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第4章AC-DC变换技术§4.1单相半波整流§4.2全波整流§4.3三相整流§4.4AC-DC电路的网侧（输入）功率因数返回将交流电源变换成直流电源的电路称为AC-DC变换或整流电路。功率由电源传向负载的变换被称为整流，功率由负载传回电源的变换被称为“有源逆变”，整流电路按交流输入相数大致可分为单相和多相整流；按导通角可控与否可分为可控和不可控整流；按电路形式可分为半波、全波与桥式整流等。对于需要改变直流输出电压的场合，可以采用相控整流方案，也可采用其它高性能的调节方案（如斩波或高频调制技术）。§4.1单相半波整流电路1、单相半波整流单相半波整流电路是最简单的整流电路。整流电路如图4-1所示。利用整流管的单向导电特性，在交流电源的作用下，周期性导通和截止，实现变换，将交流转换成脉动直流。由于半波整流引起电流的畸变，电流中包含直流成分，会引起输入电源变压器饱和，因此在实际中采用较少。Disu=UsinωtsmuoR图4-1单相半波不控整流电路（阻性负载）1）电阻负载忽略整流管的导通压降和反向漏电流，在阻性负载下，电压波形和电流波形完全一样。则整流输出电压平均值为：输出电流平均值为：由有效值定义，输出电压和电流有效值为：2）R-L负载负载电路如图4-2所示，根据电路理论，可以写出电压平衡方程这是一阶微分方程，解此方程可得：图4-3是R-L负载时的波形。从图可以看出：由于，有负电压产生，尽管输入电压已为负，二极管仍然导通，其正向导通角大于，二极管关断时，电流为零。图4-2R-L负载图4-3图4-2各点波形定义熄灭角为从二极管导通到电流为零时的角度，由：上式只能得出数字解，无法写出解析表达式。二极管导通区间为电流平均值：电流有效值：负载吸收功率（有功功率）：3）R-C负载如图4-4所示，在电路初始状态，假定电容尚未充电，当电源电压为正时，二极管导通，输出电压为电源电压，电容充电到，从起，电容以指数规律向负载放电，这时电源电压低于输出电压，二极管反向偏置，负载与电源隔离。当电源电压再次为正时，由于电容已经充电，只有当电源电压大于电容电压时，二极管才能导通，电源电压低于输出电压时，二极管反向偏置，负载与电源隔离。周而复始，当二极管正向导通时，输出电压为电源电压；当二极管截止时输出电压以指数规律放电。输出波形图如图4-5所示。图4-4R-C负载图4-5图4-4波形正弦波形的导数为，电容的放电曲线导数为在时，这两个斜率应该相等，因此：整理得：在处，正弦波形的幅值与电容的放电曲线在该处的幅值相等：上式只能得出数字解，无法写出解析表达式。从公式可知，增大，增大，二极管导通时间减小，若输出平均电流不变，二极管峰值电流必然增大，因此，增大导致大的二极管脉动电流增大。从图可知，最大输出电压，在时刻，最小输出电压为，输出电压纹波：在实际应用电路中，一般很大，显然,把代入上式得输出电压纹波：将上式用台勒级数展开，得：输出电压纹波与滤波电容大小成反比，C增大，可以减小输出电压纹波。2、单相可控整流电路1）阻性负载将不控整流中的整流管换成晶闸管，该电路就变成了可控整流电路。纯电阻负载的单相半波可控整流电路和波形如图4-6所示，在电源正半周，晶闸管承受正向阳极电压，处于正向阻断状态，假定时刻发出触发脉冲，则在期间，晶闸管不导通，电源电压全部加在晶闸管上，负载电阻上电压为零，流过负载的电流也为零，在时刻触发晶闸管，则晶闸管从正向阻断状态进入导通状态，晶闸管一旦被触发，门极失去控制作用，故触发信号只需一个脉冲电压即可。于是在期间，电源电压全部加在负载上，电流流过。图4-6单相半波可控整流电路及波形（纯阻负载）电流i0值为：在交流电压正半周快结束时，晶闸管中的电流自然的下降到维持电流以下，晶闸管自动进入阻断状态，负载电流变为零，交流电源为负时，在负半周期间，晶闸管转入反向阻断状态，电源电压又全部加在晶闸管上，负载上电压又为零。