AC-DC變換器(整流和有源逆變電路)2

楊淑英合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院電力電子技術(shù)PowerElectronicTechnology第5章AC－DC變換器

12345相控有源逆變電路

PWM整流電路

同步整流電路

6概述

不控整流電路

相控整流電路基本內(nèi)容5.3相控整流電路

開關(guān)管導(dǎo)通位置完全有外電路決定，而器件自身不能對(duì)輸出電壓平均值加以調(diào)整?？煽卣麟娐啡魧⒉豢卣麟娐分械恼鞫O管換成晶閘管或GTR等可控器件，則整流電路就成為可控整流電路。其中以晶閘管為整流器件的相控整流電路是經(jīng)典的可控整流電路，該整流電路有多種形式，其負(fù)載有電阻負(fù)載、阻感負(fù)載和反電勢(shì)負(fù)載等，負(fù)載的性質(zhì)不同，晶閘管整流電路的工作情況也不一樣，但它們都基于一個(gè)工作原理——移相控制技術(shù)。

5.3相控整流電路

單相半波相控整流電路

5.3.1移相控制技術(shù)

為便于分析，可將SCR作為理想開關(guān)元件，即導(dǎo)通時(shí)管壓降為零，關(guān)斷漏電流為零，且導(dǎo)通與關(guān)斷為瞬時(shí)完成的

5.3.1移相控制技術(shù)

幾個(gè)概念的解釋：ud為脈動(dòng)直流，波形只在u2正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱“半波”整流

采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，故該電路為單相半波可控整流電路

ud波形在一個(gè)電源周期中只脈動(dòng)1次，故該電路為單脈波整流電路

5.3.1移相控制技術(shù)

幾個(gè)重要的基本概念：觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用α表示,也稱觸發(fā)角或控制角，晶閘管整流電路是通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的起始相位對(duì)輸出電壓大小進(jìn)行控制，故稱之為相控電路。導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度，用θ(=π-α)表示

5.3.1移相控制技術(shù)

幾個(gè)重要的基本概念：移相：改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，即改變觸發(fā)角的大小稱為移相。并且這種改變觸發(fā)角的大小可使整流平均電壓發(fā)生變化的控制方式稱為移相控制。移相范圍：改變觸發(fā)角α使得整流輸出電壓的平均值從最大值降到零，此時(shí)，α角對(duì)應(yīng)的范圍稱為移相范圍。

5.3.1移相控制技術(shù)

幾個(gè)重要的基本概念：同步：使觸發(fā)脈沖與相控整流電路的電源電壓之間保持頻率和相位的協(xié)調(diào)關(guān)系稱為同步。換流：在相控整流電路中，由一路晶閘管導(dǎo)通變換為另一路晶閘管導(dǎo)通的過(guò)程稱為換流，也稱換相（communication）。

5.3.1移相控制技術(shù)

基本數(shù)量關(guān)系直流輸出電壓平均值為

Ud是α的函數(shù)，α=0，Ud=0.45U2，α=180o時(shí)，Ud=0，因此，α的移相范圍為180o或者表示為0～180o。

5.3.1移相控制技術(shù)

2.單相全波可控整流電路

5.3.1移相控制技術(shù)

克服了直流磁化現(xiàn)象電壓的脈動(dòng)頻率增加

5.3.1移相控制技術(shù)

3.單相橋式相控整流電路1）帶電阻負(fù)載工作

5.3.1移相控制技術(shù)

5.3.1移相控制技術(shù)

3.單相橋式相控整流電路1）帶電阻負(fù)載工作由以上分析可知，在交流電源u2的正負(fù)半周內(nèi)，VT1、VT4和VT2、VT3兩組SCR輪流觸發(fā)導(dǎo)通，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電。改變觸發(fā)時(shí)刻即改變輸出電壓電流波形。直流平均值也相應(yīng)改變。SCR承受的最大反向電壓為假定兩晶閘管漏電阻相等，則每個(gè)元件承受的最大正向電壓等于變壓器二次側(cè)電流波形正負(fù)半周方向相反，波形對(duì)稱，平均值為0，則直流分量為0。不存在變壓器直流磁化。5.3.1移相控制技術(shù)

數(shù)量關(guān)系α角的移相范圍為180。

5.3.1移相控制技術(shù)

