电力电子课件---华中科技大学---第5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（第二版）第5章交流－直流变换器（整流器）5交流－直流变换器（整流器）5.0概述5.1整流器的类型和性能指标5.2不控整流电路5.3单相桥式晶闸管相控整流电路5.4三相半波相控整流电路5.5三相桥式相控整流电路5.6交流电路电感对整流特性的影响5交流－直流变换器（整流器）5.8带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路5.9相控有源逆变电路工作原理5.10相控整流及有源逆变晶闸管触发控制5.11含有源功率因数校正环节（PFC）的单相高频整流小结5.0概述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。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。整流器的类型很多，归纳分类如下：1.按交流电源电流的波形可分为：（1）半波整流。（2）全波整流。2.按交流电源的相数的不同可分为：（1）单相整流。（2）三相整流。3.按整流电路中所使用的开关器件及控制能力的不同可分为：(1）不控整流。（2）半控整流。（3）全控整流。4.按控制原理的不同可分为：（1）相控整流。（2）高频PWM整流。开关器件为二极管开关器件为晶闸管开关器件为全控器件5.0概述（续1）5.0概述（续2）对交流－直流变换最基本的性能要求：直流输出电压可以调控（交流输入电压变化时或负载变化时输出的直流电压可保持为任意指令值）输出电压中交流分量（即谐波电压）被控制在允许值范围以内；交流侧电流中的谐波电流也要求在允许值以内。此外交流侧的功率因数、整流器的效率、重量、体积、成本、电磁干扰EMI和电磁兼容性EMC以及对控制指令的响应特性都是评价整流器的重要指标。5.1整流器的类型和性能指标整流器最基本的性能指标有：1.电压谐波系数或纹波系数RF（RippleFactor）2.电压脉动系数Sn3.输入电流总畸变率THD(TotalHarmonicDistortion)4.输入功率因数PF（PowerFactor）上述基本性能指标能比较科学地评价各种整流电路的性能优劣。5.1整流器的类型和性能指标（续1）纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平均值电压VD外全部交流谐波分量有效值VH可以进一步表示为：DHvVVRF/12DrmsdHvVVVV22DrmsHVVV电压谐波（纹波）系数的定义：输出电压中的交流谐波有效值VH与直流平均值VD之比值。表示为电压谐波系数或纹波系数RF（RippleFactor）5.1整流器的类型和性能指标（续2）定义：整流输出电压中最低次谐波幅值Vnm与直流平均值VD之比。Sn=Vnm/VD电压脉动系数Sn5.1整流器的类型和性能指标（续3）交流输入电流中除基波电流Is1外通常还含有各次谐波电流Isn（n＝2，3，4，…）。THD的定义：除基波电流外的所有谐波电流总有效值与基波电流有效值之比值22122212由于hSnSnSSIIIII1222121121211SnSnSSSSSShIIIIIIIIITHD输入电流总畸变率THD(TotalHarmonicDistortion)SPPFAC/SSIVS11111cos/)(cos)/(cos)/(SSSSSSSSACIIIVIVIVPPF221∞22∞22211111∑11∑THDIIIIIIISnSnnSnSSSS输入功率因数PF（PowerFactor）：基波电流数值因数（简称基波因数）是基波电流有效值与总电流有效值之比值。交流侧电压与电流基波分量之间的相位角φ1称为基波位移角；基波功率因数cosφ1称为基波位移因数DPF。若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基波电流形成有功功率。这时，定义：交流电源输入有功功率PAC与其视在功率S之比，即5.1整流器的类型和性能指标（续4）5.2不控整流电路5.2.0概述5.2.1单相半波不控整流5.2.2两相半波不控整流（或双半波不控整流）5.2.3单相桥式不控整流5.2.4三相半波不控整流5.2.5三相桥式不控整流5.2.6电容滤波的不控整流电路5.2.0概述定义：在交流电源与直流负载间插入二极管电路，利用二极管的单向导电性实现交流-直流电能变换的电路。缺点：输出电压平均值不能调节分析法：二极管的单向导电性是分析二极管整流电路的基本原则。典型电路：图5.1(a)～5.5(a)*5.2.1单相半波不控整流主电路：不控二极管D1、D0工作原理：（理想情况下）在电源电压的正半周wt=0~pD1承受正向电压而导通。vD=vs,iD=is在电源电压的负半周wt=p~2pD1受反压截止，阻断电路。vD=0,iD=0如果负载有电感，则负载电流通过D0续流。*5.2.1单相半波不控整流（续1）特点：整流电压直流平均值SSSDVVtdtVV45.02sin2210pwwppVD只与VS有关，不能被调控；输出电压脉动大，脉动频率低，难于滤波；仅正半周有输出（一个电源周期中仅一个电压脉波，即脉波数为1，称为“半波”）；电源电流的直流分量很大。*5.2.2两相半波不控整流（或双半波不控整流）主电路：中心抽头的变压器提供两相反向的电压，D1、D2作开关。工作原理：（理想情况下）在电源电压的正半周D1承受正向电压而导通，D2截止，使得正的A相电压加到了负载两端。在电源电压的负半周D1受反压截止，D2导通，使得正的B相电压加到了负载两端性能优于单相半波不控整流正负半波均有输出，整流电压直流平均值高了一倍两相电压是通过变压器中心抽头得到的一个电源周期TS中脉波数为2，脉动频率提高一倍，易于滤波电源电流正、负对称，无直流分量。