1、第1章 单相相控整流电路1.1 认识功率二极管和晶闸管1.2 单相相控整流电路基本原理1.3 单相整流电路应用实例分析1.1认识功率二极管和晶闸管1.1.1功率二极管1.功率二极管的工作原理功率二极管是以PN结为基础的，实际上就是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。功率二极管的结构和图形符号如图1-1所示。图1-1功率二极管的结构和图形符号(a)结构示意图；(b)图形符号功率二极管主要有螺栓型和平板型两种外形，如图1-2所示。图1-2功率二极管外形(a)螺栓型；(b)平板型功率二极管和电子电路中的二极管工作原理一样，即若二极管处于正向电压作用下，则PN结导通，正向管压降很小；反之，
2、若二极管处于反向电压作用下，则PN结截止，仅有极小的可忽略的漏电流流过二极管。经实验测量可得功率二极管的伏安特性曲线，如图1-3所示。图1-3功率二极管的伏安特性曲线 2 功率二极管的主要参数1)正向平均电流正向平均电流(IF(AV)是指在规定的管壳温度和散热条件下，允许通过的最大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流就是该电流。实际应用中，功率二极管所流过的最大有效电流为I，则其正向平均电流一般选择为(1-1)2)正向压降正向压降(UF)是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。上述这两个参数是选择功率二极管的主要依据。3.功率二极管的主要类型1)整流二极管2)快速恢复二极
3、管3)肖特基二极管1.1.2晶闸管1.晶闸管的结构晶闸管是一种大功率半导体变流器件，它具有三个PN结的四层结构，其外形、结构和图形符号如图1-4所示。由最外的P1层和N2层引出的两个电极，分别为阳极A和阴极K，由中间的P2层引出的电极是门极G(也称控制极)。晶闸管的国际通用名称为Thyristor,简写为V。图1-4晶闸管的外形、结构和图形符号(a)螺栓式；(b)平板式；(c)结构示意图；(d)图形符号2.晶闸管的工作原理可以通过如图1-5所示电路做一个简单的实验来说明晶闸管的工作原理。在图1-5中，由电源Ea、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极组成晶闸管主电路；由电源Eg、开关S、晶闸管门极和阴极组
4、成控制电路，也称触发电路。图1-5晶闸管导通试验电路图为了进一步说明晶闸管的工作原理，可把晶闸管看成是由一个PNP型和一个NPN型晶体管连接而成的，其连接形式如图1-6所示。阳极A相当于PNP型晶体管V1的发射极，阴极K相当于NPN型晶体管V2的发射极。图1-6晶闸管工作原理等效电路3.晶闸管的伏安特性晶闸管阳极与阴极间的电压UA和阳极电流IA的关系称为阳极伏安特性。正确使用晶闸管就必须了解其阳极伏安特性(简称伏安特性)。晶闸管阳极伏安特性曲线如图1-7所示，包括正向特性(第象限)和反向特性(第象限)两部分。图1-7晶闸管阳极伏安特性曲线4.晶闸管的主要参数1)正向重复峰值电压在控制极断路和晶
5、闸管正向阻断的条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压称为正向重复峰值电压UDRM。一般规定此电压取值为正向转折电压UBO的80%。2)反向重复峰值电压在控制极断路时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压称为反向重复峰值电压URRM。此电压取值为反向击穿电压URO的80%。3)通态平均电流IV(AV)在环境温度小于40和标准散热及全导通的条件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流平均值称为通态平均电流IV(AV)，或正向平均电流。通常所说晶闸管是多少安就是指这个电流。如果正弦半波电流的最大值为IM，则 (1-2)额定电流有效值为 (1-3)现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形
6、系数，用Kf表示：(1-4)根据式(1-4)可求出正弦半波电流的波形系数为这说明额定电流IV(AV)=100 A的晶闸管，其额定电流有效值为IV=KfIV(AV)=157 A。4)维持电流IH和掣住电流IL在室温且控制极开路时，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH。维持电流大的晶闸管容易关断。维持电流与元件容量、结温等因素有关，同一型号的元件其维持电流也不相同。通常，在晶闸管的铭牌上标明了常温下IH的实测值。给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称为掣住电流IL。对同一晶闸管来说，掣住电流IL要比维持电流IH大24倍
