晶闸管可控整流电路

晶闸管可控整流电路第1页/共73页

第一节整流电路的构成原理及输出电压控制整流电路的整流原理整流电路的基本类型整流电路的换相规律负载性质对电路工作的影响分析整流电路的假设条件整流电路的基本内容第2页/共73页

整流电路的整流原理

原理：利用整流管和晶闸管的单相导电开关特性，构成输出单一的电力变换电路，从而将输入的交流电能转换为输出的直流电能。整流电路通常由整流变压器将电源电压变换为适宜的电压幅值，为负载提供需要的直流电压及合理的电压调整范围。第3页/共73页整流电路的基本类型划分依据电源相数变压器次级绕组工作制输出电压负载性质

基本类型单相三相多相半波桥式不可控可控半控电阻负载阻感负载反电动势阻容负载第4页/共73页三相半波电路a)共阴极接法b)共阳极接法据整流电路中开关元件的连接方式，可分为共阴极组接法和共阳极组接法。当整流电路中各开关元件的阴极接于一点，而阳极分别接于各相电源时，称为共阴极组接法。共阴极组接法为高通电路，输出电压极性为共阴极点为正，变压器次级中点为负。当整流电路中各开关元件的阳极接于一点，而阴极分别接于各相电源时，称为共阳极组接法。共阳极组接法为低通电路，输出电压极性为共阳极点为负，变压器次级中点为正。第5页/共73页

对于ｎ相半波整流电路而言，共有ｎ条整流工作回路，各回路中均含有一个开关元件。ｎ条整流工作回路的电源电压有一定的相序，相邻两条整流工作回路的电源电压相位差均为1．半波整流电路

各条工作回路将依电源电压的相序，周期性切换工作，回路轮流工作，其切换过程称为换相。如图所示，三相半波可控整流电路含有3条整流工作回路，电源电压分别为：第6页/共73页２．桥式整流电路

半波整流电路的电源变压器次级绕组只通过单方向电流，变压器利用率低，且有的电路存在直流磁势，造成铁芯直流磁化。利用开关器件的单向导电开关特性可构成整流桥，整流桥按照电源电压变化规律切换整流工作回路，既可保证输出电流为单方向，又可使电源变压器次级绕组通过正反两个方向的电流。由于变压器次级绕组正负半周都工作，从而提高了变压器的利用率。整流桥含两组桥臂，一组为共阴极组接法，一组为共阳极组接法。整流电流由共阴极端流出，经负载，由共阳极端流回，构成直流电流回路。第7页/共73页整流电路的换相规律

１．对电源系统电压的要求

整流电路在工作过程中，要按照电源电压的变化规律周期性地切换整流工作回路。为保证在稳定工作状态下能均衡工作，使输出电压电流波形变化尽可能小，要求电源系统为对称的，且电压波动在一定范围之内。

2．自然换相与自然换相点

在不可控整流电路中，整流管将按电源电压变化规律自然换相，自然换相的时刻称为自然换相点。在同一接线组中，除导通的一相元件外，其他相元件均应承受反向电压。对于共阴极组接法的半波不可控整流电路而言，为高通电路，即总是相电压最高的一相元件导通。所以，自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形正半周交点，输出电压波形为电源电压波形正半周包络线。对于共阳极组接法的半波不可控整流电路而言，为低通电路，即总是相电压最低的一相元件导通。所以，自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形负半周交点，输出电压波形为电源电压波形负半周包络线。第8页/共73页

讨论负载性质对电路工作的影响

１、电阻负载

特点：电压、电流的波形形状相同

２、电感性负载（主要指电感与电阻串联的电路）

特点：负载电流不能突变，波形分为连续和不连续两种情况。

３、电容性负载（整流输出接大电容滤波）

特点：由于电容电压也不能突变，所以晶闸管刚一触发导通时，电容电压为零，相当于短路，因而就有很大的充电电流流过晶闸管。电流波形呈尖峰状。因此为了避免晶闸管遭受过大的电流上升率而损坏，一般不宜在整流输出端直接接大电容。特点：只有当输出电压大于反电动势时才有电流流通，电流波形也呈较大的脉动。

