第二章 整流电路 单相可控整流电路

主要内容 单相可控整流电路(3)1w 三相可控整流电路(2) 变压器漏感对整流电路的影响(1)1w 整流电路的谐波和功率因数 整流电路的有源逆变工作状态(1) 相控电路的驱动控制(1) 总结和习题(1)1w

整流电路概述 整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。 整流电路 1）实现交流电能转换为直流电能的电路。 2）是一种把交流电源电压转换成所需的直流电压的一种电路。 3）是把大小和方向都随时间变化的交流电变为单方向流动直流电的变流过程的电路。 4）在电力电子学中，将交流电转变为直流电的过程称为整流，完成整流过程的电力电子变换电路称为整流电路。

整流电路的分类 1）按整流器件分类 不可控整流：完全由整流二极管构成，电路的输出直流电压的平均值和输入交流电压的有效值之比是固定不变的。 全控整流：整流器件由可控器件构成，其输出直流电压的平均值及极性都可以通过控制器件的导通而得到调节。在这种电路中，功率可以由电源向负载传送，也可由负载反馈给电源。 半控整流：整流器件由不控器件和可控器件混合组成，在此电路中，负载电压极性不能变，但平均值可以调节。

2）按整流输出波形和输入波形的关系 半波整流电路：整流器件的阳极（或阴极）全部连接在一起，并接到负载的一端，负载的另一端与电源相连，每条交流电源线中的电流是单一方向的，负载上得到的只是电源电压波形的一半。 全波整流电路：可以看成是两组半波整流电路串联，整流器件一组接成共阴极，一组接成共阳极，分别接到负载的两端，在全波整流电路中，每条交流电源线中的电流是交变的。 3）按电路结构分类 按电路结构可分为桥式电路和零式电路 4）按交流输入相数 分为单相电路，三相电路和多相电路

相控整流电路：采用晶闸管为主要的功率开关器件，通过控制触发脉冲起始相位来控制输出电压的大小。电路容量大，控制简单，技术成熟。 5）按变压器二次侧电流的方向为单向或双向 分为单拍电路和双拍电路 6）按控制方式分类 相控整流电路：采用晶闸管为主要的功率开关器件，通过控制触发脉冲起始相位来控制输出电压的大小。电路容量大，控制简单，技术成熟。 PWM整流电路：采用全控器件，使用现代的控制技术，在工程领域因其优良的性能得到越来越多的应用。

整流电路的学习方法 研究和分析整流电路的工作原理，是学习整流电路的关键。 根据电路结构和负载的特性，分析电路中各整流元件导通和关断的物理过程，从而得到一系列的电压和电流波形，从对波形的分析中导出整流电路的基本数量关系。

要特别注意电路结构形式和直流负载的性质对整流电路的影响，不同的负载，其直流输出电压和电流的波形差别很大，因此在学习中要切实掌握波形分析这一基本功。 注重理论学习与实践的结合。注重和加强实验环节的训练，注重参加电路或系统的设计或调试，不断实践和总结，才能有效地、切实地掌握知识，获得分析问题、解决问题的方法。

整流电路研究的主要内容 整流电路的结构形式及其工作原理 整流电路的工作波形 1） 整流电路的输出电压和输出电流 波形 2）整流电路功率元件的电压和电流波形 3）交流侧电流波形

整流电路的数学关系 1）整流电路的输出直流平均电压与交流输入电压有效值之比与控制角之间的关系。 2）直流输出平均电流及有效值电流的分析与计算。 3）分析整流元件的工作情况，确定各功率元件承受的最大正反向电压和流过的最大电流，合理地选择元件的定额，最大限度地发挥元件的作用。

4）理解和掌握整流电路中常用技术参数和计算方法，如功率、功率因数、效率、相位移系数、波形畸变系数、纹波系数等。这些参数是对一个整流电路技术性能指标的具体评价。 5）注意直流负载的性质对整流电路的影响。

直流负载 实际负载的情况是复杂的，属于单一性质负载的情况很少，往往是几种负载的综合，为了分析的方便，不得不将负载简化为以下四种理想负载情况来分析。 电阻性负载：电灯、电炉、电解、电镀和电焊等，它的特点是电流和电压的波形形状相同。负载是耗能元件，只能消耗电能，不能存储或释放能量。 电感性负载：各种电机的励磁绕组，经大电抗器滤波的负载都属于电感性负载，其特点是，当电抗值比串联的电阻值大得多时，负载电流波形易于连续且较平直。

