第三章 AC DC变换器

1、 交流直流变换器（整流器）交流直流变换器（整流器） 1电力电子技术基础交流直流变换器3 3 交流直流变换器（整流器） 3.0 概述概述3.1 整流器的类型和性能指标整流器的类型和性能指标3.2 不控整流电路不控整流电路3.3 单相可控整流电路单相可控整流电路3.4 三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路3.5 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路 3.6 交流电路电感对整流特性的影响交流电路电感对整流特性的影响3.7 有源逆变及功率因数校正有源逆变及功率因数校正电力电子技术基础交流直流变换器 3.0 概述概述q利用半导体电力开关器件的通、断控制，将利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交

2、流电能变为直流电能称为整流。交流电能变为直流电能称为整流。q实现整流的电力半导体开关电路连同其辅助实现整流的电力半导体开关电路连同其辅助元器件和系统称为整流器。元器件和系统称为整流器。 q整流电路是出现最早的电力电子电路，将交整流电路是出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电流电变为直流电电力电子技术基础交流直流变换器整流器的类型很多，归纳分类如下：整流器的类型很多，归纳分类如下：q1.按交流电源电流的按交流电源电流的波形波形可分为：可分为：（1 1） 半波整流。（半波整流。（2）全波整流。）全波整流。q2.按交流电源的按交流电源的相数相数的不同可分为：的不同可分为：（1 1） 单相整流。（

3、单相整流。（2）多相整流。）多相整流。q3.按整流电路中所使用的按整流电路中所使用的开关器件开关器件及控制能力的不同可及控制能力的不同可分为：分为： (1(1） 不控整流。（不控整流。（2）半控整流。（）半控整流。（3）全控整流。）全控整流。q4.按按控制原理控制原理的不同可分为：的不同可分为：（1 1） 相控整流。（相控整流。（2）高频）高频PWMPWM整流。整流。开关器件开关器件为二极管为二极管 开关器件开关器件为晶闸管为晶闸管开关器件为开关器件为全控器件全控器件电力电子技术基础交流直流变换器5.5.按电路结构可分为：按电路结构可分为： （1 1）桥式电路。（）桥式电路。（2 2）零式电路

4、。）零式电路。6.6.按变压器二次侧电流的方向是单向或双向又分为：按变压器二次侧电流的方向是单向或双向又分为： （1 1）单拍电路。（）单拍电路。（2 2）双拍电路）双拍电路。 电力电子技术基础交流直流变换器q对交流直流变换最基本的性能要求：对交流直流变换最基本的性能要求：q直流输出电压可以调控（交流输入电压变化时或负载变化时直流输出电压可以调控（交流输入电压变化时或负载变化时输出的直流电压可保持为任意指令值）输出的直流电压可保持为任意指令值）q输出电压中交流分量（即谐波电压）被控制在允许值范围以输出电压中交流分量（即谐波电压）被控制在允许值范围以内；内；q交流侧电流中的谐波电流也要求在允许值

5、以内。交流侧电流中的谐波电流也要求在允许值以内。q此外交流侧的功率因数、整流器的效率、重量、体积、成本、此外交流侧的功率因数、整流器的效率、重量、体积、成本、电磁干扰电磁干扰EMI和电磁兼容性和电磁兼容性EMC以及对控制指令的响应特以及对控制指令的响应特性都是评价整流器的重要指标。性都是评价整流器的重要指标。 电力电子技术基础交流直流变换器3.1 整流器的类型和性能指标整流器的类型和性能指标q整流器最基本的性能指标有：整流器最基本的性能指标有：q1. 电压谐波系数或纹波系数电压谐波系数或纹波系数RF（Ripple Factor）q2. 电压脉动系数电压脉动系数Sn q3. 输入电流总畸变输入电

6、流总畸变THD (Total Harmonic Distortion) q4. 输入功率因数输入功率因数PF（Power Factor） q上述基本性能指标能比较科学地评价各种整流上述基本性能指标能比较科学地评价各种整流电路的性能优劣电路的性能优劣 。电力电子技术基础交流直流变换器q纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平均值电压均值电压VD外全部交流谐波分量有效值外全部交流谐波分量有效值VH电压谐波系数或纹波系数电压谐波系数或纹波系数RF（Ripple Factor）进一步可以表示为进一步可以表示为 ：DHvVVRF/12DrmsdHvVVVV22Drms

7、HVVVq电压谐波（纹波）系数的定义：输出电压中电压谐波（纹波）系数的定义：输出电压中的交流谐波有效值平均值的交流谐波有效值平均值 VH与直流平均值与直流平均值VD 之比值。表示为之比值。表示为电力电子技术基础交流直流变换器电压脉动系数电压脉动系数Snq定义：整流输出电压中最低次谐波幅值定义：整流输出电压中最低次谐波幅值Vnm与与直流平均值直流平均值VD之比之比 。Sn=Vnm/VD 电力电子技术基础交流直流变换器输入电流总畸变输入电流总畸变THD(Total Harmonic Distortion)q交流输入电流中除基波电流交流输入电流中除基波电流Is1外通常还含有各外通常还含有各次谐波电流

