第3章 晶闸管整流电路
晶闸管相控整流电路
电源故障
输入电源缺相、电压过高或过 低，影响整流电路的正常运行
。
பைடு நூலகம்
故障诊断方法与步骤
外观检查
观察整流电路的外观，检查是否有明显的烧 毁、断裂等故障现象。
电阻测量
使用万用表测量整流电路中各元件的电阻值， 判断是否正常。
电压测量
测量整流电路的输入和输出电压，判断是否 在正常范围内。
的电压和电流。
电路优化方法
降低损耗 选择低阻抗的元件，以减小电路的导通电阻和漏电流。 采用合理的散热设计，确保元件温度不超过额定范围。
电路优化方法
提高效率
1
2
优化电路布局，减小线路损耗。
3
选择适当的触发延迟角，以平衡输出电压和电流， 提高转换效率。
电路优化方法
01
增强稳定性
02
加入适当的反馈控制，如电压反馈或电流反馈，以提高电 路的稳定性。
稳定性
确保电路在各种工况下都能稳定运行 。
设计原则与步骤
• 可靠性：选用可靠的元件，确保电路的长 期稳定运行。
设计原则与步骤
1. 明确设计要求
确定输出电压、电流的规格以及电路 的效率要求。
2. 选择合适的元件
根据设计要求选择合适的晶闸管、二 极管、电容、电感等元件。
设计原则与步骤
3. 设计主电路
03
优化元件参数匹配，减小参数失配对电路稳定性的影响。
06
晶闸管相控整流电路的 故障诊断与维护
常见故障类型与原因
晶闸管损坏
由于电流过大、电压过高或散 热不良等原因，导致晶闸管烧
毁或击穿。
触发电路故障
晶闸管整流电路原理
晶闸管整流电路原理
晶闸管是一种“电力电子开关”，它的基本组成是一个由两个PN结构成的三端器件，即晶闸管。
晶闸管又称为可控硅，是一种新型半导体器件，它有两个控制极和两个漏极构成，通过控制PN结的导通时间来控制它的导通与关断，从而实现对电路的控制。
在晶闸管中，只有一个PN结作为电极，而且PN结不能像一般二极管那样直接用电流进行充电或放电。
因为当给PN结施加正向电压时，PN结的内部会有大量电子通过，使PN结两端的电压升高；当给PN结施加反向电压时，电子被阻断，PN结会变成一个高阻值的、不带电的绝缘层。
这样就限制了PN结中电子的运动范围，从而保证了PN结内没有足够多的电子可以通过。
另外，当给PN结加反向电压时，晶闸管会在内部形成一个高电压梯度（即门极反向击穿）。
这样在晶闸管内部就会形成一个非常强的电场（相当于正向压强）。
这种电场将使电子从被阻断的PN结流向正向电压加在它上面的方向。
—— 1 —1 —。
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
电力电子(晶闸管整流)
一、概述二、课程设计方案本次课程设计的要紧内容是利用晶闸管整流来设计直流电机操纵系统，要紧设计内容有1、电路功能：〔1〕、用晶闸管缺角整流实现直流调压，操纵直流电动机的转速。
〔2〕、电路由主电路与操纵电路组成，主电路要紧环节：整流电路及保卫电路。
操纵电路要紧环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保卫电路。
〔3〕、主电路电力电子开关器件采纳晶闸管、IGBT或MOSFET。
〔4〕、系统具有完善的保卫2、系统总体方案确定3、主电路设计与分析〔1〕、确定主电路方案〔2〕、主电路元器件的计算及选型〔3〕、主电路保卫环节设计4、操纵电路设计与分析〔1〕、检测电路设计〔2〕、功能单元电路设计〔3〕、触发电路设计〔4〕、操纵电路参数确定设计要求有一下四点：1、设计思路清晰，给出整体设计框图；2、单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3、分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。
4、绘制总电路图5、写出设计报告；要紧的设计条件有：1、设计依据要紧参数〔1〕、输进输出电压：〔AC〕220〔1+15%〕、〔2〕、最大输出电压、电流依据电机功率予以选择〔3〕、要求电机能实现单向无级调速〔4〕、电机型号布置任务时给定2、可提供实验与仿真条件三、系统电路设计1、主电路的设计〔1〕、主电路设计方案主电路的要紧功能是实现整流，将三相交流电变为直流电。
要紧通过整流变压器和三相桥式全控整流来实现。
整流变压器是整流设备的电源变压器。
整流设备的特点是原方输进电流，而副方通过整流原件后输出直流。
变流是整流、逆流和变频三种工作方式的总称，整流是其中应用最广泛的一种。
作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。
工业用的整流直流电源大局部根基上由交流电网通过整流变压器与整流设备而得到的。
整流变压器是专供整流系统的变压器。
整流变压器的功能：1.是提供整流系统适当的电压，2.是减小因整流系统造成的波形畸变对电网的污染。
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
变频器技术与应用第3章 思考与练习解答
思考与练习1.交-直-交变频器的主电路包括那些组成部分？并说明各部分的作用。
答:交-直-交变频器的主电路由整流电路、中间电路、逆变电路三部分组成。
整流电路：把从电网接入幅值和频率都恒定的交流电压信号，经由整流器转换为直流电压；中间电路：整流器输出电压含有频率为电源频率6倍的纹波，中间电路的滤波电路能减少电压和电流的波动，还可以避免变频器被雷击时二极管被烧坏。
在直流回路中的制动电阻或反馈通道吸收电动机的再生电能，能使电动机快速制动。
逆变电路：能把直流电源逆变成交流电源，驱动电动机实现变速。
2.说明可控整流电路和不可控整流电路的组成和原理有什么区别。
