第2章 整流电路1

1、浙江水利水电专科学校电气工程系电力电子技术电子教案第2章 可控整流电路浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路2目 录 引言引言2.1 2.1 单相可控整流电路单相可控整流电路 2.1.1 2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 2.1.2 2.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 2.1.3 2.1.3 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路 2.1.4 2.1.4 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路 2.2 2.2 三相可控整流电路三相可控整流电路 2.2.1 2.2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 2.2.2 2.2

2、.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路3 引 言整流电路整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电：出现最早的电力电子电路，将交流电变为大小可调的直流电，为直流用电设备供电，变为大小可调的直流电，为直流用电设备供电，如直流电机的调速、同步电机的励磁、电炉的温如直流电机的调速、同步电机的励磁、电炉的温度控制、电解及电镀电源等。度控制、电解及电镀电源等。按组成的器件可分为按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种三种按电路结构可分为按电路结构可分为桥式电路桥式电路和和零式零式电路电路按交流输入相数分为按交流输入相数

3、分为单相电路单相电路和和多相电路多相电路按控制方式可分按控制方式可分相控式相控式和和斩控式斩控式电路。电路。 浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路42.1 2.1 单相可控整流电路单相可控整流电路2.1.1 2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路S i n g l e P h a s e H a l f W a v e S i n g l e P h a s e H a l f W a v e Controlled RectifierControlled Rectifier1. 1. 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况电阻负载的特点：电阻负载的特

4、点：电压与电流电压与电流成正比，两者波形相同，电流成正比，两者波形相同，电流和电压均允许突变。如电炉、和电压均允许突变。如电炉、电焊机和白炽灯等。电焊机和白炽灯等。 TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00图2-1 单相半波可控整流电路及波形 浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路5几个概念的解释：几个概念的解释：半波半波整流整流可控可控整流整流单脉波单脉波整流整流 触发延迟角触发延迟角( (触发角或控制角触发角或控制角) ) 导通角导通角 浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路6基本数量关系

5、基本数量关系（图2-1） 1 1）直流输出电压平均值为）直流输出电压平均值为 （2-12-1） Ud的可调范围：的可调范围：0 00.450.45U2 VTVT的的 移相范围：移相范围：0 0180180 导通范围：导通范围：180180 0 0这种通过控制触发脉冲的相位来控制这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为直流输出电压大小的方式称为相位控相位控制方式制方式，简称，简称相控方式相控方式。2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU 浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路72 2）直流输出电流平均值为）直流输出电

6、流平均值为 （2-22-2）3 3）输出电压有效值）输出电压有效值 和电流有效值和电流有效值 （2-32-3） （2-42-4）ddUIRUI22212sin2sin224UUtdtUUIR浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路84 4）晶闸管电流有效值）晶闸管电流有效值 (2-5) (2-5) 晶闸管两端可能承受的最大正、反向电压晶闸管两端可能承受的最大正、反向电压 (2-6) (2-6)5 5）功率因数）功率因数 （2-72-7）TUIIRTM22UU2221cossin242PUIUISU IU I0 cos 0.707时最大为浙江水利水电专科学校电气工程系第第

7、2章可控整流电路章可控整流电路92. 2. 带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况阻感负载的特点：阻感负载的特点：电感对电流电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。如电机的的电流不能发生突变。如电机的励磁线圈、滑差电机的电枢线圈励磁线圈、滑差电机的电枢线圈等。等。 a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + + 图2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形 浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路10 对电路进行分段线性分析：对电路进行分段线性分析： 初始

8、条件：初始条件：t= ，id=0。求解式（求解式（2-8）并将初始条件代入可得）并将初始条件代入可得 其中其中 当当t=+ 时，时，id=0，代入式（代入式（2-92-9）并整理得并整理得tURitiLsin2dd2dd)sin(2)sin(22)(2dtZUeZUitLR22)( LRZRLarctan)sin()sin(tanea)b)VTRLVTRLu2u2图2-3 单相半波可控整流电路的分段线性等效电路 a)VT处于关断状态 b) VT处于导通状态 （2-9）（2-8）（2-11）浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路11负载阻抗角负载阻抗角 、触发角触发角a

