第三章：相控整流
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相控整流电路课程设计
相控整流电路 课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解相控整流电路的基本工作原理，掌握其主要组成部分及功能。
2. 掌握相控整流电路中各个元器件的作用及相互关系。
3. 学会分析相控整流电路在不同负载条件下的性能特点。
技能目标：1. 能够正确绘制相控整流电路的原理图，并进行仿真分析。
2. 能够运用所学知识，解决实际中相控整流电路的问题。
3. 能够通过实验操作，验证相控整流电路的理论知识。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对电子技术的兴趣和热情，激发其探索精神。
2. 培养学生的团队合作意识，学会在实验中相互协作、共同解决问题。
3. 增强学生对我国电子科技发展的自豪感，树立为国家科技事业做贡献的信念。
本课程针对高中年级学生，结合相控整流电路的学科特点，注重理论与实践相结合。
在教学过程中，充分考虑学生的认知水平和兴趣，以问题驱动的教学方法，引导学生主动探究相控整流电路的知识。
通过课程学习，使学生能够掌握相控整流电路的基本原理，具备一定的电子技术实践能力，并培养其良好的情感态度价值观。
为实现课程目标，将分解具体学习成果，为后续教学设计和评估提供依据。
二、教学内容1. 相控整流电路基本原理：介绍相控整流电路的工作原理，分析其主要组成部分（晶闸管、负载、触发电路等）及功能。
教材章节：第三章第4节2. 相控整流电路的元器件：讲解晶闸管、二极管、电阻、电容等元器件在相控整流电路中的作用及相互关系。
教材章节：第三章第5节3. 相控整流电路的性能分析：分析相控整流电路在不同负载条件下的性能特点，如输出电压、电流、功率因数等。
教材章节：第三章第6节4. 相控整流电路的原理图绘制与仿真：教授如何绘制相控整流电路原理图，使用相关软件进行仿真分析。
教材章节：第三章第7节5. 实验操作与验证：安排实验，让学生动手搭建相控整流电路，验证理论知识，培养实践能力。
教材章节：第三章第8节6. 课程总结与拓展：总结相控整流电路的知识点，探讨其在实际应用中的拓展，激发学生探索精神。
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
第三章-三相可控整流电路
u VT1 v VT2 w VT3
ud R id
压三力相检可测控方整法流及电仪路表
3
2. 工作原理
T
u VT1
v VT2
自然换相点：
w VT3 ud R
id
当电路中的可控元件全部由
不可控元件代替时，各元件的
VT2控制 角起点
导电转换点。
ud uu
uv
uw
即三相电压（u,v.w）正半周
ωt
的交点。
控制角从自然换相点开始计算。
T
u VT1
v VT2
w VT3 ud R
id
图(f)是VT1上电压的波形。 VT1导通时为零；
uu 1
uv 2
uw 3
uu 4
0 t1
t2
t3
t
(b)
VT2导通时， VT1承受线电压uuv(uu-uv)，
是反压；
VT3导通时，VT1承受线电压uuw(uu-uv)，是
反压；
ug ug1
ug2
ug3
ug1
Id
0.577
Id
4）晶闸管承受的最大正反向压降为线电压峰值 6U 2
压三力相检可测控方整法流及电仪路表
23
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。
1. 电路结构
共阳极接法中，晶闸管只能在相电 压的负半周工作。阴极电位为负且 有触发脉冲时导通，换相总是换到 阴极电位更负的那一相去。
压三力相检可测控方整法流及电仪路表
1
重点和要求
1.理解和掌握三相半波、三相桥式等整流电路的电路结构、 工作原理、波形分析、参数计算和电气性能评估。
ud R id
压三力相检可测控方整法流及电仪路表
3
2. 工作原理
T
u VT1
v VT2
自然换相点：
w VT3 ud R
id
当电路中的可控元件全部由
不可控元件代替时，各元件的
VT2控制 角起点
导电转换点。
ud uu
uv
uw
即三相电压（u,v.w）正半周
ωt
的交点。
控制角从自然换相点开始计算。
T
u VT1
v VT2
w VT3 ud R
id
图(f)是VT1上电压的波形。 VT1导通时为零；
uu 1
uv 2
uw 3
uu 4
0 t1
t2
t3
t
(b)
VT2导通时， VT1承受线电压uuv(uu-uv)，
是反压；
VT3导通时，VT1承受线电压uuw(uu-uv)，是
反压；
ug ug1
ug2
ug3
ug1
Id
0.577
Id
4）晶闸管承受的最大正反向压降为线电压峰值 6U 2
压三力相检可测控方整法流及电仪路表
23
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。
1. 电路结构