答:不可控整流电路使用的器件为电力二极管，三相桥式整流电路共有6个整流二极管，其中3个二极管、、的阴极连接在一起，称为共阴极组；另外3个二极管、、的阳极连接在一起，称为共阳极组。
在接入电源、、工作期间，每等份时间段内，在共阴极组中二极管阳极电位最高的优先导通，在共阳极组中二极管阴极电位最低的优先导通。
同一时刻每组各一个二极管同时导通，其余四个反向截止。
在自然换相点各二极管换相导通或截止。
在每个周期内，每个二极管导通1/3周期，即导通角为120°，极性始终上正下负，为脉动直流电压。
负载电阻上输出的平均电压为输入相电压的2.34倍，不可改变。
可控整流电路：三相桥式整流电路中的二极管换为晶闸管（又称可控硅），就成为三相桥式全控整流电路。
当闸管阳极和阴极承受正向电压且门极和阴极两端加正向触发电压时才能导通，所以晶闸管可控整流电路输出电压的平均值可随门极控制电压信号的变化连续可调，负载上平均电压的平均值电压可被晶闸管触发延迟角调控。
3.中间电路有哪些形式？并说明各形式的功能。
答: 中间电路有哪些形式有滤波电路、制动电路。
滤波电路分为电压型可以可使直流母线电压基本保持恒定，能有效的减小受负载变动造成的影响；电流型电流基本不受负载的影响。
制动电路：分为动力制动、反馈制动、直流制动三种方式。
电力电子技术第3章 三相可控整流电路
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
晶闸管整流电路
T u u
VT u id
VT
a)
1
2
u
d
R
u b) u
2
0
g
wt
1
p
2p
wt
wt
0 u VT
q
wt
如改变触发时刻：
在一个周期内，输出直流 电压脉动1次。
e)
0
wt
单相半波可控整流电路及波形
2.3.1 单相半波可控整流电路
基本数量关系
首先，引入两个重要的基本概念： 触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉 冲止的电角度,用表示,也称触发角或控制角。 导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示 。
引言
整流电路：
出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。
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。
按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为
单拍电路和双拍电路。
2.1
不可控器件—电力二极管· 引言
Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自 20世纪50年代初期就获得应用。
2) 带阻感负载的工作情况
阻感负载的特点： VT处于断态时： 触发后VT开通：
c) u2 b) 0
wt 1
p
2p
wt
ug
id=0，VT关断承受反压
0 ud + d) 0 id e) 0 +
wt
负载直流平均电压下降
讨论负载阻抗角j、触发 角 a 、晶闸管导通角 θ 的 关系。
wt
q
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2
0Leabharlann π2π3π
t
uT
Tr
ug
id
0
t
ud id Ud
VT
ud id
0
t
u1
u2
ud
-
uT
t
0
2U 2
-
变压器Tr起变换电压和隔离的作用。
在电源电压正半波，晶闸管承受正向电压，在 ωt=α处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上 的电压等于变压器输出电压u2。在ωt=π时刻， 电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断， 负载电流为零。 在电源电压负半波，uAK＜0，晶闸管承受反向电 压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有 输出电压，直到电源电压u2的下一周期。直流输 出电压ud和负载电流id的波形相位相同。
第3章 晶闸管整流电路
本章要点
功率二极管、晶闸管的结构、工作原理、特性、 参数 不同负载时，单相整流电路的结构、工作原理、 波形分析和数量关系
用于单相整流电路的简易触发电路
电力电子器件的命名、选择原则
1.1 功率二极管
1.1.1 功率二极管的结构和工作原理
1、功率二极管的结构
2、功率二极管的工作原理
导通角θ，是指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。
（2） 移相与移相范围 移相是指改变触发脉冲ug出现的时刻，即改变控制角α的 大小。 移相范围是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压 的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范 围是0～180º 。
2、基本数量关系
（1）直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id
1.2.1 晶闸管的结构
1、晶闸管的结构
具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见
的外形有两种：螺栓型和平板型。
结构和图形符号
A A
K G VT
P1 N1
