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1、第五章：整流电路整流电路；交流转换为直流按照输入交流电源的相数:单相、三相和多相整流电路；按电路中组成的电力电子器件控制特性:不可控、半控和全控整流电路；根据整流电路的结构形式:半波、全波和桥式整流电路等类型。相控整流电路:电压可调；二极管整流电路:电压固定；整流电路的类型：第1页/共60页5.1 整流器的性能指标 （1）输出的直流电压大小可以控制；（2）输出直流侧电压和交流侧电流中的纹波都必须限制在允许范围内；（3）整流器的效率要高。利用电力电子器件的可控开关特性把交流电能变为直流电能的整流电路构成的系统称为整流器。2、整流器电路性能和控制方式必须满足的要求：1、定义：第2页/共60页5.1
2、 整流器的性能指标 整流器的输出电压是脉动的，其中除了有主要的直流成分外，还有一定的交流谐波成分。定义整流器的输出电压的交流纹波有效值UH与直流平均值UD之比为电压纹波系数u。即 1、电压纹波系数u（5.1.1）如果直流输出电压有效值用U表示，则，因此有：若第n次谐波峰值为Unm,则定义Unm与UD之比为电压脉动系数Sn，（5.1.3）（5.1.2）2、电压脉动系数Sn第3页/共60页5.1 整流器的性能指标 整流电路输入断为各次谐波电流之和。输入电流总畸变率THD（Total Harmonic Distortion）又称谐波因数HF（Harmonic Factor），是指除基波电流以外的所有
3、谐波电流有效值与基波电流有效值之比，即 3、输入电流总畸变率THD（5.1.4）式中Isn为n次谐波电流有效值。第4页/共60页4、输入功率因数PF定义交流电源输入有功功率平均值P与其视在功率S之比为输入功率因数PF（Powerfactor）,即对于无畸变的正弦波，谐波电流在一个周期内的平均功率为零，只有基波电流Is1形成有功功率上式中1是输入电压与输入电流基波分量之间的相位角。则称为基波位移因数(或基波功率因数)，于是输入功率因数为:（5.1.5）（5.1.6）第5页/共60页 上式表明：功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定。1越小，基波功率因数 越大，相应的PF也越大。另
4、一方面，输入电流总畸变率THD越小，功率因数PF也越大。4、输入功率因数PF(续)（5.1.7）中称为基波因数，且有所以式（5.1.6）第6页/共60页第五章：整流电路 5.1 整流器的性能指标 5.2 单相相控整流电路 5.3 三相相控整流电路 5.4 大容量相控整流电路 5.5 相控整流电路的换相压降 5.6 整流电路的谐波分析 5.7 有源逆变电路 5.8 晶闸管相控电路的驱动控制 5.9 PWM整流电路 第7页/共60页 在单相相控整流电路中，定义晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度称为控制角(或移相角)，晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，用表示。5.2.1 单相半波相
5、控整流电路图5.2.1单相半波可控整流1.电阻性负载（5.2.2）第8页/共60页5.2.1 单相半波相控整流电路 上式(5.2.3)表明，只要改变控制角(即改变触发时刻)，就可以改变整流输出电压的平均值，达到相控整流的目的。1.电阻性负载时参数计算：根据波形图5.2.1(b)，可求出整流输出电压平均值为：移相范围：整流输出电压Ud的平均值从最大值变化到零时，控制角的变化范围为移相范围。当=0时，Ud=0，当=时，Ud=0.45U2为最大值。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相位控制方式，简称相控方式。单相半波相控整流电路带电阻性负载时移相范围为。图5.2.1单相半波可
6、控 整流波形图第9页/共60页5.2.1 单相半波相控整流电路1.电阻性负载时参数计算（续）：图5.2.1单相半波可控 整流波形图根据有效值的定义，整流输出电压的有效值为（5.2.4）那么，整流输出电流的平均值Id和有效值I分别为电流的波形系数Kf为（5.2.7）（5.2.5）（5.2.6）上式(5.2.7)表明，控制角越大，波形系数Kf越大。第10页/共60页5.2.1 单相半波相控整流电路1.电阻性负载时参数计算（续）：图5.2.1单相半波可控 整流原理（5.2.8）如果忽略晶闸管T的损耗，则变压器二次侧输出的有功功率为电源输入的视在功率为（5.2.10）（5.2.9）从上式可知，功率因数
