第3章 整流电路 学习目标与重点 掌握整流电路的工作方式； 重点掌握单相整流电路的工作原理和波形分析； 重点掌握三相整流电路的工作原理和波形分析； 了解不同电路中电力电子器件的容量的选取。 关键术语 整流电路； 触发角； 导通角； 移相范围； 管压降； 平均值 【应用导入】手机充电器的工作原理是什么？ 众所周知，手机电池储存的是直流电，而充电器接在电源插座上得到的是交流电，手机充电器如何实现将交流电转变成直流电给手机充电的呢？这就是本章所要学习的变流技术中的整流电路。 在工业生产和科学实验中，很多设备如直流电动机的调速、直流发电机的励磁、电焊、电镀等都需要电压可调的直流电，整流电路就是电力电子技术中将交流转换成直流的电路。整流电路是电力电子技术中出现最早的一种电力变换。 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； 按交流输入相数分为单相电路和多相电路； 按变压器二次电流的方向是单相或双向，又分为单拍电路和双拍电路。其中，采用不可控性器件电力二极管作为整流元件，获得固定大小的直流电压，这种整流称为不可控整流； 采用半控型器件晶闸管作为整流元件，通过控制门极触发脉冲的相位控制输出整流电压的大小，这种整流方式称为可控整流，也称为相控整流； 采用全控型器件（如GTR、GTO、IGBT等）作为整流元件，通过脉冲宽度调制（PWM）实现整流称为PWM整流电路。 学习整流电路的工作原理时，要根据电路的开关器件通、断状态及交流电源电压波形和负载的性质，分析其输出直流电压、电路中各元器件的电压电流波形。在重点掌握各种整流电路中波形分析方法的基础上，得到整流输出电压与移相控制角之间的关系。 整流电路可分为相位控制（简称相控）整流电路和斩波控制（简称斩控）整流电路，本章讲述的主要是相控整流电路。 3.1单相可控整流电路 单相可控整流电路是晶闸管相控整流电路中最简单，也是最基本的电路。本节介绍典型的单相可控整流电路，以此学会一些分析和设计方法。 典型的单相可控整流电路包括单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路及单相桥式可控整流电路等。单相可控整流电路的交流侧接单相电源。 3.1.1单相半波可控整流电路 1. 带电阻负载的工作情况 单相半波可控整流电路的原理图及带电阻负载时的工作波形如图3.1所示。通过整流变压器T得到一个负载所需要的电压瞬时值u2，作为整流电路的输入电压，其一次电压用u1表示，其有效值分别用U1和U2表示，其中U2的大小根据需要的直流输出电压ud的平均值确定。 在工业生产中，呈现电阻性负载的有电阻加热炉、电解电镀装置等。电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。 整流电路的工作过程是，首先认为晶闸管（开关器件）为理想器件，即晶闸管导通时忽略其管压降损耗，并且晶闸管阻断时其漏电流也忽略为零。在特意研究晶闸管的开通、关断过程时要考虑损耗，电路分析中认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。 单相半波可控整流电路阻性负载的电路如图3.1（a）所示，在晶闸管VT处于断态时，电路中没有电流流过，所以负载电阻R两端电压为零，电源电压u2全部施加于VT两端。如在u2正半周VT承受正向阳极电压期间的ωt1时刻给VT门极加触发脉冲，VT满足导通条件，则VT开通。忽略晶闸管通态电压，则直流输出电压瞬时值ud与u2相等。至ωt=π即u2降为零时，电路中电流亦降至零，VT关断，之后ud、id均为零。图3.1（b）分别给出了ud和晶闸管两端电压uVT的波形。id的波形与ud波形相同。 图3.1单相半波可控整流电路及波形 当改变触发时刻时，ud和id波形也随之改变，整流输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流。加之电路中采用了可控件——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。整流电压ud波形在一个电流周期中只脉动1次，故该电路也称为单脉波整流电路。 触发角也称控制角，是指从晶闸管开始承受正向阳极电极起，到施加触发脉冲止的电角度，用α表示。导通角是指晶闸管在一个电流周期中处于通态的电角度，用θ表示，θ=π-α。直流输出电压平均值为 Ud=12π∫πα2U2sinωtd（ωt） =2U22π（1+cosα）=0.45U21+cosα2（31） 可以看出，当α=0时，整流输出电压平均值为最大，用Ud0表示，Ud=Ud0=0.45U2。随着α增大，Ud减小，当α=π时，Ud=0，该电路中VT的α移相范围为180°。所以，调节α角即可控制Ud值。这种通过控制触发脉冲的相位控制直流输出电压的方式称为相位控制方式，简称相控方式。 电流id波形和电压ud波形呈正比，所以也是不完整的正弦波形，因此在选择晶闸管、熔断器、导线截面以及计算负载电阻Rd的有功功率时，必须按电流有效值计算。输出电压的有效值即均方根值U为 U=12π∫πα（2U2sinωt）2d（ωt）=U214πsin2α+π-α2π（32） 电流有效值I为 I=URd=U2Rd14πsin2α+π-α2π（33） 电流波形的波形系数 Kf=IId=14πsin2α+π-α2π2π·1+cosα2=πsin2α+2π（π-α）2（1+cosα）（34） 当α=0时，则 Kf=2π·π22=π2=1.57（35） 由式（35）可见，半波整流电路得到的是脉动直流，其有效值大于平均值，且随着α的增大Kf值也增大，说明在同样直流电流时，其有效值随α增大而增大。 对于整流电路，通常要考虑功率因数cosφ和电源的伏安容量。可以看出，变压器二次侧所供给的有功功率（忽略晶闸管的损耗）为P=I2Rd=UI（注意： 不是i2dRd），而变压器二次侧的视在功率S=U2I。所以电路功率因数为 cosφ=PS=UIU2I=14πsin2α+π-α2π（36） 从式（36）可见，cosφ是α的函数，α=0时，cosφ最大为0.707。这说明尽管是电阻性负载，由于存在谐波电流，电源的功率因数也不会是1，而且当α越大时，功率因数越低。