第5章AC-DC變換器(整流和有源逆變電路)

1、第5章 AC-DC變換器（整流和有源逆變）第5 AC-DC變換器（整流和有源逆變）引言整流電路的分類整流電路的分類： 按組成的器件可分為不可控不可控、半控半控、全控全控三種。 按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路橋式電路和零式電路零式電路。 按交流輸入相數(shù)分為單相電路單相電路和多相電路多相電路。按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路單拍電路和雙拍電路雙拍電路。整流電路整流電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姟?.1 不可控整流電路*注：加注：加*表示了解，大家自己看，課上不講。表示了解，大家自己看，課上不講。 利用電力二極管的單相導(dǎo)電性可以十分簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)交流直流電力變換。 由于二

2、極管整流電路輸出的直流電壓只與交流輸入電壓的大小有關(guān)，不能控制其數(shù)值，故稱為不控整流電路。5.1 不控整流電路t0223二極管導(dǎo)通情況VD1導(dǎo)通VD1截止VD1導(dǎo)通負(fù)載電壓udu20u2負(fù)載電流idu2/R0u2/R二極管端電壓uVD10u20負(fù)載電壓平均值Ud 電源變壓器副邊電壓有效值為U202245. 0)(dsin221UttU5.1.1 單相不控整流電路圖5-1 單相半波整流電路帶電阻性負(fù)載電路及波形 表5-1 單相半波不控整流電路電阻負(fù)載時(shí)各區(qū)間工作情況圖5-1不帶續(xù)流二極管的單相半波整流電路帶阻感負(fù)載電路及波形 t0t1t12二極管導(dǎo)通情況VD1導(dǎo)通VD1導(dǎo)通 VD1截止負(fù)載電壓u

3、du2u20負(fù)載電流id有有0二極管端電壓uVD100u25.1.1 單相不控整流電路表5-2 單相半波不控整流電路阻感負(fù)載時(shí)各區(qū)間各區(qū)間工作情況圖5-1帶續(xù)流二極管的單相半波整流電路帶阻感負(fù)載電路及帶大電感負(fù)載電流波形波形 t02二極管導(dǎo)通情況VD1導(dǎo)通、VD2截止VD1截止、VD2導(dǎo)通負(fù)載電壓udu20負(fù)載電流id穩(wěn)定直流整流二極管電流iVD1方波電流0續(xù)流二極管電流iVD20方波電流整流二極管端電壓uVD10u2續(xù)流二極管端電壓uVD2-|u2|05.1.1 單相不控整流電路表5-3 單相半波不控整流電路大電感負(fù)載帶續(xù)流二極管時(shí)各區(qū)間工作情況除阻感負(fù)載不帶續(xù)流二極管電路之外，半波整流負(fù)載

4、電壓僅為交流電源的正半周電壓，從而使交流電源利用率偏低，且輸出脈動(dòng)大，因此使用范圍較窄。 若能經(jīng)過(guò)變換將交流電源的負(fù)半周電壓也得到利用，即獲得圖5-2a中的負(fù)載電壓波形，則負(fù)載電壓平均值Ud可提高1倍，從而使交流電源利用率成倍提高。 采用單相全波整流電路單相全波整流電路 5.1.1 單相不控整流電路圖5-1（e）單相半波整流電路帶電阻性負(fù)載電路及波形 圖5-2a 單相全波整流電路負(fù)載電壓波形 單相全波整流電路圖5-2 單相全波整流電路及工作波形a)單相全波整流電路負(fù)載電壓波形 b)單相全波整流電路 c)交流輸入正半周整流電路工作圖 d)交流輸入負(fù)半周整流電路工作圖 5.1.1 單相不控整流電路

5、t02二極管導(dǎo)通情況VD1導(dǎo)通、VD2截止VD2導(dǎo)通、VD1截止ud|u2|u2|uVD1和uVD2uVD1=0，uVD2= -2|u2|uVD1= -2|u2|，uVD2=0負(fù)載電壓平均值Ud0229 . 0)(dsin21UttU5.1.1 單相不控整流電路表5-4 單相全波整流電路各區(qū)間工作情況圖5-2（b） 單相全波整流電路圖5-3(a) 單相橋式整流電路圖5-2 (b)單相全波整流電路 5.1.1 單相不控整流電路222U單相全波整流電路必須要有一個(gè)帶中心抽頭的變壓器，且二極管承受的最高電壓為 。為獲得全波整流電路的負(fù)載電壓波形，并克服全波整流電路的缺點(diǎn)，可采用橋式整流電路圖5-3

