第三章 整流電路
整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現最早的一種，它的作用是將交流電能變為直流電能供給直流用電設備。按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結構可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數分為單相電路和多相電路。
在本章我們需要掌握掌握1.單相半波可控（3.1.1）、單相橋式全控（3.1.2）帶電阻負載時的電路、波形。帶阻感負載時的輸出波形特征。2.三項可控整流電路要求半控（3.2.1）、全控（3.2.2）——掌握基本原理（連線方式、電阻及阻感電路的alpha移相范圍），了解輸出波形特征。3.定性掌握變壓器漏感對整流電路輸出的影響（輸出電壓ud降低——換向壓降，換向重疊）。4.掌握諧波和功率因數數學原理，掌握有功無功的定義，有源、無源逆變的概念和判斷方法。
3.1單相可控整流電路——單相半波全控整流電路
最簡單的整流電路，分為電阻負載和電感負載的情況。
對於電阻負載的情況，我們希望負載兩端電壓ud輸出為直流電壓。變壓器T只起隔離作用，其一次側和二次側電壓瞬時值分別用u1和u2表示，有效值分別用U1和U2表示，其中U2的大小根據需要的直流輸出電壓ud的平均值Ud確定。 電阻負載的特點是電壓與電流成正比，兩者波形相同。 在分析整流電路工作時，認為晶閘管（開關器件）為理想器件，即"晶閘管導通時管壓降等於零，阻斷時漏電流等於零"，除非特意研究晶閘管的開通、關斷過程，一般認為開通與關斷瞬時完成（簡化問題分析）。
其中，α ：控制角(或移相角)，θ ：導通角=pi – α。我們通過改變觸發時刻（移相角）來改變ud的波形，ud由於晶閘管的單向導通性始終為正，但瞬時值變化為脈動直流而不是標准恆定的直流電壓，由於ud只在正半周期有值，因此叫做半波整流。α從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發脈沖止的電角度稱為觸發延遲角，也稱觸發角或控制角。α的移相范圍為0到180，直流輸出電壓平均值：
，因此ud與α呈反比關系，通過控制觸發脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。
帶阻感負載的工作情況是更實際的情況，大部分電動機內都有電感存在，電感會阻礙電流變化使流過電感的電流不能發生突變。注意電壓和電流在觸發角之后的變化，L的存在使id不能突變，id從0開始增加。u2由正變負的過零點處，id已經處於減小的過程中，但尚未降到零，因此VT仍處於通態。
(另一角度：L的感應電動勢>u2) t2時刻，電感能量釋放完畢，id降至零，VT關斷並立即承受反壓(L的感應電動勢<u2) 。由於電感的存在延遲了VT的關斷時刻，使ud波形出現負的部分，與帶電阻負載時相比其平均值Ud下降。
很顯然，加入電感之后Ud的平均值降低了，為了解決這個問題，我們在負載兩端並聯一個續流二極管，讓電感把電流釋放出來。U2正半周期時和之前一樣，續流二極管斷路。當u2過零變負時，續流二極管導通，反壓將晶閘管VT關斷，而負載內部電感儲存的能量將被釋放形成內部小回路。L儲存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續流。若L足夠大，id連續，且id波形接近一條水平線 。
單相半波可控整流電路的特點是簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。為使變壓器鐵芯不飽和，需增大鐵芯截面積，增大了設備的容量。
3.1單相可控整流電路——單相橋式全控整流電路
依然按照負載情況分類，首先分析純電阻負載情況。閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3組成另一對橋臂。在u2正半周（即a點電位高於b點電位）若4個晶閘管均不導通，id=0,ud=0, VT1、VT4串聯承受電壓u2。在觸發角a處給VT1和VT4加觸發脈沖，VT1和VT4即導通，電流從電源a端經VT1、R、VT4流回電源b端。當u2過零時，流經晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關斷。
在u2負半周，仍在觸發角a處觸發VT2和VT3，VT2和VT3導通，電流從電源b端流出，向上經VT3、R、VT2流回電源a端。 到u2過零時，電流又降為零，VT2和VT3關斷。
交流電源的正負半周都有整流輸出電流流過負載，故為"全波整流"。 晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為