7、。5)晶闸管的开通与关断时间晶闸管作为无触点开关，在导通与阻断两种工作状态之间的转换并不是瞬时完成的，需要有一定的时间。当元件的导通与关断频率较高时，就必须考虑这种时间的影响。(1)开通时间tgt。(2)关断时间tq。5.晶闸管的型号按国家JB114475规定，普通硅晶闸管型号及其含义如图1-8所示。图1-8晶闸管型号的含义6.晶闸管的简单测试方法对于晶闸管的三个电极，可以用万用表粗测其好坏。依据PN结单向导电原理，用万用表欧姆挡测试晶闸管的三个电极之间的阻值，可初步判断其是否完好。7.晶闸管的派生系列1)快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching Thyristor，FST)的外形、
8、符号、基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同，但它是专为快速应用而设计的。快速晶闸管开通与关断时间短，允许的电流上升率高，开关损耗小，在规定的频率范围内可获得较平直的电流波形。普通晶闸管关断时间为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒。2)双向晶闸管双向晶闸管(Triode AC Switch，TRIAC或Bidirectional triode thyristor)可被认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成。图1-9所示为它的基本结构(参见图1-9(a)、等效电路(参见图1-9(b)及伏安特性(参见图1-9(c)。双向晶闸管有两个主电极V1和V2，一个门极G。门极使器件在主电极的正、反两个方向均可触发导
9、通，所以双向晶闸管在第和第象限有对称的伏安特性。图1-9双向晶闸管的结构及伏安特性(a)基本结构；(b)等效电路；(c)伏安特性 1.2单相相控整流电路基本原理1.2.1电阻性负载1电路的工作原理电炉、白炽灯等均属于电阻性负载。电阻性负载的特点是：负载两端电压和所流过的电流波形相同，相位相同。图1-10单相全控桥式整流电路电阻性负载及其波形(a)电路；(b)电源电压；(c)触发脉冲；(d)输出电压；(e)晶闸管上的电压；(f)变压器副边电流2数值关系由图1-10(d)可知整流输出电压的平均值为 (1-5)当=0时，相当于不可控桥式整流，此时输出电压最大，即Ud=0.9U2；当=180时，输出电
10、压为零，故晶闸管的可控移相范围为0180。整流输出电压的有效值为(1-6)在负载上，输出电流的平均值Id和有效值I分别为 (1-7)(1-8)负载电流的波形系数为 (1-9)因为晶闸管V1、V4和V2、V3在电路中是轮流导电的，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，即 (1-10)流过晶闸管的电流有效值为 (1-11)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与变压器次级电流有效值I2相同。那么电路的功率因数可以按下式计算：(1-12)例1-1如图1-10(a)所示单相全控桥式整流电路，Rd=4，要求Id在0A25 A之间变化。(1)求整流变压器T的变
11、比(不考虑裕量)；(2)求连接导线的截面积(取允许电流密度J=6 A/mm2)；(3)选择晶闸管的型号(考虑2倍的裕量)；(4)在不考虑损耗的情况下，选择整流变压器的容量；(5)计算负载电阻的功率；(6)计算电路的最大功率因数。解(1)负载上的最大平均电压为又因为Ud=0.9U2 当=0时，Ud最大，即Udmax=0.9U2，有所以变压器的变比为(2)因为=0时，id的波形系数为所以负载电流有效值为选择导线截面积为故选BU-70铜线。(3)考虑到每个晶闸管电流的有效值IT=I/则晶闸管的额定电流为再考虑到2倍裕量的条件，取30 A。晶闸管承受的最高电压若考虑2倍的裕量，则取 400 V，选择K
12、P30-4的晶闸管。(4)变压器的容量为(5)负载电阻的功率为(6)电路的最大功率因数为当=0时，1.2.2大电感负载1单相全控桥式整流电路在生产实践中，除了电阻性负载外，最常见的负载还有电感性负载，如电动机的励磁绕组，整流电路中串入的滤波电抗器等。为了便于分析和计算，在电路图中将电阻和电感分开表示。图1-11单相全控桥式整流电路带电感性负载电路及其波形(a)电路；(b)电源电压；(c)触发脉冲；(d)输出电压；(e)输出电流；(f)晶闸管V1、V2上的电流；(g)晶闸管V2、V3上的电流；(h)变压器副边电流；(i)晶闸管V1、V4上的电压当负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算：(1-
