第2章 AC-DC变换电路

1、Power Electronics第2章 AC-DC变换电路v 2.1 2.1 概述概述v 2.2 2.2 不控整流电路不控整流电路 v 2.32.3 单相可控整流电路单相可控整流电路 v 2.42.4 三相可控整流电路三相可控整流电路 v 2.52.5 PWMPWM整流电路整流电路 Power Electronics2.1 2.1 概述概述vAC-DCAC-DC变换电路是将交流电变换电路是将交流电(AC)(AC)转换为直流转换为直流电电(DC)(DC)的电路，即通常所说的整流电路。整的电路，即通常所说的整流电路。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成

2、。 v分类方法分类方法按交流电源输入相数：按交流电源输入相数：单相，三相，多相单相，三相，多相按电力电子器件控制能力：按电力电子器件控制能力：不控，可控不控，可控 按输入电流波形特征：按输入电流波形特征：半波，全波半波，全波按整流输出的电压、电流方向及功率流向：按整流输出的电压、电流方向及功率流向：一象限，两象限，四象限一象限，两象限，四象限Power Electronicsv常用性能指标常用性能指标 电压波形系数电压波形系数FF(formFF(form factor) factor) ：整流输出电压有效值整流输出电压有效值V V与平均值与平均值 之比，之比， 电压纹波系数电压纹波系数RF(r

3、ippleRF(ripple factor) factor) ：输出纹波电压输出纹波电压 与输出电压直流平均值与输出电压直流平均值 之比，之比， 电压脉动系数电压脉动系数 ：整流输出电压中最低次谐波幅值整流输出电压中最低次谐波幅值 与直流平均值与直流平均值 之比，之比，DVDVFFVHVDVHDVRFVSHmVDVHmDVSVPower Electronicsv常用性能指标（续）常用性能指标（续） 输入电流总畸变率输入电流总畸变率THD(TotalTHD(Total Harmonic Harmonic Distortion) Distortion) ：输入电流中除基波电流外的所有谐波电流有效值

4、与输入电流中除基波电流外的所有谐波电流有效值与基波电流有效值之比，基波电流有效值之比， 输入功率因数输入功率因数PFPF（power factorpower factor）：）：交流电源输入有功功率与其视在功率之比，交流电源输入有功功率与其视在功率之比，221SnnSITHDIACACPPFSPower Electronics2.2 2.2 不控整流电路不控整流电路v 不控整流电路是指仅采用二极管作为开关器不控整流电路是指仅采用二极管作为开关器件完成件完成AC-DCAC-DC转换的整流电路，因此一般又转换的整流电路，因此一般又被称为二极管整流电路。被称为二极管整流电路。 v 不控整流电路基本工

5、作原理是利用二极管的不控整流电路基本工作原理是利用二极管的单向导通特性，周期性地导通和截止输入交单向导通特性，周期性地导通和截止输入交流电源，将交流电源转换为脉动的直流电提流电源，将交流电源转换为脉动的直流电提供给负载。供给负载。 v 二极管不可控，整流电路输出的直流电压只二极管不可控，整流电路输出的直流电压只与交流输入电压的大小有关，不能随意调节。与交流输入电压的大小有关，不能随意调节。 Power Electronicsv 2.2.1 2.2.1 单相半波不控整流电路单相半波不控整流电路v 2.2.2 2.2.2 两相半波不控整流两相半波不控整流v 2.2.3 2.2.3 单相桥式不控整流

6、电路单相桥式不控整流电路v 2.2.4 2.2.4 三相半波不控整流电路三相半波不控整流电路v 2.2.5 2.2.5 三相桥式不控整流电路三相桥式不控整流电路v 2.2.6 2.2.6 不控整流电路输出电压的谐波分析不控整流电路输出电压的谐波分析Power Electronics2.2.1 2.2.1 单相半波不控整流电路单相半波不控整流电路二极管二极管D1D1整流，整流，D0D0续流；输入电源续流；输入电源 ； 、 分别为整流输出电流与电压。分别为整流输出电流与电压。sinSmvVtDiDvv电源电压为正半周时，二极管电源电压为正半周时，二极管D1D1承受正承受正向电压导通。若忽略向电压导

7、通。若忽略1V1V左右的导通压降，左右的导通压降，则则 ； ，如左图第一段所示。，如左图第一段所示。对于纯电阻性负载，负载电流与电压波对于纯电阻性负载，负载电流与电压波形一致，只相差一个比例系数。形一致，只相差一个比例系数。 v电源电压为负半周时，二极管电源电压为负半周时，二极管D1D1受反压受反压截止，阻断电路，截止，阻断电路， 。对于电阻性负。对于电阻性负载，负载电流也为零，如左图第二段所载，负载电流也为零，如左图第二段所示；对于电感性负载，负载电流可通过示；对于电感性负载，负载电流可通过二极管二极管D0D0续流。续流。 DSvvDSii0Dv Power ElectronicsDvv 在

8、电源电压的一个周期在电源电压的一个周期 内，整流输出电压内，整流输出电压 的脉冲波的脉冲波数数 ，其直流平均值为，其直流平均值为 v 缺点：缺点： 在在 已定的情况下无法调控输出整流电压的直流平均量已定的情况下无法调控输出整流电压的直流平均量 输出电压输出电压 脉动大，电源电压利用率低，交流电源电脉动大，电源电压利用率低，交流电源电流流 中含有很大的直流分量，电源侧功率因数低中含有很大的直流分量，电源侧功率因数低 ST1m 0 01sin()2122sin()0.452DmSSSVVtdtVtdtVVSVDVDvSi单相半波不控整流电路在实际中很少使用。单相半波不控整流电路在实际中很少使用。

