电力电子技术（第2版）课件 第5、6章 交流-直流变换技术、交流交流变流电路

5.1单相可控整流电路5.2三相可控整流电路5.3相控整流电路分析5.4整流电路的有源逆变工作状态5.5电容滤波的不可控整流电路5.6电压型单相PWM整流电路5.7电压型三相PWM整流电路本章小结1第5章整流电路2引言交流-直流（AC-DC）变换是把交流电变换为直流电的变流过程，这个过程称为整流。由二极管作为整流元件所获得的直流电压值是固定的，这种变流方式称为不可控整流。如果采用晶闸管作为整流元件，控制输出整流电压的大小，这种变流称为可控整流。通过PWM整流的方式将交流电变换为直流电，称为PWM整流。整流电路应用十分广泛。35.1单相可控整流电路5.1.1单相桥式全控整流电路5.1.2单相全波可控整流电路5.1.3其它单相可控整流电路45.1.1单相桥式全控整流电路1．电阻性负载(1)工作原理电路分析VT1和VT4同开同断，VT2和VT3同开同断。整流变压器TR，u1为初级电压，u2次级电压，

U2有效值，Ud平均值，R负载电阻图5-1单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形a）电路

55.1.1单相桥式全控整流电路波形分析0≤ωt<α阶段。u2正半周，若4个晶闸管均不导通VT1、VT4串联，各承受二分之一u2，ud

id为零。图5-1单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形65.1.1单相桥式全控整流电路α≤ωt<

π阶段。在

处给VT1和VT4触发导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回b端,ud

=u2，uT1=0。π≤ωt<π+α阶段。当u2过零时，VT1和VT4关断，各承受二分之一u2，ud

id为零。图5-1单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形π+α≤ωt<2π阶段。在触发角π+

处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，ud

=-u2，uT1=u2

。承受最大反向电压为√͞2U2

,最大正向电压为√͞2U2/2。75.1.1单相桥式全控整流电路图5-1单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形图5-1单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形8几个名词术语和概念1）控制角α：从晶闸管承受正向电压起到加触发脉冲使其导通为止，这段时间所对应的角度。2）导通角θ：晶闸管在一个周期内导通的时间所对应的角度．在该电路中，θ

=π-α。3）移相：改变α角的大小，称为移相。4）移相范围：使输出整流电压平均值从最大值降到最小值，控制角α的变化范围即触发脉冲移动范围。5）同步。使触发脉冲与可控整流电路的电源电压之间保持频率和相位的协调关系称为同步。5.1.1单相桥式全控整流电路9(2)基本数量关系整流电压平均值为:

α角的移相范围为180

。输出直流电压有效值为：

(5-1)5.1.1单相桥式全控整流电路(5-3)(5-2)10向负载输出的直流电流平均值为:

流过晶闸管的电流平均值：

流过晶闸管的电流有效值为：(5-4)5.1.1单相桥式全控整流电路(5-5)(5-6)11变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为:电路的功率因数不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2=U1I1。(5-7)5.1.1单相桥式全控整流电路(5-8)12例题5-1：单相桥式全控整流电路，电阻性负载，要求电路输出的直流平均电压从30~150V连续可调，负载平均电流Id均能达到15A，考虑最小控制角αmin=30O。试计算晶闸管导通角的变化范围，并选择晶闸管。解：由题意，αmin=30O时，对应Ud最大值为150V，由式（5-1）计算出变压器次级电压有效值

α值越大Ud越小在Ud=30V时，求出最大控制角，将α值代入式（5-1）

α

=129O时，晶闸管导通角的变化范围为30O～129O5.1.1单相桥式全控整流电路13根据式（5-4）Id

=

Ud/R，Ud=30V时，电路仍能输出15A电流，负载电阻R=2Ω，当Ud=150V时，负载电流为75A，则控制角αmin=30O则据式（5-6），晶闸管的电流有效值为考虑晶闸管有效值与通态平均电流的1.57倍关系以及考虑电流安全裕量1.5~2倍，则

考虑晶闸管电压安全裕量2~3倍，则晶闸管额定电压根据上述数值选取晶闸管型号。5.1.1单相桥式全控整流电路14图5-2单相全控桥带阻感负载时的电路及波形2．电感性负载

(1)工作原理电路分析电路如图5-2a），负载为L、R。5.1.1单相桥式全控整流电路电感量L较小时的工作情况

触发角

处给VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2，id从零上升。当id经过最大值下降时，电感释放能量，i2=

id为正值，uT1,4=0。15图5-2单相全控桥带阻感负载时的电路及波形波形见图5-2b)。当u2降到零过π变负时，id负载电感释放能量，id大于零，VT1和VT4继续导通，ud=u2为负值。该段波形如图5-2b)。5.1.1单相桥式全控整流电路16图5-2单相全控桥带阻感负载时的电路及波形电感量L较小时，电流id下降到零，id波形出现断续，晶闸管全部关断，承受电压为u2

/2。5.1.1单相桥式全控整流电路17

t=

+

时刻，触发VT2和VT3导通，id上升，i2=-

id为负值，uT1,4=

u2

。电感作用，

t=2

时VT2和VT3继续导通。直到电流id下降到零，断续，晶闸管全部关断，各晶闸管承受电压为u2

/2。5.1.1单相桥式全控整流电路图5-2单相全控桥带阻感负载时的电路及波形18图5-2电流连续时波形电感量L较大时的情况触发角

处VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。负载电感很大，id近似为一条水平线。i2=

id为正值，uT1,4=

0。u2过零变负时，电感的作用使VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断，ud出现负值。5.1.1单相桥式全控整流电路19图5-2电流连续时波形

t=

+

时刻，VT1和VT4中仍流过电流id，此时VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，此过程称为换相，亦称换流。ud=-

u2，i2=-

id为负值，uT1,4=

u2

。之后与前面重复。5.1.1单相桥式全控整流电路20(2)基本数量关系电流连续时，晶闸管导通角θ与α无关，均为180°，负载电流id为连续的波形。整流电压平均值为：

