电力电子与现代控制(电力电子线路及其触发控制)第一部分

• 主电路：D1、D2两个二极管共阴极连接。
交流 电源 +
iS D1
iD + L 阻感 负载
• 在交流电源VS、D1和D2回路中，利用 VS电压极性变化来实现导通二极管的 关断过程称为换相过程。 • 通过上述换相过程可有效防止负载电 感影响整流输出电压。
工作原理： 1、在电源电压的正半周ωt = 0 ~ π ，二 极管两端电压为正，D1导通，D2截止； 2、 在电源电压的负半周ωt = π ~ 2π ， 二极管两端电压为负，D1截止，D2导通；
单相半波不控整流电路特点：
iS 交流 电源 + D1 iD + L vS D2 vD R 阻感 负载
输入侧： –仅在正半波从电源吸收电能 (“半波”因此得名)。 –电源电流的直流分量很大。
输出侧： –输出电压vD只与电源电压vS有 关，不能被调控； –输出电压脉动大，脉动频率 低，难于滤波； –仅正半周有输出（一个电源 周期中仅一个电压脉波，即脉 波数为1）；
几个名词术语：
触发角α: 从晶闸管承受正向电压时刻起到触发脉冲前沿时刻之间的时 间所对应的电角度； 导通角θ：晶闸管在一个周期内导通的时间所对应的电角度； 移相：改变触发脉冲出现时刻，即改变触发角α大小。改变α角的大小 就可以控制输出电压的大小，实现“移相控制”，被简称“相控”； 移相范围：控制角α能够变化的范围，一般为0°～180°； 换相（换流）：电流从一个元件转移到另一个元件的过程； 输出直流电压平均值Ud：输出整流电压在一个周期内的平均值。
0 输出电压电流 π
iD 交流 电源 + vS D2 D4 iS + D1 D3 L vD R 阻感 负载
输入电压电流
vS 2VS sin t iS
t
2π
vD
iD
t
0
D1D4 导通
D2D3 导通
D1D4 导通
整流电压平均值
VD
2 2


0
2VS sin t d t
有源逆变：当相控整流器输出负的直流电压时，可将直流电能转换成 交流电能，这种利用相控原理工作的逆变过程称为有源逆变；PWM整 流器工作在逆变过程为无源逆变，本章仅涉及有源逆变工况。
整流与逆变的功率流向
部分常用的整流电路
c） 不控整流 d） 半控整流 按组成器件 可控整流 除c）、d）外 全控整流 a）～e） 单相 f）、g） 三相 按电源相数 六相 零式 b）、f） 按电路结构 桥式 c）、d）、e）、g） 半波 a）、f） 按变压器绕组电流 全波 b ） 、c）、d）、e）、g）
不控整流电路
特点： 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-直流电能变换的电路。其 缺点是输出电压平均值不能调节。
对以下电路分别进行分析：
单相半波不控整流 单相桥式全波不控整流 三相半波不控整流 三相桥式全波不控整流
单相半波不控整流
单二极管整流器带电阻负载
2、 在电源电压的负半周ωt = π ~ 2π ， 二极管两端电压为负，D截止；
vD iD
t
整流电压平均值： 1 2 VD 2 V sin t d t VS 0.45VS S 0 2
D导通
D截止
D导通
单相半波不控整流
单二极管整流器带阻感负载
工作原理： 1、当电源电压为正时，D正偏导通， 电感L电流从0开始增加(电感电压eL=vSiD*R大于0)；当ωt =β 时，电感电流 达到最大值，此时：vS=iD*R，电感电压 eL为0。 2、 当β <ωt<π时，此时电感电流 iD下降； 3、当ωt>π时，电源电压开始变负， 此时电感电流>0，仍有能量存在电感内， 电感两端感应负电压，使D仍然正偏导通， 一直到ωt=δ ，电感电流iD为0 。 4、 当δ <ωt<2π时，电感电流和电 压均为0，二极管反偏截止，输出电压vD 为0； 电感的影响： 电感续流影响D关断时刻，导致输出 电压平均值下降。
整流电压平均值
πα 3 5 6 Ud π 2π 6 α
注意换流过程
2Vs sin tdt

3 6 Vs cos 1.17Vs cos 2
其中：
va Vm sin t 2VS sin t
三相半波相控整流电路（共阳接法）
a）主电路
b）α＝0°时波形
c）α＝30°时波形
PF
VS I S1 cos I S1 2 2 cos cos VS I S IS
注意换流过程
输出电压平均值：
1 T 1 U d u0 dt 2Vs sin tdt T 0 2 2 Vs cos 0.9Vs cos

