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第3章相控整流电路,,概念实现交流电能转换为直流电能的电路称为整流电路。,利用电力二极管单向导电性实现的整流电路称为二极管整流电路。其主要特点是输出电压固定，主要作为电压不变的直流电源。利用晶闸管的单向可控导电性实现的整流电路称为相控整流电路，也称可控整流电路。其主要特点是输出电压可调，主要作为电压可调的直流电源。本章主要介绍相控整流电路。,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。（半波和全波）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。按整流电路的负载类型分为电阻性、阻感性和反电动势负载电路。,,3.1单相可控整流电路它可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控整流电路，因为电路所连接的负载不同就会有不同的特点，所以本节主要分析上述电路在各种不同负载时的工作情况。重点注意工作原理（波形分析）、定量计算、不同负载的影响。3.1.1单相半波可控整流电路1.电阻性负载其电路如图，T为整流变压器，起变换电压和隔离的作用。其二次侧电压有效值U2根据输出的直流电压ud的平均值Ud确定。,,负载,,,工作原理在u2正半周，晶闸管VT承受正向电压，在电角度α期间由于未加触发脉冲ug，VT处于正向截止状态而承受全部电压u2，负载R中无电流流过，负载上电压ud为零。在时，VT被ug触发导通，电源电压u2全部加在负载R上（忽略管压降），则负载上有电流流过。到时，电压u2过零，在上述变化过程中，。随着电压的下降，电流也下降，电流与电压同相位。当电流下降到小于晶闸管的维持电流时，VT截止，此时id、ud均为零。在u2的负半周，VT承受反向电压，一直处于反向截止状态，u2全部加在VT两端，直到下一个周期的触发脉冲到来后，T又被触发导通，电路又重复上述工作过程。,电阻负载的特点其电压与电流成正比，两者波形同相位。,,在单相可控整流电路中，定义晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度α称为控制角或移相角或触发角，晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，用θ表示。,电阻性负载时参数计算,根据波形图，可求出整流输出电压平均值为,上式表明，只要改变控制角α即改变触发时刻，ud、id的波形就随之改变，就可以改变整流输出电压的平均值，达到可控整流的目的。因为直流输出电压和电流的波形只在正半周内出现，故称“半波”整流。又因为电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路称为单相半波可控整流电路。即相控整流电路。,,由于整流电压ud波形在电源一个周期内只脉动1次，故该电路也称为单脉波整流电路。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。由,当α0时，Ud0.45U2为最大值，当απ时，Ud0。,则定义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α的变化范围称为移相范围。显然，单相半波相控整流电路带电阻性负载时移相范围为π。根据有效值的定义，整流输出电压的有效值为,则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,上式表明，控制角α越大，波形系数Kf越大。,,如果忽略晶闸管VT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（二次侧）为,整流电路的功率因数为,从上式可知，功率因数是控制角α的函数，且α越大，相控整流输出电压越低，功率因数越小。当α0时，λ0.707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，即使是电阻性负载，λ也不会等于1。注意由晶闸管两端承受的电压波形可知，晶闸管可能承受的峰峰值电压为,,例有一单相半波可控整流电路，负载电阻为直接接到交流电压为220V电源上，如图所示。在控制角时，求输出电压平均值、输出电流平均值和有效值，并选择晶闸管元件（考虑两倍裕量）。,,,,,,,,2阻感性负载阻感性负载（可等效为电感L和电阻R串联）当ωLR时，则负载主要呈现为电感，称为电感性负载。阻感性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能发生突变。阻感性负载电路如图,,工作原理在u2正半周，当晶闸管VT处于断态时，电路中电流id0，负载上电压为0，u2全部加在VT两端。在ωt1时刻，即触发角α处，触发VT使其导通，u2加于负载两端，因电感L的存在使id不能突变，id从0开始增加，但受到L的感应电动势的阻碍，直到ωt2时才达到最大值，随后开始减小。这时，交流电源一方面供给电阻R消耗的能量，另一方面供给电感L吸收的磁场能量。到u2的过零处，即ωt3时刻，id并未减小到0，因此VT仍处于通态，此后L中储存的能量开始释放，一方面供给电阻消耗的能量，另一方面供给变压器二次绕组吸收的能量，从而维持id流动。到ωt4时，电感能量释放完毕，id下降至0，VT关断并立即承受反压，直到下一周期的ωt5时刻，又使VT触发导通，并重复上述过程。