AC-DC变换器(整流和有源逆变电路)2

杨淑英合肥工业大学电气与自动化工程学院电力电子技术PowerElectronicTechnology第5章AC－DC变换器12345相控有源逆变电路PWM整流电路同步整流电路6概述不控整流电路相控整流电路基本内容5.3相控整流电路VD1单相交流uda)Ru2u1e)O2tu2udO2tuVD1O2t开关管导通位置完全有外电路决定，而器件自身不能对输出电压平均值加以调整。可控整流电路•若将不控整流电路中的整流二极管换成晶闸管或GTR等可控器件，则整流电路就成为可控整流电路。•其中以晶闸管为整流器件的相控整流电路是经典的可控整流电路，该整流电路有多种形式，其负载有电阻负载、阻感负载和反电势负载等，负载的性质不同，晶闸管整流电路的工作情况也不一样，但它们都基于一个工作原理——移相控制技术。5.3相控整流电路1.单相半波相控整流电路TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)005.3.1移相控制技术为便于分析，可将SCR作为理想开关元件，即导通时管压降为零，关断漏电流为零，且导通与关断为瞬时完成的TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)005.3.1移相控制技术几个概念的解释：•ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流•采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路•ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)005.3.1移相控制技术几个重要的基本概念：触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用α表示,也称触发角或控制角，晶闸管整流电路是通过控制触发脉冲的起始相位对输出电压大小进行控制，故称之为相控电路。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ(=π-α)表示TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)005.3.1移相控制技术几个重要的基本概念：移相：改变触发脉冲出现的时刻，即改变触发角的大小称为移相。并且这种改变触发角的大小可使整流平均电压发生变化的控制方式称为移相控制。移相范围：改变触发角α使得整流输出电压的平均值从最大值降到零，此时，α角对应的范围称为移相范围。TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)005.3.1移相控制技术几个重要的基本概念：同步：使触发脉冲与相控整流电路的电源电压之间保持频率和相位的协调关系称为同步。换流：在相控整流电路中，由一路晶闸管导通变换为另一路晶闸管导通的过程称为换流，也称换相（communication）。TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)005.3.1移相控制技术基本数量关系直流输出电压平均值为2cos145.0)cos1(22)(sin221222UUttdUUdUd是α的函数，α=0，Ud=0.45U2，α=180o时，Ud=0，因此，α的移相范围为180o或者表示为0～180o。0t12tttu2ugud005.3.1移相控制技术2.单相全波可控整流电路TVT2VT1u1u22u21***0u1t0u21t0u22t0u22tu215.3.1移相控制技术TVT2VT1u1u22u21***0u22tu210i22i21t0i1t克服了直流磁化现象电压的脉动频率增加5.3.1移相控制技术3.单相桥式相控整流电路1）带电阻负载工作RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid0u1t0uabt0ubat0tuabuba5.3.1移相控制技术RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid0tuabubaidi2UVT1,45.3.1移相控制技术3.单相桥式相控整流电路1）带电阻负载工作由以上分析可知，在交流电源u2的正负半周内，VT1、VT4和VT2、VT3两组SCR轮流触发导通，将交流电转变为脉动的直流电。改变触发时刻即改变输出电压电流波形。直流平均值也相应改变。SCR承受的最大反向电压为假定两晶闸管漏电阻相等，则每个元件承受的最大正向电压等于变压器二次侧电流波形正负半周方向相反，波形对称，平均值为0，则直流分量为0。不存在变压器直流磁化。22U22/2U0tuabubaidi2UVT1,45.3.1移相控制技术数量关系22212sind()221cos1c0.9os22UUttUUd2cos19.02cos12222RURURUIdd2cos145.0212ddVTRUIIα角的移相范围为180。RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,45.3.1移相控制技术数量关系2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII2sin212)(d)sin2(21222RUttRUIVTRTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,45.3.1移相控制技术2）带阻感负载的工作情况工作原理及波形分析（ωLR）•为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid0tuabubaidi2UVT1,45.3.1移相控制技术数量关系ddVTI21Idd2dVTI707.0I21tdI21I•晶闸管移相范围为90。