这是因为移相控制导致负载电流波形发生畸变，大量高次谐波成分减小了有功输出却占据了电路容量。 【例31】有一个单相半波可控整流电路，负载电阻Rd=10Ω，直接接到交流电源220V上，要求控制角从0~π可移相，如图3.2所示。求： （1）控制角α=π/3时，电压表、电流表读数。（2）选择晶闸管元件，并计算此时的功率因数。 图3.2单相半波可控整流电路 解： （1） 由式（32）计算得当α=π/3时，则 Ud=12π∫ππ32U2sinωtd（ωt）=2×2202π1+cosπ3 =0.45×220×1+cosπ32=74.4（V） Id=Ud/Rd=74.4/10=7.44（A） （2） 电流的有效值为 IVT=I2=U2Rd14πsin2α+π-α2π=2201014πsin2×π3+π-π/32π=13.95（A） 晶闸管的通态平均电流可以按下式计算与选择 IT（AV）=（1.5-2）IVT1.57=13.33~17.77（A） 式中，取IT（AV）=20（A）。 晶闸管额定电压可按下式计算与选择 UTE=（2~3）Um=622~933（V） 式中，取UTE=1000（V）。 可选用KP2010型晶闸管。 计算此时的功率因数为 cosφ=PS=I2RU2=0.634 2. 带电感负载的工作情况 生产实践中，更常见的是电感性负载，该负载既有电阻也有电感，当负载中感抗ωL与电阻相比不可忽略时即为阻感负载； 若ωLR，则负载主要呈现为电感，称为电感负载，如电机的励磁绕组。 如图3.3(a)所示，将负载换成阻感负载时，电感对电流变化有抗拒作用。当流过电感器件的电流变化时，在电感两端产生感应电动势，其极性是阻止电流变化的，当电流增加时，感应电动势的极性阻止电流增加； 当电流减小时，感应电动势的极性反过来阻止电流减小。这使得流过电感的电流不能发生突变，这是阻感负载的特点，也是理解整流电路带阻感负载工作情况的关键之一。 当晶闸管VT处于断态时，电路中电流id=0，负载L+R两端的电压为0，电源电压u2全部加在VT两端。在ωt1时刻，即触发角α处，触发VT使其开通，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，如图3.3(b)所示，同时L的感应电动势试图阻止id增加； 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由正变负的过零点处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。此后，L中储存的能量逐渐释放，一方面供给电阻消耗的能量，另一方面供给变压器二次侧绕组吸收的能量，从而维持id流动。至ωt2时刻，电感能量释放完毕，id降至0，VT关断并立即承受反压，如图3.3（b）中晶闸管VT两端电压uVT波形所示。由ud波形还可看出，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。 图3.3带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形 随着电感L增大，并到一定程度时，电感L中存储的能量能保证整个负半周期和ωt2到来时间段内仍然保持电流持续，即电源u2负半周L维持晶闸管导通的时间就等于晶闸管在u2正半周导通的时间，ud中负的部分就等于正的部分，其平均值ud等于零，输出的直流电流波形波动较小。 为解决上述矛盾，在整流电路的负载两端并联一个二极管，称为续流二极管，用VD表示，如图3.4(a)所示。图3.4(b)是该电路的典型工作波形。 图3.4单相半波带电阻负载有续流二极管的电路及波形 加有续流二极管的电路与没有续流二极管的电路相比，在u2正半周时两者工作情况是一样的。当u2过零变负时，VDR导通，ud为0。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在LRVDR回路中流通，此过程称为续流。ud波形如图3.4（b）所示，如忽略二极管的通态电压，则在续流期间ud为0，ud中不再出现负的部分，这与电阻负载时基本相同。但与电阻负载时相比，id的波形是不一样的。若L足够大，ωLR，即负载为电感负载，在VT关断期间，VDR可持续导通，使id连续，且id波形接近一条水平线，如图3.4（b）所示。在一周期内，ωt=α~π期间，VT导通，其导通角为π-α，id流过VT，晶闸管电流iVT的波形如图3.4(b)所示； 其余时间id经过VDR，续流二极管电流iVDR波形如图3.4（b）所示，导通角为π+α。若近似认为id为一条水平线，恒为id，则流过晶闸管的平均电流值idVT和有效值iVT分别为 IdVT=π-α2πId（37） IVT=12π∫παI2dd（ωt）=π-α2πId（38） 续流二极管的电流平均值idVDR和有效值iVDR分别为 IdVDR=π+α2πId（39） IVDR=12π∫2π+απI2dd（ωt）=π+α2πId（310） 晶闸管移相范围为0~180°，其承受的最大正反向电压为u2的峰值均为2U2。续流二极管承受的电压为-ud，其最大反向电压为2U2，亦为u2的峰值，正向的电压一直为0V。 单相半波可控整流电路的单输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化，为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。该电路的实际应用较少，分析该电路的主要目的在于为后续的电路打下基础。 3. 单相半波可控整流电路仿真分析 利用Multisim仿真单相半波整流电路输出的电压图形是十分方便的，α=20°时阻性负载的输出电压的波形如图3.5所示。 图3.5单相半波带电阻负载仿真电路及输出电压波形 3.1.2单相桥式全控整流电路 在单相可控整流电路中，单相桥式全控整流电路是应用较多的，电路如图3.6所示，所接负载分为电阻负载、阻感性负载和反向感应电动势负载。 1. 