电力电子第三章
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电力电子技术课件-第3章 整流电路
Rid
2U2 sinwt
(3-2)
b)
图3-3 b) VT处于导通状态
在VT导通时刻，有wt=a，id=0，这是式（3-2）的初 始条件。求解式（3-2）并将初始条件代入可得
id
2U 2
sin(a
R (wta )
)e wL
Z
2U2 sin(wt ) (3-3)
Z
式中，Z
R2
(wL)2，
u
d
变且波形近似为一条水平线。
O i
d
iO
VT 1,4
I
d
wt
☞u2过零变负时，由于电感
I
d
的作用VT1、VT4仍有电流id，并
w t 不关断。
i
O
VT
2,3
I
d
wt
☞wt=p+a时刻，触发VT2和
O i
2
I
d
w t VT3，VT2和VT3导通，VT1和
O
I
u
d
VT 1,4
w t VT4承受反压关断，流过VT1和
二. 阻感负载
3、基本数量关系
√流过晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT分别为：
I dT
p a 2p
Id
(3-5)
IT
1
2p
p a
I
2 d
d
(wt
)
p a 2p
Id
(3-6)
√续流二极管的电流平均p 值 aIdDR和有效值IDR分别为
I dDR 2p I d
(3-7)
I DR
1
2p
2p a p
pa R
R
1 sin 2a p a
第三章_电力电子技术—整流电路_li(第一次课)
变压器二次侧电流有效值i2与输出电流有效值i相等
I I2 1
(
2U 2 U sin t )2 d( t ) 2 R R
1 I 2
1 sin 2 2
I dVT
VT可能承受的最大正向电压为 VT可能承受的最大反向电压为
2 U2 2 2U 2
3.1单相可控整流电路
相控方式——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
3.1单相可控整流电路
3.1.1 单相半波可控整流电路——阻感负载
阻感负载的特点：
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，因此负载的电流 波形与电压波形不相同。
3.1单相可控整流电路
3.1.1 单相半波可控整流电路——阻感负载
ud O i1 O
t
t
b)
3.1单相可控整流电路
3.1.3 单相全波可控整流电路
单相全波与单相桥式全控比较
单相全波只用2个VT，比单相全控桥少2个，相应地， 门极驱动电路也少2个 单相全波导电回路只含1个VT，比单相桥少1个，因而 管压降也少1个 VT承受最大正向电压 2U2，最大反向电压为 2 2U 2 ， 是单相全控桥的2倍 单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多
结构简单，但输出脉动大，变压器二次侧电
流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化
实际上很少应用此种电路
分析该电路的主要目的在于利用其简单易学
的特点，建立起整流电路的基本概念
3.1单相可控整流电路
3.1.2 单相桥式全控整流电路——电阻负载
电路结构 VT1和VT4组成一对桥臂 VT2和VT3组成另一对桥臂
电力电子技术第3章 三相可控整流电路
19
第二节 时
三相全控桥式整流电路
整流电压为三相半波时的两倍，在大电感负载
20
图 3.9 三相桥式全控整流电路
21
图 3.10 三相全控桥大电感负载 α =0°时的波形
22
图 3.11 三相全控桥大电感负载 α =30°时的电压波形
23
图 3.12 三相全控桥大电感负载 α =60°时的电压波形
3
图 3.2是 α =30°时的波形。设 VT3 已导通， 当经过自然换流点 ωt0 时，因为 VT1的触发脉冲 ug1还没来到，因而不能导通，而 uc 仍大于零，所 以 VT3 不能关断，直到ωt1 所处时刻 ug1触发 VT1 导通，VT3 承受反压关断，负载电流从 c相换到 a 相。
4
图 3.2 三相半波电路电阻负载 α =30°时的波形
32
一、双反星形中点带平衡电抗器的可控整流电路 在低电压大电流直流供电系统中，如果要采用 三相半波可控整流电路，每相要多个晶闸管并联， 这就带来均流、保护等一系列问题。如前所述三相 半波电路还存在直流磁化和变压器利用率不高的问 题。
33
图 3.15 带平衡电抗器双反星形可控整流电路
34
图 3.16 带平衡电抗器双反星形可控整流 ud 和 uP 波形
26
图 3.14 三相桥式半控整流电路及波形 （a）电路图 （b）α =30° （c）α =120°
27
一、电阻性负载 控制角 α =0时，电路工作情况基本与三相全 控桥 α =0时一样，输出电压 ud波形完全一样。输 出直流平均电压最大为 2.34U2Φ。
28
由图 3.14（ b），通过积分运算可得Ud 的计 算公式