6、a)單相橋式整流電路 b)交流輸入正半周單相橋式整流電路工作圖 c)交流輸入負(fù)半周單相橋式整流電路工作圖 5.1.1 單相不控整流電路t02二極管導(dǎo)通情況VD1和VD4導(dǎo)通、VD2和VD3截止VD2和VD3導(dǎo)通、VD1和VD4截止ud|u2|u2|uVDuVD1,4=0， uVD2,3= -|u2|uVD3=0， uVD1,4= -|u2|Ud0229 . 0)(dsin21UttU5.1.1 單相不控整流電路表5-5 單相橋式整流電路各區(qū)間工作情況 圖5-3(a) 單相橋式整流電路 在單相輸入的AC-DC整流電路中，單相橋式整流電路應(yīng)用極為廣泛。 半波整流電路交流電源電流是單方向的，電源變壓

7、器存在直流磁化現(xiàn)象，是半波整流電路的應(yīng)用不廣泛的主要原因之一。 而橋式和全波電路電源電流雙向流動(dòng)，使交流電源得到充分利用，也不存在電源變壓器直流磁化現(xiàn)象。5.1.1 單相不控整流電路 單相交流整流電路的功率通常限制在數(shù)個(gè)kW以下，因此要求更大功率直流電源的設(shè)備就需要利用三相交流電源和三相整流電路，其中應(yīng)用最廣泛的是三相橋式整流電路。 由于三相橋式整流電路多用于中、大功率場(chǎng)合，因此很少采用單個(gè)二極管進(jìn)行組合，而多采用三相整流模塊，如圖5-4a所示。圖5-4 三相橋式整流電路和整流模塊 5.2.2 三相不控整流電路三相不控整流電路 5.1.1 單相不控整流電路共陰極組的3個(gè)二極管中陽(yáng)極所接交流電壓

8、瞬時(shí)值最高的一個(gè)二極管導(dǎo)通共陽(yáng)極組的3個(gè)二極管中陰極所接交流電壓瞬時(shí)值最低的一個(gè)二極管導(dǎo)通即任意時(shí)刻共陽(yáng)極組和共陰極組中各有1個(gè)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。圖5-4 三相橋式整流電路和負(fù)載電壓波形 5.1.2 三相不控整流電路 時(shí)時(shí) 段段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的二極管VD1VD1VD3VD3VD5VD5共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的二極管VD6VD2VD2VD4VD4VD6整流輸出電壓uduabuacubcubaucaucb整流電壓平均值Ud2323234. 2)(dsin2331UttU表5-6 三相橋式整流電路各區(qū)間工作情況 5.1.2 三相不控整流電路 將負(fù)載電壓ud波形中的一個(gè)周期分成6段，每

9、段60，每段導(dǎo)通的二極管及輸出整流電壓的情況如表5-6所示。 交流電經(jīng)過(guò)二極管整流后多為方向單一的直流電，但是大小還是處在不斷地變化之中。這種脈動(dòng)直流一般不能直接給裝置供電。要把脈動(dòng)直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番“填平取齊”的工作，這便是濾波。 濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓或電流中的波動(dòng)成分盡可能地減小，使其輸出接近恒定值的直流電。 常用的濾波電路有電容濾波電路、電感濾波電路和復(fù)式濾波電路。 5.2.3 整流濾波電路整流濾波電路 5.1.2 三相不控整流電路 5.1.3 整流濾波電路 1電容濾波電路電容濾波電路將電容作為儲(chǔ)能元件,利用了電容兩端電壓不能突變的特點(diǎn)。目前大量普及的微機(jī)

10、、電視機(jī)等家電產(chǎn)品中所采用的開(kāi)關(guān)電源中，通常都是在單相橋式不控整流橋后面并聯(lián)一個(gè)較大容值的濾波電容以平滑其輸出直流電壓，如圖5-5a所示。圖5-5（a） 電容濾波的單相橋式不可控整流電路 5.1.3 整流濾波電路 2電感濾波電路電感濾波電路*電容濾波電路利用了電容兩端電壓不能突變的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電壓平滑。電感濾波電路則是利用流進(jìn)電感中的電流不能突變的特點(diǎn)，使輸出電流平滑。電感有電流平波作用。電感濾波電路及對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流波形如圖5-6所示。圖5-6 電感濾波的單相橋式不可控整流電路及工作波形注：加注：加*表示了解，大家自己看，課上不講。表示了解，大家自己看，課上不講。 5.1.3 整流濾波電路 對(duì)