而后，电路重复上述过程。因此，在电源工作周期内，负载上只是得到脉动直流电压，其脉动频率与电源频率一样，它的波形只在电源电压正半周出现，故称为单向半波可控整流电路。定义：从晶闸管本身承受正向电压起到加上触发脉冲这一角度称为控制角（触发角）。在阻性负载条件下，晶闸管导通角度为导通角，显然有。当触发角为α时，整流输出电压平均值为：上式说明关系是非线性的。从，则输出电压平均值从变到零。这意味着改变控制角就可以改变输出电压的平均值，达到可控整流的目的。不控整流是时的可控整流电路的一种特殊情况。由有效值定义，整流输出电压、电流的有效值为：整流输出电流有效值与其平均值之比为波形系数：从上一章中，我们知道，晶闸管的额定电流是指在额定结温（25oC）下允许晶闸管通过电流波形为（工频）正弦半波的最大电流平均值，因此必须注意流过晶闸管的电流波形，以防止其有效值超出定额。2）感性负载及续流二极管感性负载可以等效为电感L和电阻R串联，整流电路带感性负载时的半波可控整流电路及其波形如图4-7所示。在时刻触发晶闸管，电压被加到感性负载上。由于电感存在，负载电流不能突变，所以电流从0开始上升，达到最大值后，然后开始下降，由于电感的感应电势影响，尽管电源电压已反向，但晶闸管仍然为正偏，继续导通。所以在电源负半周的一段时间里，负载电流仍继续流动，直到感应电动势与电源电压瞬时值相等为止。此时回路电压为零，负载电流下降到零。为求出整流输出电压平均值，首先必须确定晶闸管的熄灭角（导电角）。图4-7半波可控整流电路及其波形（感性负载）电压平衡方程：解得由于时有则有当时有，则有所以上式表明同以及负载阻抗角有关，它是一个超越方程，无法给出代数解。现在讨论几种特殊情况下导电角与触发角的关系：第一种情况：纯电阻负载第二种情况：纯电感负载显然只有即第三种情况：导电角的条件：将展开得：两边同除一得整理得当时，有即当时，；当时，感性负载上平均电压又，所以即感性负载上的平均电压就等于负载电阻上的平均电压。在单相半波可控整流电路中，由于电感存在，整流输出平均电压变小，特别是在大电感负载下，输出电压接近于零,且负载电流不连续，为解决这个问题，只要在负载两端并接一个续流二极管即可，晶闸管和续流二极管不可能同时导通。当电源电压进入负半周时，感应电动势使续流二极管导通续流，如忽略二极管压降，感性负载上的电压波形与阻性负载的情况没有什么区别。当电感很大时，流过负载上的电流基本保持不变，这个电流在晶闸管导通时由晶闸管提供，晶闸管关断后由续流二极管提供。返回1、不控整流全波整流电路有两种形式，一种为单相全桥整流电路，如图4-8所示；一种为带中心抽头的全波整流，如图4-9所示。单相全桥整流电路中，整流二极管分两组轮流导通，对角二极管同时导通，同时截止；带中心抽头的全波整流电路中，两个二极管轮流导通。§4.2全波整流图4-8单相全桥整流电路图4-9带中心抽头的全波整流电路1）R负载输出直流电压平均值：这两个电路各点电流、电压的波形如图4-10所示。比较这两电路可以发现：带中心抽头的全波整流电路需要带中心抽头的变压器，桥式整流则不需要；带中心抽头的全波整流只需要两个二极管，每半周期内只有一个二极管导通，单相全桥整流需要4个二极管，每半周期内有两个二极管导通，因此带中心抽头的全波整流的导通损耗是单相全桥整流的一半。带中心抽头的全波整流电路中，二极管所承受的反向电压是单相全桥整流电路中二极管承受电压的两倍。单相全桥整流带中心抽头的全波整流图4-10各点电流、电压的波形2）由于负载中有电感存在，流过二极管的电流发生畸变，电流滞后于电压，当一对二极管导通时，另一对二极管中的上管起着续流二极管的作用，因此电流不会反向。输出波形如图4-11所示。图4-11R-L负载时桥式整流电路输出波形从图4-11可以看出，电源电流is畸变严重，电源功率因数下降。