【精品】交流直流变换器-整流器精品ppt课件.ppt

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1、交流直流变换器-整流器第五章第五章第五章第五章 交流交流交流交流/直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）5.1 整流的基本原理5.2 负载性质对整流特性的影响5.3 交流电路电感对整流特性的影响5.4 相控整流电路输出电压的谐波分析5.5 带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路5.6 相控有源逆变电路5.7 相控整流及有源逆变晶闸管触发控制5.8 三相高频PWM整流5.9 整流器的类型和性能指标25章 交流/直流变换器v整流：利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交流电能变为直流电能称为整流。v整流器：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

2、称为整流器。35章 交流/直流变换器第五章第五章第五章第五章 交流交流交流交流/直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）5.1 整流的基本原理5.2 负载性质对整流特性的影响5.3 交流电路电感对整流特性的影响5.4 相控整流电路输出电压的谐波分析5.5 带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路5.6 相控有源逆变电路5.7 相控整流及有源逆变晶闸管触发控制5.8 三相高频PWM整流5.9 整流器的类型和性能指标45章 交流/直流变换器 不控整流电路单相不控整流电路三相不控整流电路 相控整流电路单相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路5.1 整流的基本原理

3、55章 交流/直流变换器原理及波形分析：与两相半波电路相比：相同点：vD波形波形、is波形波形；多用两个二极管，但可略去有中心抽头的变压器；在中小容量不控整流领域中应用广泛。单相桥式不控整流动态演示单相桥式不控整流动态演示单相桥式不控整流85章 交流/直流变换器原理及波形：特点：K直流平均值较高；KvD脉动较小，脉动频率=3fs；Lis含有很大直流分量；不能直接使用计算：三相半波不控整流 一个Ts中，A相D1、B相D3、C相D5依次导电120；iA、iB、iC为120脉宽的直流；vD由三个相同脉波组成，脉波数m395章 交流/直流变换器三相桥式不控整流电源相电压有效值电源线电压有效值脉波数m=

4、6脉波宽60105章 交流/直流变换器三相桥式不控整流特点：J直流平均值高；J整流电压脉动频率=6fs，脉动较小，易滤波；Jis为120脉宽、且正负对称的交流电，无直流分量；广泛应用在较大功率的不控整流中L 二极管不控整流的主要缺点：输出直流电压平均值不能调控115章 交流/直流变换器相控整流电路半控开关器件晶闸管：开通可控特性开通可控特性（承受正向电压，且有触发脉冲）单向导电性单向导电性相控整流电路：实现ACDC电能变换的晶闸管电路。电路分析要点：晶闸管 开通时刻（满足导通条件时）受到反压被强迫关断的时刻125章 交流/直流变换器T1、T4一组，T2、T3一组：两组间、上下桥臂间触发脉冲相差

5、180电角度。单相桥式全控整流 触发控制角 导通角：这里=-移相：实现“相控”移相范围：这里0180 同步：v名词术语 换相（换流）v工作原理 动态演示动态演示同频/同周期、有协调的相位关系正常工作条件相控整相控整流流135章 交流/直流变换器单相桥式全控整流v基本量的计算VD 是控制角的函数：愈大VD愈小；当0，VD=VD0为最大值；当，VD=0；的移相范围：0(1)输出直流电压平均值Vd145章 交流/直流变换器(3)晶闸管电流的有效值IT :晶闸管电流平均值Iav：(2)输出直流电流平均值ID:单相桥式全控整流155章 交流/直流变换器(5)负载电阻上电压有效值VL：(4)次级绕组电流有

6、效值IS负载电流有效 值IL 单相桥式全控整流165章 交流/直流变换器控制角(度)0306090120150180功率因数PF10.9710.8980.7070.4270.170表5.1 单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与的关系表电源视在功率 S=VS IS 有功功率(6)功率因数PF忽略开关管损耗电源提供的有功功率负载有功功率P单相桥式全控整流深度相控（深控）深度相控（深控）175章 交流/直流变换器三相桥式全控整流v基本工作原理v输出电压VD=VPN=VPO-VNOv6个自然换相点：三相电压瞬时值最大的那一相上管自然导通，换相点为1、3、5；三相电压瞬时值最低的那一相下管自然导通，

7、换相点为2、4、6。185章 交流/直流变换器v晶闸管的触发脉冲安排：触发次序：按1-2-3-4-5-6循环进行；6个管触发脉冲互差60;欲使电源接通到负载上，任何时刻必须有两个晶闸管同时导通每个管触发脉冲宽度要超过1/6Ts；双脉冲触发方式，即给晶闸管发一个触发脉冲后，间隔60再给它补发一个脉冲。T1T3T5 的触发脉冲间相位相差120，T2T4T6亦如此最大导电角为120三相桥式全控整流195章 交流/直流变换器与不控整流电路时完全一致；每隔60有一个晶闸管换相，vD脉动频率=6fs，脉波数m=6；电阻性负载0时的波形 三相桥式全控整流205章 交流/直流变换器 vD波形依然由6段线电压波

