电力电子技术第五章优秀课件
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电力电子技术第五章直流-直流变流电路PPT课件
(5-37) O
i
t
o
当tx<t0ff时，电路为电流断续工作状态， tx<t0ff是电流断续的条件，即
m
1 e 1 e
(5-38)
i
i
1
2
I
20
O
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tt
t
t
on
1
x
2
t
off
T
c)
图5-3 用于直流电动机回馈能 量的升压斩波电路及其波形
c）电流断续时
16/44
5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
◆斩波电路有三种控制方式
☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。 ☞频率调制：ton不变，改变T。 ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比
5/44
5.1.1 降压斩波电路
■对降压斩波电路进行解析
◆基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程 来分析，初始条件分电流连续和断续。
◆电流连续时得出
3/44
5.1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper）
◆电路分析
☞使用一个全控型器件V，若采用晶闸
管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。
☞设置了续流二极管VD，在V关断时
给负载中电感电流提供通道。
☞主要用于电子电路的供电电源，也
可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
◆工作原理
☞ t=0时刻驱动V导通，电源E向负载
☞输出电流的平均值Io为
EI1 U o I o
Io
Uo R
1
E R
(5-24) (5-25)
☞电源电流I1为
I1
Uo E
Io
《电力电子技术》课件第5章
电容，组成低通滤波器； R为负载。为了简化分析，作如下假 设：S、ＶD是无损耗的理想开关，输入直流电源UD是恒压源，
其内阻为零，L、 C中的损耗可忽略，R为电阻性负载。
S i
L
iC
io
u VD
UD
ton
toff
UD
uVD
VD uC
CR
uo
0
DT T
t
i＝iL UD
(a)
L
iC
io
uC C R uo
Io
IL
I2
2
I1
(5-9)
将式（5-8）、 （5-9）同时代入关系式ΔIL=I2-I1可得
I1
Io
UDT 2L
D(1
D)
(5-10)
当电感上的电流处于临界连续状态时，应有电感电流的最
小值为零， 即I1=0，将此式代入上式可求出维持电流临界连续
的电感值L0为
L0
U DT 2Io
D(1
D)
在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电 压Uo为常数。然而在电容为有限的值情况下，直流输出电压 将会有交流纹波成分。
(b)
L
iL
iC
io
VD
uC C R uo
iL I2 I
L
I1
0
iC I2－io
0 I1－io
uC u
o
0
io Io
IL t
t UC
t
0
t
(c)
(d)
图 5-4
(a) 电路； (b) 开关导通； (c) 开关断开； (d) 波形
在图5-4所示的电路中，当触发脉冲使开关S导通时，即在ton 期间，电感L中有电流流过，二极管VD反向偏置，导致电感两端 呈现正电压uL＝UD-uo，在该电压作用下电感中的电流iL线性增长， 同时直流电源对电容C进行充电，两端电压uC（负载R的端电压
其内阻为零，L、 C中的损耗可忽略，R为电阻性负载。
S i
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I1
(5-9)
将式（5-8）、 （5-9）同时代入关系式ΔIL=I2-I1可得
I1
Io
UDT 2L
D(1
D)
(5-10)
当电感上的电流处于临界连续状态时，应有电感电流的最
小值为零， 即I1=0，将此式代入上式可求出维持电流临界连续
的电感值L0为
L0
U DT 2Io
D(1
D)
在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电 压Uo为常数。然而在电容为有限的值情况下，直流输出电压 将会有交流纹波成分。
(b)
L
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0 I1－io
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(c)
(d)
图 5-4
(a) 电路； (b) 开关导通； (c) 开关断开； (d) 波形
在图5-4所示的电路中，当触发脉冲使开关S导通时，即在ton 期间，电感L中有电流流过，二极管VD反向偏置，导致电感两端 呈现正电压uL＝UD-uo，在该电压作用下电感中的电流iL线性增长， 同时直流电源对电容C进行充电，两端电压uC（负载R的端电压
电力电子技术第五章第一节.ppt