带电阻负载的工作情况 由4个晶闸管构成了单相桥式全控整流电路中的桥，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在u2正半周（即a点电位高于b点电位），4个晶闸管均不导通，负载无电流流过，即id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电源电压 ，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即全部导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也将为零，VT1和VT4关断。 在u2负半周期，仍在触发角α处触发VT2和VT3（VT2和VT3的α=0位于ωt=π处），VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT2、R、VT3流回电源a端。当u2过零，为正半周期时，流经晶闸管的电流也将为零，VT2和VT3关断。半周期后，又是导通，如此循环地工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT4两端电压波形分别如图3.6所示。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为22U2和2U2。 图3.6单相桥式全控整流电路带电阻负载时的电路及波形 无论交流电源的正半周期还是负半周期，负载两端都有电流流过，故该电路为全波整流。在u2一个周期内，整流电压波形脉动2次，脉动次数是半波整流电路的2倍，该电路属于双脉波整流电路。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，平均值为零，即直流分量为零，如图3.6所示，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。 整流电压的平均值为 Ud=1π∫πα2U2sinωtd（ωt） =22U2π（1+cosα）2=0.9U21+cosα2（311） 式中，当α=0°时，Ud=Ud0=0.9U2； 当α=180°时，Ud=0。可见，α角的移相范围为180°。 向负载输出的直流电流平均值为 Id=UdR=22U2πR1+cosα2=0.9U2R1+cosα2（312） 晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即 IdVT=Id2=0.45U2R1+cosα2（313） 为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此需计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为 IVT=12π∫πα2U2Rsinωt2d（ωt）=U22R12πsin2α+π-απ（314） 变压器二次电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为 I=I2=1π∫πα2U2Rsinωt2d（ωt）=U2R12πsin2α+π-απ（315） 由式（314）和式（315）可见 IVT=12I（316） 不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。 2. 带阻感负载的工作情况 桥式全控整流电路阻感负载电路图如图3.7(a)所示。分析电感L的方法同于单相半波可控整流电路，假设电路已工作于稳态。在U2正半周期，触发角α处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。由于有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，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，其波形如图3.7（b）所示。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=π+α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。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，此过程称为换相，亦称为换流。至下一周期重复上述过程，如此循环下去，ud波形如图3.7(b)所示，其平均值为 Ud=1π∫π+αα2U2sinωtd（ωt）=22πU2cosα=0.9U2cosα（317） 当α=0°时，Ud=Ud0=0.9U2。α=90°时，Ud=0。可见，α角的移相范围为90°。 单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管VT1、VT4两端的电压波形如图3.7(b)所示，晶闸管承受的最大正反向电压均为2U2。晶闸管导通角θ与α无关，均为180°，其电流波形如图3.7（b）所示，平均值和有效值分别为IdVT=12Id和IVT=12Id=0.707Id。 图3.7单相桥式全控整流电路带电感负载时的电路及波形 3. 带反电动势负载时的工作情况 反电动势负载指的是负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时。如图3.8(a)所示，下面着重分析反电动势电阻负载时的情况。 当忽略主电路各部分的电感时，只有在u2瞬时值的绝对值大于反电动势即|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。晶闸管导通之后，ud=u2，id=ud-ER，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。 图3.8单相桥式全控整流电路接反动势电阻负载时的电路及波形 4. 电路仿真 利用Multisim仿真单相桥式全控整流电路输出的电压图形，如图3.9所示为α=45°时阻性负载的输出电压的波形。 图3.9单相桥式全控整流电路仿真电路及输出电压波形 3.1.3单相全波可控整流电路 1. 电路分析 单相可控整流电路中较为实用的一种双半波可控整流电路除了单相桥式全控整流电路之外，还有一个就是单相全波可控整流电路，其带电阻负载时的电路如图3.10(a)所示。 