12
当 α >30°时，晶闸管导通角 θV=150°- α。 因为在一个周期内有 3次续流，所以续流管的导通 角 θVD=3（ α -30°）。晶闸管平均电流为
第二节 时
三相全控桥式整流电路
整流电压为三相半波时的两倍，在大电感负载
20
图 3.9 三相桥式全控整流电路
21
图 3.10 三相全控桥大电感负载 α =0°时的波形
22
图 3.11 三相全控桥大电感负载 α =30°时的电压波形
23
图 3.12 三相全控桥大电感负载 α =60°时的电压波形
3
图 3.2是 α =30°时的波形。设 VT3 已导通， 当经过自然换流点 ωt0 时，因为 VT1的触发脉冲 ug1还没来到，因而不能导通，而 uc 仍大于零，所 以 VT3 不能关断，直到ωt1 所处时刻 ug1触发 VT1 导通，VT3 承受反压关断，负载电流从 c相换到 a 相。
4
图 3.2 三相半波电路电阻负载 α =30°时的波形
32
一、双反星形中点带平衡电抗器的可控整流电路 在低电压大电流直流供电系统中，如果要采用 三相半波可控整流电路，每相要多个晶闸管并联， 这就带来均流、保护等一系列问题。如前所述三相 半波电路还存在直流磁化和变压器利用率不高的问 题。
33
图 3.15 带平衡电抗器双反星形可控整流电路
34
图 3.16 带平衡电抗器双反星形可控整流 ud 和 uP 波形
26
图 3.14 三相桥式半控整流电路及波形 （a）电路图 （b）α =30° （c）α =120°
27
一、电阻性负载 控制角 α =0时，电路工作情况基本与三相全 控桥 α =0时一样，输出电压 ud波形完全一样。输 出直流平均电压最大为 2.34U2Φ。
28
由图 3.14（ b），通过积分运算可得Ud 的计 算公式
12
当 α >30°时，晶闸管导通角 θV=150°- α。 因为在一个周期内有 3次续流，所以续流管的导通 角 θVD=3（ α -30°）。晶闸管平均电流为
电力电子技术第3章(313.23)1精品PPT课件
当a = 0°时，整流输出直流电压平均值最大，用Ud0
表示，Ud=Ud0=0.45 U2 ；
当a =π时，Ud = 0 ；
输出直流电压平均值围0 ~ π 。
3.2.1单相可控整流电路 ②输出电流平均值
IdU Rd0.45U R2.1c2osa
+ q
f) 0
2p
wt
wt +
wt
wt
wt
图3.4 电感负载的单相半波 可控整流电路及其波形
3.2.1单相可控整流电路
求得在一般情况下的控制特性，可以建立晶闸管 导通时的电压平衡微分方程，求解在一定φ值情况
下，控制角a与导通角θ的关系。
当R为一定值，L越大，导通角θ越大。其平均 值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小， 负载上得不到所需的功率。
第三章 AC/DC变换技术
交流电能（AC）转换为直流电能（DC）的过程称为 整流，完成整流过程的电力电子变换电路称为整流电 路。
本章主要内容 重点掌握整流电路的结构形式及其工作原理 重点掌握整流电路的工作波形 重点掌握整流电路的数学关系以及设计方法 熟悉变压器漏抗对整流电路的影响 掌握整流电路的谐波和功率因数分析 了解新型的PWM整流电路。
路转移的过程称为换流，也称换相。 ⑧自然换相点：当电路中可控元件全部由不可控
元件代替时，各元件的导电转换点，成为自然 换相点。
3.2.1单相可控整流电路
（3）基本数量关系 ①输出直流电压平均值
p ω tω t) p a a U d 2 1a p2 U 2 s i nd ( 2 2 U 2 ( 1 c o s) 0 .4 5 U 2 1 c 2 o s
③晶闸管电流平均值 流过晶闸管的电流等于负载电流，即：
表示，Ud=Ud0=0.45 U2 ；
当a =π时，Ud = 0 ；
输出直流电压平均值围0 ~ π 。
3.2.1单相可控整流电路 ②输出电流平均值
IdU Rd0.45U R2.1c2osa
+ q
f) 0
2p
wt
wt +
wt
wt
wt
图3.4 电感负载的单相半波 可控整流电路及其波形
3.2.1单相可控整流电路
求得在一般情况下的控制特性，可以建立晶闸管 导通时的电压平衡微分方程，求解在一定φ值情况
下，控制角a与导通角θ的关系。
当R为一定值，L越大，导通角θ越大。其平均 值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小， 负载上得不到所需的功率。
第三章 AC/DC变换技术
交流电能（AC）转换为直流电能（DC）的过程称为 整流，完成整流过程的电力电子变换电路称为整流电 路。
本章主要内容 重点掌握整流电路的结构形式及其工作原理 重点掌握整流电路的工作波形 重点掌握整流电路的数学关系以及设计方法 熟悉变压器漏抗对整流电路的影响 掌握整流电路的谐波和功率因数分析 了解新型的PWM整流电路。
路转移的过程称为换流，也称换相。 ⑧自然换相点：当电路中可控元件全部由不可控
元件代替时，各元件的导电转换点，成为自然 换相点。
