電力電子技術(shù)及應(yīng)用 課件 第1-3章 電力電子元器件、單相整流電路、三相整流電路

1.1電力電子器件的分類

1.2不可控型器件——電力二極管

1.3半控型器件——晶閘管

1.4全控型器件——絕緣柵雙極晶體管1.1電力電子器件的分類電力電子元器件根據(jù)不同的方式，可以分為不同的種類。1.按控制程度分類按照電力電子器件被控制電路信號所控制的程度，電力電子元器件分為不可控型器件、半控型器件、全控型器件三種。(1)不可控型器件。不可控的定義為器件的導(dǎo)通和關(guān)斷完全由外電路的信號決定，而無法通過控制信號來控制。(2)半控型器件。半控的定義為可以通過控制端的信號來使器件導(dǎo)通，但是卻無法通過控制端的信號使器件關(guān)斷，如需關(guān)斷器件，則需要調(diào)整外部電路施加在器件上的電壓或電流。(3)全控型器件。全控的定義為可以通過控制端口施加的信號來控制器件的導(dǎo)通，也可以通過控制端口的信號使器件關(guān)斷。2.按照控制信號的類型分類按照外部控制信號施加在控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，電力電子元器件可以分為電流驅(qū)動型電力電子器件和電壓驅(qū)動型電力電子器件兩種。通過控制端口注入或抽取電流來控制導(dǎo)通、關(guān)斷的電力電子器件稱為電流驅(qū)動型，也可稱為電流控制型。典型的電流驅(qū)動型器件有晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管等。通過控制端和公共端施加正向或者反向的電壓信號來控制導(dǎo)通、關(guān)斷的電力電子器件稱為電壓驅(qū)動型，也可稱為電壓控制型或場效應(yīng)器件。典型的電壓驅(qū)動型器件有絕緣柵雙極晶體管、電力場效應(yīng)晶體管等。1.2不可控型器件——電力二極管1.2.1電力二極管的結(jié)構(gòu)圖1.1所示為電力二極管的電氣圖形符號，有陽極A和陰極K兩個端口。相較于普通信息電子電路二極管，電力二極管雖然也是PN型結(jié)構(gòu)，但有以下幾個不同之處：(1)普通信息電子電路二極管為橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)，即電流的流通方向和硅片表面平行；電力二極管則為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即電流的流通方向和硅片表面垂直，如圖1.2所示。

(2)為使電力二極管能夠承受較大的電壓，在P區(qū)和N區(qū)之間須添加一層低摻雜的N區(qū)，如圖1.2所示。由于該低摻雜的區(qū)域摻雜濃度接近本征半導(dǎo)體，因此電力二極管的結(jié)構(gòu)也可寫為P-i-N結(jié)構(gòu)。由于N-區(qū)摻雜濃度低，不易使得載流子發(fā)生遷移，因此可以承受較高的電壓而不被擊穿，承受電壓的高低由該低摻雜區(qū)的厚度決定。1.2.2電力二極管的工作原理當電力二極管的兩端施加正向電壓(即正向偏置)，且該正向電壓的取值超過門檻電壓UTO時，流過電力二極管的電流從陽極A端入，從陰極K端出，該電流被稱為正向電流IF，電力二極管兩端的電壓被稱為正向壓降UF。該狀態(tài)為電力二極管的正向?qū)顟B(tài),即電力二極管呈現(xiàn)“低阻態(tài)”。當電力二極管兩端施加反向電壓(即反向偏置)時，電力二極管只有從陰極K端到陽極A端的非常小的反向漏電流IRR流過，此時電力二極管處于反向截止狀態(tài)，即電力二極管呈現(xiàn)“高阻態(tài)”。電力二極管的反向耐壓能力通常較強，但是當施加在電力二極管兩端的反向電壓過大，超過反向擊穿電壓UB時，反向電流會急劇增大，電力二極管的反向偏置工作狀態(tài)被破壞，變?yōu)榉聪驌舸顟B(tài)。根據(jù)上述分析，可得電力二極管的伏安特性曲線，如圖1.3所示。1.2.3電力二極管的主要參數(shù)電力二極管主要有如下參數(shù)：(1)正向平均電流IF(AV)。該參數(shù)為二極管的額定電流參數(shù)，定義為電力二極管長期運行在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。(2)正向壓降UF。該參數(shù)定義為指定溫度下，電力二極管流過穩(wěn)定的正向電流IF時二極管兩端的正向電壓，如圖1.3中標注所示。(3)反向重復(fù)峰值電壓URRM。該參數(shù)定義為對電力二極管能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。(4)反向漏電流IRR。