G
J1 J2
J3
G
P2 N2
A K K
1、晶闸管工作原理的实验说明
1.2.2 晶闸管的工作原理
由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路； 由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触 发电路）。
7、断态电压临界上升率du/ dt
在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断 态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压 上升率会使晶闸管误导通。 8、通态电流临界上升率di / dt
在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时， 晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大 上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快， 会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使 晶闸管损坏。
由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单 向导电、反方向阻断的电力电子器件。
1.1.2 功率二极管的伏安特性
1、功率二极管的伏安特性
2、功率二极管的开关特性
I dD
1.1.3 功率二极管的主要参数
1、额定正向平均电流（额定电流）
是指在规定的环境温度和标准散热条件下，管子允许长期 通过的最大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流
注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为 它的电流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整 流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算。
它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间 的关系表示为： 1 1 I T(AV) 0 I m sin td (t ) I m 2 正弦半波电流的有效值为： 1 1 2 IT 0 ( I m sint ) d (t ) I m 2 2
2 AK 2
3、数量关系
直流输出电压平均值Ud为
1 Ud 2U 2 sintd (t ) 2 从Ud的波形可以看出，由于电感的存在，电源电 压由正到负过零点也不会关断，输出电压出现了 负波形，输出电压和电流的平均值减小；当大电 感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压 平均值趋于零，则id也很小。所以，实际的大感 电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。
电源电压反向后，从正向电流降为零起到 能重新施加正向电压为止定义为器件的电 路换向关断时间toff。反向阻断恢复时间trr与 正向阻断恢复时间tgr之和。
toff=trr+tgr
1.2.4 晶闸管的主要参数
1、额定电压UTn
（1）正向重复峰值电压UDRM
在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶 闸管两端的正向峰值电压。规定此电压为正向不 重复峰值电压UDSM的80%。 （2）反向重复峰值电压URRM
（5）晶闸管承受的最大正反向电压Um
晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。
U m 2U 2
二、单相半波可控整流电路（阻感性负载）
1、电路的结构
阻感性负载的等效电路可用一个电感和电阻的串联电路来表 示。
2、工作原理
（1）在ωt=0~α期间：晶闸管阳-阴极间的电压uAK大于零， 此时没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、 电流都等于零。 （2）在ωt=α时刻，门极加触发信号，晶闸管触发导通，电 源电压u2加到负载上，输出电压ud= u2 。由于电感的存在， 负载电流id只能从零按指数规律逐渐上升。 （3）在ωt=ωt1~ ωt2期间：输出电流id 从零增至最大值。在 id的增长过程中，电感产生的感应电势力图限制电流增大， 电源提供的能量一部分供给负载电阻，一部分为电感的储 能。
当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，
形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下：
IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑
晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的
正反馈作用来维持，即使控制极电流消失，晶闸管仍将 处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使 其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关 断晶闸管可采用的方法有 : 将阳极电源断开；改变晶闸 管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。