和 
。觸發角α的移相范圍時0到180度。由於電源正負半周都有電流流過負載，因此整流電壓ud的平均值應該時電阻負載半波可控整流電路的兩倍：
直流電流的平均值為：
。對於流過晶閘管的電流平均值應該是負載直流電流平均值的一半，因為兩對輪流導電：
帶阻感的情況時，對於電源正半周期又與之前電阻負載有所不同。正半周期在a觸發VT1和VT4，Ud = U2，當電源過零變負，電感會阻礙電流的變化，因此負載要維持原有電壓方向一段時間，此時VT1和VT4中仍有原方向電流因此還不能立刻關斷。隨后wt=p+a時刻，觸發VT2和VT3，VT2和VT3導通，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉移到VT2和VT3上，此過程稱為換相，亦稱換流。負載電感很大，id不能突變且波形近似為一條水平線(大電感平波作用)。
整流電壓平均值為
，晶閘管移相范圍為90。晶閘管承受的最大正反向電壓均為
，這是因為無論觸發角為多少，晶閘管總處在導通狀態。
3.2三相可控整流電路
其交流側由三相電源供電。當整流負載容量較大，或要求直流電壓脈動較小、易濾波時，應采用三相整流電路。最基本的是三相半波可控整流電路。應用最為廣泛的三相橋式全控整流電路、以及雙反星形可控整流電路、十二脈波可控整流電路等。本節主要涉及三相半波可控和三項橋式全控整流電路。
3.21三相可控整流電路——三相半波可控整流電路
電阻負載時，變壓器二次側接星型（分叉），一次側三角形（首尾相連）三個晶閘管按共陰極接法連接,這種接法觸發電路有公共端，連線方便。 假設將晶閘管換作二極管，三個二極管對應的相電壓中哪一個的值最大，則該相所對應的二極管導通，並使另兩相的二極管承受反壓關斷，輸出整流電壓即為該相的相電壓（圖中d）。自然換相點在相電壓的交點wt1、wt2、wt3處，均出現了二極管換相，稱這些交點為自然換相點。將其作為a的起點，即a=0。此時ud波形為三個相電壓在正半周期的波形包絡線。變壓器二次繞組電流有直流分量。晶閘管電壓由一段管壓降和兩段線電壓組成，隨着觸發角增大，晶閘管承受的電壓中正的部分逐漸增多。
觸發角等於三十度的時候，負載電流處於連續和斷續的臨界狀態，各相仍導電120度。
當觸發角大於30度的時候，導通電壓會出現過零變負的情況，但反向電壓會讓晶閘管關斷，而下一相的晶閘管並沒有觸發，所以此時負載出現斷續，各晶閘管導通角小於120。
基本數量關系：電阻負載時觸發角移相范圍為0-150度( 150時整流輸出電壓0)。
整流電壓平均值：a≤30度時，負載電流連續，有（導通120度）
，a等於0時平均值最大。a>30時，負載電流斷續，晶閘管導通角減小，此時有
。
電感負載時0-90度，阻感負載時0-120度，電阻負載時0-150度。晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次線電壓峰值，
。
三相半波可控阻感負載情況，首先假設L很大，輸出電流為矩形波。a≤30時，整流電壓波形與電阻負載時相同（兩種情形下負載電流均連續）。
a＞30時，當u2過零時，由於電感的存在，阻止電流下降，因而VT1繼續導通，直到下一相晶閘管VT2的觸發脈沖到來，才發生換流，由VT2導通向負載供電，同時向VT1施加反壓使其關斷,平均值下降。a的移相范圍為90度（此時ud波形中正負抵消,均值為0）。Ud平均值公式：
，因此觸發角移相范圍為90度（此時ud波形中正負抵消,均值為0）。
3.22三相可控整流電路——三相橋式全控整流電路
電阻負載情況，陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）稱為共陽極組。共陰極組中與a，b，c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1，VT3，VT5，共陽極組中與a，b，c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4，VT6，VT2。晶閘管的導通順序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。
自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點，當觸發角等於0度時自然觸發，晶閘管相當於二極管，），ud為線電壓在正半周的包絡線。
觸發角=30度，晶閘管起始導通時刻推遲了30，組成ud的每一段線電壓因此推遲30，ud平均值降低。
a=60°時，ud波形中每段線電壓的波形繼續向后移，ud平均值繼續降低。a=60°時ud出現了為零的點.
