AC-DC變換器(整流和有源逆變電路)3

1、楊淑英合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院電 力 電 子 技 術(shù)Power Electronic Technology12345相控有源逆變電路相控有源逆變電路 PWM整流電路整流電路 同步整流電路同步整流電路 6概述概述 不控整流電路不控整流電路 相控整流電路相控整流電路基本內(nèi)容5.4 相控有源逆變電路相控有源逆變電路逆變（invertion）把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過程l實(shí)例：電力機(jī)車下坡行駛，機(jī)車的位能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，反送到交流電網(wǎng)中去l逆變電路把直流電逆變成交流電的電路l 根據(jù)逆變輸出交流電能去向的不同,逆變電路可以分為：有源逆變電路交流側(cè)和電網(wǎng)連接無源逆變變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，

2、而直接接到負(fù)載l 對(duì)于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。l 既可工作在整流狀態(tài)又可以工作在逆變狀態(tài)的電路，稱為變流電路變流電路（Converter)5.4 相控有源逆變電路相控有源逆變電路直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdR電動(dòng)回饋制動(dòng)反接制動(dòng)兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)（電源）同極性相連，電流總是從電動(dòng)勢(shì)高的流向電動(dòng)勢(shì)低的。電流大小決定于兩電動(dòng)勢(shì)之差和回路電阻。如果回路電阻很小，即使兩電動(dòng)勢(shì)差不大，也可以產(chǎn)生足夠大的電流，使兩電動(dòng)勢(shì)間交換功率。5.4.1 相控有源逆變?cè)砑皩?shí)

3、現(xiàn)條件相控有源逆變?cè)砑皩?shí)現(xiàn)條件 逆變產(chǎn)生的條件逆變產(chǎn)生的條件5.4.1 相控有源逆變?cè)砑皩?shí)現(xiàn)條件相控有源逆變?cè)砑皩?shí)現(xiàn)條件 逆變產(chǎn)生的條件逆變產(chǎn)生的條件晶閘管的單相導(dǎo)電性，使得電流不能反向如何實(shí)現(xiàn)能量回饋？如何實(shí)現(xiàn)能量回饋？為了實(shí)現(xiàn)逆變時(shí)的能量回饋，只能電壓Ud反向5.4.1 相控有源逆變?cè)砑皩?shí)現(xiàn)條件相控有源逆變?cè)砑皩?shí)現(xiàn)條件 逆變產(chǎn)生的條件逆變產(chǎn)生的條件為了實(shí)現(xiàn)逆變時(shí)的能量回饋，只能電壓Ud反向如果僅僅整流器電壓反向是否可行?為了防止電流過大，通常要求電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)的方向也反向|EM|略大于|Ud|5.4.1 相控有源逆變?cè)砑皩?shí)現(xiàn)條件相控有源逆變?cè)砑皩?shí)現(xiàn)條件逆變產(chǎn)生的條件逆變產(chǎn)生的條

4、件晶閘管陽極大部分位于電源負(fù)半周，如何導(dǎo)通？歸納逆變條件：歸納逆變條件：1）要有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于變流電路直流側(cè)的平均電壓；2）晶閘管的控制角/2，Ud為負(fù)怎樣才能得到-Ud5.4.1 相控有源逆變?cè)砑皩?shí)現(xiàn)條件相控有源逆變?cè)砑皩?shí)現(xiàn)條件5.4.1 相控有源逆變?cè)砑皩?shí)現(xiàn)條件相控有源逆變?cè)砑皩?shí)現(xiàn)條件逆變產(chǎn)生的條件逆變產(chǎn)生的條件歸納逆變條件：歸納逆變條件：1）要有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于變流電路直流側(cè)的平均電壓；2）晶閘管的控制角/2，Ud為負(fù)有續(xù)流二極管的單相半波整流電路和有續(xù)流二極管的單相半波整流電路和單相橋式半控電路，能否工作在有