11、于負(fù)載而言，采用大電容濾波的整流電路相當(dāng)于直流電壓源，而采用大電感濾波的整流電路相當(dāng)于直流電流源。注：加注：加*表示了解，大家自己看，課上不講。表示了解，大家自己看，課上不講。 5.1.3 整流濾波電路 3復(fù)式濾波電路復(fù)式濾波電路*復(fù)式濾波器的組成。圖5-7所示是由電感與電容組成的2階LC濾波器，其濾波效果比單一電容所構(gòu)成的一階濾波器的濾波效果有顯著提高 ，適用于負(fù)載電流較大、要求紋波很小的場(chǎng)合。但是由于電感體積和重量相對(duì)較大（高頻時(shí)可減?。?，成本也較高，一般情況下使用得不多。圖5-7 電感和電容組成的復(fù)式濾波的單相橋式不可控整流電路及工作波形注：加注：加*表示了解，大家自己看，課上不講。表

12、示了解，大家自己看，課上不講。 5.1.3 整流濾波電路 在上述3種形式的濾波電路中，電容濾波電路的應(yīng)用相對(duì)較多 。 注意注意：在電容濾波電路中，當(dāng)電路接入電網(wǎng)時(shí)瞬間，電容的充電過(guò)程會(huì)導(dǎo)致電流浪涌，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要考慮整流橋的抗浪涌能力。 也可采用圖5-8所示的抗浪涌電路，也稱作軟起電路。圖5-8 單相橋式不可控整流電路的抗浪涌電路注：加注：加*表示了解，大家自己看，課上不講。表示了解，大家自己看，課上不講。 5.2.4 倍壓、倍流不控整流電路倍壓、倍流不控整流電路 1倍壓不控整流電路 世界各國(guó)的市電電壓（單相電壓）并不完全一樣，有的單相電壓有效值為110V，有的為220V（或230V），如

13、我國(guó)的市電電壓標(biāo)準(zhǔn)為220V。為適應(yīng)兩種不同交流電壓如110V和220V的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)兩種輸入電源的轉(zhuǎn)換，可采用圖5-9所示的倍壓整流技術(shù)。 圖5-9 倍壓不可控整流電路 5.1.4 倍壓、倍流不控整流電路* 注：加注：加*表示了解，大家自己看，課上不講。表示了解，大家自己看，課上不講。兩種輸入交流電壓的轉(zhuǎn)換由開(kāi)關(guān)S來(lái)完成。當(dāng)輸入220V交流電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，此時(shí)，由二極管VD1VD4組成的全橋整流電路對(duì)220V交流電壓進(jìn)行整流，若輸出濾波電容容量足夠大，則整流電路輸出負(fù)載兩端的直流電壓ud 。當(dāng)輸入電壓為110V交流電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)S閉合：在輸入交流電壓正半周，110V交流電壓通過(guò)VD1、C1進(jìn)

14、行半波整流，若輸出濾波電容C1容量足夠大，則C1上輸出的直流電壓ud1 ；2V2202V110 5.1.4 倍壓、倍流不控整流電路* 注：加注：加*表示了解，大家自己看，課上不講。表示了解，大家自己看，課上不講。而在輸入交流電壓負(fù)半周，110V交流電壓通過(guò)VD2、C2進(jìn)行半波整流，若輸出濾波電容C2容量足夠大，則C2上輸出的直流電壓 ud2 。顯然，在輸入電壓為110V交流電壓時(shí)，若開(kāi)關(guān)S閉合，此時(shí)整流電路輸出負(fù)載兩端的直流電壓應(yīng)為ud2+ud2 =ud 。S閉合時(shí)的電流被稱為二倍壓整流。還有多倍壓整流電路，其基本原理與二倍壓整流一樣。2V1102V220 5.1.4 倍壓、倍流不控整流電路*

15、 注：加注：加*表示了解，大家自己看，課上不講。表示了解，大家自己看，課上不講。 2倍流不控整流電路 出于電隔離和電壓匹配的需要，在DC/DC變換中常采用間接變換方案，即含有DC-AC-DC的直流變換電路。其輸出端整流電路屬于高頻整流電路，輸出為正負(fù)對(duì)稱的方波。 當(dāng)輸出為低壓大電流時(shí)，傳統(tǒng)的橋式整流電路中存在兩個(gè)二極管壓降，二極管的導(dǎo)通損耗會(huì)大大降低電路的效率；而全波整流電路雖然只需要2個(gè)二極管，損耗小，但變壓器二次側(cè)繞組有中心抽頭，給高頻變壓器的繞制帶來(lái)困難。 5.1.4 倍壓、倍流不控整流電路* 注：加注：加*表示了解，大家自己看，課上不講。表示了解，大家自己看，課上不講。倍流整流電路變壓