3.2.1单相可控整流电路
（3）基本数量关系 ①输出直流电压平均值
p ω tω t) p a a U d 2 1a p2 U 2 s i nd ( 2 2 U 2 ( 1 c o s) 0 .4 5 U 2 1 c 2 o s
③晶闸管电流平均值 流过晶闸管的电流等于负载电流，即：
电力电子演示文稿第三四章
上式中输出正弦交流电压 U 0msinw0t 和余弦值 U d0cosα 相等，两波形交叉点所 对应的横轴值即为α角。 实际控制中常用微机实现上述运算， 计算出α角对系统进行实时控制。
交交变频电路特点： 1）直接由交流电可变频，电路简单； 2）输出频率仅为输入频率的 1/2到1/3， 当电网频率为 50 赫时，输出频率上限为 20赫； 3）输入功率因数小于1。 4）输出电压谐波：和整流电路相比， 各次谐波的幅值相对较小。
4．2 其它交流电力控制电路 4．2．1 交流调功电路 以交流电的周期（ 2π ）为单位来控 制晶闸管的通断，从而调节输出平均功率 的电路，称为交流调功电路。
设控制周期为M，晶闸管在前N个周期导 通，后M-N个周期关断。 当M=3、N=2时的电路波形如下图。
4．2．2
交流电力电子开关
用晶闸管接通和断开电路，就称为交 流电力电子开关。其作用是代替电路中的 机械开关，其开关频率很低。 与机械开关比较，这种开关没有触点， 寿命长，可以频繁控制通断，响应速度快。
ton toff T U0 E E toff toff
由于 T/toff 大于 1 ，所以输出电压高于输入电压， 电路为升压斩波电路。 升压斩波电路能升压的主要原因有两个： 一是 L 储能之后有升压的作用，二是电容能将 输出电压保持住。
3．1．3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 1、 升降压斩波电路
3．1．1 降压斩波电路
电路如图，使用了一个全控型器件V，V采 用的是绝缘栅双极晶体管IGBT，二极管VD的 作用是V关断时进行续流的。。
工作原理： V导通时，电源向负载供电，u0 =E，负载电流 按指数曲线上升。 V 关断时，负载电流经 VD 续流， u0 =0 ，负载 电流按指数曲线下降。通常接较大电感。 负载电压为：
电力电子技术第三章 全控型器件的驱动
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2.专用集成驱动电路芯片 1)驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1m，并使用双绕线，以提 高抗干扰能力。
图3-9 电力MOSFET的一种驱动电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
3z10.tif
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压脉冲，应增加栅极串接电 阻RG的阻值。 3)图3-10中外接两个电容为47μF，是用来吸收电源接线阻抗变化引 起的电源电压波动。
图3-6 抗饱和电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。在 轻载情况下，GTR饱和深度加剧使UCE减小，A点电位高于集电极电 位，二极管VD2导通，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减 小了GTR的饱和深度。抗饱和基极驱动电路使GTR在不同的集电极 电流情况下，集电结处于零偏或轻微正向偏置的准饱和状态，以缩 短存储时间。在不同负载情况下以及在应用离散性较大的GTR时， 存储时间趋向一致。应当注意的是，VD2为钳位二极管，它必须是 快速恢复二极管，该二极管的耐压也必须和GTR的耐压相当。因电 路工作于准饱和状态，其正向压降增加，也增大了导通损耗。
图3-2 门极控制电路 结构示意图
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(1)开通控制 开通控制要求门极电流脉冲的前沿陡、幅度高、宽 度大及后沿缓。
图3-3 推荐的GTO门极控制 信号波形
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(2)关断控制 GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出P2基区 的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。 (3)GTO的门极驱动电路 GTO的门极控制电路包括开通电路、关断 电路和反偏电路。 间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连，其优点是： GTO主电路与门极控制电路之间由脉冲变压器或光耦合器件实现电 气隔离，控制系统较为安全；脉冲变压器有变换阻抗的作用，可使 驱动电路的脉冲功率放大器件电流大幅度减小。缺点是：输出变压 器的漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制，输出变压器的寄生电 感和电容易产生寄生振荡，影响GTO的正确开通和关断。此外，隔 离器件本身的响应速度将影响驱动信号的快速