控制角移相范围为90

。

电流平均值

(5-9)5.1.1单相桥式全控整流电路(5-10)21晶闸管电流平均值和有效值分别为变压器二次侧电流i2有效值I2=Id电路的功率因数不考虑损耗时，变压器的容量5.1.1单相桥式全控整流电路（5-11）（5-12）（5-13）(5-14)225.1.1单相桥式全控整流电路图5-3电流断续时波形3．反电势电阻负载

(1)工作原理电路分析。负载电势E和电阻R，电势极性如图5-3。

工作原理

|u2|>E时，晶闸管承受正电压，才有导通可能。导通后，ud=u2，直至|u2|=E，id即降至0，此后ud=E。ɛa称停止导电角。波形如图表示。23(2)数值关系停止导电角输出整流电压平均值：

晶闸管导通后，根据电压平衡关系,负载电流为：整流电流平均值5.1.1单相桥式全控整流电路(5-16)(5-17)(5-15)(5-18)244.反电势阻感负载一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器使电流连续。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：而连续时，晶闸管每次导通180

，其它参数（包括ud）的计算式子与电感性负载相同，ud和id的理想波形也一样。5.1.1单相桥式全控整流电路(5-19)(5-20)25例题5-2：单相桥式全控整流电路，输入交流侧电压

U2=110V，，负载中电阻R=3Ω，电感L值极大，反电势E=48V，当控制角α=30°时，求：1）画出输出整流电压ud、电流id和整流变压器二次侧电流i2的波形；2）计算整流输出平均电压Ud、电流Id和整流变压器二次侧电流有效值

I2

；5.1.1单相桥式全控整流电路3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：1）输出整流电压ud、电流id和i2的波形如图5-4。图5-4例题5-2单相桥式全控整流电路波形图262）整流输出平均电压Ud、电流Id和I2分别为3）晶闸管承受的最大反向电压为流过每个晶闸管的电流的有效值为故晶闸管的额定电压为晶闸管的额定电流为晶闸管额定电压和电流的具体数值可按产品系列参数选取。5.1.1单相桥式全控整流电路27图5-5单相全波可控整流带电阻负载时电路及波形一、无续流二极管的单相全波可控整流电路

1.带电阻负载时电路分析如图5-5a），变压器TR带中心抽头接负载一端。变压器次级另两端分别接晶闸管。图中晶闸管共阴极连接。

5.1.2单相全波可控整流电路a）28图5-5单相全波可控整流带电阻负载时电路及波形工作原理u2正半周α,VT1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流，路径a--VT1–R—O，ud=u2，iT1=id，uT2=2u2u2负半周α+

，VT2工作，变压器二次绕组下半部分流过反向电流.路径b–VT2–R—O，ud=-u2，iT2=id，

uT1=2u25.1.2单相全波可控整流电路a）b）29图5-5单相全波可控整流带电阻负载时电路及波形变压器也不存在直流磁化的问题。输出直流电压、电流与单相桥式全控整流电路相同。晶闸管承受的最大正向电压为√͞2U2，最大反电为

2√͞2U2，

α=0-180o，θ=180o-α5.1.2单相全波可控整流电路b）电流连续时，计算公式与单相桥式全控整流电路相同

,可以参照式（5-1）～（5-8），但此处

i2=iT

305.1.2单相全波可控整流电路2.电感性负载

电路。如图5-6a）所示。工作情况与单相桥式相同。只要在α<90°范围内，Ud均可在0~0.9U2范围内调节，波形如图5-6b）。图5-6单相全波可控整流带阻感负载时电路及波形315.1.2单相全波可控整流电路VT1导通后，由于电感L的作用，使其一直维持到电源电压为负值。待相隔180°的uG2出现时，VT2被触发导通，VT1承受反压关断，VT1与VT2进行换流，θ=180o。图5-6单相全波可控整流带阻感负载时电路及波形325.1.2单相全波可控整流电路当α=90°L极大时,ud正负面积近似相等，如图5-6c），Ud=0当α>90°时，或L不够大时，管子将提早关断，id波形断续，脉动较大，如图5-6d）。图5-6单相全波可控整流带阻感负载时电路及波形335.1.2单相全波可控整流电路数量关系晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为

√͞2U2和2√͞2U2

。当电感量极大，在α<90°内，输出直流电压有效值U、平均值Ud、平均电流Id、晶闸管电流平均值IdT、有效值IT、负载电流有效值I的计算公式均与单相桥式全控整流电路相同

变压器次级有两个绕组，次级绕组电流有效值计算公式不一样，此处有I2=IT。34二、带续流二极管的单相全波可控整流电路电路分析为了提高输出电压，消除ud负值部分，同时使输出电流更加平直，在实用中，可接续流二极管VD。如图5-7a）。图5-7带续流二极管的单相全波可控整流电路电路及波形5.1.2单相全波可控整流电路a）35工作原理当L足够大时，其波形如图5-7b）。θ=180o-α，θD=2α数值关系当L足够大时，图5-7带续流二极管的单相全波可控整流电路电路及波形5.1.2单相全波可控整流电路a）(5-21)(5-22)(5-23)(5-24)36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。5.1.2单相全波可控整流电路375.1.3其它单相可控整流电路图5-8单相半波可控整流电路a）电阻性负载b）阻感负载时带续流二极管电路