13、13)流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为 (1-14)(1-15)2 单相半控桥式整流电路在单相全控桥式整流电路中，需要四只晶闸管，且触发电路要分时触发其中的一对晶闸管，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，可采用图1-12(a)所示的单相半控桥式整流电路。图中T是整流变压器，V1、V2是晶闸管，VD1、VD2是整流二极管。图1-12单相半控桥式整流电路带大电感负载时的电压、电流波形(a)电路；(b)波形单相半控桥式整流电路带大电感性负载时，虽本身有自然续流的能力，似乎不需要另接续流二极管，但在实际运行中，当突然把控制角增大到180以上或突然切断触发电路时，会发生正在
14、导通的晶闸管一直导通，两个二极管轮流导通的现象。此时触发信号对输出电压失去了控制作用，我们把这种现象称为失控。失控现象在实际使用中是不允许的，为消除失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需另接续流二极管VD，如图1-13(a)所示。图1-13单相半控桥式整流电路带大电感负载接续流二极管时的波形(a)电路；(b)波形加上续流二极管之后，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1 V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，使晶闸管关断，这样就不会出现失控现象了。接上续流二极管后，电路中各处电流波形如图1-13(b)所示。根据以上分析，可求出输出
15、电压平均值为 (1-16)其输出电压有效值为 (1-17)在控制角为时，每个晶闸管一周期内的导通角为V=，续流管的流通角为D=2，则流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为(1-18)(1-19)流经续流二极管的电流平均值和有效值分别为 (1-20)(1-21)1.2.3集成单相可控桥式整流模块与单相桥式整流电路一样，实际应用中通常选用桥式可控整流电路的集成模块。图 1-14 所示为某生产厂家生产的集成单相可控桥式整流模块的外形。图1-14集成单相可控桥式整流模块的外形MTQ为单相全控桥集成模块，MFQ为单相半控桥集成模块，MFQ(X)为带续流二极管的单相半控桥集成模块，它们的内部电路如图1-15
16、所示。图1-15集成单相可控桥式整流模块内部电路(a)MTQ单相全控桥；(b)MFQ单相半控桥；(c)MFQ(X)单相半控桥带续流二极管1.3单相整流电路应用实例分析1.3.1单结晶体管触发电路晶闸管在承受正向电压的同时还必须在门极与阴极之间加上触发电压，才能从阻断变为导通，提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。晶闸管触发电路决定每个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中不可缺少的一个重要组成部分。正确使用触发电路可以充分发挥晶闸管及其装置的潜力，保证其安全、可靠运行。1.对触发电路的要求(1)触发信号可为直流、交流或脉冲电压。(2)触发脉冲应有足够的功率。(3)触发脉冲应有一定的宽度，脉
17、冲的前沿尽可能陡，故触发脉冲的宽度至少应有 6 s 以上。对于电感性负载，由于电感会抵制电流上升，因此触发脉冲的宽度应更大一些，通常要0.5 ms1 ms。(4)触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。2.认识单结晶体管单结晶体管也称为双基极二极管，它有一个发射极(E)和两个基极(分别为B1、B2)，共三个电极，外形和普通三极管相似。单结晶体管的结构示意图和电气符号如图1-16所示。图1-16单结晶体管结构示意图和电气符号(a)结构示意图；(b)电气符号图1-17所示为单结晶体管特性实验电路及其等值电路。将单结晶体管等效成一个二极管VD和两个电阻这样，当两基极上加电压
18、UBB时，上分得的电压为(1-22)式中，为分压比，是单结晶体管的主要参数，一般取值为0.50.9。图1-17单结晶体管特性试验电路及其等值电路(a)实验电路图；(b)等效电路图3.单结晶体管的自激振荡电路利用单结晶体管的特性与RC电路的充、放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲，其电路如图1-18(a)所示。图1-18单结晶体管自激振荡电路及其波形(a)电路；(b)波形设电源未接通时，电容C上的电压为零。在电源接通后，C经电阻RE充电，电容两端的电压uC逐渐升高，当uC达到单结晶体管的峰点电压UP时，单结晶体管导通，电容经单结晶体管的发射极、电阻 RB1 向电阻R1放电，在R1上输出一个