都可实现负载换流。
7
5.1.2 换流方式分类
5.1 换流方式
• 如图是基本的负载换流电路，4个 桥臂均由晶闸管组成。
• 直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。
• 负载工作在对基波电流接近并联 谐振状态，而且负载略呈容性。
• 负载对基波的阻抗大而对谐波的 阻抗小。所以uo接近正弦波。
• 注意触发VT2、VT3的时刻t1必须 在uo过零前并留有足够的裕量， 才能使换流顺利完成。
3
5.1 换流方式
5.1.1 逆变电路的基本工作原理 S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。
➢ S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。
直流电 交流电
4
5.1 换流方式
5.1.1 逆变电路的基本工作原理
逆变电路最基本的工作 原理 ——改变两组开关 切换频率，可改变输出 交流电的频率。
也叫电压换流。
电感耦合式强迫换流
当VT处于通态时，接通S使 LC振荡电流流过VT，先使晶 闸管电流减为零，然后流过反 并联二极管VD使其加上反向电 压。 也叫电流换流。
图5-3直接耦合式强 迫换流原理图
图5-4 电感耦合式强 迫换流原理图 10
5.1.2 换流方式分类
5.1 换流方式
• 换流方式总结：
器件换流——适用于全控型器件。 其余三种方式——针对晶闸管。 器件换流和强迫换流——属于自换流。 电网换流和负载换流——属于外部换流。
11
单相桥全控整流电路
us
io Z uo
三相交流调压电路
us
单相交交变频电路
2) 电网换流（Line Commutation）
– 由电网提供换流电压的换流方式。 – 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。
7
5.1.2 换流方式分类
5.1 换流方式
• 如图是基本的负载换流电路，4个 桥臂均由晶闸管组成。
• 直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。
• 负载工作在对基波电流接近并联 谐振状态，而且负载略呈容性。
• 负载对基波的阻抗大而对谐波的 阻抗小。所以uo接近正弦波。
• 注意触发VT2、VT3的时刻t1必须 在uo过零前并留有足够的裕量， 才能使换流顺利完成。
3
5.1 换流方式
5.1.1 逆变电路的基本工作原理 S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。
➢ S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。
直流电 交流电
4
5.1 换流方式
5.1.1 逆变电路的基本工作原理
逆变电路最基本的工作 原理 ——改变两组开关 切换频率，可改变输出 交流电的频率。
也叫电压换流。
电感耦合式强迫换流
当VT处于通态时，接通S使 LC振荡电流流过VT，先使晶 闸管电流减为零，然后流过反 并联二极管VD使其加上反向电 压。 也叫电流换流。
图5-3直接耦合式强 迫换流原理图
图5-4 电感耦合式强 迫换流原理图 10
5.1.2 换流方式分类
5.1 换流方式
• 换流方式总结：
器件换流——适用于全控型器件。 其余三种方式——针对晶闸管。 器件换流和强迫换流——属于自换流。 电网换流和负载换流——属于外部换流。
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单相桥全控整流电路
us
io Z uo
三相交流调压电路
us
单相交交变频电路
2) 电网换流（Line Commutation）
– 由电网提供换流电压的换流方式。 – 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。
电力电子技术 王兆安第五版 第5章
平均值分析
ton——V通的时间 toff——V断的时间 导通占空比
（2）电流断续 瞬态分析
I10=0，且t=ton+tx时， i2=0代入上
tx<toff
电流断续的条件：
平均值分析
典型例题
在降压斩波电路中，E＝110V，L=1MH，R=0.25Ω， Em=11V，T=2500us, ton=1000us, 计算：负载电 流平均值Io， 负载平均电压Uo, 计算负载电流的 最大值，最小值。 解题步骤： ①根据式 判断电流是否连 续。 ②由判断决定Uo,Io 的计算方法。 ③根据瞬时分析公式计算电流的最大值，最小值
续流二极管
（二） 工作原理
①电流连续
②电流断续
动态演示
（三）数量关系分析－ 从电路理论角度推导 （1）电流连续 瞬态分析
① V为通态期间， 设负载电流为i1，有 ：
设此阶段电流初值为I10， =L/R，解上式得
② V为断态期间，设 负载电流为i2，有：
设此阶段电流初值为I20， 解上式得：
<1>
<2> 且：I10＝i2(t2)，I20=i1(t1)，代入<1>,<2>
et1 / 1 E EM I10 T / e 1 R R
1 et1 / E EM I 20 T / 1 e R R
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等： EI1ton=(U0-E)I1toff