４、反电势负载（整流输出供蓄电池充电或直流电动机，即负载有反电势）第9页/共73页分析整流电路的假设条件1、假定开关元件的开关特性是理想的的开关特性（饱和压降为零，漏电流为零）2、电源变压器是理想变压器（内阻为零，漏抗为零）3、电源为理想电动势（内阻为零）

在理想条件下所得出的结论，大都适用于实际的电路。对因与假定理想

条件不符合而产生的影响，可进一步根据实际特性进行修正。第10页/共73页第二节单相可控整流电路分析2.2

单相桥式全控整流电路2.1

单相半波可控整流电路2.3

单相桥式半控整流电路第11页/共73页单相可控整流电路重点注意：主电路、工作过程及波形分析、数量关系、不同负载的影响。交流侧接单相电源几种典型的单相可控整流电路单相半波整流电路带电阻负载的工作情况带阻感负载的工作情况单相桥式全控整流电路带电阻负载的工作情况带阻感负载的工作情况单相桥式半控整流电路第12页/共73页复习相关内容：1.晶闸管的导通条件：从主回路看，SCR应承受正向阳极电压从控制回路看，应有符合要求的正向门极电流2.晶闸管的关断条件：使SCR阳极电流下降至维持电流之下，通常还要施加一定时间的反向电压。第13页/共73页2.1单相半波可控整流电路

单相半波可控整流电路是组成各种类型可控整流电路的基础，所有可控整流电路的工作回路都可等效为单相半波可控整流电路。因此，对于单相半波可控整流电路的分析是十分重要的，可作为研究各种可控整流电流的基础。单相半波可控整流电路可以为各种性质的负载供电。下面分别介绍电阻性负载和阻感性负载。第14页/共73页图3-1

单相半波可控整流电路及波形2.1单相半波可控整流电路一.电阻性负载1.主电路

输入为单相正弦交流电压源，经整流变压器变压，设次级电压为：2.工作过程及波形分析：分为三个阶段(1)(2)(3)控制角：从SCR开始承受正向电压到开始导通的这一角度，以表示。导通角：SCR在一个周期中处于导通的电角度，以表示。第15页/共73页2.1单相半波可控整流电路3.数量关系第16页/共73页

图3-2带阻感负载的单相半波电路及其波形2.1单相半波可控整流电路1.主电路

输入为单相正弦交流电压源，经整流变压器变压，设次级电压为：2.工作过程及波形分析：分为三个阶段(1)(2)(3)二.阻感负载第17页/共73页电力电子电路的一种基本分析方法

通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算。对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路。图3-3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2.1单相半波可控整流电路第18页/共73页当VT处于通态时，如下方程成立：VTRLu2b)VT处于导通状态（2-2）（2-3）（2-4）初始条件：ωt=

a

，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得当ωt=θ+a

时，id=0，代入式（2-3）并整理得

其中，2.1单相半波可控整流电路第19页/共73页负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角θ的关系2.1单相半波可控整流电路若j为定值，a

越大，在u2正半周L储能越少，维持导电的能力就越弱，θ越小若a为定值，j

越大，则L贮能越多，θ越大；且j

越大，在u2负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通的时间，ud中负的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管当u2过零变负时，VDR导通，ud为零。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。续流期间ud为零，ud中不再出现负的部分。第20页/共73页图3-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形－－电流断续2.1单相半波可控整流电路1.主电路2.工作过程及波形分析有电流断续和电流连续两种情况。电流断续：L作用较小或控制角较大时，在VD续流期间，id衰减较快，等到下次触发VT时，Id已经下降到零。(1)(2)(3)第21页/共73页2.1单相半波可控整流电路电流连续：图单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形－－电流连续(1)(2)(3)第22页/共73页

数量关系2.1单相半波可控整流电路

若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有

注意事项RL负载，对触发脉冲的宽度有一定的要求。因为当用窄脉冲触发时，流过SCR的电流因有电感不能上升到SCR要求的擎住电流值，如果触发脉冲就消失了，SCR也随之恢复阻断，所以应用宽脉冲来触发，这样可以保证SCR电流上升到擎住电流值之后，即使脉冲消失，SCR仍能维持导通。第23页/共73页2.1单相半波可控整流电路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，造成变压器铁芯直流磁化。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。

第24页/共73页2.2单相桥式全控整流电路图3-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形一.

