AC-DC变换器(整流和有源逆变电路)3.

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5.4相控有源逆变电路逆变（invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过程实例：电力机车下坡行驶，机车的位能转变为电能，反送到交流电网中去逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路根据逆变输出交流电能去向的不同,逆变电路可以分为：有源逆变电路——交流侧和电网连接无源逆变——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状态又可以工作在逆变状态的电路，称为变流电路（Converter)5.4相控有源逆变电路直流发电机—电动机系统电能的流转c)b)a)MGMGMGEGEMIdR∑EGEMIdR∑EGEMIdR∑电动回馈制动反接制动两个电动势（电源）同极性相连，电流总是从电动势高的流向电动势低的。电流大小决定于两电动势之差和回路电阻。如果回路电阻很小，即使两电动势差不大，也可以产生足够大的电流，使两电动势间交换功率。5.4.1相控有源逆变原理及实现条件a)b)图2-45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1逆变产生的条件5.4.1相控有源逆变原理及实现条件a)b)图2-45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1逆变产生的条件晶闸管的单相导电性，使得电流不能反向如何实现能量回馈？为了实现逆变时的能量回馈，只能电压Ud反向5.4.1相控有源逆变原理及实现条件逆变产生的条件为了实现逆变时的能量回馈，只能电压Ud反向R+-M12u10u20udidLVT1VT2EMiVT1iVT2+-如果仅仅整流器电压反向是否可行?为了防止电流过大，通常要求电动机电动势的方向也反向|EM|略大于|Ud|5.4.1相控有源逆变原理及实现条件a)b)图2-45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1逆变产生的条件晶闸管阳极大部分位于电源负半周，如何导通？归纳逆变条件：1）要有直流电动势，其极性与晶闸管导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压；2）晶闸管的控制角απ/2，Ud为负怎样才能得到-Ud5.4.1相控有源逆变原理及实现条件5.4.1相控有源逆变原理及实现条件逆变产生的条件d)VD1VD2udRLeLu2idiVD1iVD2归纳逆变条件：1）要有直流电动势，其极性与晶闸管导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压；2）晶闸管的控制角απ/2，Ud为负有续流二极管的单相半波整流电路和单相桥式半控电路，能否工作在有源逆变状态？TabRu2i2udidVT1VT2VD3VD4TabRLu2i2udidVT1VT2VD3VD4VDR负载Tu2VD3VD4VT1VT25.4.2三相半波整流电路的有源逆变工作状态0cosddUUu2uaucubt10t三相半波整流电路：1）Ud为负值22）需要一个反向电动势逆变角β：0cosddUUTudidVT2VT1VT3bcaLMEMTudidVT2VT1VT3bcaLMEMu2uaucubt10t0cosddUU0cosddUU5.4.2三相半波整流电路的有源逆变工作状态120o60o靠电动势EM维持其导通TudidVT2VT1VT3bcaLMEMu2uaucubt10t0cosddUU0cosddUU5.4.2三相半波整流电路的有源逆变工作状态150o30o5.2.3逆变失败与最小逆变角逆变时若换相失败，使电路由逆变状态进入整流状态，输出电压变成正值，使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，——逆变失败（逆变颠覆）1.逆变失败的原因（1）触发电路不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通（3）交流电源缺相或突然消失.（4）换相的裕量角不足，引起换相失败Labc+-MudidEMLBLBLBVT1VT2VT3oiVT1iVT2iVT3u20ωtuaubuc5.2.3逆变失败与最小逆变角Labc+-MudidEMLBLBLBVT1VT2VT3oiVT1iVT2iVT3u20ωtuaubuc逆变角再次减小5.2.3逆变失败与最小逆变角Labc+-MudidEMLBLBLBVT1VT2VT3oudOOidttuaubucuaubpiVT1iVT2iVT3iVT1iVT2iVT3iVT1iVT3最小逆变角的限制5.2.3逆变失败与最小逆变角2.确定最小逆变角βmin的依据–逆变时允许采用的最小逆变角β应等于βmin=δ+γ+θ′δ:晶闸管的关断时间tq折合的电角度，随电流定额及是否快速型而不同。tq大的可达200～300us，折算到电角度约4～5；γ：换相重叠角，随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。