第第2 2章章 整流与有源逆变整流与有源逆变 2.1 概述将交流电转换成直流电的变换称之为整流，实现整流变换的装置称之为整流器。 可控整流不控整流 整流整流 逆变逆变在整流变换过程中，其平均功率（或能量）的流向是从交流电源流向直流负载。 工业应用中常常需要把直流电能转换成交流电能，这种对应于整流的逆向过程称之为逆变 。有源逆变无源逆变在逆变过程中，其平均功率（或能量）是从直流侧流向交流侧的。 图2-1 整流与逆变的功率流向 图2-2 部分常用的整流电路可控整流电路的主元件在采用晶闸管时，其控制方式都采用相位控制，故这类整流电路又称之为相控整流。 c）d）除c）、d）外a）e）f）、g）b）、f） c）、d）、e）、g）a）、b）*、f）c）、d）、e）、g）2.2 单相可控整流电路图2-3 电阻性负载的单相半波整流电路及其工作波形 2.2.1电阻性负载的单相半波可控整流理想化假设 :1.开关元件是理想的 2.变压器是理想的 3.电网电压是理想的正弦波 （一）工作原理 （二）控制角、元件导通角 （三）输出电压（四）输出电流 （五）元件电压 2.2.2 电感性负载的单相半波可控整流 图2-4 电感负载的单相半波可控整流电路 （一）无续流二极管电路的工作原理及波形（一）无续流二极管电路的工作原理及波形 电路图如图2-4a）所示，电源电压如图2-4b）所示，触发信号仍为与电源同步且控制角为的脉冲，如图2-4c）所示。在 到 阶段，晶闸管VT承受正向电压但没有触发信号，晶闸管不会导通， 、 都等于零。当 的 时刻，晶闸管VT被触发导通.导通期间内有方程 解此方程可得输出电流为:当 电源电压过零时，由于电感的存在，这时的电流并不为零，晶闸管VT不会关断。 可得关于导通角的方程为在 之后，由于晶闸管VT关断， 、 又都保持为零，直至下一个周期又重复上面分析的过程。 （二）有续流二极管电路的工作原理（二）有续流二极管电路的工作原理 为了提高整流器输出电压的平均值和减小变压器的发热损耗，按图2-5a)所示极性在负载两端并联一功率二极管VD， VD称为续流二极管。 图2-5 有续流二极管的单相半波可控整流电路及其工作波形 （三）有续流二极管电路工作时的数学表达式 1输出电压在电流断续、电流连续或电感足够大的几种情况下，有续流二极管电路的输出电压在一个周期内的表达式都为输出电压 的直流分量（平均值） 为 2负载电阻R上电压平均值 3输出电流平均值 4元件电压、元件电流 晶闸管VT所承受的断态正向峰值电压、反向峰值电压及二极管VD的反向峰值电压都为 。5控制角的有效移相范围为 . 6晶闸管VT的元件导通角 。2.2.3 2.2.3 电阻负载的单相桥式全控整流电路电阻负载的单相桥式全控整流电路 图2-6 电阻负载的单相桥式可控整流电路及工作波形（一）工作原理（一）工作原理图2-6的桥式整流电路与图2-3的单相半波整流电路相比，桥式整流把电源电压的负半波也利用起来了，使输出电压在一个电源周期中由原来的只有一个脉波变成了有二个脉波，改善了波形，提高了输出。在变压器的副方绕组中，绕组电流的波形如图2-6h）所示，两个半周期的电流方向相反且波形对称，因此不再存在半波整流电路中的变压器直流磁化问题，提高了变压器的绕组利用率。 （二）输出电压（二）输出电压 的平均值的平均值（三）电感（三）电感L L上的电压及电阻上的电压及电阻R R上的电压上的电压（四）输出电流（四）输出电流 （五）晶闸管电流（五）晶闸管电流 由于两晶闸管对轮流导通，在一个正弦周期内各导通180，故流过各晶闸管上的电流是幅值为 、宽度为180的矩形波电流，所以其平均值为晶闸管电流的有效值为（六）元件电压（六）元件电压 元件的最大断态正向电压、最大反向电压都为 。