电阻性负载1.主电路2.工作过程及波形分析：分为四个阶段VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。(1)(2)(3)(4)第25页/共73页2.2单相桥式全控整流电路3.数量关系第26页/共73页2.2单相桥式全控整流电路第27页/共73页图单相全控桥带阻感负载时的电路及波形－－电流断续

2.2单相桥式全控整流电路二.

阻感性负载1.主电路2.工作过程及波形分析根据L作用不同，有电流断续和电流连续两种情况。电流断续：L作用较小，(1)(2)(3)(4)(5)(6)第28页/共73页2.2单相桥式全控整流电路3.数量关系第29页/共73页2.2单相桥式全控整流电路图单相全控桥带阻感负载时的电路及波形－－电流连续

电流连续：(1)(2)(3)(4)(5)第30页/共73页2.2单相桥式全控整流电路数量关系图单相全控桥带阻感负载时的电路及波形－－电流连续，电感很大

第31页/共73页图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2.2单相桥式全控整流电路三.

反电动势负载1.主电路只有当整流输出电压大于反电动势时，晶闸管才承受正向电压，才有导通的可能。2.工作过程及波形分析：分为五个阶段(1)(2)(3)(4)(5)第32页/共73页2.2单相桥式全控整流电路3.数量关系第33页/共73页2.3单相桥式半控整流电路

图单相桥式半控整流电路，无续流二极管，阻感负载时的电路及波形半控：将全控中的VT3,VT4换成VD3,VD4；这样，VT1和VT2控制换相，VD3和VD4自然换相。VT1和VD4构成一整流回路，VT2和VD3构成一整流回路。1.主电路2.工作过程及波形分析一.阻感负载a.自然续流现象：L很大(1)(2)(3)(4)第34页/共73页2.3单相桥式半控整流电路b.失控现象及续流二极管

当控制角突然增大至180或触发脉冲丢失时，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ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，称为失控。

例如：若在运行中，VT1和VD4导通时，切除触发脉冲。当u2<0时，VD3和VD4自然换相，VT1和VD3构成自然续流回路。当u2>0时，VD4和VD3自然换相，则VT1和VD4又构成电源对负载供电的回路。这样，VT1一直导通，VD3和VD4交替导通，无法实现关断，产生失控现象。

为了防止失控的发生，必须消除自然续流现象：加续流二极管，提供一条通路。

有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，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个管压降，有利于降低损耗。应当指出，实现这一功能的条件是VDR的通态电压低于自然续流回路开关元件通态电压之和，否则不能消除自然续流现象，关断导通的晶闸管。失控工作状态的电路波形第35页/共73页2.3单相桥式半控整流电路二.阻感负载加续流二极管

图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1.主电路2.工作过程及波形分析(1)(2)(3)(4)工作过程可表示为：该电路电流波形的表示式比较复杂，在讨论有关电流的数量关系时，常以负载参数满足wL》R为条件。这时，负载电流的变化量相对于平均电流是很小的，可以认为负载电流波形是平直的。相关波形见图。第36页/共73页2.3单相桥式半控整流电路3.数量关系：第37页/共73页2.3单相桥式半控整流电路三.反电动势负载

有续流二极管，反电动势加阻感负载时的电路及波形1.主电路2.工作过程及波形分析(1)电流断续：(2)(3)电流连续：(1)(2)第38页/共73页单相可控整流电路小结：

电阻负载单相半波可控整流电路阻感负载单相可控整流电路电阻负载

(工作过程、波形、单相桥式全控整流电路阻感负载反电动势负载数量关系)