數(shù)量關(guān)系

5.3.1移相控制技術(shù)

2）帶阻感負(fù)載的工作情況

工作原理及波形分析（ωL>>R）為便于討論，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。

5.3.1移相控制技術(shù)

數(shù)量關(guān)系

晶閘管移相范圍為90。變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由α角決定，有效值：

晶閘管承受的最大正反向電壓均為

5.3.1移相控制技術(shù)

3）帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況

實(shí)際中有些負(fù)載可看作是直流電源，比如被充電的蓄電池，正在運(yùn)行的直流電動(dòng)機(jī)的電樞（忽略電樞電感）。這類負(fù)載在可控整流電路中是反電勢(shì)負(fù)載，其等效電路用電勢(shì)E和內(nèi)阻R表示。在|u2|>E

時(shí)，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能

5.3.1移相控制技術(shù)

SCR導(dǎo)通期間，輸出整流電壓ud=E+idR，在SCR關(guān)斷期間，負(fù)載端電壓保持為E。電流出現(xiàn)斷流，當(dāng)|u2|降至E，id即降至0，SCR關(guān)斷。即晶閘管提前了δ停止導(dǎo)電，δ稱為停止導(dǎo)電角。

5.3.1移相控制技術(shù)

在α角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。若α<δ則晶閘管需要延遲導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度

5.3.1移相控制技術(shù)

上圖id波形在一周期內(nèi)有部分時(shí)間為0的情況，稱為電流斷續(xù)。與此對(duì)應(yīng)，若id波形不出現(xiàn)為0的情況，稱為電流連續(xù)。當(dāng)負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將很軟(平均電流與電流波形的面積成比例，為了增大平均電流必須較多地降低反電動(dòng)勢(shì))

5.3.1移相控制技術(shù)

一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，用來(lái)減少電流的脈動(dòng)和延長(zhǎng)晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間。這時(shí)只要L足夠大，可實(shí)現(xiàn)電流連續(xù)。ud和id的波形與大電感負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的波形相同。最小連續(xù)電流和最小電感量？

5.3.1移相控制技術(shù)

最小連續(xù)電流和最小電感量在給定電感量L的情況下，可連續(xù)的最小平均電流：在給定連續(xù)均電流，求最小電感α=90o時(shí)電感最大：

5.3.1移相控制技術(shù)

5.3.2三相半波相控整流電路1電阻負(fù)載工作情況

如何確定自然換相點(diǎn)，即α=0的時(shí)刻？二極管不控整流時(shí)的波形同一整流電路各晶閘管的觸發(fā)角相同5.3.2三相半波相控整流電路1電阻負(fù)載工作情況自然換相點(diǎn)：假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，二極管換相時(shí)刻為自然換相點(diǎn)，是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角a的起點(diǎn)，即a

=0電阻負(fù)載時(shí)，陽(yáng)極電壓最高者開通5.3.2三相半波相控整流電路a=0時(shí)的工作波形變壓器二次側(cè)a相繞組和晶閘管VT1的電流波形，變壓器二次繞組電流有直流分量

晶閘管應(yīng)能承受的峰值電壓：5.3.2三相半波相控整流電路a=30時(shí)的工作波形5.3.2三相半波相控整流電路5.3.2三相半波相控整流電路a>30（a