16、器二次側(cè)匝數(shù)與全波整流電路相等，比全橋電路多一倍，但不用中心抽頭，電路中只有兩個(gè)二極管，繞組中的電流iT只是輸出電流iL的一半。換句話說(shuō)，輸出電流iL是繞組電流iT的兩倍，這也是倍流整流電路得名的由來(lái)。圖5-10 倍流整流電路 5.1.4 倍壓、倍流不控整流電路* 注：加注：加*表示了解，大家自己看，課上不講。表示了解，大家自己看，課上不講。與全波整流電路相比，倍流整流電路中的整流二極管電壓定額不變，流過(guò)的電流數(shù)值少一半。雖然用了兩個(gè)濾波電感，但由于流過(guò)的電流只為負(fù)載電流的一半，故電感量可小一些，繞制電感的導(dǎo)線可細(xì)一些，因此電感體積縮小不少，兩個(gè)電感的體積和重量與全波整流電路的濾波電感差不多。

17、圖5-10 倍流整流電路 5.1.4 倍壓、倍流不控整流電路* 注：加注：加*表示了解，大家自己看，課上不講。表示了解，大家自己看，課上不講。t0t1段，電源電壓uT處于正半周，二極管VD1截止，VD2正偏導(dǎo)通，iL1由電源經(jīng)L1、VD2和負(fù)載R流過(guò)，為負(fù)載R提供能量，同時(shí)L1儲(chǔ)能，因此該段被稱為L(zhǎng)1儲(chǔ)能期。而L2經(jīng)VD2釋放能量給R，iL1和iL2流動(dòng)方向如圖c所示，iL=iL1+iL22iL1。c）圖5-10 倍流整流電路 5.1.4 倍壓、倍流不控整流電路* 注：加注：加*表示了解，大家自己看，表示了解，大家自己看，課上不講。課上不講。t2t3段，電源電壓uT處于負(fù)半周，二極管VD1正偏

18、導(dǎo)通，VD2截止，iL2由電源經(jīng)L2、VD1和負(fù)載R流過(guò)，為負(fù)載R提供能量，同時(shí)L2儲(chǔ)能，而L1經(jīng)VD1釋放能量給R，因此該段被稱為L(zhǎng)1放能期。iL1和iL2流動(dòng)方向如圖d所示，iL=iL1+iL22iL1。d）圖5-10 倍流整流電路 5.1.4 倍壓、倍流不控整流電路* 注：加注：加*表示了解，大家自己看，表示了解，大家自己看，課上不講。課上不講。t1t2段和t3t4，電源電壓uT=0，L1和L2分別通過(guò)VD1和VD2續(xù)流，為R提供能量，該段被稱為L(zhǎng)1L2放能區(qū)。iL1和iL2流動(dòng)方向如圖e所示，iL=iL1+iL22iL1。e）圖5-10 倍流整流電路 5.1.4 倍壓、倍流不控整流電路

19、* 注：加注：加*表示了解，大家自己看，表示了解，大家自己看，課上不講。課上不講。5.2 單相可控整流電路 若將不控整流電路中的整流二極管換成晶閘管或GTR等全控器件，則整流電路就成為可控整流電路。 其中以晶閘管為整流器件的相控整流電路是經(jīng)典的可控整流電路，該整流電路有多種形式，其負(fù)載有電阻負(fù)載、阻感負(fù)載和反電勢(shì)負(fù)載等，負(fù)載的性質(zhì)不同，晶閘管整流電路的工作情況也不一樣，但它們都基于一個(gè)工作原理移相控制技術(shù)。 5.3 相控整流電路相控整流電路 5.2 單相可控整流電路引言5.2.1 單相半波可控整流電路圖5-11 單相半波可控整流電路及波形1 1）帶電阻負(fù)載的工作情況）帶電阻負(fù)載的工作情況變壓器

20、T起變換電壓和電氣隔離的作用。電阻負(fù)載的特點(diǎn)電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同。tTVTR0a)u1u2uVTudidt12 tttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)5.2.1 單相半波可控整流電路 VT的a 移相范圍為180 通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式相控方式。 首先，引入兩個(gè)重要的基本概念：觸發(fā)延遲角觸發(fā)延遲角：從晶閘管開(kāi)始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用a表

21、示,也稱觸發(fā)角或控制角。導(dǎo)通角導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度，用表示 。基本數(shù)量關(guān)系基本數(shù)量關(guān)系直流輸出電壓平均值為aaa2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU(5-1)5.2.1 單相半波可控整流電路2) 帶阻感負(fù)載的工作情況帶阻感負(fù)載的工作情況 圖5-12 帶阻感負(fù)載的 單相半波電路及其波形阻感負(fù)載的特點(diǎn)阻感負(fù)載的特點(diǎn)：電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不發(fā)生突變。討論負(fù)載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導(dǎo)通角的關(guān)系。ttttu20t12 tug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +5.2.1 單相半波可控整流電路