該參數(shù)定義為電力二極管對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓URRM時的反向漏電流。(5)最高工作結(jié)溫TJM。該參數(shù)定義為在電力二極管中PN結(jié)不至損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。(6)浪涌電流IFSM。該參數(shù)定義為電力二極管能承受的最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。1.3半控型器件——晶閘管1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)圖1.4所示為晶閘管的電氣圖形符號。晶閘管有三個端口，分別為陽極A、陰極K和門極G，其中門極G為控制端。晶閘管為PNPN的四層結(jié)構(gòu)，如圖1.5(a)所示。在中間截取橫斷面(如圖1.5(b)所示)，可以將晶閘管看為PNP型三極管V1和NPN型三極管V2的組合，且V1的基極和V2的集電極連接在一起(同為N1層)，V1的集電極和V2的基極連接在一起(同為P2層)。雙三極管等效模型如圖1.5(c)所示。1.3.2晶閘管的工作原理晶閘管是半控型器件，通過控制端G的信號可使器件導(dǎo)通，但無法通過控制端G的信號關(guān)斷器件。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因與晶閘管的四層結(jié)構(gòu)有關(guān)。如圖1.6所示，在晶閘管的陽極A和陰極K兩端施加正向電壓EA，同時向門極G注入電流IG。晶閘管導(dǎo)通需要滿足兩個條件：承受正向電壓和門極有觸發(fā)電流。當晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通后，移除門極的觸發(fā)電流IG，由于晶閘管內(nèi)部已經(jīng)形成上述的正反饋流程，因此晶閘管會繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)。如果要關(guān)斷晶閘管，需要通過外部電路作用。半控型器件晶閘管工作特性總結(jié)如下：(1)晶閘管承受反向電壓，無論門極是否有觸發(fā)信號，晶閘管都不會導(dǎo)通。(2)晶閘管只有在承受正向電壓、門極有觸發(fā)電流兩個條件均滿足時才可導(dǎo)通。(3)一旦晶閘管導(dǎo)通，門極觸發(fā)信號對晶閘管不會產(chǎn)生影響，即使移除門極的觸發(fā)信號，晶閘管仍舊繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)。(4)要使晶閘管關(guān)斷，需要通過外部電路的作用，使流過晶閘管的電流降低到維持電流以下。1.3.3晶閘管的主要參數(shù)晶閘管主要有如下參數(shù)：(1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM。該參數(shù)定義為晶閘管門極G端開路且結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在晶閘管上的正向峰值電壓。國標規(guī)定重復(fù)頻率為50?Hz，每次持續(xù)時間不超過10?ms。(2)反向重復(fù)峰值電壓URRM。該參數(shù)定義為晶閘管門極G端開路且結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在晶閘管上的反向峰值電壓。(3)額定電壓UN。取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的值作為晶閘管的額定電壓。(4)通態(tài)平均電流IT(AV)。該參數(shù)為晶閘管的額定電流參數(shù)，定義為在規(guī)定的散熱條件和環(huán)境溫度(40℃)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫，晶閘管導(dǎo)通時允許連續(xù)流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。(5)維持電流IH。維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通所必需的最小電流稱為維持電流IH。在晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通的情況下，如果流過晶閘管的正向電流小于維持電流IH，則晶閘管會轉(zhuǎn)換為關(guān)斷狀態(tài)。