8、次谐波电流Isn（n2，3，4，） 。qTHD的的定义：除基波电流外的所有谐波电流总定义：除基波电流外的所有谐波电流总有效值与基波电流有效值之比值有效值与基波电流有效值之比值 22122212 由于hSnSnSSIIIII1222121121211SnSnSSSSSShIIIIIIIIITHD电力电子技术基础交流直流变换器q 定义：交流电源输入有功功率定义：交流电源输入有功功率PAC与其视在功率与其视在功率S之比，即之比，即输入功率因数输入功率因数PF（Power Factor） ：SPPFAC/SSIVS 11111cos/)(cos)/(cos)/( SSSSSSSSACIIIVIVIVP

9、PF1cosSACSACSVPPFVPI221222221111111THDIIIIIIISnSnnSnSSSSq若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基 波电流形成有功功率。这时，波电流形成有功功率。这时，q基波电流数值因数（简称基波因数）是基波电流有效值与总基波电流数值因数（简称基波因数）是基波电流有效值与总电流有效值之比值，即电流有效值之比值，即输入电流有效值输入电流有效值：q交流侧电压与电流基波分量之间的相位角交流侧电压与电流基波分量之间的相位角11称为基波位移角；称为基波位移角；基波功率因数基波功率因数 cos1cos1

10、称为基波位移因数称为基波位移因数DPFDPF；电力电子技术基础交流直流变换器3.2 不控不控整流整流电路电路3.2.0 概述概述3.2.1 单相半波不控整流单相半波不控整流3.2.2 单相桥式不控整流单相桥式不控整流3.2.3 三相半波不控整流三相半波不控整流3.2.4 三相桥式不控整流三相桥式不控整流3.2.5 电容滤波的不控整流电路电容滤波的不控整流电路 电力电子技术基础交流直流变换器3.2.0 概述概述q 定义：在交流电源与直流负载间插入二极管电路，利用二极管定义：在交流电源与直流负载间插入二极管电路，利用二极管的单向导电性实现交流的单向导电性实现交流-直流电能变换的电路。直流电能变换的

11、电路。q 缺点：输出电压平均值不能调节缺点：输出电压平均值不能调节q 分析法：二极管的单向导电性是分析二极管整流电路的基本原分析法：二极管的单向导电性是分析二极管整流电路的基本原则。则。q 典型电路：图典型电路：图1(a)4(a)q 由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为为二极管整流电路二极管整流电路。电力电子技术基础交流直流变换器3.2.1 单相半波不控整流单相半波不控整流q在电源电压的正半周在电源电压的正半周w wt=0p p D1承受正向电压而导通。承受正向电压而导通。vd=vs, id=isq在电源电压的负半周在电

12、源电压的负半周wt=p2p D1受反压截止，阻断电路。受反压截止，阻断电路。 vd=0, id=0q如果负载有电感，则负载电流通过如果负载有电感，则负载电流通过D0续流。续流。q主电路：不控二极管主电路：不控二极管D1D1、D0D0q工作原理：（理想情况下）工作原理：（理想情况下）电力电子技术基础交流直流变换器q特点：特点：q整流电压直流平均值整流电压直流平均值 SSSDVVtdtVV45. 02sin221 0 pwwpp qVD只与只与VS有关，不能被调控；有关，不能被调控；q输出电压脉动大，脉动频率低，输出电压脉动大，脉动频率低，难于滤波。难于滤波。q仅正半周有输出（一个电源周仅正半周有

13、输出（一个电源周期中仅一个电压脉波，即脉波期中仅一个电压脉波，即脉波数为数为1，称为，称为“半波半波”）；）；q电源电流的直流分量很大电源电流的直流分量很大点：点：q整流电压直流平均值整流电压直流平均值电力电子技术基础交流直流变换器3.2.2 单相桥式不控整流单相桥式不控整流q原理及波形分析：原理及波形分析：q在中小容量的不控整在中小容量的不控整流领域中应用广泛。流领域中应用广泛。 电力电子技术基础交流直流变换器3.2.3 三相半波不控整流三相半波不控整流q 原理及波形：原理及波形：q一周期中，一周期中，A相相D1、B相相D3、C相相D5依序各导电依序各导电120。q整流电流为整流电流为120