图3.10单相全波可控整流电路及波形 在单相全波可控整流电路中，电源侧变压器T带中心抽头，在电源u2正半周，晶闸管VT1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。在电源u2负半周，晶闸管VT2工作，变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。图3.10(b)给出了ud波形。由波形可知，单相全波可控整流电路的ud波形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存在直流磁化的问题。当接其他负载时，也有相同的结论。因此，单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。两者的区别如下： (1) 单相全波可控整流电路中变压器的二次绕组带中心抽头，结构较复杂。绕组及铁心对铜、铁等材料的消耗比单相全控桥多，在当今世界上有色金属资源有限的情况下，这是不利的。 (2) 单相全波可控整流电路中只用2个晶闸管，比单相全控桥式可控整流电路少2个，相应地，晶闸管的门极驱动电路也少2个； 但是在单相全波可控整流电路中，晶闸管承受的最大电压为22U2，是单相全控桥式整流电路的2倍。 (3) 单相全波可控整流电路中，导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而也少了一次管压降。 从上述(2)、(3)考虑，单相全波电路适宜于在低输出电压的场合应用。 2. 电路仿真 利用Multisim仿真单相桥式全波整流电路输出的电压图形，α=45°时阻性负载的输出电压的波形如图3.11所示。 图3.11单相全波整流电路仿真电路及电压输出波形 3.1.4单相桥式半控整流电路 单相桥式全控整流电路中的每一个导电回路中有2个晶闸管，即用2个晶闸管同时导通以控制导电的回路。实际上为了对每个导电回路进行控制，只需一个晶闸管就可以了，另一个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。因此把图3.7（a)中的晶闸管VT2、VT4换成二极管VD2、VD4即成为如图3.12（a)所示的单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同，这里无须讨论。以下针对电感负载进行讨论。 电感电路分析方法与全控桥时相似，假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态。在电源u2正半周，触发角α处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经晶闸管VT1和二极管VD4向负载L和R供电。u2过零变负时，因电感作用使电流连续，电流通过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，同时VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。此阶段，忽略器件的通态压降，则ud=0，不像全控桥电路那样出现ud为负的情况。 同理，在u2负半周触发角α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。此后重复以上过程。 图3.12单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形 为了防止出现失控现象，在该电路实用中需加设续流二极管VDR，如图3.12（a）所示。实际运行中，若无续流二极管，则当α突然增大至180°或触发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，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，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，该现象称为失控。例如，当VT1导通时切断触发电路，则当u2变负时，由于电感的作用，负载电流由VT1和VD2续流，当u2又为正时，因VT1是导通的，u2又经VT1和VD4向负载供电，出现失控现象。 如图3.12所示，有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，在续流阶段所有晶闸管关断，这就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，少了一次管压降，有利于降低损耗。 有续流二极管时电路中各部分的波形如图3.12(b)所示。 抑制失控的单相桥式半控整流电路的另一种接法如图3.13所示，相当于把图3.6 (a)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。这种接法的两个晶闸管阴极电位不同，二者的触发电路需要隔离。 图3.13单相桥式半控整流电路的另一接法 3.2三相可控整流电路 相对于单相整流电路，三相整流电路具有负载容量较大、直流电压脉动较小的优点，其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波的基础上进行分析。本节首先分析三相半波可控整流电路，然后分析三相桥式全控整流电路。 3.2.1三相半波可控整流电路 1. 电阻负载 三相半波可控整流电路如图3.14（a)所示。交流电源侧采用△接法，这样二次侧有零线，并且避免3次谐波电流流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有公共端，连线方便。 分析方法同单相，首先假设将电路中的晶闸管换作二极管，并用VD表示，该电路就成为三相半波不可控整流电路。此时，共阴极连接的三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相所对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压，波形如图3.14（b）~（f）所示。 