第2章 可控整流器与有源逆变器

本章主要内容 整流器的结构形式、工作原理，分析整流器的工作波形，整流器各参数的数学关系和设计方法; 整流器工作在逆变状态时的工作原理、工作波形。 变压器漏抗对整流器的影响、整流器带电动机负载时的机械特性、触发电路等内容。

2.1 简 介 可控整流器的交流侧接有工频交流电源，输出的直流电压平均值Ud可以从正的最大值到负的最大值连续可控，但可控整流器的直流电流id的方向不能改变。其中，第一象限上Ud与Id均为正值，处于整流运行状态，能量从交流侧输向直流侧，此时电路称作整流器。在第四象限内Id仍为正，Ud变负，处于逆变运行状态，能量是从直流侧输向交流侧，此时电路称作逆变器。

工频可控整流器

2.2 单相半波可控整流器

2.2.1 电阻性负载 1. 工作原理 在实际应用中，某些负载基本上是电阻性的，如电阻加热炉、电解和电镀等。电阻性负载的特点是电压与电流成正比，波形相同并且同相位，电流可以突变。 首先假设以下几点：(1) 开关元件是理想的，即开关元件(晶闸管)导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大；(2) 变压器是理想的，即变压器漏抗为零，绕组的电阻为零、励磁电流为零。

单相半波可控整流器图和工作波形(电阻性负载)

变压器T起变换电压和隔离的作用，在电源电压正半波，晶闸管承受正向电压，在ωt=α处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上的电压等于变压器输出电压u2。在ωt=π时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。 在电源电压负半波，uAK＜0，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有输出电压，直到电源电压u2的下一周期，直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。

通过改变触发角α的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然α=180º时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。

(1) 触发角α与导通角θ 触发角α也称触发延迟角或控制角，是指晶闸管从承受正向电压开始到导通时止之间的电角度。 导通角θ，是指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。 单相半波可控整流器电阻性负载情况下

(2) 移相与移相范围 移相是指改变触发脉冲ug出现的时刻，即改变控制角α的大小。 移相范围是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是0～180º。

2. 基本数量关系 (1) 直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id 直流输出电压平均值Ud: 输出电流平均值Id:

(2) 输出电压有效值U与输出电流有效值I 输出电压有效值U: 输出电流有效值I:

(3) 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值 单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：

(4) 功率因数cosφ 整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值 式中 P—变压器二次侧有功功率，P=UI=I2R S—变压器二次侧视在功率，S=U2I2 (5) 晶闸管承受的最大正反向电压Um 由图2-2 (f)可以看出晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。

〖例2-1〗 如图所示单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50 V，直流输出平均电流为20A 试计算： (1) 晶闸管的控制角。 (2) 输出电流有效值。 (3) 电路功率因数。 (4) 晶闸管的额定电压和额定电流。

解 (1) 则α=90º (2) Ω 当α=90º时，输出电流有效值 (3)

(4) 晶闸管电流有效值IT 与输出电流有效值相等，即： 则 取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为： （5）晶闸管承受的最高电压： 考虑(2~3)倍安全裕量，晶闸管的额定电压为 根据计算结果可以选取满足要求的晶闸管。

2.2.2 电感性负载 1. 工作原理 电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等。 当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电势，感应电势对负载电流的变化有阻止作用，使得负载电流不能突变。当电流增大时，电感吸收能量储能，电感的感应电势阻止电流增大；当电流减小时，电感释放出能量，感应电势阻止电流的减小，输出电压、电流有相位差。

单相半波可控整流器图和工作波形(电感性负载)

在ωt=0到α期间，晶闸管阳极和阴极之间的电压uAK大于零，但晶闸管门极没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等于零。 在ωt=α时，门极有触发信号，晶闸管被触发导通，负载电压ud= u2。 当ωt=π时，交流电压u2过零，由于有电感电势的存在，晶闸管的电压uAK仍大于零，晶闸管会继续导通，电感的储能全部释放完后，晶闸管在u2反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周。

2. 数量关系 直流输出电压平均值Ud为 从Ud的波形可以看出，由于电感负载的存在，电源电压由正到负过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；当大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零，则id也很小。所以，实际的大感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。

2.2.3 电感性负载加续流二极管 1. 工作原理 电源电压正半波u2＞0，晶闸管电压uAK＞0。在ωt=α处触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流，续流二极管VDR承受反向电压而处于断态。 电源电压负半波u2＜0，通过续流二极管VDR使晶闸管承受反向电压而关断。电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，负载两端的电压仅为续流二极管的管压降。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续。

由以上分析可以看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。 对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同为0～180º，且有α+θ=180º。

