所示。3.1.2三相不可控整流電路3.1不可控整流電路表3-6三相橋式整流電路各區(qū)間工作情況整流電壓平均值Uducbucaubaubcuacuab整流輸出電壓udVD6VD4VD4VD2VD2VD6共陽極組中導通的二極管VD5VD5VD3VD3VD1VD1共陰極組中導通的二極管VIVIVIIIIII時段3.1.2三相不可控整流電路3.1不可控整流電路

由表3-6可知，6只二極管的導通順序為VD1-VD2-VD3-VD4-VD5-VD6-VD1，相位依次相差60°，這也正是VD1~VD6命名的原因。共陰極組VD1，VD3，VD5依次導通120°，共陽極組VD4，VD6，VD2也依次導通120°。而同一相上、下兩個橋臂的兩只二極管VD1與VD4，VD3與VD6，VD5與VD2，導通相位則互差180°。對于變壓器二次繞組，每相繞組的電流均為雙向電流，且正、反向電流的有效值和平均值相等。單相半波可控整流電路-電阻負載wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uGuduVTaq0b)c)d)e)00?

調節(jié)α角可控制Ud的大小。這種通過控制觸發(fā)脈沖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。

?：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。單相半波可控整流電路-電阻負載wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uGuduVTaq0b)c)d)e)00基本數量關系為：1）直流輸出電壓平均值2）直流輸出電流平均值3）負載電壓有效值單相半波可控整流電路-電阻負載wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uGuduVTaq0b)c)d)e)00基本數量關系為：4）負載電流有效值5）晶閘管電流平均值6）晶閘管及變壓器二次側電流有效值單相半波可控整流電路-電阻負載wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uGuduVTaq0b)c)d)e)00基本數量關系為：7）整流電路功率因數8）晶閘管承受的最大正、反向電壓

晶閘管承受的最大正、反向電壓是變壓器二次側電壓的峰值。

整流電路功率因數是變壓器二次側有功功率與視在功率的比值。單相半波可控整流電路-電阻負載圖3-2帶阻感負載的單相半波可控整流電路及其波形單相半波可控整流電路-阻感負載■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拒作用，使得流過電感的電流不能發(fā)生突變。

◆電路分析?晶閘管斷態(tài)時,id=0,ud=0,uVT=u2。

?在t1時刻，即觸發(fā)角處

√ud=u2?！蘈使id不能突變，id從0增加。?u2由正變負的過零點處，id已經處于減小過程中，但未降到零，因此VT仍處通態(tài)。

?t2時刻，電感能量釋放完畢，id降至零，VT關斷并立即承受反壓。

?由于電感的存在延遲了VT的關斷時刻，使ud波形出現(xiàn)負的部分，與帶電阻負載時相比其平均值Ud下降。

單相半波可控整流電路-阻感負載TVTRa)u1u2uVTudidL

以晶閘管單相半波可控整流電路，帶阻感性負載為例。此電路中只有一只晶閘管VT。當VT處于通態(tài)時，如下方程成立：

當α、

均已知時，即可求出晶閘管的導通角θ。單相半波可控整流電路-阻感負載圖3-4單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形

單相半波可控整流電路-阻感負載（帶續(xù)流二級管）負載電壓為負使得平均值Ud變小。在整流電路的負載兩端并聯(lián)一個二極管，稱為續(xù)流二極管，用VDR表示。◆有續(xù)流二極管的電路

?電路分析

√u2正半周時，與沒有續(xù)流二極管時的情況是一樣的。

√當u2過零變負時，VDR導通，ud為零，此時為負的u2通過VDR向VT施加反壓使其關斷，L儲存的能量保證了電流id在L-R-VDR路中流通，此過程通常稱為續(xù)流。

√若L足夠大，id連續(xù)，且id波形接近一條水平線。圖3-4單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形

單相半波可控整流電路-阻感負載（帶續(xù)流二級管）基本數量關系：

觸發(fā)角α=0°時，輸出電壓平均值最大，Ud=0.45U2，觸發(fā)角α=180°時，輸出電壓為零，因此移相范圍是0°~180°。2）直流輸出電流平均值1）直流輸出電壓平均值單相半波可控整流電路-阻感負載（帶續(xù)流二級管）單相半波可控整流電路-阻感負載（帶續(xù)流二級管）基本數量關系：3）晶閘管電流平均值4）晶閘管電流有效值5）續(xù)流二極管電流平均值單相半波可控整流電路-阻感負載（帶續(xù)流二級管）基本數量關系：6）續(xù)流二極管電流有效值