22、對(duì)單相半波電路的分析可基于上述方法進(jìn)行：當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí)，相當(dāng)于電路在VT處斷開(kāi)，id=0。當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，相當(dāng)于VT短路。圖5-13 單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關(guān)斷狀態(tài) b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài) a)b)VTRLVTRLu2u2電力電子電路的一種基本分析方法通過(guò)器件的理想化，將電路簡(jiǎn)化為分段線性電路。器件的每種狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一種線性電路拓?fù)洹?.2.1 單相半波可控整流電路 當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，如下方程成立：VTb)RLu2b) VT處于導(dǎo)通狀態(tài)tURitiLsin2dd2dd（5-2）)sin()sin(tanjaqjajqe（5-4）初始條件：t= a ，id=0。求解式

23、（5-2）并將初始條件代入可得當(dāng)t=+a 時(shí)，id=0，代入式（5-3）并整理得 )sin(2)sin(22)(2djjaatZUeZUitLR（5-3）22)( LRZRLjarctan其中 ，5.2.1 單相半波可控整流電路續(xù)流二極管續(xù)流二極管u2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-a+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)圖5-14 單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形 當(dāng)u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零，VT承受反壓關(guān)斷。L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過(guò)程通常稱為續(xù)流續(xù)流。 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系(id近似恒為Id）ddVT2IIa（

24、5-5）d2dVT2)(21ItdIIaa（5-6）ddVDRIIa2（5-7）d22dVD2)(21RItdIIaa（5-8）5.2.1 單相半波可控整流電路 VT的a 移相范圍為180 。 簡(jiǎn)單，但輸出脈動(dòng)大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。 實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。 分析該電路的主要目的建立起整流電路的基本概念。 單相半波可控整流電路的特點(diǎn)單相半波可控整流電路的特點(diǎn)5.2.2 單相橋式全控整流電路1) 帶電阻負(fù)載的工作情況帶電阻負(fù)載的工作情況a)u (i )ttt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4圖5-15 單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形工作原

25、理及波形分析工作原理及波形分析VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷。VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷。電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)5.2.2 單相橋式全控整流電路 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系aaa2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU（5-9）a 角的移相范圍為180。向負(fù)載輸出的平均電流值為：流過(guò)晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：

26、2cos145.0212ddVTaRUII（5-11）2cos19 . 02cos12222ddaaRURURUI(5-10)ttt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,45.2.2 單相橋式全控整流電路流過(guò)晶閘管的電流有效值：變壓器二次測(cè)電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：由式（2-12）和式（2-13）得：不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量 S=U2I2。aaa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（5-12）aaa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（5-13）II21VT（5-14）ttt000i2udidb)c)d)dda

27、auVT1,45.2.2 單相橋式全控整流電路2）帶阻感負(fù)載的工作情況）帶阻感負(fù)載的工作情況 u2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4圖5-16 單相全控橋帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形 假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，晶閘管VT1和VT4并不關(guān)斷。至t=+a 時(shí)刻，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(guān)斷，流過(guò)VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過(guò)程稱換相換相，亦稱換流換流。5.2.2

28、 單相橋式全控整流電路 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系aaaacos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU（5-15）晶閘管移相范圍為90。晶閘管導(dǎo)通角與a無(wú)關(guān)，均為180。電流的平均值和有效值：變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。ddT21IIddT707. 021III晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。22U2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,45.2.2 單相橋式全控整流電路3） 帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況圖5-17 單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形

29、在|u2|E時(shí)，才有晶閘管承 受正電壓，有導(dǎo)通的可能。在a 角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。導(dǎo)通之后， ud=u2， ， 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶閘管關(guān)斷，此后ud=E 。REuidd與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電，稱為停止導(dǎo)電角，212sinUE（5-16）b)idOEudtIdOtaq5.2.2 單相橋式全控整流電路 當(dāng) 30 的情況（的情況（圖5-24 ） 特點(diǎn)：負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120 。b)c)d)e)f)u2uaubuca =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttta)R5.3.1 三相半波可控整流電路aa

30、aacos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU（5-18）當(dāng)a=0時(shí)，Ud最大，為 。2d0d17.1UUU222613 22sin()1 cos()0.6751 cos()22663UUtdtUUaaad(5-19)整流電壓平均值的計(jì)算整流電壓平均值的計(jì)算a30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有：a30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有：5.3.1 三相半波可控整流電路 Ud/U2隨a變化的規(guī)律如圖5-25中的曲線1所示。03060901201500.40.81.21.17321a/( )Ud/U2圖5-25 三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關(guān)系1電阻負(fù)載 2