1.单相半波可控整流电路如图5-8a）为电阻性负载，在u2正半周，改变触发时刻，输出ud和id随之改变，在u2负半周，晶闸管截止。图5-8b）为阻感负载时带续流二极管的单相半波可控整流电路。整流电压ud波形与电阻负载时一致。a）b）385.1.3其它单相可控整流电路图5-8单相半波可控整流电路a）电阻性负载b）阻感负载时带续流二极管电路

在u2负半周，负载电流通过二极管续流。电路线路简单，只有1只晶闸管，调整方便，但电流脉动大。变压器副边电流只能单方向流过，造成变压器铁芯直流磁化，容量不能充分利用。

b）395.1.3其它单相可控整流电路a）阻感负载时带续流二极管电路图5-9单相桥式半控整流电路2.单相桥式半控整流电路电阻电感负载时，输出直流电压ud无负值。在晶闸管截止期间，负载电流通过VDR续流，如图5-9a），或通过VD3和VD4续流，如图5-9b)。

这接法两晶闸管阴极电位不同,二者触发电路需隔离b）阻感负载时二极管串联电路405.2三相可控整流电路5.2.1三相半波可控整流电路5.2.2三相桥式全控整流电路415.2.1三相半波可控整流电路·引言单相可控整流电路元件少，但其输出电压的脉动较大，引起三相电网不平衡，故适用小容量的设备上。当容量较大、要求输出电压脉动较小时，则多采用三相可控整流电路。三相可控整流电路有三相半波、三相桥式等多种形式。最基本的是三相半波可控整流电路。其它电路可以看作是三相半波电路不同形式的组合。425.2.1三相半波可控整流电路图5-10三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路

1.电阻负载（1）电路结构

为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。三个晶闸管按共阴极接法连接，有公共端，连线方便。负载为电阻R。见图5-10a）。435.2.1三相半波可控整流电路图5-10三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及

=0

时的波形（2）工作原理整流变压器次级绕组三相正弦波电压相互差120°的波形ua、ub、uc1）控制角的情况VT1、VT2、VT3为二极管时，在相电压的交点

t1、

t2、

t3处，均出现了二极管换相，称这些交点为自然换相点。当VT1、VT2、VT3为晶闸管时，该处α=0°。44

=0

时，三个晶闸管轮流导通120

，ud波形为三个相电压包络线。

id波形与ud类似。变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成，VT1导通时，uT1为零，b相元件VT2导通时，uT1为uab，然后uac。5.2.1三相半波可控整流电路图5-10三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及

=0

时的波形45各线电压幅值相位如图，顺序为uabuacubcubaucaucb

5.2.1三相半波可控整流电路图5-10三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及

=0

时的波形462）控制角

=30

的情况

VT1、VT2、VT3分别在

=30

被触发导通，各波形比

=0

后移了30

。见图5-11。负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120

。晶闸管电压uT1

，VT1导通时，

uT1为零，b相元件VT2导通时，uT1为uab，然后uac，注意切换时刻。图5-11三相半波可控整流电路，电阻负载，

=30

时的波形5.2.1三相半波可控整流电路473）控制角

150

>

>30

的情况（图5-12的

=60

）VT1、VT2、VT3分别在

=60

被触发导通，比

=0

后移了60

。当导通一相相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未导通，此时输出电压电流为零。负载电流断续，各晶闸管导通角小于120

。5.2.1三相半波可控整流电路图5-12三相半波可控整流电路，电阻负载，

=60

时的波形48(3)基本数量关系电阻负载时

角的移相范围为150

。

整流电压平均值

≤30

时，负载电流连续，有：

当

=0时，Ud最大，为Ud=Ud0=1.17U2。

>30

时负载电流断续，晶闸管导通角减小，则

(5-26)(5-27)5.2.1三相半波可控整流电路49

≤30

时，负载电流平均值为：150

>

>30

时负载电流平均值为：晶闸管的平均电流晶闸管承受的最大反向电压为线电压峰值，即：

晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于相电压的峰值

(5-28)(5-29)5.2.1三相半波可控整流电路(5-30)(5-31)(5-32)505.2.1三相半波可控整流电路图5-14三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及

=60

时的波形2.阻感负载

(1)

工作原理

电路如图5-14a)。负载存在大电感。α<30°时，整流电压波形与电阻负载相同。α>30°时,如图。515.2.1三相半波可控整流电路图5-14三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及

=60

时的波形当α>30°时,比如α=60°时，在

t1触发VT1导通ud=ua当a相电压ua降到零时，由于电感中感应电势的作用继续导通，电压ud波形出现负值。如果负载电感值较大，则本相晶闸管能维持导通到VT2晶闸管触发导通,ud=ub。525.2.1三相半波可控整流电路图5-14三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及

=60

时的波形VT2晶闸管导通后，使本相晶闸管承受反压而关断，其它工作过程与a相类似。

id波形连续。当电感量足够大时，输出电流id波形近似于一条直线。uT1同样由一段管压降和两段线电压组成。53(2)基本数量关系

的移相范围为90

。

整流电压平均值:电流平均值:晶闸管电流有效值IT和变压器次级电流有效值I2:

5.2.1三相半波可控整流电路(5-31)(5-32)(5-33)54（3）线路中电感量较小时情况L不大，当

=90

时，ud已出现断流,

Ud/U2与

如曲线3所示。L很大，如曲线2所示。

最大移相范围为

150

（4）三相半波共阳极可控整波共阳极相连接，电路如图。三相半波有直流磁化现象。图5-13三相半波可控整流电路Ud/U2与

的关系5.2.1三相半波可控整流电路图5-15三相半波共阳极可控整波电路555.2.2三相桥式全控整流电路1．电路的构成阴极连接在一起的3个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组。

