AC-DC变换器(整流和有源逆变电路)2

AC-DC变换器(整流和有源逆变电路)2第一页，共90页。第5章AC－DC变换器

12345相控有源逆变电路

PWM整流电路

同步整流电路

6概述

不控整流电路

相控整流电路基本内容第二页，共90页。5.3相控整流电路

开关管导通位置完全有外电路决定，而器件自身不能对输出电压平均值加以调整。可控整流电路第三页，共90页。若将不控整流电路中的整流二极管换成晶闸管或GTR等可控器件，则整流电路就成为可控整流电路。其中以晶闸管为整流器件的相控整流电路是经典的可控整流电路，该整流电路有多种形式，其负载有电阻负载、阻感负载和反电势负载等，负载的性质不同，晶闸管整流电路的工作情况也不一样，但它们都基于一个工作原理——移相控制技术。

5.3相控整流电路

第四页，共90页。单相半波相控整流电路

5.3.1移相控制技术

为便于分析，可将SCR作为理想开关元件，即导通时管压降为零，关断漏电流为零，且导通与关断为瞬时完成的第五页，共90页。

5.3.1移相控制技术

第六页，共90页。几个概念的解释：ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流

采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路

ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路

5.3.1移相控制技术

第七页，共90页。几个重要的基本概念：触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用α表示,也称触发角或控制角，晶闸管整流电路是通过控制触发脉冲的起始相位对输出电压大小进行控制，故称之为相控电路。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ(=π-α)表示

5.3.1移相控制技术

第八页，共90页。几个重要的基本概念：移相：改变触发脉冲出现的时刻，即改变触发角的大小称为移相。并且这种改变触发角的大小可使整流平均电压发生变化的控制方式称为移相控制。移相范围：改变触发角α使得整流输出电压的平均值从最大值降到零，此时，α角对应的范围称为移相范围。

5.3.1移相控制技术

第九页，共90页。几个重要的基本概念：同步：使触发脉冲与相控整流电路的电源电压之间保持频率和相位的协调关系称为同步。换流：在相控整流电路中，由一路晶闸管导通变换为另一路晶闸管导通的过程称为换流，也称换相（communication）。

5.3.1移相控制技术

第十页，共90页。基本数量关系直流输出电压平均值为

Ud是α的函数，α=0，Ud=0.45U2，α=180o时，Ud=0，因此，α的移相范围为180o或者表示为0～180o。

5.3.1移相控制技术

第十一页，共90页。2.单相全波可控整流电路

5.3.1移相控制技术

第十二页，共90页。克服了直流磁化现象电压的脉动频率增加

5.3.1移相控制技术

第十三页，共90页。3.单相桥式相控整流电路1）带电阻负载工作

5.3.1移相控制技术

第十四页，共90页。

5.3.1移相控制技术

3.单相桥式相控整流电路1）带电阻负载工作第十五页，共90页。由以上分析可知，在交流电源u2的正负半周内，VT1、VT4和VT2、VT3两组SCR轮流触发导通，将交流电转变为脉动的直流电。改变触发时刻即改变输出电压电流波形。直流平均值也相应改变。SCR承受的最大反向电压为假定两晶闸管漏电阻相等，则每个元件承受的最大正向电压等于变压器二次侧电流波形正负半周方向相反，波形对称，平均值为0，则直流分量为0。不存在变压器直流磁化。5.3.1移相控制技术

第十六页，共90页。数量关系α角的移相范围为180。

5.3.1移相控制技术

第十七页，共90页。数量关系

5.3.1移相控制技术

第十八页，共90页。2）带阻感负载的工作情况

工作原理及波形分析（ωL>>R）为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。

5.3.1移相控制技术

第十九页，共90页。数量关系

晶闸管移相范围为90。变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由α角决定，有效值：

晶闸管承受的最大正反向电压均为

5.3.1移相控制技术

第二十页，共90页。3）带反电动势负载时的工作情况

实际中有些负载可看作是直流电源，比如被充电的蓄电池，正在运行的直流电动机的电枢（忽略电枢电感）。这类负载在可控整流电路中是反电势负载，其等效电路用电势E和内阻R表示。在|u2|>E

时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能

5.3.1移相控制技术

第二十一页，共90页。SCR导通期间，输出整流电压ud=E+idR，在SCR关断期间，负载端电压保持为E。电流出现断流，当|u2|降至E，id即降至0，SCR关断。即晶闸管提前了δ停止导电，δ称为停止导电角。

5.3.1移相控制技术

第二十二页，共90页。在α角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。若α<δ则晶闸管需要延迟导通，要求触发脉冲要有足够的宽度

5.3.1移相控制技术

第二十三页，共90页。上图id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。与此对应，若id波形不出现为0的情况，称为电流连续。当负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软(平均电流与电流波形的面积成比例，为了增大平均电流必须较多地降低反电动势)