31、電感負(fù)載 3電阻電感負(fù)載5.3.1 三相半波可控整流電路 負(fù)載電流平均值為 晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值，即晶閘管陽(yáng)極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即RUIdd（5-20）222RM45.2632UUUU（5-21）22UUFM（5-22）5.3.1 三相半波可控整流電路2）阻感負(fù)載）阻感負(fù)載圖5-26 三相半波可控整流電路，阻感負(fù)載時(shí)的電路及a =60時(shí)的波形特點(diǎn)：阻感負(fù)載，L值很大，id波形基本平直。a30時(shí)：整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同。a30時(shí)（如a=60時(shí)的波形如圖2-16所示）。u2過(guò)零時(shí)，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來(lái)，才換流，ud波形

32、中出現(xiàn)負(fù)的部分。id波形有一定的脈動(dòng)，但為簡(jiǎn)化分析及定量計(jì)算，可將id近似為一條水平線。阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為90。udiauaubucibiciduacOtOtOOtOOtatt5.3.1 三相半波可控整流電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系由于負(fù)載電流連續(xù)， Ud可由式（5-18）求出，即 當(dāng)a a00時(shí)，21.17cosUUadUd/U2與a a成余弦關(guān)系，如圖5-25中的曲線2所示。如果負(fù)載中的電感量不是很大，Ud/U2與a的關(guān)系將介于曲線1和2之間，曲線3給出了這種情況的一個(gè)例子。03060901201500.40.81.21.17321a/( )Ud/U2圖5-25 三相半波可控整流電路Ud/U2

33、隨a變化的關(guān)系1電阻負(fù)載 2電感負(fù)載 3電阻電感負(fù)載5.3.1 三相半波可控整流電路 變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為晶閘管的額定電流為晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值三相半波的主要缺點(diǎn)在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少。ddVT2577. 031IIII（5-23）dVTVT(AV)368. 057. 1III（5-24）2RMFM45. 2UUU（5-25）5.3.2 三相橋式全控整流電路三相橋是應(yīng)用最為廣泛的整流電路共陰極組共陰極組陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽(yáng)極組共陽(yáng)極組陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）

34、圖5-27 三相橋式全控整流電路原理圖導(dǎo)通順序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT65.3.2 三相橋式全控整流電路1）帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況）帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況當(dāng)a60 時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù) 波形圖： a =0 （圖528 ） a =30 （圖529） a =60 （圖530）當(dāng)a60 時(shí)，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值 波形圖： a =90 （ 圖531）帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是1205.3.2 三相橋式全控整流電路晶閘管及輸出整流電壓的情況如表57所示時(shí) 段IIIIIIIVVVI共陰極組

35、中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb5.3.2 三相橋式全控整流電路（2）對(duì)觸發(fā)脈沖的要求： 按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。 共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120。 同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與與VT4，VT3與與VT6，VT5與與VT2，脈沖相差180。 三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)特點(diǎn)（1）2管同

36、時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各1，且不能為同1相器件。5.3.2 三相橋式全控整流電路（3）ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖 可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā) 一種是雙脈沖觸發(fā)（常用） (5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。 三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)特點(diǎn)5.3.2 三相橋式全控整流電路2) 阻感負(fù)載時(shí)的工作情況阻感負(fù)載時(shí)的工作情況a a60 時(shí)時(shí)（a a =0 圖532；a a =30 圖533）ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似。 各晶閘管的通斷情

37、況 輸出整流電壓ud波形 晶閘管承受的電壓波形主要包括a a 60 時(shí)（時(shí)（ a =90圖534）阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同。 電阻負(fù)載時(shí)，ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。 阻感負(fù)載時(shí)，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的a a角移相范圍為90 。區(qū)別在于：得到的負(fù)載電流id波形不同。 當(dāng)電感足夠大的時(shí)候， id的波形可近似為一條水平線。5.3.2 三相橋式全控整流電路3) 定量分析定量分析當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載a a60 時(shí)）的平均值為： 帶電阻負(fù)載且a a 60時(shí)，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ：Id=Ud /Raaacos34

38、.2)(sin63123232dUttdUU（5-26）)3cos(134.2)(sin63232daaUttdUU（5-27）5.3.2 三相橋式全控整流電路 當(dāng)整流變壓器為圖5-27中所示采用星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形如圖5-33中所示，其有效值為：ddddIIIII816.03232)(3221222（5-28）晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時(shí)一致。接反電勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)，在負(fù)載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負(fù)載時(shí)相似，電路中各處電壓、電流波形均相同。僅在計(jì)算Id時(shí)有所不同，接反電勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)的Id為：REUIdd（5-29）式中R和E分別為負(fù)載中的電阻值和