共阴极组中分别为VT1，VT3，VT5，共阳极组分别为VT4，VT6，VT2。

晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。

图5-16三相桥式全控整流电路原理图562．三相桥式全控电路的工作过程（1）带电阻负载时的情况各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。先分析当

≤60

=0

时，自然换相点共阴共阳各3个，共6个，从VT1触发脉冲开始将电源供电周期分成六段，每段60

。5.2.2三相桥式全控整流电路图5-17三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0O时的波形57第Ⅰ时段。设VT6已导通，ωt1时刻a相电压最高，触发VT1则VT6

,VT1导通,整流电压ud

=

uab，晶闸管VT1承受电压uT1=0。第Ⅱ时段。触发VT2，C相电压负值最大，VT2导通VT6关断，整流电压ud

=uac，晶闸管VT1承受电压uT1=0。5.2.2三相桥式全控整流电路图5-17三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0O时的波形58第Ⅲ时段。触发VT3，b相电压最大，

VT3导通VT1关断，整流电压ud

=ubc，晶闸管VT1承受电压uT1=uab。第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ时段。整流电压依次为uba，uca，ucb，晶闸管VT1承受电压uT1依次为线电压uab，uac，uac5.2.2三相桥式全控整流电路图5-17三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0O时的波形59

=0

时，ud为线电压在正半周的包络线。波形见图5-17ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状一样，也连续。晶闸管VT1承受电压由导通压降（约为零）和两端线电压构成。5.2.2三相桥式全控整流电路图5-17三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0O时的波形605.2.2三相桥式全控整流电路由以上分析可以得到以下几点。1）必须有共阴极组和共阳极组各1个晶闸管共2个都导通，才能形成输出通路。2）是两组三相半波的串联，各组3个触发脉冲相位差为120

，每个晶闸管导电120

3）共阴极组、共阳极组晶闸管是分别在正、负半周触发，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，相位差应是180

4）根据以上2点，每隔60

要触发一个晶闸管，顺序为:VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6

5）双触发脉冲或宽脉冲。宽脉冲大于60

（一般取80

~100

）。双脉冲相差60

，脉宽一般为20

~30

61

时段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb表5-1三相桥式全控整流电路电阻负载

=0

时晶闸管工作情况5.2.2三相桥式全控整流电路6）整流后输出电压是两相电压相减后的波形，即线电压，ud一周期脉动6次，该电路为6脉波整流电路。7）晶闸管承受电压由导通压降（约为零）和两端线电压构成，与三相半波时相同。

晶闸管及输出整流电压的情况如表5-1所示。62

=30

时，组成ud的每一段线电压推迟30

，ud平均值降低，波形见图5-18。有两种方法，第一种相电压合成法。先画出在

=30

时共阴极和共阳极的电位波形，得到共阴共阳电压。5.2.2三相桥式全控整流电路图5-18三相桥式全控整流电路带电阻负载α=30O时的波形63然后共阴电压减去共阳电压,得到输出整流电压ud

。

=30

时输出整流电压减小。第二种叫线电压法首先确定

=30

位置，以60

宽度依次标定6个时段，根据表5-1，画出ud。5.2.2三相桥式全控整流电路图5-18三相桥式全控整流电路带电阻负载α=30O时的波形64相应地，画出uT1、ia波形，在VT1导通时为正，在VT4导通时为负。当控制角

=30

时，由于输出电压ud波形连续，负载电流id

=ud/R,因此电流波形也连续。5.2.2三相桥式全控整流电路图5-18三相桥式全控整流电路带电阻负载α=30O时的波形65

=60

时，首先确定

=60

位置，以60

宽度依次标定6个时段，根据表5-1，直接在各时段中画出ud以及uT1。ud平均值继续降低。60

时ud出现了为零的点，波形见图5-19。负载电流处于临界连续状态。5.2.2三相桥式全控整流电路图5-19三相桥式全控整流电路带电阻负载α=60O时的波形66当

>60

时，

=90

首先确定

=90

位置，以60

宽度依次标定6个时段，根据表5-1，画出ud。但不能为负

id与ud一致，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值。iT1、ia在

=90

时的波形见图5-20。电阻负载时，移相范围120

5.2.2三相桥式全控整流电路图5-20三相桥式全控整流电路带电阻负载α=90O时的波形67（2）阻感负载时的工作情况电路分析假设电感L较大，使负载电流id波形平直，见图5-21。

5.2.2三相桥式全控整流电路图5-21阻感负载时三相桥式全控整流电路原理图68

=0

时的波形见图5-22确定

=0

位置，以60

宽度依次标定6时段。ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。5.2.2三相桥式全控整流电路图5-22三相桥式全控整流电路带阻感负载α=0O时的波形69区别在于电流，id、iT1的波形在导通段都可近似为一条水平线。电感性负载时的晶闸管导通规律与电阻性负载一样。

5.2.2三相桥式全控整流电路图5-22三相桥式全控整流电路带阻感负载α=0O时的波形70当

≤60

时，比如

=30波形见图5-23。用同样地6时段方法,得到ud。

id波形为直线。

ia波形在VT1导通时为id，在VT4导通时为-id。5.2.2三相桥式全控整流电路图5-23三相桥式全控整流电路带阻感负载α=30O时的波形71当

>60

时，比如

=90波形见图5-24。由于电感L的作用,ud波形会出现负的。用同样的6时段方法，得到ud和uT1。5.2.2三相桥式全控整流电路图5-24三相桥式全控整流电路带阻感负载α=90O时的波形当