5、源單相橋式半控電路，能否工作在有源逆變狀態(tài)？逆變狀態(tài)？5.4.2 三相半波整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相半波整流電路的有源逆變工作狀態(tài)0cosddUU三相半波整流電路：三相半波整流電路：1）Ud為負(fù)值22）需要一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)逆變角逆變角：0cosddUU 0cosddUU0cosddUU 5.4.2 三相半波整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相半波整流電路的有源逆變工作狀態(tài)120o60o靠電動(dòng)勢(shì)EM維持其導(dǎo)通0cosddUU0cosddUU 5.4.2 三相半波整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相半波整流電路的有源逆變工作狀態(tài)150o30o5.2.3 逆變失敗與最小逆變角逆變失敗與最小逆變角 逆變時(shí)若換相

6、失敗，使電路由逆變狀態(tài)進(jìn)入整流狀態(tài)，輸出電壓變成正值，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)，外接直流電源就會(huì)通過晶閘管電路短路，逆變失敗逆變失?。孀冾嵏玻?1. 逆變失敗的原因逆變失敗的原因 （1）觸發(fā)電路不能適時(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 （2）晶閘管發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通 （3）交流電源缺相或突然消失. （4）換相的裕量角不足，引起換相失敗5.2.3 逆變失敗與最小逆變角逆變失敗與最小逆變角逆變角再次減小5.2.3 逆變失敗與最小逆變角逆變失敗與最小逆變角最小逆變角的限制最小逆變角的限制5.2.3 逆變失敗與最小逆變角

7、逆變失敗與最小逆變角2. 確定最小逆變角確定最小逆變角min的依據(jù)的依據(jù) 逆變時(shí)允許采用的最小逆變角應(yīng)等于 min=+ :晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq折合的電角度，隨電流定額及是否快速型而不同。tq大的可達(dá)200300us，折算到電角度約45； ：換相重疊角，隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。可從整流電路中導(dǎo)出的公式求得：mUXIBdsin2)cos(cos25.2.3 逆變失敗與最小逆變角逆變失敗與最小逆變角2cos12sinI XUmdB5.2.3 逆變失敗與最小逆變角逆變失敗與最小逆變角mUXIBdsin2)cos(cos2Labc+-MudidEMLBLBLBVT1VT2VT3oudOOi

8、dttuaubucuaubpiVT1iVT2iVT3iVT1iVT2iVT3iVT1iVT3考慮到：若：安全余量，一般取10o2cos12sinI XUm dB4 5oo的最小值一般取30o-35o在設(shè)計(jì)逆變電路時(shí)，觸發(fā)電路必須確保不小于最小逆變角5.2.3 逆變失敗與最小逆變角逆變失敗與最小逆變角 5.5 PWM整流電路整流電路 前面以晶閘管為基礎(chǔ)的整流電路稱為相控整流電路，采用的移相控制技術(shù)。PWM整流電路顯然是以PWM為控制基礎(chǔ)的整流電路將逆變技術(shù)中的PWM應(yīng)用到整流電路中就構(gòu)成了PWM整流電路5.5.1 傳統(tǒng)整流電路存在的問題傳統(tǒng)整流電路存在的問題 由于交流電能大多數(shù)來自公共電網(wǎng)，因而

9、整流電路是公共電網(wǎng)與電力電子裝置的接口電路，其性能將影響電網(wǎng)的運(yùn)行和電能質(zhì)量。在傳傳統(tǒng)整流電路中，交流輸入電壓為正弦波，而輸入電流卻是非正弦波統(tǒng)整流電路中，交流輸入電壓為正弦波，而輸入電流卻是非正弦波。如目前應(yīng)用于微機(jī)和家電的小容量開關(guān)電源普遍采用不控整流加電容濾波的方案，如下圖所示，只有整流橋輸出電壓高于電容電壓時(shí)，才會(huì)有輸入電流，交流輸入電流非正弦。直流輸出電壓只與交流輸入電壓有關(guān)但不能調(diào)控。得到輸出可控直流電壓的方案之一：相控整流單相相控整流電路輸出電壓波形脈動(dòng)很大，需要很大的濾波器才能得到平穩(wěn)的直流電壓輸出電壓較低時(shí)電源功率因數(shù)低，交流電源輸入電流中仍含有大量的諧波電流（電網(wǎng)電壓畸變，

