交流直流变换器-整流器.ppt

第5章交流/直流变换器,1,电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）,第5章交流/直流变换器,2,第五章交流/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,第5章交流/直流变换器,3,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。,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称为整流器。,第5章交流/直流变换器,4,第五章交流/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,第5章交流/直流变换器,5,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,第5章交流/直流变换器,6,负半周：D1受反压截止，D2导通，正的B相电压加到负载两端，vD=vBO,iB=iD,正半周：D1受正压而导通，D2截止，正的A相电压加到负载两端，vD=vAO,iA=iD,两相半波(双半波)不控整流,不控整流电路,工作原理（理想情况下）：,第5章交流/直流变换器,7,特点：正负半波均有输出；两相电压通过变压器中心抽头得到；一个电源周期TS中脉波数m=2，易滤波；电源电流正、负对称，无直流分量；性能优于单相半波不控整流,计算：整流电压直流平均值,双半波不控整流,VD不能调控，为不控整流,第5章交流/直流变换器,8,原理及波形分析：,与两相半波电路相比：相同点：vD波形、is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,第5章交流/直流变换器,9,原理及波形：,特点：直流平均值较高；vD脉动较小，脉动频率=3fs；is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m3,第5章交流/直流变换器,10,三相桥式不控整流,电源相电压有效值,电源线电压有效值,脉波数m=6脉波宽60,第5章交流/直流变换器,11,三相桥式不控整流,特点：直流平均值高；整流电压脉动频率=6fs，脉动较小，易滤波；is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,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,第5章交流/直流变换器,12,相控整流电路,相控整流电路：实现ACDC电能变换的晶闸管电路。,第5章交流/直流变换器,13,T1、T4一组，T2、T3一组：两组间、上下桥臂间触发脉冲相差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：,名词术语,换相（换流）,工作原理动态演示,相控整流,第5章交流/直流变换器,14,单相桥式全控整流,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Vd,第5章交流/直流变换器,15,(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,第5章交流/直流变换器,16,(5)负载电阻上电压有效值VL：,(4)次级绕组电流有效值IS负载电流有效值IL,单相桥式全控整流,第5章交流/直流变换器,17,电源视在功率S=VSIS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）,第5章交流/直流变换器,18,三相桥式全控整流,基本工作原理,输出电压VD=VPN=VPO-VNO6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，换相点为2、4、6。,第5章交流/直流变换器,19,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,第5章交流/直流变换器,20,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,第5章交流/直流变换器,21,vD波形依然由6段线电压波形组成，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,第5章交流/直流变换器,22,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,三相桥式全控整流,第5章交流/直流变换器,23,60o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、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sin(+-)0,+-，-(-)0；,动态演示,(3)L、较大，较小且时，导电角，电流断流,R，很大，90时，VD0，整流器输出功率PD=VDID0，整流器将交流电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，vc时D2D3才导电，vD=-vs正半周vsvD1；,工作原理,第5章交流/直流变换器,81,=0,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。有平衡电抗器：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,第5章交流/直流变换器,82,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,第5章交流/直流变换器,83,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),第5章交流/直流变换器,84,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：,第5章交流/直流变换器,85,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N0=N1，原方A相电流为：,第5章交流/直流变换器,86,绕组N1相电流iaN1=ia1,交流电流,绕组N2相电流：iaN2=(ia2ib2)/3,第5章交流/直流变换器,87,iaN1=ia1的傅立叶级数表达式为：,交流电流,第5章交流/直流变换器,88,12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,第5章交流/直流变换器,89,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，称为并联多重结构；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的场合，并联输出适用于输出大电流的场合。,带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路的特点,第5章交流/直流变换器,90,第五章交流/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,第5章交流/直流变换器,91,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,第5章交流/直流变换器,92,有源逆变原理,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；,第5章交流/直流变换器,93,电流连续情况,0，变换器将交流电变为直流电向直流负载供电，整流变换,90：vD负面积大于正面积，故VD/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,第5章交流/直流变换器,96,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：,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,第5章交流/直流变换器,97,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,第5章交流/直流变换器,98,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：+=，=,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,第5章交流/直流变换器,99,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,第5章交流/直流变换器,100,对三相桥式电路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。,第5章交流/直流变换器,123,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,第5章交流/直流变换器,124,第五章交流/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