=90

时ud正负面积相等。控制角

的最大移相范围为90

。

72（3）定量分析

带电阻负载时

角的移相范围是120

，带阻感负载时，

角移相范围为90

。电流连续时，每个晶闸管导通角度为120

。整流输出电压平均值带阻感负载时，或带电阻负载

≤60

时

带电阻负载且

>60

时

(5-34)(5-35)5.2.2三相桥式全控整流电路73输出电流平均值为Id=Ud/R。当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流有效值为：晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。据上式，可以计算出输入侧的功率因数。变压器二次侧电流i2为方波，可以计算总谐波畸变因数THD

。若电流连续，接E-L-R时的Id为(5-36)5.2.2三相桥式全控整流电路(5-37)74例5-3：三相桥式全控整流电路，输入交流电压U2=110V，带阻感反电动势负载，R=3Ω，L值极大，E=20V，当α=60°时，求：1）画出整流电压ud、电流id和通过晶闸管电流iT1的波形；2）计算整流输出平均电压Ud、电流Id、通过晶闸管电流平均值IdT和有效值IT；3）如果该整流电路为三相半波可控整流电路，其它参数不变，整流输出平均电压为多少？解：1）整流电压ud、电流id和通过晶闸管电流iT1的波形如图所示。图5-25例题5-3三相桥式全控整流电路波形图5.2.2三相桥式全控整流电路752）整流输出平均电压Ud、电流Id、通过晶闸管电流平均值IdT和有效值IT为:3）如果该整流电路为三相半波可控整流电路，输出平均电压

,该电路能够正常工作。5.2.2三相桥式全控整流电路76触发电路的定相指的是触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。保证触发脉冲相位正确，关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。在图2-4驱动控制电路中，同步信号电压ust是由同步电源电压供给，则触发电路和主电路频率一致。三相全控桥6个晶闸管需6个触发电路6个同步信号。5.2.3触发电路的定相775.2.3触发电路的定相图5-26与主电源同步的锯齿波电压VT1的同步电压应滞后于ua180

。其它5个晶闸管也如此。分析三相全控桥图2-4锯齿波上升起点、同步信号正到负零点两者对应。锯齿波240

，舍去前后30

，中间180

。

=90

为中点，满足前后移相各90

(整流逆变)对应了晶闸管所接主电路电压，图中VT1接+ua。78根据同步信号与晶闸管阳极电压互差180

的关系，如图5-27a),变压器为Δ/Y-11联结同,步变压器为Δ/Y-11,5联结，如图5-27b)矢量图。5.2.3触发电路的定相图5-27同步变压器和整流变压器的接法及矢量图a）同步变压器的接法b）矢量图795.2.3触发电路的定相图5-27同步变压器和整流变压器的接法及矢量图a）同步变压器的接法b）矢量图表5-2一种三相全控桥各晶闸管的同步电源电晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ua-uc+ub-ua+uc-ub同步电源电压-usa+usc-usb+usa-usc+usb同步电压选取结果如表5-2。80当R-C滤波器滞后角为60

时，同步电压只需滞后120

即可，选取结果分别如表5-3所示。5.2.3触发电路的定相图5-27同步变压器和整流变压器的接法及矢量图a）同步变压器的接法b）矢量图表5-3三相桥各晶闸管的同步电压（有R-C滤波滞后60

）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ua-uc+ub-ua+uc-ub同步电源电压+usb-usa+usc-usb+usa-usc815.3变压器漏感对整流电路的影响

5.3.1换相的物理过程和整流电压波形5.3.2

换相压降和整流平均电压

5.3.3

换相重叠角的计算

82从VT1换相至VT2的过程在

t1时刻之前VT1导通，触发VT2

ub>ua，VT2导通，因a、b两相均有漏感，ia减小ib增加，VT1继续导通，即VT1和VT2同时导通。图5-28考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形

5.3.1换相的物理过程和整流电压波形

a）b）83ub>ua，ia逐渐减小到零，ib从零逐渐上升到Id。电感L大，Id不变，ia+ib=Id，ia减小量等于ib增加量，相当于在两相组成的回路中产生环流ik=ib，两相间电压差为ub-ua，如图。图5-28考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形

5.3.1换相的物理过程和整流电压波形

a）84当ik=ib增大到等于Id时，ia=Id-ik=0，VT1关断，换流过程结束。换相过程持续的时间用电角度

表示，称为换相重叠角。换相过程中图5-28考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形

5.3.1换相的物理过程和整流电压波形

a）（5-38）85表明换相期间，输出整流电压是换相的两相相电压的平均值，如图5-28b）所示。

5.3.1换相的物理过程和整流电压波形

a）（5-39）图5-28考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形

861．换相压降的计算对于三相半波可控整流电路，换相压降Δud式（5-40）中XB

=ωLB称为变压器漏抗。也可查阅电工手册。对于m相可控整流电路

对于单相桥式全控整流电路来说，在一周期的两次换相中都起作用，XB用2XB代入。

(5-40)5.3.2换相压降和换相重叠角(5-41)87考虑漏抗造成换相压降后，输出整流电压平均值为Ud0为cos

=0时不考虑漏抗影响的整流电压平均值。对于单相桥式可控整流电路感性负载对于三相半波可控整流电路三相桥可控整流电路ΔUd正比于负载电流，相当于在整流电源增加了一项“内阻”，并不消耗功率。(5-42)5.3.2换相压降和换相重叠角882．换相重叠角的计算根据整流变压器的规格，查阅电工手册来获得额定工况下的换相重叠角。对于m相可控整流电路或式子中的符号含义与前面相同。利用式（5-44）计算出换相重叠角，Id和XB愈大，换相重叠角增大。(5-43)(5-44)5.3.2换相压降和换相重叠角89其它整流电路的分析结果见表5-4。