（七）控制角与导通角（七）控制角与导通角 控制角的有效移相范围为 ，但从式（2-18）可看到，当 时，输出电压的平均值为负。元件的导通角 。 2.2.5 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路图2-8 单相桥式半控整流电路及其L足够大时的工作波形（一）晶闸管共阴极接法电路从波形图可知，输出电压的平均值为失控现象失控现象图2-9 单相桥式半控整流电路失控时的波形（二） 有续流二极管的晶闸管共阴极接法电路图2-10 有续流二极管的单相半控整流电路及其L足够大时的工作波形 （三三）晶晶闸闸管管在在同同一一桥桥臂臂的的电路电路图2-11 晶闸管在同一桥臂的单相半控整流电路及其L足够大时的工作波形 2.3 2.3 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路图2-12 电阻负载时的三相半波可控整流电路及 时的工作波形 （一）控制角及触发脉冲顺序三个晶闸管的导通顺序是 （二） 时输出电压在一个周期中的分段表达式为输出电压的平均值为 电流是连续的 ，其平均值为（三） 时图2-13 时电阻负载的三相半波可控整流电路波形 图2-14 电阻负载三相半波可控整流 时的工作波形图 时，输出电压的平均值为 ：输出电流的平均值元件电流的平均值元件电流的有效值 、变压器副方绕组电流的有效值 为2.3.2 2.3.2 电感负载的三相半波可控整流电路电感负载的三相半波可控整流电路图2-15 电感性负载三相半波可控整流 时的工作波形（一）工作原理（一）工作原理（二）输出直流电压的平均值（二）输出直流电压的平均值 （三）输出电流的平均值（三）输出电流的平均值（四）晶闸管元件电流（四）晶闸管元件电流 （五）晶闸管电压（五）晶闸管电压 最大反压，最大正向阻断电压都为（六）控制角的移相范围（六）控制角的移相范围 的移相范围应是 ，有续流二极管时 2.3.3 2.3.3 共阳极连接的三相半波可控整流电路共阳极连接的三相半波可控整流电路 图2-17 共阳极连接的三相半波可控整流电路及a)波形电路图 b）0时的波形图 c）30时的波形图 2.4 三相桥式全控整流电路 三相半波整流电路虽然较单相整流电路来说在装置容量、输出电压的脉动等许多方面有了很大的改善，但三相半波整流电路的输出在每个电源周期中仍只有3个脉波，且整流变压器中还存在着严重的直流磁化电流问题。因此在工业生产中最大量使用的是三相桥式整流电路 本节将只讨论三相桥式全控整流器的理想工作状态。所谓理想工作状态是假设具有如下的理想条件： 理想变压器。即变压器的漏抗、绕组电阻和励磁电流都可忽略。 晶闸管元件是理想的。 电感性负载时，直流电感Ld足够大，输出电流的纹波可以不计。 电源为三相对称系统，其表达式如式2.4.1 2.4.1 电阻性负载电阻性负载 时时图2-18 电阻性负载三相桥式全控整流 时的工作波形（一）工作原理（一）工作原理 那末，对上组（共阴连接组）晶闸管，在 （RS）之间是 导通， 、 承受反压而关断；在 之间是 导通；在 之间是 导通。 同理，对下组（共阳连接组）晶闸管， 的导通区间是 ， 的导通区间是 ， 的导通区间是 。 六只晶闸管导通的顺序是 。 （二二）三三相相桥桥式式可可控控整整流流电电路路触发脉冲的形式触发脉冲的形式图2-19 触发脉冲的三种形式在晶闸管需导通的区域仅用初始的一个窄脉冲去触发的方式称“单窄脉冲触发” 每个元件除了在各自的换流点处有一个脉冲之外，还在60度电角度之后的下一个导通元件的导通时刻补了一个脉冲。所补的脉冲在电流连续的稳态工作时并不起任何作用，但它却是电路启动及在电流断续时使电路正常工作所不可缺少的，这种触发方式称之为“双窄脉冲触发”。 若把上面的双窄脉冲连成一个宽脉冲，电路当然也可正常工作，这种触发方式称之为“宽脉冲触发” 2.4.2 电阻性负载电阻性负载 时时 图2-20 电阻性负载三相全控整流桥的工作波形（一） 时电路稳态工作时，电流在 时是连续的；在 时电流处于临界连续状态。输出电压的平均值为（二） 时输出电压平均值为图2-21 电阻性负载三相全控整流桥 的工作波形 2.4.3 2.4.3 电感性负载时电感性负载时图2-22 大电感负载时三相桥式全控整流电路及其在 时的波形（一）工作原理（二）输出电压（三）输出电流 （四）元件电流和变压器副方绕组电流 （五）元件电压 图2-23给出了三相桥式全控整流电路大电感负载在不同控制角时的输出电压波形，从图中可看到当控制角变化时输出电压的变化情况。图2-23 三相桥式全控整流电路大电感负载在不同控制角时的波形图2.5 整流电路换流过程 2.5.1 换流过程分析图2-24 有交流电感的三相桥式全控整流电路及 时的波形 同一组中有两管同时导通的期间称之为换流期间 VT5与VT1换流期间的等值电路可画成如图2-25所示，图中在考虑到直流侧电感的作用后把负载电路已作为恒流源处理。 图2-25 VT5与VT1换流时的等效电路换流期间，有方程： （一）换流期间的电压（一）换流期间的电压 输出电压为 ： 对于其它换流期间，也可得到类似的表达式，由此可以得到的结论是： 1。换流期间参与换流的交流侧电感上的压降其大小等于参与换流的两相线电压的1/2（两个相电压之差的1/2），不参与换流相电感上的压降为零； 2。换流期间换流元件处输出点的电位等于参与换流的两相电压的算术平均值（两个相电压之和的1/2）； 3。换流期间的输出电压是不计时的输出电压减去换流电感上的电压值，或者说是换流前与换流后两个输出线电压的算术平均值（两个线电压之和的1/2）。 （二）换流期间的电流（二）换流期间的电流 换流期间的换流电流是按余弦曲线规律变化的曲线，其波形如图2-24d）所示。（三）换流角 换流过程所对应的时间用电角度表示，叫换流角 2.5.2 2.5.2 换流对整流电路的影响换流对整流电路的影响 （一）交流电感上的电压 式中 整流电路交流侧的等效内电抗。（二）交流电感对输出电压平均值的影响（三）交流电感对元件电流变化率的影响（四）考虑交流侧电感后的元件电压以晶闸管VT1为例，所受的电压在考虑交流侧电感后应为 2.6 有源逆变电路 把直流变换成交流的变换称之为逆变，实现逆変的电路及装置称逆変电路、逆変器 有源逆变是把直流电能所转换的交流电能输送给交流电网。 对既需在整流状态工作又需在逆变状态工作的整流器可称之为整流/逆变变换器或笼统地称之为变换器。 2.6.1 有源逆变产生条件 （一）电源间能量传递的条件 当变换器进入有源逆变状态时，当变换器进入有源逆变状态时，从能量传递的角度看是把直流从能量传递的角度看是把直流侧的能量传送到交流电网中去，侧的能量传送到交流电网中去，因此直流侧必须要有一个能量因此直流侧必须要有一个能量源，也即直流侧要有一个直流源，也即直流侧要有一个直流电源或等效的直流电源（如储电源或等效的直流电源（如储能的电感线圈）。能的电感线圈）。 （二）有源逆变条件 直流侧必须有一个直流电源。