单相半波可控整流器图和工作波形 (电感性负载加续流二极管)

2. 基本数量关系 (1) 输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id 输出电压平均值Ud 输出电流平均值Id

(2) 晶闸管的电流平均值IdT与晶闸管的电流有效值IT

(3) 续流二极管的电流平均值IdDR与续流二极管的电流有效值IDR (4) 晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压 晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值。

单相半波可控整流器的优点是电路简单，调整方便，容易实现。但整流电压脉动大，每周期脉动一次。变压器二次侧流过单方向的电流，存在直流磁化、利用率低的问题，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面，这样就导致设备容量增大。

2.3 单相桥式全控整流器

2.3.1 电阻性负载 单相全控桥式整流器图和工作波形(电阻性负载)

1. 工作原理 在电源电压u2正半波，晶闸管VT1、VT4承受正向电压。假设四个晶闸管的漏电阻相等，则在0～α区间由于四个晶闸管都不导通，uAK1，4=1/2 u2。在ωt=α处触发晶闸管VT1、VT4导通，电流沿a→VT1→R→VT4→b流通，此时负载上输出电压ud=u2。电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，处于关断状态，到ωt=π时，因电源电压过零，晶闸管VT1、VT4阳极电流也下降为零而关断。

在电源电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，在π～π+α区间，uAK2，3=1/2 u2，在ωt=π+α处触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿b→VT3→R→VT2→a流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压ud=-u2。此时电源电压反向施加到晶闸管VT1、VT4上，使其处于关断状态。到ωt=2π，电源电压再次过零，VT2、VT3阳极电流也下降为零而关断。

单相桥式整流器电阻性负载时的移相范围是0～180º。α=0º时，输出电压最高；α=180º时，输出电压最小。晶闸管承受最大反向电压Um是相电压峰值，晶闸管承受最大正向电压是。 负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，从而使直流输出电压、电流的脉动程度较前述单相半波得到了改善。变压器二次绕组在正、负半周内均有大小相等、方向相反的电流流过，从而改善了变压器的工作状态并提高了变压器的有效利用率。

2. 基本数量关系 (1) 输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id 输出电压平均值Ud为 输出电流平均值Id为

(2) 输出电压有效值U (3) 输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2 输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2相同为

(4) 晶闸管的电流平均值IdT与晶闸管电流有效值IT (5) 功率因数cosφ 显然功率因数与α相关，α=0º时，cosφ=1。

2.3.2 电感性负载 1. 工作原理 电源电压正半波，在ωt=α处触发晶闸管VT1、VT4，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，元件导通，电流沿a→VT1→L→R→VT4→b流通，此时负载上电压ud=u2。此时电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反向阳极电压而处于关断状态。 当ωt=π时，电源电压自然过零，电感感应电势使晶闸管继续导通。

在电源电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，但没有触发脉冲而不导通；在ωt=π+α处触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿b→VT3→L→R→VT2→a流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压ud= -u2。此时VT1、VT4承受反向电压由导通状态变为关断状态。晶闸管VT2、VT3—直要导通到下一周期ωt=2π+α处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。

单相全控桥式整流器图和工作波形(电感性负载)

从波形可以看出α＞90º输出电压波形正负面积相同，平均值为零，所以移相范围是0～90º。控制角α在0～90º之间变化时，晶闸管导通角θ≡π，导通角θ与控制角α无关。晶闸管承受的最大正、反向电压 Um =

2. 基本数量关系 (1) 输出电压平均值Ud (2) 输出电流平均值Id和变压器副边电流I2

(3) 晶闸管的电流平均值IdT 由于晶闸管轮流导电，所以流过每个晶闸管的平均电流只有负载上平均电流的一半。 (4) 晶闸管的电流有效值IT 与通态平均电流 IT(AV)

3. 反电势负载 (1) 反电势电阻负载的情况 在负载回路无电感时，反电势电阻负载的特点是：当整流电压的瞬时值ud小于反电势E 时，晶闸管承受反压而关断，这使得晶闸管导通角减小。晶闸管导通时，ud=u2， 晶闸管关断时，ud=E。与电阻负载相比晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称作停止导电角。

若α <δ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，即α=δ。 单相全控桥电路图和工作波形(反电势无负载)

(2) 反电势电感性负载的情况 若负载为直流电动机时，此时负载性质为反电动势电感性负载，电感不足够大，输出电流波形仍然断续。在负载回路串接平波电抗器可以减小电流脉动，如果电感足够大，电流就能连续，在这种条件下其工作情况与电感性负载相同。 单相全控桥式整流器主要适用于4kW左右的应用场合，与单相半波可控整流器相比，整流电压脉动减小，每周期脉动两次。变压器二次侧流过正反两个方向的电流，不存在直流磁化，利用率高。