14、脉宽直流。脉宽直流。q整流电压由三个相同的脉波组成整流电压由三个相同的脉波组成（脉波数（脉波数m m3 3）。）。q 特点：特点：直流平均值的数值较高直流平均值的数值较高： SSSDVVtdtVV17. 1263sin23/21501 03 pwwp整流电压脉动较小，脉动频率为电源整流电压脉动较小，脉动频率为电源频率频率3 3倍。电源电流含有很大的直流倍。电源电流含有很大的直流分量。较少实用。分量。较少实用。电力电子技术基础交流直流变换器3.2.4 三相桥式不控整流三相桥式不控整流整流电压由整流电压由6 6个相同的脉波组成，个相同的脉波组成，脉波宽脉波宽6060, ,脉动较小，易滤波。脉动较小

15、，易滤波。电源电流无直流分量电源电流无直流分量, ,为为120120脉脉宽、正负对称的交流电。宽、正负对称的交流电。广泛应用较大功率的不控整流中广泛应用较大功率的不控整流中脉波脉波数数m m6 6电力电子技术基础交流直流变换器3.2.4 三相桥式不控整流三相桥式不控整流q整流电压的直流平均值高：整流电压的直流平均值高：lSlSVVVV35. 134. 22363 pp tdtVtdvVSABDwwpwp30sin233 3/109 03 09 03 电源线电压有电源线电压有效值效值电源相电压有效值电源相电压有效值电力电子技术基础交流直流变换器3.2.5 电容滤波的不控整流电路电容滤波的不控整流

16、电路 不控整流电路输出电压中除直流平均值外，还含有谐波电压。为此须在整流电路的输出端与负载之间接入LC滤波器。 由于整流输出谐波电压的频率不高，因此要有较好滤波效果必须LC很大。 滤波电感L的的重量、体积相对于电容要大得多，通常取较小的L和较大的C组成LC滤波器，甚至完全不用电感只用电容滤波。电力电子技术基础交流直流变换器1 电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中。1） 工作原理及波形分析图5 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) 波形基本工作过程基本工作过程：在u2正半周过零点至

17、w wt=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至w wt=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。b)0iudqdp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud电力电子技术基础交流直流变换器2) 主要的数量关系 输出电压平均值输出电压平均值 电流平均值电流平均值 输出电流平均值IR为： IR = Ud /R Id =IR 二极管电流 iD平均值为： ID = Id / 2=IR/ 2 二极管承受的电压二极管承受的电压 22U空载时， 。重载时，Ud逐渐趋近于0.9U

18、2，即趋近于接近电阻负载时的特性。在设计时根据负载的情况选择电容C值，使 , 此时输出电压为： Ud1.2 U2。2d2UU2/)53(TRC 电力电子技术基础交流直流变换器 感容滤波的二极管整流电路实际应用为此情况，但分析复杂。实际应用为此情况，但分析复杂。ud波形更平直，电流波形更平直，电流i2的上升段平缓了许多，这的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的。对于电路的工作是有利的。图6 感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a） 电路图 b）波形a)b)u2udi20dqpwti2,u2,ud电力电子技术基础交流直流变换器2 电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电

19、路1） 基本原理某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。图7 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt电力电子技术基础交流直流变换器32=+t)-32( - tRC1232=+t2t)(d32sin6d)(d)+tsin(6dpdwdpwwpdwwpwqweUtU 电流id 断续和连续的临界条件临界条件w wRC=33在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R= /w wC。3由 “电压下降速度相等”的

20、原则，可以确定临界条件。假设在wt+d=2p/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有图8 电容滤波的三相桥式整流电路当w wRC等于和小于 时的电流波形 a）w wRC=b）w wRC有功功率有功功率P。忽略开关管的损耗，电源提供的有功功率忽略开关管的损耗，电源提供的有功功率负载有功功率负载有功功率P表表5.2 单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与的关系表的关系表aSdVV/控制角控制角 （度）（度）03060901201501800.90.840.6760.450.2260.0060IS/Id31.571.972.80-功率因数功

21、率因数PF10.9710.8980.7070.4270.170SSIVS pappa22sinSLSSSLVVIVIVSPPF功率因数功率因数SrmsLrmsLIVIVRIP2电力电子技术基础交流直流变换器1.00.20306090120 150 18012345aIIdsFPFPVVsdVVsd单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与的的关系曲线关系曲线电力电子技术基础交流直流变换器q 特点：特点：p电感电流不能突变；电感电流不能突变；q电流滞后电压过零。电流滞后电压过零。q根据负载中电感量根据负载中电感量L L的大小不同，的大小不同

22、，电路有电路有4 4种可能工况：种可能工况：（1）L、较小，较小，较大，且较大，且时，负载断流时，负载断流；（2 2） 当当时，时，电流临界连续；电流临界连续；（3）L L、较大，较大，较小较小, ,且且，电流连续；，电流连续；（4）L L、很大，很大， ，时，负载断流，时，负载断流，元元件的导电角件的导电角q输出电压波形中出现了负值输出电压波形中出现了负值q断流原因断流原因 ：L较小，电感电流较小，电感电流id上升时间不长，上升时间不长，L储能较少。储能较少。 id 下降、下降、L释放的能量不足以维释放的能量不足以维持已导通元件持续导通到时刻持已导通元件持续导通到时刻（+）就已降为零。）就已