ton toff T Uo E E toff toff
ton toff T Uo E E toff toff
升压比的倒数记作 ，即
和的关系：
电力电子技术第五章
率，从而同时实现变压和变频。
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电力电子技术第五章
•5.1 概述
• 冲量（面积）等效原理
– 大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系 统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相 等，其作用效果基本相同。
– 可推广到阻感电路中。
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电力电子技术第五章
•5.1 概述
•形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
•0.4
•0.2
•k •1
• n=1,3,5,…时，
•n •0
• k=3(2m－1)±1 ，m=1,2,…；
•a•=•1.0 •a•=•0.8 •a•=•0.5 •a•=•0
•0 ••+-•2••+-•4 •0 ••+-•1••+-•3••+-•5 •0 ••+-•2••+-•4
•1
•2
•3
•角频率
• 死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍 偏离正弦波。
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电力电子技术第五章
•5.2.2 SPWM的基波电压
• SPWM脉冲电压：脉冲宽度按照正弦规律变化的 脉冲电压序列。
• 其基波电压幅值与各段脉宽有着直接关系，改变 各个脉冲的宽度，就可以平滑地调节逆变器输出 电压基波幅值。
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电力电子技术第五章
•5.2.4 异步调制和同步调制
• 异步调制 – 载波信号和调制信号不同步的调制方式，通常保持fc固定不变， 当fr变化时，载波比N是变化的 – 缺点： • 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定， 正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。 • 当信号频率增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，使得输出 PWM波和正弦波差异变大。
电力电子技术第5章dPPT课件
❖ 但是，SPWM的载波频率也不易过高，除了受功率器件 的允许开关频率制约外，还要考虑开关损耗和换流损耗 会随开关频率的提高而增加。另外，开关瞬间电压或电 流的急剧变化形成很大的du/dt或di/dt，会产生强的电磁干 扰，还会在线路和器件的分布电容和电感上引起冲击电 流和尖峰电压。
5.5.2 异步调制与同步调制
不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的 脉冲也不对称。 ❖ 当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生 的不利影响都较小。 ❖ 当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，脉冲不对称的 影响就变大。
2. 同步调制 ——载波比N等于常数，并在变频时使载波和 参考信号保持同步的调制方式。
压SPWM波由±2Ud/3、±Ud/3和0五种电平组成。
VD1
VD3
VD5
➢ 也可用等效电路法直接得到线电压
VT1
VT3
VT5
u
ZL
uuv和相电压uuN的波形。
Ud
iu v iv w
VT4
VT6
VT2
iw
ZL ZL
N
VD4
VD6
VD2
u
uru
uc
urv
urw
O
t
uuv
Ud
O
uuN
2U d 3
O
Ud
(3)输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应的速 度取决于控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所 以调节速度快，并且可使调节过程中频率和电压的配合 同步，以获得好的动态性能。
(4) 输出电压或电流波形接近正弦，从而减少谐波分量。
4. 关于SPWM的开关频率
❖ SPWM调制后的信号中除了含有参考信号和频率很高的载 波频率及载波倍频附近的频率分量之外，几乎不含其它 谐波，特别是接近基波的低次谐波。因此，SPWM的开关 频率越高，谐波含量越少，即载波频率越高，SPWM波越 接近正弦波。
5.5.2 异步调制与同步调制
不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的 脉冲也不对称。 ❖ 当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生 的不利影响都较小。 ❖ 当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，脉冲不对称的 影响就变大。