2.4 三相半波可控整流电路

2.4.1 电阻性负载 1 工作原理 为了得到零线，整流变压器二次绕组接成星形。为了给三次谐波电流提供通路，减少高次谐波对电网的影响，变压器一次绕组接成三角形。图中三个晶闸管的阴极连在一起，为共阴极接法。

三相半波可控整流电路α=0º时的波形

稳定工作时，三个晶闸管的触发脉冲互差120º，规定ωt=π/6为控制角α的起点，称为自然换相点。三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正半周波形的交叉点，在各相相电压的π/6处，即ωt1、ωt2、ωt3点， 自然换相点之间互差2π/3，三相脉冲也互差120º。 在ωt1时刻触发VT1，在ωt1～ωt2区间有uu＞uv、uu＞uw，u相电压最高，VT1承受正向电压而导通，输出电压ud＝uu。其他晶闸管承受反向电压而不能导通。VT1通过的电流iT1与变压器二次侧u相电流波形相同，大小相等。

在ωt2时刻触发VT2，在ωt2～ωt3区间 v相电压最高，由于uu＜uv，VT2承受正向电压而导通， ud＝uv。VT1两端电压uT1=uu-uv= uuv<0，晶闸管VT1承受反向电压关断。在VT2导通期间，VT1两端电压uT1= uu-uv= uuv。在ωt2时刻发生的一相晶闸管导通变换为另一相晶闸管导通的过程称为换相。 在ωt3时刻触发VT3，在ωt3～ωt4区间w相电压最高，由于uv＜uw，VT3承受正向电压而导通，ud＝uw。VT2两端电压 uT2= uv-uw=uvw<0，晶闸管VT2承受反向电压关断。在VT3导通期间VT1两端电压uT1= uu-uw= uuw。 这样在一周期内，VT1只导通2π/3，在其余4π/3时间承受反向电压而处于关断状态。

只有承受高电压的晶闸管元件才能被触发导通，输出电压ud波形是相电压的一部分，每周期脉动三次，是三相电源相电压正半波完整包络线，输出电流id与输出电压ud波形相同 (id=ud/R)。 电阻性负载α=0º 时，VT1在VT2、VT3导通时仅承受反压，随着α的增加，晶闸管承受正向电压增加；其他两个晶闸管承受的电压波形相同，仅相位依次相差120º。

三相半波可控整流电路电阻负载α=30时的波形

三相半波可控整流电路电阻负载α=60时的波形

增大α，则整流电压相应减小。 α=30º是输出电压、电流连续和断续的临界点。当α＜30º时，后一相的晶闸管导通使前一相的晶闸管关断。当α＞30º时，导通的晶闸管由于交流电压过零变负而关断后，后一相的晶闸管未到触发时刻，此时三个晶闸管都不导通，直到后一相的晶闸管被触发导通。 从上述波形图可以看出晶闸管承受最大正向电压是变压器二次相电压的峰值，UFM =U2，晶闸管承受最大反向电压是变压器二次线电压的峰值，URM=× U2 =U2。α=150º时输出电压为零，所以三相半波整流电路电阻性负载移相范围是0º～150º。

2 数量关系 (1) 输出电压平均值Ud α=30º是ud波形连续和断续的分界点。因此，计算输出电压平均值Ud时应分两种情况进行。 2 数量关系 (1) 输出电压平均值Ud α=30º是ud波形连续和断续的分界点。因此，计算输出电压平均值Ud时应分两种情况进行。 1) α≤30º时 当α=0º时， Ud= Ud0 =1.17U2 2) α＞30º时 当α=150º时， Ud =0

(2) 输出电流平均值Id (3) 晶闸管电流平均值IdT (4) 晶闸管电流有效值IT 1) α≤30º时 2) α＞30º时

2.4.2 电感性负载 1 工作原理 当α≤30º 时的工作情况与电阻性负载相同，输出电压ud波形、uT波形也相同。由于负载电感的储能作用，输出电流id是近似平直的直流波形，晶闸管中分别流过幅度Id、宽度2π/3的矩形波电流，导通角θ=120º。 当α＞30º 时，假设α=60º，VT1已经导通，在u相交流电压过零变负后，VT1在负载电感产生的感应电势作用下维持导通，输出电压ud＜0，直到VT2 被触发导通，VT1承受反向电压关断，输出电压ud＝uv。 显然，α=90º时输出电压为零，所以移相范围是0º～90º。 显然，晶闸管承受的最大正反向电压是变压器二次线电压的峰值。