晶閘管兩端電壓波形uVT如圖3-10g)所示，晶閘管承受的最大正、反向電壓均為電源電壓u2的峰值，即。續(xù)流二極管承受的電壓為-ud，其最大反向電壓也是電源電壓u2的峰值。例題:具有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路,帶阻感負載,電阻為5Ω,電感無窮大,電源電壓的有效值為220V,直流平均電流為10A,試計算晶閘管和續(xù)流二極管的電流平均值和有效值，并根據晶閘管承受電壓來選擇晶閘管（考慮2倍安全裕量）晶閘管電流平均值晶閘管電流有效值例題:具有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路,帶阻感負載,電阻為5Ω,電感無窮大,電源電壓的有效值為220V,直流平均電流為10A,試計算晶閘管和續(xù)流二極管的電流平均值和有效值，并根據晶閘管承受電壓來選擇晶閘管（考慮2倍安全裕量）續(xù)流二極管電流平均值續(xù)流二極管電流有效值例題:具有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路,帶阻感負載,電阻為5Ω,電感無窮大,電源電壓的有效值為220V,直流平均電流為10A,試計算晶閘管和續(xù)流二極管的電流平均值和有效值，并根據晶閘管承受電壓來選擇晶閘管（考慮2倍安全裕量）晶閘管承受的最大電壓為（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）單相橋式全控整流電路-電阻負載表3-7單相橋式相控整流電路帶電阻性負載時各區(qū)間工作情況ωt0～αα～ππ～π+απ+α～2π晶閘管導通情況VT1,4截止VT2,3截止VT1,4導通VT2,3截止VT1,4截止VT2,3截止VT1,4截止VT2,3導通ud0|u2|0|u2|id0|u2|/R0|u2|/Ri20u2/R0u2/RuVTuVT1,4=|u2|/2uVT2,3=-|u2|/2uVT1,4=0uVT2,3=-|u2|uVT1,4=-|u2|/2uVT2,3=|u2|/2uVT1,4=-|u2|uVT2,3=0單相橋式全控整流電路-電阻負載(1)觸發(fā)角α

：觸發(fā)角也稱作移相觸發(fā)角或控制角，指從晶閘管開始承受正向電壓起，到施加觸發(fā)信號止的電角度。晶閘管整流電路是通過控制觸發(fā)角α的大小，即控制觸發(fā)信號的相位，來控制輸出電壓的大小，故稱為相控電路。(2)導通角θ：指晶閘管在一個周期中處于通態(tài)的電角度。(3)移相：改變觸發(fā)信號出現(xiàn)的時刻，即改變觸發(fā)角α的大小，稱為移相。單相橋式相控整流電路帶電阻性負載時的移相范圍為180°。(4)同步：使觸發(fā)脈沖與相控整流電路的電源電壓之間，保持頻率和相位的協(xié)調關系稱為同步。(5)換流：在相控整流電路中，由一路晶閘管導通變換為另一路晶閘管導通的過程稱為換流，也稱換相。單相橋式全控整流電路-電阻負載基本數量關系：1）直流輸出電壓平均值觸發(fā)角α=0°時，輸出電壓平均值最大，Ud=0.9U2，觸發(fā)角α=180°時，輸出電壓為零，因此移相范圍是0°~180°。2）直流輸出電流平均值單相橋式全控整流電路-電阻負載基本數量關系：3）負載電壓有效值4）負載電流有效值及變壓器二次側電流有效值5）晶閘管電流平均值單相橋式全控整流電路-電阻負載基本數量關系：6）晶閘管電流有效值7）整流電路功率因數8）晶閘管承受的最大正反向電壓單相橋式全控整流電路-電阻負載最大反向電壓最大正向電壓RudidabVT1VT2VT3VT4u2i2L單相橋式全控整流電路-阻感負載單相橋式全控整流電路-阻感負載表3-8單相橋式全控整流電路帶大電感負載時各區(qū)間工作情況ωt0～αα～ππ～π+απ+α～2π晶閘管導通情況VT1,4截止VT2,3導通VT1,4導通VT2,3截止VT1,4導通VT2,3截止VT1,4截止VT2,3導通ud-u2u2u2-u2idIdi2-Id+Id+Id-IduVTuVT1,4=u2uVT2,3=0uVT1,4=0uVT2,3=-u2uVT1,4=0uVT2,3=u2uVT1,4=-u2uVT2,3=0iVTiVT1,4=0iVT2,3=IdiVT1,4=IdiVT2,3=0iVT1,4=IdiVT2,3=0iVT1,4=0iVT2,3=Id單相橋式全控整流電路-阻感負載基本數量關系：1）輸出電壓平均值