2. 同步调制 ——载波比N等于常数，并在变频时使载波和 参考信号保持同步的调制方式。
压SPWM波由±2Ud/3、±Ud/3和0五种电平组成。
VD1
VD3
VD5
➢ 也可用等效电路法直接得到线电压
VT1
VT3
VT5
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uuv和相电压uuN的波形。
Ud
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(3)输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应的速 度取决于控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所 以调节速度快，并且可使调节过程中频率和电压的配合 同步，以获得好的动态性能。
(4) 输出电压或电流波形接近正弦，从而减少谐波分量。
4. 关于SPWM的开关频率
❖ SPWM调制后的信号中除了含有参考信号和频率很高的载 波频率及载波倍频附近的频率分量之外，几乎不含其它 谐波，特别是接近基波的低次谐波。因此，SPWM的开关 频率越高，谐波含量越少，即载波频率越高，SPWM波越 接近正弦波。
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VD 3 V5
VD 5
N'
B
N
Ud 2
+ V4 C
VD4 V6
VD 6
V
C
2
VD 2
–
依次相差120°。 当urA>uc时，V4关断，V1或
uuuurrrUVWc
VD1导通，则uAN’=Ud/2
调制 电路
三相桥逆变电路
– 当urA<uc时， V1关断，V4 或VD4导通，则uUN’=-Ud/2
要它们的冲量即变量对时间
f (t)
f (t)
的积分相等，其作用效果基
d (t)
本相同。
– 图a-d四种激励分别加在具 有惯性的阻感负载时，其输 出响应基本相同。
O
t
O
t
c)
d)
图a、b、c、d分别为方波、三角波、正 弦半波窄脉冲、单位冲击函数δ（t） ， 面积都等于1。
-4-
电力工程系
5.1 概述
单相桥逆变桥阻感负载
V2保持导通，V1断开，
V3和V4交替通断；
uo可得-Ud和0两种电平
-13-
电力工程系
5.2.1 计算法和调制法
• 双极性PWM控制方式
u
ur uc
– 在ur的一个周期内，输出
的PWM波只有±Ud两种
O
t
电平
– ur正负半周，对各开关器
uo Ud
件的控制规律相同
uof uo
第5章 PWM控制技术
• PWM（Pulse Width Modulation）控制
– 对脉冲的宽度进行调制的技术，通过对一系列脉冲的宽度 进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。
电力电子技术课件05直流-交流(DC-AC)变换
第五章直流-交流（DC-AC）变换一、概述DC-AC变换器（无源逆变器)V1、V4和V2、V3轮流切换导通，u o为交变电压（1）电网换流 利用电网电压换流，只适合可控整流、有源逆变电路、交—交变频器（2）负载谐振式换流 利用负载回路中形成的振荡特性，使电流自动过零，只要负载 电流超前于电压时间大于t q ，即能实现换流，分串，并联。
VT 2、VT 3通后，u 0经VT 2、VT 3反向加在VT 1、VT 4上1. 晶闸管逆变电路的换流方式换流概念：直流供电时，如何使已通元件关断VT 1导通，C 充电左（-）右（+），为换流做准备； VT 2导通，C 上电压反向加至VT 1，换流，C 反向充电。
（3）强迫换流附加换流环节，任何时刻都能换流直接耦合式强迫换流2. 逆变电路的类型（1）电压源型逆变器电流源型逆变器电流源型逆变器功率流向控制（3）两类逆变器的比较比较点电流型电压型直流回路滤波环节电抗器电容器输出电压波形决定于负载，当负载为异步电动机时，近似为正弦波矩形输出电流波形矩形近似正弦波，有较大谐波分量输出动态阻抗大小续流二极管不需要需要过流及短路保护容易困难线路结构较简单较复杂适用范围适用于单机拖动，频繁加减速下运行，需经常反向的场合适用于多机供电不可逆拖动，稳速工作，快速性不高的场合二、强迫换流式逆变电路1.串联二极管式电流源型逆变器结构VT1～VT6为晶闸管C1～C6为换流电容VD1～VD6为隔离二极管2.工作过程（换流机理）（1）换流前运行阶段（2）晶闸管换流与恒流充、放电阶段（3）二极管换流阶段（4）换流后运行阶段diL dt引起三、逆变器的多重化技术及多电平化1. 多重化技术改善方波逆变的输出波形：中小容量：SPWM大容量：多重化技术思路：用阶梯波逼近正弦波（1）串联多重化特点：适合于电压源型逆变器二重化三相电压源逆变器单个三相逆变电路输出电压波形桥Ⅱ输出电压相位比桥Ⅰ滞后30º桥Ⅰ输出变压器△/Y,桥Ⅱ输出变压器△/Z变比为1变比为13二重化逆变电路输出电压比单个逆变电路输出电压台阶更多、更接近正弦。
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 5.2 交流调功电路
电力电子技术(第5版) 第5章 交流变换电路
5.2 交流调功电路
5.2 交流调功电路
1、与调压电路的比较：
同
电路形式完全相同
控制方式不同：以交流电源周波数为控制单断周波数
的比值来调节负载所消耗的平均功率。
应用