a=90度的時候，因為id與ud一致（電阻負載），一旦ud降為至零，id也降至零，晶閘管關斷，輸出整流電壓ud為零，ud波形不出現負值。
三相橋式全控整流電路整流輸出電壓ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。
阻感負載時，當a小於等於60時，ud波形連續，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。 區別在於電流，當電感足夠大的時候，id、iVT、ia的波形在導通段都可近似為一條水平線。當a大於60，由於電感L的作用ud波形出現負的部分。
帶電阻負載時三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是120°，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90°。
3.3 變壓器漏感對整流電路的影響
變壓器漏感：
◆實際上變壓器繞組總有漏感，該漏感可用一個集中的電感LB表示，並將其折算到變壓器二次側。
◆由於電感對電流的變化起阻礙作用，電感電流不能突變，因此換相過程不能瞬間完成，而是會持續一段時間。
現以三相半波為例來分析，然后將其結論推廣假設負載中電感很大，負載電流為水平線。出現換相重疊角，整流輸出電壓平均值Ud降低。整流電路的工作狀態增多。晶閘管的di/dt減小，有利於晶閘管的安全開通，有時人為串入進線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。換相時晶閘管電壓出現缺口，產生正的du/dt，可能使晶閘管誤導通，為此必須加吸收電路。換相使電網電壓出現缺口，成為干擾源。
3.5 整流電路的諧波和功率因數
基波（fundamental）：頻率與工頻相同的分量。
諧波：頻率為基波頻率大於1整數倍的分量。
諧波次數：諧波頻率和基波頻率的整數比。
n次諧波電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示（In為n次諧波電流有效值）
。
電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）分別定義為（Ih為總諧波電流有效值）
。
有功功率又叫平均功率。交流電的瞬時功率不是一個恆定值，功率在一個周期內的平均值叫做有功功率，它對應：電路中電阻部分所消耗的功率，對電動機來說是指它的出力，以字母P表示，單位為瓦（W）。
無功功率：在具有電感（或電容）的電路里，電感（或電容）在半周期的時間里把電源的能量變成磁場（或電場）的能量貯存起來，在另外半周期的時間里又把貯存的磁場（或電場）能量送還給電源。它們只是與電源進行能量交換，並沒有真正消耗能量。我們把與電源交換能量的功率值叫做無功功率，以字母Q表示，單位乏 （VAR）。
電壓與電流的有效值乘積叫視在功率，以字母S或符號Pｓ表示，單位為伏安（VA）。
對於功率因數，在正弦電路中有功功率是其平均功率
，式中U、I分別為電壓和電流的有效值，為電流滯后於電壓的相位差。
視在功率S = UI，無功功率
，功率因數
，無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間的關系
。在正弦電路中，功率因數是由電壓和電流的相位差決定的，其值為：
。
對於非正弦波，對其傅里葉分解：
n = 1時為基波。
以單相橋式整流電路的電流波形為例：
波形為奇函數，所以an均等於0 。傅里葉分解如下：
其中基波和各次諧波有效值為：
，
當n取1時，基波電流有效值：
，有功功率：
，功率因數為：
。
3.7 逆變的概念
逆變（invertion）：把直流電轉變成交流電的過程。逆變電路：把直流電逆變成交流電的電路。
當交流側和電網連結時，為有源逆變電路。
變流電路的交流側不與電網聯接，而直接接到負載，即把直流電逆變為某一頻率或可調頻率的交流電供給負載，稱為無源逆變。
對於可控整流電路，滿足一定條件就可工作於有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉變。既工作在整流狀態又工作在逆變狀態，稱為變流電路。