9、、晶闸晶闸管导通角的关系可由式管导通角的关系可由式2-11得得出。出。从分析可知，阻感负载情况下，从分析可知，阻感负载情况下，输出电压平均值将有所下降。输出电压平均值将有所下降。为避免为避免Ud d太小，在整流电路的太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管。负载两端并联续流二极管。a)LTVTRu1u2uVTudVDRidu2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRiVDR图2-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路12 数量关系数量关系 若近似认为若近似认为i id

10、d为一条水平线，恒为为一条水平线，恒为I Id d。晶闸管电流平均值和有效值为：晶闸管电流平均值和有效值为： （2-122-12）（2-132-13）dTd2II2Tdd122II d( t)I 浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路13续流管的电流平均值和有效值为：续流管的电流平均值和有效值为： （2-142-14） （2-152-15）输出电压平均值为输出电压平均值为 （2-162-16） 单相半波可控整流电路的特点：单相半波可控整流电路的特点：简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，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

11、化。造成变压器铁芯直流磁化。实际上很少应用此种电路。实际上很少应用此种电路。R2IIdVDd22R1()22II dtI VDdd dd21 cos0.452UI RU浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路14举例：举例：带有续流二极管的单相半波可控整流电路，大电感负载带有续流二极管的单相半波可控整流电路，大电感负载保证电流连续。保证电流连续。U U2 2=220V=220V，R=10R=10，要求输出整流电压平均值要求输出整流电压平均值0 03030V V连续可调。连续可调。 试求控制角试求控制角，导通角导通角的变化范围，选择晶闸管定额电的变化范围，选择晶闸管定额电

12、流和电压并计算变压器次级容量。流和电压并计算变压器次级容量。 LTVTRu1u2uVTudVDRidiVDR浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路152.1.2 2.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路1. 1. 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况 工作原理及波形分析工作原理及波形分析 VTVT1 1和和VTVT4 4组成一对桥臂，在组成一对桥臂，在u u2 2正半周承受电压正半周承受电压u u2 2，得到得到触发脉冲即导通，当触发脉冲即导通，当u u2 2过零过零时关断。时关断。VTVT2 2和和VTVT3 3组成另一对桥臂，组成另一对桥臂，在在u

13、 u2 2负半周承受电压负半周承受电压- -u u2 2，得得到触发脉冲即导通，当到触发脉冲即导通，当u u2 2过过零时关断。零时关断。图2-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形 RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,4浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路16 数量关系数量关系直流输出电压平均值和电流平均值：直流输出电压平均值和电流平均值： （2-17）a 角的移相范围为角的移相范围为0180 ，导通角，导通角 -。输出电压有效值和电流有效值：输出电压有效值和电流有效值： （2-18）

14、 （2-19） 2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUUddUIR 222112sindsin22UUttUUIR浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路17 晶闸管电流的平均值和有效值：晶闸管电流的平均值和有效值： 变压器二次侧电流有效值：变压器二次侧电流有效值：（2-22） 不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。 晶闸管所承受的最大峰值电压为晶闸管所承受的最大峰值电压为T12II（2-20） ( (2-21）TM22UUdTd12II2II浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可

15、控整流电路章可控整流电路182. 2. 带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况 为便于讨论，假设电路已工作于为便于讨论，假设电路已工作于稳态，稳态，id的平均值不变。的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流假设负载电感很大，负载电流id连连续且波形近似为一水平线续且波形近似为一水平线图2-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路19 输出电压平均值和电流平均值：输出电压

16、平均值和电流平均值： （2-23） 晶闸管移相范围为晶闸管移相范围为090 。 晶闸管承受的最大正反向电压均为晶闸管承受的最大正反向电压均为 。 晶闸管导通角晶闸管导通角与与a无关，均为无关，均为180 晶闸管的电流平均值和有效值：晶闸管的电流平均值和有效值： （2-24） （2-25） 变压器二次侧电流变压器二次侧电流i2的波形为正负各的波形为正负各180 的矩形波，其相位的矩形波，其相位由由a角决定，有效值角决定，有效值I2=Id。 功率因数：功率因数： cos9 . 0cos22)( dsin21222dUUttUUdTd12IIddT707. 021III22UddRUI dddd22

17、222cos0 9cosPU IUP.SU IU IU浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路203. 3. 带反电动势负载时的工作情况带反电动势负载时的工作情况 在在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，时，才有晶闸管承受正电压， 有导通的可能。有导通的可能。 导通之后，导通之后，ud=u2，i id d=(=(u ud d- -E E)/)/R R ，直至直至|u2|=E，id即降至即降至0 0使得晶闸管关断，此使得晶闸管关断，此后后u ud d= =E E。 与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度度停止导电，停止导电，称为称为停止导电