23、降为零。图15 单相桥式带感性负载全控式整流电路及波形 电力电子技术基础交流直流变换器 （1 1）负载断流时，负载断流时，输出整流电、直流等参数的计算输出整流电、直流等参数的计算 )(sin21ttdVVSaadw ww wp pq q )cos(cos2122q qp p aaVs)cos(cos2q qa aa ap p RVRVISddVd 和和Id与控制角与控制角及导通角及导通角有关有关vdid00iT4,1iT3,2twtwq qap+a a a a)cos(cos210*qaadddVVV电力电子技术基础交流直流变换器)455(cossin)(qqqtgeatg)sin()sin(

24、2)(taLRSDeatZViww（543）ddSRidtdiLtVwsin2是是、R 、 L的函数。的函数。已知已知R、L、 和和时，由（时，由（5-45）式可求）式可求；再由（再由（5-38）式可求得）式可求得*DV)385()cos(cos21/220*qaapSDDDDVVVVV电力电子技术基础交流直流变换器 （2）当）当时，时，电流临界连续电流临界连续q 稳态情况波形分析（稳态情况波形分析（ 特征）：特征）：q输入电流输入电流isis为正弦波，滞后于电为正弦波，滞后于电源电压的角度为源电压的角度为；相当于电源不；相当于电源不经晶闸管而直接对经晶闸管而直接对RL供电。供电。q负载电流负

25、载电流i iD D 是是“正弦双半波正弦双半波”；q整流电压直流平均值整流电压直流平均值aapacos9 . 0cos22cos0SSDDVVVV电力电子技术基础交流直流变换器 （3）L L、较大，较大，较小较小, ,且且，电流连续，电流连续稳态情况：稳态情况：（1）波形：波形：整流电压波形、整流电压波形、平均值、元件通电角平均值、元件通电角等，等，与与电流临界连续时的相同；电流临界连续时的相同；（2 2）特征：）特征：q 晶闸管电流的初值、终值晶闸管电流的初值、终值都不为零都不为零; ;q 负载电流不再是负载电流不再是“正弦双正弦双正半波正半波”，任何时刻都大，任何时刻都大于零；于零； vS

26、vgvd000twaatwtwvvgg41vvgg32以以为参变量的为参变量的函数关系函数关系 电力电子技术基础交流直流变换器q 负载电流负载电流i iD D脉动很小，近似平脉动很小，近似平行于横标；大小：行于横标；大小：q 晶闸管的电流晶闸管的电流i iT T为为180单向矩单向矩形波形波 q 电源电流电源电流i is s为为180正负正负矩形波矩形波q 电源电流电源电流i is s的基波有效值的基波有效值 （4）L L很大，很大，LL R R，9090，电流连续且忽略脉动电流连续且忽略脉动RVIDD/DDTItdII21)(212wppaaTDDSIItdII2)(1 2paawpSDSI

27、IIpp22221电力电子技术基础交流直流变换器q 电源基波功率因数角电源基波功率因数角1 1 ； 越大，越大，coscos1 1越小。（结论适越小。（结论适于所有相控整流电路）于所有相控整流电路）q 电源功率因数电源功率因数 apaacos22coscos11SSSSSSIIIVIVPF单相桥式全控整流电路控制特性单相桥式全控整流电路控制特性apaacos22coscos11SSSSSSIIIVIVPF电力电子技术基础交流直流变换器060012001800030060090012001500180qa a3060900RL w()0=L函数关系、与导通角aqqqaqcossin)(tgetg

28、时，导电角时，导电角 ，电流断流，电流断流 apq时，导电角时，导电角 ，电流连续，电流连续 apq单相桥式全控整流电路控制特性单相桥式全控整流电路控制特性电力电子技术基础交流直流变换器SVE2sin1d停止导电角停止导电角三、反电势负载三、反电势负载L L0 0时，只有当时，只有当 晶闸管才能触发导通。晶闸管才能触发导通。 晶闸管阻断晶闸管阻断, ,阻断期间负阻断期间负载电压载电压vDE E，故输出电压较，故输出电压较RLRL负负载时高。载时高。负载电流断流，所以负载电流断流，所以 导通之后，导通之后，V VD D=Vs=Vs，直至，直至| |V VD D|=|=E E，i id d即降至即

29、降至0 0使得晶闸管关断，此后使得晶闸管关断，此后V VD D= =E E 。EvspqEvs与电阻负载时相比，晶闸管提前了与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度电角度停止导电，停止导电，)()cos(cos21)()sin2(1aEaVEtdEtVEVSSa d dp pd dp pw ww wp pd dp pEaaVSp pd dd dp p )cos(cos21)()cos(cos21)()sin2(1aEaVEtdEtVEVSSa d dp pd dp pw ww wp pd dp pEaaVSp pd dd dp p )cos(cos21D电力电子技术基础交流直流变换器30 的情况（