10、危害通信線路等）5.5.1 傳統(tǒng)整流電路存在的問題傳統(tǒng)整流電路存在的問題 功率因數(shù)功率因數(shù)定義為有功功率P和視在功率S的比值： 正弦電路功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差決定的： 非正弦電路中的情況 有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功率因數(shù)仍上式定義。 設(shè)正弦波電壓有效值為U，畸變電流有效值為I，基波電流有效值及與電壓的相位差分別為I1和1。這時(shí)有功功率為： P=UIP=UI1 1coscos1cosSP5.5.1 傳統(tǒng)整流電路存在的問題傳統(tǒng)整流電路存在的問題 功率因數(shù)功率因數(shù)為： 基波因數(shù)基波因數(shù) =I1 / I，即基波電流有效值和總電流有效值之比 位移因數(shù)位移因數(shù)（基波功率

11、因數(shù)）cos 1 整流器輸入端功率因數(shù)與基波電流的相位移角有關(guān)，與諧波電流的大小有關(guān)11111coscoscosIIUIUISP5.5.1 傳統(tǒng)整流電路存在的問題傳統(tǒng)整流電路存在的問題 5.5.1 傳統(tǒng)整流電路存在的問題傳統(tǒng)整流電路存在的問題 實(shí)際應(yīng)用中因其功率等級(jí)不同，通常有兩類實(shí)際應(yīng)用中因其功率等級(jí)不同，通常有兩類PWM整流電路：整流電路：1）電壓型單相單管）電壓型單相單管PWM整流電路整流電路2）橋式）橋式PWM整流電路整流電路5.5.2 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路 有源功率因數(shù)校正（有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction,

12、 APFC）就其控制策略而言，按輸入電感電流是否連續(xù)，分為電流連就其控制策略而言，按輸入電感電流是否連續(xù)，分為電流連續(xù)模式（續(xù)模式（CCM）和電流斷續(xù)模式（）和電流斷續(xù)模式（DCM）。）。Boost-APFC5.5.2 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路 5.5.2 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路 在在V導(dǎo)通時(shí)：導(dǎo)通時(shí)：sinLdsmuuUt/0LLdidtuL在在V關(guān)斷時(shí)：關(guān)斷時(shí)：sinLdosmouuuUtU/()/0LdodidtuuL電感電流連續(xù)：電感電流連續(xù)：sin1smdooUtuDuU5.5.2 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電

13、路 電感電流連續(xù)：電感電流連續(xù)：sin1smdooUtuDuU表明，只要表明，只要D按正弦規(guī)律變化，便能確按正弦規(guī)律變化，便能確保在穩(wěn)定負(fù)載電壓的同時(shí)整流橋輸出保在穩(wěn)定負(fù)載電壓的同時(shí)整流橋輸出雙半波電壓，進(jìn)而能抑制電網(wǎng)電流的雙半波電壓，進(jìn)而能抑制電網(wǎng)電流的畸變畸變APFC的理論依據(jù)采用SPWM控制技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)5.5.2 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路 sin1smdooUtuDuU要在載波大于調(diào)制波時(shí)驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通調(diào)制信號(hào)的大小怎么確定？調(diào)制信號(hào)的大小要依據(jù)輸出電壓需求確定5.5.2 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路 sin1smdooUtuDuU調(diào)制信號(hào)的的

14、小確定：1）根據(jù)表達(dá)式進(jìn)行開環(huán)計(jì)算2）閉環(huán)控制5.5.2 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路 通過分壓電阻進(jìn)行電壓取樣通過低阻值電阻進(jìn)行電流取樣通過分壓電阻進(jìn)行電壓取樣對(duì)電壓進(jìn)行同步5.5.3 電壓型橋式電壓型橋式PWM整流電路整流電路 采用采用APFC技術(shù)的整流電路通常應(yīng)用于小功率場(chǎng)合，且其電技術(shù)的整流電路通常應(yīng)用于小功率場(chǎng)合，且其電流不可逆，屬于單象限整流器。流不可逆，屬于單象限整流器。在大功率場(chǎng)合或需要四象限運(yùn)行的場(chǎng)合通常采用橋式在大功率場(chǎng)合或需要四象限運(yùn)行的場(chǎng)合通常采用橋式PWM整流電路。整流電路。vPWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類，目前電壓型的較多單相半橋單