(6)擎住電流IL。晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除門極G端的觸發(fā)信號后，能維持晶閘管導(dǎo)通所需的最小電流稱為擎住電流。擎住電流用于維持晶閘管剛導(dǎo)通時的正反饋環(huán)節(jié)。對同一晶閘管，擎住電流IL的取值約為維持電流IH的2～4倍。(7)浪涌電流ITSM。該參數(shù)定義為由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。1.4全控型器件——絕緣柵雙極晶體管1.4.1絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極晶體管有三個端口，分別為柵極(G)、集電極(C)、發(fā)射極(E)，可以分為P溝道型和N溝道型兩種，典型N溝道絕緣柵雙極晶體管的電氣圖形符號如圖1.7所示。圖1.8所示為絕緣柵雙極晶體管的等效電路圖，從圖中可以看出，絕緣柵雙極晶體管等效為電力場效應(yīng)晶體管和電力晶體管組合的達林頓結(jié)構(gòu)，其中電力場效應(yīng)晶體管作為驅(qū)動器件，電力晶體管作為主導(dǎo)器件。絕緣柵雙極晶體管綜合二者的優(yōu)點，柵極G輸入為場控型且開關(guān)頻率快、高阻抗(此為電力場效應(yīng)晶體管的特點)，輸出端口容量大(此為電力晶體管的特性)。1.4.2絕緣柵雙極晶體管的工作方式絕緣柵雙極晶體管的導(dǎo)通、關(guān)斷由柵極(G)控制，為使絕緣柵雙極晶體管導(dǎo)通，需要在柵極(G)和發(fā)射極(E)之間施加正向電壓uGE，uGE的取值需要超過開啟電壓UGE(th)，同時，集電極(C)和發(fā)射極(E)之間的電壓uCE也需為正(即uCE>0?V)才可使絕緣柵雙極晶體管導(dǎo)通；當uGE的電壓為0?V或施加反向電壓時，絕緣柵雙極晶體管關(guān)斷。圖1.9所示為絕緣柵雙極晶體管的輸出特性曲線，又稱為伏安特性曲線，它描述的是當柵射極電壓uGE為參考變量時，集電極電流IC和集射極電壓UCE之間的關(guān)系。該曲線分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)(這三個區(qū)可以對應(yīng)為電力晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū))。絕緣柵雙極晶體管在電力電子電路中工作于開關(guān)狀態(tài)，即在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間切換。1.4.3絕緣柵雙極晶體管的參數(shù)絕緣柵雙極晶體管主要有如下參數(shù)：(1)最大集射極電壓UCES：在規(guī)定的結(jié)溫范圍內(nèi)，截止狀態(tài)下集電極(C)和發(fā)射極(E)之間能夠承受的最大電壓。(2)柵極—射極電壓UGES：柵極(G)與發(fā)射極(E)之間能夠承受的最大電壓。(3)集電極電流IC：在規(guī)定的結(jié)溫范圍內(nèi)，絕緣柵雙極晶體管在飽和導(dǎo)通狀態(tài)下，集射極允許持續(xù)流通的最大電流。2.1單相半波整流電路

2.2單相橋式整流電路

2.3單相全波整流電路

2.4單相橋式半控整流電路2.1單相半波整流電路2.1.1單相半波不可控整流電路單相半波不可控整流電路的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，該電路由變壓器T、二極管VD、電阻負載R三部分組成。為方便電路分析，將該電路中的二極管看作理想二極管，即當二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通時，二極管阻值取值為0?Ω，當二極管因承受反向電壓而關(guān)斷時，二極管阻值取值為無窮大。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態(tài)進行分析。如表2.1所示為單相半波不可控整流電路的工作情況，電阻負載兩端電壓ud與二極管兩端電壓uVD的波形如圖2.2所示。2.1.2單相半波可控整流電路(帶電阻負載)單相半波可控整流電路帶電阻負載時的結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，該電路由變壓器T、晶閘管VT、電阻負載R三部分組成。該電路圖在結(jié)構(gòu)方面和圖2.1所示的單相半波不可控整流電路的唯一區(qū)別是將二極管替換為晶閘管。在分析電路前首先需要掌握晶閘管導(dǎo)通／關(guān)斷的特性。晶閘管導(dǎo)通需要滿足兩個條件：晶閘管承受正向電壓，同時門極有觸發(fā)脈沖。