整流电路定义
整流电路定义:交流电能变为直流电能
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，分为单拍电路和双拍电路。
3.1.1 单相半波可控整流电路
单相半波可控整流电路定义：
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。
1.带电阻负载的工作情况
基本数量关系
α：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称为触发延迟 角，也称触发角或控制角。
θ：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 增大，Ud 减小，该电路中VT 的 移相范围为180 。
2.带阻感负载的工作情况
电路分析
晶闸管VT 处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。
在 t1时刻，即触发角 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 已处于 减小的过程中，但未降到零，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， ?
+=+==παα
απωωπ2cos 145.0)cos 1(22)(sin 2212
22U U t td U U d w w w w t
T VT
R
0 a)
u 1 u 2
u VT
u d
i d w t 1
p
2 p
t
t
t
u 2
u g
u
d
u
VT
a q 0 b)
c)
d) e) 0 0
w t
t
w w t
w t
w 2
0 w t
1 p
2 p t
u g
0 u
d 0 i d 0
u VT 0
q a
b)
c) d) e)
f)
+ +
使ud 波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud 下降。
3.有续流二极管的电路
电路分析
(1)u2正半周时，与没有续流二极管 时的情况是一样的。 (2)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id 在L-R-VDR 回路中流通，
此过程通常称为续流。
(3)若L 足够大，id 连续，且id 波形接
近一条水平线 。
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
3.1.2 单相桥式全控整流电路 1.带电阻负载的工作情况
电路分析 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（即a 点电位高于b 点）
u 2
u d
i d
u V
i V I d
I d
ω t 1
ω t ω t
ω t ω t ω t ω t
O
O O O O
O
π - α
π + α
b
c)
d)
e)
f g) i V
R a
d dT I I π
απ2-=d
d T I t d I I παπωππα2)(212-==?
d
dDR I I π
α
π2+=
d
d DR I t d I I π
α
πωπ
α
ππ
2)(2122+=
=
?+u ( i ) π ω t
ω t
ω t
0 i 2
u d i d
b
c
d
d
d
α α u V
1,4
图3-5 单相全控桥式
图3-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形
若4个晶闸管均不导通，id =0,ud =0, VT1、VT4串联承受电压u2。
在α角处给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α角处触发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。 整流电压平均值为： α=0时，Ud = Ud0=0.9U2。α=180?时，Ud =0。可见，α角的移相范围为180?。
向负载输出的直流电流平均值为： 流过晶闸管的电流平均值 ：
?流过晶闸管的电流有效值为：
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，为
2.带阻感负载的工作情况
电路分析
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。
ωt =π+α时刻，触发VT2和VT3，VT2
和VT3导通，u2通过VT2和分别向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。
?
+=+==παααπωωπ2
cos 19.02cos 122)(d sin 212
22U U t t U U d 2cos 19.02cos 1222
2ααπ+=+==R U R U R U I d d 2
cos 145.0212α+==R U I I d dT παπαπωωππα-+
==?
2sin 212)(d )sin 2(21222R U t t R U I T πα
παπωωππα-+
===?
2sin 21)()sin 2(12222R U t d t R U I I 2
O w t
O
w t
O
w t u d i d
i 2 O w t O
w t
u VT
1,4
O w t O
w t I d
I d
I d I d
I d
i VT 2,
i VT 1,4 u 图3-6 单相桥式全控整流电流带阻感负载时的电路及波形
基本数量关系
整流电压平均值为： 当α=0时，Ud0=0.9U2。α=90?时，Ud =0。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?，其电流平均值和有效值分别为： 和
。
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 。 带反电动势负载时的工作情况
3.带反电动势负载时的工作情况
电路分析
|u2|>E 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， ，直至|u2|=E ，id 即降至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ɑ<δ 时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。
触发脉冲有足够的宽度，保证当 ωt= 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 。
在 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。
3.1.3 单相全波可控整流电路
?