图3.14三相半波可控整流电路共阴极接法，电阻负载时的电路及α=0°时的波形 在一个周期中，器件工作情况如下： 在ωt1~ωt2中，a相电压最高，VD1导通，ud=ua； 在ωt2~ωt3中，b相电压最高，VD2导通，ud=ub； 在ωt3~ωt4中，c相电压最高，VD3导通，ud=uc。此后，在下一周期相当于ωt1的位置即ωt4时刻，VD1又导通，重复前一周期的工作情况。如此，一周期中VD1、VD2、VD3轮流导通，每管各导通120°。ud波形为三个相电压在正半周期的包络线。 自然换相点指的是，在相电压的交点ωt1、ωt2、ωt3处，均出现了二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，称这些交点为自然换相点。对晶闸管电路而言，自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角α的起点，即α=0°，要改变触发角只能是在此基础上增大，即沿时间坐标轴向右移。若在自然换相点处触发相应的晶闸管导通，则电路的工作情况与以上分析的二极管整流工作情况一样。回顾3.1节的单相可控整流电路可知，各种单相可控整流电路的自然换相点是变压器二次电压u2的过零点。 VT1两端的电压波形如图3.13(f)所示，共由3段组成： 第1段，VT1导通期间，管压降为0，可近似为uVT1=0； 第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，uVT1=ua-ub=uab为一段线电压； 第3段，在VT3导通期间，uVT1=ua-uc=uac为另一段线电压，即晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成。由图可见，α=0°时，晶闸管承受的两段线电压均为负值，随着α增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。其他两管上的电压波形形状相同，相位依次差120°。 增大α值，是将触发脉冲后移，整流电路的工作情况相应地发生变化。 图3.15三相半波可控整流电路，电阻负载，α=30°时的波形 图3.16三相半波可控整流电路，电阻负载，α=60°时的波形 图3.15是α=30°时的波形。从输出电压、电流的波形可看出，这时负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120°。 在α>30°之后，出现波形断续，例如α=60°时，整流电压的波形如图3.16所示，当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断。此时下一相晶闸管虽承受正电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，因此输出电压电流均为零，直到触发脉冲出现为止。这种情况下，负载电流断续，各晶闸管导通角为90°，小于120°。 若α角继续增大，整流电压将越来越小，α=150°时，整流输出电压为0。故电阻负载时α角的移相范围为150°。 由于电压波形分为了连续和断续两种状态，整流电压平均值的计算分两种情况： (1) α≤30°时，负载电流连续，有 Ud=12π3∫5π6+απ6+α2U2sinωtd（ωt）=362πU2cosα=1.17U2cosα（318） 式中，当α=0°时，Ud最大，为Ud=Ud0=1.17U2。 (2) α＞30°时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有 Ud=12π3∫ππ6+α2U2sinωtd（ωt）=322πU21+cosπ6+α =0.675U21+cosπ6+α（319） 负载电流平均值均为 Id=UdR（320） 晶闸管承受的最大反向电压，由图3.15不难看出为变压器二次线电压峰值，即 URM=2×3U2=6U2=2.45U2（321） 由于晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压ud，其最小值为零，而晶闸管阳极与零线间的最高电压等于变压器二次相电压的峰值，因此晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即 UFM=2U2（322） 2. 阻感负载 如果负载为阻感负载，且L值很大，由于电感的储能作用，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波，如图3.17（b）所示。 图3.17三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及α=60°时的波形 当α≤30°时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。 当α＞30°时，例如α=60°时，当u2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。这种情况下ud波形中出现负的部分，若α增大，ud波形中负的部分将增多，波形如图3.17（b）所示。至α=90°时，ud波形中正负面积相等，ud的平均值为零。可见阻感负载时α的移相范围为90°。 由于负载电流连续，Ud可由式（318）求出，即 Ud=1.17U2cosα 变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为 I2=IVT=13Id=0.577Id（323） 由此可求出晶闸管的额定电流为 IVT（AV）=IVT1.57=0.368Id（324） 晶闸管两端电压波形如图3.17（b）所示，由于负载电流连续，因此晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即 UFM=URM=2.45U2（325） 3. 仿真电路 利用Multisim仿真单相桥式全波整流电路输出的电压图形，如图3.18所示为α=30°时阻性负载的输出电压的波形。 