39、反電動(dòng)勢(shì)的值。5.4 變壓器漏感對(duì)整流電路的影響 考慮包括變壓器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，該漏感可用一個(gè)集中的電感LB表示。 現(xiàn)以三相半波為例，然后將其結(jié)論推廣。ik=ib是逐漸增大的， 而ia=Id-ik是逐漸減小的。當(dāng)ik增大到等于Id時(shí)，ia=0，VT1關(guān)斷,換流過(guò)程結(jié)束。VT1換相至VT2的過(guò)程：因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik。圖5-35 考慮變壓器漏感時(shí)的三相半波可控整流電路及波形udidtOtOgiciaibiciaIduaubuca5.4 變壓器漏感對(duì)整流電路的影響 換相重疊角換相

40、重疊角換相過(guò)程持續(xù)的時(shí)間，用電角度g g表示。 換相過(guò)程中，整流電壓ud為同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)相電壓的平均值。換相壓降與不考慮變壓器漏感時(shí)相比，ud平均值降低的多少。2ddddbakBbkBaduutiLutiLuu（5-30）dB0B6565B6565Bbb6565dbd23d23)(ddd23)(d)dd(23)(d)(3/21IXiLttiLttiLuutuuUIgaagaagaadkkk（5-31）5.4 變壓器漏感對(duì)整流電路的影響 換相重疊角g g的計(jì)算B2Bab2)65sin(62)(ddLtULuutik由上式得：)65sin(26ddB2tXUtik進(jìn)而得出：)65

41、cos(cos26)(d)65sin(26B265B2aatXUttXUitk（5-32）（5-33）（5-34）5.4 變壓器漏感對(duì)整流電路的影響 由上述推導(dǎo)過(guò)程，已經(jīng)求得：)65cos(cos26)(d)65sin(26B265B2aatXUttXUitk 當(dāng) 時(shí)， ，于是65gatdkIig g 隨其它參數(shù)變化的規(guī)律： （1） Id越大則g g 越大； （2） XB越大g g 越大； （3） 當(dāng)a a90 時(shí)，a a 越小g g 越大。)cos(cos26B2dgaaXUI（5-35）2dB62)cos(cosUIXgaa（5-36）5.4 變壓器漏感對(duì)整流電路的影響 變壓器漏抗對(duì)各種整

42、流電路的影響變壓器漏抗對(duì)各種整流電路的影響 dUdBIXdB2IXdB23IXdB3IXdB2ImX)cos(cosgaa2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIsin22Bd電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路 表5-8 各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計(jì)算23U23U注：?jiǎn)蜗嗳貥螂娐分?，環(huán)流ik是從-Id變?yōu)镮d。本表所列通用公式不適用； 三相橋等效為相電壓等于 的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按 代入。23U23U5.4 變壓器漏感對(duì)整流電路的影響變壓器漏感對(duì)整流電路影響的一些結(jié)論變壓器漏感對(duì)整流電路影響的一些結(jié)論:出現(xiàn)換相重疊

43、角g g ，整流輸出電壓平均值Ud降低。整流電路的工作狀態(tài)增多。晶閘管的di/dt 減小，有利于晶閘管的安全開(kāi)通。 有時(shí)人為串入進(jìn)線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。換相時(shí)晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導(dǎo)通，為此必須加吸收電路。 換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。5.5 電容濾波的不可控整流電路5.5 電容濾波的不可控整流電路 在交直交變頻器、不間斷電源、開(kāi)關(guān)電源等應(yīng)用場(chǎng)合中，大量應(yīng)用。最常用的是單相橋和三相橋兩種接法。由于電路中的電力電子器件采用整流二極管，故也稱這類電路為二極管整流電路。5.5.1電容濾波的單相不可控整流電路常用于小功率單相交流輸入的場(chǎng)合，如目前大量

44、普及的微機(jī)、電視機(jī)等家電產(chǎn)品中。1） 工作原理及波形分析工作原理及波形分析圖5-36 電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形a) 電路 b) 波形基本工作過(guò)程基本工作過(guò)程：在u2正半周過(guò)零點(diǎn)至 t=0期間，因u2ud，故二極管均不導(dǎo)通，電容C向R放電，提供負(fù)載所需電流。至 t=0之后，u2將要超過(guò)ud，使得VD1和VD4開(kāi)通，ud=u2，交流電源向電容充電，同時(shí)向負(fù)載R供電。b)0iudq2ti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud至 之后，VD1和VD4關(guān)斷，電容開(kāi)始以指數(shù)規(guī)律放電。tq2) 主要的數(shù)量關(guān)系主要的數(shù)量關(guān)系 輸出電壓平均值輸出電壓平均值 電流