觸發(fā)角α=0°時，輸出電壓平均值最大，Ud=0.9U2；觸發(fā)角α=90°時，輸出電壓波形正負面積相等，平均值為零；因此移相范圍是0°~90°。2）輸出電流平均值單相橋式全控整流電路-阻感負載基本數量關系：3）晶閘管電流平均值4）晶閘管電流有效值5）晶閘管的通態(tài)平均電流單相橋式全控整流電路-阻感負載基本數量關系：6）變壓器二次側電流I2的波形是對稱的正負矩形波，其有效值為7）晶閘管承受的最大正、反向電壓單相橋式全控整流電路-阻感負載例題單相全控橋式整流電路，接大電感負載，U2=220V，負載電阻R=4Ω。（1）=60o時，畫出晶閘管中的電流波形，求其平均值和有效值。（2）當負載兩端接有續(xù)流二極管時，試求輸出電壓、電流的平均值，流過晶閘管和續(xù)流二極管中電流的平均值、有效值，畫出波形。解：（1）輸出電壓平均值輸出負載電流平均值晶閘管中電流平均值晶閘管中電流有效值單相橋式全控整流電路-阻感負載RudidabVT1VT2VT3VT4u2i2L例題單相全控橋式整流電路，接大電感負載，U2=220V，負載電阻R=4Ω。（2）當負載兩端接有續(xù)流二極管時，試求輸出電壓、電流的平均值，流過晶閘管和續(xù)流二極管中電流的平均值、有效值，畫出波形。單相橋式全控整流電路-阻感負載例題單相全控橋式整流電路，接大電感負載，U2=220V，負載電阻R=4Ω。（2）當負載兩端接有續(xù)流二極管時，試求輸出電壓、電流的平均值，流過晶閘管和續(xù)流二極管中電流的平均值、有效值，畫出波形。(2)接續(xù)流二級管的輸出電壓平均值輸出負載電流平均值單相橋式全控整流電路-阻感負載例題單相全控橋式整流電路，接大電感負載，U2=220V，負載電阻R=4Ω。（2）當負載兩端接有續(xù)流二極管時，試求輸出電壓、電流的平均值，流過晶閘管和續(xù)流二極管中電流的平均值、有效值，畫出波形。晶閘管中電流平均值和有效值續(xù)流二極管中電流平均值和有效值單相橋式全控整流電路-阻感負載■帶反電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。

◆電路分析?|u2|>E時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能。3.2.2單相橋式全控整流電路-反電動勢負載

◆電路分析?晶閘管導通之后，ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關斷，此后ud=E。

?與電阻負載時相比，晶閘管提前了度停止導電，稱為停止導電角。

?當<時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負電壓，不可能導通。3.2.2單相橋式全控整流電路-反電動勢負載(3-16)3.2.3單相全波可控整流電路圖3-10單相全波可控整流電路及波形■帶電阻負載時

