单相桥式可控整流电路

1．电阻性负载

单相桥式整流电路带电阻负载时的原理性接线图如图1a)所示, 图中的4个开关器件都为晶闸管，属可控元件，故此电路称为单相桥式全控整流电路。

a) b)

图1 单相桥式全控整流电路（电阻性负载）

图1 b)为单相桥式全控整流电路带电阻性负载时各处的电压、电流波形。可以看出，负载上在u₂正、负两个半波内均有电流流过，使直流电压、电流的脉动程度比单相半波得到了改善，一周期内脉动两次（两个波头），脉动频率为工频的两倍。因为桥式整流电路正负半波均能工作，使得变压器副边绕组在正、负半周内均有电流流过，直流电流平均值为零，因而变压器没有直流磁化问题，绕组及铁心利用率较高。

单相桥式可控整流电路直流电压U_d为

(1)

可以看出，它是半波可控整流电路U_d的两倍。当α＝0时，晶闸管全导通（θ＝π），相当二极管的不可控整流，U_d＝U_d0＝0.9U₂，最大。当α＝π时，晶闸管全关断（θ＝0），U_d＝0，最小，所以单相桥式可控整流电路带电阻负载时的移相范围为180°。

输出直流电流平均值I_d为

(2)

输出直流电流有效值，亦即变压器次级绕组电流有效值I₂为

(3)

VT₁、VT₄与VT₂、VT₃两对晶闸管在对应的时刻相互交替导通关断，因此流过晶闸管的直流平均电流I_dT为输出直流电流平均值I_d的一半

(4)

流过晶闸管的有效电流I_T为

(5)

晶闸管承受的最大反向峰值电压为相电压峰值。

2．电感性负载

单相桥式全控整流电路带电感性负载时的原理性接线图如图2a)所示。假设负载电感足够大（ωL_d>>R_d），电路已处于正常工作过程的稳定状态，则负载电流i_d连续、平直，大小为I_d，如图2b）所示。

a) b)

图2 单相桥式全控整流电路（电感性负载）

每只晶闸管的导通角θ＝π，晶闸管的电流波形为180°宽的矩形波。两个半波电流以相反方向流经变压器次级绕组时，因波形对称，使变压器次级电流i₂为180°宽，正、负半波对称的交流电流。这样，变压器次级绕组内电流无直流分量，也就不存在直流磁化问题。由于电流连续下晶闸管对轮流导通，则晶闸管电压u_T波形只有导通时的U_T ≈ 0，以及关断时承受的交流电压u₂的局部波形，其形状随控制角α而变。

直流平均电压U_d为

(6)

可以看出，大电感负载下电流连续时，U_d为控制角α的典型余弦函数。当α＝0时，U_d＝U_d0＝0.9U₂；当α＝π/2时，U_d＝0。因而电感性负载下整流电路的移相范围为90°。

无论控制角α多大，输出电流波形因电感很大而呈一水平线，使直流电流平均值I_d与有效值I₂相等，这个有效值也就是变压器副边电流有效值。

由于两对晶闸管轮流导通，一周期内各导通180°，故流过晶闸管的电流是幅值为I_d的180°宽矩形波，从而可以求得其平均值为I_dT = I_d/2。晶闸管电流有效值为I_dT = I_d/。而晶闸管承受的最大正、反向电压均为相电压峰值。

3．反电势负载

在工业生产中，常常遇到充电的蓄电池和正在运行中的直流电动机之类的负载。它们本身具有一定的直流电势，对于可控整流电路来说是一种反电势性质负载。在分析带反电势负载可控整流电路时，必须充分注意晶闸管导通的条件，那就是只有当直流电压u_d瞬时值大于负载电势Ｅ时，整流桥中晶闸管才承受正向阳压而可能被触发导通，电路才有直流电流i_d输出。

a) b)

图3 单相桥式全控整流电路（电阻—反电势负载）

当电路负载为蓄电池、直流电机电枢绕组(忽略电感)时，可认为是电阻反电势负载，如图3a)所示的即为整流电路给蓄电池负载供电。

由于电势E逆晶闸管单向导电方向施加在回路中，使得只有当变压器次级电压u₂大于反电势E时晶闸管才有可能被触发导通，也才有直流电流i_d输出。设变压器次级电压为

，则u₂自零上升至u₂＝E的电角度δ可以求得为

(7)

δ称之为停止导电角，它表征了在给定的反电势E、交流电压有效值U₂下，晶闸管元件可能导通的最早时刻(图3b)。

当控制角α＞δ时，u₂＞E，晶闸管上承受正向阳极电压，能触发导通，导通后元件一直工作到u₂＝E的ωt＝π－δ处为止。可以看出，晶闸管导通的时间比电阻性负载时缩短了。反电势E越大，导通角θ越小，负载电流处于不连续状态。这样一来在输出同样平均电流I_d条件下，所要求的电流峰值变大，因而有效值电流要比平均值电流大得多。

当α＜δ时，虽触发脉冲在ωt＝α时刻施加到晶闸管门极上，但此时u₂＜E，管子还承受反向阳极电压而不能导通。一直要待到ωt＝δ时，u₂＝E后，元件才开始承受正向阳极电压，具备导通条件。为此要求触发脉冲具有足够的宽度，保证在ωt＝δ时脉冲尚未消失，才能保证晶闸管可靠地导通。脉冲最小宽度必须大于（δ－α）。

直流电动机串联平波电抗器后的原理性接线图如图4a)所示，此时属于电感—反电势负载情况。其中L_d为包括平波电抗器及电机电枢线圈在内的线路总电感。

图4 单相桥式全控整流电路（电感—反电势负载）

假设α＞δ时触发导通桥式全控整流电路中的一对晶闸管，受电感L_d的阻塞作用直流i_d从零开始逐渐增长。又正因为电感的作用，当交流电压u­­­₂小于电枢反电势E后，L_d上自感电势能帮助维持晶闸管继续导通，甚至在u₂为负值时也能使管子不关断，这是串接电感后电路工作的最大特点。电路的电压、电流波形如图4b)所示。

单相桥式全控整流电路具有整流波形好，变压器无直流磁化，绕组利用率高，整流电路功率因数高等优点。另外它的U_d/U₂=f(α)函数为余弦关系，斜率比其他单相可控整流陡，说明整流电路电压放大倍数大，控制灵敏度高。单相可控整流电路虽结构简单、制造和调整容易，但电压纹波大、波形差，控制滞后时间长从而快速性差。特别是对于三相电网而言仅为一相负载，影响了三相电源的平衡性。因此，在负载容量较大（4kW以上）以及对整流电路性能指标有更高要求时，多采用三相可控整流电路。