第四章 交流-直流变换技术

5
4.2 不控整流电路
自然换流点的概念
自然换流点是后续晶闸管相控整流电路的一个重要概念， 是晶闸管整流电路控制和分析的基础概念之一。
对于任何一个晶闸管相控整流电路，把电路中的晶闸管 换为二极管，此时电路的换流点即为该晶闸管相控整流 电路的自然换流点，它是相对应晶闸管触发脉冲最早允 许出现的时刻（即晶闸管最早允许导通的时刻）。
iL iL1 iL2 2iL1 11
4.2 不控整流电路
三相桥式不控整流电路纯电阻负载工作分析
电路结构 共阴极组电压最高相导通 共阳极组电压最低相导通
12
4.2 不控整流电路
纯电阻负载下工作波形

输出直流电压平均值：
U dav

1 π
2π
3
6U2rms sintd(t ) 2.34U2rms
6
4.2 不控整流电路
单相桥式不控整流电路阻容负载工作分析
二极管导通角与导通起始角关系：
RC
arctan(RC )
e RC e RC sin
1 (RC )2
输出直流电压平均值：
当满足：RC (3 ~ 5)T 2
有：Udav 1.2U 2rms

输出电流平均值：
当 60o负载电流出现断续，晶闸管在换流之前先关断。
37
4.4 三相桥式全控整流电路
ua
ub
uc
ua
38
4.3 三相桥式全控整流电路
ua
ub
uc
ua
39
40
4.4 三相桥式全控整流电路
纯电阻负载运行参数分析
当 60o 时 （1）输出直流电压
3
Udav
2
I Rav

U dav R

二极管电流平均值：
IVDav
Idav 2

I Rav 2
二极管承受电压最大值： UVDmax 2U2rms
7
8
4.2 不控整流电路
单相桥式不控整流电路LC滤波工作波形
9
4.2 不控整流电路
倍压不控整流*
S断开：桥式整流 S合上：倍压整流
10

24
4.3 单相桥式全控整流电路
单相桥式全控整流电路阻感负载工作分析
工作波形分析要点
大电感负载：若负载的感抗ωL>>R（一般>10R），整 个负载的性质主要呈感性。
电感有抗拒电流变化的特性，大电感负载状态由于电 感的储能作用，负载id始终连续且电流近似为一直线。
电路稳态工作时，每组晶闸管均在另一组晶闸管触发
三相桥式不控整流电路阻容负载工作参数
输出电压平均值：
Udav的变化范围：在2.34U2rms～2.45U2rms之间

输出电流平均值：
I Rav

U dav R

二极管电流平均值： IVDav
Idav 3

I Rav 3
二极管承受最高电压： UVDmax 6U2rms
18
4.3 单相桥式全控整流电路
π
π
29
4.3 单相桥式全控整流电路
反电动势负载的特点
晶闸管导通角减小、电流断续，电流波形的底部变窄。 相同的输出电流平均值，必然增大电流的峰值，电流有 效值也随之大增，器件发热量增加，交流电源的容量增 加，功率因数降低。
反电动势负载是直流电动机，增大负载电流，要求降低 电动机的反电势E，电动机的转速就要降低，电动机的机 械特性变软；同时较大的电流峰值导致电动机换向火花 增大，甚至造成环火短路。
导通时才换流关断，每组晶闸管导通时间均为180º。
25
26
4.3 单相桥式全控整流电路
大电感负载运行参数分析
交流电源电压 u2 2U2 sint
整流输出电压平均值
1
Udav
2U2rms sintd(t) 2
2U 2rms

cos

0.9U 2r ms
19
4.2 单相可控整流电路
20
4.3 单相桥式全控整流电路
几个概念
（1）触发延迟角α：从晶闸管自然换流点开始到施加触发脉冲 时刻所对应的电角度，叫做触发延迟角，也叫控制角，用α 表示，在自然换流点触发延迟角 0o。
（2）导通角 ：晶闸管在一个交流电源周期内导通的时间所对 应的电角度，叫做导通角，也叫导电角，用 表示。单相桥 式整流电路电阻负载时 ＝ 。
6
6U
2rms
s
in(t


