第5章交流直流变换器(整流器)

第五章交流/直流变换器（整流器）电力电子学—电力电子变换和控制技术（第三版）2第五章交流/直流变换器（整流器）5.1整流的基本原理5.2负载性质对整流特性的影响5.3交流电路电感对整流特性的影响5.4相控整流电路输出电压的谐波分析5.5带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路5.6相控有源逆变电路5.7相控整流及有源逆变晶闸管触发控制5.8三相高频PWM整流5.9整流器的类型和性能指标3第五章交流/直流变换器（整流器）5.1整流的基本原理5.2负载性质对整流特性的影响5.3交流电路电感对整流特性的影响5.4相控整流电路输出电压的谐波分析5.5带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路5.6相控有源逆变电路5.7相控整流及有源逆变晶闸管触发控制5.8三相高频PWM整流5.9整流器的类型和性能指标45.1.1不控整流电路5.1.2相控整流电路5.1三相高频PWM整流5不控整流电路单相不控整流电路三相不控整流电路相控整流电路单相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路整流（Rectify）：利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交流电能变为直流电能称为整流。整流器（Rectifier）：实现整流的电力半导体开关电路连同其辅助元器件和系统称为整流器。65.1.1不控整流电路双半波不控整流单相桥式不控整流三相半波不控整流三相桥式不控整流7负半周：D1受反压截止，D2导通，正的B相电压加到负载两端，vD=vBO,iB=iD正半周：D1受正压而导通，D2截止，正的A相电压加到负载两端，vD=vAO,iA=iD两相半波(双半波)不控整流SvAOSvvBOSvvOπ2πttDvO（b）电源电压（c）整流电压、电流DvDvSiSiD1iD2i工作原理（理想情况下）：双半波不控整流8特点：正负半波均有输出；两相电压通过变压器中心抽头得到；一个电源周期TS中脉波数m=2，易滤波；电源电流正、负对称，无直流分量；性能优于单相半波不控整流πDSSS0122sind20.9ππVVttVV计算：整流电压直流平均值双半波不控整流VD不能调控，为不控整流9原理及波形分析：与两相半波电路相比：相同点：vD波形、is波形；多用两个二极管，但可略去有中心抽头的变压器；在中小容量不控整流领域中应用广泛。单相桥式不控整流SvSS2sinvVtOttDvO（b）电源电压（c）整流电压、电流mVmVDvDvDvSiSiDiSDiiSDiiDi10原理及波形：150DSSS301362sind1.172π/32πVVttVV特点：直流平均值较高；vD脉动较小，脉动频率=3fs；is含有很大直流分量；不能直接使用计算：三相半波不控整流OAv537BvCvAv3t5t7t1tttOπ3π31T1T3T5T1TSTS/3T()Dvt(b)电源电压(c)整流电压、电流iD1D1AiiD3BiiD5CiiDvDvDv•一个Ts中，A相D1、B相D3、C相D5依次导电120°；•iA、iB、iC为120°脉宽的直流；•vD由三个相同脉波组成，脉波数m＝311OAv537BvCvAS2sinvVt3t5t7t1tt(b)电源电压23D1D5D1D3D6D2D4D6D2D2t4t6t8t468BvCvAvBvCvPOvONvOtDPNvvABvACvBCvBAvCAvCBvABS32sin(30)ovVt60otⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅡⅠOAi(c)整流电压(d)电流波形三相桥式不控整流90DAB3090S301dπ/3332sin30dπVvtVttSlSl36322.341.35ππVVVV电源相电压有效值电源线电压有效值脉波数m=6脉波宽60°DI12OAv537BvCvAS2sinvVt3t5t7t1tt(b)电源电压23D1D5D1D3D6D2D4D6D2D2t4t6t8t468BvCvAvBvCvPOvONvOtDPNvvABvACvBCvBAvCAvCBvABS32sin(30)ovVt60otⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅡⅠOAi(c)整流电压(d)电流波形三相桥式不控整流DI特点：直流平均值高；整流电压脉动频率=6fs，脉动较小，易滤波；is为120°脉宽、且正负对称的交流电，无直流分量；广泛应用在较大功率的不控整流中二极管不控整流的主要缺点：输出直流电压平均值不能调控135.1.2相控整流电路半控开关器件晶闸管：开通可控特性（承受正向电压，且有触发脉冲）单向导电性相控整流电路：实现AC－DC电能变换的晶闸管电路。电路分析要点：晶闸管开通时刻（满足导通条件时）受到反压被强迫关断的时刻14T1、T4一组，T2、T3一组：两组间、上下桥臂间触发脉冲相差180°电角度。