7、是控制角的函数，且越大，相控整流输出电压越低，功率因数PF越小。当=0时，PF=0.707为最大值。这是因为电路的输出电流中不仅存在谐波，而且基波电流与基波电压(即电源输入正弦电压)也不同相，即是使电阻性负载，PF也不会等于1。电路的功率因数第11页/共60页5.2.1 单相半波相控整流电路2.电感性负载（等效为电感L和电阻R串联）图5.2.3感性负载单相半波可控整流电路及其波形工作原理第12页/共60页2.电感性负载5.2.1 单相半波相控整流电路感性负载上的输出电压平均值感性负载上的输出电压平均值U Ud d为为故（5.2.11）（5.2.12）（5.2.13）式式(5.2.13)(5.2
8、.13)表明表明,感性负载上的电压平均值等于感性负载上的电压平均值等于负载电阻上的电压平均值。负载电阻上的电压平均值。第13页/共60页 由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸管的流通角管的流通角变大，且负载中变大，且负载中L L越大，越大，越大，输出电压波形图越大，输出电压波形图上负压的面积越大，从而使输出电压平均值减小。在大电感负载上负压的面积越大，从而使输出电压平均值减小。在大电感负载LRLR的情况的情况 下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论为何值，为何值，都有，都有 。2.电感
9、性负载（大电感）5.2.1 单相半波相控整流电路l l图图5.2.4 5.2.4 LR LR 时不同时不同 时的电流波形时的电流波形第14页/共60页2.电感性负载（大电感）5.2.1 单相半波相控整流电路l l大电感负载时输出平均电大电感负载时输出平均电压为零，解决的办法是在负载压为零，解决的办法是在负载两端并联续流二极管两端并联续流二极管D D，如图如图5.2.5(5.2.5(a)a)所示。所示。l l图图5.2.55.2.5大电感负载接续流管的单相大电感负载接续流管的单相l l 半波整流电路及电流电压波形半波整流电路及电流电压波形 在电源电压正半周，负载电流由晶闸管导通提供；电源电压负半
10、周时，续流二极管D维持负载电流；因此负载电流是一个连续且平稳的直流电流。大电感负载时，负载电流波形是一条平行于横轴的直线，其值为Id；第15页/共60页晶闸管与续流管承受的最大电压均为5.2.1 单相半波相控整流电路2.电感性负载（大电感）参数计算若设若设 T T和和 DD分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，则容易得出晶闸管的电压平均值为则容易得出晶闸管的电压平均值为流过续流二极管的电流平均值为流过续流二极管的电流平均值为流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为流过晶闸管和续流管的电流有效值分别为（5.2.17）（5.2.14）（5.2.15
11、）（5.2.16）第16页/共60页1）优点：线路简单，调整方便；2）缺点：（1）输出电压脉动大，负载电流脉动大（电阻性负载时）。（2）整流变压器次级绕组中存在直流电流分量，使铁芯磁化，变压器容量不能充分利用。若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗。3）应用：单相半波可控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。3、单相半波可控整流电路特点：5.2.1 单相半波相控整流电路第17页/共60页5.2.2 单相桥式相控整流电路 1、阻性负载图5.2.6单相全控桥式整流电路带电阻性负载的电路与工作波形（的移相范围是0180）工作原理分析：第18页/共60页5.2.2 单相桥式
12、相控整流电路 1、阻性负载参数计算：3）输出电流的平均值和有效值分别为2）整流输出电压的有效值为 即Ud为最小值时，=180，Ud为最大值时=0，所以单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，的移相范围是0180。1）整流输出电压的平均值（5.2.18）（5.2.19）（5.2.20）（5.2.21）第19页/共60页5.2.2 单相桥式相控整流电路 1、阻性负载参数计算：4）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即5）流过每个晶闸管的电流有效值为（5.2.23）（5.2.22）6）晶闸管承受的最大反向电压为 U2。7）在一个周期内每个晶闸管只导通一次，流过晶闸管的电流波形系数为（5.2.