9、Power Electronics2.2.2 2.2.2 两相半波不控整流电路两相半波不控整流电路v当当 时，时， 为正半波，为正半波， ，二 极 管二 极 管 D 1D 1 导 通 ，导 通 ， D 2D 2 截 止 ， 整 流 电截 止 ， 整 流 电压压 ，如左图第一段，如左图第一段所示，负载电流等于所示，负载电流等于A A相绕组电流，若相绕组电流，若变压器变比为变压器变比为1 1，则，则 。 v当当 时，时， 为正半波，为正半波，D2D2导通，导通，D1D1截止，整流电压截止，整流电压 ，如左图第二段所示，负载电流等于如左图第二段所示，负载电流等于B B相绕相绕组电流，若变压器变比为组

10、电流，若变压器变比为1 1，则，则 。 A A相电压相电压 ，B B相电压参考方向与相电压参考方向与A A相相反，相相反，故故 。 2sinAOSSvvVt2sinBOSSvvVt 0tAOv2sinDAOSvvVtAOBOvvSDii2tBOv2sin()DBOSvvVtSDii Power ElectronicsDvv 两相半波不控整流电路相当于两个单相半波不控整流电两相半波不控整流电路相当于两个单相半波不控整流电路同时工作，正负半波均有路同时工作，正负半波均有 输出，其直流平均值为输出，其直流平均值为 v 优点：优点： 脉波数脉波数 ，脉动频率比单相半波整流电路提高了一倍，脉动频率比单相

11、半波整流电路提高了一倍，容易滤波容易滤波 电源电压利用率比单相半波整流电路提高了一倍电源电压利用率比单相半波整流电路提高了一倍 交流电源侧的电流交流电源侧的电流 为正、负对称的交流电流，无直流为正、负对称的交流电流，无直流分量，网侧功率因数得到了提高，对交流电网的影响小分量，网侧功率因数得到了提高，对交流电网的影响小 v 缺点：缺点： 需要额外使用带有中心抽头的变压器需要额外使用带有中心抽头的变压器 Si 012 22sin()0.9DSSSVVtdtVV2m Power Electronics2.2.3 2.2.3 单相桥式不控整流电路单相桥式不控整流电路v当当 时，时， 为正半周，为正半周

12、，D1D1、D4D4承受承受正 压 导 通 。 整 流 电 压正 压 导 通 。 整 流 电 压 ， 负 载 电， 负 载 电流流 ，D2D2、D3D3不导通，不导通， ，其承受反压为其承受反压为 ，如左图第一段，如左图第一段所示。所示。 v当当 时，时， 为负半周，为负半周， D2D2、D3D3承承受正压导通。整流电压受正压导通。整流电压 ，负载电，负载电流流 ，D1D1、D4D4不导通，不导通， ，其承受反压为其承受反压为 ，如左图第二段，如左图第二段所示。所示。 二极管二极管D1D1、D2D2串联构成一个桥臂，串联构成一个桥臂，D3D3、D4D4串联构成另一个桥臂。串联构成另一个桥臂。

13、D1D1、D3D3构成共阴极，连接负载的一端；构成共阴极，连接负载的一端；D2D2、D4D4构成共阳极，连接负载的另一端。构成共阳极，连接负载的另一端。 0tSv2tSvDSvv14DDDSiiii230DDii23DDSvvv DSvv 23DDDSiiii 140DDii14DDSvvvPower Electronicsv 与两相半波不控整流电路相同，负载得到的电压波形就与两相半波不控整流电路相同，负载得到的电压波形就是将电源的电压取绝对值后的波形，其直流平均值为是将电源的电压取绝对值后的波形，其直流平均值为 与两相半波不控整流电路特性相当与两相半波不控整流电路特性相当 工作过程中每只二极

14、管承受的最大反向电压为电源电压工作过程中每只二极管承受的最大反向电压为电源电压 的峰值的峰值 不需要额外使用带中心抽头的变压器，但需多用两个二不需要额外使用带中心抽头的变压器，但需多用两个二极管极管 012 22sin()0.9DSSSVVtdtVVSvmVPower Electronics2.2.4 2.2.4 三相半波不控整流电路三相半波不控整流电路2sin22sin()342sin()3ASBSCSvVtvVtvVtAvBvCvv 整流二极管整流二极管D1D1、D3 D3 、D5D5的的阴极连在一起，构成共阴极阴极连在一起，构成共阴极连接负载的一端；负载另一连接负载的一端；负载另一端连接

15、三相交流电源的中点。端连接三相交流电源的中点。v 交流电源输入为三相平衡的交流电源输入为三相平衡的交流电压交流电压 、 、 ：v 相当于三个单相当于三个单相半波整流电相半波整流电路同时工作路同时工作 。Power Electronicsv以以A A相二极管相二极管D1D1导通的区间为例导通的区间为例 v在区间在区间 内，三相交流电源中内，三相交流电源中 正电位最高，使得正电位最高，使得A A相二极管相二极管D1D1承受正压承受正压而导通，整流输出电压而导通，整流输出电压 ，负载电流等于负载电流等于A A相电源电流，相电源电流， 。此时图。此时图中的中的 ，P P点电位使点电位使B B相二极管相

