第3章电力电子变换电路

1、1电力电子与现代生活电力电子与现代生活3 第三章第三章 电力电子变换电路电力电子变换电路 3.1 整流电路 3.2 直流-直流变流电路 3.3 交流-交流变流电路 3.4 逆变电路 3.5 PWM控制技术43.1 整流电路整流电路整流电路：将交流电变换为固定或可调的直流电。51、单相半波不可控整流电路、单相半波不可控整流电路62、单相桥式不可控整流电路、单相桥式不可控整流电路72、单相桥式不可控整流电路（电容滤波）、单相桥式不可控整流电路（电容滤波）0iudqdp2pwti,ud+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud基本工作过程基本工作过程：在u2正半周过零点至w wt =

2、 0期间，因u20； 大小与控制角a有关； a增加，输出电压减小。输出电流：波形平滑，对负载有利。12u三个二极管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法 。u二极管换相时刻为自然换相点，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a =0。1、三相半波不可控整流电路、三相半波不可控整流电路共阴极的二极管，阳极电位高的导通。阳极电位低的承受反压。Rid D D Dv变压器，三相交流电，二极管132、三相半波可控整流电路、三相半波可控整流电路将二极管更换为晶闸管。不同的控制角，输出电压波形不同，大小也不同。电阻负载：输出电压：为直流 ； 大小与控制角a有关； a增加，输出电压减小。输出电

3、流：波形与输出电压相同，不平滑，对负载不利。14三相半波可控整流电路：三相半波可控整流电路：a a = 30 工作模态：3个SCR导通角：120 VT1 起、止相位：移相范围： 150 15三相半波可控整流电路：三相半波可控整流电路：a a = 60 163、三相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路共阳极组共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）图2-17 三相桥式全控整流电路原理图导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6共阴极组共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）17wwu2ud1ud2u2Luduab

4、uacubcubaucaucbuabuacuaucubwt1OtOta = 0三相桥式全控整流电路带三相桥式全控整流电路带电阻负载电阻负载a a=0 时的波形时的波形18三相桥式全控整流电路带电阻负载a =30 时的波形wwud1ud2a = 30OtOtuduaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuac19三相桥式全控整流电路带电阻负载a =60 时的波形wwa = 60ud1ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtwt1Ot203.1.3 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态什么是逆变？什么是逆变？逆变（Invertio

5、n）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。v有源逆变电路交流侧和电网连结。 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。v无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，将在后面介绍。对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路变流电路。213.1.3 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态直流发电机直流发电机电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转:图2-44 直流发电机电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG E

6、M b）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路 电路过程分析。 两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。+-223.1.3 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态产生逆变的条件有二产生逆变的条件有二：v有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。v 晶闸管的控制角a 90 ，使Ud为负值。MLREMUd+-+-Id三相桥整流电路的有源逆变三相桥整流电路的有源逆变:233.1.3 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出

7、电压波形及晶闸管两端电压波形如图所示。图 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形243.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路 直流直流- -直流变换直流变换：将一个直流电压变换成为另一个可控的直流输出电压，称之为DC-DC变换。直流-直流变流器，它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于直流牵引变速拖动中，如由直流电网供电的地铁车辆、城市无轨电车和电动汽车等；直流斩波器还广泛应用于可调整直流开关电源和电池供电的设备中，如通信电源、电子笔记本、计算机、家用电器、远程控制器和手提电话等。253.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路若已知一个直流电压，怎样获得另一数值的直流

8、电压？两种直流变换调节模式及比较：两种直流变换调节模式及比较：线性调节器模式: 如图3-1a所示，在这种模式中晶体管工作在线性工作区。晶体管模型可以用可调电阻RT等效，晶体管功率损耗较大。开关调节模式: 如图3-2a所示。假设：晶体管为理想开关，则该晶体管关断时，阻抗极大；晶体管导通时，内阻为零；在理想开关情况下，晶体管损耗为零。263.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路图3-1 a 线性调节器模式 b 等效电路 图3-2 a开关调节模式图 b 等效电路图 c 输出电压两种直流变换调节模式及比较：两种直流变换调节模式及比较：273.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路直流-直流变流（DC

9、/DC Converter）分类：包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。 3.2.1 3.2.1 直接直流变流电路直接直流变流电路 也称 斩波电路（DC Chopper）。 一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。 3.2.2 3.2.2 间接直流变流电路间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了交流环节。 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直交直电路。 283.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路 3.2.1 直接直流变流电路直接直流变流电路直流斩波电路直流斩波电路293.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路（Buck Chopper)

10、 电路结构负载反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。开关续流二极管滤波电感303.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路降压斩波电路工作原理:EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOO波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoa) 电路图vt=0时,驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io上升。vt=t1时,控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo为零，负载电流下降。v通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。负载平均电压Uo313.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路降压斩波电路：降压斩波电路：EV+-MRLVDioEMuoiGtt