电容性负载：整流电路输出端接大电容滤波后，其负载呈电容性的特点，即器件刚导通时流过电容很大的充电电流，电流波形呈尖峰状，易损坏器件，因此一般不宜在输出端接大电容器。 反电势负载：整流装置输出端给蓄电池充电或供直流电动机作电源时，属反电势负载。其特点是：只有当电源电压大于反电势时器件才可能导通，电流波形脉动大。

单相可控整流电路 单相半波可控整流电路 （单相半波） 单相全波可控整流电路 单相桥式半控整流电路 （单相半控桥） 单相桥式全控整流电路 （单相全控桥）

相关名词术语和概念 单拍电路：指变压器副边在工作过程中只流过一个方向的电流，此时变压器有直流磁化现象； 双拍电路：指变压器副边在工作过程中流过正反双向电流； “半波”整流：ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称之。 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 表示,也称触发角或控制角。

导通角θ ：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用θ表示。在半波电路中，θ＋ ＝π。 移相：改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角的大小。 移相控制：控制触发角的大小，使输出整流平均电压值发生变化。

的移相范围：指触发角 可以变化的角度范围。改变触发角使输出整流电压平均值从最大值降到最小值的变化范围。在不同的电路中， 有不同的角度范围。如在单相半波电路中， 的移相角度范围是0～π。 相控方式：一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。

换相：在多个晶闸管组成的可控整流电路中,一路晶闸管导通变换为另一路晶闸管导通的过程。 同步：为了使每个周期中的触发角或导通角保持不变,必须使触发脉冲与整流电路电源电压之间保持频率与相位的协调关系。

直流偏磁是造成变压器振动加剧的主要原因。虽然人们对直流单极大地回路运行方式的负面影响有所认识，然而在南方电网发生的变压器振动加剧的事件表明这种“影响”比预期大。 　　从现场监测数据可知，变压器的振动噪声与谐波随着中性线直流电流的增加而增大，而中性线直流电流的大小大致与单极大地运行方式下的直流线路送电功率、直流线路的极性有关。

这一现象可以用大家熟悉的变压器铁心饱和磁化特性来解释：流经绕组的直流电流成为变压器励磁电流的一部分，该直流电流使变压器铁心偏磁，改变了变压器的工作点，使原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心磁饱和区，结果总励磁电流变成尖顶波，最终导致变压器振动增大。

单相半波可控整流电路 Single Phase Half Wave controlled Rectifier 学习单相半波整流电路的目的在于利用其简单易学的特点，建立起可控整流电路的基本概念和正确的学习方法。 直流输出电压平均值Ud，使用万用表直流档测量Ud即为该数值； U2为电源电压有效值（220V）； ＝ π时，Ud=0，可见可以通过调整 来调整Ud。

1 带电阻负载的工作情况 电路的结构形式及工作原理

2 带阻感负载的工作情况 当负载中感抗与电阻相比不能忽略时即为阻感负载。 电感对电流变化有抗拒作用 2 带阻感负载的工作情况 当负载中感抗与电阻相比不能忽略时即为阻感负载。 电感对电流变化有抗拒作用 电感器件两端会感应出电动势，是阻止电流变化的，当电流增加时，其极性阻止电流增加，当电流减小时，其极性阻止电流减小，这使得流过电感的电流不能发生突变。 带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形。图2-2

w t u 2 1 p g d i VT q a b) c) d) e) f) +

考虑一种极端情况： 如果为大电感负载，则ud中的负面积接近正面积，输出的直流平均电压Ud≈0，则id也很小，这样的电路无实际用途。所以，实际的电感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。 所有的半控电路对电感性负载来讲，都有一个失控的问题，必须加续流二极管才能得以解决。 带续流二极管的电感性负载输出电压波形与电阻性负载是相同的，只是幅值不同。 有续流二极管时的情况图2-4

u 2 d i VT I w t 1 O p - a + b) c) d) e) f) g) VD R a)

工作过程和特点 在U2的正半周，VDR承受反向电压，不导通，不影响电路的正常工作; π ～ 2π 期间，电感L的感应电势（下正上负）使VDR导通，此时，L释放能量，维持负载电流通过VDR构成回路，而不通过变压器。称为续流。在续流期间，VT承受u2的负压而关断，此时Ud=0。 当ωL》R时，id不但连续而且基本上维持不变，电流波形接近一条直线。