30、的情况（图6-15 ） 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。b)c)d)e)f)u2uaubuca =0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)R电力电子技术基础交流直流变换器aapwwpapapcos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU 当a=0时，Ud最大，为 。2d0d17.1UUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262dapappwwppapUttdUU 整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算a30时，负载电流连续，有：a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时

31、有：电力电子技术基础交流直流变换器Ud/U2随随a变化的规律变化的规律如如图中的曲线图中的曲线1所示所示。03060901201501.17321a/( )Ud/U2三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载电力电子技术基础交流直流变换器 负载电流平均值为负载电流平均值为 晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即RUIdd（2-20）222RM45.2632UUUU（2-21）22UUFM（2-22）电力电子技术基础交流直流变换器aVaVaVttdVVssmmaa

32、Dcos17. 1cos263cos233)(sin23656ppwwppp3.4.1 三相半波相控整流电路（共阴接三相半波相控整流电路（共阴接法续）波形特点法续）波形特点（5 5）整流输出电压的脉动频率为）整流输出电压的脉动频率为3f3f（脉波数（脉波数m=3m=3）。）。（1 1）负载电流连续时各晶闸管的）负载电流连续时各晶闸管的导电角均为导电角均为 ( (120120）3/2p（2 2）若电源交流电路中不存在电感，晶闸管之间的电流转移）若电源交流电路中不存在电感，晶闸管之间的电流转移 是瞬间完成的。是瞬间完成的。（3 3）负载电压波形是）负载电压波形是相电压波形相电压波形的一部分。的一部

33、分。（4 4）晶闸管截止态所承受的电压是）晶闸管截止态所承受的电压是线电压而线电压而非相电压。非相电压。（6 6）交流侧只有单方向电流（）交流侧只有单方向电流（缺点缺点）。）。 若若 ，电流连续且晶闸管导电角，电流连续且晶闸管导电角120时，输出直流电压平均值为时，输出直流电压平均值为tVtVvSmawwsin2sin电力电子技术基础交流直流变换器当ssddVVVV0a17.1263时 0p，当 时， 为正值。电路工作在第电路工作在第1象限。象限。900 adV当 时， 090adV当90180时， 为负值。电路工作在第电路工作在第4象限。象限。dV0VdId e工工作作象象限限aVttdVV

34、smaadcos17. 1)(sin23656wwppp讨论：讨论：电力电子技术基础交流直流变换器（a）主电路）主电路 （b）0时时波形波形 （c）30时时波形波形.2共阳极接的三相半波可控整流电路共阳极接的三相半波可控整流电路电力电子技术基础交流直流变换器3.5 三相桥式相控整流电路三相桥式相控整流电路3.5.0 概述概述3.5.1 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路3.5.2 三相桥式半控整流电路三相桥式半控整流电路电力电子技术基础交流直流变换器3.5.0概述概述常用的三种三相桥式整流电路常用的三种三相桥式整流电路：q 不控整流（不控整流（a a）q 全控整流（全控整

35、流（b b）：不控整流电路中的二极管换成）：不控整流电路中的二极管换成SCRSCRq 半控整流（半控整流（c c）：不控整流电路中共阴接法的二极管换成）：不控整流电路中共阴接法的二极管换成SCRSCR电力电子技术基础交流直流变换器三相桥是应用最为广泛的整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路共阴极组共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2） 三相桥式全控整流电路原理图导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6电力电子技术基础交流直流变换器电源条件电源条件三相交流对称电源：三相交流对称电源：q 相电压

36、有效值为相电压有效值为VsVsq 相电压幅值为：相电压幅值为：q 线电压有效值：线电压有效值：q 线电压幅值为：线电压幅值为：q 电源频率为电源频率为fsfs，周期为，周期为TsTs，q 三相交流相电压依序相差三相交流相电压依序相差120;六个线电压依序相六个线电压依序相差差60SlVV3SlmVV6SmVV2tVvSawsin2120sin2tVvSbw240sin2tVvScw电力电子技术基础交流直流变换器3.5.1 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路q1.基本工作原理基本工作原理q2.2.电阻负载时三相桥式全控整流特性电阻负载时三相桥式全控整流特性q3 3. .感性负载时三相桥式全

37、控整流特性感性负载时三相桥式全控整流特性q4.4.反电势、电阻、电感负载时三相桥式全控整流反电势、电阻、电感负载时三相桥式全控整流特性特性电力电子技术基础交流直流变换器1.基本工作原理基本工作原理q 二极管的二极管的6 6个自然换相点：个自然换相点：q上桥臂中三相电压瞬时值上桥臂中三相电压瞬时值最正的那一相管自然导通，最正的那一相管自然导通，换相点为换相点为1、3、5q下桥臂中下桥臂中三相电压瞬时值三相电压瞬时值最负的那一相管自然导通，最负的那一相管自然导通，换相点为换相点为2、4、6q 任何时刻上、下各有一个二任何时刻上、下各有一个二极管导通，把线电压最大的极管导通，把线电压最大的瞬时值接至