8、形组成，仅六个导电区后延30；iD波形：与vD相同；电阻性负载30时的波形 三相桥式全控整流215章 交流/直流变换器与0时相比各波形在时间上顺延60；元件导电终点时刻，整流电压、电流的瞬时值都为零；60时iD连续，且整流电压平均值VD电阻性负载60时的波形()()()aapwwpwpaaawawcos34.2cos330sin33/16030 30 60 11SlmlmttabDVVtdtVtdvV=+=+三相桥式全控整流225章 交流/直流变换器60o后vD、iD不连续；导电宽度为120o-时的负载断流工况：vd波形中出现负值 断流原因：L较小而较大，iD上升时间不长，L储能较少；iD下降

9、、L释放的能量不足以维持已导通元件持续导通到（+）时刻就已降为零。单相桥相控整流电路带电感性负载导电角导电角 sin(+sin(+-)0,-)0,+-+-，-(-)0；动态演示动态演示(3)L、较大，较小且时，导电角，电流断流时，导电角=，电流连续单相桥相控整流电路带电感性负载335章 交流/直流变换器iD脉动很小，ID=VD/RiT为180宽单向矩形波；is为180宽正负矩形波；电源基波功率因数角1，越大，cos1越小；电源功率因数：动态演示动态演示(4)L很大,很大,时，负载断流；时，电流临界连续；L、较大，较小且R，很大，时，电流连续，忽略脉动；单相桥相控整流电路带电感性负载355章 交

10、流/直流变换器v电感性负载时的工作过程：60时，vD波形、平均值VD与电阻负载时相同，iD同样连续但是波形不同；三相桥相控整流电路带电感性负载感性负载60时的波形365章 交流/直流变换器三相桥相控整流电路带电感性负载感性负载90时的波形375章 交流/直流变换器三相桥相控整流电路带电感性负载感性负载120时的波形385章 交流/直流变换器三相桥相控整流电路带电感性负载 能大于能大于180180o o吗？吗？感性负载180时的波形395章 交流/直流变换器三相桥相控整流电路带电感性负载整流电压平均值VD：当0；当=90时，VD0；当90时，VD0，整流器输出功率PD=VDID0，整流器将交流电

11、网功率变为直流功率供给直流负载。90时，VD0，PDE时才能触发导通，vD=vs=E+iDR；当vsE 时阻断，vD=E；故输出电压较R、RL负载时高；负载电流断流时，单相桥相控整流电路带反电势负载425章 交流/直流变换器 整流输出接反电势负载时，导通角小，vc时D1D4才导电，vD=vs负半周 vc时D2D3才导电，vD=-vsv正半周vsvc时D1D4截止负半周 va(t)Ta受反压截止，ID立即从a相换到b相，换相（或换流）过程瞬时完成，这时vD为PEFQHME曲线实际存在电感LS，Ls对整流特性有什么影响呢？Ls对换相过程的影响525章 交流/直流变换器Ls对换相过程的影响LS 0T

12、b被触发后，LS储能不能突变为0，ia经历从ID0的过渡过程，历时tr；tr期间Ta、Tb同时导通，被称为换相重叠期；对应的相位角(=tr)，称为换相重叠角；换相重叠期内，参与换流的两相电流有如下关系：ia+ib=ID 535章 交流/直流变换器换相前vD=va；换相后vD=vb换相中，vD是va和vb的平均值，即图中GD段，vDvD2，在随后的30区间II，vD2vD1；工作原理805章 交流/直流变换器=0l无平衡电抗器：区间I，vD1vD2，第二组三相桥晶闸管被反压(vD1-vD2)截止，第一组三相桥整流器导电，对负载供电；区间II，vD2vD1，仅第二组导电，提供全部负载电流。l有平衡

13、电抗器：任何时刻电压差vP=vD1-vD2，平衡电抗器两侧绕组各承担vP/2，使两组整流器同时导电，共同承担负载电流，每个晶闸管及变压器绕组导电时间延长一倍，电流只输出1/2负载电流。工作原理(d)整流电压815章 交流/直流变换器相关计算=0时，第一组三相全桥整流输出电压：vD2与vD1相差30，故电压差：vp主要是6次谐波，6次谐波幅值：电压差825章 交流/直流变换器平衡电抗 vp的最大值在t=60 时：电压差在两个三相桥之间引起的环流最大值近似为：整流电路电流连续的条件：(保证电感Lp上电流不会为0)835章 交流/直流变换器整流电压改变触发控制角，12脉波整流（两桥并联时）：输出电压