,,由波形图可知，在电角度α到π期间，负载上电压为正，在π到αθ期间，负载上电压为负，所以与电阻性负载相比，阻感性负载上所得到的输出电压平均值变小了。其输出电压平均值Ud为,故,上式表明阻感性负载上的电压平均值等于负载电阻上的电压平均值。,所以,可以看出平均电压与控制角α、导通角θ有关，对同一控制角α而言，负载阻抗越大（即L越大），导通角θ越大，输出电压平均值Ud越低。,,由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸管的导通角θ变大，且负载中L越大，θ越大，输出电压波形图上负电压的面积越大，从而使输出电压平均值减小。在大电感负载ωLR的情况下，负载电压波形图中正负面积相近，即不论α为何值，都有，都有。,,由上述分析可知在单相半波可控整流电路中，由于电感的存在使整流输出电压的平均值减小，特别是在大电感负载时输出平均电压为零，负载上得不到应有的电压。解决的办法是在负载两端并联续流二极管VDR，如下图所示。工作原理,在电源电压正半周时，触发晶闸管导通，二极管VDR承受反压而截止，负载电压波形与不接VDR时相同；在电源电压负半周时，VT截止，VDR导通，负载上电感L维持的电流经续流二极管VDR继续流通，此过程称为续流，所以VDR称为续流二极管。此时，负载上电压为零（忽略VDR的管压降），所以不会出现负电压。由此可知，在电源电压正半周负载电流由晶闸管导通提供，在电源电压负半周，二极管VDR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。特别是大电感负载时，负载电流波形是接近于一条平行于横轴的直线，其值为Id。,其晶闸管在一个周期内的导通角为π-α二极管在一个周期内的导通角为πα若id近似为Id，则流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为,,流过续流二极管的电流平均值和有效值分别为,其移相范围为180。晶闸管承受的最大正反向电压均为,续流二极管承受的正向电压为-ud其承受的最大反向电压为,单相半波可控整流电路的特点a.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。b.实际上很少应用此种电路。c.分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。,,3.1.2单相桥式全控整流电路有电阻负载、阻感负载和反电动势负载三种情况。1、电阻性负载（1）电路构成如图，T为整流变压器，四个晶闸管组成两个桥臂（VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂），构成整流桥，二次电压接在a和b两点，负载为纯电阻R。,,（2）工作原理分析当u2进入正半周时，a端电位高于b端，VT1和VT4同时承受正压（VT2和VT3承受反压），如果此时门极无触发信号，则它们仍处于正向截止状态，其等效电阻远大于负载电阻R，u2将全部加在VT1和VT4上（各为1/2的u2，负载上电压为0。在时，给VT1和VT4同时加触发脉冲，则VT1和VT4立即导通，u2将通过VT1和VT4加在负载电阻上。（导通时管压降可视为0）在u2正半周，VT2和VT3均承受反压而处于截止状态。当电源电压u2降到0时，电流id也降为0，VT1和VT4截止。当u2进入负半周时，b端电位高于a端，VT2和VT3同时承受正压，在时，同时给VT2和VT3加触发脉冲使其导通，电流经VT3、R、VT2、T二次侧形成回路。在负载两端获得与u2正半周相同波形的整流电压和电流，这期间VT1和VT4均承受反压而处于截止状态，i2则反向。,,当u2由负半周过0变正时，VT2和VT3因电流过零而截止。在此期间VT1和VT4因承受反压而截止，所以ud和id又降为0。一个周期过后，重复循环。注意两组触发脉冲在相位上相差180度。由此可知在u2的正、负半周里，两组晶闸管轮流触发导通，将交流电变成脉动的直流电。其脉动的次数为2，所以该电路属于双脉波整流电路。改变触发脉冲出现的时刻，即改变触发角的大小，ud和id的波形和平均值大小随之改变。在变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，所以i2的平均值为零，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高。,,（3）参数计算整流输出电压的平均值,即Ud为最小值时，α180，Ud为最大值时α0，所以单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，α的移相范围是0～180。,整流输出电压的有效值为,输出电流的平均值和有效值分别为,变压器二次电流与I相等，即I2I,流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半（因为它们轮流导通），即,流过每个晶闸管的电流有效值为,晶闸管承受的最大正向和反向电压,晶闸管承受的最大正向和反向电压晶闸管在导通时管压降为0，故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT4加正向电压但触发脉冲没到时，四个晶闸管都不导通，假定VT1和VT4的漏电阻相等，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于VT1和VT4反向截止时，漏电流为0，只要另一组晶闸管导通，就把整个电压u2加到VT1或VT4上，故两个晶闸管承受的最大反向电压为,,在一个周期内每个晶闸管只导通一次，则流过晶闸管的电流波形系数为,与半波整流时相同,负载电流的波形系数为,,在一个周期内电源通过变压器Ｔ两次向负载提供能量，因此负载电流有效值I与变压器二次电流有效值I2相同。