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①②

注：①单相全控桥电路中，XB在一周期的两次换相中都起作用，等效为XB用2XB代入，m=2；②三相桥等效为相电压等于√͞3U2的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按√͞3U2

代入。表5-4各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算

5.3.2换相压降和换相重叠角90变压器漏感对整流电路影响的一些结论:出现换相重叠角

，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。必须采取加装滤波器等方法，减少谐波分量对电网的影响。

5.3.2换相压降和换相重叠角91例题5-4：三相桥式全控整流电路,交流侧电压U2=220V,带电阻电感负载,电阻R=5Ω，电感L值极大，XB=0.2Ω，当控制角α=0°时，求：1)画出整流电压ud、晶闸管电流iT1和变压器二次侧a相电流i2a的波形；2)计算整流输出平均电压Ud、电流Id、通过晶闸管电流有效值IT、变压器二次侧电流I2。解：整流电压ud,晶闸管电流iT1和a相电流i2a波形如图5-29。图5-29例题三相桥式全控整流电路波形图5.3.2换相压降和换相重叠角922）α＝0°时，

解方程组得：晶闸管电流和变压器二次测电流的有效值分别为5.3.2换相压降和换相重叠角935.4整流电路的有源逆变工作状态5.4.1单相可控整流电路的有源逆变分析

5.4.2三相整流电路的有源逆变工作状态5.4.3逆变失败与最小逆变角的限制941．电源间能量的流转关系逆变是把直流电转变成交流电的过程。当交流侧连接电网，为有源逆变，交流侧直接接到负载，称为无源逆变，本节介绍有源逆变.见图5-30a)，当2个电源E1E2同极性相连E1<E2无电流，E1>E2

,则

图5-30两个电源之间电能的流转a）两电动势同极性E1>E2b）两电动势均反向但同极性E1<E2c）两电动势反极性（5-45）5.4.1单相可控整流电路的有源逆变分析

95R为回路总电阻消耗电能。E1输出电能（E1I）,E2吸收电能(E2I

)。见图5-30b)，当2个电源E1E2极性均反向相连E2<E1无电流，E2>E1则

E2输出电能（E2I）,E1吸收电能(E1I

)。图5-30两个电源之间电能的流转a）两电动势同极性E1>E2b）两电动势均反向但同极性E1<E2c）两电动势反极性5.4.1单相可控整流电路的有源逆变分析

（5-46）96见图5-30c)，当2个电源E1E2反极性相连,则回路电流

如果电阻R值很小，则电流必然很大，可能过大。所以2个电源E1E2应该极性相同相连。（5-47）5.4.1单相可控整流电路的有源逆变分析

图5-30两个电源之间电能的流转a）两电动势同极性E1>E2b）两电动势均反向但同极性E1<E2c）两电动势反极性97综上所述，可得出下面有关结论：两电源同极性相连，电流总是顺着二极管导通方向从高电势流向低电势电源。如果回路电阻很小，两电源之间可发生较大能量的交换。电流从电源正极流出时，该电源输出电能，从电源正极流入者，该电源为吸收电能，若两个电势方向、大小都改变，则电能的传送方向也会随之改变。两个电源反极性相连时，如果电路的总电阻很小，将形成电源间的短路，应当避免。5.4.1单相可控整流电路的有源逆变分析

982.单相有源逆变电路工作原理整流工作状态0<α<π/2，整流电压Ud>EM反电势，则电动机则为吸收电能用以提升重物,如图。中间状态

α=π/2，Ud=0，抱闸制动。这是特定情况。

a）提升重物（整流电动）示意图图5-32SCR-D系统电压电流波形图a）整流状态波形（5-48）5.4.1单相可控整流电路的有源逆变分析

99有源逆变工作状态

下放重物。反转，EM

为负，让α>π/2，则Ud为负，如果|EM|

>|Ud|

，则

电流Id为正,说明方向与晶闸管导通方向一致，变流器则为吸收电能，用以重物下降

。如图5-31b)，图5-32b)为工作波形。b）下放重物（能量回馈）示意图

图5-32SCR-D系统电压电流波形图

b）逆变状态波形

（5-49）5.4.1单相可控整流电路的有源逆变分析

100波形分析在θ1θ2期间,u2>EM

，VT1VT4在ωt=α时刻触发后导通,电感电流Id增加。在θ3期间，虽然u2<EM

，但由于电感L储能释放能量，VT1VT4继续导通。在θ3结束时，触发VT2VT3，u2<0，VT2VT3承受正向电压导通，VT1VT4关断，实现换流。图5-32SCR-D系统电压电流波形图

b）逆变状态波形

5.4.1单相可控整流电路的有源逆变分析

101实现有源逆变的基本条件：1）外部条件。务必要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势源，其数值应稍大于变流器直流侧输出直流平均电压。2）内部条件。要求变流器中晶闸管的控制角α>π/2，这样才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交流电网的流转。上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。对于半控桥或者带有续流二极管的可控整流电路，不能实现有源逆变。5.4.1单相可控整流电路的有源逆变分析

1021．三相半波逆变电路（1）电路的整流工作状态

0<α<π/2,

α=45°时，输出电压波形如图中阴影所示。Ud和EM为正值,整流电压Ud>EM反电势，则电动机吸收电能。负载回路中接有足够大平波电感，电流连续。5.4.2三相整流电路的有源逆变工作状态图5-33三相半波电路及波形图103（2）电路的逆变工作状态π>α>π/2，此时电动机端电势下正上负。α=150°时依次触发晶闸管。图5-33三相半波电路及波形图5.4.2三相整流电路的有源逆变工作状态在ωt1时刻，触发a相晶闸管，虽然此时ua=0，因EM的存在，且ua>EM

