第三章 整流电路
整流电路(Rectifier)是电力电子电路中最早出现的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。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。
在本章我们需要掌握以下内容：1.单相半波可控整流电路和单相桥式全控整流带电阻负载时的电路、波形。带阻感负载时的输出波形特征。2.三项可控整流电路要求半控和全控，了解基本原理(连线方式、电阻及阻感电路的alpha移相范围),了解输出波形特征。3.定性掌握变压器漏感对整流电路输出的影响(输出电压ud降低——换向压降，换向重叠)。4.掌握谐波和功率因数数学原理，掌握有功无功的定义，有源、无源逆变的概念和判断方法。
3.1 单相可控整流电路——
单相半波全控整流电路是最简单的整流电路，分为电阻负载和电感负载的情况。
对于电阻负载的情况，我们希望负载两端电压ud输出为直流电压。变压器T只起隔离作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用u1和u2表示，有效值分别用U1和U2表示，其中U2的大小根据需要的直流输出电压ud的平均值Ud确定。 电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。 在分析整流电路工作时，认为晶闸管(开关器件)为理想器件，即“晶闸管导通时管压降等于零，阻断时漏电流等于零”，除非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为开通与关断瞬时完成(简化问题分析)。
其中α控制角(或移相角),θ导通角=pi –α。
我们通过改变触发时刻(移相角)来改变ud的波形，ud由于晶闸管的单向导通性始终为正，但瞬时值变化为脉动直流而不是标准恒定的直流电压。由于ud只在正半周期有值，因此叫做半波整流。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。α的移相范围为0到180° ,直流输出电压平均值： ud/α = Ud/(2πf*Δt),因此ud与α呈反比关系。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称为相位控制方式，简称相控方式。
带阻感负载的工作情况是更实际的情况，大部分电动机内都有电感存在，电感会阻碍电流变化使流过电感的电流不能发生突变。注意电压和电流在触发角之后的变化，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已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。
(另一角度：L的感应电动势>u2) 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(L的感应电动势<u2) 。由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，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。
很显然，加入电感之后Ud的平均值降低了。为了解决这个问题，我们在负载两端并联一个续流二极管。当u2正半周期时和之前一样，续流二极管断路。当u2过零变负时，续流二极管导通，反压将晶闸管VT关断，而负载内部电感储存的能量将被释放形成内部小回路。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。若L足够大、id连续且id波形接近一条水平线。
单相半波可控整流电路特点是简单但是输出脉动大。变压器二次侧电流中含有直流分量造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁芯不饱和需要增大铁芯截面积从而增大设备容量。
3.1单相可控整流电路——
单相桥式全控整流电路按照负载情况分类首先分析纯电阻负载情况。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点电位)若4个晶闸管均不导通则id=0、ud=0、VT1、VT4串联承受电压u2。在触发角a处给VT1和VT4加触发脉冲、此时VT1和VT4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负半周仍在触发角a处触发VT2和VT3此时VT2和VT3导通、电流从电源b端流出向上经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。交流电源正负半周都有整流输出电流流过负载故为“全波整流”。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为和。触发角α的移相范围时0到180度由于电源正负半周都有电流流过负载因此整流电压ud的平均值应该时电阻负载半波可控整流电路的两倍：
重构后的内容如下：
3. 直流电流的平均值为：。对于流过晶闸管的电流，平均值应该是负载直流电流的一半，因为两对轮流导电。带阻感的情况时，对于电源正半周期又与之前电阻负载有所不同。正半周期在a触发VT1和VT4,Ud = U2,当电源过零变负，电感会阻碍电流的变化，因此负载要维持原有电压方向一段时间，此时VT1和VT4中仍有原方向电流，因此还不能立刻关断。随后wt=p+a时刻，触发VT2和VT3,VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3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。负载电感很大，id不能突变且波形近似为一条水平线(大电感平波作用)。整流电压平均值为晶闸管移相范围为90度。晶闸管承受的最大正反向电压均为60V,这是因为无论触发角为多少，晶闸管总处在导通状态。
3.2 三相可控整流电路
其交流侧由三相电源供电。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时，应采用三相整流电路。最基本的是三相半波可控整流电路。应用最为广泛的三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等。本节主要涉及三相半波可控和三项桥式全控整流电路。