13、24）第20页/共60页5.2.2 单相桥式相控整流电路 1、阻性负载参数计算：9）在一个周期内电源通过变压器两次向负载提供能量，因此负载电流有效值d与变压器次级电流有效值I2相同。那么电路的功率因数可以按下式计算8）负载电流的波形系数为（5.2.26）（5.2.25）第21页/共60页5.2.2 单相桥式相控整流电路、的移相范围相等，均为0180；、输出电压平均值Ud是半波整流电路的倍；、在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半；、功率因数提高了倍。通过上述数量关系的分析，电阻负载时，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：第22页/共60页5.2.2 单相桥式相控整流电路
14、 2大电感负载 图5.2.8 单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与波形图工作原理分析：电路控制角的移相范围为0/2第23页/共60页5.2.2 单相桥式相控整流电路 2大电感负载参数计算：1）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为2）整流输出电压有效值为3）晶闸管承受的最大正反向电压为 U2。(090)(5.2.27)(5.2.28)4）在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通，变压器次级中的电流是正负对称的方波，电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为。第24页/共60页5.2.2 单相桥式相控整流电路 2大电感负载参数计算：5）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为(5.
15、2.29)(5.2.30)单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器次级中电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器的利用率高。在大电感负载情况下，接近/2时，输出电压的平均值接近于零，负载上的电压太小。且理想的大电感负载是不存在的，故实际电流波形不可能是一条直线，而且在之前，电流就出现断续。电感量越小，电流开始断续的值就越小。6）结论：第25页/共60页图5.2.9 单相全控桥式整流电路带反电势负载电路与波形图3反电势负载工作原理5.2.2 单相桥式相控整流电路 反电动势负载：对于可控整流电路来说，被充电的蓄电池、电容器、正在运行的直流电动机的电枢（电枢旋转时产生感应
16、电动势E）等本身是一个直流电压的负载。第26页/共60页图5.2.9 单相全控桥式整流电路 带反电势负载电路波形图3反电势负载工作原理5.2.2 单相桥式相控整流电路 导电角时，整流电流波形出现断流。其波形如图5.2.9(c)所示，图中的为停止导电角。也就是说与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电。(5.2.31)时，若触发脉冲到来，晶闸管因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，保证当时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样就要求触发角。第27页/共60页3反电势负载参数计算5.2.2 单相桥式相控整流电路(5.2.33)(5.2.32)l1）整
17、流器输出端直流电压平均值l2）整流电流平均值第28页/共60页1大电感负载时的工作情况 5.2.3 单相桥式半控整流电路 图5.2.10单相半控桥式整流电路带大电感负载时的电压、电流波形图晶闸管在触发时刻被迫换流，二极管则在电源电压过零时自然换流；由于自然续流的作用，整流输出电压ud的波形没有负半波的部分，与全控桥电路带电阻性负载相同。的移相范围为0180，Ud、d的计算公式和全控桥带电阻性负载时相同；流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为180的方波且与无关，交流侧电流为正负对称的交变方波。工作特点：第29页/共60页1大电感负载时的工作情况 5.2.3 单相桥式半控整流电路 图5.2.10单相
18、半控桥式整流电路带大电感负载时的电压、电流波形图 在实际运行中，当突然把控制角 增大到180以上或突然切断触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通两个二极管轮导通的失控现象。此时触发信号对输出电压失去了控制作用，失控在使用中是不允许的，为了消除失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需加接续流二极管。续流二极管的作用：消除失控第30页/共60页2大电感负载时参数计算 5.2.3 单相桥式半控整流电路 输出电压平均值为输出电压有效值为(5.2.36)(5.2.35)第31页/共60页5.2.3 单相桥式半控整流电路 在控制角为时，每个晶闸管一周期内的导通角为，续流管的流通角为，2大电感负载时参数