图3.18单相全波整流电路仿真电路及输出电压波形 3.2.2三相桥式全控整流电路 目前在各种整流电路中，三相桥式全控整流电路的应用最为广泛，其原理图如图3.19所示，其中6个晶闸管的连接方式为： 3个共阴极连接在一起的晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组； 3个阳极连接在一起的晶闸管（VT2、VT4、VT6）称为共阳极组。此外，按照晶闸管导通的顺序对6个晶闸管进行顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6。 图3.19三相桥式全控整流电路原理图 1. 带电阻负载时的工作情况 分析方法类似于三相半波可控整流电路，假设将电路中的6个晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0°时的情况。所以，共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图3.20所示。 各晶闸管均在自然换相点处换相时，α=0°。由图3.20中变压器二次绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。 图3.20三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0°时的波形 从相电压图形分析得到，共阴极组中的晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线； 共阳极组中的晶闸管导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud=ud1-ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。 对应从相电压分析来看，直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大（正得最多）的相电压.而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周期的包络线。 根据晶闸管导通、关断的变化情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60°，如图3.20所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表3.1所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6。 表3.1三相桥式全控整流电路电阻负载α=0°时晶闸管工作情况 时段 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 共阴极组中导通的晶闸管 VT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5 共阳极组中导通的晶闸管 VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6 整流输出电压ud ua-ub=uab ua-uc=uac ub-uc=ubc ub-ua=uba uc-ua=uca uc-ub=ucb 从触发角α=0°时的情况可以总结出三相桥式全控整流电路的一些特点如下： (1) 每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同1相的晶闸管。 (2) 对触发脉冲的要求： 6个晶闸管的脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序，相位依次差60°； 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°； 同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180°。 (3) 整流输出电压ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。 (4) 在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个品闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法： 一种是使脉冲宽度大于60°（一般取80°～100°），称为宽脉冲触发。另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即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20°～30°，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。 (5) 当α=0°时晶闸管承受的电压波形如图3.20所示。图中仅给出VT1的电压波形。将此波形与三相半波时图3.14中的VT1电压波形比较可见，两者是相同的，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也与三相半波时一样。 以晶闸管VT1为例，VT1流过电流iVT1的波形如图3.20所示，由此波形可以看出，晶闸管一周期中有120°处于通态，240°处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的ud波形相同。 随着触发角α改变，电路的工作情况将发生变化。α=30°时的波形如图3.21所示。从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60°。与α=0°时的情况相同，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表31的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成ud的每一段线电压因此推迟30°，ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化，如图3.21所示。