19、脉冲电压。当电容放电至uC=UV，并趋向更低时，单结晶体管截止，R1上的脉冲电压结束。之后电容从UV值又开始充电，当充电到UP时，单结晶体管又导通，此过程一直重复下去，在R1上就得到一系列的脉冲电压。由于C的放电时间常数1=(R1+RB1)C远小于充电时间常数2=REC，故脉冲电压为锯齿波。uC和 uR1 的波形如图1-18(b)所示。改变RE的大小，可改变C的充电速度，从而改变电路的自振荡频率。应该注意，当RE的值太大或太小时，都不能使电路振荡。RE太大时，较小的发射极电流IE能在RE上产生大的压降，使电容两端的电压uC升不到峰点电压UP，单结晶体管就不能导通。当RE太小时，单结晶体管导通后
20、的IE将一直大于1 V，单结晶体管不能关断。欲使电路振荡，RE的值应满足下列条件：(1-23)若忽略电容的放电时间，则上述电路的自振荡频率近似为(1-24)电阻R1上的脉冲电压宽度主要取决于电容的放电时间常数。1.3.2小容量可控直流电源实例1.由单结晶体管构成的触发电路由单结晶体管构成触发电路，并与半控桥式整流电路共同构成一小容量直流可调电源，如图1-19所示。图1-19单结晶体管触发电路及波形(a)电路；(b)波形2.由集成触发器构成的触发电路除了可以用上述单结晶体管构成触发电路外，还可以采用专用的集成晶闸管触发器。现以常用的KC系列中KC11集成触发器为例说明直流可调电源的构成。KC11
21、晶闸管移相触发电路适用于单相、三相半控桥式供电装置中，输出电路具有输出负载能力大、移相范围宽、对同步电压要求低等功能与特点。KC11采用双列直插C18线、C14线白瓷、黑瓷两种外壳封装，外形尺寸按原电子工业部部颁标准半导体集成电路外形尺寸SJ1100-76标准执行，如图1-20所示。图1-20KC11晶闸管集成触发器封装型由KC11组成的移相触发典型电路如图1-21(a)所示。如果从KC11的管脚4接入与主电路电源频率相同、相位相同的同步电压uV大于10 V有效值时，需串入限流电阻R3，其阻值可以按下式计算：(1-25)图1-21(b)所示为KC11各管脚的波形图。管脚9在同步电源的负半周期输
22、出脉冲接于主电路中的晶闸管的门极。在实际应用中，如果需在主电路电源的正半周期输出脉冲，则使同步电压与主电路电源电压相差180即可。如果管脚9输出的脉冲信号能量不够大，则可将此信号用一个放大电路放大或接入脉冲变压器后再接于晶闸管的门极。图1-21由KC11组成的移相触发典型电路及管脚输出波形(a)由KC11组成的移相触发典型电路；(b)各管脚波形图由集成块KC11作为触发器的单相半控桥式整流电路如图1-22所示。下面观察KC11的同步电压uV与主电路电源电压u2的相位关系。图1-22采用KC11触发的单相半控桥式整流电路第2章 三相相控整流电路2.1 三相半波相控整流电路2.2 三相全控桥式整流
23、电路2.3 三相半控桥式整流电路2.4 变压器漏电抗对整流电路的影响2.5 三相整流电路应用实例分析2.1三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路是最基本的三相可控整流形式，其余的三相可控整流电路都可看做是由三相半波相控整流电路以不同方式串联或并联组成的。2.1.1电阻性负载的整流过程三相半波(又称三相零式)可控整流电路如图2-1(a)所示。图中T是整流变压器，也可直接由三相四线电源供电。三只晶闸管的阴极连在一起，称为共阴极接法。共阴极接法在触发电路中有公共线时，连接比较方便，所以得到了广泛应用。图2-1三相半波可控整流电路电阻性负载=0时的波形(a)电路；(b)电源相电压；(c)触发脉冲；(
24、d)输出电压、电流(e)晶闸管V1上的电流；(f)晶闸管V1上的电压图2-2所示是三相半波可控整流电路电阻性负载=30时的波形。设V3已导通，负载上获得c相相电压uc。当电源经过自然换流点t0时，因为V1的触发脉冲ug1还没来到，因而不能导通，而uc仍大于零，所以V3不能关断而继续导通，直到t1处，此时ug1触发V1导通，V3承受反压关断，负载电流从c相换到a相。以后如此循环下去。从图2-2(b)中可看出，这是负载电流连续的临界状态，一周期中每只晶闸管仍导通120。图2-2三相半波可控整波电路电阻性负载=30时的波形(a)电源相电压；(b)触发脉冲；(c)输出电压、电流；(d)晶闸管V1上的电
