现代电力电子技术整流技术

1、6-11 1、整流电路的谐波和无功功率、整流电路的谐波和无功功率晶闸管相控整流电路 在可控整流电路中，整流电源是依靠改变控制角来实现调压或稳压，这种传统的相控整流电路的网侧电流绝大多数都是非正弦的，失真严重。 随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波(harmonics)和无功(reactive power)问题日益严重，引起了关注。6-26-3再看二极管不控整流电路。b)0iudqdp2pwti,ud+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud图2-26 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a) 电路 b) 波形6-46-5再看二极管不控整流电路。 输入电

2、压Vi是正弦，但输入整流脉动电压仅在高于电容电压的瞬间对电容充电，所以输入交流电流i 波形严重畸变，呈脉冲状（在滤波电容C=1000uF，负载电阻R=100时，脉宽为4mS）。脉冲状的输入电流，含有大量谐波，一方面使谐波噪声水平提高，同时ACDC整流电路输入端必需增加滤波器，成本高，体积、重量大。输入端功率因数只有68.3%。 6-602040608010012345678910谐波分量图 输入电流谐波分析柱状图6-7 结论：无论是相控还是不控整流电路，功率因无论是相控还是不控整流电路，功率因数低都是难以克服的缺点。而且网侧电流包含数低都是难以克服的缺点。而且网侧电流包含多次谐波，导致线路阻抗

3、产生谐波压降，使原多次谐波，导致线路阻抗产生谐波压降，使原为正弦波的电网电压发生逆变，谐波电流还会为正弦波的电网电压发生逆变，谐波电流还会对电网负载造成不良影响，使线路和变压器过对电网负载造成不良影响，使线路和变压器过热，造成设备损坏热，造成设备损坏。由此可见，整流电路的大。由此可见，整流电路的大量应用，使电网输出非正弦电流，网侧功率因量应用，使电网输出非正弦电流，网侧功率因数下降，对电网的谐波电流污染严重。数下降，对电网的谐波电流污染严重。6-8 为了减小变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波“污染”，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性，同时也为了提高输入端功率因数，必须限制电

4、路的输入端谐波电流分量。现在，相应的国际标准已经颁布实施，如IEC-555-2，EN60555-2等。一般规定各次谐波不得大于某极限值。 提高变流电路输入端功率因数和减小输入电流谐波的主要方法有：3 3、提高提高AC-DCAC-DC电路网侧功率因数的主要方电路网侧功率因数的主要方法法6-91）多重化整流。增加整流相数，使网侧电流更加接近正弦。2）无功补偿装置。3）利用自关断器件代替晶闸管，通过适当的控制策略，如熄灭角控制、对称角控制、正弦脉宽调制（SPWM）等来改善功率因数。 6-10 概述： 整流装置功率进一步加大时，所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用多重化整

5、流电路。原理： 按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流电路 进行组合得到。目标： 移项多重联结减少交流侧输入电流谐波，串联多重整流电路采用顺序控制可提高功率因数。6-111) 移相多重联结移相多重联结图2-40 并联多重联结的12脉波整流电路有并联多重联结和串联多重联结。可减少输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。使用平衡电抗器平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。2个三相桥并联而成的12脉波整流电路脉波整流电路。6-12 移相移相30 构成的串联构成的串联2重联结电路重联结电路图2-41 移相30串联2重联结电路 图2-42 移相30串联2重联结电路电流波形

6、 整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差30、大小相等的两组电压。 该电路为12脉波整流电路。星形三角形0a)b)c)d)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+ )Id323(1+)Id33Id136-13 利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开20，可将三组桥构成串联串联3重联结电路重联结电路：v整流变压器采用星形三角形组合无法移相20，需采用曲折接法。v整流电压ud在每个电源周期内脉动18次，故此电路为18脉脉波整流电路波整流电路。v交流侧输入电流谐波更少，为18k1次（k=1, 2, 3），ud的

7、脉动也更小。v输入位移因数和功率因数分别为：cosj j1 1=cos =0.9949cos 6-14 将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联串联4重联结电重联结电路路：v 为为24脉波整流电路脉波整流电路。v 其交流侧输入电流谐波次为24k1，k=1，2，3。v 输入位移因数功率因数分别为：cosj j1 1=cos =0.9971cos 采用多重联结的方法并不能提高位移因数，但可使输入电流谐波大幅减小，从而也可以在一定程度上提高功率因数。6-152) 多重联结电路的顺序控制多重联结电路的顺序控制只对一个桥的 角进行控制，其余各桥的工作状态则根据需要输出的整流电压而定。 或者不工作而使该