电气工程概论第三章-电力电子
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
图3-2示出了各种功率半导体器件的工作范围
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
二、大功率二极管
大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路 的续流等场合均得到广泛使用。
（一）大功率二极管的结构 大功率二极管的内部结构是一个具有P型、N型半导体、一个PN 结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图33(a)所示。 从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。一般情况下， 200A以下的管芯采用螺旋式(图3-3(b) )，200A以上则采用平板 式(图3-3(c) )。
1. 电压参数
（1）断态重复峰值电压UDRM 取断态不重复峰值电压UDSM的90％定义为断态重复峰值电压UDRM， “重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于 10ms的重复方式施加于元件上。
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
（2）反向重复峰值电压URRM
取反向不重复峰值电压URSM的90％为定义为反向重复峰值电压 URRM，这个电压允许重复施加。
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
三、晶闸管(SCR)
晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管 开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导 地位。 （一）晶闸管的结构 晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管 芯及散热器两大部分，分别如图3-7及图3-8所示。
晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路，有时也在高频电力电子电路中 得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开 关特性，即开通特性和关断特性。
（1）开通特性 晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图3-11给出了
电力电子资料第三章
要进行两组桥触发脉冲间的切换。
零电流检测： 检测电流是 否接近零。
控制死区： 10ms
（二）有环流反并联可逆电路的基本原理 特点：反并联的两组变流器同时都有触发脉冲的作用，两组
桥在工作中都能保持连续导通状态。
α＝β工作制的配合控制：为了防止在两组变流器之间出
现直流环流，当一组工作在整流状态时，另一组必须工作在逆 变状态，并且保持α＝β，也就是两变流器的控制角之和必 须保持1800，才能使二组直流侧电压大小相等，方向相反。
便发生了变化，电动机处于发电机状态，发出直流功率， 整流电路将直流功率逆变为50Hz的交流电返送到电网， 这就是有源逆变工作状态。
逆变时，电流Id的大小取决于E与Ud ，而E由电机的
转速决定，Ud可以调节控制角改变其大小。为了防止过
电流，同样应满足E≈ Ud的条件。 在逆变工作状态下，虽然控制角α在
反并联连接电路 逻辑无环流 有环流 错位无环流
（一）逻辑控制无环流可逆电路的基本原理
环流：不流经电动机的两组变流桥之间的电流。 环流的产生：两组桥路同时工作在整流状态。 消除环流的方法：任何时间内只允许一组桥路工作。
工作情况：
正转整流→正转逆变→反转整流→反转逆变
极性检测：判断转矩方向。 当实际的转矩方向与给定信号的要求不一致时，
均衡电压：也称环流电压。 为限制环流电压必须串接均衡电抗器。 α<β出现直流环流 α>β环流受到抑制 另一种可控环流的可逆系统：工作中按需要对环流的大小
进行控制。
（三）错位无环流可逆电路的基本原理
特点：不用均衡电抗器，能避免逻辑无环流系统切换
控制复杂的缺点。
方法：两组变流器都输入触发脉冲，只是适当错开彼
令α=π-β，则（2.6.3）改写成：
零电流检测： 检测电流是 否接近零。
控制死区： 10ms
（二）有环流反并联可逆电路的基本原理 特点：反并联的两组变流器同时都有触发脉冲的作用，两组
桥在工作中都能保持连续导通状态。