25、流；(e)晶闸管V1上的电压图2-3所示是三相半波可控整流电路电阻性负载=60时波形。设V3已工作，电路输出c相相电压uc。当uc过零变负时，V3因承受反压而关断，此时V1虽已承受正向电压，但因其触发脉冲ug1尚未来到，故不能导通。此后，直到ug1到来前的一段时间内，各相都不导通，输出电压、电流都为零。当ug1到来时，V1导通，输出电压为a相相电压ua。依次循环。当控制角继续增大时，整流电路输出电压ud将继续减小；当=150时，ud就减小到零。图2-3三相半波可控整流电路电阻性负载=60时的波形(a)电源相电压；(b)触发脉冲；(c)输出电压、电流；(d)晶闸管V1上的电压由上分析可知：(1)
26、当控制角=0时，输出电压最大；增大，输出电压减小。当=150时，输出电压为零，所以最大移相范围为150。当30时，电流(压)连续，每相晶闸管的导通角为120；当30时，电流(电压)断续，导通角小于120，导通角为=150。(2)由于每相导电情况相同，故只需在1/3周期内求取电路输出电压的平均值，就是一个周期内电路输出的电压平均值。当30时，电流电压连续，输出直流电压平均值为(2-1)式中，U2j为变压器次级相电压有效值。当30150时，电路输出电压ud、输出电流id的波形断续(参见图2-3)，导通角=150。可求得输出电压的平均值为(2-2)(3)负载电流的平均值为(2-3)流过每个晶闸管的平
27、均电流为(2-4)流过每个晶闸管电流的有效值为(2-5)(2-6)(4)从图2-1(f)可看出，晶闸管所承受的最大反向电压为电源线电压的峰值，即 最大正向电压为电源相电压的峰值，即2.1.2大电感负载的整流过程大电感负载电路如图2-4(a)所示。(1)由图中可看出晶闸管承受的最大正、反向电压均为线电压峰值，这一点与电阻性负载时晶闸管承受的正向电压是不同的。(2)输出电压的平均值Ud可由输出电压ud的波形从内积分求得：(2-7)负载电流的平均值为(2-8)流过晶闸管的电流平均值与有效值为(2-9)(2-10)图2-4三相半波可控整流电路大电感负载=60时的波形(a)电路；(b)电源相电压；(c)
28、触发脉冲；(d)输出电流；(e)晶闸管上的电压(3)由式(2-7)可知，当=0时，Ud为最大值；当=90时，Ud=0。因此大电感负载时三相半波整流电路的移相范围为090。三相半波可控整流电路带电感性负载时，可以通过加接续流二极管解决因控制角接近90时输出电压波形出现正、负面积相等而使其平均电压为零的问题，电路形式如图 2-5(a)所示。图2-5(b)、(c)是加接续流二极管VD后，大电感负载当=60时电路输出的电压、电流波形。以a相为例，当a相电压过零使电流有减小的趋势时，由于电感L的作用，产生自感电势eL，其方向与电流id的方向一致，因此使续流二极管VD导通，此时电路输出电压ud为二极管两端
29、电压近似为零，电感L释放能量使输出电流id保持连续。由于a相电流为零使V1管关断，当V2管的触发脉冲ug2使V2触发导通后，b相相电压使二极管VD承受反压而截止，电路输出b相相电压。重复上述过程。图2-5三相半波可控整流电路电感负载带续流二极管时的波形(a)电路；(b)输出电压；(c)输出电流很明显，输出电压ud的波形与纯电阻负载时的一样，Ud的计算公式也与电阻性负载时的相同。一个周期内，晶闸管的导通角V=150。续流二极管在一个周期内导通三次，因此其导通角VD=3(30)。流过晶闸管的平均电流和电流的有效值分别为(2-11)(2-12)流过续流二极管的电流平均值和有效值分别为(2-13)(2
30、-14)2.1.3反电势负载整流电路串联平波电抗器的电动机负载就是一种反电势负载。当电感L足够大时，负载电流id波形近似于一条直线，电路输出电压ud的波形及计算与大电感负载时的一样。但当L不够大或负载电流太小，L中储存的磁场能量不足以维持电流连续时，则ud的波形中出现由反电势E形成的阶梯，Ud的计算不再符合前面介绍的计算公式。2.1.4共阳极整流电路图2-6(a)所示电路为将三只晶闸管阳极连接在一起的三相半波可控整流电路，称为共阳极接法。这种接法可将散热器连在一起，但三个触发电源必须相互绝缘。共阳极接法时的晶闸管只能在相电压的负半周期工作，其阴极电位为负且在有触发脉冲时导通，换相总是换到阴极电
31、位更负的那一相去。相电压负半周期的交点就是共阳极接法的自然换流点。共阳极整流电路的工作情况、波形及数量关系与共阴极接法相同，仅输出极性相反，其输出电压波形和三个晶闸管中电流波形如图2-6(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示。均为负值。大电感负载时，Ud的计算公式为 (2-15)式中，负号表示电源零线是负载电压的正极端。图2-6三相半波共阳极可控整流电路及波形(a)电路；(b)输出电压；(c)输出电流；(d)V1上的电流；(e)V2上的电流；(f)V3上的电流2.1.5三相半波相控整流电路的特点三相半波相控整流电路具有以下特点：(1)晶闸管承受的最大电压为电源线电压峰值。(2)控制角的最大