6
)d(t
)

2.34U
2rms
cos
（2）晶闸管电流有效值
IVTrms
2
2

2[ 6
整流电路的应用
直流电动机的调速、蓄电池充电、电解和电镀、电子、通信 系统中的基础电源等
2
4.2 不控整流电路
常用电路结构形式
单相半波整流、单相桥式整流、单相全波整流
三相半波整流、三相桥式整流
单相桥式不控整流电路纯电阻负载工作分析
直流输出电压平均:
Udav

1 π
π 0
2U 2rms
3
4.2 不控整流电路
i2=-id
i2=-id
4
4.2 不控整流电路
自然换流点的认识 0～时段
VD1、VD4导通，负载上得到正弦交流电压的正半波。
～2时段
VD2、VD3导通，负载上得到正弦交流电压的负半波 在0、、 2时刻，VD1、VD4与VD2、VD3的工作状态 （导通或阻断）由外部电源电压变化而自然变换，器件的这种 切换叫做换流或换相，对应的切换点（相应的时刻）叫做换流 点或换相点，由于不存在主动控制过程，这些换相点称为自然 换流点或自然换相点。
单相桥式全控整流电路电阻负载工作分析
工作波形分析要点
晶闸管的自然换流点在输入电压的过零点，此时刻即 为晶闸管触发脉冲最早允许出现的时刻（此刻开始， 晶闸管才承受正向电压）。
晶闸管导通条件为：承受正向电压并有门极触发脉冲， 导通后晶闸管压降近于零。
晶闸管的关断由于流过的电流过零（输入电压过零）， 或者由于另一组晶闸管满足导通条件下触发导通，导 致两组晶闸管之间出现换流，使前一组晶闸管电流过 零而关断。
35
4.4 三相桥式全控整流电路
36
4.4 三相桥式全控整流电路
波形分析要点 自然换流点：R、S、T、X、Y、Z，即 0o的时刻。
触发脉冲出现的时刻： R’、S’、T’、X’、Y’、Z’，分别
与对应的自然换流点相差 电角度。
在触发脉冲出现的时刻，满足导通条件的晶闸管触发导 通，导致上半桥或下半桥晶闸管之间换流，使原来导通 的管子关断。
负载整流电压平均值Udav
1
Udav π
2U2rms sintd(t)
2U 2rms π
(1

cos
)

0.9U 2rms
1cos
2
直流电流平均值Idav
Idav
Udav R

0.9U 2rms R
1 cos
2
23
4.3 单相桥式全控整流电路
晶闸管的电流有效值（方均根值）
U2rms为相电压有效值(单位为V)； Idavmin为最小连续电流的平均值(单位为A )
31
4.3 单相桥式全控整流电路
32
4.4 三相桥式全控整流电路
三相桥式全控整流电路
33
4.4 三相桥式全控整流电路
三相桥式全控整流电路触发脉冲要求
（1）共阴极组和共阳极组的晶闸管各有一个同时导通； （2）触发脉冲按照管子的编号依次间隔60°； （3）启动过程或电流断续状态下，所有的管子均不导通，为保
（3）移相：改变触发脉冲出现的时刻，即改变α的大小，叫做 移相。改变α的大小，也就控制了整流电路输出电压的大小， 这种方式也叫做“相控”。
21
4.3 单相桥式全控整流电路
（4）移相范围：改变α使输出整流电压平均值从最大值降到最 小值（零或负最大值），α的变化范围叫做移相范围。单相 桥式整流电路电阻负载时移相范围为180º。
电力电子技术 第四章
交流－直流变换技术
1
4.1 概述
整流电路的概念
交流-直流变换电路又叫做整流电路（Rectifier），是将 交流电能变换成直流电能的电路。
整流电路的分类
按电路结构：分为全波整流、半波整流和PWM整流等 按电路器件：分为不可控整流、半控整流和全控整流 按交流电源：分为单相整流、三相整流和多相整流
sin2
2