19、计算 流经续流二极管的平均电流和有效电流分别为(5.2.38)(5.2.37)(5.2.40)(5.2.39)则流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为第32页/共60页第五章：整流电路 5.1 整流器的性能指标 5.2 单相相控整流电路 5.3 三相相控整流电路 5.4 大容量相控整流电路 5.5 相控整流电路的换相压降 5.6 整流电路的谐波分析 5.7 有源逆变电路 5.8 晶闸管相控电路的驱动控制 5.9 PWM整流电路 第33页/共60页 1 1）在t1t2期间，相电压比、相都高，如果在t1时刻触发晶闸管导通，负载上得到相电压uA。2 2）在t2t3期间，相电压最高，若在t2时刻触发导通
20、，负载上得到B相电压uB，关断 。3 3）在t3 t4时期间，C C相电压最高，若在t3刻触发导通，负载上得到相电压uC，并关断。5.3.1 三相半波相控整流电路 1、电阻性负载工作原理分析图5.3.1 电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形(=0)第34页/共60页 自然换流点：tt1 1、tt2 2和tt3 3时刻距相电压波形过零点3030电角度，它是各相晶闸管能被正常触发导通的最早时刻，在该点以前，对应的晶闸管因承受反压，不能触发导通，所以把它叫做自然换流点。在三相相控整流电路中，把自然换流点作为计算控制角的起点，即该处=0=0（注意：这与单相可控整流电路是不同的）。5.3.1 三相半波
21、相控整流电路 1、电阻性负载工作原理分析图5.3.1 电阻性负载的三相半波相控整流电路及波形(=0)第35页/共60页5.3.1 三相半波相控整流电路 1、电阻性负载工作原理分析当=30时，ud、id波形临界连续。当=150时，整流输出电压为零。在30时，输出电压和电流波形将不再连续；在电源交流电路中不存在电感情况下，晶闸管之间的电流转移是在瞬间完成的；负载上的电压波形是相电压的一部分；晶闸管处于截止状态时所承受的电压是线电压而不是相电压。整流输出电压的脉动频率为 HZ(脉波数m=3)。结论：图5.3.2 三相半波相控整流=18、60时的波形图第36页/共60页5.3.1 三相半波相控整流电路
22、 1、电阻性负载数量关系若A相电源输入相电压，B、C相相应滞后则有如下数量关系：式中为整流变压器二次侧相电压有效值。(5.3.1)当30时，负载电流连续，各相晶闸管每周期轮流导电120，即导通角T=120。输出电压平均值为当=0时整流输出电压平均值d最大。增大，Ud减小，当=150时，Ud=0。所以带电阻性负载的三相半波相控整流电路的移相范围为0150第37页/共60页5.3.1 三相半波相控整流电路 1、电阻性负载数量关系(5.3.1)当30时，负载电流断续，输出电压平均值d为(4)晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压峰值，即，最大正向电压为电源相电压，即。第38页/共60页5.3.1 三相
23、半波相控整流电路 1、电阻性负载数量关系(5.3.4)（5）负载电流的平均值 流过每个晶闸管的平均电流流过每个晶闸管的电流有效值为(5.3.5)(5.3.3)(5.3.6)第39页/共60页5.3.1 三相半波相控整流电路 1、大电感负载(1)在30时，ud的波形与电阻性负载时相同。(2)30时ud波形出现部分负压。(3)尽管30，由于大电感负载的作用，仍然使各相晶闸管导通120，保证了电流的连续。电路特点：图5.3.3大电感负载的三相半波整流电路及波形 续流二续流二极管极管接续流二接续流二极管极管第40页/共60页5.3.1 三相半波相控整流电路 1、大电感负载数量关系流过每个晶闸管的平均电
24、流与有效电流分别为 当=0时Ud最大，当=90时，Ud=0。因此，大电感负载时，三相半波整流电路的移相范围为090。整流输出电压平均值ud为(5.3.8)(5.3.7)(5.3.9)第41页/共60页5.3.1 三相半波相控整流电路 1、大电感负载接续流二极管时4）续流二极管在一周期内导通三次，其导通角D=3(30)。1）ud的波形与纯电阻性负载时一样，Ud的计算公式也一样。图5.3.3大电感负载的 三相半波整流电路2）负载电流id=iT1+iT2+iT3+iD。3）一周期内晶闸管的导通角 T=150。第42页/共60页5.3.1 三相半波相控整流电路 1、大电感负载接续流二极管时图5.3.3