16、二极管D3D3和和C C相二极管相二极管D5D5都承受反压而截止，其承受都承受反压而截止，其承受反压分别为反压分别为 和和 ，即相，即相应相与应相与A A相的线电压。此时整流电路输出相的线电压。此时整流电路输出电压电流波形如左上图中电压电流波形如左上图中 区间所示。区间所示。 v同理，可分析区间同理，可分析区间 和和 内的情内的情况。况。v之后又开始之后又开始A A相导通，重复上述过程。相导通，重复上述过程。 566tAv2sinDASvvVtDAiiPAvv3DABvvv5DACvvv13tt35tt57ttPower Electronicsv 三相半波不控整流电路二极管导通顺序及整流输出电

17、三相半波不控整流电路二极管导通顺序及整流输出电压、负载波形压、负载波形 v 在一个电源周期在一个电源周期 中，中，A A相相D1D1、B B相相D3D3、C C相相D5D5依序各依序各导通导通 ，整流输出电压，整流输出电压 由三个相同的脉波组成（脉由三个相同的脉波组成（脉波数波数 ），其直流平均值为），其直流平均值为 DvDiAvBvCv13tt35tt57ttBi时区段时区段导通的二极管导通的二极管D1D1D3D3D5D5整流输出电压整流输出电压 负载电流负载电流 AiCiST23Dv3m 5 6 613 62sin1.172/32DSSSVVtdtVVPower Electronicsv

18、三相半波整流电路整流电压三相半波整流电路整流电压 脉动较小，脉动较小，脉动频率为脉动频率为 （ 为电源频率），为电源频率）， 数值也数值也较高，但由于电源电流较高，但由于电源电流 中含有很大的直中含有很大的直流分量（流分量（1/31/3周期周期 ，2/32/3周期为零），周期为零），降低了电源侧的功率因数，实际中较少使降低了电源侧的功率因数，实际中较少使用。用。 Dv3SfSfDVSiSDiiPower Electronics2.2.5 2.2.5 三相桥式不控整流电路三相桥式不控整流电路v 工作原理与三相半波电路类似，工作原理与三相半波电路类似，可以看作两个半波电路的串联可以看作两个半波电路

19、的串联工作。工作。v 共阴极的上桥臂可以看作一个共阴极的上桥臂可以看作一个三相半波整流电路，其整流输三相半波整流电路，其整流输出电压为出电压为 ；共阳极的的下桥；共阳极的的下桥臂也可以看作一个三相半波整臂也可以看作一个三相半波整流电路，其整流输出电压为流电路，其整流输出电压为 。这 样 负 载 上 的 整 流 电 压这 样 负 载 上 的 整 流 电 压为为 。v 共阴极的整流管，相电压最高共阴极的整流管，相电压最高的导通；共阳极的整流管，相的导通；共阳极的整流管，相电压最低的导通。电压最低的导通。v 电路由两组二极电路由两组二极管组成，管组成，D1D1、D3D3、D5D5共阴极，连接共阴极，

20、连接负载一端；负载一端；D4D4、D6D6、D2D2共阳极，共阳极，连接负载另一端。连接负载另一端。PvNvDPNPNvvvvPower Electronicsv P P点电位在三相交点电位在三相交流电源相电压正端流电源相电压正端包络线上，包络线上， NN点电点电位在负端包络线上。位在负端包络线上。v 任何时候，共阴极任何时候，共阴极和共阳极都各有一和共阳极都各有一只器件导通。只器件导通。 Power Electronicsv 下表给出了各个宽度为下表给出了各个宽度为 的时区段二极管的时区段二极管导通顺序及相应整流输出电压、负载电流。导通顺序及相应整流输出电压、负载电流。 312tt23tt3

21、4tt45tt56tt67ttDvABvACvBCvBAvCAvCBvDiDABiii DACiii DBCiii DBAiii DCAiii DCBiii 整流输出电压负载电流时区段导通的共阴极上管D1D1D3D3D5D5导通的共阳极下管D6D2D2D4D4D6 Power Electronicsv 在一个电源周期在一个电源周期 中，中， 由由6 6个相同的脉波组成（个相同的脉波组成（mm6 6），每个脉宽），每个脉宽 ，其直流平均值为，其直流平均值为 v 优点：优点：输出电压最高可达到线电压的幅值输出电压最高可达到线电压的幅值 输出电压的脉动频率为输出电压的脉动频率为 （脉波数（脉波数m=

22、6m=6），易于进行滤波），易于进行滤波 交流电源电流交流电源电流 中不含直流分量中不含直流分量 6SfSiSTDv3226611()32sin() ()/3/363 62.34DABSSSVvdtVtdtVV三相桥式不控整流电路在中、大功率整流中得到了广泛的应用。三相桥式不控整流电路在中、大功率整流中得到了广泛的应用。 Power Electronics2.2.6 2.2.6 不控整流电路输出电压的谐波分析不控整流电路输出电压的谐波分析v 前几小节我们得到了纯电阻负载时各种二极前几小节我们得到了纯电阻负载时各种二极管整流电路的输出电压电流波形，并得到了管整流电路的输出电压电流波形，并得到了相

23、应的解析表达式。根据解析表达式，对输相应的解析表达式。根据解析表达式，对输出电压电流波形进行谐波分解相对是比较简出电压电流波形进行谐波分解相对是比较简单的。但在实际使用中，相当数量的负载并单的。但在实际使用中，相当数量的负载并不是纯阻性负载，因此，我们还必须掌握整不是纯阻性负载，因此，我们还必须掌握整流电路在各种类型负载状况下的输出电压特流电路在各种类型负载状况下的输出电压特点。点。 v 下面以最常见的带电容滤波的单相和三相桥下面以最常见的带电容滤波的单相和三相桥式整流电路为例进行输出电压电流特性分析。式整流电路为例进行输出电压电流特性分析。 Power Electronicsv 1 1、单相