共阳极接法中，晶闸管只能在相电 压的负半周工作。阴极电位为负且 有触发脉冲时导通，换相总是换到 阴极电位更负的那一相去。
压三力相检可测控方整法流及电仪路表
1
重点和要求
1.理解和掌握三相半波、三相桥式等整流电路的电路结构、 工作原理、波形分析、参数计算和电气性能评估。
电力电子变流技术课后答案第3章
第三章 可控整流电路 习题与思考题解3-1．分别画出三相半波可控整流电路电阻负载和大电感负载在α为60°、90°的输出电压和晶闸管电压、电流、变压器二次电流i2的波形图。
晶闸管导通角各为多少？输出电压各为多少？解：(1)电阻性负载α=60°时，输出电压和晶闸管电压、电流波形参阅教材P48中的图3-4，其中晶闸管电流波形可在图3-4(c)中读出，变压器二次相电流i2的波形图与相对应相的晶闸管电流波形相同。
α=90°时，可参照上述波形，将控制角α移至90°处开始即可，晶闸管仍导通至相电压正变负的过零点处。
由于α>30°时，u d波形断续，每相晶闸管导电期间为α至本相的正变负过零点，故有晶闸管导通角为 θ＝π-α-30°整流输出电压平均值当α=60°时，θ=90°，Ｕd=0.675U2 。
当α=90°时，θ=60°，Ｕd=0.675U2[1-0.5]=0.3375U2 。
(2)大电感负载α=60°时，输出电压和晶闸管电压、电流波形参阅教材P49中的图3-5，变压器二次相电流i2的波形图与相对应相的晶闸管电流波形相同。
α=90°时，可参照上述波形，将控制角α移至90°处开始即可，但晶闸管导通角仍为θ＝120°。
由于大电感负载电流连续，则晶闸管导通角为 θ＝120°整流输出平均电压为当α=60°时，θ=120°，Ｕd=1.17U2cos60°=0.585U2。
当α=90°时，θ=120°，Ｕd=1.17U2cos90°=03-2．三相半波可控整流电路向大电感性负载供电，已知U2=220V、R=11.7Ω。
计算α=60°时负载电流i d、晶闸管电流i V1、变压器副边电流i2的平均值、有效值和晶闸管上最大可能正向阻断电压值。
第1章 单相可控整流电路
第三章 可控整流电路
3.1单相可控整流电路 3.2三相可控整流电路 3.3晶闸管触发电路
3.1 单相可控整流电路
整流电路：出现最早的电力电子电路，可将交流电变为直流电。 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。 一 、 单 相 半 波 可 控 整 流 电 路 （ Single Phase Half Wave Controlled
无论u2在正半波或负半波，流过负载电阻的电流方向是相同的，ud，id 波形相似。
②晶闸管的电压（uVT）：
当晶闸管都不通时，设其漏电阻都相等则VT1的压降为近u2/2； 当VT1导通时，压降为其通态电压，近似为零；
-
+
t
f)
O
t
uVT
g)
O
t
3.1 单相可控整流电路
(2)原理：当u2过零变负后，电感上的反电势大于u2的负值则VDR承受正 向电压而导通，负载上由电感维持的电流，经二极管形成回路，而晶闸 管承受反压而关断。
（3）电流的计算:
若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有
A 晶闸管的平均电流
u2
VT
uVT
id
ud R
u2
b) 0 t1 ug
c) 0 ud
d) 0
uVT
e) 0
2
t
t
t
t
3.1 单相可控整流电路
u2正半波
ωt <α时 ： ud=0, uVT=u2 ， id=0 ,
ωt ≥ α时：ud=u2, uVT=0,
id=ud/R ,
直至ωt =π， id=0 ， VT关断。
3.1单相可控整流电路 3.2三相可控整流电路 3.3晶闸管触发电路
3.1 单相可控整流电路
整流电路：出现最早的电力电子电路，可将交流电变为直流电。 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。 一 、 单 相 半 波 可 控 整 流 电 路 （ Single Phase Half Wave Controlled
无论u2在正半波或负半波，流过负载电阻的电流方向是相同的，ud，id 波形相似。
②晶闸管的电压（uVT）：
当晶闸管都不通时，设其漏电阻都相等则VT1的压降为近u2/2； 当VT1导通时，压降为其通态电压，近似为零；
-
+
t
f)
O
t
uVT
g)
O
t
3.1 单相可控整流电路
(2)原理：当u2过零变负后，电感上的反电势大于u2的负值则VDR承受正 向电压而导通，负载上由电感维持的电流，经二极管形成回路，而晶闸 管承受反压而关断。
（3）电流的计算:
若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有
A 晶闸管的平均电流
u2
VT
uVT
id
ud R
u2
b) 0 t1 ug
c) 0 ud
d) 0
uVT
e) 0
2
t
t
t
t
3.1 单相可控整流电路
u2正半波
ωt <α时 ： ud=0, uVT=u2 ， id=0 ,