单相桥式全控整流触发控制角α导通角θ：这里θ=π-α移相：实现“相控”移相范围：这里0～180°同步名词术语换相（换流）工作原理0000vSvgvitttt2vv41vv41000000vSvgvdidtttt2vvTTvvTT410000vSvgvdidtttt2vvTT41vvTT41000000vSvgvdidttttvvTT41vvTT410000vSvgvdidtttt2vvTT41vvTT41000000vSvgvdidtttt2vvTT41vvTT41同频/同周期、有协调的相位关系→正常工作条件相控整流15单相桥式全控整流基本量的计算VD是控制角α的函数：α愈大VD愈小；当α＝0，VD=VD0为最大值；当α＝π，VD=0；α的移相范围：0～ππsDssD02122sind()(1cos)2ππ221cos1cosπ22aVVVttVV时0当D0SS220.9πVVVDD0/(1cos)/2VVsmssin2sinvVtVt0vdt0vdt(1)输出直流电压平均值Vd16(3)晶闸管电流的有效值IT:SavD11cos0.45()22VIIR2πSST21sin2πsind()2π2π2VVIttRR0idt00SDD1cos0.92VVIRR晶闸管电流平均值Iav：(2)输出直流电流平均值ID:单相桥式全控整流172πSSSLT21sin2sind()2π2VVIIttIRRSLDDπsin22π(π)2(1cos)IIII(5)负载电阻上电压有效值VL：0t00ist2πLSs1sin2π2sind()π2ππSVVttVIR(4)次级绕组电流有效值IS＝负载电流有效值IL单相桥式全控整流18控制角α(度)0306090120150180功率因数PF10.9710.8980.7070.4270.170表5.1单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与α的关系表电源视在功率S=VSIS有功功率LSLSSSsin2π2ππVIVPPFSVIV2LLLLSPIRVIVI(6)功率因数PF忽略开关管损耗→电源提供的有功功率＝负载有功功率P单相桥式全控整流深度相控（深控）19三相桥式全控整流基本工作原理输出电压VD=VPN=VPO-VNO6个自然换相点：三相电压瞬时值最大的那一相上管自然导通，换相点为1、3、5；三相电压瞬时值最低的那一相下管自然导通，换相点为2、4、6。20晶闸管的触发脉冲安排：触发次序：按1-2-3-4-5-6循环进行；6个管触发脉冲互差60°;欲使电源接通到负载上，任何时刻必须有两个晶闸管同时导通→每个管触发脉冲宽度要超过1/6Ts；双脉冲触发方式，即给晶闸管发一个触发脉冲后，间隔60°再给它补发一个脉冲。T1T3T5的触发脉冲间相位相差120°，T2T4T6亦如此最大导电角θ为120°三相桥式全控整流21与不控整流电路时完全一致；每隔60°有一个晶闸管换相，vD脉动频率=6fs，脉波数m=6；电阻性负载α＝0时的波形三相桥式全控整流22vD波形依然由6段线电压波形组成，仅6个导电区后延30°；iD波形：与vD相同；电阻性负载α＝30°时的波形三相桥式全控整流23与α＝0°时相比各波形在时间上顺延60°；元件导电终点时刻，整流电压、电流的瞬时值都为零；α≤60°时iD连续，且整流电压平均值VD电阻性负载α＝60°时的波形cos34.2cos330sin33/16030306011SlmlmttabDVVtdtVtdvV°°°°°三相桥式全控整流24α60o后vD、iD不连续；导电宽度为120o-α60o整流电压平均值VDα=120o时vD=0→R负载时α有效移相范围是0～120o。1150Dablm1dπ/331cos60πtVvtV电阻性负载α＝90°时的波形T6宽脉冲或双脉冲触发必要性三相桥式全控整流25相控整流特性：（1）与相控角α有关；电阻负载时的整流特性：iD与vD波形完全相同；改变相控角α的大小，可控制整流电压平均值VD。（2）与负载性质有关。26第五章交流/直流变换器（整流器）5.1整流的基本原理5.2负载性质对整流特性的影响5.3交流电路电感对整流特性的影响5.4相控整流电路输出电压的谐波分析5.5带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路5.6相控有源逆变电路5.7相控整流及有源逆变晶闸管触发控制5.8三相高频PWM整流5.9整流器的类型和性能指标275.2.1负载电感对整流特性的影响单相桥式相控整流电路电阻、电感性负载时的工作特性三相桥式相控整流电路电阻、电感性负载时的工作特性5.2.2反电势负载时相控整流特性5.2.3电容对不控整流电路特性的影响5.2负载性质对整流特性的影响285.2.1负载电感对整流特性的影响单相桥相控整流电路带电感性负载三相桥相控整流电路带电感性负载291T3T4T2T1vsv_Diab_RBAdvDv__BBAA增大时减小时DiDiLeLvsvdvdiOOOπtttπT14i，T23i，T14i，触发控制角α负载阻抗角φ导电角θRL1tan单相桥相控整流电路带电感性负载30（1）L较小、α较大且αφ时的负载断流工况：vd波形中出现负值断流原因：L较小而α较大，iD上升时间不长，L储能较少；iD下降、L释放的能量不足以维持已导通元件持续导通到（π+α）时刻就已降为零。单相桥相控整流电路带电感性负载1T3T4T2T1vSv_ab_RBAdvDvDi__BBAA增大时减小时DiDiLvLesvdvdiOOOπttt导电角θππ14Ti，23Ti，14Ti，31DS12sind()πVVtts221[coscos()]π2VSDD2[coscos()]πVVIRRVD和ID与控制角α及导通角θ有关*DDD01[coscos()]2VVV负载断流时，参数计算单相桥相控整流电路带电感性负载dvdiOOttπT14i，T23i，32()SD2[sin()sin()e]RtLVitZ晶闸管导通后，有当时有iD=0代入上式可得：/)(tt，tansin()sin()etansintan()(545)ecos化简得：DSDd2sindiVtLRitαφ→sin(θ+α-φ)