◆電路分析

?變壓器T帶中心抽頭。

?在u2正半周VT1工作，變壓器二次繞組上半部分流過電流。?u2負半周VT2工作，二次繞組下半部分流過反方向電流。?變壓器也不存在直流磁化的問題。

圖3-10單相全波可控整流電路及波形■帶電阻負載時

◆電路分析

?變壓器T帶中心抽頭。

?在u2正半周VT1工作，變壓器二次繞組上半部分流過電流。?u2負半周VT2工作，二次繞組下半部分流過反方向電流。?變壓器也不存在直流磁化的問題。

3.2.3單相全波可控整流電路

單相全波可控整流電路的ud波形與單相橋式全控整流電路一樣，變壓器一次繞組的電流波形一樣，變壓器不存在直流磁化問題。

單相全波可控整流電路中變壓器的結構較復雜，繞組及鐵心對銅、鐵等材料的消耗比單相橋式全控整流電路多；二次繞組只有半個周期導電，利用率比單相橋式全控整流電路低一倍。單相全波可控整流電路中只用2只晶閘管；晶閘管承受的最大電壓為，是單相橋式全控整流電路的兩倍。單相全波可控整流電路中，導電回路只含1只晶閘管。3.2.3單相全波可控整流電路3.2.3單相全波可控整流電路例題單相全波整流電路如圖所示，U2=220V，=60o。求（1）輸出直流電壓平均值Ud。（2）畫出ud、id的波形。解：（1）當電壓為正半周時，即a為正，b為負時，VT1承受正向電壓。有觸發(fā)脈沖即可導通，VD2處于關斷狀態(tài)，當電源電壓過零時VT1關斷。當電源電壓過零變負時，a為負，b為正，VT1關斷，VD1導通。當電源電壓再次過零變正時，VD1關斷。。（2）輸出平均值Ud。RudidabVT1VT2VD3VD4u2i23.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載例題帶整流變壓器的單相半控橋式整流電路，U1=220V，電阻負載，R=4Ω。要求負載電流Id在0~25A之間變化，試求(1)變壓器的變比;(2)波形系數;(3)變壓器容量;(4)負載電阻R的最大功率。設=0時Ud最大(1)(2)3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載例題帶整流變壓器的單相半控橋式整流電路，U1=220V，電阻負載，R=4Ω。要求負載電流Id在0~25A之間變化，試求(1)變壓器的變比;(2)波形系數;(3)變壓器容量;(4)負載電阻R的最大功率。(2)3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載負載電阻R的最大功率PR（3）（4）例題帶整流變壓器的單相半控橋式整流電路，U1=220V，電阻負載，R=4Ω。要求負載電流Id在0~25A之間變化，試求(1)變壓器的變比;(2)波形系數;(3)變壓器容量;(4)負載電阻R的最大功率。3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載例題單相半控橋式整流電路，電阻負載，R=25Ω，要求Ud=0~250V，計算晶閘管實際承受的最大電壓與最大電流（角留有20o裕量）。3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載例題：具有中點二極管的單相半控橋式整流電路如圖所示(1)給出=45o時Ud波形。(2)設U2=100V，求輸出整流電壓平均值Ud。3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載例題：具有中點二極管的單相半控橋式整流電路如圖所示(1)給出=45o時Ud波形。3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載例題：具有中點二極管的單相半控橋式整流電路如圖所示(1)給出=45o時Ud波形。3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載例題：具有中點二極管的單相半控橋式整流電路如圖所示(1)給出=45o時Ud波形。3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載例題：具有中點二極管的單相半控橋式整流電路如圖所示（1）給出=45o時Ud的波形。（2）設U2=100V，求輸出整流電壓平均值Ud。3.2.4單相橋式半控整流電路-電阻負載例題：具有中點二極管的單相半控橋式整流電路如圖所示（2）設U2=100V，求輸出整流電壓平均值Ud。RudidabVT1VT3VD2VD4u2i2L一般設ωL》R。電流連續(xù)且為直流電流。若控制角突然增大到180°,或某個觸發(fā)脈沖突然丟失，則會使原導通的晶閘管一直導通，稱為失控。單相橋式半控整流電路-阻感負載基本數量關系：1）直流輸出電壓平均值2）直流輸出電流平均值3）晶閘管和整流二極管電流平均值單相橋式半控整流電路-阻感負載基本數量關系：4）晶閘管電流有效值5）變壓器二次側電流有效值單相橋式半控整流電路-阻感負載表3-10單相橋式半控整流電路帶大電感負載時各區(qū)間工作情況ωtα～ππ～π+απ+α～2π2π～2π+α晶閘管導通情況VT1導通，VT3截止VT1截止，VT3導通二極管導通情況VD2截止，VD4導通VD2導通，VD4截止VD2導通，VD4截止VD2截止，VD4導通udu20-u20idIdi2+Id0-Id0uVTuVT1=0uVT3=-u2uVT1=0uVT3=-u2uVT1=u2uVT3=0uVT1=u2uVT3=0iVTiVT1=IdiVT3=0iVT1=IdiVT3=0iVT1=0iVT3=IdiVT1=

