2.1 单相可控整流电路

整流电路的分类

2.1.1 单相半波可控整流电路

1）带电阻负载的工作情况

电路结构

基本数量关系

2）带阻感负载的工作情况

电路结构

电力电子电路的一种基本分析方法

续流二极管

单相半波可控整流电路的特点

2.1.2 单相桥式全控整流电路

1）带电阻负载的工作情况

电路结构

工作原理及波形分析

数量关系

2）带阻感负载的工作情况

电路结构

工作原理及波形分析

数量关系

3）带反电动势负载时的工作情况

电路结构

工作原理及波形分析

2.1.3 单相全波可控整流电路

1）带电阻负载的工作情况

电路结构

工作原理及波形分析

2）带阻感负载的工作情况

电路结构

工作原理及波形分析

续流二极管

单相全波与单相全控桥的区别

2.1.4 单相桥式半控整流电路

1）带电阻负载

2）带阻感负载

电路结构

工作原理及波形分析

续流二极管的作用

单相桥式半控整流电路的另一种接法

电路结构

2.1 单相可控整流电路

整流电路：将交流电变为直流电（AC-DC）。是出现最早，至今仍使用最为广泛的电力电子电路。

由二极管作为整流元件所获得的直流电压值是固定的，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，称为可控整流。

通过PWM控制的方式将交流电变换为直流电，称为PWM整流。

整流电路的分类

按交流输入相数分为单相电路和多相电路。

按电路结构可分为零式电路和桥式电路。（零式电路又分为半波和全波电路）

按组成的器件可分为不可控、半控（开关器件一半为可控的）、全控（开关器件均为可控的）三种。

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。

2.1.1 单相半波可控整流电路

1）带电阻负载的工作情况

变压器T的作用：变换电压、电气隔离（隔离电网和整流电路）

电阻负载的特点：电流与电压成正比，两者波形相同。

电路结构

基本数量关系

几个重要的基本概念：

触发延迟角：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 $\alpha$ 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 $\theta$ 表示， $\theta =\pi -\alpha$ 。
移相范围：使整流电压平均值从最大值降到最小值，控制角 $\alpha$ 的变化范围即触发脉冲移相范围。
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。

直流输出电压平均值为：

$U_{d}=\frac{1}{2\pi }\int_{\alpha }^{\pi }\sqrt{2}U_{2}\sin \omega td(\omega t)=\frac{\sqrt{2}U_{2}}{2\pi }(1+\cos \alpha )=0.45U_{2}\frac{1+\cos \alpha }{2}$

VT的 $\alpha$ 移相范围为180°。

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。

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。

电路结构

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。
器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。

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， $i_{d}=0$ 。
当VT处于通态时，相当于VT短路。

当VT处于通态时，如下方程成立：

$L\frac{di_{d}}{dt}+Ri_{d}=\sqrt{2}U_{2}\sin \omega t$ 。

初始条件： $\omega t=\alpha$ ， $i_{d}=0$ 。将初始条件代入上述方程可得：

$i_{d}=-\frac{\sqrt{2}U_{2}}{Z}\sin (\alpha -\varphi )e^{-\frac{R}{\omega L}(\omega t-\alpha )}+\frac{\sqrt{2}U_{2}}{Z}\sin (\omega t- \varphi )$ 。

其中， $Z=\sqrt{R^{2}+(\omega L)^{2}}$ ，负载阻抗角 $\varphi =\arctan \frac{\omega L}{R}$ 。

当 $\omega t=\theta +\alpha$ 时， $i_{d}=0$ 。代入上式并整理得：

$\sin (\alpha -\varphi )e^{-\frac{\theta }{\tan \varphi }}=\sin (\theta +\alpha -\varphi )$ 。

续流二极管

当过零变负时，导通，为零，VT承受反压关断。L储存的能量保证了电流在回路中流通，此过程通常称为续流。

数量关系（ $i_{d}$ 近似恒为 $I_{d}$ ）

$I_{dVT}=\frac{\pi -\alpha }{2\pi }I_{d}$

$I_{VT}=\sqrt{\frac{1}{2\pi }\int_{\alpha }^{\pi }I_{d}^{2}d(\omega t)}=\sqrt{\frac{\pi -\alpha }{2\pi }}I_{d}$

$I_{dVD}=\frac{\pi +\alpha }{2\pi }I_{d}$

$I_{VD}=\sqrt{\frac{1}{2\pi }\int_{\pi }^{2\pi +\alpha }I_{d}^{2}d(\omega t)}=\sqrt{\frac{\pi +\alpha }{2\pi }}I_{d}$