三相半波可控整流电路，电感性负载时的电路及α =60时的波形

2 数量关系 (1) 输出电压平均值 由于 ud波形是连续的，所以计算输出电压Ud时只需一个计算公式 α=0º时，Ud=1.17 U2 2 数量关系 (1) 输出电压平均值 由于 ud波形是连续的，所以计算输出电压Ud时只需一个计算公式 α=0º时，Ud=1.17 U2 (2) 输出电流平均值

(3) 晶闸管电流平均值 (4) 晶闸管电流有效值 (5) 晶闸管通态平均电流

2.4.3 三相半波共阳极接法的可控整流电路 把三只晶闸管的阳极接成公共端连在一起就构成了共阳极接法的三相半波可控整流电路，由于阴极不同电位，要求三相的触发电路必须彼此绝缘。由于晶闸管只有在阳极电位高于阴极电位时才能导通，因此晶闸管只在相电压负半周被触发导通，换相总是换到阴极更负的那一相。下图给出了共阳极接法的三相半波可控整流和α=30º时的工作波形。

三相半波可控整流电路共阳极接法及波形

2.5 三相全控桥式整流电路 三相半波可控整流的变压器存在直流磁化的问题，造成变压器发热和利用率下降。三相全控桥式整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来，它可看作是三相半波共阴极接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共阳极接法(VT4，VT6，VT2)的串联组合，

2.5.1 电阻性负载 1 工作原理 三相全控整流电路中共阴极接法(VT1，VT3，VT5)和共阳极接法(VT4，VT6，VT2)的控制角α分别与三相半波可控整流电路共阴极接法和共阳极接法相同。在一个周期内，晶闸管的导通顺序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。 三相桥式全控整流电路

uuv uuW uvw uvv uwu 将一周期相电压分为六个区间： 时段 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 输出 电压 导通 晶闸管 VT6 VT1 输出 电压 uuv uuW uvw uvv uwu 导通 晶闸管 VT6 VT1 VT1 VT2 VT2 VT3 VT3 VT4 VT4 VT5 VT5 VT6

三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0时的波形

三相桥式全控整流电路带电阻负载α =60时的波形

三相桥式全控整流电路带电阻负载α =90时的波形

从上述分析可以总结出三相全控桥式整流电路的工作特点： (1) 任何时候共阴、共阳极组各有一只元件同时导通才能形成电流通路。 (2) 共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5，按相序依次触发导通，相位相差120º，共阳极组晶闸管VT2、VT4、VT6，相位相差120º，同一相的晶闸管相位相差180º。每个晶闸管导通角120º； (3) 输出电压ud由六段线电压组成，每周期脉动六次，每周期脉动频率为300HZ。 (4) 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，它只与晶闸管导通情况有关，其波形由3段组成：一段为零(忽略导通时的压降)，两段为线电压。晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。 (5) 变压器二次绕组流过正负两个方向的电流，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的利用率。

(6) 对触发脉冲宽度的要求：整流桥开始工作时以及电流中断后，要使电路正常工作，需保证应同时导通的2个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：一种是宽脉冲触发，它要求触发脉冲的宽度大于60º(一般为80º～100º)，另一种是双窄脉冲触发，即触发一个晶闸管时，向小一个序号的晶闸管补发脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以多采用双窄脉冲触发。   电阻性负载α≤60º时的ud波形连续，α＞60º时ud波形断续。α=120º时，输出电压为零Ud=0，因此三相全控桥式整流电路电阻性负载移相范围为0º～120º。可以看出，晶闸管元件两端承受的最大正反向电压是变压器二次线电压的峰值

2 参数计算 由于α=60º是输出电压Ud波形连续和断续的分界点，输出电压平均值应分两种情况计算： (1) α≤60º 2 参数计算 由于α=60º是输出电压Ud波形连续和断续的分界点，输出电压平均值应分两种情况计算： (1) α≤60º 当α=0º时， Ud= Ud 0 =2.34U2 (2) α＞60º 当α=120º时， Ud =0

2.5.2 电感性负载 1 工作原理 当α≤60º时电感性负载的工作情况与电阻负载时相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样；区别在于由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。 α＞60º时电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同，由于负载电感感应电势的作用，ud波形会出现负的部分。图2-18为带电感性负载α=90º时的波形，可以看出，α=90º时，ud波形上下对称，平均值为零，因此带电感性负载三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90。