则电路的功率因数可以按下式计算,①的移相范围相等，均为0～180；②输出电压平均值Ud是半波整流电路的２倍；③在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半；④功率因数提高了倍。,通过上述数量关系的分析，当负载为电阻时，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较,,,,,例题如图所示的单相全控桥式整流电路，，要求之间变化，求（1）整流变压器Tr的变比（不考虑裕量）；（2）选择晶闸管的型号（考虑2倍裕量）；（3）在不考虑损耗的情况下，选择整流变压器的容量；（4）计算负载电阻的功率；（5）计算电路的最大功率因数。,,,,电阻性负载,当负载由电感与电阻组成时称为阻感性负载。单相全控桥式整流电路带阻感性负载的电路如图所示。由于电感储能，而且储能不能突变。因此电感中的电流不能突变，即电感具有阻碍电流变化的作用。当流过电感中的电流变化时，在电感两端将产生感应电动势，引起电压降。负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出电压、电流的波形也具有不同的特点。当负载电感量L较小（即负载阻抗角小），控制角较大，且时，负载上的电流不连续。当电感量L增大时，负载上的电流不连续的可能性就会减小。当电感L很大时，且时，这种负载称为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续，可看作一条水平直线。其各电量的波形如下图所示。,2．阻感负载,,,,,,单相全控桥带阻感负载时的电路及波形图,u,（1）工作原理分析在电源电压u2的正半周，VT1、VT4承受正向电压，若在时触发，VT1、VT4导通，电流经VT1、负载、VT4和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，u2过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT4继续导通，直到VT3、VT2被触发导通时，VT1、VT4承受反向电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。,,,在电源电压u2的负半周，VT3、VT2承受正向电压，在时触发，VT3、VT2导通，VT1、VT4受反向电压截止，负载电流从VT1、VT4中迅速转移至VT3、VT2中。此过程称为换相，也称换流。在时，电压u2过零,VT3、VT2因电感中的感应电动势一直导通，直到下一个周期VT1、VT4导通时，VT3、VT2因加反压才截止。如此循环下去。,（2）阻感负载参数计算,,在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为,整流输出电压有效值为,晶闸管承受的最大正反向电压为,在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通，变压器二次电流是正负对称的方波，电流的平均值Id和有效值I及变压器的I2相等，其波形系数为１。,,,,,,注意只有当时，负载电流才连续，当时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是,控制角等于90度，电压正负面积相等，大于90度，负面积大于正面积。,,流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为,单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器的利用率高等优点。在大电感负载情况下，α接近π/2时，输出电压的平均值接近于零，负载上的电压太小（解决的办法是在负载两端并联续流二极管）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α＝π之前，电流就出现断流。电感量越小，电流开始断续的α值就越小。,（3）结论,,,,3．反电势负载,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电动势E）等负载本身就是一个直流电压源。对于可控整流电路来说，它们就是反电动势负载，可用电动势E和内阻R来表示，如图所示,,（1）工作原理在忽略电路中的电感L时，只有当电压u2的瞬时值大于反电动势E时，晶闸管才会有正向电压，才能触发导通。u2E时，晶闸管截止。导通期间，输出整流电压udu2，同时有则整流电流为直到即降至零使晶闸管关断，此后，,,,,,,,由波形图可知，导电角θ＜π，整流电流波形出现断流。其波形如图所示。图中的δ角为停止导电角。也就是说与电阻负载时相比，晶闸管提前了δ电角度停止导电。其值由下式计算,,当α＜δ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向电压时，触发脉冲仍然存在，这样就要求触发角α≥δ。