24、桥式不控整流电路带电容滤波的输出、单相桥式不控整流电路带电容滤波的输出电压特性电压特性v在电源交流电压在电源交流电压 正半周，由于滤正半周，由于滤波电容的影响，仅在电源电压的瞬时波电容的影响，仅在电源电压的瞬时值值 时，二极管时，二极管D1D1、D4D4才导通，才导通，将电源电压将电源电压 加到电容和负载端，此加到电容和负载端，此时时 。当。当 时，时，D1D1、D4D4截止，截止，仅由电容仅由电容C C对对R R放电提供能量。放电提供能量。v在电源交流电压在电源交流电压 负半周，当电源负半周，当电源电压绝对值电压绝对值 时，二极管时，二极管D2D2、D3D3导通，由电源向电容和负载供电；导通

25、，由电源向电容和负载供电；当当 时，时，D2D2、D3D3截止，仅由电截止，仅由电容容C C对对R R放电提供能量。放电提供能量。 vR R为负载等效电阻，为负载等效电阻，C C为直流滤波电容，为直流滤波电容，取值一般较大，以取值一般较大，以使电容使电容C C两端的电两端的电压压 ，即负载电压，即负载电压 脉动不大。脉动不大。( )Sv tSDvvSvDSvvSDvv( )Sv tSDvvSDvvCvDvPower Electronicsv将时间坐标的零点取在正半周交流电源电压将时间坐标的零点取在正半周交流电源电压 与与 ( )( )的交点的交点1 1处，处，即交流电压上升达到电容电压的时刻。

26、即交流电压上升达到电容电压的时刻。 v 1 21 2 二极管二极管D1D1、D4D4开始导通，由电源开始导通，由电源向电容和负载供电，电容电压开始向电容和负载供电，电容电压开始充电而跟随充电而跟随 上升，电源输出电上升，电源输出电流流 ， 00。 v 2 32 3 开始下降，电容进入放电开始下降，电容进入放电状态，此时电阻负载上的电流状态，此时电阻负载上的电流 等等于电源输出电流于电源输出电流 与电容放电电流与电容放电电流 之和之和 ， 000。 v 2 32 3 开始下降，电容进入放电开始下降，电容进入放电状态，电阻负载上的电流状态，电阻负载上的电流 等于电等于电源输出电流源输出电流 与电容

27、放电电流与电容放电电流 之和之和 ， 000， 00，电路工作在第一象限，为整，电路工作在第一象限，为整 流状态。整流器将交流电能变为直流提供给直流负载，流状态。整流器将交流电能变为直流提供给直流负载，如直流电动机或者蓄电池。如直流电动机或者蓄电池。v 若带反电势负载，若带反电势负载， ， 000，电路工作在第，电路工作在第 四象限。反电势四象限。反电势E E将直流电能经过晶闸管送至交流电源，将直流电能经过晶闸管送至交流电源，晶闸管电路实现晶闸管电路实现“有源逆变有源逆变”。 v 与三相半波不控整流一样，交流侧只有单方向电流，因与三相半波不控整流一样，交流侧只有单方向电流，因此电源输入功率因数

28、较低。此电源输入功率因数较低。v 三相半波整流电路为了得到零线，整流变压器副边必须三相半波整流电路为了得到零线，整流变压器副边必须为为Y Y接法。原边通常为三角形接法，以便能流通三次谐接法。原边通常为三角形接法，以便能流通三次谐波电流。波电流。 DV02DI2DVDIPower Electronics2.4.2 2.4.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路v 将三相桥式不控整流电路的将三相桥式不控整流电路的6 6个二个二极管换成可控的晶闸管，就构成了极管换成可控的晶闸管，就构成了三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路。v 习惯将其中阴极连接在一起的习惯将其中阴极连接在一起的3 3个个

29、晶闸管晶闸管T1T1、T3T3、T5T5称为共阴极组；称为共阴极组；将其中阳极连接在一起的将其中阳极连接在一起的3 3个晶闸个晶闸管管T4T4、T6T6、T2T2称为共阳极组。如称为共阳极组。如果将共阴极组或共阳极组晶闸管换果将共阴极组或共阳极组晶闸管换回二极管，则构成了回二极管，则构成了三相桥式半控三相桥式半控整流电路整流电路。v 三相桥式全控整流电路工业上应用三相桥式全控整流电路工业上应用非常广泛，这种电路实际上是由两非常广泛，这种电路实际上是由两组三相半波整流电路相串联取消零组三相半波整流电路相串联取消零线而演化过来的。线而演化过来的。 全控电路全控电路半控电路半控电路Power Ele

30、ctronicsv 一般将三相桥式不控整流电路的六个自然换一般将三相桥式不控整流电路的六个自然换相点相点1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6对应的时刻对应的时刻 作为作为T1T1、T2T2、T3T3、T4T4、T5T5、T6T6的控制触发角零点，即在这些时刻分别对的控制触发角零点，即在这些时刻分别对各晶闸管施加触发脉冲，触发角各晶闸管施加触发脉冲，触发角 。 v 与单相桥式全控整流电路类似，三相桥式全与单相桥式全控整流电路类似，三相桥式全控整流电路的输出电压特性与负载类型密切控整流电路的输出电压特性与负载类型密切相关，下面分别具体分析：相关，下面分别具体分析：1. 1.电阻性负载电阻