3.21 三相可控整流电路——三相半波可控整流电路
电阻负载时，变压器二次侧接星型(分叉),一次侧三角形(首尾相连)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(图中d)。自然换相点在相电压的交点wt_1、wt_2、wt_3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a的起点，即a=0。此时ud波形为三个相电压在正半周期的波形包络线。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，随着触发角增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。
触发角等于三十度的时候，负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120度。当触发角大于30度的时候，导通电压会出现过零变负的情况，但反向电压会让晶闸管关断，而下一相的晶闸管并没有触发，所以此时负载出现断续，各晶闸管导通角小于120度。
三相可控整流电路的基本关系是：电阻负载时触发角移相范围为0-150度，整流电压平均值a≤30度时，负载电流连续，有导通120度；a等于0时平均值最大；a>30度时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有。电感负载时为0-90度，阻感负载时为0-120度，电阻负载时为0-150度。晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值。
三相半波可控阻感负载情况：首先假设L很大，输出电流为矩形波。a≤30度时，整流电压波形与电阻负载时相同(两种情形下负载电流均连续)。a>30度时，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，平均值下降。a的移相范围为90度(此时ud波形中正负抵消，均值为0)。Ud平均值公式为：因此触发角移相范围为90度(此时ud波形中正负抵消，均值为0)。
三相可控整流电路——三相桥式全控整流电路：电阻负载情况下，阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1、VT3、VT5)称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4、VT6、VT2)称为共阳极组。共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5;共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。晶闸管的导通顺序为VT1--> VT2--> VT3--> VT4--> VT5--> VT6。自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。当触发角等于0度时自然触发，晶闸管相当于二极管。在u_d波形中每一段线电压的波形继续向后移时，u_d平均值降低。当a=60°时，u_d出现了为零的点；当a=90°时，因为id与ud一致(电阻负载),一旦ud降至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零。
三相桥式全控整流电路整流输出电压u_d一周期脉动6次。每次脉动的波形都一样。故该电路为6脉波整流电路。
在阻感负载时，当a小于等于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a大于60,由于电感L的作用UD波形出现负的部分。
带电阻负载时三相桥式全控整流电路：当a角移相范围为120°时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90°。变压器漏感对整流电路的影响：变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感LB表示，并将其折算到变压器二次侧。由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。现以三相半波为例来分析，然后将其结论推广假设负载中电感很大，负载电流为水平线。出现换相重叠角，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。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。
整流电路谐波和功率因数：基波(fundamental):频率与工频相同的分量；谐波(harmonicity):频率为基波频率大于1整数倍的分量；谐波次数：谐波频率和基波频率的整数比；n次谐波电流含有率以HRIn(Harmonic Ratio for In)表示(In为n次谐波电流有效值);电流谐波总畸变率THDi(Total Harmonic distortion)分别定义为(Ih为总谐波电流有效值)。有功功率又叫平均功率。交流电瞬时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，它对应于电路中电阻部分所消耗的功率。无功功率：在具有电容器或电感器的电路里它们只是与电源进行能量交换并没有真正消耗能量。我们把与电源交换能量的功率值叫做无功功率以字母Q表示单位乏 (VAR)。视在功率：电压与电流的有效值乘积称作视在功率以S或Ps表示单位伏安(VA)。
功率因数是电路中有用功与总功之比，是衡量电路中有功电能利用率的指标。在正弦电路中，有功功率P=UI,无功功率Q=UIcosθ，视在功率S=UI,其中U、I分别为电压和电流的有效值，θ为电流滞后于电压的相位差。视在功率等于有功功率加上无功功率，而无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间存在一定的关系。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：1/(2π√(LC))。对于非正弦波，可以对其进行傅里叶分解：n=1时为基波。以单相桥式整流电路为例：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。
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