输出电压是偶函数，利用傅立叶级数（FourierSeries）,输出电压可写为：令则输出直流电流和谐波电流可表示为：输出电流：对于大电感负载，即足够大，且，也就是说，大电感负载使输出电流的各次谐波减弱，几乎等于零，输入电源的电流为方波电流，输出电流约为一直流：输出电流有效值：由电源传递到负载的功率：2、可控整流电路单相桥式可控整流如图4-12所示。1）R负载当变压器二次电压为正半周时，在控制角为时刻，晶闸管和触发导通，电流从a端经、R和流回b端，当为零时，电流也为零，、截止。电压为负半周时,在相应控制角时刻，晶闸管T2和T3触发导通，电流从b端经T2、R和T3流回a端，当u2为零时，电流也为零，晶闸管T2和T3截止。晶闸管承受最大的反向电压为Um。显然，在T1和T4导通时，T2和T3承受反向电压而截止，T2和T3导通时，T1和T4承受反向电压而截止。两组触发两组触发脉冲相位相差180o。图4-12单相桥式可控整流电路及阻性负载时电流和电压波形由于属于全波整流，因此其输出平均电压为半波整流的两倍当时，相当于不控桥式整流；当时，输出电压为零，故晶闸管可控移相范围为1800。负载电流平均值为：2）R-L负载单向桥式可控整流电路（电感性负载）如图4-13所示,电路工作时，、和、均是同时被触发，触发脉冲互差1800。其工作工程可划分为下述两个阶段。由于，电感电流连续，输出电流则为一恒定值。①期间。在时刻，同时触发T1和T2，则电源电压就加在负载端，当u2过零变负时，因为电感上产生的感应电动势使T1和T2仍然承受正向电压而继续导通，因此ud波形中出现负值部分,此时T3和T4虽然承受正向电压，但都不导通。、图4-13单向桥式可控整流电路（电感性负载ωLR）及输出波形负载电流断续时整流电压、电流波形电流断续时、、的关系：越大，越小越大，越大②期间。当时刻，同时触发T3和T4使其导通，T1和T2承受反向电压而关断。负载电流从T1和T2转移到T3和T4，同样因为电感上产生的感应电动势使T3和T4并不在时结束导通，仍然承受正向电压而继续导通，直到T1和T2再次导通为止，即一直延续到时刻，以后继续重复上述过程。电流连续时，输出电压平均值为：输出电压有效值为：由式可知，当时，输出电压为正，变流器工作与“整流方式”；当时，输出电压为负，变流器工作于“逆变方式”。3、半控整流电路将图4-13中T4和T2用整流二极管来代替，就形成了所谓单相半控桥式整流电路，如图4-14所示。即用一个晶闸管控制一个支路的导通时刻，如果只是为了整流，这样线路比全控桥式整流电路更加简单。半控整流电路在电阻性负载时工作情况与全控电路是完全相同，两者电路的区别只使用两个二极管代替晶闸管。图4-14单相半控桥式整流电路及波形（LωR，有续流二极管）当电源电压在正半周期、控制角为时刻触发晶闸管T1，则T1和D2导通。当电源电压下降到零并变负时，由于电感作用，T1继续导通，但此时a点电位比b点电位低，因此整流管D2导通截止，电流从D2转移到D4，此时电流不再经过变压器绕组而由T1和D4起续流作用，在此阶段，忽略元件的管压降，输出电压为零，不象桥式全控电路那样出现负值电压。负半周期期间，晶闸管T3承受正向电压，在相应控制角时刻触发导通T3，T1受到反向电压而强迫关断。此时电流从晶闸管T3、负载、D4返回变压器。当电源电压过零并变正时，由于电感作用，T3继续导通，但此时b点电位比a点电位低，因此整流管D2导通D4截止，电流从D4转移到D2，此时电流不再经过变压器绕组而由D2和T3起续流作用，此时输出电压又等于零。它和电阻性负载时的电压波形一致。由于大电感存在，输出电流波形为一水平线。上述电路的工作特点是晶闸管在触发时刻换相，整流管在电源电压过零时自然换相。在实际运行中，当突然把控制角增大到180O或突然把控制电路切断时，会发生一个晶闸管一直导通、另两个整流管轮流导通的异常现象，例如当T1导通时切断触发