31、性负载2.2.电感性负载电感性负载3.3.反电动势负载反电动势负载12ttt、3456tttt、0Power Electronicsv以下为不同导通角时三相桥式全控整流电路的整流特性：以下为不同导通角时三相桥式全控整流电路的整流特性： 时，即从各自然换相点开始对各晶闸管施加触发脉冲。时，即从各自然换相点开始对各晶闸管施加触发脉冲。6 6个个开关管的通断状态、整流电压开关管的通断状态、整流电压 波形及电流波形与三相桥式不控整波形及电流波形与三相桥式不控整流时完全相同。流时完全相同。v 1 1、电阻性负载、电阻性负载=0Dv03 时，相对于三相桥式不控整流时，相对于三相桥式不控整流电路，电路，6

32、6个导通区都向后延个导通区都向后延 ，电路工作，电路工作波形如右图所示，波形如右图所示， 的平均值将比三相的平均值将比三相桥式不控整流电路输出电压有所减小，桥式不控整流电路输出电压有所减小，可表示为可表示为 输出电流平均值输出电流平均值 Dv11 3 63 61/3332sin63 6cos2.34costDABtSSSVvdtVtdtVV 2.343 6coscosSDDSVVIVRRRPower Electronics 由于晶闸管的单向导通电流特性，所由于晶闸管的单向导通电流特性，所以施加在电阻负载端的整流电压只能以施加在电阻负载端的整流电压只能为正值。以为正值。以T1T1触发开始的触发开

33、始的A A、B B相导通相导通为例。为例。 时，时，a a、b b导通脉波只能导通导通脉波只能导通 到到 ，所以导通宽度只能是，所以导通宽度只能是 。 故从故从 开始，开始， 为负值，为负值，T6T6、T1T1截截止，输出电压止，输出电压 ，这种情况一直会，这种情况一直会 持续到持续到 时刻时刻T2T2触发导通为止。触发导通为止。 此时电阻负载上电压电流不连续。此时电阻负载上电压电流不连续。 ABv233=0Dv0ABv2356t2t155 66 61332sin/363 61 cos2.341 cos33DABStSSVvdtVtdtVV3 61cos32.341cos3SDDSVVIRRV

34、RPower Electronics 时，时，T1T1被触发的起始点被触发的起始点 ，这时，这时 ，T1T1无正向外加电压，即使被施加触发脉冲也无正向外加电压，即使被施加触发脉冲也不可能被触发导通，因此输出恒为零，即不可能被触发导通，因此输出恒为零，即 ，因此，因此 三相桥式全控整流电路在电阻负载时，三相桥式全控整流电路在电阻负载时， 时是无法时是无法通过改变角通过改变角 调控调控 的。的。 DV230Dv 0ABv23156ttPower Electronicsa)a)负载电感足够大，负载电感足够大，负载电流连续负载电流连续。 相控角相控角 在在 之间变化时，一个之间变化时，一个电源周期中，

35、整流电压电源周期中，整流电压 都是都是6 6个相个相同的、连续的、脉宽为同的、连续的、脉宽为 的脉波。的脉波。 时，带电阻电感性负载时时，带电阻电感性负载时 的输出整流电压的输出整流电压 的波形与电阻负载的波形与电阻负载时完全一致。时完全一致。 时，由于电感的续流作用，时，由于电感的续流作用， 负载两端可以承受反向的负电压，负载两端可以承受反向的负电压，输出整流电压情况与纯电阻负载时输出整流电压情况与纯电阻负载时不同，相当于将不同，相当于将 的调节范围增加了的调节范围增加了 。 v 2 2、电感性负载、电感性负载Dv03Dv0 333Power Electronicsv输出整流电压和电流的平均

36、值为输出整流电压和电流的平均值为v由由 的表达式可知，对带电阻电感性负载的三相桥式的表达式可知，对带电阻电感性负载的三相桥式全控整流电路，当全控整流电路，当 时，时， 为正值；当为正值；当 时，时， ；当；当 时，时， 为负值。为负值。 11 363 6136sin/363 6cos2.34costDabStSSVv dtVtdtVV3 6cos2.34cosSSDDVVVIRRRDV220DV DV2DVPower Electronicsv三相桥式整流输出电压脉动频率是交流电源频率的三相桥式整流输出电压脉动频率是交流电源频率的6 6倍，因此倍，因此 中的谐波阶次应是中的谐波阶次应是 ，最低，

37、最低次谐波为次谐波为6 6次谐波。次谐波。v下图中所示的下图中所示的A A相电流波形为一系列幅值为相电流波形为一系列幅值为 、宽度、宽度为为 的方波，因此除基波外还含有的方波，因此除基波外还含有 等等次谐波。次谐波。 DI23DV6(12 3)nK K， ，61(12 3)KK， ，Power Electronicsb)b) 负载电感不够大或触发角负载电感不够大或触发角 过大，过大，负载电流出现断流负载电流出现断流。3v此时晶闸管的导通角此时晶闸管的导通角 ， 是控制角是控制角 和负载电路参和负载电路参数数R R、L L的函数，可以采用与单相全控电路相同的方法的函数，可以采用与单相全控电路相同

38、的方法求取。整流电路输出的平均整流电压取决于求取。整流电路输出的平均整流电压取决于 ，平均整，平均整流电压和负载电流平均值可表示为流电压和负载电流平均值可表示为 03 6132sin() ()coscos()3SDSVVVtdt3 6coscos()SDDVVIRRPower Electronicsv 3 3、反电动势负载、反电动势负载v 对于有反电势的电阻电感混合性负载，通常电感较大，对于有反电势的电阻电感混合性负载，通常电感较大，能使负载电流能使负载电流 连续，此时三相桥式相控整流电路工连续，此时三相桥式相控整流电路工作情况与电感电阻性负载时相似，只不过负载（不包作情况与电感电阻性负载时相

