电力电子第五章 ACDC变换器(整流和有源逆变电路)

2 2
t
二极管端 电压uVD1 负载电压 平均值Ud
0
1 2
u2
t
0
π
2U 2 sin td(t ) 0.45U 2
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
VD 1 L R eL
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
u2
ud
b)
u2 O ud O id O f) 2
O
t
要把脉动的直流编程波形平整的直流，“填平取齐”工作， 即所谓的滤波工作 常用的滤波电路：电容滤波、电感滤波、复式滤波
c)
上次课主要内容回顾
VD 1 单 相 交 流 a)
VD1
VD 1
u2
ud R
VD 3 R VD 4
R
u2
u1
u2
u2
VD2
VD2
T
b)
a)
a b c R ud
VT1 VT2 VT3 id
– 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
VD 1 L R eL
VD 1 i VD1 id iVD2 u2 VD2 ud L eL R
u2
ud
带续流二极管的单相 半波整流电路
u2
b)
d)
u2 O ud O id O f) 2
t1
2
t
O ud

t1
2
t
t
O id

2
t
t
O f)
t
消除了负载电压为出 现负值的现象
i2,ud i2 0
详细分析
iR C R
VD3 iC ud +
将时间坐标原点取在u2正半周内， VD1 和 VD4 导通的起始时刻。设 VD1 和 VD4 导通的时刻与u2过零点相距δ角，则:
u2 2U 2 sin(t )
VD4
ud
在VD1和VD4导通期间，以下方程成立:
ud (0)
t1
2
感性负载时，直流 ωt 0～π 电压将出现负值， 降低了直流平均电 二极管导 VD1导 压 通情况 通 t
t
π～ωt1 VD1导 通 u2 有 0
ωt1～2π VD1截止 0 0 u2
负载电压 ud 负载电流 id 二极管端 电压 uVD1
u2 有 0
t
5.2.1 单相不控整流电路
表5-5 单相桥式整流电路各区间工作情况
ωt
VD1
u2
0～π
1 3 1
π～2π
3
VD 3 R VD 4
VD2
二极管 VD 导通情 况 VD ud
AC + 2
VD 导通、VD 和VD3导通、 VD 1和VD4 VD VD 2 VD2和VD3截止 VD1和VD4截止
R
ud
AC +
R
ud
|u2|
b)
VD4
R
R
ud
VD2
共阴极接法 R
ud
t
AC
AC
VD2
T
a b c R
2 VTVD 1
b)
c)
VT2 VT3 id
d)
抑制3次谐波电流流入 电网
ud
为了得到零线，副方必 须采用星形接法（零式 整流电路）
5.2.2 三相不控整流电路
T a b c R ud VT1 VT2 VT3 id
u2 ua ub uc
t
负载电压ud 负载电流id
t
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
矩形波 0 0
-|u2|
0 矩形波 u2
0
t
5.2.1 单相不控整流电路
u2 O ud O uVD1 O 2 2 2
t
t
• 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。 • 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52a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
R
ud
VD2
R
ud
VD2
t
u2
VD2
AC
VD AC 1
u2 u2
b) VD
u2 u2
3
c)
d)
R
VD2 VD4
VD4
5.2.1 单相不控整流电路
VD3
VD1
u2
VD 3 R VD 4
单相桥式整 VD1 VD3 流电路
AC + -
VD1
u2 u 2
VD2
R VD4
VD2
VD2
a)
VD4
b)
能够克服全波整流电路二 极管承受电压高、需要复 杂的抽头变压器等不足之 处
5.2.1 单相不控整流电路
VD 1 i VD1 id iVD2 u2 VD2 ud L eL R
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 二极管导通情况
2
0 ～π VD1导通、 VD2截止 u2 水平直线
π～2π VD1截止、 VD2导通 0
d)
id O iVD1 O iVD2 O g) 2
5.2.1 单相不控整流电路
VD 1 u2 VD 2
VD3 R VD4
AC
VD 1
+ -
VD3 R VD4 ud
AC
VD 1
+
VD3 R VD4 ud
VD 2
VD 2
a)
b)
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
5.2.1 单相不控整流电路
T
a b c
VT1 VT3 VT5
O
t
5.2.2 三相不控整流电路
VT4 VT6 VT2
ud R
三相 交流
VD1
VD3
VD5
T
a b c R
a b c
VT1 VT3 VT5
ud R
VD4 VD6 b)
VD2
5.2.2 三相不控整流电路
VD1 VD3 VD5 三相 交流 a b c R
共阴 极组
2
ωt
ud R
0 ～π
π～2π
2π～3π VD1导通 u2 u2/R 0
u1
u2
VD1导通 VD1截止 二极管导 通情况 负载只获得了电源半个周期
u2 O ud O uVD1 O e)
t
的电压，因此，该电路也称 0 负载电压ud u2 为单相半波整流电路 0 负载电流i u /R
d 2
u2
ud
L R
eL
b)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
VD1
u2
R
AC
t
u2
VD2
AC
• 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。
a)
b)
VD 1
u2
VD 3 R VD 4
AC
VD 2
a)
5.2.2 三相不控整流电路
VD1 VD1
AC + + -
VD1
AC + +
u2 u2
三相 交流
VD1
VD3
VD5
a b c R
VD4
VD6
VD2
b) 电路
5.2.3 整流滤波电路
1. 电容滤波电路
id VD1 i2 a u1 u2 b VD2 VD4 VD3 iC ud +
iR C R u1
T
i2 u2
id ic ud + C iR R
5.2.3 整流滤波电路
id VD1 i2 a u1 u2 b VD2
5.2.2 三相不控整流电路
• • • 共阴极组的3个二极管中阳极所接交流电压值最高的一个二极管导通； 共阳极组的3个二极管中阴极所接交流电压值最低的一个二极管导通。 即任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个二极管处于导通状态。
电路
VD1 VD3 VD5
t1
O u 2 u a u b u c
t2
b)
uVD1VD 和 2 uVD2 c) Ud
uVD1=0， VD2 uVD2= -2|u2|
1
d)