+===απα
ααπ
ωωπcos 9.0cos 2
2)(d sin 21222d U U t t U U 22U d dT 2
1
I I =d d
T 707.021I I I ==b)
i d
O E u
d
w t I
d O w t
a q d
图3-7 单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形 R E u i -=d d
2
1
2sin U E -=δ图3-10 单相全波可控整流电路及波形
a u
d i
1
O
O
1.带电阻负载时
电路分析
变压器T 带中心抽头。
在u2正半周，VT1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。
u2负半周，VT2工作，变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。 变压器也不存在直流磁化的问题。
单相全波与单相全控桥的区别
单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。
单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。
单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。
2带电感负载
电路分析（先不考虑VDR ）
每一个导电回路由1个晶闸管和1个二极管构成。 在u2正半周， 处触发VT1， u2经VT1和VD4向负载供电。
u2过零变负时，因电感作用 使电流连续，VT1继续导通， 但因a 点电位低于b 点电位，
电流是由VT1和VD2续流 ，ud=0。
在u2负半周， 处触发触发 VT3，向VT1加反压使之关断， u2经VT3和VD2向负载供电。 u2过零变正时，VD4导通， VD2关断。VT3和VD4续流，ud 又为零。
O
b)
2
O
u d i d I d
O O O O O i 2 I d I d I d I
I d a w t w t w t w t w t w t w t a
p - a p - a i VT 1
i VD 4 i
VT 2 i VD 3 i VD R u
图3-11 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻
感负载时的电路及波形
3.2.1 三相半波可控整流电路 1.电阻负载
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 二极管对应的相电压中哪一个的值最大，
则该相所对应的二极管导通，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 ωt1、 ωt2、 ωt3处，均出现了二极管换相， 称这些交点为自然换相点。 将其作为 的起点，即 =0。 α=0 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 增大，晶闸管承受的 电压中正的部分逐渐增多。 基本数量关系
电阻负载时α角的移相范围为150 。 整流电压平均值
α ≤30 时，负载电流连续，有
当α=0时，Ud 最大，为Ud=Ud0=1.17U2。
α>30 时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有
b)
c
d)
e f) u 2
R i d
u a u b u c a =O w t 1 w t 2 w t 3 u G O u d
O O
u a u ac O
i VT 1 u VT
1 w t w t w t
w t w t 图3-13 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时
的电路及 ɑ=0 时的波形 ααπωωπαπαπ
cos 17.1cos 263)(sin 2321226562U U t td U U d ===?
++?
?
????++=??????++==?
+)6cos(1675.0)6cos(1223)(sin 232126
2α
π
α
π
π
ω
ωπ
παπ
U t td U U d
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.阻感负载 电路分析
L 值很大，整流电流id 的波形基本平直，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。
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
R
U I d
d =
22245.2632U U U U
RM ==?=22U
U
FM =u d i a a b c i b
i c i d
u
ac
O w t
O
w t
O O
w t
O
O w t
a w t
w t
图3-17 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及 =60 时的波形 d d T I
I I I 577.03
1
2==
=d d
AV T I I I 368.057
.1)
(==
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
3.2.2 三相桥式全控整流电路
1.带电阻负载时的工作情况 电路分析
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 波形均连续，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。
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，波形见 图3-20。
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 当 α>60 时
因为id 与ud 一致，一旦ud 降为至零，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。
2.阻感负载时的工作情况 电路分析
245.2U
U U RM FM =
=图3-18 三相桥式全控整流电路原理图
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。
区别在于电流，当电感足够大的时候，id 、iVT 、ia 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。 整流输出电压平均值
带阻感负载时，或带电阻负载 ≤60 时
带电阻负载且 >60 时
输出电流平均值为Id=Ud/R 。
当整流变压器为图3-17中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图3-23中所示，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。
3.3 变压器漏感对整流电路的影响
α
ωωπ
απ
απ
cos 34.2)(sin 63
123
232U t td U U d ==?
++??????++==?