39、似，只不过负载（不包括反电势部分）上的电压跟电感电阻性负载时差了一括反电势部分）上的电压跟电感电阻性负载时差了一个反电势值个反电势值E E。因此电路中各电压电流波形均相同，。因此电路中各电压电流波形均相同，但负载电流直流平均值为但负载电流直流平均值为 v 当连接反电势电感性负载时，通过输出负值电压，三当连接反电势电感性负载时，通过输出负值电压，三相桥式全控整流电路可工作在有源逆变状态。相桥式全控整流电路可工作在有源逆变状态。 DiDDVEIRPower Electronicsv 在电流连续的情况下，整流电路任何时刻都有分别属在电流连续的情况下，整流电路任何时刻都有分别属于共阴极组和共阳极组的两

40、个晶闸管导通，此时整流于共阴极组和共阳极组的两个晶闸管导通，此时整流电路的每个晶闸管导通脉冲相位依次相差电路的每个晶闸管导通脉冲相位依次相差 ，每次导，每次导 通宽度为通宽度为 ，导通脉冲宽度能保证相应晶闸管可靠开，导通脉冲宽度能保证相应晶闸管可靠开通即可；通即可；v 在电流断续的情况下，每个晶闸管的导通宽度小于在电流断续的情况下，每个晶闸管的导通宽度小于 ，在每次断流结束时，为了保证需导通的两个晶闸管的在每次断流结束时，为了保证需导通的两个晶闸管的可靠触发，必须对它们同时施加触发脉冲，一般可采可靠触发，必须对它们同时施加触发脉冲，一般可采用两种方法用两种方法 ： 宽脉冲触发宽脉冲触发 双窄脉

41、冲触发双窄脉冲触发v 晶闸管的可靠触发晶闸管的可靠触发32323Power Electronics 宽脉冲触发：宽脉冲触发：使每个晶闸管的触发脉冲宽度大于使每个晶闸管的触发脉冲宽度大于 而小于而小于 ，这种方法比较容易实现，但需要较大，这种方法比较容易实现，但需要较大的脉冲输出功率，即需要较大体积的脉冲变压器铁的脉冲输出功率，即需要较大体积的脉冲变压器铁芯；芯； 双窄脉冲触发：双窄脉冲触发：在触发某个晶闸管时，同时给上在触发某个晶闸管时，同时给上一次触发过的晶闸管补发一个触发脉冲，这种方法一次触发过的晶闸管补发一个触发脉冲，这种方法对脉冲的控制时刻要求较高，实现电路会复杂一些，对脉冲的控制时刻

42、要求较高，实现电路会复杂一些，但可以减小脉冲变压器所需功率。但可以减小脉冲变压器所需功率。 323Power Electronicsv 三相桥式全控整流电路与半控整流电路的比较三相桥式全控整流电路与半控整流电路的比较v当三相桥式全控整流电路稳定工作时，在一个周期内变压器绕组当三相桥式全控整流电路稳定工作时，在一个周期内变压器绕组中没有直流励磁磁势，与半波电路相比，提高了变压器的利用率；中没有直流励磁磁势，与半波电路相比，提高了变压器的利用率；同时，电源输入电流直流分量为零，电源的功率因数也较高，因同时，电源输入电流直流分量为零，电源的功率因数也较高，因此这种电路在中、大功率整流中得到了广泛的应

43、用。此这种电路在中、大功率整流中得到了广泛的应用。v与单相桥式半控整流电路类似，三相桥式半控整流电路不论接电与单相桥式半控整流电路类似，三相桥式半控整流电路不论接电阻性负载还是电感性负载，输出电压波形都相当于桥式全控整流阻性负载还是电感性负载，输出电压波形都相当于桥式全控整流电路接电阻性负载的情况，即输出电压平均值只能为正值，不能电路接电阻性负载的情况，即输出电压平均值只能为正值，不能为负值，因此不能工作于有源逆变状态。在一些无需逆变，并且为负值，因此不能工作于有源逆变状态。在一些无需逆变，并且对控制系统的动、静态特性要求不太高的中、大功率整流应用场对控制系统的动、静态特性要求不太高的中、大功

44、率整流应用场合，如造纸机、印刷机等不要求可逆的电力传动设备中，可以采合，如造纸机、印刷机等不要求可逆的电力传动设备中，可以采用比三相全控桥式整流电路更经济的半控整流电路。用比三相全控桥式整流电路更经济的半控整流电路。Power Electronics2.5 PWM2.5 PWM整流电路整流电路v采用采用PWMPWM（脉宽调制）控制技术直接将交流电源变换为可控的（脉宽调制）控制技术直接将交流电源变换为可控的直流电压的电路，一般被称为直流电压的电路，一般被称为PWMPWM整流电路。整流电路。 vPWMPWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断把电源电压控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断把

45、电源电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲的宽度达到变压变频变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲的宽度达到变压变频目的的一种控制技术。目的的一种控制技术。 v和传统不控或相控整流电路相比，和传统不控或相控整流电路相比，PWMPWM开关模式整流电路采用开关模式整流电路采用全控型开关器件进行高频脉宽调制全控型开关器件进行高频脉宽调制PWMPWM控制，可以将交流电源控制，可以将交流电源输入电流控制为畸变很小的正弦化电流，功率因数也可控制到输入电流控制为畸变很小的正弦化电流，功率因数也可控制到接近接近1 1。在一些谐波标准日趋严格的用电场合，采用。在一些谐波标准日趋严格的用电场合，采用高功率因数、高