0
π
2U 2 sin td(t ) 0.9U 2
5.2.1 单相不控整流电路
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 2U 2
共阴极连接
VD1
ud VD1
AC + -
VD1
AC -
ud O t
u2 2
R
R
O
t
u2
VD2
AC
+ -
ud
VD2
a)
AC
2 -
+
R

2
t
+
ud
VD2
VD3
b)
c)
u2 u2
R
d)
图5-2 单相全波整流电路
共阳极连接
VD4
5.2.1 单相不控整流电路
VD1 VD1
AC + + -
VD3
AC + +
VD1
u2
R
电力电子技术
Power Electronic Technology
杨淑英 合肥工业大学电气与自动化工程学院
第5章 AC－DC变换器
基本内容
1 2 3
概述 不控整流电路 相控整流电路 相控有源逆变电路
4
5 6
PWM整流电路 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：
Ⅲ Ⅳ ubc uba Ⅴ Ⅵ uca ucb
t
三相 交流
a b c R
u 2L u d Ⅰ Ⅱ uab uac uab uac
VD4
VD6
VD2
O
b) 电路
t
图5-4 三相桥式整流电路 和负载电压波形
c)
电压波形
5.2.2 三相不控整流电路
将负载电压ud波形中的一个周期分成6段，每段60°，每段导通的二极管及输出整 流电压的情况如表5-6所示。
2
2U 2 sin
VD2
|u2|
c)
VD4
a)
uVD
Ud
uVD1,4=0， uVD2,3= -|u2|
1
uVD3=0， uVD1,4= -|u2|

0
π
2U 2 sin td(t ) 0.9U 2
5.2.1 单相不控整流电路
VD 1
• 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。
ud • 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 O 2 原因之一。
2π 3 π 3
3 2U 2 sin td(t ) 2.34U 2
5.2.3 整流滤波电路
ud
u 2 u a u b u c
t1
O
t2
Ⅲ Ⅳ ubc uba Ⅴ Ⅵ uca ucb
t
O

2
t
u 2L u d
Ⅰ Ⅱ uab uac
uab
uac
虽然都是单方向的电 能，当脉动较大
VD4
VD6
VD2
b) 电路
• 单相交流整流电路所能提供的功 率通常限制在2.5kW以下，要求更 大功率直流电源的设备就需要利 用三相交流电源和三相整流电路， 其中最普及的是三相桥式整流电 共阳 路。 极组
a) 整流模块
三相桥式整流电路
• 由于三相桥式整流电路多用于中、 大功率场合，因此很少采用单个 二极管进行组合，而多采用三相 整流模块，如左图a)所示。
5.2.1 单相不控整流电路
• 单相全波整流电路
ud
u2
VD1
VD1
AC + + -
VD1
AC + +
R
R
ud
VD2
R
ud
VD2
O

2
t
u2
VD2
AC
AC
a)
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
t
单相半波整流电路带电 e) 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
5.2.1 单相不控整流电路
u2 O ud O uVD1 O 2 2 2
• 如何利用负半周？
t
t
t
单相半波整流电路带电 e) 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
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与交流 输入电压的大小有关，不能通过电路本身控 制其数值，故称为不控整流电路。
5.2.1 单相不控整流电路
单相半波不控整流电路电阻负载时各区间工作情况
VD 1 单 相 交 流 a)
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
VD1
u2
R
t
u2
VD2
0～π VD VD 二极管导 VD1导通、 + AC 截止 R AC 通情况 VD R 2 + AC ud +- ud |u2|AC + ud
1 1
ωt
π～2π VD2导通、 VD1截止 |u2| uVD1= -2|u2|， uVD2=0
O t1
t2
t3
t4
t
5.2.2 三相不控整流电路
T a b c R
T
VT1 VT2 VT3 O id
u2
ua
ub
uc
t
ud a
b c R ud
VT1 VT2 VT3 id
u2
ua
ub
uc
O
t
5.2.2 三相不控整流电路
VT4 VT6 VT2
ud R ud R id
u2
ua
ub
uc
时
• 表5-6 情况
三相桥式整流电路各区间工作
段
I
II
III
IV
V
VI
共阴极组中导通的二极 VD1 VD1 VD3 VD3 VD5 VD5 管
共阳极组中导通的二极 VD6 VD2 VD2 VD4 VD4 VD6 管
整流输出电压ud 整流电压平均值Ud uab
1 π 3
uac
ubc
uba
uca
ucb