15、相全橋交流電源直流負(fù)載外接電感和電源內(nèi)電感外接電感電阻和電源內(nèi)阻5.5.3 電壓型橋式電壓型橋式PWM整流電路整流電路 單相全橋單相全橋PWM整流電整流電路的工作原理路的工作原理w 正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)圖中的V1V4進(jìn)行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個(gè)SPWM波uABw uAB中基波分量的頻率和正弦調(diào)制信號(hào)波同頻率且幅值成比例的； uAB中頻率很高的諧波和三角波載波有關(guān)的5.5.3 電壓型橋式電壓型橋式PWM整流電路整流電路 單相全橋單相全橋PWM整流電路的整流電路的工作原理工作原理sss ssABdiLR iUUdt1）交流電源電壓一定情況下，控制UAB便可實(shí)現(xiàn)交

16、流電流控制2）UAB中與PWM頻率相關(guān)的高次諧波對(duì)交流電感中電流的影響較小分析時(shí)可只考慮UAB中的基波成分。5.5.3 電壓型橋式電壓型橋式PWM整流電路整流電路 UsULURUABIs單位功率因數(shù)整流UsURUABIsUL單位功率因數(shù)逆變UsURUABIsUL容性無功（靜止無功發(fā)生器SVG）s超前角為 UsURUABIsUL5.5.3 電壓型橋式電壓型橋式PWM整流電路整流電路 s超前角為 UsURUABIsULPWM整流電路5.5.3 電壓型橋式電壓型橋式PWM整流電路整流電路 對(duì)單相全橋?qū)蜗嗳珮騊WM整流電路工作原理的進(jìn)一步說明（工作模式）整流電路工作原理的進(jìn)一步說明（工作模式） 5.

17、5.3 電壓型橋式電壓型橋式PWM整流電路整流電路 由于是按升壓斬波電路工作，如控制不當(dāng)，直流側(cè)電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，對(duì)器件形成威脅 另一方面，如直流側(cè)電壓過低，例如低于us的峰值，則uAB中就得不到控制電流所需的足夠高的基波電壓幅值，或uAB中含有較大的低次諧波，這樣就不能按需要控制is，is波形會(huì)畸變 可見，電壓型PWM整流電路是升壓型升壓型整流電路整流電路，其輸出直流電壓可從交流電源電壓峰值附近向高調(diào)節(jié)，如要向低調(diào)節(jié)就會(huì)使性能惡化，以至不能工作UsULURUABIs5.5.3 電壓型橋式電壓型橋式PWM整流電路整流電路 5.5.3 電壓型橋式電壓型橋式PWM整流電路整流電

18、路 2三相三相PWM整流電路整流電路 最基本的PWM整流電路之一，應(yīng)用最廣 工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相進(jìn)行SPWM控制5.5.3 電壓型橋式電壓型橋式PWM整流電路整流電路 5.5.4 電流型橋式電流型橋式PWM整流電路整流電路 防反二極管變化的使得裝置體積較大，一般不用于單相不存在輸入短路和直通問題電流型變換器不如電壓型應(yīng)用廣泛，主電流型變換器不如電壓型應(yīng)用廣泛，主要原因有二：要原因有二：1）體積較大，笨重；）體積較大，笨重；2）通常需要串入防反二極管，不利于）通常需要串入防反二極管，不利于構(gòu)造。構(gòu)造。5.5 同步整流電路同步整流電路 二極管通常難以滿足效率需求uG1/4uce1iT1UiUi/20000tttuT0ttuG2/3t0t1t4t3t2t5t6同步整流器件特性器件特性其導(dǎo)通壓降通常較低5.5 同步整流電路同步整流電路 uG1/4uce1iT1UiUi/20000tttuT0ttuG2/3t0t1t4t3t2t5t6MOSFET作同步整流使用本章小結(jié)本章小結(jié) 不控整流電路不控整流電路 單相單相不控整流電路不控整流電路 三相不控整流電路三相不控整流電路 整流電路的濾波整流電路的濾波 倍壓、倍流整流電路倍壓、