46、功率因数、低谐波低谐波的高频开关模式的高频开关模式PWMPWM整流电路整流电路SMRSMR（Switched Mode Switched Mode RectifierRectifier）是一个发展趋势。）是一个发展趋势。 vPWMPWM整流电路和传统相控整流器相比较整流电路和传统相控整流器相比较体积、重量可以大大地体积、重量可以大大地减少，动态响应速度显著提高减少，动态响应速度显著提高。 v在今后的工业应用中在今后的工业应用中PWMPWM整流电路将越来越多地替代传统相控整流电路将越来越多地替代传统相控整流电路。整流电路。Power Electronicsv 2.5.1 PWM2.5.1 PWM

47、整流电路分类与结构整流电路分类与结构v 2.5.2 PWM2.5.2 PWM整流电路基本控制原理整流电路基本控制原理Power Electronics2.5.1 PWM2.5.1 PWM整流电路分类与结构整流电路分类与结构v 分类方法分类方法v 根据交流电源相数：根据交流电源相数：单相单相、三相三相v 根据主回路结构：根据主回路结构：半桥式半桥式、全桥式全桥式 v 根据是否具有能量回馈功能：根据是否具有能量回馈功能：无能量回馈功能无能量回馈功能、具有能量回馈功能的开关模式具有能量回馈功能的开关模式PWMPWM整流电路整流电路 v 根据整流输出特性：根据整流输出特性：电压型电压型、电流型电流型

48、下面简单介绍几种常用的下面简单介绍几种常用的PWM整流电路。整流电路。 Power Electronicsv 无能量回馈的无能量回馈的PWMPWM整流电路一般采用单开关管进行整流电路一般采用单开关管进行PWMPWM斩波控制，斩波控制，主要目的是改善不控整流电路的功率主要目的是改善不控整流电路的功率因数因数，因此一般也被称为，因此一般也被称为PFCPFC（Power Factor Power Factor CorrectionCorrection）电路。下图为两种常见的三相）电路。下图为两种常见的三相PFCPFC整流电整流电路，分别为路，分别为BoostBoost型和型和BuckBuck型。型。

49、 v 1 1、无能量回馈功能的、无能量回馈功能的PWMPWM整流电路整流电路 三相三相Boost型型 三相三相Buck型型 Power Electronicsv 这类这类PWMPWM整流电路实际上是在不控整流电路的基本结整流电路实际上是在不控整流电路的基本结构上增加了一个开关管及部分电感电容器件，构上增加了一个开关管及部分电感电容器件，相当于在相当于在不控整流电路和负载之间接入一个不控整流电路和负载之间接入一个DC-DCDC-DC开关变换器，开关变换器，应用电流反馈技术，使交流电源电流波形接近正弦并跟应用电流反馈技术，使交流电源电流波形接近正弦并跟踪交流输入电压波形，使之与交流输入电压同相，从

50、而踪交流输入电压波形，使之与交流输入电压同相，从而提高电源侧功率因数，减小输入端总谐波畸变率提高电源侧功率因数，减小输入端总谐波畸变率THDTHD。v 优点：优点：简单、经济。简单、经济。v 缺点：缺点：v仅有一个可控元件仅有一个可控元件, ,要使三相电流均为正弦波且与电压同相位十分要使三相电流均为正弦波且与电压同相位十分困难；困难；v前端为不控整流电路，电能只能从交流电源流向直流侧负载，而前端为不控整流电路，电能只能从交流电源流向直流侧负载，而不可能将直流侧的电能反送至交流电网，只是一种单向的不可能将直流侧的电能反送至交流电网，只是一种单向的PWMPWM整整流。流。Power Electro

51、nicsv能量可回馈型的能量可回馈型的PWMPWM整流器均采用全控型半导体开关器件，与无整流器均采用全控型半导体开关器件，与无能量回馈功能电路能量回馈功能电路PFCPFC相比，它具有更快的动态响应和更好的输入相比，它具有更快的动态响应和更好的输入电流波形，还可以把交流输入电流的功率因数控制为任意值，实电流波形，还可以把交流输入电流的功率因数控制为任意值，实现交、直流侧的双向能量流动。现交、直流侧的双向能量流动。v除必须具有输入电感或电容外，除必须具有输入电感或电容外，PWMPWM整流器的主电路结构和逆变整流器的主电路结构和逆变桥是一样的。稳态工作时，整流器输出直流电压不变，开关管按桥是一样的。

52、稳态工作时，整流器输出直流电压不变，开关管按正弦规律作正弦规律作PWMPWM脉宽调制，整流器交流侧的电压是和逆变器输出脉宽调制，整流器交流侧的电压是和逆变器输出电压类似的电压类似的PWMPWM交流电压。由于电感的滤波作用，交流电源流入交流电压。由于电感的滤波作用，交流电源流入的电流中谐波电流不大，忽略整流器交流侧输出交流电压的谐波的电流中谐波电流不大，忽略整流器交流侧输出交流电压的谐波分量，变换器交流侧电压可以看作是可控正弦交流电压源，它与分量，变换器交流侧电压可以看作是可控正弦交流电压源，它与电网的正弦电压共同作用于输入电感电网的正弦电压共同作用于输入电感L L，产生正弦输入电流。通过，产生

53、正弦输入电流。通过PWMPWM技术调节开关管来控制整流器交流端电压的幅值和相位，就技术调节开关管来控制整流器交流端电压的幅值和相位，就可以获得受控的电源输入电流，从而控制电源的输入功率因数和可以获得受控的电源输入电流，从而控制电源的输入功率因数和电流畸变率。电流畸变率。v 2 2、能量可回馈的、能量可回馈的PWMPWM整流电路整流电路 Power Electronicsv 上图是几种常见的能量可回馈的上图是几种常见的能量可回馈的PWMPWM整流电路。整流电路。单相半桥单相半桥PWM整流电路整流电路 单相全桥单相全桥PWM整流电路整流电路 三相全桥电压型三相全桥电压型PWM整流电路整流电路 三相