，VT1仍然导通，电感电流上升。104随后虽然ua<EM，由于平波电感释放电能，VT1承受正向电压继续导通。

因电感L足够大，主回路电流连续。VT1导电120o后，在ωt2时刻触发b相晶闸管，ub>ua，VT2被触发导通，VT1承受反压关断，完成VT1VT2之间的换流。

图5-33三相半波电路及波形图5.4.2三相整流电路的有源逆变工作状态105逆变角。通常把

>

/2时控制角用

表示，

称为逆变角。

的大小自

=0的起始点向左方计量。输出电压平均值输出电压平均值计算公式用α或

均可。逆变电路中，对触发脉冲有严格的要求。图5-33三相半波电路及波形图（5-50）5.4.2三相整流电路的有源逆变工作状态1062．三相桥式逆变电路（1）逆变工作原理及波形分析三相桥式逆变电路结构与整流电路相同。如果EM

Ud的极性与整流时均相反，|EM|

>|Ud|，变流器则吸收能量回馈到电网，此时电路即为有源逆变工作状态。EM的极性由电机的运行状态决定，Ud的极性取决于触发脉冲的控制角。此时α应大于π/2，或者逆变角β应小于π/2。具体的工作波形见图5-34

。5.4.2三相整流电路的有源逆变工作状态107图5-34三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形

图5-34分别划分β为π/3、π/4、π/6时的I、II、III、IV、V、VI时段，据表5-1,分别画出输出整流电压Ud5.4.2三相整流电路的有源逆变工作状态108（2）基本电量的计算三相桥式电路的输出电压输出直流电流的平均值输出电流的有效值In为第n次谐波电流有效值。晶闸管流过电流平均值晶闸管流过电流有效值为(5-51)(5-52)(5-53)(5-54)(5-55)5.4.2三相整流电路的有源逆变工作状态109从交流电源送到直流侧负载的有功功率为当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。变压器二次侧线电流的有效值各计算公式与整流时的计算公式相同，但要注意各参数的正负值。(5-56)(5-57)5.4.2三相整流电路的有源逆变工作状态5.4.3逆变失败与最小逆变角的限制110电路如果出现换流失败，则交流器输出电压与直流电压将顺向串联并相互加强，由于回路电阻很小，将产生很大的短路电流，以至可能将晶闸管和变压器烧毁，上述事故称为逆变失败，或叫做逆变颠覆。逆变失败的原因触发电路工作不可靠，致使晶闸管不能正常换相。晶闸管出现故障。交流电源出现异常。电路换相时间不足，引起换相失败。111考虑变压器漏抗引起重叠角

对逆变电路换相的影响以VT3和VT1换相过程来分析，在

>

时，能使VT3承受

反压而关断。图5-35交流侧电抗对逆变换相过程的影响

5.4.3逆变失败与最小逆变角的限制正常工作时，实际的ud波形见图5-35b）的左边实线。112当

<

时，换相尚未结束，p点之后，uc将高于ua，晶闸管VT1承受反压而重新关断，VT3却继续导通，且c相电压愈来愈高，电动势顺向串联导致逆变失败。为了防止逆变失败，不仅逆变角

不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。图5-35交流侧电抗对逆变换相过程的影响

5.4.3逆变失败与最小逆变角的限制确定最小逆变角

min的依据逆变时允许采用的最小逆变角

应等于

q为晶闸管的关断时间tq折合的电角度,约4

~5

为换相重叠角，可查阅手册，也可据表5-4计算。

a为安全裕量角，主要针对脉冲不对称程度（一般可达5

），约取为10

。设计逆变电路时，必须保证

>

min，保证触发脉冲不进入小于

min的区域内。113(5-58)5.4.3逆变失败与最小逆变角的限制例题5-5：三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，电阻R=1Ω，电感L=∞，交流侧电压U2

=220V，忽略漏感，当反电动势EM

=-400V，逆变角β=60°时，求直流侧平均电压Ud

，电流Id的值，此时送回电网的有功功率是多少？解：由题意可列出如下2个等式：得有功功率为有功功率为负值表示送回给电网。1145.4.3逆变失败与最小逆变角的限制1155.5电容滤波的不可控整流电路5.5.1电容滤波的单相不可控整流电路5.5.2电容滤波的三相不可控整流电路

1165.5.1电容滤波的单相不可控整流电路1.工作原理及波形分析如图5-36的电路及工作波形，在u2正半周过零点至

t=0期间，u2<ud，故二极管不导通，电容C向R放电，提供负载电流，ud下降。至

t=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。图5-36电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a）b）1175.5.1电容滤波的单相不可控整流电路电容被充电到

t=

时，ud>u2，VD1和VD4关断。电容开始以时间常数RC按指数函数放电。

当

t=

，即放电经过

-

角时，ud降至开始充电时的初值，另一对二极管VD2和VD3导通，此后u2又向C充电，与u2正半周的情况一样。

图5-36电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a）b）1182.主要的数量关系空载时，Ud