8、桥输出直流电压为零。 或者 =0而使该桥输出电压最大。根据所需总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥进行控制，因而被称为顺序控制顺序控制。不能降低输入电流谐波，但是总功率因数可以提高。我国电气机车的整流器大多为这种方式。6-16无源功率因数校正无源功率因数校正无源校正由电容、电感、电力二极管等无源器件组无源校正由电容、电感、电力二极管等无源器件组成，主要通过提高整流导通角的方法来减少高次谐成，主要通过提高整流导通角的方法来减少高次谐波。波。无源校正法的优点在于其电路简单，易于实现，无源校正法的优点在于其电路简单，易于实现，而且其成本低、可靠性高、而且其成本低、可靠性高、EMIEMI小。

9、但缺点是其功小。但缺点是其功率因数校正效果有限（一般可提高到率因数校正效果有限（一般可提高到0.90.9左右），左右），工作性能与频率都与输入电压变化有关，电感和电工作性能与频率都与输入电压变化有关，电感和电容器之间有大的充放电电流，而且在低频情况下，容器之间有大的充放电电流，而且在低频情况下，需要大容量的电感器和电容器，使变换器的体积、需要大容量的电感器和电容器，使变换器的体积、重量、性能价格比与有源功率因数校正法相比有明重量、性能价格比与有源功率因数校正法相比有明显的不足。显的不足。6-17（2） 有源功率因数校正器基本思想是，放弃传统的相控整流方案，代之以高频调制基本思想是，放弃传统的相

10、控整流方案，代之以高频调制原理，通过适当的控制策略，使网侧电流近似为正弦。这原理，通过适当的控制策略，使网侧电流近似为正弦。这就是新一代整流电路（高功率因数变流器）所依据的工作就是新一代整流电路（高功率因数变流器）所依据的工作原理。原理。在不控整流器和负载之间接入一个在不控整流器和负载之间接入一个DCDCDCDC开关变换器，应开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流用电流反馈技术，使输入端电流 i i波形跟踪交流输入正弦波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使电压波形，可以使i i接近正弦。在该方案中，由于输入电接近正弦。在该方案中，由于输入电流被校正成与输入电压同相位的正弦波，因而功率因数可流

11、被校正成与输入电压同相位的正弦波，因而功率因数可以提高到近似为以提高到近似为1.01.0，输入端，输入端THDTHD小于小于5%5%，而且具有稳定的，而且具有稳定的直流输出电压。直流输出电压。6-18整流电路电压取样电流取样DC/DC变换器电压取样VO负载误差放大器-VA +给定电压VI乘法器M比较器+CA -驱动电路uut图 PFC原理框图6-19其基本思想为：将输入交流电压进行全桥整流。对得到的全波脉动电压进行DC/DC变换。通过适当的控制使得输入电流自动跟随全波脉动电压，输入阻抗呈纯阻性，从而实现功率因数为1。变换器输出电压是常数，输入电压、电流都是正弦半波。从原理上讲，图中DC/DC变

12、换器可以是Buck、Boost、Buck-Boost等变换器。但是，由于BOOST电路具有输入电流可连续、输入功率因数高并可直接控制电感电流以控制输入电流等优点，所以常常用作前级功率因数校正。控制电路包括电压误差放大器及基准电压，乘法器M，比较器CA和驱动电路等，负载可以是一个开关电源。6-20PFC的工作原理如下：主电路的输出电压VO取样信号与基准电压Vref输入给电压误差放大器VA，和整流后电压取样信号的输出电取样的基准信号，与电流取样信号经比较器CA比较后，产生PWM信号，PWM信号经驱动电路控制变换器开关的通断，从而使输入电流的波形与整流电压的波形相位基本一致，使电流谐波大为减小，提高

