晶闸管单相半波可控整流电路及特点

3.1.1 单相半波整流电路

1.带电阻负载的工作情况

1）电路分析

单相半波可控整流电路及波形如图3-1所示，变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用1u和u2表示，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的平均值Ud确定。

图3-1 单相半波可控整流电路及波形

电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零，除非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。

改变触发时刻，ud和id波形随之改变，直流输出电压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器件晶闸管，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波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。

2）基本数量关系

从晶闸管开始承受正向阳极电压到施加触发脉冲，经过的电角度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。直流输出电压平均值：

随着α增大，Ud减小，该电路中VT的α移相范围为180°。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。

2.带阻感负载的工作情况

带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形如图3-2所示，阻感负载的特点是电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。晶闸管VT处于断态，id=0，ud=0，uVT =u2。在 ωt1时刻，即触发角α处 ud =u2。L的存在使id不能突变，id从0开始增加。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。

t2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使id波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。其波形如图3-2所示。

图3-2 带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形

通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑，对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：

当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路，等效电路如图3-3所示。

图3-3 单相半波可控整流电路的分段线性等效电路

当VT处于通态时，如下方程成立：

初始条件： ωt=α，id = 0。求解上式并将初始条件代入可得

其中：φ=arctan

当 tω=θ+α时，id=0，代入上式并整理得

若φ为定值，α角越大，θ越小。若α为定值，φ越大，θ越大，且平均值Ud越接近零。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VDR表示。

3.有续流二极管的电路

单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形如图 3-4，u2正半周时，与没有续流二极管时的情况是一样的。当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，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di在L—R—VDR回路中流通，此过程通常称为续流。若L足够大，di连续，且di波形接近一条水平线。

图3-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形

直流输出电压和电流的平均值分别为

流过晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT分别为

续流二极管的电流平均值IdDR和有效值IDR分别为

单相半波可控整流电路的特点：VT的α移相范围为180°，简单，但输出脉动大，一个周期脉动一次。变压器的利用率低，存在直流磁化问题。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的是建立起整流电路的基本概念。

3.1.2 单相桥式全控整流电路

1.带电阻负载的工作情况

1）电路分析

单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形如图3-5所示，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（a点电位高于b点电位）若4个晶闸管均不导通，id=0，ud=0，VT1、VT4串联承受电压u2。

图3-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形

在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，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降到零，VT1和VT4关断。

在u2负半周，仍在触发角α处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。

特点：单相桥式整流在一个周期内，整流电压波形脉动两次。双脉波整流电路变压器绕组利用率高，没有直流磁化问题。

2）数量关系

晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为和。

整流电压平均值为

向负载输出的平均电流值为

流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即

流过晶闸管的电流有效值：

变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等：

由式（3-14）和式（3-15）得

不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。

2.带阻感负载的工作情况

1）电路分析

单相全控桥带阻感负载时的电路及波形如图3-6所示，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。负载电感很大，id不能突变且波形近似为一条水平线。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。T＝π+α时刻，触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，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，亦称换流。

图3-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形

2）数量关系

电压和电流的平均值分别为

晶闸管移相范围为90°。晶闸管承受的最大正反向电压均为。晶闸管导通角θ与α无关，均为180°。

晶闸管电流的平均值和有效值：

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α角决定，有效值I2 =Id 。

例3-1 单相桥式全控整流电路， U2 = 100V ，负载中R=2Ω，L值极大，当α=30°时，要求：

（1）作出ud、id和i2的波形；

（2）求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2；

（3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解：（1）ud、id、和i2的波形如图3-7所示：

图3-7 ud、id和i2的波形

（2）输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2分别为

（3）晶闸管承受的最大反向电压为

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

流过晶闸管的电流有效值为

晶闸管的额定电流为

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

3.带反电动势负载时的工作情况

当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源与电阻串联，对于整流电路，它们就是反电动势负载，电路如图3-8所示。

图3-8 单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路

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 - E )/R ，直至=E，id即将至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停止导电，δ称为停止导电角。

当α＜δ时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。脉冲应该有足够的宽度，也就是说要保证当 tω=δ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为δ。在α角相同时，整流输出电压比电阻负载时大，直流侧电流和电压的波形如图3-9所示。

图3-9 单相桥式全控整流电路接反电动势时的波形

4.电流断续与连续

id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。负载为直流电动机时，如果出现电流断续，将导致电动机的机械特性变软。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。如果电感量足够大能使电流连续，晶闸管每次导通180°，这时整流电压 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的计算公式也一样。负载电流id波形如图3-10所示。

图3-10 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况(www.xing528.com)