交流调功电路直接调节对象是电路的平均输出功率；
控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制；
晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都 是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。
5.2 交流调功电路
2、电阻负载时的工作情况：
控制周期为M倍电源周期， 晶闸管在前N个周期导通，后M－ N个周期关断；
负载电压和负载电流（也即
电源电流）的重复周期为M倍电
源周期；
M=3、N=2时
的电路波形
图5.2.1交流调功电路典 型波形
5.2 交流调功电路
3、谐波分析：
图5.2.2为以控制周期为基准 的交流调功电路的频谱图，In为 n次谐波有效值， Io为导通时电 路电流幅值；
电流中不含整数倍频率的谐 波，但含有非整数倍频率的谐 波，而且在电源频率附近，非 整数倍频率谐波的含量较大。
图5.2.2 交流调功电路的电 流频谱图(M =3、N =2)
5.2 交流调功电路
5.2 交流调功电路
1、与调压电路的比较：
同
电路形式完全相同
控制方式不同：以交流电源周波数为控制单断周波数
的比值来调节负载所消耗的平均功率。
应用
交流调功电路直接调节对象是电路的平均输出功率；
控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制；
晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都 是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。
5.2 交流调功电路
2、电阻负载时的工作情况：
控制周期为M倍电源周期， 晶闸管在前N个周期导通，后M－ N个周期关断；
负载电压和负载电流（也即
电源电流）的重复周期为M倍电
源周期；
M=3、N=2时
的电路波形
图5.2.1交流调功电路典 型波形
5.2 交流调功电路
3、谐波分析：
图5.2.2为以控制周期为基准 的交流调功电路的频谱图，In为 n次谐波有效值， Io为导通时电 路电流幅值；
电流中不含整数倍频率的谐 波，但含有非整数倍频率的谐 波，而且在电源频率附近，非 整数倍频率谐波的含量较大。
图5.2.2 交流调功电路的电 流频谱图(M =3、N =2)
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 5.4 交-交变频电路
图5.4.3交－交变频电路的波形图（a变化）
5.4.1 单相输出交－交变频电路
2、变频电路的工作过程（电感性负载）
图5.4.4 交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形
对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段 第一阶段：输出电压过零， u0为正，i0<0，反组整流器工作在有源 逆变状态，正组整流器被封锁；
5.4.1 单相输出交－交变频电路
2、变频电路的工作过程（电感性负载）
图5.4.4 交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形
第二阶段：电流过零。为无环流死区；
第三阶段：i0>0，u0>0。正组整流器工作在整流状态，反组整流器
被封锁。
5.4.1 单相输出交－交变频电路
2、变频电路的工作过程（电感性负载）
◆以低于电源的频率切换正反组整流器 的工作状态,在负载端就可获得交变的输出 电压；（如图5.4.2 ）
◆晶闸管的开通与关断必须采用无环流 控制方式，防止两组晶闸管桥同时导通；
图5.4.2 单相交流输入时交－ 交变频电路的波形图
5.4.1 单相输出交－交变频电路
电路控制特点：
（1）一个周期内控制角a固定不变时，输出电压为含有大量的谐波矩
电源进线通过进线电抗器 接在公共的交流母线上。
电源进线端公用,故三相单 相变频电路的输出端必须隔离， 为此，交流电动机的三个绕组 必须拆开，同时引出六根线。
主要用于中等容量的交流 调速系统。
图5.4.7公共交流母线进线方式的
三相交－交变频电路原理图
5.4.2 三相输出交－交变频电路
2、输出星形联结方式
5.4.2 三相输出交－交变频电路
交－交变频器主要用于交流调速系统中， 实 际使用的主要是三相交－交变频器。
5.4.1 单相输出交－交变频电路
2、变频电路的工作过程（电感性负载）
图5.4.4 交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形
对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段 第一阶段：输出电压过零， u0为正，i0<0，反组整流器工作在有源 逆变状态，正组整流器被封锁；
5.4.1 单相输出交－交变频电路
2、变频电路的工作过程（电感性负载）
图5.4.4 交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形
第二阶段：电流过零。为无环流死区；
第三阶段：i0>0，u0>0。正组整流器工作在整流状态，反组整流器
被封锁。
5.4.1 单相输出交－交变频电路
2、变频电路的工作过程（电感性负载）