32、移相范围为150。当负载为大电感负载时，控制角为90。(3)对于共阴极电路，只在电源电压为正时才能触发导通，自然换相点在三相电压正弦波正半周期的交点处；对于共阳极电路，只在电源电压为负时才能触发导通，自然换相点在三相电压正弦波负半周期的交点处。电流连续时,整流输出电压的平均值为Ud=1.17U2f cos。2.2三相全控桥式整流电路三相全控桥式整流电路是由一组共阴极接法的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串联而成，如图2-7所示，因此整流输出电压的平均值Ud为三相半波可控整流时的两倍，在大电感负载时为 (2-16)式中，U2L为变压器次级线电压有效值。图2-7三相全控桥
33、式整流电路2.2.1控制角=0时的整流过程1.电路整流过程图2-8所示是控制角=0时三相全控桥式整流电路中的主要波形。为分析方便，把一个周期分为六段(即图2-8(a)中(1)(6)段)，每段相隔60。图2-8三相全控桥式大电感负载=0时的波形(a)输入电压；(b)晶闸管导通情况；(c)触发脉冲；(d)输出电压(e)变压器次级电流及电源线电流；(f)晶闸管上的电压2.整流波形分析由以上分析可得出如下几点：(1)三相全控桥式整流电路在任何时刻必须保证有两个不同组的晶闸管同时导通才能构成回路。(2)为了保证整流装置启动时共阴与共阳两组各有一个晶闸管导通，或由于电流断续后能使关断的晶闸管再次导通，必须
34、对两组中应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲。(3)整流输出电压ud由线电压波头uab、uac、ubc、uba、uca和ucb组成，其波形是上述线电压的包络线。(4)图2-8(e)所示为流过变压器次级和电源线电流的波形。(5)图2-8(f)所示为晶闸管所承受的电压波形。可以看出，晶闸管所承受最大正、反向电压均为线电压峰值，即(2-17)(6)脉冲的移相范围在大电感负载时为090。(7)流过晶闸管的电流与三相半波时相同，电流的平均值和有效值分别为 (2-18)(2-19)2.2.2控制角0时的整流过程当0时，每个晶闸管都不在自然换流点换流，而是后移一个角开始换流，图 2-9、图2-10、图2-11所
35、示分别为=30、60、90时电路的电压波形。图2-9三相全控桥式大电感负载=30时的电压波形(a)输入电压；(b)输出电压；(c)晶闸管上的电压 图2-10三相全控桥式大电感负载=60时的电压波形(a)输入电压；(b)输出电压；(c)晶闸管上的电压 图2-11三相全控桥式大电感负载=90时的电压波形(a)输入电压；(b)输出电压；(c)晶闸管上的电压2.2.3MTS型三相全控桥模块与三相整流电路类似，在实际实用中，通常采用三相全控桥式电路的集成模块，用MTS表示，字母的含义是：M：模块；T：普通晶闸管；S：三相桥式电路。图2-12所示为某厂家生产的这种集成三相桥式模块的外形图。可以看到，厂家将
36、其内部电路清楚地标注在模块的表面，与我们讨论的三相全控桥式整流电路完全相同，它有三个交流输入端子和两个直流输出端子，使用时依据厂家标注正确接入电源和负载。图2-12MTS模块2.3三相半控桥式整流电路三相全控桥式整流电路的可控性高，可以输出正、反两个方向的直流电压，但由于要控制六个晶闸管的导通和关断，因此控制电路复杂，成本高，且移相范围有限。在不需要输出正、反两个方向直流电压的应用中，常采用三相半控桥式整流电路，其电路形式如图2-13所示。图2-13三相半控桥式整流电路2.3.1控制角=30时的整流过程由于电路中只有三只晶闸管，因此一个电源周期中控制电路向主电路发3次触发脉冲，其间隔为120，
37、如图2-14(a)中t1、t3、t5时刻，分别给晶闸管V1、V3和V5发出触发脉冲。而图中t2、t4、t6时刻则是共阳极二极管的自然换相点。图2-14三相半控桥大电感负载=30时的电压波形(a)电源相电压；(b)输出电压由图2-14可以看出，负载电压波形的周期为负载电压直流成分即输出电压的平均值Ud与的关系为 (2-20)2.3.2控制角=90时的整流过程三相半控桥大电感负载=90时的电压波形如图2-15所示。图2-15三相半控桥大电感负载=90时的电压波形(a)电源相电压；(b)输出电压由图2-15可得出60时负载电压平均值与的关系为 (2-21)图2-16带续流二极管的三相半控桥式整流电路