18、角停止导电角。 （2-26） 在在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。时大。图2-7 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 212sinUE a)b)REidudidOEudtIdOt OEtTu22U22uE22uE2u22uE浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路21如如图2-7b所示所示i id d波形在一周期内有部分时间为波形在一周期内有部分时间为0 0的的情况，称为情况，称为电流断续电流断续。与此对应，若。与此对应，若i id d波形不出波形不出现为现为0 0的情况，称为的情况，称为电流连续电流连续。当时

19、，触发脉冲。当时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当保证当wt=d时刻晶闸管开始承受正电压时，触发时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为d。 负载为直流电动机时，如果出现电流断续则由于负载为直流电动机时，如果出现电流断续则由于换向电流大，容易产生火化，电动机将振动厉害，换向电流大，容易产生火化，电动机将振动厉害，而且机械特性将很软。而且机械特性将很软。 浙江水利水电专科学

20、校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路22为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个侧串联一个平波电抗器平波电抗器，用来减少电流的脉，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间动和延长晶闸管导通的时间这时整流电压这时整流电压u ud d的波形和负载电流的波形和负载电流i id d的波形的波形与电感负载电流连续时的波形相同，与电感负载电流连续时的波形相同， 的计的计算公式亦一样，如（算公式亦一样，如（2-232-23）式，但电流）式，但电流 的计算应按下式：的计算应按下式： （2-272-27） dIdUddUEIR浙江水利水电专科学校电气工程系

21、第第2章可控整流电路章可控整流电路23为保证电流连续所需的电感量为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出可由下式求出 （2-28）dmin23dmin21087.222IUIULOud0Eidtt =图2-8 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况I Idmindmin约电动机额定电流的约电动机额定电流的5 51010左右。左右。浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路24举例：举例：单相桥式全控整流电路大电感负载，已知单相桥式全控整流电路大电感负载，已知U2=100V，R=10，=45。（1）负载端不接续流二极管负载端不接续流二极管VDR，

22、计算输出整流电压、电计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管电流有效值。流平均值及晶闸管电流有效值。 （2）负载端接续流二极管）负载端接续流二极管VDR ，计算输出整流电压、电计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管、续流二级管电流有效值。画出流平均值及晶闸管、续流二级管电流有效值。画出ud、id、iT、iVDR、uVT及变压器次级电流及变压器次级电流i2的波形。的波形。 解：解： （1）负载端不接续流二负载端不接续流二极管极管VDR时的时的ud、id、iT波形如波形如图图2-6（b）所示。所示。浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路25u2OtOtOtudidi2b)OtO

23、tuVT1,4OtOtIdiVT2,3iVT1,4OtIdIdIddIIdRVDi（2）负载端接续流二极管负载端接续流二极管VDR 时，时， ud、id、iT、iVDR、uVT及变压器次级及变压器次级电流电流i2的波形如右图所示。的波形如右图所示。浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路262.1.3 2.1.3 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路 图2-9 单相全波可控整流电路及波形 单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。入端看均是基本一致的。 弄清单相全波与单相全控桥整流的异同。弄清单相全波与

24、单相全控桥整流的异同。 a)u1TRu2u2i1VT1VT2ududi1OOttOt1Tub)diOt1Ti222U1Tudi1Ti浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路272.1.4 2.1.4 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路 单相全控桥中，每个导单相全控桥中，每个导电回路中有电回路中有2 2个晶闸管，个晶闸管，为了对每个导电回路进为了对每个导电回路进行控制，只需行控制，只需1 1个晶闸管个晶闸管就可以了，另就可以了，另1 1个晶闸管个晶闸管可以用二极管代替，从可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此而简化整个电路。如此即成为即成为单相桥式半控整单相桥式半

25、控整流电路流电路（先不考虑（先不考虑VDVDR R）。）。 图2-10 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形 a)TabRLOb)u2i2udidVT1VT2VD3VD4VDRu2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIdIdtttttttiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路28 半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同 单相半控桥带阻感负载的情况单相半控桥带阻感负载的情况 假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态 在在