0iVT3=IdiVDiVD2=

0iVD4=IdiVD2=Id

iVD4=0iVD2=IdiVD4=

0

iVD2=0iVD4=Id

單相橋式半控整流電路-阻感負載RudidabVT1VT3VD2VD4u2i2LVDR整流電壓平均值與電阻負載時相同。單相橋式半控整流電路-阻感負載(帶續(xù)流二極管)1）直流輸出電壓平均值2）直流輸出電流平均值3）晶閘管和整流二極管電流平均值單相橋式半控整流電路-阻感負載(帶續(xù)流二極管)4）晶閘管和整流二極管電流有效值

5）續(xù)流二極管電流平均值

6）續(xù)流二極管電流有效值7）變壓器二次側電流有效值單相橋式半控整流電路-阻感負載(帶續(xù)流二極管)

例單相半控橋式整流電路（帶續(xù)流二極管），阻感負載，R=5Ω，U2=220V，α=60°。求流過晶閘管、整流二極管和續(xù)流二極管的電流平均值與有效值。解(1)整流電壓平均值(2)負載電流平均值(3)晶閘管和整流二極管每周期的導電角單相橋式半控整流電路-阻感負載(帶續(xù)流二極管)單相橋式半控整流電路-阻感負載(帶續(xù)流二極管)3.3三相半波可控整流電路

單相可控整流電路元件少，線路簡單，但其輸出電壓的脈動較大，同時由于單相供電，引起三相電網不平衡，故僅適用于小容量設備。當設備容量較大，要求輸出電壓脈動較小時，則多采用三相可控整流電路。三相可控整流電路有三相半波可控整流電路、三相橋式可控整流電路等多種形式。其中三相半波可控電路是多相整流電路的基礎，而三相橋式整流電路可以看作三相半波可控電路不同形式的組合。根據晶閘管的接法不同，三相半波可控整流電路又可分為三相半波共陰極組電路和三相半波共陽極組電路。3.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負載3.3三相半波可控整流電路

三相半波共陰極組可控整流電路為得到零線，變壓器二次側要接成星形，而一次側接成三角形，為3次諧波電流提供通路，減少3次諧波對電網的影響。三只晶閘管陰極連接在一起，陽極分別接a、b、c三相電源，這種接法稱為共陰極接法。

以晶閘管共陰極端作為輸出電壓的正端，變壓器二次側的零線作為輸出電壓的負端，規(guī)定負載電壓的正方向為從三只晶閘管的共陰極端指向變壓器二次側的零線，負載電流的正方向與負載電壓的正方向相同。3.3.1三相半波可控整流電路-電阻負載

圖3-17三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負載時的電路及=0時的波形

■電阻負載

?自然換相點√在相電壓的交點t1、t2、t3處，均出現(xiàn)二極管換相，稱這些交點為自然換相點?！虒⑵渥鞯钠瘘c，即=0?！倘齻€晶閘管輪流導通120

，ud波形為三個相電壓在正半周期包絡線3.3.1三相半波可控整流電路-電阻負載

圖3-17三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負載時的電路及=0時的波形

■電阻負載

?自然換相點√變壓器二次繞組電流有直流分量?！叹чl管電壓由一段管壓降和兩段線電壓組成，隨著增大，晶閘管承受的電壓中正的部分逐漸增多。3.3.1三相半波可控整流電路-電阻負載

?=30

√負載電流處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)，各相仍導電120。圖3-18三相半波可控整流電路，電阻負載，=30時的波形3.3.1三相半波可控整流電路-電阻負載

圖3-18三相半波可控整流電路，電阻負載，=60時的波形?>30

√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。

√負載電流斷續(xù)，各晶閘管導通角小于120。

3.3.1三相半波可控整流電路-電阻負載

?電阻負載時角的移相范圍為150。

?整流電壓平均值

√≤30時，負載電流連續(xù)，有

當=0時，Ud最大，為Ud=Ud0=1.17U2。

(3-52)3.3.1三相半波可控整流電路-電阻負載

?整流電壓平均值

√>30時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時有(3-53)2）直流輸出電流平均值3）晶閘管電流平均值4）晶閘管電流有效值α>30°時α≤30°時3.3.1三相半波可控整流電路-電阻負載

基本數量關系：5）晶閘管承受的最大正、反向電壓UTM

晶閘管承受的最大正向電壓是變壓器二次相電壓的峰值，

晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器二次線電壓的峰值

在選擇晶閘管的額定電壓時，應根據晶閘管實際承受的最大反向電壓進行計算， 。 3.3.1三相半波可控整流電路-電阻負載

3.3.2三相半波可控整流電路-阻感負載?≤30時整流電壓波形與電阻負載相同。圖3-18三相半波可控整流電路，阻感負載，=30時的波形3.3.2三相半波可控整流電路-阻感負載