α＝β工作制的配合控制：为了防止在两组变流器之间出
现直流环流，当一组工作在整流状态时，另一组必须工作在逆 变状态，并且保持α＝β，也就是两变流器的控制角之和必 须保持1800，才能使二组直流侧电压大小相等，方向相反。
便发生了变化，电动机处于发电机状态，发出直流功率， 整流电路将直流功率逆变为50Hz的交流电返送到电网， 这就是有源逆变工作状态。
逆变时，电流Id的大小取决于E与Ud ，而E由电机的
转速决定，Ud可以调节控制角改变其大小。为了防止过
电流，同样应满足E≈ Ud的条件。 在逆变工作状态下，虽然控制角α在
反并联连接电路 逻辑无环流 有环流 错位无环流
（一）逻辑控制无环流可逆电路的基本原理
环流：不流经电动机的两组变流桥之间的电流。 环流的产生：两组桥路同时工作在整流状态。 消除环流的方法：任何时间内只允许一组桥路工作。
工作情况：
正转整流→正转逆变→反转整流→反转逆变
极性检测：判断转矩方向。 当实际的转矩方向与给定信号的要求不一致时，
均衡电压：也称环流电压。 为限制环流电压必须串接均衡电抗器。 α<β出现直流环流 α>β环流受到抑制 另一种可控环流的可逆系统：工作中按需要对环流的大小
进行控制。
（三）错位无环流可逆电路的基本原理
特点：不用均衡电抗器，能避免逻辑无环流系统切换
控制复杂的缺点。
方法：两组变流器都输入触发脉冲，只是适当错开彼
令α=π-β，则（2.6.3）改写成：
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电力电子技术试题(第三章)
一、填空题
1、某半导体器件的型号为KS50—7的，其中KS表示该器件的名称为，50表示，7表示。
1、双向晶闸管、额定电流50A、额定电压100V。
2、某半导体器件的型号为KN 100 / 50 —7，其中KN 表示该器件的名称为100表示，50表示，7表示。
2、逆导晶闸管，晶闸管额定电流为100A，二极管额定电流为50A，额定电压100V。
3、双向晶闸管的四种触发方式分别是、、和。
实际工作时尽量避免使用方式。
3、Ⅰ+，Ⅰ-，Ⅲ+，Ⅲ-。
Ⅲ+
5、晶闸管整流装置的功率因数定义为侧与之比。
3、交流、有功功率、视在功率
6、晶闸管装置的容量愈大，则高次谐波，对电网的影响。
4、愈大，愈大。
7、在装置容量大的场合，为了保证电网电压稳定，需要有补偿，最常用的方法是在负载侧。
5、无功功率；并联电容。
二、判断题对的用√表示、错的用×表示（每小题1
分、共10分）
1、型号为KS50—7的半导体器件，是一个额定电流为50A
的普通晶闸管。
（）
2、双向晶闸管的额定电流是用有效值来表示的。
（√）
3、普通单向晶闸管不能进行交流调压。
（×）
3、双向触发二极管中电流也只能单方向流动。
（×）
4、单结晶体管组成的触发电路也可以用在双向晶闸管电路中。
（√）
5、两只反并联的50A的普通晶闸管可以用一只额定电流为100A的双向晶闸管来替代。
（×）
三、单项选择题把正确答案的番号填在括号内（每小题1分，共10分）
1、双向晶闸管的通态电流（额定电流）是用电流的（A）
来表示的。
A 有效值
B 最大值
C 平均值
2、双向晶闸管是用于交流电路中的，其外部有（C）电极。
A 一个，
B 两个，
C 三个，
D 四
个。
3、双向晶闸管的四种触发方式中，灵敏度最低的是（C）。
A、Ⅰ+，
B、Ⅰ-，
C、Ⅲ+，
D、
Ⅲ-。
四、问答题（每小题6分，共计24分）
1、双向晶闸管有哪几种触发方式？使用时要注意什么问
题？
答：双向晶闸管有Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+和Ⅲ-四种触发方式。
由于Ⅲ+触发方式的灵敏度最低，在使用时应尽量避开。
2、双向晶闸管有哪几种常用的触发电路？
答：双向晶闸管常用的触发电路有：本相强触发电路；双向触发二极管组成的触发电路；单结晶体管组成的触发电路；程控单结晶体管组成的触发电路以及用集成触发器组成的触发电路等。
3、双向晶闸管额定电流的定义和普通晶闸管额定电流的定义有什么不同？额定电流为100A的两只普通晶闸管反并联可用额定电流多大的双向晶闸管代替？
五、计算题（每小题10分，共计20分）
1、单相交流调压电路，其中U2为工频交流电，L=5.516mH，R=1Ω，求：⑴控制角的移相范围；⑵负载电流最大有效值。
解：ω=2πf=2×3.14×50=314
φ=arctg
R
L
ω=arctg
1
10
516
.5
3143-
⨯
⨯Ω=
2、一台220V、10kW的电炉，采用晶闸管单相交流调压，现使其工作在5kW，试求电路的控制角α的范围、工作电流及电源侧功率因数。
3、采用双相晶闸管的交流调压器接三相电阻负载，如电
源线电压为220V，负载功率为10kW，试计算流过双相晶闸管的最大电流，如使用反并联联接的普通晶闸管代替，则流过普通晶闸管的最大有效电流为多少。
解：线电压为220V，
220= 127 V
则相电压应为：
3
10k÷127 = 26.24 A 流过双相晶闸管的最大电流为：
3。