ωt ≥ α时：ud=u2, uVT=0,
id=ud/R ,
直至ωt =π， id=0 ， VT关断。
第3章 3三相全桥整流
--电力电子技术--
整流电路小结： 电阻电感负载，电流连续
比较项目 直流输出电压一周脉波数 单相全桥 2 三相半波 3 三相全桥 6
直流输出电压
触发脉冲方式 变压器利用率
0.9U2cosα
窄脉冲 1
1.17U2cosα
窄脉冲 1/3
2.34U2cosα
双窄或宽脉冲 2/3
直流磁化
电流连续的条件
无
θ≥180°
9
自动化与信工程学院电气系
--电力电子技术-三相全控桥式整流波形
2、基本数量关系 1） 负载电压Ud
Ud
3
2 3
6U 2 sin tdt
Ud Rd
3 6U 2
3
cos 2.34U 2 cos
负载电流Id
Id
与三相半波的 关系
2）晶闸管电压： 晶闸管电流： 平均值
作业:
P.95 习题 12、13
20
自动化与信工程学院电气系
--电力电子技术--
α =0°
i2 u2
α =60°
id
VT1
a
T u1
VT3Leabharlann ud bLR
VT2
a)
α =90°
21
单相全桥
VT4
自动化与信工程学院电气系
--电力电子技术--
α =0°
α =60°
T u2 a b VT2 c VT1 L eL id ud R VT3
三、 Disussion1: Resistive Load --—R Load
四、Disussion2: Resistive 、 Inductive and Back Electromotive Force Load
第三章：相控整流知识讲解
0
ud ,id
π
ud id
2π
ωt
T1
T2
a
u1
u2
b
R ud
0a π
uT1 u2
2π
ωt
0
ωt
T3
T4
2020/9/22
北京交通大学电气工程学院
3-19
相控整流 （二）单相全控桥电路（R负载）电量计算
1、输出平均电压 Ud
U d 1 2 U 2s itd n ( t) 2 2 U 21 c 2 o 0 s .9 U 21 c 2 os
2020/9/22
北京交通大学电气工程学院
3-2
要求及重点
相控整流
• 要求：理解和掌握单相桥式、三相半波、三相 桥式等整流电路的电路结构、工作原理/波形分 析和电量计算。
• 重点：波形分析和基本电量的计算方法。
• 难点：功率因数计算、不同负载对工况的影响、 整流器交流侧电抗对整流电路的影响
2020/9/22
亦称换流。
0
a
i2 u2
0
π
2π
u2 u2 i2
Id
iT1 iT4
0
Id
iT2 iT3
Ud ωt
ωt ωt
ωt
T1
T2
Id
0
uT1
a
u1
u2
Ld
b
0
ωt
R
T3
T4
移相范围 0 º～ 90º
2020/9/22
北京交通大学电气工程学院
3-24
相控整流 （二）单相全控桥电路（R-L负载）电量计算
1、输出平均电压 Ud
续且波形近似为一水平线。
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单相半波可控整流电路
仅所单输制单在以相出，相交叫输电所半半流入压以波波正，可叫可整可半所通控流控周以过整整输叫调流单出节流。相电进整压行流，控。
2020/7/15
北京交通大学电气工程学院
3-10
相控整流
整流电路的基本概念（续）
• 控制角
➢ 从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通这段 时间所对应的电角度。
P
I
2 2
R
44.4 2.5 0.505
S I2U2
220
（4）晶闸管定额
ITAV
(1.5 ~
2) I2 1.57
(1.5 ~
2) 44.4 1.57
42 ~ 56安
UT=(2~3)×1.414 × 可选KP50-7型元件22，0=电6压20等~9级307V，即额定电压700伏、 额定通态平均电流50安的器件。
2020/7/15
北京交通大学电气工程学院
3-8
相控整流
2、数学基础
（1）平均值和有效值计算
设f(ωt)为电压或电流实时表达式，则f(ωt)在α、β期 间的平均值和有效值分别为：
平均值＝ 1
－
f (t)dt
有效值 1 f 2 (t)dt
（2）功率因数计算
其中：P——负载功率（电源输出的 有功功率）。
2020/7/15Fra bibliotek北京交通大学电气工程学院
3-2
本章内容
相控整流
3.1 概 述
3.2 单相桥式全控整流电路 3.3 单相桥式半控整流电路 3.4 三相半波可控整流电路 3.5 三相桥式全控整流电路 3.6 三相桥式半控整流电路 3.7 整流器交流侧电抗对换流(相)的影响
2020/7/15
北京交通大学电气工程学院
S——电源（变压器）的视在 功率。
P
S
2020/7/15
北京交通大学电气工程学院
3-9
相控整流
六、可控整流电路的基本概念