=

√͞2U2，重载时ud波形趋近于接近电阻负载时的波形，那么

Ud逐渐趋近于0.9U2。负载越小，电容值越大，Ud越大，反之越小。在设计时根据负载的情况选择电容C值,使RC>(3-5)T/2输出电流平均值IR为二极管电流iD平均值为二极管承受的电压为变压器二次侧电压最大值√͞2U2。5.5.1电容滤波的单相不可控整流电路(5-59)(5-60)(5-61)(5-62)1193.感容滤波的单相桥式不可控整流电路实际应用中为了抑制电流冲击，常在直流侧串入较小的电感。ud波形更平直，电流i2的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的。如图5-37。图5-37感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形5.5.1电容滤波的单相不可控整流电路a）b）1205.5.2电容滤波的三相不可控整流电路1.基本原理(1)输出直流电压等于交流侧线电压中最大者，该线电压向电容和负载供电。如图5-38，

t=0时,ud<uab，VD1和VD6导通，id电流大。图5-38电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a）b）1215.5.2电容滤波的三相不可控整流电路(2)在电容被充电到

t=

时，ud>uab，VD1和VD6关断。由电容向负载放电，ud按指数规律下降。这是电流id断续情况。(3)如果重载，VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至

VD2导通，则id是连续的

。图5-38电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a）b）122（4）考虑电感实际电路中存在交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感，如图5-39b)轻载，图5-39c)重载波形。有电感时，电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。图5-39考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形a）电路原理图b）轻载时的交流侧电流波形c）重载时的交流侧电流波形5.5.2电容滤波的三相不可控整流电路a）1232．主要数量关系(1)输出电压平均值Ud在（2.34U2~2.45U2）之间变化。(2)电流平均值输出电流平均值IR为电容电流iC平均值为零，因此Id=

IdR二极管电流平均值为Id的1/3，即(3)二极管承受的电压为线电压的峰值，为√͞6U2

(5-64)(5-65)5.5.2电容滤波的三相不可控整流电路1245.6电压型单相PWM整流电路

5.6.1低压大电流高频PWM整流电路

5.6.2电压型单相单管PWM整流电路

5.6.3电压型单相桥式PWM整流电路

125前面的晶闸管可控整流电路的功率因数低。前面的整流电路的谐波电流对电网产生危害。具有较大惯性，因而难于对外扰作出快速反应。随着IGBT为代表的全控型器件的不断进步，在整流电路中采用PWM控制技术已相当成熟。可以使输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位。功率因数近似为1。其（整流）主电路拓扑结构与逆变电路十分相似。5.6PWM整流电路-引言5.6.1低压大电流高频PWM整流电路126图5-40倍流不控整流电路及工作波形a）倍流不控整流电路1.倍流PWM整流电路1）电路分析变压器原边接PWM逆变电路（未画出），副边输出侧有2个二极管、2个电感及负载。当变压器原边为交变方波电压时，变压器副边也输出交变方波电压。同名端电位高时，通过电感L1给负载传递能量，反之，通过电感L2传递能量。电感电流不会突变，当电感值很大时，两个电感都有电流到负载。5.6.1低压大电流高频PWM整流电路127图5-40倍流不控整流电路及工作波形a）倍流不控整流电路b）倍流整流工作波形2）波形分析在0～t1时段，uT处于正半周，VD1截止，VD2导通，iL1在uT作用下线性增长，L1充电储能，导电路径为uT的同名端、

L1、负载、VD2

、

uT的异名端。128图5-40倍流不控整流电路及工作波形a）倍流不控整流电路b）倍流整流工作波形此时L2经VD2释放能量给负载R，导电路径为L2、

负载、VD2

、

L2的另一端。iL=iL1+iL2≈2iL1≈2iT。在t2

～t3时段，uT处于负半周，VD1导通，VD2截止，iL2在uT作用下线性增长。5.6.1低压大电流高频PWM整流电路129此时L2充电储能，路径为W2异名端、

L2、负载、VD1

、

W2同名端。而L1经VD1释放能量给负载R，路径为L1一端、

负载、VD1

、

L1另一端。同样有iL=iL1+iL2≈2iL2≈|2iT|。图5-40倍流不控整流电路及工作波形a）倍流不控整流电路b）倍流整流工作波形5.6.1低压大电流高频PWM整流电路130在t1～t2及t3～t4时段，

uT=0，L1、L2分别通过VD1、VD2续流，同样有iL=iL1+iL2。图5-40倍流不控整流电路及工作波形a）倍流不控整流电路b）倍流整流工作波形5.6.1低压大电流高频PWM整流电路倍流整流电路输出到负载电流的幅值约等于变压器副边电流幅值的2倍。1312.同步PWM整流电路

1)电路分析右图是由半桥逆变后产生的交流方波，再经二极管全波整流。副边电压交变时，VDX、VDY轮流导通、截止。规则为：同名端高：VDY通，异名端高：VDX通，零压：VDX,VDY通二极管压降大，用MOSFET代替。但要解决驱动与同步问题。5.6.1低压大电流高频PWM整流电路132图5-41全波零式同步整流电路a）电路结构图5-41a）也是半桥逆变后产生的交流方波，再经MOSFET全波同步整流电路。图中W4与VD3、VD4构成驱动，控制MOSFET管VT3和VT4

。C1

C2为MOSFET栅极电容，LS为变压器的漏感。a）5.6.1低压大电流高频PWM整流电路133图5-41全波零式同步整流电路b）驱动波形2)波形分析主要分析变压器副边W4驱动波形，图5-41b）波形属于对称型，设us2正负宽度均为τ，其零电压宽度为τ

k。5.6.1低压大电流高频PWM整流电路134图5-41全波零式同步整流电路b）驱动波形5.6.1低压大电流高频PWM整流电路在0～t1时段，

各同名端电位高，us2输出电压Us2m，VD4导通uG4为正偏Usa，VT4导通，ug3为负偏-UD，VT3截止。iL线性增长。135图5-41