26、u2正半周，触发角正半周，触发角a处给晶闸管处给晶闸管VTVT1 1加触发脉冲，加触发脉冲，u2经经VTVT1 1和和VDVD4 4向负载供电。向负载供电。 u2过零变负时，因电感作用使电流连续，过零变负时，因电感作用使电流连续，VTVT1 1继续导通。继续导通。但因但因a点电位低于点电位低于b b点电位，使得电流从点电位，使得电流从VDVD4 4转移至转移至VDVD2 2，VDVD4 4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VTVT1 1和和VDVD2 2续流。续流。 在在u2负半周触发角负半周触发角a 时刻触发时刻触发VTVT3 3，VTVT3 3

27、导通，则向导通，则向VTVT1 1加加反压使之关断，反压使之关断，u2经经VTVT3 3和和VDVD2 2向负载供电。向负载供电。u2过零变正时，过零变正时，VDVD4 4导通，导通，VDVD2 2关断。关断。VTVT3 3和和VDVD4 4续流，续流，ud又为零。又为零。 浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路29 续流二极管的作用续流二极管的作用若无续流二极管，则当若无续流二极管，则当a 突然增大至突然增大至180180 或触发或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使二极管轮流导通的情况，

28、这使ud成为正弦半波，成为正弦半波，即半周期即半周期ud为正弦，另外半周期为正弦，另外半周期ud为零，其平均为零，其平均值保持恒定，称为值保持恒定，称为失控。失控。有续流二极管有续流二极管VDVDR R时，续流过程由时，续流过程由VDVDR R完成，晶闸完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。个管压降，有利于降低损耗。 浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路30单相桥式半控整流电路的另一种接法单相桥式半控整

29、流电路的另一种接法 相当于把相当于把图2-5a中的中的VTVT3 3和和VTVT4 4换为二换为二极管极管VDVD3 3和和VDVD4 4，这样可以省去续流二极这样可以省去续流二极管管VDVDR R，续流由续流由VDVD3 3和和VDVD4 4来实现。来实现。图图2-11 单相桥式半控整流电路的另一接法单相桥式半控整流电路的另一接法 负载Tu2VD3VD4VT1VT2浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路31举例：举例：某电感性负载采用带续流管的单相半控桥某电感性负载采用带续流管的单相半控桥式整流电路，式整流电路，如图如图2-102-10（a a）所示。已知：电感线所

30、示。已知：电感线圈的内阻圈的内阻 ，输入交流电压，输入交流电压 ，控制，控制角角 。试求晶闸管与续流管的电流平均值和。试求晶闸管与续流管的电流平均值和有效值。有效值。5R 2220UV060浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路32常用单相可控整流电路的参数比较常用单相可控整流电路的参数比较可控整流电路类型可控整流电路类型单相半波单相半波单相全波单相全波单相全控桥式单相全控桥式单相半控桥式单相半控桥式 时，直流输出电压平均值时，直流输出电压平均值 时，空载直时，空载直流输出电压平均流输出电压平均值值电阻负载或阻电阻负载或阻感负载有续流感负载有续流二极管的情况二极管的情

31、况电阻加大电感电阻加大电感- - - 时，脉动时，脉动电压电压最低脉动频率最低脉动频率f f2f2f2 2f f2 2f f脉动系数脉动系数 K Kf f1.571.570.670.670.670.670.670.67晶闸管承受的最大正、反向电压晶闸管承受的最大正、反向电压移相范围移相范围电阻负载或阻电阻负载或阻感负载有续流感负载有续流二极管的情况二极管的情况0 00 00 00 0电阻加大电感电阻加大电感不采用不采用0 0 /2/20 0 /2/2不采用不采用晶闸管最大导通角晶闸管最大导通角特点与适用场合特点与适用场合最简单，用于波最简单，用于波形要求不高的小形要求不高的小电流负载电流负载较

32、简单，用于波较简单，用于波形要求稍高的低形要求稍高的低压小电流场合压小电流场合各项整流指标好，各项整流指标好，用于波形要求较高用于波形要求较高或要求逆变的小功或要求逆变的小功率场合率场合各项整流指标较好，各项整流指标较好，用于不可逆的小功用于不可逆的小功率场合率场合000dU20.45U20.9U20.9U20.9U0001 cos2dU01 cos2dU01 cos2dU01 cos2dU0cosdU0cosdU0022U22U22U22 2U浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路33图2-1 单相半波可控整流电路及波形TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00 返回返回 浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可控整流电路34图2-2 带阻感负载的单相半波电路及其波形 a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + + 返回返回 浙江水利水电专科学校电气工程系第第2章可控整流电路章可