Udrms
1 (

2U2rms sint )2 d(t ) U2rms
sin2

2
Idrms R
电路的功率因数 PF P Udrms Idrms sin2
S U2rms I2rms
2

(
2U2rms sint E)d(t)
2U2rms (cos cos ) E
π
π
当α<δ时，要求触发脉冲有足够的宽度，保证 t 时
刻触发脉冲存在，此时晶闸管导通
Udav

E

1 π
π
(
2U2rms sint E)d(t) 2
2U2rms cos 2 E
cos
输出电流id为平直的直流电流：
Id
Idrms
Idav
Udav R
0.9 U2rms R
cos
晶闸管导通角θ与α无关，均为180º，电流的有效值
IVTrms
1
2

( Id )2 d(t )


1 2 Id
变压器二次交流电流有效值 I2rms Id
sintd(t )

22 π
U 2rms

0.9U 2rms
负载直流电流平均值:
Idav
Udav R

0.9U 2rms R
负载(输入)电流的有效值:
I2rms
1π (
2U2rms sint )2 d(t ) U2rms
π0 R
R
流过二极管的电流有效值:
I VDrms

U 2rms 2R
证同时导通的两个晶闸管均有触发脉冲，采用两种方法： 方法1：使脉冲宽度大于60°（一般取80°～100°），称
为宽脉冲触发。 方法2：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18°～36°，称为双脉冲触发。
34
4.4 三相桥式全控整流电路
三相桥式全控整流电路电阻负载工作分析
30
4.3 单相桥式全控整流电路
反电动势负载的改进措施
一般在反电动势负载的直流回路中串联一个平波电抗器，抑 制电流脉动和延长晶闸管导通时间。当电感量足够大时，电流连 续，输出电压、电流波形与阻感性负载类似，Udav的计算亦相同。
保证负载电流连续的电感量： L 2.87 103 U 2rms (H) I davmin
27
4.3 单相桥式全控整流电路
单相桥式全控整流电路带反电动势负载的工作波形
28
4.3 单相桥式全控整流电路
单相桥式全控整流电路带反电动势负载的工作分析
由于存在反电势负载，晶闸管提前关断 停止导电角：＝arcsin E
2U 2rms
当α≥δ时，输出直流电压
1 π
Udav
E π
IVTrms
1 (
2U2rms sint )2 d(t ) U2rms
2 R
2R
sin2
2

变压器次级电流的有效值（即直流负载电流的有效值）
I2rms Idrms
1 (

2U2rms sint )2 d(t ) U2rms
R
R
负载上的电压有效值Udrms
（5）同步：为了使整流电路输出电压波形呈周期性地重复，触 发脉冲与整流电路的交流电压在频率和相位上必须保持某种 固定的协调关系，这种关系就叫做同步。触发脉冲与交流电 源电压保持同步是可控整流电路正常工作必不可少的条件。
22
4.3 单相桥式全控整流电路
单相桥式全控整流电路电阻负载运行参数分析
输入电压 u2 2U2rms sint
二极管承受电压峰值： 6U2rms 3 3
13
4.2 不控整流电路
三相桥式不控整流电路阻容负载工作分析
电路结构
14
4.2 不控整流电路
工作波形
RC 3
id断续
15
4.2 不控整流电路
工作波形
id临界连续
id连续
16
LC 滤 波 三 相 不 控 整 流 波 形
17
4.2 不控整流电路
4.2 不控整流电路
倍流不控整流*
0～t1时段： VD1截止，VD2导通，
iL iL1 iL2 2iL1
t2～t3时段： VD2截止，VD1导通，
iL iL1 iL2 2iL1
t1～t2及t3～ t4时段： uT 0 ，VD1、VD2导通，
iL iL1 iL2 2iL1