11、tOOO电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uo 负载电压平均值：tonV通的时间通的时间 toffV断的时间断的时间 -导通占空比导通占空比由公式可见，输出电压低于输由公式可见，输出电压低于输入电压。入电压。EETtEtttUaonoffononoT = ton+toffUo323.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路2、 升压斩波电路（升压斩波电路（Boost Chopper）滤波电容滤波电容保持输出电压稳定储能电感储能电感 电路结构开关隔离二极管333.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路升压斩波电路工作原理：v假设L和C值很大。vV处于通态时，电源E向

12、电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。vV处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。0uGE0ioI1图5-2 升压斩波电路及工组波形b) 波形tontoffu0 i1 343.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路升压斩波输出电压： T/ toff 1，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。EtTEtttUoffoffoffono升压斩波电路典型应用：一是用于直流电动机传动（回馈电能）；二是用作单相功率因数校正（PFC）电路；三是用于其他交直流电源中。T = ton+toff353.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路3. 升降压斩波电路

13、升降压斩波电路 ( buck -boost Chopper) 电路结构+-储存电能储存电能开关续流二极管363.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路升降压斩波电路的升降压斩波电路的工作工作原理原理vV通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。vV断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。+otb)oti1i2tontoffILIL373.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路升降压斩波电路的输出电压为：（5-41）EEtTtEttUaa1ononoffonov当tontoff

14、，即0a 1/2时，Uotoff ，即1/2a E，为升压； v故称作升降压斩波电路，或buck-boost 变换器。383.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路 3.2.2 间接直流变流电路间接直流变流电路 图图 5-10 间接直流变流电路的结构间接直流变流电路的结构 同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为 直直交交直电路直电路。 采用这种结构较为复杂的电路来完成直流的变换有以下原因采用这种结构较为复杂的电路来完成直流的变换有以下原因: 输出端与输入端需要输出端与输入端需要隔离隔离。 某些应用中需要相互隔离的某些应用中需要相

15、互隔离的多路输出多路输出。 输出电压与输入电压的输出电压与输入电压的比例比例远小于远小于1或远大于或远大于1。 交流环节采用交流环节采用较高的工作频率较高的工作频率，可以减小，可以减小变压器变压器和滤波电感、和滤波电感、滤波电容的体积和重量。滤波电容的体积和重量。393.2.2 间接直流间接直流-直流变流电路直流变流电路 间接直流变流电路间接直流变流电路主要包括正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路和推挽电路。 主要介绍以下几种： 1、 正激电路正激电路 2、 推挽电路推挽电路 3、 半桥电路半桥电路 4、 全桥电路全桥电路 403.2.2 间接直流间接直流-直流变流电路直流变流电路1. 正激

16、电路正激电路这是一种当开关器件S接通时向二次线圈供能的方式。S接通时，变压器一次线圈N1外加输入电压，同时，由二次线圈N2感应的电压通过二极管VD1加以整流；在S断开时，利用电感L的储能通过续流二极管VD2再由输出滤波器LC加以平波供给负载。VinVoLSD1D2基本正激型变换器N1N2v正激电路比较简单，适用于中小容量输出。缺点是变压器只能加单向电压，利用率较低，输出滤波器容量较大。41VinVoLSD1D2基本正激型变换器基本正激型变换器需要复位电路（略）3.2.2 间接直流间接直流-直流变流电路直流变流电路正激电路的实用电路及工作波形：电流连续时的波形tOV0423.2.2 间接直流间接

17、直流-直流变流电路直流变流电路2. 推挽电路推挽电路一种适合中容量至大容量的方式，其基本电路和波形。VinVoLS1D1D2S2推挽变换器tOV0433.2.2 间接直流间接直流-直流变流电路直流变流电路3、 半桥电路半桥电路VinVoLS2D1D2S1半桥变换器uN1适合中容量至大容量的方式，其基本电路和波形。tOV0V0443.2.2 间接直流间接直流-直流变流电路直流变流电路4、 全桥电路全桥电路一种中容量至大容量常用的方式，其基本电路和波形：全桥变换器VinVoLS4D1D2S3S1S2N1uN1S1,S4S2,S3tOV0V0453.2 直流直流-直流变流电路直流变流电路表表 5-1

18、 各种不同的间接直流变流电路的比较各种不同的间接直流变流电路的比较电路电路优点优点缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域正激正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W几kW各种中、小功率电源反激反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。全桥全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可

19、靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W几kW低输入电压的电源463.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路引言 交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。 包括以下两种： 交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路。 变频电路：改变频率的电路。(不常用)交流电力控制电路交流调压电路 相位控制交流调功电路 通断控制交流电力电子开关473.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路-引言引言交流电力控制电路的结构结构：两

