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电气类第3章__相控整流电路(《电力电子技术》课件)

一、相控整流电路概述

相控整流电路是一种广泛应用于电力电子技术领域的电力变换装置，它能够将交流电转换成可控的直流电。相控整流电路的核心部件是晶闸管（Thyristor），也称为可控硅，它具有单向导通的特性，并且可以通过控制其触发角来调节输出电流和电压的大小。这种电路在电力系统中具有举足轻重的地位，尤其在工业领域，如变频调速、直流电机控制、充电设备等。

相控整流电路的工作原理基于晶闸管的导通特性。当晶闸管的阳极和阴极之间加上正向电压时，若在门极和阴极之间施加一定的触发信号，晶闸管将导通，允许电流通过；若没有触发信号或施加反向电压，晶闸管则处于截止状态。通过调整晶闸管的触发角，可以改变导通时刻，从而实现对交流电压的整流过程进行控制。例如，在电力电子变流器中，相控整流电路可以实现从交流电到直流电的转换，并且通过控制触发角，可以实现对输出电压的平滑调节。

相控整流电路在实际应用中表现出较高的可靠性和稳定性。例如，在工业电机驱动系统中，相控整流电路能够将三相交流电转换成直流电，进而驱动电机实现启动、调速和制动等功能。据统计，相控整流电路在电机驱动领域的应用占到了整个电力电子市场的50%以上。此外，相控整流电路在新能源领域也具有广泛的应用前景，如在太阳能光伏发电系统中，相控整流电路可以将光伏电池产生的直流电转换为交流电，供电网使用。

随着技术的不断发展，相控整流电路的性能得到了显著提升。以晶闸管为例，早期的晶闸管具有体积大、触发灵敏度低、耐压和耐流能力有限的缺点。然而，随着新型功率器件的出现，如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和SiC功率器件，相控整流电路的性能得到了极大的改善。例如，IGBT具有较高的开关频率和较小的开关损耗，能够实现快速而高效的电力转换。此外，SiC器件具有更高的耐压和耐温特性，适用于高温、高压和高速的电力电子系统。这些新型功率器件的应用，为相控整流电路的性能提升提供了强有力的支持。

二、相控整流电路的基本原理

(1)相控整流电路的基本原理是通过控制晶闸管的导通时刻来调节输出电压的大小。晶闸管在正向电压作用下，在门极收到触发信号时导通，而在无触发信号或反向电压时截止。通过改变晶闸管的触发角，即改变晶闸管导通的时刻，可以控制整流电路的输出电压。

(2)在相控整流电路中，交流电源通过变压器输入，经过整流桥堆进行整流，输出脉动的直流电压。晶闸管的触发角决定了整流电压波形中直流分量的大小。触发角越大，整流电压中的交流分量越小，输出电压越平滑。

(3)相控整流电路的触发信号通常由触发电路产生，触发电路可以是脉冲发生器或移相触发器。脉冲发生器产生固定频率的脉冲信号，而移相触发器则能够根据需要调整触发信号的相位，从而实现对整流电路的精确控制。触发信号的相位调整直接影响到晶闸管的触发角，进而影响输出电压的波形和大小。

三、相控整流电路的类型及特点

(1)相控整流电路根据触发方式的不同，主要分为全波整流电路和半波整流电路。全波整流电路能够实现交流电的正负半周都进行整流，输出电压波形较为平滑，适用于对电压稳定性要求较高的场合。例如，在直流电机驱动系统中，全波整流电路能够提供稳定的直流电压，提高电机的运行效率。半波整流电路则只利用交流电的正半周进行整流，电路结构简单，但输出电压波形波动较大，适用于对电压稳定性要求不高的场合。

(2)相控整流电路中，根据晶闸管触发角的不同，可分为正弦波触发整流电路和方波触发整流电路。正弦波触发整流电路的触发角与输入交流电压的正弦波形相对应，输出电压波形接近正弦波，适用于对电压波形质量要求较高的场合。例如，在电力电子照明系统中，正弦波触发整流电路能够提供高质量的直流电压，改善照明效果。方波触发整流电路的触发角固定，输出电压波形为方波，电路简单，但输出电压中谐波含量较高。

(3)相控整流电路在实际应用中，根据负载性质和电源类型，可分为单相整流电路和三相整流电路。单相整流电路适用于小功率负载，如家用电器等；三相整流电路适用于大功率负载，如工业电机驱动等。以三相整流电路为例，其输出电压的谐波含量相对较低，功率因数较高，适用于对电力质量要求较高的场合。例如，在大型工业电机驱动系统中，三相整流电路能够提供稳定的直流电压，提高电机的运行效率，降低能耗。

四、相控整流电路的应用及注意事项

(1)相控整流电路在现代工业和家用电器中有着广泛的应用。在工业领域，相控整流电路常用于直流电动机的调速系统、不间断电源（UPS）系统、变频调速装置等。例如，在直流电动机调速系统中，通过改变晶闸管的触发角，可以实现电动机的无级调速，提高电动机的运行效率和负载适应性。据统计，采用相控整流电路的直流电动机调速系统在全球范围内的应用市场已超过100亿美元。