晶閘管關(guān)斷則需要利用外部電路，使得流過晶閘管的電流降低到接近于0的某一數(shù)值下(該數(shù)值為維持電流IH)。但當負載為阻感負載時，情況有所不同，因為電感會起到使流過晶閘管的電流持續(xù)一段時間的作用。本次仿真取晶閘管控制角α?=?90°，需要注意門極觸發(fā)脈沖α的定義是從晶閘管開始承受正向陽極電壓起，到施加觸發(fā)脈沖止的電角度。舉例說明，如圖2.4(a)所示，如晶閘管承受正向電壓的起始角度為0°，當α?=?90°時，門極觸發(fā)脈沖施加在相位90°處。如晶閘管承受正向電壓的起始角度為-180°，當α?=?90°時，門極觸發(fā)脈沖施加在相位-90°處，如圖2.4(b)所示，這是判斷晶閘管何時有門極觸發(fā)脈沖的重要概念。接下來分析電路工作的具體情況。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態(tài)進行分析，控制角α?=?90°。當工作區(qū)間位于0°～90°時，變壓器二次側(cè)電壓u2位于正半周，晶閘管從0°開始承受正向電壓，但沒有門極觸發(fā)脈沖(觸發(fā)脈沖在區(qū)間相位到達90°時才會施加)，因此晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，電路中沒有電流流過，電流id?=?0?A，電阻負載兩端電壓ud為0?V，晶閘管兩端電壓uVT等于u2。當工作區(qū)間位于90°～180°時，變壓器二次側(cè)電壓u2位于正半周，晶閘管仍舊承受正向電壓，同時在剛到達90°的時候，晶閘管有門極觸發(fā)脈沖，因此晶閘管導(dǎo)通，晶閘管兩端電壓uVT等于0?V，變壓器二次側(cè)電壓u2完全施加到電阻負載上，電阻負載兩端電壓ud等于u2。流過電阻負載的電流id?=?ud/R?=?u2/R，因此電流id的波形和電壓ud的波形根據(jù)電阻R的取值不同，幅值有一定區(qū)別。當工作區(qū)間位于180°～360°時，變壓器二次側(cè)電壓u2位于負半周，晶閘管承受反向電壓，流過晶閘管的電流取值為0?A，此刻晶閘管關(guān)斷，電路中沒有電流流過，流過負載的電流id?=?0?A，電阻負載兩端電壓ud為0?V，晶閘管兩端電壓uVT等于u2。根據(jù)上述分析，得出如表2.2所示的單相半波可控整流電路帶電阻負載時的工作情況，電阻負載兩端電壓ud與晶閘管兩端電壓uVT的波形如圖2.5所示。前面分析了晶閘管控制角α?=?90°時的波形情況，在電路工作中控制角α可以取其他值，但是α是有一個范圍的，不可隨意取到任意角度，原因如下：上述電路電阻負載上的功率Pd?=?udid，根據(jù)上述波形可以推導(dǎo)出當控制角α取0°～180°中的任意角度時，ud和id均為正，因此Pd也為正，表明能量從交流輸入側(cè)傳輸至直流負載側(cè)，實現(xiàn)整流的能量傳輸。但當控制角α剛好到達180°時，電阻負載上的電壓ud取值變?yōu)?(波形為一條平直的為0的直線)，因此輸出功率Pd取值也變?yōu)?，沒有電能從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，無法實現(xiàn)整流功能。綜上可知，單相半波可控整流電路(帶電阻負載)控制角α的移相范圍是0°～180°。根據(jù)圖2.5所示的電壓波形圖，可以計算出直流輸出電壓平均值為根據(jù)波形圖及計算公式可得，當控制角α取值為0°時，輸出電壓平均值Ud取到最大值0.45U2；而當控制角α取值為180°時，輸出電壓平均值Ud取到最小值0。2.1.3單相半波可控整流電路(帶電阻電感負載)單相半波可控整流電路帶電阻電感負載時的結(jié)構(gòu)如圖2.6所示，由變壓器T、晶閘管VT、電阻電感負載RL三部分組成。該電路和單相半波可控整流電路(帶電阻負載)的唯一區(qū)別是在電路中放置了電感，電感的存在會阻止流過晶閘管的電流發(fā)生突變，因此會對晶閘管的關(guān)斷時刻產(chǎn)生影響。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態(tài)進行分析，門極觸發(fā)脈沖控制角取值為α?=?90°。在0°～90°的區(qū)間(該區(qū)間尚未到達90°)內(nèi)，單相交流電壓u2位于正半周，晶閘管承受正向電壓，但由于尚未施加門極觸發(fā)脈沖，因此晶閘管關(guān)斷，電路中沒有電流，電阻電感負載兩端電壓ud取值為0?V，輸入的交流電壓u2完全施加在關(guān)斷的晶閘管上，晶閘管兩端電壓uVT的取值和u2相等。