3 交流-直流变换器

3.1 整流器的类型和性能指标
整流器最基本的性能指标有：
1.
2. 3. 4.
电压谐波系数或纹波系数RF（Ripple Factor）
电压脉动系数Sn
输入电流总畸变率THD (Total Harmonic Distortion)
输入功率因数PF（Power Factor）
上述基本性能指标能比较科学地评价各种整流 电路的性能优劣 。
3.9 相控有源逆变电路工作原理
3.10 相控整流及有源逆变晶闸管触发控制
3.11* 含有源功率因数校正环节（PFC）的单相
高频整流
小结
3.0 概述
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。
实现整流的电力半导体开关电路连同其辅助元器件和
系统称为整流器。
整流器的类型很多，归纳分类如下： 1.按交流电源电流的波形可分为：
制了电源电压送至负载的起始时刻，从而控制整流电压。
整流电路结构不同、负载性质不同，工作情况也就不同。 电路分析时要抓住晶闸管的导通时刻（满足导通条件时） 和受到反压被强迫关断的时刻。 掌握单相桥式全控整流电路在不同性质负载下的工作情况
了解单相桥式半控整流电路的失控现象及解决办法。
3.3.1 单相桥式全控整流电路
vg
0
p
2p
wt
d
0


wt
id
0
wt

vT
4

vT1
0
v
T1

v
T 4
wt
电阻负载时的波形
(四)几个名词术语
（1）控制角α: 从SCR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。＝》把不控器件（二极管）的 导通时刻后移的电角度。 （2）元件导通角θ（导电角）：元件在一电源周期内导通的时 间所对应的电角度。本例θ=π-α
二、电感性负载


三、反电势负载
一、电阻性负载
（一）主电路
（1）T为整流变压器； （2）注意各物理量的参考方向
（二）理想化假设
(1)开关元件是理想的开关： 通态压降=0；断态电阻无穷大;漏电 流=0; 开关过程瞬间完成； (2)变压器是理想的： 漏抗、绕组电阻、励磁电流=0 (3)电网电压是理想的正弦波
定义：交流电源输入有功功率PAC 与其视在功率S 之比，即
PF PAC / S
S VS I S
若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基波 电流形成有功功率。这时，
PF PAC /(VS I S ) VS I S1 cos 1 /(VS I S ) (cos 1 ) I S1 / I S cos 1
在中小容量的不控整流领
域中应用广泛。
*3.2.4 三相半波不控整流
原理及波形：
一周期中，A相D1、B相D3、C
相D5依序各导电120°。
整流电流为120°脉宽直流。 整流电压由三个相同的脉波组
Байду номын сангаас
成（脉波数m＝3）。 特点：直流平均值的数值较高：
150 1 3 6 VD 2 V sin w t d w t VS 1.17VS S 3 0 2p / 3 2p
一、电阻性负载



（一）主电路 （二）理想化假设 （三）工作原理及波形分析 （四）几个名词术语 （五）基本量的计算 （一） L、φ较小，α较大，且α>φ时，负载断流，元件的导 电角θ<π （二）当α＝φ时，电流临界连续 （三） L、φ较大，α较小,且α<φ，电流连续 （四） L很大，ωL>>R，φ≈90°，α<φ，电流连续且忽略脉 动
v
d
0
v s Vm sinw t 2Vs sinw t
1 p VD 2 2p a p 2 2 1 cos a 1 cos a Vs VD 0 p 2 2


wt
VD 是 控 制 角 α 的 函 数 ； 2Vs 2Vs sin w td (w t ) (1 cos ) α 愈大Vd愈小；
两相电压是通过变压器中心抽
头得到的
一个电源周期 TS 中脉波数为 2 ，
脉动频率提高一倍，易于滤波
电源电流正、负对称，无直流
分量。
*3.2.3 单相桥式不控整流
原理及波形分析： 与两相半波电路相比：
相同点：整流输出电压、
交流电源电流波形。
多用了两个二极管，但可
略去有中心抽头的变压器。
D1承受正向电压而导通。 vD=vs, iD=is 在电源电压的负半周 wt=p~2p D1受反压截止， 阻断电路。vD=0, iD=0


如果负载有电感，则负载 电流通过D0续流。
*3.2.1 单相半波不控整流（续1） 特点：
整流电压直流平均值
VD
1 2p
0
p
2VS sinwt d wt
不控整流电路输出电压中除直流外，还含有谐波。 为此须在整流电路的输出端与负载之间接入LC滤波器。
由于整流输出谐波电压的频率不高，因此要有较好 的滤波效果必须LC 很大。
滤波电感L的重量、体积相对于电容要大得多，通常 取较小的L和较大的C组成LC滤波器，甚至完全不用电 感只用电容滤波。
3.3 单相桥式晶闸管相控整流电路
整流电压的直流平均值高：
VD
90 1 v AB d wt 3 0 p /3 3 90 3 2VS sinwt 30 d wt
p
30

3 6
p
VS
3 2
p
Vl 2.34VS 1.35Vl
电源相电压有效值
电源线电压有效值

3.2.6 电容滤波的不控整流电路
电压脉动系数Sn的定义：整流输出电压中最低次
谐波幅值Vnm与直流平均值VD之比 。 Sn=Vnm/VD
输入电流总畸变率THD (Total Harmonic Distortion)
交流输入电流中除基波电流Is1外通常还含有各
次谐波电流Isn（n＝2，3，4，…） 。 THD的定义：除基波电流外的所有谐波电流总 有效值与基波电流有效值之比值
对交流－直流变换最基本的性能要求：
直流输出电压可以调控（交流输入电压变化时或负载变化时
输出的直流电压可保持为任意指令值）
输出电压中交流分量（即谐波电压）被控制在允许值范围以
内；
交流侧电流中的谐波电流也要求在允许值以内。
此外交流侧的功率因数、整流器的效率、重量、体积、成本、
电磁干扰EMI和电磁兼容性EMC以及对控制指令的响应特 性都是评价整流器的重要指标。
3.3.0 概述 3.3.1 单相桥式全控整流电路 3.3.2 单相桥式半控整流电路
3.3.0 概述
晶闸管代替上节电路中的二极管，可得相控整流电路。 原理：利用了半控开关器件晶闸管的开通可控特性（承受 正向电压，且有触发脉冲）和单向导电性； 相控整流：控制晶闸管触发相位角（脉冲施加时刻）就控
电力电子技术
第三章 交流－直流变换器（整流器）
3 交流－直流变换器（整流器）
3.0 概述
3.1 整流器的类型和性能指标
3.2 不控整流电路
3.3 单相桥式晶闸管相控整流电路
3.4 三相半波相控整流电路
3.5 三相桥式相控整流电路
3.6 交流电路电感对整流特性的影响
3.8 * 带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路
在电源电压的正半周
D1承受正向电压而导通，D2截止， 使得正的A 相电压加到了负载两端。
在电源电压的负半周
D1受反压截止，D2导通，使得正的B 相电压加到了负载两端
*3.2.2 两相半波不控整流（或双半波不控整流）（续1）
性能优于单相半波不控整流
正负半波均有输出，整流电压
直流平均值高了一倍
纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平均值 电压VD外全部交流谐波分量有效值VH
2 VH Vrms VD 2
电压谐波（纹波）系数RF（Ripple Factor）的定义： 输出电压中的交流谐波有效值 VH与直流平均值VD 之 比值。表示为
v RF VH / VD
2
Vrms 可以进一步表示为 ： v VH Vd V 1 D
2
p
VS 0.45VS
VD只与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，称为“半波”）； 电源电流的直流分量很大。
*3.2.2 两相半波不控整流（或双半波不控整流）
主电路：中心抽头的变压器 提供两相反向的电压，D1、 D2作开关。 工作原理：（理想情况下）
id
0
wt
在一个正弦周期内各导通 θ , 所以晶闸管平均电流为负载 平均电流ID的一半。


（3）晶闸管电流的有效值IT :
IT 1 2p

p
a

2V S VS sinw t d (w t ) R 2R
（3）移相：改变触发脉冲出现时刻，即改变控制角大小。 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”， 简称“相控”。 （4）移相范围：控制角α能够变化的范围，本例0～180° （5）换相（换流）：电流从一个元件转移到另一个元件的过程。
(五)基本量的计算
（1）输出直流电压平均值VD
设电源电压：
交流侧电压与电流基波分量之间的相位角φ 1称为基波位移角； 基波功率因数 cosφ 1称为基波位移因数DPF。