◆以低于电源的频率切换正反组整流器 的工作状态,在负载端就可获得交变的输出 电压；（如图5.4.2 ）
◆晶闸管的开通与关断必须采用无环流 控制方式，防止两组晶闸管桥同时导通；
图5.4.2 单相交流输入时交－ 交变频电路的波形图
5.4.1 单相输出交－交变频电路
电路控制特点：
（1）一个周期内控制角a固定不变时，输出电压为含有大量的谐波矩
电源进线通过进线电抗器 接在公共的交流母线上。
电源进线端公用,故三相单 相变频电路的输出端必须隔离， 为此，交流电动机的三个绕组 必须拆开，同时引出六根线。
主要用于中等容量的交流 调速系统。
图5.4.7公共交流母线进线方式的
三相交－交变频电路原理图
5.4.2 三相输出交－交变频电路
2、输出星形联结方式
5.4.2 三相输出交－交变频电路
交－交变频器主要用于交流调速系统中， 实 际使用的主要是三相交－交变频器。
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 5.3 交流电力电子开关
电力电子技术(第5版) 第5章 交流变换电路
5.3 交流电力电子开关
作用
5.3 交流电力电子开关
将晶闸管反并联后串入交流电路代替机械开关， 起接通和断开电路的作用；
优点
◆响应速度快、无触点寿命长、可频繁控制通断；
◆控制晶闸管总是在电流过零时关断，在关断时不会 因负载或线路电感存储能量而造成过电压和电磁干扰；
图5.3.2 TSC理想投切时刻原理说明
5.3 交流电力电子开关
2、晶闸管投切时间的选择
3)电路特点：
◆由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源
电压峰值； ◆二极管不可控，响应速度要慢一些，投切电容器的最大
时间滞后为一个周波。图5. Nhomakorabea.3 晶闸管和二极管反并联方式的TSC
4）为避免电容器组投切造成较大 电流冲击，一般把电容器分成几组，如 图5.3.1(b)所示，可根据电网对无功的 需求而改变投入电容器的容量。
图5.3.1 TSC基本原理图
5.3 交流电力电子开关
2、晶闸管投切时间的选择
1）选择原则：投入时刻交流电源电压和电容器预充电 电压相等，防止冲击电流。
2）理想选择：理想情况下，希望电容器预充电电压为 电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过 程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。
◆提高功率因数、稳定电网电 压、改善用电质量
◆是一种很好的无功补偿方式
图5.3.1 TSC基本原理图
5.3 交流电力电子开关
1、电路结构和工作原理（晶闸管反并联）
1）实际常用三相TSC，可三角形联 结，也可星形联结。
2）反并联的晶闸管控制C并入电网 或从电网断开，如图5.3.1（a）。
3）串联电感很小，用来抑制电容 器投入电网时的冲击电流。
5.3 交流电力电子开关
作用
5.3 交流电力电子开关
将晶闸管反并联后串入交流电路代替机械开关， 起接通和断开电路的作用；
优点
◆响应速度快、无触点寿命长、可频繁控制通断；
◆控制晶闸管总是在电流过零时关断，在关断时不会 因负载或线路电感存储能量而造成过电压和电磁干扰；
图5.3.2 TSC理想投切时刻原理说明
5.3 交流电力电子开关
2、晶闸管投切时间的选择
3)电路特点：
◆由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源
电压峰值； ◆二极管不可控，响应速度要慢一些，投切电容器的最大
时间滞后为一个周波。图5. Nhomakorabea.3 晶闸管和二极管反并联方式的TSC
4）为避免电容器组投切造成较大 电流冲击，一般把电容器分成几组，如 图5.3.1(b)所示，可根据电网对无功的 需求而改变投入电容器的容量。
图5.3.1 TSC基本原理图
5.3 交流电力电子开关
2、晶闸管投切时间的选择
1）选择原则：投入时刻交流电源电压和电容器预充电 电压相等，防止冲击电流。
2）理想选择：理想情况下，希望电容器预充电电压为 电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过 程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。
◆提高功率因数、稳定电网电 压、改善用电质量
◆是一种很好的无功补偿方式
图5.3.1 TSC基本原理图
5.3 交流电力电子开关
1、电路结构和工作原理（晶闸管反并联）
1）实际常用三相TSC，可三角形联 结，也可星形联结。
2）反并联的晶闸管控制C并入电网 或从电网断开，如图5.3.1（a）。
3）串联电感很小，用来抑制电容 器投入电网时的冲击电流。
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 5.1 交流调压电路
一些； 4） 角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所
减少；
5.1.2 三相交流调压电路
1、三相四线制调压电路特点：
1）相当于三个独立的单相交流调压 电路组合而成的；
2）存在中性线，但是3次谐波在中 线中的电流大，故中线的导线截面要求 与相线一致；
3）晶闸管的门极触发脉冲信号，同 相间两管的触发脉冲要互差180°。