5.3.1移相控制技术

第二十四页，共90页。一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。这时只要L足够大，可实现电流连续。ud和id的波形与大电感负载电流连续时的波形相同。最小连续电流和最小电感量？

5.3.1移相控制技术

第二十五页，共90页。最小连续电流和最小电感量在给定电感量L的情况下，可连续的最小平均电流：在给定连续均电流，求最小电感α=90o时电感最大：

5.3.1移相控制技术

第二十六页，共90页。5.3.2三相半波相控整流电路第二十七页，共90页。1电阻负载工作情况

如何确定自然换相点，即α=0的时刻？二极管不控整流时的波形同一整流电路各晶闸管的触发角相同5.3.2三相半波相控整流电路第二十八页，共90页。1电阻负载工作情况自然换相点：假设将电路中的晶闸管换作二极管，二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a

=0电阻负载时，阳极电压最高者开通5.3.2三相半波相控整流电路第二十九页，共90页。a=0时的工作波形变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量

晶闸管应能承受的峰值电压：5.3.2三相半波相控整流电路第三十页，共90页。a=30时的工作波形5.3.2三相半波相控整流电路第三十一页，共90页。5.3.2三相半波相控整流电路第三十二页，共90页。a>30（a

＝60）的情况负载电流断续，晶闸管导通角小于120α=30º为电流连续的临界状态5.3.2三相半波相控整流电路第三十三页，共90页。SCR承受正向电压最大值为相电压峰值SCR承受反向电压最大值为线电压峰值5.3.2三相半波相控整流电路第三十四页，共90页。整流电压平均值的计算（1）a≤30时，负载电流连续，有（2）a>30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：5.3.2三相半波相控整流电路第三十五页，共90页。整流电压平均值的计算（1）a≤30时，负载电流连续，有（2）a>30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：电阻负载时，移相范围为150o5.3.2三相半波相控整流电路第三十六页，共90页。晶闸管平均电流为晶闸管电流有效值IVT和变压器副方绕组电流有效值I2：5.3.2三相半波相控整流电路第三十七页，共90页。2.阻感负载特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直a≤30时：整流电压波形与电阻负载时相同a>30时（如a=60时的波形）5.3.2三相半波相控整流电路第三十八页，共90页。a=30时的工作波形5.3.2三相半波相控整流电路第三十九页，共90页。a=60时的工作波形5.3.2三相半波相控整流电路第四十页，共90页。晶闸管相控整流电路上次课主要内容回顾第四十一页，共90页。晶闸管相控整流电路上次课主要内容回顾第四十二页，共90页。数量关系若负载中电感足够大，负载电流连续，则：负载电流的平均值晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值晶闸管电流的有效值5.3.2三相半波相控整流电路第四十三页，共90页。Ud/U2随a变化的规律如下图中的曲线1所示。纯电阻负载电感足够大阻感负载移相范围0~90o5.3.2三相半波相控整流电路第四十四页，共90页。三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少5.3.2三相半波相控整流电路第四十五页，共90页。5.3.2三相半波相控整流电路当负载为蓄电池、直流电动机的电枢时，负载可看成是一个直流电压源，对于整流电路而言，它们就是反电动势负载。设反电动势为E，若在α＜δ时触发晶闸管VT1，由于此时ua＜E，VT1承受反压不能导通。而在α＞ωt1时，由于ua＜E，VT1承受反压而关断，此时VT2尚未导通，id=0，而ud=E。3)三相半波共阴极相控整流电路带反电动势负载第四十六页，共90页。5.3.2三相半波相控整流电路在α角相同时，该电路整流输出电压平均值比带电阻负载时大。若电路带有足够大的电感时负载电流id连续，其负载电压ud波形连续，与带大电感负载时的负载电压ud波形相同。波形近似为水平直线，但幅值即整流输出电流的平均值为第四十七页，共90页。4、共阳极接法α=0，自然换流点5.3.2三相半波相控整流电路第四十八页，共90页。5.3.2三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路晶闸管元件少，只需三套触发装置，控制比较容易，但缺点也很明显：1）变压器每相绕组只有1/3周期流过电流，变压器利用率低；第四十九页，共90页。5.3.2三相半波相控整流电路2）变压器二次侧的电流为单方向，易造成变压器铁心直流磁化。而且在三铁心变压器中，三相直流励磁方向相同，磁通互相抵制，在铁芯中无法形成通路，只能从空气隙或外壳中通过，产生较大的漏磁通，引起附加损耗。若不用整流变压器，将三相半波相控整流电路直接接入电网，直流分量会流入电网，除引起电网额外损耗外，还会增大零线电流，则必须加大零线截面积。因此三相半波可控整流电路一般用于中、小容量设备。第五十页，共90页。5.3.3三相桥式相控整流电路VT1，VT3，VT5组成共阴极组，VT4，VT6，VT2组成共阳极组。第五十一页，共90页。1.带电阻负载时的工作情况a=0时的情况因负载得电，至少应同时在共阳极和共阴极组各有一个SCR导通。因此，在触发当前SCR时，其前紧邻序号SCR依然有有效触发脉冲。①②③④⑤⑥5.3.3三相桥式相控整流电路第五十二页，共90页。1.带电阻负载时的工作情况a=0时的情况对三相桥式相控整流电路，为保证序号相邻的两个晶闸管同时有有效触发信号，触发时通常采用两种方法：一种是宽脉冲触发，即触发脉冲宽度大于60o，且小于120o；另一种是双脉冲触发，即用两个窄脉冲代替宽脉冲。①②③④⑤⑥5.3.3三相桥式相控整流电路第五十三页，共90页。1.带电阻负载时的工作情况a=0时的情况5.3.3三相桥式相控整流电路第五十四页，共90页。1.带电阻负载时的工作情况a=0时的情况5.3.3三相桥式相控整流电路第五十五页，共90页。从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，ud1为相电压的正包络线，共阳极组导通时，ud2为相电压的负包络线，ud=ud1-ud2是两者的差值，为线电压在正半周的包络线直接从线电压波形看，

ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线5.3.3三相桥式相控整流电路第五十六页，共90页。三相桥式相控整流电路的特点1）任何时刻，必须有共阴极组和共阳极组各一个晶闸管同时通才有通路，且不能为同相2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差1805.3.3三相桥式相控整流电路第五十七页，共90页。三相桥式相控整流电路的特点3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发；另一种是双脉冲触发（常用）5）α=0º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。晶闸管一周期导通120º。5.3.3三相桥式相控整流电路第五十八页，共90页。三相桥式相控整流电路的特点6）与三相半波可控整流电路相比：克服了其直流磁化问题相同U2时，SCR耐压相同，但可输出的Ud比三相半波高5.3.3三相桥式相控整流电路第五十九页，共90页。a=30时工作情况5.3.3三相桥式相控整流电路第六十页，共90页。a=60时工作情况5.3.3三相桥式相控整流电路第六十一页，共90页。当a>60时，如a=90时的工作情况5.3.3三相桥式相控整流电路第六十二页，共90页。当a>60时，如a=90时的工作情况5.3.3三相桥式相控整流电路第六十三页，共90页。整流电压平均值：a≤60时a>60时：输出电流平均值为：Id=Ud/R5.3.3三相桥式相控整流电路第六十四页，共90页。小结当a≤60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续当a>60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值带电阻负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是120。α=120对应线电压过零点5.3.3三相桥式相控整流电路第六十五页，共90页。2．阻感负载时的工作情况a=0时5.3.3三相桥式相控整流电路第六十六页，共90页。a=30时5.3.3三相桥式相控整流电路第六十七页，共90页。α≦60º，电压电流波形连续，与带电阻负载时非常相似。a=60时5.3.3三相桥式相控整流电路第六十八页，共90页。2．阻感负载时的工作情况a=90时5.3.3三相桥式相控整流电路第六十九页，共90页。2．阻感负载时的工作情况a=90时5.3.3三相桥式相控整流电路第七十页，共90页。整流电压平均值输出电流平均值为：Id=Ud/R变压器二次侧电流有效值：负载电流为直线时，电感感应电动势？5.3.3三相桥式相控整流电路第七十一页，共90页。单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，为了对每个导电回路进行控制，只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路。5.3.4桥式半控整流电路第七十二页，共90页。单相桥式半控整流电路在电阻负载时与单相桥式全控整流电路的工作情况基本相同。单相桥式半控整流电路在阻感负载时，波形有所不同5.3.4桥式半控整流电路第七十三页，共90页。5.3.4桥式半控整流电路假设电感足够大第七十四页，共90页。5.3.4桥式半控整流电路假设电感足够大缺失失控现象由于下一触发脉冲的消失使得当前晶闸管无法关断第七十五页，共90页。5.3.4桥式半控整流电路单相半控桥带阻感负载、有续流二极管的情况第七十六页，共90页。5.3.4桥式半控整流电路续流二极管的作用有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗第七十七页，共90页。单相桥式半控整流电路的另一种接法这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现5.3.4桥式半控整流电路第七十八页，共90页。5.3.4桥式半控整流电路基本数量关系：不会出现负值第七十九页，共90页。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LB表示换相重叠角γ表示5.3.5变压器漏感对整流电路的影响第八十页，共90页。显然，实际电压比理想情况低5.3.5变压器漏感对整流电路的影响第八十一页，共90页。