*5.2.2两相半波不控整流（或双半波不控整流）（续1）*5.2.3单相桥式不控整流原理及波形分析：与两相半波电路相比：相同点：整流输出电压、交流电源电流波形。多用了两个二极管，但可略去有中心抽头的变压器。在中小容量的不控整流领域中应用广泛。单相桥式不控整流动态演示*5.2.4三相半波不控整流原理及波形：一周期中，A相D1、B相D3、C相D5依序各导电120°。整流电流为120°脉宽直流。整流电压由三个相同的脉波组成（脉波数m＝3）。特点：直流平均值的数值较高：SSSDVVtdtVV17.1263sin23/2150103pwwp整流电压脉动较小，脉动频率为电源频率3倍。电源电流含有很大的直流分量。较少实用。5.2.5三相桥式不控整流整流电压由6个相同的脉波组成，脉波宽60°,脉动较小，易滤波。电源电流无直流分量,为120°脉宽、正负对称的交流电。广泛应用较大功率的不控整流中脉波数m＝65.2.5三相桥式不控整流（续）整流电压的直流平均值高：lSlSVVVV35.134.22363pptdtVtdvVSABDwwpwp30sin2333/109030903电源线电压有效值电源相电压有效值5.2.6电容滤波的不控整流电路不控整流电路输出电压中除直流外，还含有谐波。为此须在整流电路的输出端与负载之间接入LC滤波器。由于整流输出谐波电压的频率不高，因此要有较好的滤波效果必须LC很大。滤波电感L的重量、体积相对于电容要大得多，通常取较小的L和较大的C组成LC滤波器，甚至完全不用电感只用电容滤波。5.3单相桥式晶闸管相控整流电路5.3.0概述5.3.1单相桥式全控整流电路5.3.2单相桥式半控整流电路5.3.0概述晶闸管代替上节电路中的二极管，可得相控整流电路。原理：利用了半控开关器件晶闸管的开通可控特性（承受正向电压，且有触发脉冲）和单向导电性；相控整流：控制晶闸管触发相位角（脉冲施加时刻）就控制了电源电压送至负载的起始时刻，从而控制整流电压。整流电路结构不同、负载性质不同，工作情况也就不同。电路分析时要抓住晶闸管的导通时刻（满足导通条件时）和受到反压被强迫关断的时刻。掌握单相桥式全控整流电路在不同性质负载下的工作情况了解单相桥式半控整流电路的失控现象及解决办法。5.3.1单相桥式全控整流电路一、电阻性负载（一）主电路（二）理想化假设（三）工作原理及波形分析（四）几个名词术语（五）基本量的计算二、电感性负载（一）L、φ较小，α较大，且αφ时，负载断流，元件的导电角θπ（二）当α＝φ时，电流临界连续（三）L、φ较大，α较小,且αφ，电流连续（四）L很大，ωLR，φ≈90°，αφ，电流连续且忽略脉动三、反电势负载（二）理想化假设(1)开关元件是理想的开关：通态压降=0；断态电阻无穷大;漏电流=0;开关过程瞬间完成；(2)变压器是理想的：漏抗、绕组电阻、励磁电流=0(3)电网电压是理想的正弦波（一）主电路（1）T为整流变压器；（2）注意各物理量的参考方向1、T1、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。2、问题：元件可能触发导通的区间？何时关断？为什么？一、电阻性负载一、电阻性负载（续1）电阻负载时的波形0000vSvgvdidtwtwtwtwpp2vvTT41vvTT41000000vSvgvdidtwtwtwtwpp2vvTT41vvTT41（三）工作原理及波形分析1.触发脉冲条件（波形、频率、周期、相位）：与电源“同步”。2波形分析法：分段分析法（同频/同周期、有协调的相位关系：正常工作的条件）(四)几个名词术语（1）控制角α:从SCR承受正向电压时刻起到触发脉冲前沿时刻之间的时间所对应的电角度。＝》把不控器件（二极管）的导通时刻后移的电角度。（2）元件导通角θ（导电角）：元件在一周期内导通的时间所对应的电角度。本例θ=π-α（3）移相：改变触发脉冲出现时刻，即改变控制角大小。改变α角的大小就可以控制输出电压的大小实现“移相控制”，简称“相控”。（4）移相范围：控制角α能够变化的范围，本例0～180°（5）换相（换流）：电流从一个元件转移到另一个元件的过程。一、电阻性负载（续1）VD是控制角α的函数；α愈大Vd愈小；当α＝0时为最大值；当α＝π时，VD=0。α的移相范围为0～π。时0当SSDVVV9.0220p2/)cos1(/0aVVDD设电源电压：tVtVvsmswwsin2sin0vdtw0vdtw一、电阻性负载（续2）(五)基本量的计算（1）输出直流电压平均值VD2cos12cos122)cos1(2)(sin22120aVaVVttdVVDsssaDppwwpp（3）晶闸管电流的有效值IT:)2cos1(45.021aRVIISDavpppwwpp22sin2)(sin2212RVtdtRVISSaT0idtw00由于两晶闸管对轮流导通，在一个正弦周期内各导通θ,所以晶闸管平均电流为负载平均电流ID的一半。2cos19.0RVRVISDD晶闸管电流平均值Iav:一、电阻性负载（续3）(五)基本量的计算（2）输出直流电流平均值IDTSSaLSIRVtdtRVII222sin)(sin212pppwwpp)cos1(2)(22sinpppDLDSIIII（5）负载电阻上电压有效值Vrms0t00istwRIVtdtVVsSSrmspppwwpp22sin)(sin212(五)基本量的计算(4)次级绕组电流有效值IS＝负载电流有效值IL一、电阻性负载（续4）整流电路的输入电流中一般含有谐波电流，基波电流与基波电压一般不同相位，因此电源的视在功率S=VSIS有功功率P忽略开关管的损耗，电源提供的有功功率＝负载有功功率Pppp22sinSLSSSLVVIVIVSPP