阻感负载单相桥式半控整流电路反电动势负载第39页/共73页第三节三相可控整流电路分析3.2

三相桥式全控整流电路3.1

三相半波可控整流电路3.3

三相桥式半控整流电路第40页/共73页三相可控整流电路分析对于三相对称电源系统而言，单相可控整流电路为不对称负载，可影响电源三相负载的平衡性和系统的对称性。负载容量较大时，通常采用三相或多相电源整流电路。三相或多相电源可控整流电路是三相电源系统的对称负载，输出整流电压的脉动小，控制响应快，在许多场合得到了广泛应用。三相可控整流电路电源变压器一般采用D,y或Y,d接线方式，以提供一条

3及3的倍数次谐波电流通路。对于三相半波可控整流电路而言，次级绕组必须接成星形，以获得整流电源的中性点，故通常采用D,y接线方式。第41页/共73页3.1三相半波可控整流电路图3-12三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=0时的波形

一.电阻负载1.主电路2.工作过程及波形分析自然换相点：是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管控制角a的起点，即a=0。对共阴极组接法，是相电压正半周的交点。

第42页/共73页3.数量关系：3.1三相半波可控整流电路第43页/共73页3.1三相半波可控整流电路图三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=60时的波形

第44页/共73页3.数量关系：3.1三相半波可控整流电路第45页/共73页3.1三相半波可控整流电路二.阻感负载图三相半波可控整流电路共阴极接法阻感负载时的电路及a=90，电流断续时的波形

1.主电路2.工作过程及波形分析第46页/共73页3.1三相半波可控整流电路图三相半波可控整流电路共阴极接法阻感负载时的电路及a=60，电流断续时的波形

第47页/共73页3.数量关系：电流连续时3.1三相半波可控整流电路第48页/共73页Ud/U2随a变化的规律如图3-15所示。图3-15三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1－电阻负载2－电感负载3－电阻电感负载3.1三相半波可控整流电路第49页/共73页3.2三相桥式全控整流电路一.工作规律及触发方式图3-17三相桥式全控整流电路原理图1.主电路：由两组桥臂构成：共阴极组—阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1，VT3，VT5)共阳极组—阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4，VT6，VT2)通过对两组桥臂晶闸管的有序控制，可构成对负载供电的6条整流回路。每一整流回路中含有2只晶闸管，1只为共阴极组的某相元件，另一只则应为共阳极组的另一相元件。各整流回路的交流电源电压为两相元件所在相间的线电压，等值电路和单相半波可控整流电路相同。6条整流回路的构成如下时段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压uduabuacubcubaucaucb第50页/共73页2.触发方式：3.2三相桥式全控整流电路按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。需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲。可采用两种方法：一种是宽脉冲触发；另一种是双窄脉冲触发。宽脉冲触发方式：触发脉冲的宽度大于60,一般取为80～120。因为相邻编号两元件的自然换相点间的时间间隔为60，所以触发某一号元件时，前一号元件的触发脉冲尚未结束。这样，就可以保证各整流回路中两个晶闸管元件同时具有触发脉冲，并具有足够的脉冲宽度。双窄脉冲触发方式：顺序触发某一号元件的同时，为其前一号元件再补发一个触发脉冲，以保证整流回路两元件同时具有触发脉冲。这种触发方式每一晶闸管在一个周期内有两个时间间隔为60的脉冲，故称为双窄脉冲触发方式。第51页/共73页3.2三相桥式全控整流电路二.电阻负载电阻负载a=0时的波形1.主电路2.工作过程及波形分析自然换相点：在相电压波形图上，由相电压交点确定了6只晶闸管的自然换相点。在线电压波形图上，由线电压正半波交点也可以确定6条整流回路中编号与其序号相同的晶闸管的自然换相点。