13、了输入端功率因数，6-21有源功率因数控制器由集成电流控制器与乘法器组成。它的主要优点是：可得较高的功率因数(0.970.99)，甚至接近1；可在较宽的输入电压范围（如90264VAC）和宽频带下工作；体积、重量小；输出电压可保持恒定。主要缺点是：电路复杂；成本高；EMI高；效率会有所降低。目前，这种功率因数控制器已开始广泛应用于新型开关电源中。6-226-23vPWM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。vPWM整流电路采用全控型器件组成，把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，通过对电路进行控制，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，且功率因数近似1，因此P

14、WM整流电路也称单位功率变流器。 6-241单相PWM整流电路图6-28 单相PWM整流电路半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源连接。 单相半桥电路 交流侧电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的。全桥电路直流侧电容只要一个就可以。 单相全桥电路6-25(1)单相全桥单相全桥PWM整流电路整流电路的工作原理按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uAB。uAB中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波。由于Ls的滤波作用

15、，谐波电压只使is产生很小的脉动。当正弦信号波频率和电源频率相同时，is也为与电源频率相同的正弦波。us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相位差决定。改变uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90，或使is与us相位差为所需角度。6-26图6-29 PWM整流电路的运行方式向量图a)整流运行b)逆变运行c)无功补偿运行d) 超前角为j djUsULURUABIsdUsURUABIsULdUsURUABIsULdUsURUABIsULIs6-27b)逆变运行dUsURUABIsULa)整流运行dUsULURUABIsa： 滞后 相角d ， 和

16、 同相，整流状态整流状态，功率因数为1。PWM整流电路最基本的工作状态。UABsUIssUb： 超前 相角d ， 和 反相，逆变状态，说明PWM整流电路可实现能量正反两个方向的流动，这一特点对于需再生制动的交流电动机调速系统很重要UABsUIssU6-28c)无功补偿运行dUsURUABIsULd) 超前角为j jdUsURUABIsULc： 滞后 相角d， 超前 90，电路向交流电源送出无功功率，这时称为静止无功功率静止无功功率发生器发生器（Static Var GeneratorSVG）。UABsUIssUd：通过对 幅值和相位的控制，可以使 比 超前或滞后任一角度j 。UABsUIs6-

17、29(2)对单相全桥单相全桥PWM整流电路整流电路工作原理的进一步说明整流状态下整流状态下: us 0时时，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分别组成两个升压斩波电路，以（V2、VD4、VD1、Ls）为例。 V2关断时，Ls中的储能通过VD1、VD4向C充电。 V2通时，us通过V2、VD4向Ls储能。 us 0时时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路。6-302三相PWM整流电路 三相桥式PWM整流电路，是最基本的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SPW

18、M控制，在交流输入端A、B和C可得 SPWM电压，按图6-29a的相量图控制，可使i ia a、i ib b、i ic c为正弦波且和电压同相且功率因数近似为1。 和单相相同，该电路也可工作在逆变运行状态及图c或d的状态。三相桥式PWM整流电路 负载6-31间接电流控制系统结构1) 间接电流控制间接电流控制也称为相位和幅值控制相位和幅值控制。按图6-29a（逆变时为图6-29b）的相量关系来控制整流桥交流输入端电压，使得输入电流和电压同相位，从而得到功率因数为1的控制效果。图6-31，间接电流控间接电流控制的系统结构图制的系统结构图图中的PWM整流电路为图6-30的三相桥式电路控制系统的闭环是

19、整流器直流侧电压控制环。有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈引入电流反馈可分为两种 间接电流控制间接电流控制、直接电流控制直接电流控制。6-32控制原理 稳态时，ud= ，PI调节器输入为零，PI调节器的输出id和负载电流大小对应，也和交流输入电流幅值相对应。*du负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。 和实际的直流电压ud比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流信号id，id的大小和整流器交流输入电流幅值成正比。*du 负载电流增大时，C放电而使ud下降，PI的输入端出现正偏差，使其输出id增大，进而使交流输入电流增大，也使ud回升。达到新的稳态时，ud和 相等，PI调节器输入仍恢复到零，而id则稳定为新的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流对应。*du间接电流控制系统结构6-33从整流运行向逆变运行转换首先负载电流反向而向C充电，ud抬高，PI调节器出现负偏差，id减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行。稳态时，ud和 仍然相等，PI调节器输入恢复到零，id为负值，并与逆变电流的大小对应。*du间接电流控制系统结