■阻感負載?L值很大，整流電流id的波形基本是平直的，流過晶閘管的電流接近矩形波。

圖3-19阻感負載時的電路及=60時的波形α=60°表3-14三相半波共陰極組可控整流電路，帶阻感性負載時各區(qū)間工作情況ωtπ/6+α～5π/6+α5π/6+α～3π/2+α3π/2+α～13π/6+α晶閘管導通情況VT1導通，VT2、3截止VT2導通，VT1、3截止VT3導通，VT1、2截止uduaubucuVT10uabuacUdid近似為水平直線，Id=Ud/R晶閘管電流的有效值IVT3.3.2三相半波可控整流電路-阻感負載

1）直流輸出電壓平均值

輸出電壓ud波形連續(xù)，當α=90°時，輸出電壓為零。因此，三相半波可控整流電路，帶阻感性負載時，觸發(fā)角α的移相范圍是90°。2）直流輸出電流平均值3.3.2三相半波可控整流電路-阻感負載

3）晶閘管電流平均值4）晶閘管及變壓器二次電流有效值

選擇晶閘管的額定電流應按有效值相等的原則選取，不考慮安全裕量時考慮安全裕量時3.3.2三相半波可控整流電路-阻感負載

5）晶閘管承受的最大正、反向電壓UTM變壓器二次線電壓的峰值， 選擇晶閘管的額定電壓時，還要考慮2~3倍的安全裕量。3.3.3三相半波共陰極組可控整流電路-反電動勢負載

當負載為蓄電池或直流電動機的電樞時，負載可看成是一個直流電壓源，對于整流電路而言，它們就是反電動勢負載。

設反電動勢為E，在交流電源與反電動勢負載的串聯(lián)電路中，只有在u2>E時，晶閘管才開始真正承受正電壓，才有觸發(fā)導通的可能。晶閘管觸發(fā)導通之后，ud=u2，。abcRudidVT1VT2VT3udiduaubucOwtOwtaEEdwt1dO3.3.3三相半波共陰極組可控整流電路-反電動勢負載

與電阻負載時相比，晶閘管提前電角度停止導電，稱為停止導電角。不難看出，在α角相同時，帶反電動勢電阻負載的電路，整流輸出電壓平均值比帶電阻性負載時大。

在α＜時觸發(fā)晶閘管VT1，由于此時ua＜E，VT1承受反壓不能導通。為了使晶閘管能可靠導通，觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度，保證當t=時刻晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當于觸發(fā)角被推遲到角。例題三相半波整流電路向大電感性負載供電，已知U2=220V，R=11.7。計算=60o時負載電流Id、晶閘管電流IT、變壓器副邊電流i2的平均值和有效值。改為電阻負載，重復上述計算。1、對于大電感負載例題三相半波整流電路向大電感性負載供電，已知U2=220V，R=11.7。計算=60o時負載電流Id、晶閘管電流IT、變壓器副邊電流i2的平均值和有效值。改為電阻負載，重復上述計算。

2、對于電阻負載例題在三相半波整流電路中，如果u相的觸發(fā)脈沖消失，試繪出在電阻性負載和電感性負載下的整流電壓波形。設=30°。

例題圖a是兩相零式可控整流電路，電阻負載，由三相交流電源中的u、v兩相供電。設ωt=0°時，α=0°。1)畫出晶閘管控制角

=0°和

=60°時輸出電壓ud的波形；2)求晶閘管的移相范圍；3)Ud的最大值Udmax是多少？4)推導出輸出電壓平均值Ud的計算公式。(2)晶閘管的移相范圍0300o；0150o時150o

300o時當=0o時例題．現(xiàn)有單相半波、單相橋式、三相半波三種電路，負載電流Id都是40A，問串在晶閘管中的熔斷器電流分別為多大？答：單相半波時，流過熔斷器電流為正弦半波，IdVT=Id=40A，IVT=1.57IdVT

=62.8A，所以熔斷器電流按有效值選為62.8A。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uGuduVTaq0b)c)d)e)00例題．現(xiàn)有單相半波、單相橋式、三相半波三種電路，負載電流Id都是40A，問串在晶閘管中的熔斷器電流分別為多大？答：單相橋式可控整流時，流過熔斷器電流為正弦半波，IdVT=Id/2=20A，IVT=1.57IdVT