在90°～180°的區(qū)間內(nèi)，單相交流電壓u2位于正半周，晶閘管仍承受正向電壓，同時在90°的瞬間給予晶閘管門極觸發(fā)脈沖信號，晶閘管導(dǎo)通的兩個條件均得到滿足，晶閘管導(dǎo)通，輸入的交流電壓u2施加在電阻電感負載上，因此電阻電感負載兩端電壓ud取值等于u2。由于晶閘管正常導(dǎo)通，在理想情況下相當于一條導(dǎo)通的導(dǎo)線，因此在該區(qū)間內(nèi)，晶閘管兩端電壓uVT的取值為0?V。注意：在該區(qū)間內(nèi)，電感正在吸收能量，有一部分能量被存儲在電感L內(nèi)。當角度超過180°時，u2位于負半周，但由于電感的存在，晶閘管中繼續(xù)有電流流過，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，此刻晶閘管兩端電壓uVT的取值為0?V，電阻電感負載兩端電壓ud取值等于u2。上述工作情況一直持續(xù)到電感中的能量全部被釋放，電路中的電流取值為0?A，此刻晶閘管關(guān)斷，晶閘管兩端電壓uVT的取值和u2相等，電阻電感負載兩端電壓ud取值為0?V。根據(jù)上述分析，電阻電感負載兩端電壓ud與晶閘管兩端電壓uVT的波形如圖2.7所示。2.2單相橋式整流電路2.2.1單相橋式不可控整流電路單相橋式不可控整流電路結(jié)構(gòu)如圖2.8所示，由變壓器T，4個二極管VD1、VD2、VD3、VD4，電阻負載R這幾部分組成。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態(tài)進行分析即可。在0°～180°的區(qū)間，變壓器二次側(cè)電壓u2位于正半周，使得VD1、VD4兩個二極管承受正向電壓導(dǎo)通，電流流向為變壓器二次側(cè)(a點)→二極管VD1→電阻負載R→二極管VD4→變壓器二次側(cè)(b點)，此刻電阻負載兩端電壓ud取值等于u2，流過負載的電流id取值為正，計算可得id?=?ud/R?=?u2/R。在180°～360°的區(qū)間，變壓器二次側(cè)電壓u2位于負半周，使得VD2、VD3兩個二極管承受正向電壓導(dǎo)通，電流流向為變壓器二次側(cè)(b點)→二極管VD3→電阻負載R→二極管VD2→變壓器二次側(cè)(a點)，根據(jù)當前電流流向可得，流過電阻負載的電流為自上至下，使得電阻負載兩端電壓的方向與此刻變壓器二次側(cè)輸入電壓u2的方向相反，因此電阻負載兩端電壓ud取值等于-u2。根據(jù)正方向可知，流過電阻負載的電流方向與正方向一致，因此id取值為正，計算可得id?=?ud/R?=?-u2/R。根據(jù)上述分析，得出單相橋式不可控整流電路工作情況如表2.3所示，電阻負載兩端電壓ud的波形如圖2.9所示。2.2.2單相橋式全控整流電路(帶電阻負載)單相橋式全控整流電路帶電阻負載時的結(jié)構(gòu)如圖2.10所示，由變壓器T，4個晶閘管VT1、VT2、VT3、VT4，電阻負載R這幾部分組成。分析該電路的關(guān)鍵是4個晶閘管分別在何時導(dǎo)通，而晶閘管導(dǎo)通需要滿足兩個條件：晶閘管承受正向電壓，同時門極有觸發(fā)脈沖。因此在分析電路前先分析4個晶閘管承受正向電壓的區(qū)間，及施加門極觸發(fā)脈沖的時刻。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態(tài)進行分析即可，選取控制角α?=?90°。單相橋式全控整流電路帶電阻負載時的工作情況如表2.4所示，電阻負載兩端電壓ud的波形如圖2.11所示。流過電阻負載的電流id波形與負載電壓ud波形形狀相同，幅值根據(jù)電阻R的取值不同而有所區(qū)別。單相橋式全控整流電路(帶電阻負載)的控制角α也有一個取值范圍，分析如下：電阻負載R上的功率Pd?=?udid，根據(jù)上述波形可以推導(dǎo)出控制角α取0°～180°中的任意角度時，ud＞0，id＞0，因此可以得出Pd＞0，電能能夠成功地從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，實現(xiàn)整流。當控制角α剛好到達180°時，電阻負載R上的電壓ud取值變?yōu)?，由于id?=?ud/R，此刻電流id取值也為0，因此輸出功率Pd取值變?yōu)?，沒有電能從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，無法實現(xiàn)整流功能，因此單相橋式全控整流電路(帶電阻負載)控制角α的移相范圍是0°～180°。計算可得整流輸出電壓的平均值為向負載輸出的直流電流平均值為2.2.3單相橋式全控整流電路(帶電阻電感負載)單相橋式全控整流電路帶電阻電感負載時的結(jié)構(gòu)如圖2.12所示，由變壓器T，4個晶閘管VT1、VT2、VT3、VT4，電阻電感負載RL組成。