＝60）的情況負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120α=30o為電流連續(xù)的臨界狀態(tài)5.3.2三相半波相控整流電路SCR承受正向電壓最大值為相電壓峰值SCR承受反向電壓最大值為線電壓峰值5.3.2三相半波相控整流電路整流電壓平均值的計(jì)算（1）a≤30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有（2）a>30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有：5.3.2三相半波相控整流電路整流電壓平均值的計(jì)算（1）a≤30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有（2）a>30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有：電阻負(fù)載時(shí)，移相范圍為150o5.3.2三相半波相控整流電路晶閘管平均電流為晶閘管電流有效值IVT和變壓器副方繞組電流有效值I2：5.3.2三相半波相控整流電路2.阻感負(fù)載特點(diǎn)：阻感負(fù)載，L值很大，id波形基本平直a≤30時(shí)：整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同a>30時(shí)（如a=60時(shí)的波形）5.3.2三相半波相控整流電路a=30時(shí)的工作波形5.3.2三相半波相控整流電路a=60時(shí)的工作波形5.3.2三相半波相控整流電路晶閘管相控整流電路上次課主要內(nèi)容回顧晶閘管相控整流電路上次課主要內(nèi)容回顧數(shù)量關(guān)系若負(fù)載中電感足夠大，負(fù)載電流連續(xù)，則：負(fù)載電流的平均值晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值晶閘管電流的有效值5.3.2三相半波相控整流電路Ud/U2隨a變化的規(guī)律如下圖中的曲線1所示。純電阻負(fù)載電感足夠大阻感負(fù)載移相范圍0~90o5.3.2三相半波相控整流電路三相半波的主要缺點(diǎn)在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少5.3.2三相半波相控整流電路5.3.2三相半波相控整流電路當(dāng)負(fù)載為蓄電池、直流電動(dòng)機(jī)的電樞時(shí)，負(fù)載可看成是一個(gè)直流電壓源，對(duì)于整流電路而言，它們就是反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載。設(shè)反電動(dòng)勢(shì)為E，若在α＜δ時(shí)觸發(fā)晶閘管VT1，由于此時(shí)ua＜E，VT1承受反壓不能導(dǎo)通。而在α＞ωt1時(shí)，由于ua＜E，VT1承受反壓而關(guān)斷，此時(shí)VT2尚未導(dǎo)通，id=0，而ud=E。3)三相半波共陰極相控整流電路帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載5.3.2三相半波相控整流電路在α角相同時(shí)，該電路整流輸出電壓平均值比帶電阻負(fù)載時(shí)大。若電路帶有足夠大的電感時(shí)負(fù)載電流id連續(xù)，其負(fù)載電壓ud波形連續(xù)，與帶大電感負(fù)載時(shí)的負(fù)載電壓ud波形相同。波形近似為水平直線，但幅值即整流輸出電流的平均值為4、共陽(yáng)極接法α=0，自然換流點(diǎn)5.3.2三相半波相控整流電路5.3.2三相半波相控整流電路三相半波相控整流電路晶閘管元件少，只需三套觸發(fā)裝置，控制比較容易，但缺點(diǎn)也很明顯：1）變壓器每相繞組只有1/3周期流過(guò)電流，變壓器利用率低；5.3.2三相半波相控整流電路2）變壓器二次側(cè)的電流為單方向，易造成變壓器鐵心直流磁化。而且在三鐵心變壓器中，三相直流勵(lì)磁方向相同，磁通互相抵制，在鐵芯中無(wú)法形成通路，只能從空氣隙或外殼中通過(guò)，產(chǎn)生較大的漏磁通，引起附加損耗。若不用整流變壓器，將三相半波相控整流電路直接接入電網(wǎng)，直流分量會(huì)流入電網(wǎng)，除引起電網(wǎng)額外損耗外，還會(huì)增大零線電流，則必須加大零線截面積。因此三相半波可控整流電路一般用于中、小容量設(shè)備。5.3.3三相橋式相控整流電路VT1，VT3，VT5組成共陰極組，VT4，VT6，VT2組成共陽(yáng)極組。1.帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況a=0時(shí)的情況因負(fù)載得電，至少應(yīng)同時(shí)在共陽(yáng)極和共陰極組各有一個(gè)SCR導(dǎo)通。因此，在觸發(fā)當(dāng)前SCR時(shí)，其前緊鄰序號(hào)SCR依然有有效觸發(fā)脈沖。①②③④⑤⑥5.3.3三相橋式相控整流電路1.帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況a=0時(shí)的情況對(duì)三相橋式相控整流電路，為保證序號(hào)相鄰的兩個(gè)晶閘管同時(shí)有有效觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)時(shí)通常采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)，即觸發(fā)脈沖寬度大于60o，且小于120o；另一種是雙脈沖觸發(fā)，即用兩個(gè)窄脈沖代替寬脈沖。①②③④⑤⑥5.3.3三相橋式相控整流電路1.帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況a=0時(shí)的情況5.3.3三相橋式相控整流電路1.帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況a=0時(shí)的情況5.3.3三相橋式相控整流電路從相電壓波形看，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，ud1為相電壓的正包絡(luò)線，共陽(yáng)極組導(dǎo)通時(shí)，ud2為相電壓的負(fù)包絡(luò)線，ud=ud1-ud2是兩者的差值，為線電壓在正半周的包絡(luò)線直接從線電壓波形看，

ud為線電壓中最大的一個(gè)，因此ud波形為線電壓的包絡(luò)線5.3.3三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路的特點(diǎn)1）任何時(shí)刻，必須有共陰極組和共陽(yáng)極組各一個(gè)晶閘管同時(shí)通才有通路，且不能為同相2）對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差1805.3.3三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路的特點(diǎn)3）ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)；另一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）5）α=0o晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。晶閘管一周期導(dǎo)通120o。5.3.3三相橋式相控整流電路三相橋式相控整流電路的特點(diǎn)6）與三相半波可控整流電路相比：克服了其直流磁化問(wèn)題相同U2時(shí)，SCR耐壓相同，但可輸出的Ud比三相半波高5.3.3三相橋式相控整流電路a=30時(shí)工作情況5.3.3三相橋式相控整流電路a=60時(shí)工作情況5.3.3三相橋式相控整流電路當(dāng)a>60時(shí)，如a=90時(shí)的工作情況5.3.3三相橋式相控整流電路當(dāng)a>60時(shí)，如a=90時(shí)的工作情況5.3.3三相橋式相控整流電路整流電壓平均值：a≤60時(shí)a>60時(shí)：輸出電流平均值為：Id=Ud/R5.3.3三相橋式相控整流電路小結(jié)當(dāng)a≤60時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)當(dāng)a>60時(shí)，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路α角的移相范圍是120。α=120對(duì)應(yīng)線電壓過(guò)零點(diǎn)5.3.3三相橋式相控整流電路2．阻感負(fù)載時(shí)的工作情況a=0時(shí)5.3.3三相橋式相控整流電路a=30時(shí)5.3.3三相橋式相控整流電路α≦60o，電壓電流波形連續(xù)，與帶電阻負(fù)載時(shí)非常相似。a=60時(shí)5.3.3三相橋式相控整流電路2．阻感負(fù)載時(shí)的工作情況a=90時(shí)5.3.3三相橋式相控整流電路2．阻感負(fù)載時(shí)的工作情況a=90時(shí)5.3.3三相橋式相控整流電路整流電壓平均值輸出電流平均值為：Id=Ud/R變壓器二次側(cè)電流有效值：負(fù)載電流為直線時(shí)，電感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)？5.3.3三相橋式相控整流電路單相全控橋中，每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，為了對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需1個(gè)晶閘管就可以了，另1個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電路。如此即成為單相橋式半控整流電路。5.3.4橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路在電阻負(fù)載時(shí)與單相橋式全控整流電路的工作情況基本相同。單相橋式半控整流電路在阻感負(fù)載時(shí)，波形有所不同5.3.4橋式半控整流電路5.3.4橋式半控整流電路假設(shè)電感足夠大5.3.4橋式半控整流電路假設(shè)電感足夠大缺失失控現(xiàn)象由于下一觸發(fā)脈沖的消失使得當(dāng)前晶閘管無(wú)法關(guān)斷5.3.4橋式半控整流電路單相半控橋帶阻感負(fù)載、有續(xù)流二極管的情況5.3.4橋式半控整流電路續(xù)流二極管的作用有續(xù)流二極管VDR時(shí)，續(xù)流過(guò)程由VDR完成，晶閘管關(guān)斷，避免了某一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通從而導(dǎo)致失控的現(xiàn)象。續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，有利于降低損耗單相橋式半控整流電路的另一種接法這樣可以省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD3和VD4來(lái)實(shí)現(xiàn)5.3.4橋式半控整流電路5.3.4橋式半控整流電路基本數(shù)量關(guān)系：不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值考慮包括變壓器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，該漏感可用一個(gè)集中的電感LB表示換相重疊角γ表示5.3.5變壓器漏感對(duì)整流電路的影響顯然，實(shí)際電壓比理想情況低5.3.5變壓器漏感對(duì)整流電路的影響換相壓降——與不考慮變壓器漏感時(shí)相比，每次換相ud波形均少了一塊，導(dǎo)致Ud平均值降低△Ud表示，稱為換相壓降5.3.5變壓器漏感對(duì)整流電路的影響三脈波一般表達(dá)式例如：?jiǎn)蜗嗳╩=2

三相全橋m=6

單相全橋？5.3.5變壓器漏感對(duì)整流電路的影響

單相全橋？單相全橋：m