=31.4A，所以熔斷器電流按有效值選為31.4A。例題．現(xiàn)有單相半波、單相橋式、三相半波三種電路，負載電流Id都是40A，問串在晶閘管中的熔斷器電流分別為多大？答：三相半波時，流過熔斷器電流如圖導通為120度，熔斷器電流按有效值選為23.47A。3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載

■原理圖

◆陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）稱為共陽極組。

◆共陰極組中與a，b，c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1，VT3，VT5，共陽極組中與a，b，c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4，VT6，VT2。

◆晶閘管的導通順序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。

圖3-23三相橋式全控整流電路原理圖3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載

圖3-23三相橋式全控整流電路帶電阻負載=0時的波形3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載

■帶電阻負載時的工作情況

◆電路分析?各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。?當≤60時√ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與ud波形的形狀是一樣的，也連續(xù)。

√=0時，ud為線電壓在正半周的包絡線。

時段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共陰極組中導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb表3-15三相橋式全控整流電路電阻負載=0時晶閘管工作情況3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載

圖3-24三相橋式全控整流電路帶電阻負載=30時的波形=30時，晶閘管起始導通時刻推遲了30，組成ud的每一段線電壓因此推遲30，ud平均值降低3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載

圖3-24三相橋式全控整流電路帶電阻負載=60時的波形=60時ud波形中每段線電壓的波形向后移，ud平均值降低。=60時ud出現(xiàn)了為零的點3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載

圖3-25三相橋式全控整流電路帶電阻負載=90時的波形

id與ud一致，ud降為至零id也降至零，晶閘管關斷，輸出整流電壓ud為零，ud波形不出現(xiàn)負值3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載

圖3-25三相橋式全控整流電路帶電阻負載=90時的波形

id與ud一致，ud降為至零id也降至零，晶閘管關斷，輸出整流電壓ud為零，ud波形不出現(xiàn)負值?整流輸出電壓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。?在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為確保電路的正常工作，需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖

√寬脈沖觸發(fā)：使脈沖寬度大于60（一般取80~100）

√雙脈沖觸發(fā)：用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60，脈寬一般為20~30

?！坛Ｓ玫氖请p脈沖觸發(fā)。?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、反向電壓的關系也一樣。3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載

3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載◆帶電阻負載時三相橋式全控整流電路角的移相范圍是120。

◆整流輸出電壓平均值?電阻負載≤60時

(3-65)3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載◆帶電阻負載時三相橋式全控整流電路角的移相范圍是120。

?電阻負載且>60時◆整流輸出電壓平均值?電阻負載>

60時

(3-66)3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載2）直流輸出電流平均值3）晶閘管電流平均值4）晶閘管電流有效值不考慮安全裕量時，考慮安全裕量時，3.4.1三相橋式全控整流電路-電阻負載5）變壓器二次電流有效值6）晶閘管承受的最大反向電壓UTM在選擇晶閘管的額定電壓時，應根據晶閘管實際承受的最大反向電壓進行計算，即 。若再考慮安全裕量，則UTM=(2~3)U2。7）晶閘管承受的最大正向電壓UFM

最大正向電壓為ωt1時刻的uVT1，斷流時VT1和VT2共同承擔線電壓。

三相橋式全控整流電路帶阻感負載=0時的波形3.4.2三相橋式全控整流電路-阻感負載

三相橋式全控整流電路帶阻感負載=30時的波形3.4.2三相橋式全控整流電路-阻感負載圖3-26三相橋式整流電路帶阻感負載，=90時的波形3.4.2三相橋式全控整流電路-阻感負載1)直流輸出電壓平均值α=0°時，Ud=Ud0=2.34U2；α=90°時，Ud=0，輸出電壓為零。因此，三相橋式全控整流電路，帶阻感性負載時，觸發(fā)角α的移相范圍是90°。3.4.2三相橋式全控整流電路-阻感負載6）晶閘管承受的最大正、反向電壓UTM其余與帶電阻性負載時一樣。(3-80)(3-81)(3-74)3.4.2三相橋式全控整流電路-阻感負載2）直流輸出電流平均值3）晶閘管電流平均值4）晶閘管電流有效值不考慮安全裕量時，考慮安全裕量時，3.4.2三相橋式全控整流電路-阻感負載三相橋式全控整流電路帶阻感性負載具有如下特點：1）任何時候只有共陰組和共陽極組各有一只元件同時導通時，才能形成電流通路。2）同一相的晶閘管相位相差180o。每只晶閘管的導通角是120o。3）輸出電壓ud由六段線電壓組成，依次為uab、uac、ubc、uba、uca、ucb，輸出線電壓波形每周期脈動六次，脈動頻率為6f=300Hz。