本電路控制角選取α?=?90°，因此在第一個周期內(nèi)晶閘管VT1、VT4的門極觸發(fā)脈沖在90°相位上施加，晶閘管VT2、VT3的門極觸發(fā)脈沖在270°相位上施加。在第二個周期內(nèi)晶閘管VT1、VT4的門極觸發(fā)脈沖在450°相位上施加，晶閘管VT2、VT3的門極觸發(fā)脈沖在630°相位上施加。后續(xù)周期施加門極觸發(fā)脈沖的情況依此類推。得出當α?=?90°時，單相橋式全控整流電路帶電阻電感負載時的工作情況如表2.5所示。根據(jù)上述分析，得出單相橋式全控整流電路帶電阻電感負載的輸出波形如圖2.13所示。由于本次分析的是從電路由關(guān)斷到順利導(dǎo)通的過程，因此在0°～90°的工作區(qū)間內(nèi)，輸出電壓ud為0?V，而電路穩(wěn)定工作后，將不斷重復(fù)90°～450°時的波形。假設(shè)電感L取值非常大，因此有平波和續(xù)流的作用，理想情況下，輸出電流id的波形為正的一條平直的直線。單相橋式全控整流電路(帶電阻電感負載)的控制角α范圍為0°～90°，分析如下：電阻電感負載RL上的功率Pd?=?udid，根據(jù)上述波形可以推導(dǎo)出當控制角α?=?90°時，ud?=?0，id＞0，因此可以得出Pd?=?0，電能無法從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，因此當α?=?90°時便為臨界取值。當α取值為0°～90°中的任意角度時，電阻電感RL上的電壓ud正半周面積大于負半周面積，因此ud＞0，而此刻id也大于0，因此可以得出Pd＞0，電能能夠從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，從而實現(xiàn)整流。綜上可得控制角α的移相范圍為0°～90°。計算可得整流輸出電壓的平均值為：2.3單相全波整流電路2.3.1單相全波不可控整流電路單相全波不可控整流電路結(jié)構(gòu)如圖2.14所示，電路由帶中心抽頭的變壓器T、二極管VD1和VD2、電阻負載R組成。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態(tài)進行分析即可。單相全波不可控整流電路的工作情況如表2.6所示，電阻負載兩端電壓ud的波形如圖2.15所示。流過負載的電流波形id和電壓波形ud形狀一致，但幅值因為電阻R的取值不同而有一定的區(qū)別。2.3.2單相全波可控整流電路(帶電阻負載)單相全波可控整流電路(帶電阻負載)結(jié)構(gòu)如圖2.16所示，電路由帶中心抽頭的變壓器T、晶閘管VT1和VT2、電阻負載R組成。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個周期(0°～360°)的狀態(tài)進行分析即可，晶閘管控制角α取90°。當晶閘管控制角α取90°時，在第一個周期內(nèi)(0°～360°)對晶閘管VT1而言，0°～180°為承受正向電壓的區(qū)間，0°為承受正向電壓的起始時刻，因此VT1的門極觸發(fā)脈沖施加在相位90°處；對晶閘管VT2而言，180°～360°為承受正向電壓的區(qū)間，180°為承受正向電壓的起始時刻，因此VT2的門極觸發(fā)脈沖施加在相位270°處。單相全波可控整流電路(帶電阻負載)的工作情況如表2.7所示，電阻負載兩端電壓ud的波形如圖2.17所示。流過電阻負載的電流id波形和電壓的波形ud形狀一致，但幅值因負載R的取值不同而有一定區(qū)別。2.3.3單相全波可控整流電路(帶電阻電感負載)單相全波可控整流電路(帶電阻電感負載)結(jié)構(gòu)如圖2.18所示，電路由帶中心抽頭的變壓器T、晶閘管VT1和VT2、電阻電感負載RL組成?？刂平铅吝x取90°。電阻電感負載兩端電壓ud的波形如圖2.19所示。本次分析的是電路從最原始的關(guān)斷狀態(tài)至正常工作狀態(tài)，因此得到的輸出電壓ud在0°～90°的區(qū)間內(nèi)為0?V，而電路穩(wěn)定工作后，將不斷重復(fù)90°～450°時的波形。2.4單相橋式半控整流電路2.4.1單相橋式半控整流電路(帶電阻負載)單相橋式半控整流電路(帶電阻負載)結(jié)構(gòu)如圖2.20所示，由變壓器T、2個二極管VD2和VD4、2個晶閘管VT1和VT3、電阻負載R組成。本次電路觀測電阻負載R兩端電壓ud的波形。晶閘管VT1和二極管VD4在0°～180°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓，晶閘管VT3和二極管VD2在180°～360°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓。當晶閘管的控制角取值為60°時，由于晶閘管VT1從0°開始承受正向電壓，因此VT1的門極觸發(fā)脈沖在相位60°的時刻施加；而由于晶閘管VT3從180°開始承受正向電壓，因此VT3的門極觸發(fā)脈沖在相位240°的時刻施加。0°～360°區(qū)間內(nèi)VT1門極觸發(fā)脈沖在相位60°到來，VT3門極觸發(fā)脈沖在相位240°到來，后續(xù)周期不斷重復(fù)該施加方式。根據(jù)以上分析便可推得各個管子在哪個區(qū)間內(nèi)導(dǎo)通。單相橋式半控整流電路(帶電阻負載)的工作情況如表2.8所示。2.4.2單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負載)單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負載)結(jié)構(gòu)如圖2.21所示，由變壓器T、2個二極管VD2和VD4、2個晶閘管VT1和VT3、電阻電感負載RL組成。本次電路觀測電阻電感負載RL兩端電壓ud的波形，由于電路帶有電感負載，因此會對工作情況產(chǎn)生一定影響。晶閘管VT1和二極管VD4在0°～180°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓，晶閘管VT3和二極管VD2在180°～360°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓。當晶閘管的控制角取值為60°時，VT1的門極觸發(fā)脈沖在相位60°的時刻施加，VT3的門極觸發(fā)脈沖在相位240°的時刻施加。單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負載)的波形如圖2.22所示。但該電路存在一些問題，例如，如果單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負載)晶閘管VT1的門極觸發(fā)脈沖丟失，則會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通，而兩個二極管VD2、VD4輪流導(dǎo)通的失控情況，電阻電感負載RL兩端的輸出波形會變?yōu)檎野氩?，因此為了避免此種情況發(fā)生，需要在電阻電感負載RL兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管。3.1三相半波整流電路

3.2三相橋式整流電路3.1三相半波整流電路3.1.1三相半波不可控整流電路三相半波不可控整流電路由3個二極管VD1、VD2、VD3，變壓器，電阻負載R構(gòu)成，如圖3.1所示，變壓器一次側(cè)為三角形接法，二次側(cè)為星形接法，圖中僅畫出變壓器二次側(cè)，二極管的接法為共陰極接法，二極管的陰極連接在一起，在這種情況下，若a、b、c三相電中哪一相電壓最大，則該相所對應(yīng)的二極管導(dǎo)通。本電路將分析電阻負載R兩端電壓ud，流過電阻負載R的電流id，流過二極管VD1、VD2、VD3的電流iVD1、iVD2、iVD3以及二極管VD1兩端的電壓uVD1的情況。30°～390°之間的波形，后續(xù)電路重復(fù)該區(qū)間的工作狀態(tài)及波形，最終得出的電阻負載R兩端電壓ud、流過電阻負載R的電流id、流過二極管VD1的電流iVD1、二極管兩端電壓uVD1的波形如圖3.2所示，圖中所示為電路已經(jīng)穩(wěn)定工作一段時間后的波形圖，因此在相位0°～30°之間也有相應(yīng)波形。與共陰極接法相對應(yīng)的還有共陽極接法，如圖3.3所示，圖中標注的電壓、電流方向為正方向，并不是電壓和電流實際的工作方向。三個二極管的陽極端連接在一起，此刻，a、b、c三相電中哪一相電壓最小，該相所對應(yīng)的二極管導(dǎo)通，因為此刻該相的二極管承受正向電壓，另外兩相中的二極管承受反向電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)。三相半波不可控整流電路(共陽極接法)電阻負載上的電壓ud、流過二極管VD1的電流iVD1波形如圖3.4所示。3.1.2三相半波可控整流電路(帶電阻負載)將三相半波不可控整流電路(共陰極接法)中的3個二極管替換為3個晶閘管VT1、VT2、VT3即可得到三相半波可控整流電路(帶電阻負載)，如圖3.5所示。