+)3cos(134.2)(sin 63232α
π
ω
ωππ
απ
U t td U U d 2221222()0.8162333
d d d d I I I I I
πππ??=?+-?== ???R
E U I d d -=
换相过程中，整流输出电压瞬时值为
换相压降：与不考虑变压器漏感时相比，ud 平均值降低的多少，即
随其它参数变化的规律：
⑴Id 越大则γ越大； ⑵XB 越大γ越大；
⑶当α ≤90 时，α越小γ越大。 变压器漏感对整流电路影响的一些结论:
出现换相重叠角γ，整流输出电压平均值Ud 降低。
整流电路的工作状态增多。
晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通，有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt 。
u d
i d w t
O w t
O
g
i
c i a i b i c i a I
d u a
u b u c
a
图3-26 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形 2
d d d d b
a b a d u u t i L u t i L u u k B k B +=
-=+=556655d b d b b B 66
565B B B d 06d 1
3()d()[()]d()
2/32d d 333
d()d 2d 22d
k
I k k i U u u t u u L t t
i L t L i X I
t ππαγαγππααπαγπαωωππ
ωωπ
π
π
+++++++++?=
-=--===??
?
?
换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt ，可能使晶闸管误导 通，为此必须加吸收电路。
换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。 3.4 电容滤波的不可控整流电路
3.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路
工作原理及波形分析 基本工作过程
在u2正半周过零点至 ωt=0期间，因u2 至ωt=0之后，u2将要超过ud ，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R 供电。 ?电容被充电到ωt=θ时，ud=u2，VD1和VD4关断。电容开始以时间常数RC 按指数函数放电。 当πt=π，即放电经过π-θ 角时，ud 降至开始充电时的初值，另一对二极管VD2和VD3导通，此后u2又向C 充电，与u2正半周的情况一样。 3.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路 i d i C i R +-R C a)b) 0i πu d 2π ωt δ θVD 1VD 3 u d VD 4VD 2u 1 u 2i 2 图3-28 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形 a) 电路 b) 波形 u u u u a) b) O i a i d d a ac 0 d q w t p p 3 w t d 基本原理 当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。 当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud 按指数规律下降。 电流id 断续和连续 比如在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id 是断续的。 VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，id 是连续的。 3.5 整流电路的谐波和功率因数 3.5.1 谐波和无功功率分析基础 谐波 正弦波电压可表示为 式中U 为电压有效值；u ?为初相角； ω为角频率， ω=2πf=2π/T ；f 为频率； T 为周期。 非正弦电压u( t)分解为如下形式的傅里叶级数 式中，cn 、 n 和an 、bn 的关系为 u u u d u ) sin(2)(u t U t u ?ω+=u t a a n t b n t n n n ()(cos sin ) ωωω=++=∞∑01 ?=πωωπ 20 0)(d )(21t t u a ?=πωωωπ 20) (d cos )(1 t t n t u a n ? = πωωωπ20) (d sin )(1 t t n t u b n c a b n n n =+22a c n n n =sin ? ?n n n arctg a b =(/) b c n n n =cos ? 功率因数 正弦电路 有功功率就是其平均功率： 式中U 、I 分别为电压和电流的有效值， 为电流滞后于电压的相位差。 视在功率为： 无功功率为： 功率因数为： 无功功率Q 与有功功率P 、视在功率S 之间的关系： 在正弦电路中，功率因数是由电压和电流的相位差 决定的，其值为： θλcos = 非正弦电路 有功功率为 功率因数为： 无功功率 畸变功率D 为： 3.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析 单相桥式全控整流电路 ? ??=?=π? ωπ 20cos )(21I U t id u P S=UI Q=UIsin S P =λ222Q P S +=? 1 1cos I U P =11111cos cos cos ? ν?? λ====I I UI UI S P ? 11sin I Q U f =22P S Q -=∑∞==--=22222n n f I U Q P S D 其中基波和各次谐波有效值为 功率因数 基波电流有效值为 i2的有效值I=Id ，可得基波因数为 电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故位移因数为 功率因数为 3.5.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析 电容滤波的单相不可控整流电路交流侧谐波组成有如下规律： 谐波次数为奇次。 谐波次数越高，谐波幅值越小。 