三相半波相控整流电路（共阴接法）
1、电源为负时，D2 导通，D1截止。恒流 源负载与D2形成负载 电流回路，电流为iD。
2、电源由负变正后，D1 导通，D1D2与电源形成 换流回路，回路电流ic从 0逐渐增加。负载回路iD 不变。
3、当换回路电流ic等于 iD时，D2截止，负载电 流iD全部流过D1，换流 结束。
单相半波不控整流
三相桥式全波全控整流电路
电路结构：如右上图所示 工作原理：共有六种工作状态，每个状态持续 最大为60°。按照电源电压的相序，各状态 的顺序为T6T1-T1T2-T2T3-T3T4-T4T5-T5T6T6T1；各状态依次互差60°； 特点：晶闸管导通角θ为120°； 相控整流特 性与相控角α和负载性质有关； 触发方式： 单窄脉冲触发：在晶闸管需导通的区域仅用初 始的一个窄脉冲去触发； 双窄脉冲触发：每个元件除了在各自的换流点 处有一个脉冲之外，还在60度电角度之后的下 一个导通元件的导通时刻补了一个脉冲。所补 的脉冲在电流连续的稳态工作时并不起任何作 用，但它却是电路启动及在电流断续时使电路 正常工作所不可缺少的； 宽脉冲触发：若把上面的双窄脉冲连成一个宽 脉冲，电路当然也可正常工作。
t


v
T1

v
T 4
t
电阻负载时的波形
大电感性负载，电流连续的情况
特点：触发角为α，导通角为180°
L很大，感抗远大于阻抗，电流连续，负载电流 脉动很小，近似为一个恒定的直流，大小为VD/R； 晶闸管的电流IT为180°单向矩形波； 电源电流is为180°的矩形波； 电源基波功率因数角φ1与其触发角α相等；α 越大，cosφ1越小； 电源功率因数：
特点：
输入侧：每相输入电流只导通 1/3 周期 (120 度）。电源电流含有很大的直流分量。 输出侧：输出电压平均值较高，整流电压脉 动较小，脉动频率为电源频率3倍。
三相半波不控整流
整流电压平均值
150o 1 3 6 VD 2 V sin t d t VS 1.17VS S o 30 2 / 3 2
• 主电路：二极管D
交流 电源 + iS D 整流器 vS vD R iD + 电阻 负载
设输入电压vS为：
vS 2VS sint
VS为输入交流电压有效值； ω为入电压电流
vS 2VS sin t
iS
0 输出电压电流 π 2π
t
1、在电源电压的正半周ωt = 0 ~ π ， 二极管两端电压为正，D导通；
电力电子与现代控制
Power Electronics and Modern Control
中国科学院研究生院
第二章：电力电子线路及其控制
AC/DC变换器 DC/DC变换器 AC/AC变换器 DC/AC变换器 复合型变换器
电力电子线路及其控 制
1、AC/DC变换器
1、AC/DC变换器
2 2

VS 0.9VS
三相半波不控整流
电路结构：如右图所示 工作原理及波形：
– D1、D3和D5共阴极连接，利用vA、vB 和 vC 电压差极性换相； – 一个周期中，A相D1、B相D3、C相D5依照 顺序各分别导电120°； – 一个周期输出电压由三个相同的脉波组 成（脉波数为3）。
vS 2VS sin t
输入电压电流 π 2π
iS
t
0
vD
输出电压电流 D1导通 D2截止 D1截止 D2导通 D1导通 D2截止
iD
t
单相桥式全波不控整流
电路结构：如右图所示，由 D1 、 D3 和 D2、D4两个单相半波不控整流电路构成， D1和D3之间换相；D2和D4之间换相。 工作原理： 1、在电源电压的正半周t=0~，D1、 D4导通，D2、D3截止； 2、 在电源电压的负半周t=~2， D2、D3导通，D1、D4截止。 特点： 输入侧：无直流分量。正负半波都可从 电源吸收能量（全波）由此得名；电源 电流为正负180°脉宽波形，无直流分量。 输出侧：一个周期输出电压由2个相同的 脉波组成，脉波数为2，脉波宽180°； 输出电压平均值是半波电路的两倍。
图5.5 三相桥式不控整流电路
整流电压平均值
1 90o 3 6 0 VD 3 2 V sin t 30 d t V 2.34VS S / 3 30o S


晶闸管相控整流电路
分以下三类分析：
单相晶闸管桥式全波全控整流电路 三相晶闸管半波相控整流电路 三相晶闸管桥式全波全控整流电路
单相桥式全波晶闸管全控整流电路 v vd T1 T3 i1 T is
S
电阻性负载时的工作情况分析
vg
0
a

2
t
v
1
v
S
R
b
i