图中同时给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120°期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。 图3.21三相桥式全控整流电路带电阻负载α=30°时的波形 当α=60°时的波形如图3.22所示，电路工作情况仍可对照表31分析。ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。α=60°时ud出现了为零的点，所以α=60°是波形连续的临界点。 由以上分析可见，当α≤60°时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。 图3.22三相桥式全控整流电路带电阻负载α=60°时的波形 当α＞60°时，如α=90°时电阻负载情况下的工作波形如图3.23所示，此时ud波形每60°中有30°为零，由于是电阻负载，电压与电流波形呈正比，一旦电压ud降至零，电流id也降至零，流过晶闸管的电流iVT1即降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，因此ud波形不能出现负值。图3.23中还给出了晶闸管电流和变压器二次电流的波形。 随着触发角继续增大至120°，整流输出电压ud波形将全为零，其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是120°。 图3.23三相桥式全控整流电路带电阻负载α=90°时的波形 2. 阻感负载时的工作情况 三相桥式全控整流电路反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动）是三相桥式全控整流电路阻感负载基础上进行分析的，对于带反电动势阻感负载的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。 当波形连续即当α≤60°时，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，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。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同，电阻负载时id波形与ud的波形形状一样。而阻感负载时，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。图3.24和图3.25分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载α=0°和α=30°时的波形。 图3.24三相桥式全控整流电路带阻感负载α=0°时的波形 晶闸管VT1电流iVT1的波形如图3.24所示，与图3.20带电阻负载时的情况进行比较。由于电感的储能作用，当晶闸管VT1导通时，iVT1波形由负载电流id波形决定，是其一部分，和ud波形不同。 图3.25中除给出ud波形和id波形外，还给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，可与图3.21带电阻负载时的情况进行比较。 图3.25三相桥式全控整流电路带阻感负载α=30°时的波形 在波形断续时，当α＞60°时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，晶闸管继续导通，ud波形会进入负半周。α=90°时的波形如图3.26所示。若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90°。 图3.26三相桥式全控整流电路带阻感负载α=90°时的波形 3. 定量分析 整流输出电压ud的波形在一周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时（即带阻感负载时或带电阻负载α≤60°时）的平均值为 Ud=1π3∫2π3+απ3+α6U2sinωtd（ωt）=2.34U2cosα（326） 带电阻负载且α＞60°时，整流电压平均值为 Ud=3π∫ππ3+α6U2sinωtd（ωt）=2.34U21+cosπ3+α（327） 输出电流平均值为Id=Ud/R。 当整流变压器为图3.19中所示采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图3.24中所示，为正负半周各宽120°、前沿相差180°的矩形波，其有效值为 I2=12πI2d×23π+（-Id）2×23π=23Id=0.816Id（328) 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负载时，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，接反电动势阻感负载时的Id为 Id=Ud-ER（329） 式中，R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。 4. 电路仿真 利用Multisim仿真单相桥式全波整流电路输出的电压图形。如图3.27所示为α=45°时阻性负载的输出电压波形。 图3.27三相桥式全控整流电路仿真电路及电压输出波形 知识拓展 针对目前手机的广泛使用，运用所学的AC/DC整流电路的知识，将由交流电源提供的交流电220V转变成手机所能接受的直流电5V2A。 设计方案： 此处介绍新型RCC式开关，主要电路图如图3.28所示。交流市电经过整流滤波变为直流电，直流电通过启动电路使开关管M1导通，在自激振荡电路的作用下开关管M1导通时变压器存储能量，开关管M1关断时由于反激变换的作用开始 图3.28主结构电路主要电路图（Multism仿真图）此图为仿真图，为与软件一致，电路符号未改为国标，标注的字母也未作修改，请读者注意。 向输出电路传递能量。自激振荡频率由负载电流的变化而变化维持输出电流的恒定。