38、负载。图瞬时值接至负载。图(c)粗线粗线 q控制角控制角 0 0时时6 6个晶闸个晶闸管的触发脉冲的施加时刻都管的触发脉冲的施加时刻都从各自的自然换相点延迟一从各自的自然换相点延迟一个个角度。角度。电力电子技术基础交流直流变换器1.1.基本工作原理基本工作原理：晶闸管的触发脉冲安排晶闸管的触发脉冲安排q 晶闸管触发次序晶闸管触发次序: :按按1 12 23 34 45 56 61 1的顺序循环，的顺序循环，q 各脉冲依次互差各脉冲依次互差6060T T1 1T T3 3T T5 5 的触发脉冲间相位相差的触发脉冲间相位相差120120 （T T2 2T T4 4T T6 6亦如此）亦如此）q

39、晶闸管最大导电角晶闸管最大导电角为为120120 q 每个触发脉冲的宽度要超过每个触发脉冲的宽度要超过1/6Ts1/6Ts；q 或双脉冲触发方式或双脉冲触发方式: :给晶闸管发一个窄触发脉冲后，间隔给晶闸管发一个窄触发脉冲后，间隔6060再补发一个脉冲再补发一个脉冲电力电子技术基础交流直流变换器2.2.电阻负载时三相桥式全控整流特性电阻负载时三相桥式全控整流特性q 相控整流特性：（相控整流特性：（1）与相控角）与相控角有关有关; （2）与负载性质有关。）与负载性质有关。1. 1. 电阻负载时的整流特性电阻负载时的整流特性 纯电阻性负载时，纯电阻性负载时，iD与与vD波形完全相同。波形完全相同。

40、 (1)(1) 0 0时的波形时的波形； (2)(2)3030时的波形时的波形; (3)(3) 6 0 0时的波形时的波形; (4)(4)90 0时的波形时的波形;2.2. 0时将使整流电压时将使整流电压vD的平均值的平均值VD减小，改变触发延迟角减小，改变触发延迟角（或相控角）（或相控角）的大小，即可控制整流电压平均值的大小，即可控制整流电压平均值VD3. 3. 当当a60时，时，ud波形均连续，对于电阻负载，波形均连续，对于电阻负载，id波形与波形与ud波波形形状一样，也连续形形状一样，也连续4. 4. 当当a60时，时，ud波形每波形每6060 中有一段为零，中有一段为零，ud波形不能出

41、现负波形不能出现负值值5. 5. 带电阻负载时三相桥式全控整流电路带电阻负载时三相桥式全控整流电路a a角的移相范围是角的移相范围是120120 电力电子技术基础交流直流变换器 不控整流电路及全控整流电路阻性负载不控整流电路及全控整流电路阻性负载0 0时的波形时的波形wwwwu2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubwt1OtOtOtOta = 0iVT1uVT1电力电子技术基础交流直流变换器 全控整流电路全控整流电路阻性负载阻性负载3030时的时的波形波形wwwwud1ud2a = 30i

42、aOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1电力电子技术基础交流直流变换器电阻负载电阻负载30时工作波形特点：时工作波形特点：p整流电压整流电压vD的波形依然的波形依然由由6段线电压波形组成段线电压波形组成, 次次序不变，仅六个导电区后序不变，仅六个导电区后延延30p负载电流负载电流iDiD波形：与波形：与vDvD的波形完全相同的波形完全相同p电源电流电源电流iaia波形与波形与0 0时相比各波形在时间时相比各波形在时间上顺延上顺延3030wwwwud1ud2a = 30iaOtOt

43、OtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1电力电子技术基础交流直流变换器全控整流电路阻性负载全控整流电路阻性负载6060时的波形时的波形wwwa = 60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtwt1OtOtuVT1电力电子技术基础交流直流变换器电阻负载电阻负载6060时时工作波形特点工作波形特点：q 与与0 0时相比各波时相比各波形在时间上顺延形在时间上顺延6060；q 元件导电终点时刻，整元件导电终点时刻，整流电压、电流的瞬时值流

44、电压、电流的瞬时值都都为零。为零。q 60时时iD连续，且连续，且整流电压平均值整流电压平均值VD apwwpwpaaawawcos330sin33/16030 30 60 11lmlmttabDVtdtVtdvV电力电子技术基础交流直流变换器全控整流电路阻性负载全控整流电路阻性负载9090时的波形时的波形ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtOwtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1电力电子技术基础交流直流变换器q 60后后iD不连续；不连续； q 导电宽度导电宽度120-电流脉动周期电流脉动周期6T6TS S时，可忽略时，可忽略