带续流二极管的单相半波电路基本数量关系： 输出直流电压的平均值 Ud（和纯阻性负载相同） 输出直流电流的平均值Id. （和纯阻性负载相同） 若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则流过SCR的电流平均值和有效值分别为（2-10）

单相半波可控整流电路的特点 特点是线路简单、易调整 但输出电流脉动大，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 实际上很少应用此种电路

单相桥式全控整流电路 带电阻负载时的电路 晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成。在实际的电路中，一般都采用这种标注方法，即上面为1、3，下面为2、4。 带电阻负载时的电路及波形图2-5。其输出电压波形同半控桥式整流电路。

u ( i ) p w t 2 d b) c) d) a VT 1,4 图2-5 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形

基本数量关系 直流输出电压平均值Ud 在同样的控制角α情况下，输出的平均电压Ud是单相半波的两倍； SCR可控移相范围为1800； 属于双拍电路。 直流输出电流平均值Id 和SCR的平均电流idT  由于SCR轮流导电，所以流过每个SCR的平均电流idT只有负载上平均电流的一半。

带电感性负载的工作情况 为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。 假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线： 带电感性负载的工作情况  为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。   假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线： u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断； 至ωt=ð+á 时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通，而VT1和VT4立刻承受负电压，故两管关断。

VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。 整流电路输出平均电压为（2-16）  晶闸管移相范围为90，因为当á ＝ 90 时，Ud＝0。 整流电路输出平均电流Id和SCR的电流平均值IdT 变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由á角决定，有效值I2=Id。 没有失控的问题。

2 O w t u d i b) VT 1,4 I 2,3

带反电动势负载时的工作情况 对于象蓄电池、直流电动机的电枢（转子） 这类负载，本身有反电势，对整流电路来说，称为反电动势负载。 在|u2|>E时，晶闸管才承受正电压， 有导通的可能； 导通之后，ud=u2， 直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E，与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导通，δ称为停止导电角。 在á 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。 整流输出电流的平均值

如图2-7b所示id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续（ á ≥ δ ）。与此对应，若id波形不出现为0的点的情况，称为电流连续（ á < δ ）。此时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，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ùt=á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。

u b) i d O E w t I α q 电流连续 电流断续

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变软。 〔机械特性〕是指电动机的转速n与转矩M的关系n=f（M）。反映出电动机的带载能力 ，直流电机的机械特性是略微向下倾斜的直线，希望该直线越平越好。机械特性差的典型表现是：电机一旦加上较大负载，则转速有明显的下降。

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； 这时整流电路的负载成为反电动势感性负载，整流电压Ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，Ud的计算公式亦一样（请同学们具体分析一下工作过程）； 为保证电流连续所需的电感量L可求出.

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，为了对每个导电回路进行控制，其实只需1个晶闸管就可以了，另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 （单相半控桥）。 当负载为阻性负载时，单相半控桥与单相全控桥工作过程和波形完全一致。 单相半控桥中一般使用续流二极管VDR，它的作用是防止在感性负载时，出现失控现象。  

O b) 2 u d i I a w t p - VT 1 VD 4 3 R

单相半控桥带电感性负载的情况： 假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态： 在U2正半周，触发角á处给晶闸管VT1加触发脉冲，U2经VT1和VD4向负载供电； U2过零变负时，因电感作用使电流连续，电流通过续流二极管VDR进行续流，Ud为零。此时，VT1承受负压关断，VT3承受正压，由于无触发脉冲而关断。变压器二次绕组无电流； 在U2负半周触发角á时刻触发VT3，VT3导通，VDR承受负压而关断，U2经VT3和VD2向负载供电。U2过零变正时，电流再次通过续流二极管VDR进行续流，Ud又为零

半控桥的失控情况和续流二极管VDR的作用：若无续流二极管 U2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流； 在U2负半周触发角á时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断， U2经VT3和VD2向负载供电。U2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，Ud又为零。

当á 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Ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期Ud为零，其平均值保持恒定，即á 失去控制作用，称为失控。 有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，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： 相当于把图2-4a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现，图2-11 直流输出电压平均值Ud、电流平均值Id（和全控桥阻性负载是相同） SwR可控移相范围为1800； 属于双拍电路。 具体的各个电流有效值以及电流的平均值根据电流的波形可以方便得出。

图2-11 单相桥式半控整流电路的另一接法

单相全波可控整流电路与 单相桥式全控整流电路的区别 单相双半波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多； 单相双半波只用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为　　 ，是单相全控桥的2倍； 单相双半波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个；   从上述考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。

a) w t a b) u d i 1 O