•变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由α角决定，有效值：•晶闸管承受的最大正反向电压均为22Ucos9.0cos22)(dsin21222dUUttUUcos9.0cos22)(dsin21222dUUttUUd22ItdI1IIdu2OtOtOtudidi2OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,45.3.1移相控制技术3）带反电动势负载时的工作情况实际中有些负载可看作是直流电源，比如被充电的蓄电池，正在运行的直流电动机的电枢（忽略电枢电感）。这类负载在可控整流电路中是反电势负载，其等效电路用电势E和内阻R表示。在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能a)b)REidudidOEudtOt5.3.1移相控制技术SCR导通期间，输出整流电压ud=E+idR，在SCR关断期间，负载端电压保持为E。电流出现断流，当|u2|降至E，id即降至0，SCR关断。即晶闸管提前了δ停止导电，δ称为停止导电角。a)b)REidudidOEudtOt212sinUE5.3.1移相控制技术a)b)REidudidOEudtOt在α角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。E)]cos(cosU2[1])t(tdsinU2E)[(1U22d若αδ则晶闸管需要延迟导通，要求触发脉冲要有足够的宽度5.3.1移相控制技术上图id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。与此对应，若id波形不出现为0的情况，称为电流连续。当负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软(平均电流与电流波形的面积成比例，为了增大平均电流必须较多地降低反电动势)a)b)REidudidOEudtOt5.3.1移相控制技术一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。这时只要L足够大，可实现电流连续。ud和id的波形与大电感负载电流连续时的波形相同。最小连续电流和最小电感量？Oud0Eidtt=5.3.1移相控制技术最小连续电流和最小电感量Oud0Eidtt=a)REidudidud在给定电感量L的情况下，可连续的最小平均电流：2min22sindUIL在给定连续均电流，求最小电感2min22sindULI32min2.8710dULIα=90o时电感最大：5.3.1移相控制技术5.3.2三相半波相控整流电路TudidVT2VT1VT3RbcaTudidVT2VT1VT3Rbca1电阻负载工作情况u2uaubuc=0Ot1t2t3tt4TudidVT2VT1VT3RbcaTVTRu1u2uVTudidtud0RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udidudt如何确定自然换相点，即α=0的时刻？二极管不控整流时的波形同一整流电路各晶闸管的触发角相同5.3.2三相半波相控整流电路1电阻负载工作情况•自然换相点：假设将电路中的晶闸管换作二极管，二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即=0TudidVD2VD1VD3Rbcau2iduaubuc=0Ot1t2t3udOttt4电阻负载时，阳极电压最高者开通5.3.2三相半波相控整流电路=0时的工作波形•变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量TudidVT2VT1VT3Rbcau2iduaubuc=0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttt•晶闸管应能承受的峰值电压：22U45.2U325.3.2三相半波相控整流电路TudidVT2VT1VT3Rbca=30时的工作波形=30ou2uaubucOtOtOtOtOtuGuduabuact1iVT1uVT1uac5.3.2三相半波相控整流电路u2uVT1uabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtt1Ot°=30TudidVT2VT1VT3Rbca5.3.2三相半波相控整流电路30（＝60）的情况ttttu2uaubucOOOOuGudiVT1=60oTudidVT2VT1VT3Rbca•负载电流断续，晶闸管导通角小于120•α=30º为电流连续的临界状态5.3.2三相半波相控整流电路TudidVT2VT1VT3Rbcau2uVT1uabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtt1Ot°=60SCR承受正向电压最大值为相电压峰值SCR承受反向电压最大值为线电压峰值5.3.2三相半波相控整流电路整流电压平均值的计算（1）a≤30时，负载电流连续，有cosU.)t(tdsinUUd265621712321)cos(U.)t(tdsinUUd6167502321262（2）a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：=30ou2uaubucOtOtOtOtOtuGuduabuact1iVT1uVT1uacttttu2uaubucOOOOuGudiVT1=60o5.3.2三相半波相控整流电路整流电压平均值的计算（1）a≤30时，负载电流连续，有cosU.)t(tdsinUUd2656217