其电动势极性必须和变换器所允许的电流流动方向一致；在无特别的附加限流电阻的情况下，其电势值应小于变换器所能产生的最大负压的幅值（三相桥式为）。 变换器应是可输出负压的全控整流桥，且控制角能移到 的区域内。因为对于全控整流桥，若控制角移相范围不够，移不到大于区域 中去时，则无法得到负电压；同样，对于半控桥或带有续流二极管的整流桥，即使 也无法得到负电压。 当上述两条同时满足，使电路投入工作，调节控制角大于 ，且使 略小于 时有源逆变就可正常工作。 2.6.2 三相桥式有源逆变电路 图2-28 三相桥式有源逆变电路a）原理电路 b） 时的工作波形 c）逆变颠覆时的输入波形 （一）工作原理 各元件的工作情况和整流状态时一样：在非换流期间，上、下元件组各有一个元件导通，在换流的期间内，电路中有三个元件导通。 电路每隔 出现一次元件换流，并 按的次序轮番进行。每个元件的导通角 。 由于控制角 ，其输出电压的平均值为负值，三相桥式全控整流器运行在逆变工作，其 的波形如图2-28b)所示。 （二）输出电压的平均值 由上述情况可知，有源逆变电路的工作规律与整流时相同，当忽略换流过程时，其逆変器直流侧平均电压可以直接用式（2-44）求得 式中 为 时的输出电压平均值，也即可输出的最大直流电压。 考虑换流过程时，设换流区间为 ，输出电压的平均值： （三）晶闸管电压 在逆变工作状态运行时，晶闸管端电压的波形如图2-28b）所示 。 2.7 电动势负载和电容性负载的整流电路 2.7.1 电动势负载的可控整流电路(一) 时的工作情况 图2-31 三相桥式整流电路反电势负载 时的电路及波形 电流连续时输出电压的平均值及输出电流平均值分别为电流断续时，输出电压 电流断续时输出电压的平均值为（二） 图2-32 三相桥式整流电路反电势负载 且 时的电路及波形 2.7.2 电容滤波的不控整流电路图2-33 电容滤波、单相半波整流电路及其波形 （一）工作原理 设当 时合闸，使电路投入工作。合闸时电容两端的电压初始值 。合闸后，二极管VD导通，导通后电路的方程为 时，将过零而使VD关断，VD导通阶段结束。这时电容上的电压值记为，有（二）滤波电容（二）滤波电容C C对整流电路的对整流电路的影响影响 1对输出电压的影响 图2-33 电容滤波、单相半波整流电路及其波形 结论是，电容滤波的不控整流电路其输出电压电容滤波的不控整流电路其输出电压平均值不是一个定数，它将随着平均值不是一个定数，它将随着RCRC的变化而变化。的变化而变化。当电阻R减小（负载电流增大），或当电容容量C减小，则输出电压降低、电压波动加大。输出电压平均值的最大值是输出电压瞬时值的峰值，输出电压平均值的最小值是该电路在电阻负载情况下的输出电压平均值。输出电压平均值的最大值与最小值在不同电路形式下的值如下表所示： 单相桥式不控整流 三相半波不控整流 三相桥式不控整流 2对输入电流的影响 从上面的分析可知，若R一定，C增加大时，输出电压的平均值增加， 的平均值也将增大，而这时VD的导通角将减小，必然的结果是 的幅值要增加，因此，为了要减小电压波动而增大电容C的结果是使输入电流 的有效值大大增加，使 的脉动增加，其结果是必须要增加整流二极管的电流容量。这在参数选择时应给予注意。 3初始合闸相位的影响 在三相桥式整流电路中，无论何时合闸，总有一相处在较高的正电压位置，这就必须在合闸的过程中要加有限流措施，或在电路中串入限流电阻，合闸完成后再切除（短路限流电阻），或串入一个小电感，以限制其过大的合闸电流。 （三）滤波电容的工程计算 图2-34 单相桥式整流电路滤波电容计算的波形图 单相桥式整流电路 根据同样的方法，可求得三相桥式不控整流电路滤波电容的计算公式为2.8 可控整流器主电路的参数选择2.8.1 整流变压器参数计算 在整流电路中，整流变压器处于交流电网和整流电路之间，其作用是：变换电压 抑制干扰 故障隔离 (一）二次侧相电压有效值 的计算 （二）二次侧相电流有效值 的计算 （三）一次侧相电流有效值 的计算 （四）二次侧容量和一次侧容量 的计算图2-35 三相零式整流电路a）D/Y联结的原理电路 b）电流波形 2.8.2电抗器电感量的计算（一）反电势负载维持电流连续所需的电感量 式中，常系数0.693是与整流电路形式及电源频率有关的，若三相半波则为1.46，单相桥式则为2.86 （二）为限制短路电流所需的的 计算（三）限制电流脉动所需的电感量 2.8.3 晶闸管参数选择 由前面分析可知，晶闸管在三相桥式电路中必须承受的最高电压为元件正反向重复峰值电压必须满足 （一）电压容量选择 （二）电流容量选择 而元件的电流容量必须满足电流的安全系数，在一般工频运行条件下取 2.9 晶闸管触发电路2.9.1 晶闸管触发电路的基本要求触发信号应有合适的功率（电压及电流）。触发信号的起始时刻应满足主电路的要求。 触发脉冲应有一定的宽度，以保证晶闸管在需要导通的区域都能可靠地开通。 触发电路的触发脉冲波形应满足主电路的需要。 2.9.2 触发电路的输出级 图2-36 无电隔离的触发信号输出级电路a）单结晶体管输出 b）晶体管功放输出 c）输出脉冲波形图2-37 脉冲信号隔离输出电路图2-38 脉冲变压器电路磁路及波形a ）电路磁路图 b ）不饱和时的工作波形 c ）饱和时的工作波形图2-39 脉冲变压器的几种续流电路 a） u1=-0.7V b) u1=-0.7V-i1R1 c) u1=-0.7V-Uz d) u1=-0.7V图2-40 触发信号脉冲列输出方式a）信号调制方式 b）电源调制方式293 同步移相 （一）同步概念 在各种相控变换电路中，各晶闸管的触发脉冲必须与加于晶闸管的交流主电源有相对固定的相位关系，即各管的触发时刻与主电源的某一个固定的相位点之间相差一个控制角，获得这一触发时刻的方法称之为同步。 （二）相位信号电压 主电路晶闸管工作时，会使电源电压发生畸变或有附加的尖峰毛刺电压，它们会严重干扰检零环节的工作，所以常常在同步变压器的二次侧接有滤波电路。接有滤波电路后，相位信号电压将引起相位移，选择同步变压器联接方式时应把滤波器引起的相移一起考虑进去。滤波器能提高抗干扰能力，但因其相移角与频率有关，带来的不利因素是当电源频率波动时将影响检零的正确性。（三）单片机同步移相控制 图2-41 80C196单片机移相控制a）原理性硬件图 b）波形图（四）锁相环同步移相控制 图2-42 锁相环CC4046工作原理图 图2-43 锁相环CC4046工作波形图图2-44 锁相环同步移相a）电路图 b）波形图 c） 曲线（三）锯齿波移相环节 图2-46 锯齿波触发电路的波形图2-47 移相环节的等效电路及波形 k锯齿波斜率，k=（ ） ； 锯齿波起点纵坐标， 。（四）检零环节 图2-48 检零环节电路图及波形a）等效电路图 b）波形图 （五）强触发环节 强触发环节由+50V电源与 组成。 导通前， 充电至50V。 导通时， 经脉冲变压器、 放电，由于 ，故B点电位随 的放电而迅速下降，当降至14.3V时， 导通， 导通电路由+15V电源供电。 放电期间形成一尖峰强触发波形。 截止后，+50V电源经 又向 充电，恢复到准备状态。