三相桥式全控整流电路带电感性负载α =0时的波形

三相桥式整流电路带电感性负载， α =90时的波形

2 参数计算 (1) 输出电压平均值 由于 ud波形是连续的， α=0º时， Ud0=2.34U2。 (2) 输出电流平均值

(3) 晶闸管电流平均值 (4) 晶闸管电流有效值 (5) 晶闸管额定电流 (6) 变压器二次电流有效值

在反电势电感性负载时 在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电势电感性负载时

2.5.3 其他形式的大功率可控整流电路 双反星形可控整流电路 2.5.3 其他形式的大功率可控整流电路 双反星形可控整流电路 在电解电镀等工业中，常常使用低电压大电流(例如几十伏，几千至几万安)可调直流电源。由于三相桥式整流电路有2倍的晶闸管压降，因此常常使用双反星形可控整流电路

多重化整流电路 整流装置功率很大时，所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用多重化整流电路。 并联多重连接的12脉波整流电路

2.6 变压器漏抗对整流电路的影响 前面我们介绍的各种整流电路都是在理想工作状态下的工作情况，即假设：(1)变压器的漏抗、绕组电阻和励磁电流都可忽略；(2)晶闸管元件是理想的。但实际的交流供电电源总存在电源阻抗，如电源变压器的漏电抗、导线电阻以及为了限制短路电流而加上的交流进线电抗器等。由于电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬时完成。

1 换相过程与换相重叠角 以三相半波可控整流电路为例来讨论换相过程，假设三相漏抗相等，忽略交流侧的电阻，负载电感足够大，则负载电流连续且平直。以晶闸管从u相换到v相为例，VT1已导通。当α=30°时触发VT2，由于变压器漏抗的作用，VT1不立即关断，u相电流iu=Id- ik逐渐减小到零；VT2导通，iv=0逐渐增加到Id。换相过程中，两个晶闸管同时导通，在 uvu电压作用下产生短路电流ik，当 iu=0， iv= Id时，u相和v相之间完成了换相。

变压器漏感对整流电路的影响

2 换相期间的整流电压 换相回路电压平衡方程 换相期间变压器漏感LB两端的电压 换相期间输出电压

3 换相压降 由波形可以看出：与不考虑变压器漏抗的情况比较，整流电压波形少了一块阴影部分，缺少部分为： 3 换相压降 由波形可以看出：与不考虑变压器漏抗的情况比较，整流电压波形少了一块阴影部分，缺少部分为： 式中 XB—漏感为LB的变压器每相折算到二次侧的漏电抗， 单相双半波电路m=2，三相半波m=3，三相桥式电路m=6

这里需要特别说明的是对于单相全控桥，换相压降的计算上述通式不成立，因为单相全控桥虽然每周期换相2次(m=2)，但换相过程中ik是从-Id增加到Id，所以对式(2-50)中的Id应该带入2Id，故对于单相全控桥有：

4 换相重叠角γ 由式(2-48)可得 对上式两边积分，可得 4 换相重叠角γ 由式(2-48)可得 对上式两边积分，可得 显然，当α一定时，XB、Id增大，则γ增大，换流时间增大；XB 、Id一定时，γ随α角的增大而减小。

(1) 对于单相全控桥，与前面对换相压降的讨论一样，所以对于单相全控桥有m=2，Id应该带入2Id，故有 变压器漏感LB的存在可以限制短路电流，限制电流变化率di/dt 。但是变压器漏感会引起电网波形畸变，出现电压缺口，使du/dt加大，影响其他负载；而且由于变压器漏感的存在会使功率因数降低，输出电压脉动增大，降低电压调整率。

2.7 有源逆变电路

2.7.1 逆变的概念 前面我们介绍的各种可控整流电路都工作在整流状态，是将交流电能变换成直流电提供给负载。逆变是把直流电转变成交流电，是整流的逆过程，是将直流电能变换成交流电回馈电网。上述的电路也可以工作在逆变状态。 以三相全控桥式电路为例，这时电流Id仍保持与整流运行状态相同的流动方向，但Ud改变了极性，功率由直流侧流向可控整流电路的交流侧电网。三相可控整流电路的这种逆变模式的工作状态，只有如图所示在直流侧存在一个稳定的能源时才是有可能的。注意，两个电源的不能形成顺向串联。

由三相桥构成的有源逆变电路

举例来说，这个稳定的能源可以是一个光电或风电发电系统所转换出来的电能，经过逆变电路变换成三相交流电再连接到统一的电网中去。逆变可以节能、提高系统性能的作用。如：有轨电车的制动、吊车的下放货物、电气可逆调速系统等。 逆变按照负载是否为交流电源分为有源逆变和无源逆变。如果把变换器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去，称作有源逆变。如果变换器的交流侧不与电网连接，而直接接到普通负载，称作无源逆变。