14、波形 vD=(vD1+vD2)/2输出电压平均值 VD=VD1=VD2整流电压平均值：vD中谐波为12k次，最低为12次，12次谐波电压幅值为：vD脉动分量减小了，脉动频率为12fs，比三相桥时增大了一倍。两组三相桥经平衡电抗器以后输出电压的瞬时值为：845章 交流/直流变换器交流电流以A相为例：ia1是幅值为Id(=ID/2)的120方波，ia2与ia1波形相同，但滞后30,ib2波形相同，比 ia2 滞后120,绕组N1相电流iaN1=ia1，绕组N2 相电流：iaN2=ia2+icN2=ia2-(iaN2+ibN2)=ia2-iaN2-(ib2+iaN2)iaN2=(ia2ib2)/3若

15、N0=N1，原方A相电流为：855章 交流/直流变换器绕组N1相电流iaN1=ia1交流电流绕组N2相电流：iaN2=(ia2ib2)/3865章 交流/直流变换器iaN1=ia1的傅立叶级数表达式为：交流电流875章 交流/直流变换器12脉波整流电路iA中除基波外，仅含12K1（K=1,2,）次谐波电流，最低次谐波电流为11次，其值为基波的1/11。三相桥整流电路iA中含6K1次谐波电流，最低次为5次。交流电流885章 交流/直流变换器交流电流中只含12K1次谐波电流，最低次为11次；整流电压中谐波阶次为12K次，最低为12次；两组整流桥相差30的整流电压vD1、vD2经平衡电抗器并联输出，

16、称为并并联多重结构联多重结构；将vD1、vD2串联输出给负载供电，称为串联多重结构串联多重结构。串联多重结构和并联多重结构其效果是相同的，串联输出适用于输出高电压输出高电压的场合，并联输出适用于输出大电流输出大电流的场合。带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路的特点895章 交流/直流变换器第五章第五章第五章第五章 交流交流交流交流/直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）5.1 整流的基本原理5.2 负载性质对整流特性的影响5.3 交流电路电感对整流特性的影响5.4 相控整流电路输出电压的谐波分析5.5 带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路5.6 相

17、控有源逆变电路5.7 相控整流及有源逆变晶闸管触发控制5.8 三相高频PWM整流5.9 整流器的类型和性能指标905章 交流/直流变换器 有源逆变原理 有源逆变安全工作条件 三相全桥相控整流和有源逆变的控制特性 晶闸管相控有源逆变的应用5.6 相控有源逆变电路915章 交流/直流变换器有源逆变原理有源逆变有源逆变：把直流电能变换为交流电能输出给交流电网。逆变电路若采用晶闸管（半控器件），则必须附加换相（换流）电路，关断已导通的晶闸管；有源逆变依靠交流电网电压周期性的反向使逆变电路中处于通态的开关器件承受反压而关断，因而可以用无自关断能力的晶闸管；925章 交流/直流变换器电流连续情况00，变换

18、器将交流电变为直流电向直流负载供电，整流变换整流变换90：vD负面积大于正面积，故VD0、PD/2。(f)有源逆变(e)相控整流为了维持ID，DC侧必须有直流电源才能向交流电源输送功率实现有源逆变。945章 交流/直流变换器l 180时，整流电压负值越大，有源逆变功率越大。/2有源逆变状态时，因交流电感LS0，存在换相重叠过程。若过大，可能引起换相失败事故。有源逆变安全工作条件955章 交流/直流变换器 若换相前C相导电，换相开始后A相开始导电，由于LS0，在换流重叠期期间内Ta、Tc同时导电，ia+ic=ID，ic从ID0，而ia从0ID。整流电压为m脉波，则换相重叠角可由前面推导公式确定：

19、三相半波电路m=3，三相桥式电路m=6，有源逆变安全工作条件965章 交流/直流变换器 如果+=，换相结束时正好是图中的E5点，va=vc，称为临界换相。如果很大(接近180)，LS又大，ID也大，在+=时ic尚未降到0，ia尚未升到ID，一旦+，由于vcva，则Tc承受正向电压继续导电，ic又开始上升，ia反而下降，这就导致负载电流iD不可能从Tc换到Ta逆变器失控，换相失败。有源逆变安全工作条件975章 交流/直流变换器为了确保相控有源逆变的安全可靠运行，不能太大，逆变角=不能太小，保证换相结束后vac还较大，要经历一段较长时间后才降到0，确保晶闸管Tc受反压作用可靠关断。临界换相条件：+