38、2.4变压器漏电抗对整流电路的影响2.4.1换相期间的输出电压以三相半波可控整流、大电感负载为例，分析漏抗对整流电路的影响，等值电路如图2-17(a)所示。在换相(即换流)时，由于漏抗阻止电流变化，因此电流不能突变，而要有一个变化过程。图2-17变压器漏抗对可控整流电路电压、电流波形的影响(a)电路；(b)输入电压；(c)输出电压2.4.2可控整流电路的外特性可控整流电路对直流负载来说，是一个有内阻的电压可调的直流电源。如果考虑换相压降U、整流变压器电阻RT(为变压器次级绕组每相电阻与初级绕组折算到次级的每相电阻之和)及晶闸管压降U后，直流输出电压为(2-22)图2-18考虑变压器漏抗时的可控
39、整流电路外特性 2.5三相整流电路应用实例分析2.5.1三相半波可控整流电路组成的直流电源1.KC04集成移相触发器KC系列集成触发器品种多、功能全、可靠性高、调试方便，应用非常广泛。下面介绍KC04集成移相触发器。图2-19所示是KC04集成触发器的内部电路组成，它由同步电路、锯齿波形成电路、移相电路、脉冲形成电路和脉冲输出电路组成。图2-19KC04集成触发器内部电路组成图2-20KC04组成的移相式触发电路及各管脚波形(a)触发电路；(b)同步电压波形；(c)4脚波形；(d)9脚波形;(e)12脚波形；(f)13脚波形；(g)1脚波形；(h)15脚波形2.同步电压的获取三相半波可控制整流
40、的完整电路如图2-21所示，该电路由三个晶闸管构成，输出接电阻性负载，这种电路的移相范围要求为0150。可选用三块KC04作为其触发器，只要接入正确的同步电压即可保证电路正常工作。图2-21三相半波可控制直流电源以a相晶闸管V1为例，当=0时，触发电路产生的触发脉冲应对准a相电压的自然换流点，即对准相电压ua的30时刻。而触发脉冲正好就在锯齿波的充电过程中，即上升的直线段产生，所以，锯齿波的起点正好是相电压ua增大过零点处，如图2-22所示。图2-22主电压与同步电压的相位关系图2-23相量图及同步变压器接线图(a)整流变压器T/Y-1相量图；(b)同步变压器TB/Y-5相量图；(c)同步变压
41、器TB/Y-5接线图2.5.2三相全控桥式整流电路组成的直流电源1.六路双脉冲触发器KC41C三相全控桥式整流电路对触发脉冲的要求：(1)一个周期内共需6路输出脉冲。(2)共阴极组A、B、C相触发脉冲在电源的正半周期产生，相位互差120。为了保证晶闸管可靠触发，脉冲可以用宽脉或同一相脉冲在相隔60时，再补发一个脉冲，称为双窄脉冲。(3)共阳极组触发脉冲在电源的负半周期产生，其要求与共阳极组相同，多采用双窄脉冲。(4)接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲相差180。(5)在同一相电源中，需要4个脉冲，其中两个在正半周期产生，相位互差60；另两个相位相差180后，在电源的负半周期产生，相位互差60。K
42、C41C是一种内双脉冲发生器，它一般不单独使用，常与KC04结合起来产生触发脉冲，实现控制触发晶闸管的功能。图2-24所示是这种集成触发器的接线方式和各管脚波形。图2-24KC41C外部接线图及各管脚波形图(a)KC41C外部接图；(b)电源电压；(c)各管脚波形利用三片KC04与一片KC41C可组成三相全控桥式整流的触发电路，如图2-25所示。图2-25KC04与KC41C组成的全控桥式触发电路由于三相全控整流电路要求双窄脉冲触发，因此再将这三块KC04的输出端接入一块KC41C的输入端，就可在KC41C的输出端获得相位关系满足以上条件，同时又是双窄脉冲输出的脉冲列。六个输出端正好与三相全控
43、桥的六个晶闸管的控制极相接，A0接V1的控制极、C0接V2的控制极、B0接V3的控制极接线顺序如图2-26所示。图2-26三相全控桥式直流电源2.同步电压的获取在图2-26所示的三相全控桥式整流电路中，整流变压器T为/Y-5接法，采用锯齿波同步触发电路的KC04触发器。如果电路工作在整流与逆变状态，那么它的控制角的移相范围为0180。考虑到电容的充、放电在电源起始处的非线性，因此取相电压的 30210 作为控制角0180移相区间。图2-27相量图及同步变压器接线图(a)整流变压器T/Y-5相量图；(b)同步变压器TB Y/Y-4相量图；(c)同步变压器TB Y/Y-4接线图；(d)Y/Y-4的
44、相量图第3章 有源逆变电路3.1 逆变的概念3.2 三相半波逆变电路3.3 三相桥式逆变电路3.4 逆变电路的应用3.1逆 变 的 概 念3.1.1整流与逆变的关系前面两章讨论的是把交流电能通过晶闸管变换为直流电能并供给负载，即可控整流电路。但在实际生产中，往往出现需要将直流电能变换为交流电能的相反过程。例如，应用晶闸管的电力机车，当机车下坡运行时，机车上的直流电机将由于机械能的作用作为直流发电机运行，此时就需要将直流电能变换为交流电能回送电网，以实现电机制动；运转中的直流电机，要实现快速制动，较理想的办法是将该直流电机作为直流发电机运行，并利用晶闸管将直流电能变换为交流电能回送电网，从而实现