2.7.2 三相桥式有源逆变电路 假设电感足够大，直流电流近似为一个恒定值，为直流反电势电感负载。为实现有源逆变必须使控制角α＞90°，Ud为负，电源E极性与图中一致，并且有。 无论在整流状态或逆变状态，晶闸管总是受正向电压时才能被触发导通，晶闸管的导电顺序不变；处于关断状态的晶闸管承受正向电压的时间比在整流运行时长。

三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形

逆变状态的控制角为逆变角β： 输出直流电压的平均值 如果考虑变压器的漏抗，则有： 输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即

每个晶闸管导通2π/3，故流过晶闸管的电流有效值为 从交流电源送到直流侧负载的有功功率为: 当逆变工作时，故Pd为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：

2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制 1 逆变失败 可控整流电路在逆变运行时，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使可控整流电路的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，将出现极大的短路电流流过晶闸管和负载，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。

造成逆变失败的原因： (1) 触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各晶闸管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。 (2) 晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能导通。 (3) 交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突然消失而造成逆变失败。 (4) 换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响。

交流侧电抗对逆变换相过程的影响

2 最小逆变角β确定的方法 最小逆变角β的大小要考虑以下因素： (1) 换相重叠角γ。此值随电路形式、工作电流大小、触发角的不同而不同。即 2 最小逆变角β确定的方法 最小逆变角β的大小要考虑以下因素： (1) 换相重叠角γ。此值随电路形式、工作电流大小、触发角的不同而不同。即 根据逆变工作时，α= π-β，由于β越小，γ越大，考虑恶劣情况，设 β=γ ： (2) 晶闸管关断时间 tq 所对应的电角度δ。大的可达200～300ms，折算到电角度约4～5；

(3) 安全裕量角θ′ 考虑到脉冲调整时不对称、电网波动、畸变与温度等影响，还必须留一个安全裕量角，一般取θ′为10左右。 综上所述，最小逆变角为： 为了可靠防止β进入βmin区内，在要求较高的场合，可在触发电路中加一套保护线路，使β在减小时移不到βmin区内，或在βmin处设置产生附加安全脉冲的装置，万一当工作脉冲移入βmin区内时，则安全脉冲保证在βmin处触发晶闸管，防止逆变失败。

2.8 晶闸管触发电路

2.8.1 晶闸管对触发电路的要求 1. 触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。 2.8.1 晶闸管对触发电路的要求 1. 触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。 2. 触发脉冲应满足要求的移相范围。 3．触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步。 4．触发脉冲的应有足够的宽度，脉冲前沿陡度应大于1A/us。 5．为满足三相全控桥的要求，触发电路应能输出双窄脉冲或宽脉冲。 6．为满足反并联可逆电路的要求，触发电路应有αmin、βmin 限制。

2.8.2 同步信号为锯齿波的触发电路

1 脉冲形成与放大环节 脉冲形成环节由V4、V5构成；放大环节由V7、V8组成。控制电压uco加在V4基极上，触发脉冲由脉冲变压器TP二次输出，经整流提供。

当V4的基极电压uco=0时，V4截止。+E1电源通过R11提供给V5一个足够大的基极电流，使V5饱和导通。所以V5集电极电压接近于-E1，V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。电源+E1经R9、V5的发射极到-E1对电容C3充电，充满后电容两端电压接近2E1，极性如图所示。 当uco≥0.7V时，V4导通。A点电位从+E1突降到1V，由于电容C3两端电压不能突变，所以V5基极电位也突降到-2E1，V5基射极反偏置，V5立即截止。它的集电极电压由-E1迅速上升到钳位电压2.1V时，使得V7、V8导通，输出触发脉冲。 同时电容C3由+E1经R11、VD4、V4放电并反向充电，使V5基极电位逐渐上升。直到V5基极电位ub5 >-E1，V5又重新导通。这时V5集电极电压又立即降到-E1，使V7、V8截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度由反向充电时间常数R11C3决定。

2 锯齿波的形成和脉冲移相环节 锯齿波电压形成电路由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。

当V2截止时，恒流源电流I1C对电容C2充电，所以C2两端的电压uC为 uC按线性增长,即ub3按线性增长。调节电位器RP2，可以改变C2的恒定充电电流I1C。 当V2导通时，因R4很小所以C2迅速放电，使得ub3电位迅速降到零伏附近。当V2周期性地导通和关断时，ub3便形成一锯齿波。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。 V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者叠加所定,它们分别通过电阻R6、R7、R8 与V4基极连接。