4）三相橋式全控整流電路晶閘管兩端的電壓波形與三相半波整流電路相同，只與晶閘管導通情況有關，它由3段組成：一段為零，一段為本相與后一相的線電壓，另一段為本相與前一相的線電壓。晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同。5）變壓器二次繞組流過正、負兩個方向的電流，消除了變壓器的直流磁化，提高了變壓器的利用率。3.5.1三相橋式半控整流電路-電阻負載=30°3.5.1三相橋式半控整流電路-電阻負載=60°3.5.1三相橋式半控整流電路-電阻負載=90°3.5.1三相橋式半控整流電路-電阻負載

?共陽極組的三只整流二極管總是在自然換流點換流，使電流換到陰極電位更低的一相中去，共陽極組始終輸出最大電壓Ud2；

?共陰極組的三只晶閘管則要在觸發(fā)后才能換到陽極電位更高的那一相中去。

?輸出整流電壓的波形是兩組整流電壓波形之和。改變共陰極組晶閘管的控制角α，可獲得0~2.34U2的直流可調電壓Ud

。

?

α=0°時，共陰極組輸出最大電壓，輸出電壓波形與三相橋式全控電路一樣，Ud=Ud1-Ud2=2.34U2。3.5.1三相橋式半控整流電路-電阻負載?

α=60°時，ud波形只剩下3個波頭，臨界連續(xù)。α>60°時，ud波形出現(xiàn)斷續(xù)。?三相橋式半控整流電路與單相橋式半控整流電路一樣，橋路內部的二極管具有提供電感續(xù)流通路的作用，因此在帶阻感性負載時，輸出電壓ud的波形和平均電壓值Ud與帶電阻性負載時一樣，不會出現(xiàn)負半波電壓。?為了避免失控現(xiàn)象現(xiàn)象的發(fā)生，在三相橋式半控整流電路帶電感性負載時，必須并聯(lián)續(xù)流二極管。

例題：三相橋式全控整流電路，大電感性負載，變壓器副邊線電壓U2l=380V，負載電阻RΣ=11.7Ω，控制角

=60°。計算輸出電壓平均值Ud，負載電流平均值Id、晶閘管電流IdT、IT，變壓器副邊電流i2的有效值I2。例題：在三相橋式全控整流電路中，電阻負載，如果有一個晶閘管不能導通，此時的整流電壓Ud波形如何？如果有一個晶閘管被擊穿而短路，其他晶閘管受什么影響？

假設VT1被擊穿而短路，則當晶閘管VT3或VT5導通時，將發(fā)生電源相間短路，使得VT3、VT5也可能分別被擊穿。

假設VT1被擊穿而短路，則當晶閘管VT3或VT5導通時，將發(fā)生電源相間短路，使得VT3、VT5也可能分別被擊穿。

假設VT1被擊穿而短路，則當晶閘管VT3或VT5導通時，將發(fā)生電源相間短路，使得VT3、VT5也可能分別被擊穿。3.6變壓器漏感對整流電路的影響■變壓器漏感

◆實際上變壓器繞組總有漏感，該漏感可用一個集中的電感LB表示，并將其折算到變壓器二次側。

◆由于電感對電流的變化起阻礙作用，電感電流不能突變，因此換相過程不能瞬間完成，而是會持續(xù)一段時間。■現(xiàn)以三相半波為例來分析，然后將其結論推廣

◆假設負載中電感很大，負載電流為水平線。

3.6變壓器漏感對整流電路的影響◆分析從VT1換相至VT2的過程

?在t1時刻之前VT1導通，t1時刻觸發(fā)VT2，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，兩相間電壓差為ub-ua，它在兩相組成的回路中產生環(huán)流ik如圖所示。

圖3-26考慮變壓器漏感時的三相半波可控整流電路及波形

3.6變壓器漏感對整流電路的影響?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。

?換相過程持續(xù)的時間用電角度表示，稱為換相重疊角。圖3-26考慮變