为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：

3.1.3 三相半波可控整流电路

三相可控整流电路其交流侧由三相电源供电，当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时，应采用三相整流电路。三相整流电路最基本的是三相半波可控整流电路。应用最为广泛的三相桥式全控整流电路、十二脉波可控整流电路等。

1.带电阻负载的工作情况

1）电路分析

为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。三个晶闸管按共阴极接法连接，这种接法触发电路有公共端，连线方便。假设将晶闸管换作二极管，三个二极管所连接的相电压中哪一个的值最大，则该相所连接的二极管导通，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。

自然换相点：在相电压的交点t1、t2、t3处，均出现了二极管换相，称这些交点为相自然换点。将其作为α的起点，即α=0°，此时的电路和波形如图3-11所示。

图3-11 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

三个晶闸管轮流导通120°，ud波形为三个相电压在正半周期的包络线，变压器二次绕组电流有直流分量。

晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成，随着α增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多，α=30°时电路电压和电流的波形如图3-12所示。

当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，此时输出电压电流为零。负载电流断续，各晶闸管导通角小于120°，α=60°时电路电压和电流的波形如图3-13所示。

2）数量关系

α≤ 30°时，负载电流连续，有

当α=0时，Ud最大，为 Ud = Ud0 = 1.17U2。

图3-12 三相半波可控整流电路，电阻负载，α＝30° 时的波形

图3-13 三相半波可控整流电路，电阻负载，α＝60° 时的波形

α= 30°时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有

负载电流平均值为

晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值，即

晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于变压器二次相电压的峰值，即

2.带阻感负载的工作情况

1）电路分析

L值很大，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。α≤30°时，整流电压波形与电阻负载时相同。

α＞ 30°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，阻感负载时的电路及α=60°时的波形如图3-14。

图3-14 阻感负载时的电路及α＝60°时的波形

2）基本数量关系

α的移相范围为90°，整流电压平均值为

Ud/ U2与α的关系如图3-15所示，L很大，如曲线2所示。

图3-15 三相半波可控整流电路Ud/U2随α 变化的关系

如果L不是很大，则当α＞30°后，Ud中负的部分可能减少，整流电压平均值Ud略为增加，如曲线3所示。

变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为

晶闸管的额定电流为

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

三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，因此其应用较少。

3.1.4 三相桥式全控整流电路

1.带电阻负载时的工作情况

1）电路分析

三相桥式全控整流电路原理图如图3-16所示，阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。

图3-16 三相桥式全控整流电路原理图

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。

晶闸管的导通顺序为VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。

各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。当α≤60°时，ud波形连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。

α= 0°时，ud为线电压在正半周的包络线，波形图如图3-17所示。

图3-17 三相桥式全控整流电路带电阻负载α＝0° 时的波形

α= 30°时，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，其波形如图3-18所示。

图3-18 带电阻负载α＝30° 时的波形

α= 60°时，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，波形图如图3-19所示。

图3-19 带电阻负载α＝60° 时的波形

当α＞60°时，因为id与ud一致，一旦ud降至为零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值。α=90°时的波形如图3-20所示。

图3-20 带电阻负载α＝90° 时的波形

2）三相桥式全控整流电路的一些特点

每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同一相的晶闸管。

3）对触发脉冲的要求

6个晶闸管的脉冲按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6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°。

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。

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个晶闸管均有脉冲。

宽脉冲触发：使脉冲宽度大于60°（一般取80°～100°）。

双脉冲触发：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°。常用的是双脉冲触发。

晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相似。

2.带阻感负载时的工作情况

1）电路分析

当α≤60°时，ud波形连续，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，α=30°时波形如图3-21所示。

图3-21 带阻感负载α＝30° 时的波形

和不带阻感负载电路相比，带阻感负载电路区别在于电流，当电感足够大的时候，di、iVT、ai的波形在导通段都可近似为一条水平线。

当α＞60°时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分，α=90°时波形如图3-22所示。

图3-22 带阻感负载α＝90°时的波形

2）基本数量关系

带电阻负载时，三相桥式全控整流电路α角的移相范围是[0°，120°]；带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为[0°，90°]。

整流输出电压平均值带阻感负载时，或带电阻负载α≤60°时，有

带电阻负载且α＞60°时，有

输出电流平均值为。当整流变压器为星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120°、前沿相差180°的矩形波，其有效值为

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势阻感负载时的id为

式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。

例3-2 三相桥式全控整流电路， U2 = 100V ，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当α= 60°时，要求：

（1）画出ud、id和iVT1的波形；

（2）计算Ud、Id、IdT和IVT。

解：（1）ud、id和iVT1的波形如图3-23：

图3-23 ud、id和iVT1的波形

（2）Ud、Id、IdT和IVT分别如下：