45、直流电机的发电机制动。3.1.2能量的变换关系分析有源逆变电路工作时，正确把握电源间能量的流转关系至关重要。整流和有源逆变的根本区别就表现在能量传送方向上的不同，下面针对图3-1所示电路加以分析。图3-1两个电源间能量的传送图3-1(a)所示为直流电源E1和E2同极性相连。当E1E2时，回路中的电流为 (3-1)式中，R为回路的总电阻。此时电源E1输出电能E1I，其中一部分为R所消耗的I2R，其余部分则为电源E2所吸收E2I。注意，在上述情况中，输出电能的电源其电势方向与电流方向一致，而吸收电能的电源则两者方向相反。在图3-1(b)中，两个电源的极性均与图3-1(a)中相反，但还是属于两个电源
46、间同极性相连的形式。如果电源E2E1，则电流方向如图3-2(b)中所示，回路中的电流I为(3-2)此时，变为电源E2输出电能，电源E1却吸收电能。图3-2直流卷扬系统(a)提升重物；(b)下放重物在图3-1(c)中，两个电源反极性相连，则电路中的电流I为(3-3)此时电源E1和E2均同时输出电能，输出的电能全部消耗在电阻R上，如果电阻R的值很小，则电路中的电流必然很大。若R=0，则形成两个电源短路的情况。综上所述，可得出以下结论：(1)两电源同极性相连，电流总是从高电势电源流向低电势电源，其电流的大小取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。如果回路电阻很小，则很小的电势差也足以形成较大的电流，两
47、电源之间发生较大能量的交换。(2)若电流从电源的正极流出，则该电源输出电能；而电流从电源的正极流入，则该电源为吸收电能。电源输出或吸收功率的大小则由电势与电流的乘积来决定，若电势或者电流方向改变，则电能的传送方向也随之改变。(3)两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间的短路，应当避免这种情况的发生。3.1.3有源逆变电路的工作过程1 提升重物时，变流器工作于整流状态由第一章的学习已知，对于单相全控整流桥，若控制角在0/2之间的某个对应角度触发晶闸管，则上述变流电路输出的直流平均电压为Ud=Ud0 cos，因为此时均小于/2，故Ud为正值。在该电压作用下，直流电机转动，卷扬机将重
48、物提升起来，直流电机转动产生的反电势为ED，且ED略小于输出直流平均电压Ud，此时电枢回路的电流为 (3-4)2 中间状态当卷扬机将重物提升到要求高度时，自然就需在某个位置停住，这时只要将控制角调到等于/2的位置，在变流器输出电压波形中，其正、负面积相等，电压平均值Ud为零，电动机停转(实际上采用电磁抱闸断电制动)，反电势ED也同时为零。此时，虽然Ud为零，但仍有微小的直流电流存在，有关波形如图3-3(b)所示。3 下放重物时，变流器工作于逆变状态在上述卷扬系统中，当重物下放时，由于重力对重物的作用，必将牵动电机使之与重物上升的相反方向转动，电机产生的反电势ED的极性也将随之反相，如果变流器仍
49、工作在/2的整流状态，从上面曾分析过的电源能量流转关系不难看出，此时将发生电源间类似短路的情况。为此，只能让变流器工作在/2的状态，这是因为当/2时，其输出直流平均电压Ud为负，出现类似如图3-1(b)中所示两电源极性同时反向的情况，此时如果能满足EDUd，则回路中的电流为 图3-3直流卷扬机系统的电压电流波形由上面所分析的单相全控桥式有源逆变工作的情况，不难得出下述实现有源逆变的基本条件：(1)外部条件。务必要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势源，这种直流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势。它是使电流从变流器的直流测回馈交流电网的源泉，其数值应稍大于变流器直流侧输出的直
50、流平均电压。(2)内部条件。要求变流器中晶闸管的控制角/2，这样才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交流电网的流转。3.2三相半波逆变电路3.2.1电路的整流工作状态在图3-4(a)所示电路中，当=60时，依次触发晶闸管，其输出电压波形如图中实线所示。因负载回路中接有足够大的平波电感，故电流连续。对于=60的情况，输出电压瞬时值均为正，其平均电压也自然为正值。对于在0/2范围的其他移相角，即使输出电压的瞬时值ud有正也有负，但正电压的面积总是大于负电压的面积，输出电压的平均值Ud也总是为正，其极性如图中所示，为上正下负，而且Ud略大于ED。图3-4三相半波共阴极逆变主