45、iD的脉动的脉动, ,看作恒值电流看作恒值电流IDq 负载电流连续且负载电流连续且60时整流电压时整流电压vD波形波形、整流电压平、整流电压平均值均值V VD D与电阻负载时的情况相同，与电阻负载时的情况相同，但是电流不同但是电流不同。当电感当电感足够大的时候，足够大的时候， id的波形可近似为一条水平线。的波形可近似为一条水平线。例如例如(1)(1)电阻负载电阻负载 0 0时波形中的时波形中的vD； (2)(2)电阻负载电阻负载3030时波形中的时波形中的vD； (3)(3) 6 0 0时的波形时的波形；电力电子技术基础交流直流变换器a 60 时时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻

46、负载时，ud波形不会出现负的部分。 阻感负载时，ud波形会出现负的部分。(1)(1)9090时的波形时的波形； (2)(2)120120时的波形时的波形； (3)(3) 180180时的波形时的波形带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90 。电力电子技术基础交流直流变换器三相桥式全控整流电路带阻感负载三相桥式全控整流电路带阻感负载a a= 0 = 0 时的波形时的波形ud1u2ud2u2LudidwtOwtOwtOwtOuaa = 0ubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuaciVT1电力电子技术基础交流直流变换器三相桥式全控整流电路带阻感负载三相桥式全控整流电

47、路带阻感负载a a= 30 = 30 时的波形时的波形ud1a = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacwtOwtOwtOwtOidiawt1uaubuc电力电子技术基础交流直流变换器电阻感性负载时的整流特性电阻感性负载时的整流特性6 60时的波形时的波形电力电子技术基础交流直流变换器电阻感性负载时的整流特性电阻感性负载时的整流特性9 90时的波形时的波形电力电子技术基础交流直流变换器电阻感性负载时的整流特性电阻感性负载时的整流特性12120时的波形时的波形电力电子技术基础交流直流变换器电阻感性负载时的整流特性电阻感性负载时的整流特性18180时的波形时的波形电力电子

48、技术基础交流直流变换器感性负载、电感足够大时感性负载、电感足够大时（1 1）整流电压的平均值）整流电压的平均值VDVlm为电源线电压最大值Vl为线电压有效值，Vs为相电压有效值 当当909090时，时， V VD D为负值。为负值。aapaapaapwpawawcos34.2cos63cos35.1cos23cos955.0cos33/160 11SSlllmlmttabDVVVVVVtdvV整流电压整流电压 D D中除支流平均值中除支流平均值V VD D外，还含有外，还含有6K6K次谐波电压（次谐波电压（K=1K=1，2 2，3 3) )v整流电压平均值整流电压平均值 电力电子技术基础交流直

49、流变换器（2 2）输出电压）输出电压vD的脉动频率是电源频的脉动频率是电源频率的率的6倍，最低次谐波为倍，最低次谐波为6次谐波。次谐波。（3 3）交流电源电流的波形：幅值为）交流电源电流的波形：幅值为ID，宽度为宽度为120的交流方波，除基波外，的交流方波，除基波外，还含有还含有6k1等次谐波。等次谐波。（4 4）电源基波功率因数：）电源基波功率因数： 超前方超前方波电流的起点波电流的起点30就是基波电流的就是基波电流的起点，起点，相电流基波的起点比相电相电流基波的起点比相电压滞后压滞后。电源基波功率因数也是。电源基波功率因数也是cos1cos。电力电子技术基础交流直流变换器4.4.反电势、电

50、阻、电感负载时三相桥式全控整流特性反电势、电阻、电感负载时三相桥式全控整流特性q三相桥式相控整流电路接反电势、电阻、三相桥式相控整流电路接反电势、电阻、电感负载且负载电流连续时，与电感电电感负载且负载电流连续时，与电感电阻性负载时工作情况相似；电路各电压、阻性负载时工作情况相似；电路各电压、电流波形相同，仅负载电流直流平均值电流波形相同，仅负载电流直流平均值I ID D为为: : REVIDD电力电子技术基础交流直流变换器（2）对触发脉冲的要求：）对触发脉冲的要求：按按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差的顺序，相位依次差60 。共阴极共阴极组组VT1、VT3、VT

51、5的脉冲依次差的脉冲依次差120 ，共阳极，共阳极组组VT4、VT6、VT2也依次差也依次差120 。同一相的上下两个桥臂同一相的上下两个桥臂，即，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差脉冲相差180 。 三相桥式全控整流电路的特点特点（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。电力电子技术基础交流直流变换器（3）ud一周期脉动一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该次，每次脉动的波形都一样，故该电路为电路为6脉波整流电路。脉波整流电路。（4）需保证同时导通的）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是可采用