20、=，=逆变角：=临界有源逆变时控制角、逆变角和换相重叠角的关系：临界有源逆变时：有源逆变安全工作条件985章 交流/直流变换器 在换相结束时，t=+，再经o角度到t=+o时晶闸管才能恢复阻断电压的能力；如果再留一个剩余的安全角r，则 实际大小与ID、LS、角频率及VS等有关，额定负载时通常约为1020。为确保晶闸管的安全关断，在其电流下降为0后仍施加一段时间的反压，以恢复其阻断正向电压的能力，这段时间称为晶闸管关断时间toff 。对普通高压大功率晶闸管，一般toff200300s。这段时间相当于（频率f=50Hz时）角度o45，称为关断角。有源逆变安全工作条件995章 交流/直流变换器对三相桥

21、式电路m=6，最大允许的触发控制角：最小允许的逆变角：如果实际运行中max，（或min），则剩余安全角vs峰值 升压型电路能量可回馈的高频PWM整流电路1165章 交流/直流变换器交流/直流双向PWM变换器工作原理交流电源电压：则理想的交流-直流变换应该是：(是 滞后 的功率因数角)1175章 交流/直流变换器理想的交流侧相电压应是：(是 落后与 的相位角)双向PWM变换器工作原理1185章 交流/直流变换器定义 从交流电源流向双向变换器，是 滞后 的功率因数角，0，滞后的Iq、Q为正值 电源向变换器输出滞后的无功功率，双向PWM变换器工作原理1195章 交流/直流变换器 Vi较大、Vicos

22、Vs，Iq、Q为负 电源向变换器输出容性(超前)无功功率，或电源从变换器输入感性(滞后)无功功率；Vi较小、Vicos1，因此高次谐波频率很高。控制T1T6 可控制Via、Vib、Vic 能控制基波电流的大小和相位，实现P、Q在交流电源和直流侧之间的双向流动;由谐波电压产生的谐波电流能被控制得很小，可以忽略不计；实现ACDC变换，包括SPWM逆变和高频PWM整流。1225章 交流/直流变换器采用电压闭环控制 直流电压Vo恒定当整流负载Io、或直流电压指令值Vo*改变，则有功电流指令值id*改变，从而改变交流电源送入变换器的有功电流、有功功率。交流电源电压和直流负载任意变化时，闭环控制可使Vo维

23、持恒定，同时 、的相位角也保持为指令值。三相电压型高频PWM整流控制系统1235章 交流/直流变换器第五章第五章第五章第五章 交流交流交流交流/直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）5.1 整流的基本原理5.2 负载性质对整流特性的影响5.3 交流电路电感对整流特性的影响5.4 相控整流电路输出电压的谐波分析5.5 带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路5.6 相控有源逆变电路5.7 相控整流及有源逆变晶闸管触发控制5.8 三相高频PWM整流5.9 整流器的类型和性能指标1245章 交流/直流变换器 类型 基本性能要求 性能指标5.9 整流器的类型和性

24、能指标1255章 交流/直流变换器l按按开关器件开关器件及控制能力分：及控制能力分：不控不控整流整流 半控半控整流整流 全控全控整流整流开关为开关为二极管二极管 开关为开关为晶闸管晶闸管开关为开关为全控器件全控器件l按交流电流按交流电流波形波形分：分：半波半波整流整流 全波全波整流整流l按交流电源按交流电源相数相数分：分：单相单相整流整流 三相三相整流整流l按按控制原理控制原理分：分：相控相控整流整流 高频高频PWMPWM整流整流类型1265章 交流/直流变换器对ACDC变换的基本性能要求+v D-vsisload整流器的效率、重量、体积、成本、电磁干扰EMI和电磁兼容性EMC 控制响应特性直

25、流电压可调直流电压可调vD的的交流分量交流分量(即谐波电压即谐波电压)交流电流交流电流中的中的谐波电流谐波电流交流侧交流侧功率因数功率因数1275章 交流/直流变换器整流器的基本性能指标l电压谐波（纹波）系数电压谐波（纹波）系数 RF RF(Ripple Factor)(Ripple Factor)：l电压脉动系数电压脉动系数S Sn n：1285章 交流/直流变换器l输入电流总畸变率输入电流总畸变率THD THD(Total Harmonic Distortion)(Total Harmonic Distortion)：基本性能指标1295章 交流/直流变换器l输入功率因数输入功率因数PFPF(P(Powerower Factor)Factor)：若交流输入电压无畸变，则基波电流数值因数基波电流数值因数（简称（简称基波因数基波因数）基波位移因数基波位移因数DPF=cosDPF=cos1 1输入电流有效值：若若PFPF小，在小，在P PACAC一定时，则一定时，则I IS S大大若若PFPF小，在小，在I IS S一定时，则一定时，则P PACAC小小基本性能指标1305章 交流/直流变换器