根据叠加原理，先设uh为锯齿波电压ue3单独作用在基极时的电压，其值为 同理，直流偏移电压up单独作用在V4基极时的电压 为 控制电压uco单独作用在V4基极时的电压 为： 所以， 仍为一条与up平行的直线，但绝对值比up小； 仍为一条与uco平行的直线，但绝对值比uco小。

当V4不导通时，V4的基极b4的波形由 确定。当b4点电压等于0 当V4不导通时，V4的基极b4的波形由 确定。当b4点电压等于0.7V后，V4导通。产生触发脉冲。改变uco便可以改变脉冲产生时刻，脉冲被移相。加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。 以三相全控桥为例，当接反电势电感负载时，脉冲初始相位应定在α=90；当uco=0时，调节up的大小使产生脉冲的M点对应α=90的位置。当uco为0，α=90，则输出电压为0；如uco为正值，M点就向前移，控制角α<90，处于整流工作状态；如uco为负值，M点就向后移，控制角α>90，处于逆变状态。

同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形

3 同步环节 同步环节是由同步变压器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶体管V2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。

与主电路同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关管V2控制的，也就是由V2的基极电位决定的。 同步电压uTS经二极管VD1加在V2的基极上。当电压波形在负半周的下降段时，因Q点为零电位，R点为负电位，VD1导通，电容C1被迅速充电。Q点电位与R点相近，故在这一阶段V2基极为反向偏置，V2截止。 在负半周的上升段，+E1电源通过R1给电容C1充电，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止，uQ为电容反向充电波形。当Q点电位达1.4V时，V2导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来，VD1重新导通，C1放电后又被充电，V2截止。 如此循环往复，在一个正弦波周期内，包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。

4 双窄脉冲形成环节 触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60的脉冲，称内双脉冲电路。而在触发器外部通过脉冲变压器的连接得到双脉冲称为外双脉冲。 本触发电路属于内双脉冲电路。当V5、V6都导通时，V7、V8截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，就会使V7、V8导通，有脉冲输出。因此本电路可以产生符合要求的双脉冲。 第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角α使V4由截止变导通造成V5瞬时截止，使得V8输出脉冲。隔60的第二个脉冲是由后一相触发单元通过连接到引脚Y使本单元V6截止，使本触发电路第二次输出触发脉冲。其中VD4和R17的作用主要是防止双脉冲信号相互干扰。

在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按下图接线。六个触发器的连接顺序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。

5 强触发环节 36V交流电压经整流、滤波后得到50V直流电压，经R15对C6充电，B点电位为50V。当V8导通时，C6经脉冲变压器一次侧R16、V8迅速放电，形成脉冲尖峰，由于有R15的电阻，且电容C6的存储能量有限，B点电位迅速下降。当B点电位下降到14.3V时，VD15导通，B点电位被15V电源钳位在14.3V，形成脉冲平台。C5组成加速电路，用来提高触发脉冲前沿陡度。

6 脉冲封锁 二极管 VD5阴极接零电位或负电位，使V7、V8截止，可以实现脉冲封锁。VD5用来防止接地端与负电源之间形成大电流通路。

2.8.4 触发电路的定相 初始脉冲是指Ud＝0时，控制电压uco与偏移电压up为固定值条件下的触发脉冲。因此，必须根据被触发晶闸管阳极电压的相位，正确供给各触发电路特定相位的同步电压，才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲。这种选择同步电压相位以及得到要求的触发时刻的方法，称为触发电路的定相。

现以三相全控桥为例说明定相的方法。 晶闸管VT1的阳极与uu相接， VT1所接主电路电压为+uu，触发脉冲从0°至180°对应的范围为ωt1～ωt2。 采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240，上升段起始的30和终了段30线性度不好，舍去不用，使用中间的180。所以取同步波- uu。

三相桥整流电路大量用于直流电机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使Ud=0时的触发角α为90º。当α <90º时为整流工作，α>90º时为逆变工作。将α=90º确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90º的移相范围。α=0º对应于uu的30º的位置，说明VT1的同步电压应滞后于uu 180º。对于其他5个晶闸管，也存在同样的关系，即同步电压滞后于主电路电压180º。   因此一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。

同步变压器和整流变压器的接法及矢量图

同步电压的选取结果见表。 晶闸管 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 主电路电压 + Uu - Uw + Uv - Uu - Usu + Usw - Usv + Usu - Usw + Usv

为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波器滞后角为60º时，同步电压选取结果见表 晶闸管 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 主电路 电压 + Uu - Uw + Uv - Uu + Uw - Uv 同步 + Usv - Usu + Usw - Usv + Usu - Usw