U2 I IT I2 R
1 π sin 2 4π 2π
（4）功率因数cosφ
整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在 功率的比值
cos P UI 2 S U2I2 1 π sin 2 4π 2π
式中 P—变压器二次侧有功功率，P=UI=I2R
S—变压器二次侧视在功率，S=U2I2
K f I T 1.57 I T(AV )
式中 Kf―为波形系数
流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，
实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行
换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.5～2) 倍的安全裕量。
3、维持电流IH
在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后， 从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳 极电流。
U 1 2π
2U sint dt
2
2
U2
1 π sin 2 4π 2π
输出电流有效值I:
U U2 I R R 1 π sin 2 4π 2π
（3）晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值 单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流 过相同的电流，故其有效值相等，即：
通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件: （1）晶闸管主电路加正向电压。 （2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为 半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到 一定数值以下，这只有通过使阳极电压减小到零或反向的 方法来实现。
2、晶闸管工作原理的等效电路说明
（4）在ωt=ωt2~ ωt3期间：负载电流从最大值开始下 降，电感电压改变方向，电感释放能量，企图维持 电流不变。 （5）在ωt=π时，交流电压u 过零，由于感应电压的 存在，晶闸管阳极、阴极间的电压u 仍大于零，晶 闸管继续导通，此时电感储存的磁能一部分释放变 成电阻的热能，另一部分磁能变成电能送回电网， 电感的储能全部释放完后，晶闸管在u 反压作用下 而截止。直到下一个周期的正半周，即ωt=2π+α时， 晶闸管再次被触发导通，如此循环不已。
晶闸管的开关特性如图所示。
晶闸管开关特性的说明
第一段延迟时间td。阳极电流上升到10％所需时间，此时J2 结仍为反偏，晶闸管的电流不大。
第二段上升时间tr，阳极电流由0.1上升到0.9所需时间，这 时靠近门极的局部区域已经导通，相应的J2结已由反偏转 为正偏，电流迅速增加。 通常定义器件的开通时间ton为延迟时间td与上升时间tr之和。 即 ton=td+tr
直流输出电压平均值Ud:
1 Ud 2π
2U 2 sin tdt
2U 2 1 cos 1 cos 0.45U 2 π 2 2 输出电流平均值Id:
Ud U 2 1 cos Id 0.45 R R 2
（2）输出电压有效值U与输出电流有效值I 输出电压有效值U:
在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向 峰值电压。此电压取反向不重复峰值电压URSM的 80%。
晶闸管的额定电压则取UDRM和URRM的较小值且靠 近标准电压等级所对应的电压值。 选择管子的额定电压UTn应为晶闸管在电路中可能 承受的最大峰值电压的2~3倍。
2、额定电流IT(AV)
是指：在环境温度为40度和规定的散热条件下， 晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、 正弦半波（导通角不小于170度）的电路中，结温 稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。
4、擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后， 要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同 一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH 的(2～4)倍。
5、门极触发电流IGT
在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从 阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。 6、门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电 路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT 和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM。