电力电子第五章AC-DC变换器(整流和有源逆变电路)3

1、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Power Electronic Technology12345相控有源逆变电路相控有源逆变电路 PWM整流电路整流电路 同步整流电路同步整流电路 6概述概述 不控整流电路不控整流电路 相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l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l逆变电路把直流电逆变成交流电的电路l 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，

2、而直接接到负载l 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。l 既可工作在整流状态又可以工作在逆变状态的电路，称为变流电路变流电路（Converter)5.4 相控有源逆变电路相控有源逆变电路直流发电机直流发电机电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdR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

3、现条件相控有源逆变原理及实现条件 逆变产生的条件逆变产生的条件5.4.1 相控有源逆变原理及实现条件相控有源逆变原理及实现条件 逆变产生的条件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？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相控有源逆变原理及实现条件 逆变产生的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相控有源逆变原理及实现条件逆变产生的条件逆变产生的条

4、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：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/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相控有源逆变原理及实现条件逆变产生的条件逆变产生的条件归纳逆变条件：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/2，Ud为负有续流二极管的单相半波整流电路和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

5、源单相桥式半控电路，能否工作在有源逆变状态？逆变状态？5.4.2 三相半波整流电路的有源逆变工作状态三相半波整流电路的有源逆变工作状态0cosddUU三相半波整流电路：三相半波整流电路：1）Ud为负值22）需要一个反向电动势逆变角逆变角：0cosddUU 0cosddUU0cosddUU 5.4.2 三相半波整流电路的有源逆变工作状态三相半波整流电路的有源逆变工作状态120o30o靠电动势EM维持其导通0cosddUU0cosddUU 5.4.2 三相半波整流电路的有源逆变工作状态三相半波整流电路的有源逆变工作状态150o30o5.2.3 逆变失败与最小逆变角逆变失败与最小逆变角 逆变时若换相

6、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，逆变失败逆变失败（逆变颠覆） 1. 逆变失败的原因逆变失败的原因 （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5.2.3 逆变失败与最小逆变角逆变失败与最小逆变角逆变角再次减小5.2.3 逆变失败与最小逆变角逆变失败与最小逆变角最小逆变角的限制最小逆变角的限制5.2.3 逆变失败与最小逆变角

7、逆变失败与最小逆变角2. 确定最小逆变角确定最小逆变角min的依据的依据 逆变时允许采用的最小逆变角应等于 min=+ :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200300us，折算到电角度约45； ：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：mUXIBdsin2)cos(cos25.2.3 逆变失败与最小逆变角逆变失败与最小逆变角2cos12sinI XUmdB5.2.3 逆变失败与最小逆变角逆变失败与最小逆变角mUXIBdsin2)cos(cos2Labc+-MudidEMLBLBLBVT1VT2VT3oudOOi

8、dttuaubucuaubpiVT1iVT2iVT3iVT1iVT2iVT3iVT1iVT3考虑到：若：安全余量，一般取10o2cos12sinI XUm dB4 5oo的最小值一般取30o-35o在设计逆变电路时，触发电路必须确保不小于最小逆变角5.2.3 逆变失败与最小逆变角逆变失败与最小逆变角 5.5 PWM整流电路整流电路 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

9、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。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，

10、危害通信线路等）5.5.1 传统整流电路存在的问题传统整流电路存在的问题 功率因数功率因数定义为有功功率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=UIP=UI1 1coscos1cosSP5.5.1 传统整流电路存在的问题传统整流电路存在的问题 功率因数功率因数为： 基波因数基波因数 =I1 / I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数位移因数（基波功率

11、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11111coscoscosIIUIUISP5.5.1 传统整流电路存在的问题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，通常有两类实际应用中因其功率等级不同，通常有两类PWM整流电路：整流电路：1）电压型单相单管）电压型单相单管PWM整流电路整流电路2）桥式）桥式PWM整流电路整流电路5.5.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路 有源功率因数校正（有源功率因数校正（Active Power Factor Correction,

12、 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（续模式（CCM）和电流断续模式（）和电流断续模式（DCM）。）。Boost-APFC5.5.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路 5.5.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路 在在V导通时：导通时：sinLdsmuuUt/0LLdidtuL在在V关断时：关断时：sinLdosmouuuUtU/()/0LdodidtuuL电感电流连续：电感电流连续：sin1smdooUtuDuU5.5.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电

13、路 电感电流连续：电感电流连续：sin1smdooUtuDuU表明，只要表明，只要D按正弦规律变化，便能确按正弦规律变化，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双半波电压，进而能抑制电网电流的畸变畸变APFC的理论依据采用SPWM控制技术即可实现5.5.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路 sin1smdooUtuDuU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 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路 sin1smdooUtuDuU调制信号的的

14、小确定：1）根据表达式进行开环计算2）闭环控制5.5.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路 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 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路 采用采用APFC技术的整流电路通常应用与小功率场合，且其电技术的整流电路通常应用与小功率场合，且其电流不可逆，属于单象限整流器。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。整流电路。vPWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多单相半桥单

15、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 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路 单相全桥单相全桥PWM整流电整流电路的工作原理路的工作原理w 正弦信号波和三角波相比较的方法对图中的V1V4进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端AB产生一个SPWM波uABw uAB中基波分量的频率和正弦调制信号波同频率且幅值成比例的； uAB中频率很高的谐波和三角波载波有关的5.5.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路 单相全桥单相全桥PWM整流电路的整流电路的工作原理工作原理sss ssABdiLR iUUdt1）交流电源电压一定情况下，控制UAB便可实现交

16、流电流控制2）UAB中与PWM频率相关的高次谐波对交流电感中电流的影响较小分析时可只考虑UAB中的基波成分。5.5.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路 UsULURUABIs单位功率因数整流UsURUABIsUL单位功率因数逆变UsURUABIsUL容性无功（静止无功发生器SVG）s超前角为 UsURUABIsUL5.5.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路 s超前角为 UsURUABIsULPWM整流电路5.5.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路 对单相全桥对单相全桥PWM整流电路工作原理的进一步说明（工作模式）整流电路工作原理的进一步说明（工作模式） 5.

17、5.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路 由于是按升压斩波电路工作，如控制不当，直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多倍，对器件形成威胁 另一方面，如直流侧电压过低，例如低于us的峰值，则uAB中就得不到控制电流所需的足够高的基波电压幅值，或uAB中含有较大的低次谐波，这样就不能按需要控制is，is波形会畸变 可见，电压型PWM整流电路是升压型升压型整流电路整流电路，其输出直流电压可从交流电源电压峰值附近向高调节，如要向低调节就会使性能恶化，以至不能工作UsULURUABIs5.5.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路 5.5.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电

18、路 2三相三相PWM整流电路整流电路 最基本的PWM整流电路之一，应用最广 工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相进行SPWM控制5.5.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路 5.5.4 电流型桥式电流型桥式PWM整流电路整流电路 放反二极管变化的使得装置体积较大，一般不用于单项不存在输入短路和直通问题电流型变换器不如电压型应用广泛，主电流型变换器不如电压型应用广泛，主要原因有二：要原因有二：1）体积较大，笨重；）体积较大，笨重；2）通常需要传入放反二极管，不利于）通常需要传入放反二极管，不利于构造。构造。5.5 同步整流电路同步整流电路 二极管通常难以满足效率需求u

19、G1/4uce1iT1UiUi/20000tttuT0ttuG2/3t0t1t4t3t2t5t6同步整流器件特性器件特性其导通压降通常较低5.5 同步整流电路同步整流电路 uG1/4uce1iT1UiUi/20000tttuT0ttuG2/3t0t1t4t3t2t5t6MOSFET作同步整流使用本章小结本章小结 不控整流电路不控整流电路 单相单相不控整流电路不控整流电路 三相不控整流电路三相不控整流电路 整流电路的滤波整流电路的滤波 倍压、倍流整流电路倍压、倍流整流电路 相控整流电路相控整流电路 移相控制技术的基本概念移相控制技术的基本概念 单相（单相半波、单相全波、单相桥式）单相（单相半波、单相全波、单相桥式） 三相（三相半波、