第52页/共73页3.2三相桥式全控整流电路电阻负载a=30时的波形电阻负载a=60时的波形第53页/共73页3.2三相桥式全控整流电路电阻负载a=90时的波形对导通的整流回路而言，当交流电源电压过零时，负载电流为零，整流回路的晶闸管自然关断。电路出现6只晶闸管全为阻断工作状态。

电流断续：第54页/共73页3.2三相桥式全控整流电路3.数量关系：第55页/共73页3.2三相桥式全控整流电路三.阻感负载阻感负载a=90时的波形1.主电路2.工作过程及波形分析

第56页/共73页3.2三相桥式全控整流电路3.数量关系：第57页/共73页第五节交流电源回路电感效应

前面在讨论整流电路工作过程和数量关系时,认为换流是瞬间完成的，忽略了交流电源回路的电感。但是，实际交流回路中总要存在一定的电感，如输电线路的自感，变压器的漏感，专门附加的电感等。在分析其影响时，通常用一个接于变压器出口的等效集中电感表示。由于交流电源回路电感的作用，整流电路的换相不能瞬间完成，存在一个换相过程。各种整流电路都是同一接线组元件间换相，换相过程的等效电路是相同的。现以三相半波为例进行分析，其结论推广可以推广到其它电路。第58页/共73页第五节交流电源回路电感效应一.三相半波可控整流电路图3-25考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形VT1换相至VT2的过程：因a、b两相均有漏感,故ia、ib均不能突变。ia=0，VT1关断,换流过程结束。于是VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流ikik=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，1.主电路2.换相过程及波形分析图中LS为交流电源回路总电感，在无附加电感的条件下，该电感主要是整流变压器的漏感LT。为简化换相过程的分析，假定换相过程负载电流为定值，并忽略回路电阻的影响。3.换相过程公式推导第59页/共73页第五节交流电源回路电感效应二.换相过程对整流电路的影响图考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路输出电压及电流的波形

换相压降—与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的数值。第60页/共73页第五节交流电源回路电感效应三.换相重叠角定义：换相过程持续的时间，用电角度g表示第61页/共73页

变压器漏抗对各种整流电路的影响电路形式单相全波单相全控桥三相半波三相全控桥m脉波整流电路①

各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算注：①单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用；

②三相桥等效为相电压等于的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按代入。第五节交流电源回路电感效应第62页/共73页变压器漏感对整流电路影响的一些结论:出现换相重叠角g

，整流输出电压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多晶闸管的di/dt减小，有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。第五节交流电源回路电感效应第63页/共73页一.逆变的概念逆变——把直流电转变成交流电，即整流的逆过程。实例：电力机车下坡行驶，机车的位能转变为电能，反送到交流电网中去逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路——交流侧和电网连结,电路将直流电逆变成交流电,反送到电网中去应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载

对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件改变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。第六节全控整流电路的有源逆变工作状态第64页/共73页二.直流发电机—电动机系统电能的转换图3-44直流发电机—电动机之间电能的转换a）两电动势同极性EG

>EMb）两电动势同极性EM>EG

c）两电动势反极性，形成短路c)b)a)MGMGMGEGEMIdR∑EGEMIdR∑EGEMIdR∑图2-44aM电动运转，EG>EM，电流Id从G流向M，M吸收电功率。图2-44b回馈制动状态，M作发电运转，此时，EM>EG，电流反向，从M流向G。故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。

图2-44c两电动势顺向串联，向电阻R供电，G和M均输出功率，由于R一般都很小，实际上形成短路，在工作中必须严防这类事故发生。第65页/共73页三.逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机图3-45

单相全波电路的整流和逆变交流电网输出电功率电动机输入电功率电动机输出电功率交流电网输入电功率

图3-45aM电动运行，全波电路工作在整流状态，

在0~/2间，Ud为正值，并且Ud>EM，才能输出Id。

图3-45bM回馈制动，由于晶闸管的单向导电性，Id方向不变，欲改变电能的输送方向，只能改变EM极性。为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM

|>|Ud

|，才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。第66页/共73页从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有二：(1)有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流平均电压。半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。逆变和整流的区别：控制角不同