可从整流电路中导出的公式求得：mUXIBdsin2)cos(cos25.2.3逆变失败与最小逆变角2cos12sinIXUmdB5.2.3逆变失败与最小逆变角mUXIBdsin2)cos(cos2Labc+-MudidEMLBLBLBVT1VT2VT3oudOOidttuaubucuaubpiVT1iVT2iVT3iVT1iVT2iVT3iVT1iVT3考虑到：若：安全余量，一般取10o2cos12sinIXUmdB4~5ooβ的最小值一般取30o-35o在设计逆变电路时，触发电路必须确保β不小于最小逆变角5.2.3逆变失败与最小逆变角5.5PWM整流电路前面以晶闸管为基础的整流电路称为相控整流电路，采用的移相控制技术。PWM整流电路显然是以PWM为控制基础的整流电路将逆变技术中的PWM应用到整流电路中就构成了PWM整流电路5.5.1传统整流电路存在的问题由于交流电能大多数来自公共电网，因而整流电路是公共电网与电力电子装置的接口电路，其性能将影响电网的运行和电能质量。在传统整流电路中，交流输入电压为正弦波，而输入电流却是非正弦波。如目前应用于微机和家电的小容量开关电源普遍采用不控整流加电容滤波的方案，如下图所示，只有整流桥输出电压高于电容电压时，才会有输入电流，交流输入电流非正弦。RCiVD2udOudi,udi2tVD3VD4VD1单相交流直流输出电压只与交流输入电压有关但不能调控。得到输出可控直流电压的方案之一：相控整流单相相控整流电路输出电压波形脉动很大，需要很大的滤波器才能得到平稳的直流电压输出电压较低时电源功率因数低，交流电源输入电流中仍含有大量的谐波电流（电网电压畸变，危害通信线路等）RCiVD2udOudi,udi2tVD3VD4VD1单相交流5.5.1传统整流电路存在的问题•功率因数λ定义为有功功率P和视在功率S的比值：•正弦电路功率因数是由电压和电流的相位差决定的：•非正弦电路中的情况有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍上式定义。设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为I，基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和1。这时有功功率为：P=UI1cos1cosSP5.5.1传统整流电路存在的问题•功率因数为：•基波因数——ν=I1/I，即基波电流有效值和总电流有效值之比•位移因数（基波功率因数）——cos1•整流器输入端功率因数与基波电流的相位移角有关，与谐波电流的大小有关11111coscoscosIIUIUISP5.5.1传统整流电路存在的问题5.5.1传统整流电路存在的问题实际应用中因其功率等级不同，通常有两类PWM整流电路：1）电压型单相单管PWM整流电路2）桥式PWM整流电路＋VFLCiLudVD0uSuLR5.5.2电压型单相单管PWM整流电路有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection,APFC）就其控制策略而言，按输入电感电流是否连续，分为电流连续模式（CCM）和电流断续模式（DCM）。Boost-APFC5.5.2电压型单相单管PWM整流电路RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid0tuabubaid0ti20t＋VFLCiLudVD0uSuLR5.5.2电压型单相单管PWM整流电路0tuabubaid0ti20t＋VLCiLudVD0uSuLR在V导通时：sinLdsmuuUt//0LLdidtuL在V关断时：sinLdosmouuuUtU/()/0LdodidtuuL电感电流连续：sin1smdooUtuDuU5.5.2电压型单相单管PWM整流电路0tuabubaid0ti20t＋VLCiLudVD0uSuLR电感电流连续：sin1smdooUtuDuU表明，只要D按正弦规律变化，便能确保在稳定负载电压的同时整流桥输出双半波电压，进而能抑制电网电流的畸变APFC的理论依据采用SPWM控制技术即可实现5.5.2电压型单相单管PWM整流电路0tuabubaid0ti20t＋VLCiLudVD0uSuLRsin1smdooUtuDuU0t要在载波大于调制波时驱动V导通调制信号的大小怎么确定？调制信号的大小要依据输出电压需求确定5.5.2电压型单相单管PWM整流电路＋VLCiLudVD0uSuLRsin1smdooUtuDuU0t调制信号的的小确定：1）根据表达式进行开环计算2）闭环控制5.5.2电压型单相单管PWM整流电路＋输入电压检测SPWM比较器高频三角波发生器输出电压检测乘法器R1R2R3R4VFCPWM控制器VrefiLudVD0uSR5uouL误差放大器电流调节器输入电流检测R通过分压电阻进行电压取样通过低阻值电阻进行电流取样通过分压电阻进行电压取样对电压进行同步5.5.3电压型桥式PWM整流电路采用APFC技术的整流电路通常应用于小功率场合，且其电流不可逆，属于单象限整流器。在大功率场合或需要四象限运行的场合通常采用桥式PWM整流电路。PWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多a)++usLsRsV1V2VD1VD2ud负载C1C2负载b)usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+ud单相半桥单相全桥交流电源直流负载外接电感和电源内电感外接电感电阻和电源内阻5.5.3电压型桥式PWM整流电路单相全桥PWM整流电路的工作原理正弦信号波和三角波相比较的方法对图中的V1～V4进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端AB产生一个SPWM波uABuAB中基波分量的频率和正弦调制信