25、大电感负载的 三相半波整流电路（5.3.13）5）流过晶闸管的平均电流和有效电流分别为6）流过续流管的平均电流和有效电流分别为（5.3.10）（5.3.11）（5.3.12）第43页/共60页5.3.2 三相桥式相控整流电路 共阴极组的自然换流点(=0)在t1、t、t时刻，分别触发、晶闸管。共阳极组的自然换流点(=0)在t、t、t时刻，分别触发、晶闸管。晶闸管的导通顺序为：123456。图5.3.4三相桥式相控整流电路带电阻负载时的情况1、电阻性负载工作原理第44页/共60页2、三相桥式全控整流电路的特点 5.3.2 三相桥式相控整流电路（l）每个时刻均需2个不同组的晶闸管同时导通，形成向负载
26、供电的回路，其中且不能为同一相的晶闸管；（2）对触发脉冲的要求：6个晶闸管的触发脉冲按ug1ug2ug3ug4ug5ug6的顺序（相位依次差60）分别触发晶闸管123456；共阴极组1、3、5的触发脉冲依次相差120，共阳极组、的触发脉冲也依次差120,同一相的上下两个桥臂，即T1、与T4，T3与T6，T5与T2脉冲相差180；第45页/共60页2、三相桥式全控整流电路的特点 5.3.2 三相桥式相控整流电路 宽脉冲触发：使脉冲宽度大于60(一般取80100);双脉冲触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为2030。（3）全控桥触发脉冲类型：（4）带电阻负载时三相桥式
27、全控整流电路角的移相范围是120。第46页/共60页3、三相桥式全控整流电路不同时工作原理 5.3.2 三相桥式相控整流电路=30时工作波形：图5.3.5三相桥式相控整流电路带电阻负载=30时的情况第47页/共60页3、三相桥式全控整流电路不同时工作原理 5.3.2 三相桥式相控整流电路=60时工作波形：图5.3.6三相桥式相控整流电路带电阻负载=60时的情况第48页/共60页5.3.2 三相桥式相控整流电路=90时工作波形：图5.3.7三相桥式相控整流电路带电阻负载=90时的情况3、三相桥式全控整流电路不同时工作原理 第49页/共60页4、三相桥式全控整流电路参数计算5.3.2 三相桥式相控
28、整流电路 2）当60时，负载电流不连续，整流输出电压的平均值为1）当60时，负载电流连续，负载上承受的是线电压设其表达式为，在内积分上、下限为和。因此当控制角为时，整流输出电压的平均值为（5.3.14）（5.3.15）晶闸管承受的最大正、反向峰值电压为第50页/共60页5、大电感负载 5.3.2 三相桥式相控整流电路 图5.3.8 带大电感负载的三相全控桥式 整流电路及=0时的电流电压波形 1）=0时工作波形电路移向范围为090第51页/共60页5、大电感负载 5.3.2 三相桥式相控整流电路 图5.3.9 带大电感负载的三相全控桥式整流电路在=30、90时的电流电压波形 2）=30、90时工
29、作波形第52页/共60页6、大电感负载参数计算 5.3.2 三相桥式相控整流电路 在090范围内负载电流连续，负载上承受的是线电压，设其表达式为，而线电压超前于相电压30，在内积分上、下限为和。因此当控制角为时：(5.3.16)1）整流输出电压的平均值为（090）2）负载电流平均值为(5.3.17)第53页/共60页5.3.2 三相桥式相控整流电路 三相全控桥式整流电路中，晶闸管换流只在本组内进行，每隔120换流一次，即在电流连续的情况下，每个晶闸管的导通角T=120。因此3）流过晶闸管的电流平均值和有效值(5.3.18)(5.3.19)4）流进变压器次级的电流有效值为5）晶闸管承受的最大电压
30、为(5.3.20)6、大电感负载参数计算 第54页/共60页第五章：整流电路 5.1 整流器的性能指标 5.2 单相相控整流电路 5.3 三相相控整流电路 5.4 大容量相控整流电路 5.5 相控整流电路的换相压降 5.6 整流电路的谐波分析 5.7 有源逆变电路 5.8 晶闸管相控电路的驱动控制 5.9 PWM整流电路 第55页/共60页1.带平衡电抗器的双反星形相控整流电路工作原理5.4 大容量相控整流电路图5.4.1带平衡电抗器的双反星形相控整流电路及其波形图第56页/共60页2、带平衡电抗器的双反星形相控整流电路数量关系5.4 大容量相控整流电路(5.4.4)图5.4.1(a)中如果正
31、、负整流组输出电流和在周期内连续，则T1、T3、T5和T4、T6、T2的导电角都为，在控制角=0时Ud1、ud2相差60即则：(5.4.3)(5.4.5)从上面的关系式可知，如果负载中有大电感，三次谐波很难流入负载，三次谐波电压产生的三次谐波电流只在两组半波整流电路中流动，称之为环流。第57页/共60页5.4 大容量相控整流电路(5.4.8)2、带平衡电抗器的双反星形相控整流电路数量关系根据图5.4.1(b)得到整流输出电压瞬时值为将式（5.4.3）、（5.4.4）代入上式得如果控制角为，输出直流电压平均值为(5.4.6)输出直流电压平均值为(5.4.7)第58页/共60页第五章：整流电路 5.1 整流器的性能指标 5.2 单相相控整流电路 5.3 三相相控整流电路 5.4 大容量相控整流电路 5.5 相控整流电路的换相压降 5.6 整流电路的谐波分析 5.7 有源逆变电路 5.8 晶闸管相控电路的驱动控制 5.9 PWM整流电路 第59页/共60页感谢您的观看。第60页/共60页