电子电力技术课件-2

本章主要内容整流器的结构形式、工作原理，分析整流器的工作波形，整流器各参数的数学关系和设计方法;整流器工作在逆变状态时的工作原理、工作波形。变压器漏抗对整流器的影响、整流电路相位控制的实现。第3章整流电路1第3章整流电路·引言整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。23.1单相可控整流电路

3.1.1单相半波可控整流电路

3.1.2单相桥式全控整流电路

3.1.3单相全波可控整流电路

3.1.4单相桥式半控整流电路33.1.1单相半波可控整流电路1）带电阻负载的工作情况电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同并且同相位，电流可以突变。单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)

在实际应用中，某些负载基本上是电阻性的，如电阻加热炉、电解和电镀等。4图3-1

单相半波可控整流电路及波形wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)005变压器T起变换电压和隔离的作用，在电源电压正半波，晶闸管承受正向电压，在ωt=α处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上的电压等于变压器输出电压u2。在ωt=π时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。在电源电压负半波，uAK＜0，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有输出电压，直到电源电压u2的下一周期，直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。63.1.1单相半波可控整流电路

首先，引入两个重要的基本概念：触发角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示，θ

=π-a

。基本数量关系移相与移相范围

移相是指改变触发脉冲ug出现的时刻，即改变控制角α的大小。移相范围是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压(平均值)的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是0～180º。波形图7图3-1

单相半波可控整流电路及波形wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)008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相位控制方式，简称相控方式。

通过改变触发角α的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然α=180º时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。晶闸管承受的最大正反向电压是相电压U2的峰值。9直流输出电压平均值为(2-1)电流平均值:电压有效值U：电流有效值I：电流波形系数103.1.1单相半波可控整流电路2)带阻感负载的工作情况阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电势，感应电势对负载电流的变化有阻止作用，使得负载电流不能突变。当电流增大时，电感吸收能量储能，电感的感应电势阻止电流增大；当电流减小时，电感释放出能量，感应电势阻止电流的减小，输出电压、电流有相位差。113.1.1单相半波可控整流电路

图3-2

带阻感负载的单相半波电路及其波形wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++TVTa)u1u2uVTudidRL123.1.1单相半波可控整流电路在ωt=0到α期间，晶闸管阳极和阴极之间的电压uAK大于零，但晶闸管门极没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等于零。在ωt=α时，门极有触发信号，晶闸管被触发导通，负载电压ud=u2。当ωt=π时，交流电压u2过零，由于有电感电势的存在，晶闸管的电压uAK仍大于零，晶闸管会继续导通，电感的储能全部释放完后，晶闸管在u2反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周。从Ud的波形可以看出，由于电感负载的存在，电源电压由正到负过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；当大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零，则id也很小。所以，实际的大电感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。转波形133.1.1单相半波可控整流电路续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图3-4

单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。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。电源电压正半波u2＞0，晶闸管电压uAK＞0。在ωt=α处触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流，续流二极管VDR承受反向电压而处于断态。14由以上分析可以看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同为0～180º，且有α+θ=180º。电源电压负半波u2＜0，通过续流二极管VDR使晶闸管承受反向电压而关断。电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，负载两端的电压仅为续流二极管的管压降。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续。15

数量关系(id近似恒为Id）（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）晶闸管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值。续流二极管承受的最大反向电压也是晶闸管的电流平均值晶闸管的电流有效值续流二极管的电流平均值续流二极管的电流有效值u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)163.1.1单相半波可控整流电路VT的a移相范围为180

。单相半波可控整流器的优点：电路简单，调整方便，容易实现。缺点：但整流电压脉动大，每周期脉动一次。变压器二次侧流过单方向的电流，存在直流磁化、利用率低的问题，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面，这样就导致设备容量增大。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。

单相半波可控整流电路(阻感时带续流二极管)的特点17直流磁化：磁化曲线是1,3象限对称的，变压器通过的是交变的正弦交流电，电流也是正负交变的，电流形成的磁场既有正，也有负，中心点落在原点上。这里变压器提供的电流是正的，只能工作在第1象限，铁心的第3象限没有利用，电流工作在偏离到1象限，使铁心容易饱和，直流磁化对铁心不利，铁心为了不饱和，要做的比较大，不能充分利用。结论：电流不对称，存在直流磁化问题183.1.2单相桥式全控整流电路1)带电阻负载的工作情况a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-5