在三相半波不可控整流電路(共陰極接法)中，二極管VD1在30°～150°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓，VD2在150°～270°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓，VD3在270°～390°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓。當將二極管替換為晶閘管時，可推得，晶閘管VT1承受正向電壓的起始時刻是30°，晶閘管VT2承受正向電壓的起始時刻是150°，晶閘管VT3承受正向電壓的起始時刻是270°。因此，當晶閘管控制角α取值為30°時，VT1管的門極觸發(fā)脈沖施加在相位60°處，VT2管的門極觸發(fā)脈沖施加在相位180°處，VT3管的門極觸發(fā)脈沖施加在相位300°處。本次電路分析相位上60°～420°(即一個周期)中電阻負載R兩端電壓ud、流過晶閘管VT1的電流iVT1以及晶閘管VT1兩端的電壓uVT1的波形，控制角α取值為30°。電阻負載R兩端電壓ud、流過晶閘管VT1的電流iVT1波形如圖3.6所示。本次分析的是電路從原始關(guān)斷狀態(tài)到正常工作狀態(tài)，因此0°～60°的區(qū)間中無電壓、電流波形顯示。三相半波可控整流電路(帶電阻負載)控制角α取值范圍為0°～150°。當控制角α取值范圍在0°～30°時，整流輸出電壓ud的波形連續(xù)；當控制角α取值范圍在30°～150°時，整流輸出電壓ud的波形斷續(xù)。因此計算整流輸出電壓平均值分為兩種情況。(1)當α取值范圍在0°～30°時：(2)當α取值范圍在30°～150°時：3.1.3三相半波可控整流電路(帶電阻電感負載)三相半波可控整流電路(帶電阻電感負載)由變壓器、晶閘管、電阻電感負載組成，如圖3.7所示。該電路由于帶電阻電感負載RL，所以工作時輸出的波形和僅僅帶電阻負載時有區(qū)別，本次電路將分析一個周期內(nèi)(90°～450°)，控制角α取值為60°時，電阻電感負載兩端電壓ud的波形情況。VT1、VT2、VT3承受正向電壓的起始時刻分別為30°、150°、270°，因此當α取值為60°時，三個晶閘管的門極觸發(fā)脈沖分別施加在90°、210°、330°。三相半波可控整流電路(帶電阻電感負載)輸出的波形如圖3.8所示。本次分析的是電路從原始關(guān)斷狀態(tài)到正常工作狀態(tài)，因此0°～90°的區(qū)間中無電壓、電流波形顯示。當晶閘管的控制角α取值為90°時，電阻電感負載兩端電壓ud波形中，正半周的面積和負半周的面積相等，即輸出電壓ud平均值為0?V，因此，可得三相半波可控整流電路(帶電阻電感負載)控制角α的取值范圍為0°～90°。由于該帶電阻電感負載電路工作時，輸出電壓ud的波形一直連續(xù)，因此可以計算得出輸出電壓的平均值公式為：3.2三相橋式整流電路3.2.1三相橋式不可控整流電路三相橋式不可控整流電路由變壓器、6個二極管VD1～VD6、電阻負載R組成，如圖3.9所示，圖中僅標出變壓器二次側(cè)。在該電路中VD1、VD3、VD5組成共陰極組，這3個二極管的陽極分別接至a相、b相、c相，在運行過程中，哪一相的電壓最大，則該相所對應(yīng)的二極管導(dǎo)通；VD4、VD6、VD2組成共陽極組，而這3個二極管的陰極分別接至a相、b相、c相，哪一相的電壓最小，哪一相就導(dǎo)通。由圖3.6中三相電的波形u2可得在0°～30°的區(qū)間內(nèi)，c相電壓最大；在30°～150°的區(qū)間內(nèi)，a相電壓最大；在150°～270°的區(qū)間內(nèi)，b相電壓最大；在270°～390°的區(qū)間內(nèi)，c相電壓最大；后續(xù)相位區(qū)間可繼續(xù)判斷觀測哪一相位電壓最大。接著觀察相位電壓最小的區(qū)間，在0°～90°的區(qū)間內(nèi)，b相電壓最小；在90°～210°的區(qū)間內(nèi)，c相電壓最??；在210°～330°的區(qū)間內(nèi)，a相電壓最??；330°～450°的區(qū)間內(nèi)，b相電壓最小。根據(jù)上述分析可以觀測不同區(qū)間哪一相電壓最大，哪一相電壓最小，并由此判斷各個二極管的通斷情況，分析電阻負載R兩端的電壓ud、流過VD1的電流iVD1、VD1兩端的電壓uVD1。三相橋式不可控整流電路電阻負載R兩端的電壓ud、流過VD1的電流iVD1、VD1兩端的電壓uVD1的波形如圖3.10所示。3.2.2三相橋式全控整流電路(帶電阻負載)三相橋式全控整流電路(帶電阻負載)由變壓器、6個晶閘管VT1～VT6、電阻負載R構(gòu)成，如圖3.11所示。二極管VD1在區(qū)間30°～150°承受正向電壓、VD2在區(qū)間90°～210°承受正向電壓、VD3在區(qū)間150°～270°承受正向