54、全桥电流型三相全桥电流型PWM整流电路整流电路 Power Electronicsv 功率因数在中、大功率领域是很重要的性能指标，因此功率因数在中、大功率领域是很重要的性能指标，因此实际应用中更常见的是三相实际应用中更常见的是三相PWMPWM整流电路。整流电路。1. 1. 三相全桥电压型三相全桥电压型PWMPWM整流电路整流电路v直流储能环节为电容，具有电压源性质。直流储能环节为电容，具有电压源性质。v目前研究得最多、应用最广泛的拓扑，目前研究得最多、应用最广泛的拓扑，具有直流母线电压可控、具有直流母线电压可控、交流电流波形正弦度高、输入功率因数高等特点，交流电流波形正弦度高、输入功率因数高等

55、特点，而且主电路与而且主电路与最常用的电压型逆变器结构相同，可以与电压型逆变器级联构成最常用的电压型逆变器结构相同，可以与电压型逆变器级联构成背靠背结构的变频器，是交直交变频器理想的整流器。背靠背结构的变频器，是交直交变频器理想的整流器。v为了实现开关器件的正弦脉冲宽度为了实现开关器件的正弦脉冲宽度PWMPWM控制，双向变换器交流侧控制，双向变换器交流侧电压电压 的峰值只能小于直流电压的峰值只能小于直流电压 ，实现的是一种基于，实现的是一种基于PWMPWM的升的升压（压（BoostBoost）变换。通常交流电感）变换。通常交流电感L L上压降不大，因此这种变换器上压降不大，因此这种变换器直流输

56、出电压直流输出电压 总是大于交流电源电压峰值，以保证对交流电流的总是大于交流电源电压峰值，以保证对交流电流的控制能力。控制能力。v电路中电路中交流电流可以双向流动，实现能量的双向流动交流电流可以双向流动，实现能量的双向流动。 ivdcvdcvPower Electronics2.2. 三相全桥电流型三相全桥电流型PWMPWM整流电路整流电路v直流储能环节为储能电感，具有电流源性质。直流储能环节为储能电感，具有电流源性质。v在交流侧增加了一组滤波电容，起滤除网侧谐波电流、抑制整流在交流侧增加了一组滤波电容，起滤除网侧谐波电流、抑制整流桥交流侧谐波电压的作用。在桥交流侧谐波电压的作用。在IGBTI

57、GBT构成的桥臂上，需要构成的桥臂上，需要串联与串联与IGBTIGBT同方向的二极管同方向的二极管，以提供阻断反向电流的能力。，以提供阻断反向电流的能力。 v直流电压方向可逆，在低于电网电压的范围内大小可控，因此是直流电压方向可逆，在低于电网电压的范围内大小可控，因此是一种降压变换，可以作为稳定的低压直流电源，也可作为连续可一种降压变换，可以作为稳定的低压直流电源，也可作为连续可调的可编程直流电源。调的可编程直流电源。 v不能实现电流回馈不能实现电流回馈, ,但通过但通过控制直流储能电感上的电流变化控制直流储能电感上的电流变化可使得可使得直流侧电压按交流形式变化直流侧电压按交流形式变化, ,因

58、此同样可以因此同样可以实现能量双向流动实现能量双向流动。 v因整流器直流输出需要很大的平波电抗因整流器直流输出需要很大的平波电抗, ,装置体积较大装置体积较大, ,电流型电流型PWM PWM 整流器一般不用于单相。整流器一般不用于单相。 Power Electronics电流型与电压型电流型与电压型PWMPWM整流电路的比较整流电路的比较v电流型电流型PWMPWM整流器整流器没有桥臂直通导致的过流和输出短路的问题没有桥臂直通导致的过流和输出短路的问题，功率管直接对直流电流作脉宽调制，功率管直接对直流电流作脉宽调制，控制相对比较简单控制相对比较简单。v电流型电流型PWMPWM整流器通常要经过整流

59、器通常要经过LCLC滤波器与电网联接，滤波器与电网联接，LCLC滤波器和滤波器和直流储能电感的直流储能电感的重量和体积都比较大重量和体积都比较大；另外，为防止电流反向，；另外，为防止电流反向，必须在每个开关管处再串联一个二极管，造成必须在每个开关管处再串联一个二极管，造成系统器件多且通态系统器件多且通态损耗大损耗大，因此总体来说应用不如电压型，因此总体来说应用不如电压型PWMPWM整流器广泛。整流器广泛。v在实际应用中，特别是在在实际应用中，特别是在中、小功率领域中、小功率领域，在直流侧并联一个滤，在直流侧并联一个滤波电容构成波电容构成电压型的电压型的PWMPWM整流器整流器，是能量可双向流动

60、的高频，是能量可双向流动的高频PWMPWM整流器的主流。在整流器的主流。在特大功率领域特大功率领域，开关器件，开关器件GTO GTO 本身具有本身具有单向导电性单向导电性, ,不必再串二极管不必再串二极管, ,而而电流型电流型PWMPWM整流器整流器的可靠性又比的可靠性又比较高，对电路保护比较有利，因此较高，对电路保护比较有利，因此具有一定的应用优势具有一定的应用优势。 Power Electronicsv 能量可双向流动的能量可双向流动的PWMPWM整流器既可运行在整流整流器既可运行在整流状态，也可运行在逆变状态，作整流器只是它状态，也可运行在逆变状态，作整流器只是它们的功能之一。这样的主电