52、两种方法：一种是宽脉冲宽脉冲触发触发 一种是一种是双脉冲双脉冲触发（常用）触发（常用） (5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。承受最大正、反向电压的关系也相同。 三相桥式全控整流电路的特点特点电力电子技术基础交流直流变换器3.5.2 三相桥式半控整流电路三相桥式半控整流电路q 3 3个晶闸管触发脉冲互差个晶闸管触发脉冲互差120120，类似三相半波相控整流：电流连类似三相半波相控整流：电流连续时续时vPo平均值平均值q 3 3个二极管相当于三相半波不控个二极管相当于三相半波不控整流或整流或0时的相控整流

53、：时的相控整流： vNo的平均值为的平均值为 q 整流电压平均值整流电压平均值V VD D ： v vPNPN 应是共应是共阴极的三相半波相控整流输出电阴极的三相半波相控整流输出电压压v vPoPo和共阳极的三相半波不控和共阳极的三相半波不控整流电压整流电压v vNoNo 之和。之和。apcos263SPOVVSONNOVVVp2632cos163apSNOPOPNDVVVVV电力电子技术基础交流直流变换器讨论：讨论： 0 0时，时， V VD D 最大；最大；00时，时，V VD D为正值；为正值；180 180 时，时，V VD D 最大；最大； V VD D00（不可能为负值）（不可能为

54、负值）的移相控制范围为的移相控制范围为0 0180180输出电压输出电压不可能为负值不可能为负值2cos163apSNOPOPNDVVVVV电力电子技术基础交流直流变换器ik=ib是逐渐增大的， 而ia=Id-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断,换流过程结束。3.6 交流电路电感对整流特性的影响交流电路电感对整流特性的影响考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感该漏感可用一个集中的电感LB表示。表示。现以三相半波为例，然后将其结论推广。现以三相半波为例，然后将其结论推广。VT1换相至VT2的过程：因

55、a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变。于是VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流ik。 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形udidwtOwtOiciaibiciaIduaubuca电力电子技术基础交流直流变换器换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度换相过程持续的时间，用电角度表示。表示。换相过程中，整流电压换相过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。应的两个相电压的平均值。换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。2ddddbakBbkBaduutiLutiLuu dB0B

56、6565B6565Bbb6565dbd23d23)(ddd23)(d)dd(23)(d)(3/21IXiLttiLttiLuutuuUIpwpwpwpwppapapapapapadkkk 电力电子技术基础交流直流变换器换相重叠换相重叠角角的计算的计算B2Bab2)65sin(62)(ddLtULuutipwk由上式得：)65sin(26ddB2pwwtXUtik进而得出：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2pwawpwwpatXUttXUitk 电力电子技术基础交流直流变换器由上述推导过程，已经求得：由上述推导过程，已经求得：)65cos(cos26)(d)65sin(

57、26B265B2pwawpwwpatXUttXUitk 当 时， ，于是65pawtdkIi 随其它参数变化的规律： （1） Id越大则 越大； （2） XB越大 越大； （3） 当a a90 时，a a 越小 越大。)cos(cos26B2daaXUI 2dB62)cos(cosUIXaa 电力电子技术基础交流直流变换器 变压器漏抗对各种整流电路的影响 dUdBIXpdB2IXpdB23IXpdB3IXpdB2ImXp)cos(cosaa2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22Bd电路形式单相全波单相全控桥三相半波三相全控桥m脉波整流电路 各种整流电

58、路换相压降和换相重叠角的计算23U23U注：单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用； 三相桥等效为相电压等于 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按 代入。23U23U电力电子技术基础交流直流变换器变压器漏感对整流电路影响的一些结论:出现换相重叠角 ，整流输出电压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多。晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。 有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。电力电子技术基础交流直流变换器 电压波形畸

59、变及影响电压波形畸变及影响q 在换相重叠期中，在换相重叠期中，a、b两相处于经电感两相处于经电感2LS短接状态，短接状态，使整流电路的输入电压波形畸变（有短时的突降和突使整流电路的输入电压波形畸变（有短时的突降和突升毛刺），同时也影响晶闸管截止时端电压波形。升毛刺），同时也影响晶闸管截止时端电压波形。q 这种波形畸变有可能对自身的控制电路以及其它设备这种波形畸变有可能对自身的控制电路以及其它设备的正常工作产生不良的影响，因此，实际的整流电源的正常工作产生不良的影响，因此，实际的整流电源装置的输入端有时加滤波器消除这种畸变波形的影响。装置的输入端有时加滤波器消除这种畸变波形的影响。 电力电子技术

60、基础交流直流变换器3.7 有源逆变及有源功率因数校正有源逆变及有源功率因数校正3.7.1 有源逆变有源逆变3.7.2 有源功率因数校正控制策略有源功率因数校正控制策略电力电子技术基础交流直流变换器3.7.1 有源有源逆变逆变1) 什么是逆变？为什么要逆变？逆变（Invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路交流侧和电网连结。 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，将在下章介绍。对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只