单相半波可控整流电路的特点

VT的 $\alpha$ 移相范围为180°。
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。（变压器二次侧电流单方向流过）
实际上很少应用此种电路。

2.1.2 单相桥式全控整流电路

1）带电阻负载的工作情况

电路结构

工作原理及波形分析

$VT_{1}$ 和 $VT_{4}$ 组成一对桥臂，在 $u_{2}$ 正半周承受电压 $u_{2}$ ，得到触发脉冲即导通，当 $u_{2}$ 过零时关断。

$VT_{2}$ 和 $VT_{3}$ 组成另一对桥臂，在 $u_{2}$ 正半周承受电压 $-u_{2}$ ，得到触发脉冲即导通，当 $u_{2}$ 过零时关断。

$0\leq \omega t< \alpha$ 阶段，4个晶闸管均不导通。 $VT_{1}$ 、 $VT_{4}$ 串联，各承受 $1/2u_{2}$ 。

数量关系

$U_{d}=\frac{1}{\pi }\int_{\alpha }^{\pi }\sqrt{2}U_{2}\sin \omega td(\omega t)=\frac{2\sqrt{2}U_{2}}{\pi }\frac{1+\cos \alpha }{2}=0.9U_{2}\frac{1+\cos \alpha }{2}$

$\alpha$ 的移相范围为180°。

向负载输出的平均电流值为：

$I_{d}=\frac{U_{d}}{R}=0.9\frac{U_{2}}{R}\frac{1+\cos \alpha }{2}$

流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：

$I_{dVT}=\frac{1}{2}I_{d}=0.45\frac{U_{2}}{R}\frac{1+\cos \alpha }{2}$

流过晶闸管的电流有效值：

$I_{VT}=\sqrt{\frac{1}{2\pi }\int_{\alpha }^{\pi }(\frac{\sqrt{2}U_{2}}{R}\sin \omega t)^{2}d(\omega t)}=\frac{U_{2}}{\sqrt{2}R}\sqrt{\frac{1}{2\pi }\sin 2\alpha +\frac{\pi -\alpha }{\pi }}$

变压器二次侧电流有效值 $I_{2}$ 与输出直流电流有效值 $I$ 相等：

$I=I_{2}=\sqrt{\frac{1}{\pi }\int_{\alpha }^{\pi }(\frac{\sqrt{2}U_{2}}{R}\sin \omega t)^{2}d(\omega t)}=\frac{U_{2}}{R}\sqrt{\frac{1}{2\pi }\sin 2\alpha +\frac{\pi -\alpha }{\pi }}$

由上面两个式子得：

$I_{VT}=\frac{1}{\sqrt{2}}I$

不考虑变压器的损耗时，变压器的容量 $S=U_{2}I_{2}=U_{1}I_{1}$ 。

2）带阻感负载的工作情况

电路结构

工作原理及波形分析

假设电路已工作于稳态， $i_{d}$ 的平均值不变。

假设负载电感很大，负载电流 $i_{d}$ 连续且波形近似为一水平线。电感L较小时，电流 $i_{d}$ 下降到零， $i_{d}$ 波形出现断续，晶闸管全部关断，承受电压为 $u_{2}/2$ 。

$u_{2}$ 过零变负时， $i_{d}> 0$ ，晶闸管 $VT_{1}$ 和 $VT_{4}$ 并不关断， $u_{d}= u_{2}< 0$ 。

至 $\omega t=\pi +\alpha$ 时刻，晶闸管 $VT_{1}$ 和 $VT_{4}$ 关断， $VT_{2}$ 和 $VT_{3}$ 两管导通。

$VT_{2}$ 和 $VT_{3}$ 导通后， $VT_{1}$ 和 $VT_{4}$ 承受反压关断，流过 $VT_{1}$ 和 $VT_{4}$ 的电流迅速转移到 $VT_{2}$ 和 $VT_{3}$ 上，此过程称换相，亦称换流。

数量关系

$U_{d}=\frac{1}{\pi }\int_{\alpha }^{\alpha +\pi }\sqrt{2}U_{2}\sin \omega td(\omega t)=\frac{2\sqrt{2}}{\pi }U_{2}\cos \alpha =0.9U_{2}\cos \alpha$

晶闸管移相范围为90°。

晶闸管承受的最大正反向电压均为 $\sqrt{2}U_{2}$ 。

电流连续时，晶闸管导通角 $\theta$ 与 $\alpha$ 无关，均为180°。

电流的平均值和有效值：

$I_{dT}=\frac{1}{2}I_{d}$ ， $I_{T}=\sqrt{\frac{1}{2\pi }\int_{\alpha }^{\pi }I_{d}^{2}d(\omega t)}=\frac{1}{\sqrt{2}}I_{d}=0.707I_{d}$