单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析在u2正半波，在0～α区间由于没有触发脉冲都不导通，uAK1，4=1/2u2。在ωt=α处触发，晶闸管VT1、VT4承受u2正向电压导通，电流沿a→VT1→R→VT4→b流通，此时负载上输出电压ud=u2。电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，处于关断状态，到ωt=π时，因电源电压过零，晶闸管VT1、VT4阳极电流也下降为零而关断。电路结构19在电源电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，在π～π+α区间，uAK2，3=1/2u2，在ωt=π+α处触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿b→VT3→R→VT2→a流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压ud=-u2。此时电源电压反向施加到晶闸管VT1、VT4上，使其处于关断状态。到ωt=2π，电源电压再次过零，VT2、VT3阳极电流也下降为零而关断。a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图2-5

单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形20由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在u2一个周期内整流电压波形脉动2次，脉动次数多于半波整流电路，属于双脉波整流电路。负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，从而使直流输出电压、电流的脉动程度较前述单相半波得到了改善。变压器二次绕组在正、负半周内均有大小相等、方向相反的电流流过，波形对称平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。晶闸管承受最大反向电压Um是相电压峰值晶闸管承受最大正向电压是u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-5

单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形213.1.2单相桥式全控整流电路数量关系（3-9）a角的移相范围为180

。向负载输出的平均电流值为：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：（3-11）(3-10)pwtwtwt000i2udidb)c)d)aauVT1,4输出电压平均值Ud为:22流过晶闸管的电流有效值：变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由式（3-12）和式（3-13）得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2，S是视在功率。（3-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4（3-12）（3-13）233.1.2单相桥式全控整流电路2）带阻感负载的工作情况

u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图3-6

单相全控桥带阻感负载时的电路及波形假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。在电源电压正半波，在ωt=α处触发晶闸管VT1、VT4，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，元件导通，电流沿a→VT1→L→R→VT4→b流通，此时负载上电压ud=u2。此时电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反向阳极电压而处于关断状态。当ωt=π时，电源电压过零，电感感应电势使晶闸管继续导通。24在电源电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，但没有触发脉冲而不导通；在ωt=π+α处触发晶闸管VT2、VT3元件导通，电流沿b→VT3→L→R→VT2→a流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压ud=-u2。此时VT1、VT4承受反向电压由导通状态变为关断状态。晶闸管VT2、VT3一直导通到下一周期ωt=2π+α处再次触发晶闸管VT1、VT4为止2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,425VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4（3-15）晶闸管移相范围为90

。

数量关系输出电压平均值Ud263.1.2单相桥式全控整流电路晶闸管导通角θ与a无关，均为180

。电流的平均值和有效值：变压器二次侧电流i2的波形为正负各180

的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。晶闸管承受的最大正反向电压均为。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4273.1.2单相桥式全控整流电路3）带反电动势负载时的工作情况图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在|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。导通之后，

ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。b)idOEudwtIdOwtaqd与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角，（3-16）283.1.2单相桥式全控整流电路当α

<d时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。图3-7b单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的波形电流断续触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=d时刻有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d。如图3-7b所示id波形所示：电流连续b)uidOEdwtIdOwtαqdd293.1.2单相桥式全控整流电路负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：（3-17）图3-8

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twwOud0Eidtpdaq=p30例3-1：单相桥式全控整流电路，U2=100v,负载R=2Ω，L值极大，反电动势E=60v，当a=30◦，要求：

1）作出ud,id,i2波形

2）求整流输出平均电压Ud，电流Id，变压器二次侧电流有效值I2

3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。3）晶闸管承受的最大反向电压2OwtOwtudidi2OwtuIdIdId每个晶闸管电流有效值晶闸管的额定电压晶闸管的额定电流1）波形如图所示;2)晶闸管的额定电压，电流具体数值参见手册313.1.3单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路（SinglePhaseFullWaveControlledRectifier)，又称单相双半波可控整流电路。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。变压器不存在直流磁化的问题。图3-10

单相全波可控整流电路及波形a)wtwab)udi1OOt323.1.3单相全波可控整流电路单相全波与单相全控桥的区别：单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。333.1.4单相桥式半控整流电路电路结构

单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。32343.1.4单相桥式半控整流电路单相半控桥带阻感负载的情况在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。

u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。在u2负半周触发角a