45、平均值電流平均值 輸出電流平均值IR為： IR = Ud /R Id =IR 二極管電流iD平均值為： ID = Id / 2=IR/ 2 二極管承受的電壓二極管承受的電壓 （5-47）（5-48）（5-49）22U空載時(shí)， 。重載時(shí)，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于接近電阻負(fù)載時(shí)的特性。在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C值，使 , 此時(shí)輸出電壓為： Ud1.2 U2。(T為交流電源的周期)2d2UU2/)53(TRC （5-46）5.5.1電容濾波的單相不可控整流電路5.5.1電容濾波的單相不可控整流電路 感容濾波的二極管整流電路感容濾波的二極管整流電路 實(shí)際應(yīng)用為此情況，但分析復(fù)雜。 ud

46、波形更平直，電流i2的上升段平緩了許多，這對(duì)于電路的工作是有利的。圖5-37 感容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形a） 電路圖 b）波形a)b)u2udi20qti2,u2,ud5.5.2電容濾波的三相不可控整流電路1） 基本原理基本原理某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒(méi)有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。圖5-38 電容濾波的三相橋式不可控整流電路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0qt3t5.5.2電容濾波的三相不可控整流電路32=+t)-32( - tRC1232=+t2t)(d32si

47、n6d)(d)+tsin(6 dqeUtU 電流id 斷續(xù)和連續(xù)的臨界條件臨界條件33RC在輕載時(shí)直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時(shí)是連續(xù)的，分界點(diǎn)就是R= / C。3由 “電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設(shè)在t 2/3的時(shí)刻“速度相等”恰好發(fā)生，則有圖5-39電容濾波的三相橋式整流電路當(dāng) RC等于和小于 時(shí)的電流波形 a） RC=b） RCEM b）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EM EG c）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路電路過(guò)程分析。兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)同極性相接時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢(shì)高的流向低的，回路電阻小，可在兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)間交換很大的功率。5.6.1 逆變的概念3) 逆變產(chǎn)生的條件逆變產(chǎn)生的條件單相全波

48、電路代替上述發(fā)電機(jī)圖5-42 單相全波電路的整流和逆變交流電網(wǎng)輸出電功率電動(dòng)機(jī)輸出電功率a)b)u10udu20u10aOOttIdidUdEMu10udu20u10OOttIdidUd /2，使Ud為負(fù)值。半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負(fù)值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動(dòng)勢(shì)，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。5.6.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)逆變和整流的區(qū)別逆變和整流的區(qū)別：控制角 a a 不同 0a a /2 時(shí)，電路工作在整流狀態(tài)。 /2 a a /2時(shí)的控制角用 a a = b b表示，b b 稱為逆變角逆變角。逆變角b b和控制角a

49、a的計(jì)量方向相反，其大小自b =0的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。 三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時(shí)的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖5-46所示。圖5-43 三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udtOtOb =4b =3b =6b =4b =3b =6t1t3t25.6.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)有源逆變狀態(tài)時(shí)各電量的計(jì)算：dMdUEIR輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式，即bbcos35. 1

50、cos34. 222UUUd（5-105）每個(gè)晶閘管導(dǎo)通2 /3，故流過(guò)晶閘管的電流有效值為：ddVTIII577. 03（5-106）從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為：dMddIEIRP2（5-107）當(dāng)逆變工作時(shí)，由于EM為負(fù)值，故Pd一般為負(fù)值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。（5-108）在三相橋式電路中，變壓器二次側(cè)線電流的有效值為：ddVTIIII816.032225.6.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)5.6.3 逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失敗逆變失?。孀冾嵏玻?逆變時(shí)，一旦換相失敗，外接直流電源就會(huì)通過(guò)晶閘管電路短路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動(dòng)勢(shì)變成順向串聯(lián)順向串聯(lián)，形成很大短路電流短路電流。觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時(shí)等，致使晶閘管不能正常換相。晶閘管發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通。交流電源缺相或突然消失。換相的裕量角不足，引起換相失敗。1) 逆變失敗的原因逆變失敗的原因5.6.3 逆變失敗與最小逆變角的限制換相重疊角的影響：圖5-44 交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響當(dāng)b g 時(shí)，換相結(jié)束時(shí)，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。如果b g 時(shí)（從圖5-44右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT2）會(huì)關(guān)斷，而應(yīng)關(guān)斷的