)e tan
]dt
IT
1
(
2U
) 2 [s in(t
)
sin(
t
)e tan
]2
dt
2 Z
U sin cos(2 )
Z
cos
(5.1.9) (5.1.10)
(5.1.11)
IO 2IT
(5.1.12)
5.1.1 单相交流调压电路
调压电路在不同α时的工作情况
2、α =ф
由
式中 n=1为基波，n=3,5,7,…为奇次谐波。随着谐波次数n的增加，谐 波含量减少。
5.1.1 单相交流调压电路
2、阻感性负载 （R-L负载）
单相交流电压器带阻感负载时， 工作情况同可控整流电路带电感负 载相似；
当电源电压反向过零时，负载 电感产生感应电动势阻止电流的变 化，故电流不能立即为零；
1、α>ф，导通角θ≺1800，正负半波电流断续。α愈大，θ愈小， 波形断续愈严重。
负载电压的有效值UO、晶闸管电流平均值IdT、电流有效值IT以及负 载电流有效值IO分别为：
U 0
1
(
2U
sint)2 dt U
sin2 sin2( )
I dT
1 2
[sin(t
)
sin(
减少；
5.1.2 三相交流调压电路
1、三相四线制调压电路特点：
1）相当于三个独立的单相交流调压 电路组合而成的；
2）存在中性线，但是3次谐波在中 线中的电流大，故中线的导线截面要求 与相线一致；
3）晶闸管的门极触发脉冲信号，同 相间两管的触发脉冲要互差180°。
)e tan
]dt
IT
1
(
2U
) 2 [s in(t
)
sin(
t
)e tan
]2
dt
2 Z
U sin cos(2 )
Z
cos
(5.1.9) (5.1.10)
(5.1.11)
IO 2IT
(5.1.12)
5.1.1 单相交流调压电路
调压电路在不同α时的工作情况
2、α =ф
由
式中 n=1为基波，n=3,5,7,…为奇次谐波。随着谐波次数n的增加，谐 波含量减少。
5.1.1 单相交流调压电路
2、阻感性负载 （R-L负载）
单相交流电压器带阻感负载时， 工作情况同可控整流电路带电感负 载相似；
当电源电压反向过零时，负载 电感产生感应电动势阻止电流的变 化，故电流不能立即为零；
1、α>ф，导通角θ≺1800，正负半波电流断续。α愈大，θ愈小， 波形断续愈严重。
负载电压的有效值UO、晶闸管电流平均值IdT、电流有效值IT以及负 载电流有效值IO分别为：
U 0
1
(
2U
sint)2 dt U
sin2 sin2( )
I dT
1 2
[sin(t
)
sin(
机工社2023电力电子技术 第6版教学课件第5章 直流直流变换电路
开关周期开始时刻的电容电压值相等。故式(5-1)中uC(TS) = uC(0)，所以电容
电流在一个开关周期内的平均值Ic = 0。
5-7
5.1 直接直流变流电路
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路 5.1.4 丘克斩波电路 5.1.5 多重斩波电路
5-8
5.1.1 降压斩波电路
5-20
5.1.3 升降压斩波电路
数量关系
电感电压在一个周期的平均值UL可以表示为
UL
U iton
U otoff Ts
由伏秒平衡，UL=0，可得
Uo D Ui 1 D
（5-6）
等式右边的负号表示升降压电路的输出电压与输入电压极性相反，其数 值既可以高于其输入电压，也可以低于输入电压。
S Ui
5-5
5.1 直接直流变流电路
伏秒平衡
电感两端电压在一个开关周期内的平均值：
其中： 可得：
1
UL Ts
TS 0
uL
(t
)
d
t
uL
(t)
L
d
iL (t) dt
U L
1 Ts
TS L d iL (t) d t 0 dt
1
Ts
TS 0
L
d
iL
(t
)
L Ts
[iL (TS
)
iL
(0)]
（5-1）
uL O
t1~t2时段：开关S关断，二极管VD 导通，电感通过VD向电容C放电，电感 电流不断减小。
t2~t3时段：t2时刻电感电流减小到 零，二极管VD关断，电感电流保持零值
，并且电感两端的电压也为零。
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VVVDDD3 21和和VVDD34导截通止、
|u2| R ud uVVD4D3=0， c)uVD1,4= -|u2|
Ud
1π
0
2U2s i ntd(t)0.9U2
5.2.1 单相不控整流电路
➢ 在单相输入的AC-DC整流电路中，单相桥式整流 电路应用极为广泛。
➢ 半波整流电路交流电源电流是单方向的，电源变 压器存在直流磁化现象，是半波整流电路的应用 不广泛的主要原因之一。
二极管导通 VD1导通 VD1导通 VD1截止 情况
负载电压ud u2
u2
0
负载电流id 有
有
0
二极管端电 0
0
u2
压uVD1
5.2.1 单相不控整流电路
VD1 iVD1 id
iVD2
u2
VD2
ud
L eL
R
id
O iVD1
O iVD2
d)
2 t
2 t
O
t
g)
带续流二极管的单相半波整流 电路带阻感负载电路及带大电
感负载电流波形波形
表5-3 单相半波不控整流电路大电感负载带续流二 极管时各区间工作情况
ωt
0～π
π～2π
二极管导通情况
负载电压ud 负载电流id 整流二极管电流iVD1 续流二极管电流iVD2 整流二极管端电压 uVD1 续流二极管端电压 uVD2