2.9 晶闸管-直流电动机系统的机械特性 晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统习惯称为晶闸管-直流电动机系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况，其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本节主要分析由整流电路供电时电动机的工作情况。

2.9.1 工作于整流状态时 1 电流连续时电动机的机械特性 2.9.1 工作于整流状态时 1 电流连续时电动机的机械特性 直流电机传动时负载就是反电势电感负载，在负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电动机稳态时，虽然ud波形脉动较大，但由于电动机有较大的机械惯量，故其转速和反电动势都基本无脉动。此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均电流Id所引起的各种电压降所平衡，整流电压的交流分量则全部降落在电抗器上。

整流电路直流电压的平衡方程为 式中 在负载电流连续的情况下，机械特性方程为：

三相桥式全控整流电路电动机负载电流连续时的机械特性

2.电流断续时电动机的机械特性 当电机工作在电感较小或负载较轻的情况下，电流要出现断续的现象。电流断续时电动机的机械特性呈现出非线性，变软。实际的空载反电动势远大于理想的空载反电动势，这使得理想空载转速升高。实际应用中，串平波电抗器使电动机在工作范围内保持在电流连续状态，提高直流电动机的机械特性硬度。

串联电抗器的电感量决定着主回路最小连续电流值 三相半波主回路电感量 三相全控桥主回路电感量 Idmin 是最小连续电流值，一般取Idmin==(5％～10％)Id 串接的平波电抗器的电感量为

考虑电流断续时不同α时反电动势的机械特性曲线

2.9.2 工作于有源逆变状态时 1 电流连续时电动机的机械特性 主回路电流连续时的机械特性由电压平衡方程式 决定。 逆变时由于 ， 2.9.2 工作于有源逆变状态时 1 电流连续时电动机的机械特性 主回路电流连续时的机械特性由电压平衡方程式 决定。 逆变时由于 ， 因为 ，电动机的机械特性方程式

2 电流断续时电动机的机械特性 电机理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性。当控制角α由小变大，电动机的机械特性则逐渐的由第1象限往下移，进而到达第4象限。 图中第1、第4象限中的特性和第3、第2象限中的特性是分别属于两组整流电路的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以正组和反组变流器。

电动机在四象限中的机械特性

2.10 整流电路的谐波

(1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电效率，大量的3次谐波流过中线会使线路过热甚至发生火灾。 (2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以致损坏。 (3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述(1)和(2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。 (4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。 (5) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

2.10.1 谐波分析基础 1 谐波的概念 当正弦波电压施加在线性无源器件电阻、电感和电容上时，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，但仍为同频的正弦波。但如果正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦波电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。

n次谐波电流含有率以HRIn(Harmonic Ratio for In)表示 电流谐波总畸变率THDi(Total Harmonic distortion)定义为 式中 Ih—总谐波电流有效值

2.10.2 带电感性负载时可控整流电路交流侧谐波分析 2.10.2 带电感性负载时可控整流电路交流侧谐波分析 三相桥式电路输入电流中，电流基波和各次谐波有效值分别为 电流中仅含6k1(k为正整数)次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数，可见三相桥式电路比单相整流电路和三相半波电路谐波成分少。

2.10.3 整流输出电压和电流的谐波分析 整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。 2.10.3 整流输出电压和电流的谐波分析 整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。  =0时整流电压、电流中的谐波有如下规律： (1) m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk(k=1，2，3...)次，即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，也为mk次。 (2) 当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低次(m次)谐波是最主要的，其他次数的谐波相对较少。当负载中有电感时，负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速。 (3) m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速下降。

当 不为0时，谐波电压与 角相关由图可见，当 从0~ 90变化时，ud的谐波幅值随 增大而增大，  =90时谐波幅值最大； 从90~ 180之间电路工作于有源逆变工作状态，ud的谐波幅值随 增大而减小。 三相桥式整流电路n次谐波幅值(取标幺值)对 的关系

小 结 本章的学习重点包括： (1) 学习不同型式整流电路的工作原理，波形分析与数值计算、各种负载对整流电路工作情况的影响。 小 结 本章的学习重点包括： (1) 学习不同型式整流电路的工作原理，波形分析与数值计算、各种负载对整流电路工作情况的影响。 (2) 变压器漏抗对整流电路的影响，重点建立换相压降、换相重叠角等概念，并掌握相关的计算，熟悉漏抗对整流电路工作情况的影响。 (3) 掌握产生有源逆变的条件、逆变失败及最小逆变角的限制等。 (4) 熟悉锯齿波移相触发电路的原理，建立同步的概念，掌握同步电压信号的选取方法。