控 正 导 内 移 即 移 的 节 同 电 换 流 自 元件制 向 通 导 相 改 相 相 范 步 压 元 然全角 电 通 ： 变 控 位 范 围 （ （ 件 换部压 的 触 制 来 围 。 即 换 的 相改 触：：由到电发：控：电流一点变发晶从不被角脉制源个：控通脉）闸晶可触度冲直电支制过冲当：管闸控发。的流压路角控信电电在管元导出输）转制号路流的一开件通现出在移触和中从大 允个始代这时电频到发 晶 的含小 许周承替一 刻 压 率 另脉 闸 可有， 调期受时角 大 和 一冲 管 控变， 度 （ 小 相 个 各。 相 的 位 支 元位 控 上 路 件） 制 的。方协过导式调程电。配转。合换关点系。。
3-3
3. 1 概 述
相控整流
整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流
电。
一、整流电路的分类
1、按组成电路的器件分类 ➢ 不可控整流电路： 电路完全由不可控器件组成。
——整流输出电压（平均值）大小和极性不可变。
➢ 半控整流电路： 电路由不可控器件和可控器件组 成。
——整流输出电压（平均值）大小可调、极性不能改变。
➢ 全控整流电路： 电路完全由可控器件组成。
——整流输出电压（平均值）大小和极性都可变。
2020/7/15
北京交通大学电气工程学院
3-4
相控整流
整流电路的分类（续）
2、按电路结构分类 ➢桥式电路（又称全波电路或双拍电路） ➢零式电路（又称半波电路或单拍电路）
3、按交流输入相数分类 ➢单相电路 ➢多相电路
• 导通角
➢ 晶闸管在一个周期内导通的电角度。
• 移相
➢ 改变控制角的大小，即改变触发脉冲Ug的出现 时刻（相位）。
• 移相控制
➢ 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压 大小的控制方式。
2020/7/15
北京交通大学电气工程学院
3-11
相控整流
整流电路的基本概念（续）
• 移相范围
➢ 控制角的允许调节范围。
相控整流
单相半波可控整流电路，电阻性负载。交流电源220伏， 要求输出直流平均电压50伏，输出直流平均电流20安。 计算（1）晶闸管的控制角，（2）电流有效值，（3） 负载的功率因数，（4）选择晶闸管。
解：（1）控制角
Ud
1
2
2U2sintdt
0.45U
2
1
cos
2
cos 2Ud 1 2 50 1 0
• 同步
➢ 触发脉冲信号和晶闸管阳极电压（即电源电压）在 频率和相位上的协调配合关系。
• 换相（换流 ）
➢ 电流从含有变流元件的一个支路转移到另一个支路 的过程 。
• 自然换相点
➢ 当电路中的可控元件全部由不可控元件代替时，各 元件的导电转换点。
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3-12
例题 3-1
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相控整流
五、本章分析方法要点及数学基础
1、分析方法要点
（1）根据SCR的导通/关断条件，确定其导通时刻、关断 时刻，绘出整流输出电压和电流波形，由此可进一步绘 出有关器件上的电压和电流波形；
（2）应用电工基础中的平均值、有效值概念，推导出上述 波形随控制角变化的数学表达式。
0.45U 2
0.45 220
90
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3-13
相控整流
例题 3-1（续）
解：（2）电流有效值
2
I2
1 2
2
2U2 sin t R
dt
R Ud 50 2.5 Id 20
1 2
2
2
220sint 2.5
2dt
44.4( A)
（3）功率因数
4、按控制方式分类
➢相控式电路 ➢斩控式电路
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二、可控整流电路的组成
相控整流
主电路
交流电源：工频电网或整流变压器
滤波器：为保证电流连续
负载：阻性负载、阻感负载、反电势负载等
控制电路：模拟控制、数字控制
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相控整流
三、对整流电路的基本技术要求
1、输出电压的可调范围要大，脉动要小； 2、交流电源功率因数要高，谐波电流要小 ； 3、器件导电时间要尽可能长，承受正反向电压要低； 4、变压器利用率要高，尽量防止直流磁化 。
四、按理想条件来研究整流电路
➢ 理想电力电子器件：正向导通时阻抗为零，断态时 阻抗为无穷大；
➢ 理想电源：整流电路的交流输入电压为对称、无畸 变的正弦波。
相控整流
第三章 相控整流电路
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3-1
要求及重点
相控整流
• 要求：理解和掌握单相桥式、三相半波、三相 桥式等整流电路的电路结构、工作原理/波形分 析和电量计算。
• 重点：波形分析和基本电量计算的方法。
• 难点：不同负载对工况的影响、整流器交流侧 电抗对整流电路的影响