VD1导通、 VD2截止 u2 水平直线 矩形波 0 0
➢ 而桥式和全波电路电源电流双向流动，使交流电 源得到充分利用，也不存在电源变压器直流磁化 现象。
5.2.2 三相不控整流电路
VD1 VD3 VD5
5.2 不控整流电路
➢ 利用电力二极管的单相导电性可以十分简单地实现交 流—直流电力变换。
➢ 由于二极管整流电路输出的直流电压只与交流输入电压 的大小有关，不能控制其数值，故称为不控整流电路。
5.2.1 单相不控整流电路
Ø表5-1 单相半波不控整流电路电阻负载时各区间工作情况
u1
u2 O ud
uVDO1 O
电源变压器副边电压有效值为U2
5.2.1 单相不控整流电路
VD1
VD1
id
-
u2
ud
L eL u2
ud
L
e
L
+
R
+
R
b)
c)
u2
t1
O
2
t
ud
O
2
t
id
O
t
f)
不带续流二极管的单相半波整 流电路带阻感负载电路及波形
表5-2 单相半波不控整流电路阻感负载时各区间 各区间工作情况
ωt
0～π
π～ωt1 ωt1～2π
电力电子技术第五章
第5章 AC－DC变换器
基本内容
1 概述 2 不控整流电路 3 相控整流电路 4 相控有源逆变电路 5 PWM整流电路 6 同步整流电路
5.1 概述
➢ 凡能将交流电能转换为直流电能的电路统称为整流电路， 简称为AC-DC。
➢ 整流电路是出现最早的电力电子电路，自20世纪20年代至 今已经历了以下几种类型：
-
AC +
R
-
AC +
ud
VD2
b)
c)
d)
图5-2 单相全波整流负载电压波形 a)单相全波整流电路负载电压波形 b)单相全波整流电路 c)交流输入正
半周整流电路工作图 d)交流输入负半周整流电路工作图
5.2.1 单相不控整流电路
表5-4 单相全波整流电路各区间工作情况
ωt
0～π
π～2π
VD1
二极管VD1导通 VD1导通V、D1VD2 VD2导通、VD1
-|u2|
VD1截止、 VD2导通 0
0 矩形波 u2
0
5.2.1 单相不控整流电路
u2
O
2
t
ud
uVDO1
2
t
2
O
t
单相半波整e)流电路带电 阻性负载电路及波形
ud
O
2 t
图5-2a 单相全波整流电 路负载电压波形
➢ 半波整流负载电压仅为交流电源的 正半周电压，造成交流电源利用率 偏低，输出脉动大，因此使用范围 较窄。
VD4
VD2
V)
b)
图5-2 单相全波整流电路
c)
a)
图5-3 单相桥d)式整流电路
b
5.2.1 单相不控整流电路
VD1
VD3
VD1
u2
AC +
R
-
VD2
VD4
VD2
a)
VD3
R VD4
VD1
-
ud AC + VD2
b)
VD3 R ud
VD4
c)
a)单相桥式整流电路 b)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 c)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图
单相全波整流电路必须要有一个带中心抽头的变压器，且二极管承受的 最高电压为2 2U2。 为获得全波整流电路的负载电压波形，并克服全波整流电路的缺点，可 采用桥式整流电路
2 t
VD1 u2 R u2
VD2
VD1
AC
+ -
R
AC + -
ud
VD2
VD1
VD1 VD3
-
AC
u2 +
R
-
R
AC +
ud
VD2
旋转式变流机组（交流电动机-直流发电机组） 静止式离子整流器和静止式半导体整流器
➢ 整流电路有多种分类方法
按交流电源输入相数来分类，可分为单相与多相整流电 按电路结构来分类，可分为半波、全波与桥式整流电路 若按整流电路中使用的电力电子器件来划分，可分为不控整流电
路、相控电路、PWM整流电路
5.2.1 单相不控整流电路
VD1
VD3
u2
R
VD2
VD4
a)
Ø表5-5 单相桥式整流电路各区间工作情况
ωt
0～π
π～2π
二极管导 通V情D1况
VVVDDD3 12和 和VVDD43导 截V通 止D1 、
AC +
ud -
|u2| R
-
ud AC +
VD2
uVD
VD4
uVD1,4=0，
VD2
b)uVD2,3= -|u2|
VD1
单
u2
相 交
流
ud R
a)
2
t
2
t
2
t
e)
图5-1 单相半波整流电路 带电阻性负载电路及波形
ωt
0～π
π～2π
2π～3π
二极管导 VD1导通 VD1截止 VD1导通 通情况
负载电压ud u2
0
u2
负载电流id u2/R
0
u2/R
二极管端 0 电压uVD1
u2
0
负载电压 平均值Ud
1π
20
2U2sintd(t)0.4U 52
t
u2 R u2
情况 AACCuudVD++-- 1和uuRdVD2
截止 -
AC
|u2|
+ -
R
AC
uVD1=0+，
ud
截止 |u2| uVD1= -|u2|，
VD2
VD2
uVD2= -|u2V|D2
uVD2=0
b)
Ud
c)
1π
0
2U2ds) i ntd(t)0.9U2
5.2.1 单相不控整流电路
➢ 若能经过变换将交流电源的负半周 电压也得到利用，即获得图5-2a中 的负载电压波形，则负载电压平均 值Ud可提高1倍，电源利用率大大 提高。
➢ 采用单相全波整流电路
5.2.1 单相不控整流电路
➢ 单相全波整流电路
ud
O
2 t
a)
VD1
u2
R
u2
VD2
VD1
AC
+ -
R
AC + -
ud
VD2
VD1