谐波与基波的关系是不固定的。 LC ω越大，则谐波越小。 关于功率因数的结论如下： 位移因数接近1，轻载超前，重载滞后。 谐波大小受负载和滤波电感的影响。 交流侧谐波组成有如下规律： 谐波次数为6k ±1次，k =1，2，3…。 ∑ ∑====+++= ,5,3,1,5,3,12 sin 2sin 14)5sin 513sin 31(sin 4n n n d d t n I t n n I t t t I i ωωπωωωππn I I d n 22=n=1,3,5,… I I d 122 =πνπ==≈I I 12209.α ?λcos cos 11==ααπ?νλλcos 9.0cos 2 2cos 111≈===I I 谐波次数越高，谐波幅值越小。 谐波与基波的关系是不固定的。 关于功率因数的结论如下： 位移因数通常是滞后的,但与单相时相比,位移因数更接近1。 随负载加重（ RC的减小），总的功率因数提高；同时，随滤波电感加大，总功率因数也提高。 3.6 大功率可控整流电路 3.6.1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 电路分析 电路结构的特点 二次侧为两组匝数相同 极性相反的绕阻，分别接成两组三 相半波电路。 二次侧两绕组的极性相 反可消除铁芯的直流磁化，如 图3-38，虽然两组相电流的瞬时值 不同，但是平均电流相等而绕组的 极性相反，所以直流安匝互相抵消。 平衡电抗器保证两组三 相半波整流电路能同时导电。 与三相桥式电路相比， 双反星形电路的输出电流可大一倍。 3.6.2 多重化整流电路图3-37 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 3.7 整流电路的有源逆变工作状态 3.7.1 逆变的概念 什么是逆变？为什么要逆变？ 逆变（invertion ）：把直流电转变成交流电的过程。 逆变电路：把直流电逆变成交流电的电路。 当交流侧和电网连结时，为有源逆变电路。 变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。 产生逆变的条件 要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。 要求晶闸管的控制角α > π/2，使Ud 为负值。 两者必须同时具备才能实现有源逆变。 3.7.2 三相桥整流电路的有源逆变工作状态 逆变角 通常把 α>π/2时的控制角用 π- α= β表示， 称为逆变角。 u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc u b u ca u cb u ab u ac u bc u a u b u c u a u b u c u a u b u c u a u b u 2 u d w t O w t O b = p 4 b = p 3 b = p 6 b = p 4 b = p 3 b = p 6 w t 1 w t 3 w t 2 3.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制 逆变失败的原因 触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。 晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。 交流电源缺相或突然消失。 换相的裕量角不足，引起换相失败。 确定最小逆变角 min 的依据 逆变时允许采用的最小逆变角 应等于 为晶闸管的关断时间tq 折合的电角度,约4 ~5 为换相重叠角，可查阅相关手册，也可根据表3-2计算，即 根据逆变工作时 = - ，并设 = ，上式可改写成 由此计算出γ 为安全裕量角，主要针对脉冲不对称程度（一般可达5 ），约取为10 。 设计逆变电路时，必须保证 ，因此常在触发电路中附加一保护环节，保证触发脉冲不进入小于 min 的区域内。 3.8 相控电路的驱动控制 3.8.1 同步信号为锯齿波的触发电路 同步环节 触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。 锯齿波是由开关V2管来控制的 V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。 V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。 V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。 'min θ γδβ ++=m U X I B d πγααsin 2)cos(cos 2=+-m U X I B d π γsin 21cos 2 -=min ββ≥ 3.8.2 集成触发器 集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，已逐步取代分立式电路。 触发电路的定相：触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。 触发电路的定相 利用一个同步变压器保证触发电路和主电路频率一致。 关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。 3.8.3 触发电路的定相 图3-50 同步信号为锯齿波的触发电路 O t t 1 t 2 u a u b u c u 2 u a - 图3-54 三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图 分析三相全控桥 VT1所接主电路电压为+ua，VT1的触发脉冲从?0至? 180 的范围为 ωt1~ωt2。 锯齿波的上升段为240 ，上升段起始的30 和终了的30 线性度不好，舍去不用，使用中间的180 ，锯齿波的中点与同步信号的300 位置对应。 将α=90 确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90 的移相范围。于是 α=90 与同步电压的300 对应，也就是 α=0 与同步电压的210 对应。 α=0 对应于ua的30 的位置，则同步信号的180 与ua的0 对应，说明VT1的同步电压应滞后于ua180 。 对于其他5个晶闸管，也存在同样的对应关系。