,,,,,,注意当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。,由图中可以看出导通角越小，则电流波形的底部就越窄，而电流平均值是与电流波形的面积成正比的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这就要求较多地降低反电动势。因此，当电流断续时，随着Id的增大，转速n（与反电动势成比例）降落较大，机械特性较软，相当于整流电流的内阻增大。较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花。同时，对于相等的电流平均值，若电流波形底部越窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。,,,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,有了L，当u2E时甚至变负时，晶闸管仍可导通，只要L足够大就能使电流连续，晶闸管每次导通180。,,3.1.3单相全波可控整流电路又称单相双半波可控整流电路,电路结构变压器T带中心抽头。,工作分析在u2正半周，VT1工作，T二次绕组上半部分流过电流，在u2负半周，VT2工作，T二次绕组下半部分流过反方向电流，其输出电压波形如图，与单相全控桥的输出电压波形一样。从交流输入端电流的波形也可以看出，其波形在一周期内是对称的，所以变压器也不存在直流磁化的问题。,,接其他负载时，也有相同的结论。,但它与全控桥也是有区别的,,单相全波与单相全控桥的区别,单相全波中变压器二次绕组中心有抽头，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，为。（在输出相同电压的情况下）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。,,所以，单相全波电路适宜于在低输出电压的场合应用。,,3.1.4单相桥式半控整流电路1电路结构在单相全控桥式整流电流中，需要四只晶闸管，且触发电路要分时触发一对晶闸管，电路复杂。在实际应用中，如果对控制特性的陡度没有特殊要求，可采用单相半控桥式整流电路，如图，T是整流变压器，VT1、VT2是晶闸管，VD3、VD4是整流二极管。该电路在电阻性负载时的工作情况与全控整流电路完全相同，各参数的计算也相同，本小节仅讨论大电感负载时的工作情况。,,单相桥式半控整流电路,单相桥式全控整流电路,2大电感负载时的工作情况注意大电感负载时，负载电流连续并近似为直线。（1）工作分析在u2正半周，控制角为α时，触发晶闸管T1，则T1和D2导通，负载电流从a点经T1、D2流回到b点，此时整流桥输出电压。当u2过0并开始变负时，由于电感的作用，T1将继续导通，但此时b点电位高于a点电位，使D1正偏导通，而D2反偏截止，电流从D2转换到D1，负载电流从a点经T1、D1继续流回到a点，形成不经过变压器的自然续流。此时整流桥输出电压为T1和D1的正向压降，若忽略管压降，则ud接近于0，所以没有负半波，在这一点上，半控桥和全控桥是不同的。,,在u2负半周，具有与正半周相似的情况。在时触发晶闸管T2，则T2和D1导通，T1承受反压而截止，负载电流从b点经T2、D1流回到a点，此时整流桥输出电压。同理，当u2在2π过零并开始变正时，由于电感的作用，T2将继续导通，D2正偏导通，而D1反偏截止，电流从D1转换到D2，负载电流从b点经T2、D2继续流回到b点，形成不经过变压器的自然续流，此时整流桥输出电压为T2和VD2的正向管压降，若忽略则ud接近于0，如此循环，得到图示波形。,,（2）工作特点,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。α的移相范围为0～180Ud、Ｉd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α无关，交流侧电流为正负对称的交变方波。,,（3）续流二极管的作用消除失控对于大电感负载的单相桥式半控整流电路，在实际运行中，当突然把控制角α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而两个二极管轮流导通现象，此时触发信号对输出电压失去了控制作用，所以把这种现象称为失控现象。失控现象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VD。并联续流二极管后，当u2电压降到零时，负载电流经续流二极管续流，整流桥输出端只有不到1V的压降，迫使晶闸管与二极管串联电路中的电流降到晶闸管的维持电流以下，使其截止，这样就不会出现“失控”现象了。,,单相桥式半控整流电路的另一种接法,,相当于把左图中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VD，续流由VD3和VD4来实现。,这种接法的两个晶闸管阴极电位不同，所以二者的触发电路需要隔离。,,3.大电感负载时的参数计算输出电压平均值为,输出电压有效值为,在控制角为α时，每个晶闸管一周期内的导通角为续流管的流通角为,则流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为,流经续流二极管的平均电流和有效电流分别为,
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