新型RCC式开关电源电路通过对电容的充放电来实现自激振荡，当输出电路电压升高超过额定电压时，阻塞反馈电路通过对输出电压的采样反馈使开关管M1停振，从而阻止能量的继续传递从而降低输出电压，当输出电压降低到额定电压时，阻塞反馈电路停止工作，开关管M1继续自激振荡并且通过反激变换从而向输出电路传递能量，从而达到调节输出电压使其稳定。 具体反激过程是： 开关管M1导通后，变压器T1原边绕组1产生(1正2负)电动势，此时同名端为正，电流流过原边绕组将能量储存在绕组上。由于互感T1辅助绕组2驱动正反馈也产生(3正4负)感应电动势，T1辅助绕组4辅助电源产生(7正8负)感应电动势，T1辅助绕组3输出端产生(5正6负)感应电动势。正反馈辅助绕组使开关管M1更加导通，通过反激变换的作用使二极管D7、D8截止。当开关管M1关断后，原边绕组为了维持原来电流产生感生电动势，原边绕组电压反相(2正1负)，原边通过D5、R4、R3、C3组成环路。 本章小结 将交流转变为直流的电路称为整流电路，可控整流电路在生产中应用广泛。掌握常用的可控整流电路的工作原理、特点与分析方法是本章的重点，也是学习其他类型线路的基础。学习本章时，要抓住相控整流电路是通过改变晶闸管的控制角α要点来进行整流输出电压调节的。单相全桥和三相全桥相控整流电路最为实用。 本章内容结构： 整流电路单相整流电路单相半波可控整流电路： 阻性、阻感 单相桥式全控整流电路： 阻性、阻感 单相全波可控整流电路： 阻性、阻感 单相桥式半控整流电路： 阻性、阻感 三相整流电路三相半波可控整流电路： 阻性、阻感 三相桥式全控整流电路： 阻性、阻感 习题 一、 填空题 1. 电阻负载的特点是，在单相半波可控整流电阻性负载电路中，晶闸管控制角α的最大移相范围是。 2. 阻感负载的特点是，在单相半波可控整流带阻感负载并联续流二极管的电路中，晶闸管承受的最大正反向电压均为，续流二极管承受的最大反向电压为（设U2为相电压有效值）。 3. 单相桥式全控整流电路中，带纯电阻负载时，α角移相范围为，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为和； 带阻感负载时，α角移相范围为，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为和。 4. 晶闸管内部具有层半导体器件，有三个引出端，分别为： 、、。 5. 控制角是指，用表示； 导通角是指，用表示。 6. 单相全波阻感负载的可控整流电路中，α角移相范围为，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为和。 7. 电阻性负载三相半波可控整流电路中，晶闸管所承受的最大正向电压UFM等于，晶闸管控制角α的最大移相范围是，使负载电流连续的条件为 (U2为相电压有效值)。 8. 三相半波可控整流电路中的三个晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互差，当它带阻感负载时，α的移相范围为。 9. 三相桥式全控整流电路带电阻负载工作中，共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是的相电压，而共阳极组中处于导通的晶闸管对应的是的相电压； 这种电路α角的移相范围是，ud波形连续的条件是。 10. 三相桥式全控整流电路带电阻负载工作中，晶闸管的导通顺序是，依次相差。 二、 简答题 1. 如图3.29所示的单相桥式半控整流电路中可能发生失控现象，何为失控，怎样抑制失控？ 图3.29单相桥式半控整流电路 2. 作出单相半波可控整流电路在阻性和阻感性（L足够大）负载下的ud、id、uVT1图形。 3. 作出单相全波可控整流电路在阻性和阻感性（L足够大）负载下的ud、id、uVT1图形。 4. 作出单相桥式全控整流电路在阻性和阻感性（L足够大）负载下的ud、id、uVT1图形。 5. 作出单相桥式半控整流电路在阻性和阻感性（L足够大）负载下的ud、id、uVT1图形。 6. 单相全波和单相桥式全控整流电路二者的区别是什么？ 7. 单相半波可控整流电路中，如果： (1) 晶闸管门极不加触发脉冲； (2) 晶闸管内部短路； (3) 晶闸管内部断开。 试分析上述三种情况负载两端电压ud和晶闸管两端电压uVT的波形。 8. 有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是α，那么共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是a相，在相位上差多少度？ 9. 在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压ud波形如何？ 10. 单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范围分别是多少？ 11. 三相半波可控整流电路，阻性负感载中，α＝60°时，绘制出ud、id、uVT1的图形。 三、 计算题 1. 单相半波可控整流电路对电阻性负载供电，R＝20Ω，U2＝100V，求当α＝0°和α=60°时的负载电流Ud、Id。 2. 单相全波可控整流电路对电阻性负载和阻感性（L足够大）供电，R＝20Ω，U2＝100V，求当α＝0°和α＝60°时的负载电流Ud、Id。 3. 单相桥式全控整流电路对电阻性负载和阻感性（L足够大）供电，R＝20Ω，U2＝100V，求当α＝0°和α＝60°时的负载电流Ud、Id。 4. 单相桥式半控整流电路对电阻性负载和阻感性（L足够大）供电，R＝20Ω，U2＝100V，求当α＝0°和α＝60°时的负载电流Ud、Id。 5. 三相半波可控整流电路对电阻性负载和阻感性（L足够大）供电，R＝20Ω，U2＝100V，求当α＝0°和α＝60°时的负载电流Ud、Id。 6. 三相桥式全控整流电路对电阻性负载和阻感性（L足够大）供电，R＝20Ω，U2＝100V，求当α＝0°和α＝60°时的负载电流Ud、Id。 7. 图3.30为一种简单的舞台调光线路： （1） 根据ud、uG波形分析电路调光工作原理； （2） 说明RP、VD及开关Q的作用； （3） 求本电路晶闸管最小导通角θmin。 图3.30调光台灯线路图