变压器二次侧电流 $i_{2}$ 的波形为正负各180°的矩形波，其相位由 $\alpha$ 角决定，有效值 $I_{2}=I_{d}=\frac{U_{d}}{R}$ 。

电路的功率因数：

$\cos \phi =\frac{P}{S}=\frac{I^{2}R}{U_{1}I_{1}}=\frac{I^{2}R}{U_{2}I_{2}}=\frac{IR}{U_{2}}=\frac{U_{d}}{U_{2}}=0.9\cos \alpha$ 。

3）带反电动势负载时的工作情况

电路结构

工作原理及波形分析

在 $\left | u_{2} \right |> E$ 时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。

导通之后，

$u_{d}=u_{2}$ ， $i_{d}=\frac{u_{d}-E}{R}$ ，

直至 $\left | u_{2} \right |=E$ ， $i_{d}$ 即降至0使得晶闸管关断，此后 $u_{d}=E$ 。

与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度 $\delta$ 停止导电， $\delta$ 称为停止导电角， $\delta =\sin^{-1}\frac{E}{\sqrt{2}U_{2}}$ 。

在 $\alpha$ 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。

当 $\alpha < \delta$ 时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。

触发脉冲有足够的宽度，保证当 $\omega t=\delta$ 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 $\delta$ 。

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。这时整流电压 $u_{d}$ 的波形和负载电流 $i_{d}$ 的波形与阻感负载电流连续时的波形相同， $u_{d}$ 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：

$L=\frac{2\sqrt{2}U_{2}}{\pi \omega I_{dmin}}=2.87\times 10^{-3}\frac{U_{2}}{I_{dmin}}$ 。

2.1.3 单相全波可控整流电路

单相全波可控整流电路，又称单相双半波可控整流电路。

1）带电阻负载的工作情况

电路结构

工作原理及波形分析

和半波电路相比，全波电路变压器不存在直流磁化的问题。

单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看，波形均是基本一致的。

2）带阻感负载的工作情况

电路结构

工作原理及波形分析

$u_{d}$ 、 $i_{d}$ 波形与桥式相同。

当 $\alpha =90^{\circ}$ 且L极大时， $u_{d}$ 正负面积近似相等， $U_{d}=0$ 。

当 $\alpha > 90^{\circ}$ 或L不够大时，管子将提早关断， $i_{d}$ 波形断续，脉动较大。

续流二极管

为了提高输出电压，消除 $u_{d}$ 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。

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，响应地，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。

单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。

2.1.4 单相桥式半控整流电路

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。

1）带电阻负载

半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。

2）带阻感负载

电路结构

工作原理及波形分析

在 $u_{2}$ 正半周， $u_{2}$ 经 $VT_{1}$ 和 $VD_{4}$ 向负载供电。

$u_{2}$ 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 $VT_{1}$ 和 $VD_{2}$ 续流。

在 $u_{2}$ 负半周触发角 $\alpha$ 时刻触发 $VT_{3}$ ， $VT_{3}$ 导通， $u_{2}$ 经 $VT_{3}$ 和 $VD_{2}$ 向负载供电。

$u_{2}$ 过零变正时， $VD_{4}$ 导通， $VD_{2}$ 关断。 $VT_{3}$ 和 $VD_{4}$ 续流， $u_{d}$ 又为零。

续流二极管的作用

避免可能发生的失控现象：若无续流二极管，则当 $\alpha$ 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 $u_{d}$ 成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控。有续流二极管 $VD_{R}$ 时，续流过程由 $VD_{R}$ 完成，避免了失控的现象。

续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。

单相桥式半控整流电路的另一种接法

电路结构

相当于把单相全控桥的 $VT_{3}$ 和 $VT_{4}$ 换为二极管 $VD_{3}$ 和 $VD_{4}$ ，这样可以省去续流二极管 $VD_{R}$ ，续流由 $VD_{3}$ 和 $VD_{4}$ 来实现。

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电力电子技术（9）——单相可控整流电路

2.1 单相可控整流电路

整流电路的分类

2.1.1 单相半波可控整流电路

1）带电阻负载的工作情况

电路结构

基本数量关系

2）带阻感负载的工作情况

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电力电子电路的一种基本分析方法

续流二极管

单相半波可控整流电路的特点

2.1.2 单相桥式全控整流电路

1）带电阻负载的工作情况

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2）带阻感负载的工作情况

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3）带反电动势负载时的工作情况

电路结构

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1）带电阻负载

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