20、个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管的导通情况就可控制交流电力。电路图：两个晶闸管反并联双向晶闸管483.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路-引言引言交流电力控制电路类型： 交流调压电路每半个周波控制晶闸管开通相位， 调节输出电压有效值。（相位控制，导通角） 交流调功电路以交流电的周期为单位控制晶闸管通断，改变通、断周期数的比，调节输出功率的平均值。 （通断控制，过零触发，整周期导通） 交流电力电子开关并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路。49 应用应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。 2 异步电动机软起动。 3 异步电动机调速。 4 供用电系统对无功

21、功率的连续调节。 5 电热负载功率调节。 3.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路-引言引言503.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路3.3.1 单相交流调压电路1、基本原理：电路图a用两只晶闸管反并联，或一只双向晶闸管与电阻负载组成主电路。 以反并联电路进行分析，正半周时刻触发VT1管，负半周时刻触发VT2管，输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波图b所示。513.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路2. 单相交流调压电路实例ELRPC1VDVT 220VUIUB-UBo 双向晶闸管简易调光电路RP 250 k C1 1FVT BCR1AM VD DB31) 台灯调光电路-触发二级管

22、交流调压电路图523.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路单向交流调压用于小功率调压，广泛用于民用电气控制。 2) 简单双向晶闸管调压电路，图为简单有级交流调压电路。533、 斩控式交流调压电路正半周：V1、V3 交替导通负半周：V2、V4 交替导通543.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路4. 几种三相交流调压电路图星形带中性线的三相交流调压连接成内三角形的三相交流调压三相三线交流调压553.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路3.3.2 交流调功电路交流调功电路图 过零触发输出波形 以交流电的周期为单位，控制晶闸管通断，改变通、断周期数的比，调节输出功率的平均值。 （通断控制，过零

23、触发）电路图563.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路3.3.3 交流电力电子开关交流电力电子开关不着意调节输出平均功率，只是根据需要接通或断开电路。晶闸管交流开关是一种快速、较理想的交流开关。 a、 为普通晶闸管反并联的交流开关。573.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路b 、采用双向晶闸管反并联的交流开关。c 、只用一只普通晶闸管，管子不受反压。583.3 交流交流-交流变流电路交流变流电路双向晶闸管控制三相自动控温电热炉的电路如图。593.4 逆变电路逆变电路逆变的概念 逆变与整流相对应，把直流电变成交流电。u交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。u交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。

24、逆变与变频l变频电路：分为交-交变频和交-直-交变频两种。l交-直-交变频由交-直变换（整流）和直-交变换两部分组成，后一部分就是逆变。主要应用u各种直流电源如蓄电池、太阳能电池等的逆变。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。603.4.1 3.4.1 逆变电路的基本原理逆变电路的基本原理3.4.1 3.4.1 逆变电路的基本原理逆变电路的基本原理u 以单相桥式逆变电路为例来说明。u S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2图5-1 逆变电路及其波形举例613.4.1 3.

25、4.1 逆变电路的基本原理逆变电路的基本原理直流电交流电S 能流过双向电流S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正。S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压uo为负负。623.4.1 3.4.1 逆变电路的基本原理逆变电路的基本原理逆变电路最基本的工作原逆变电路最基本的工作原理理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。(方波逆变)b)tuoiot1t2电阻负载电阻负载时，负载电流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感负载阻感负载时，i io o相位滞后于u uo o，波形也不同。c)tuoio633.4.2 单相全桥逆变电路3.4.2 全桥逆

26、变电路全桥逆变电路 （180导电方式）ttOOb)uoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V14V23V14V23VD14VD23VD14VD23u共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。u两对桥臂交替导通180。u输出电压和电流波形u可以改变输出交流电压频率，不能改变输出交流电压的幅值。643.4.2 单相全桥逆变电路单相逆变器的输出电压控制单相逆变器的输出电压控制 ：（1）移相控制）移相控制 不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中开关器件的导通时间的相位，以控制输出脉冲的宽度，来改变逆变器输出电压，此方法称移相控制。若使移相角从0变到180，可使输出电压从最大值变到零。

27、输出波形仍为矩形波，不理想。移相控制653.4.2 单相全桥逆变电路（2）脉冲宽度调制（）脉冲宽度调制（PWM） 如果使V1与V4，V2与V3通过高频调制控制，能在半个周期内重复导通和关断N次，则其输出电压波形为一系列被调制的矩形脉冲，如图所示（这时N=5）。调节脉冲宽度，可以改变输出电压。输出波形可调制为正弦波，理想！663.4.3 三相桥式逆变电路3.4.3 三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路l 基本工作方式180导电方式导电方式 每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电。 各相开始导电的角度差120 。 任一瞬间有三个桥臂同时导通。673.4.3

28、 三相全桥逆变电路tOtOtOtOuUNuUVuVNuWNUdUd2v三相桥式逆变电路的工作波形：683.5 PWM控制技术控制技术PWM (Pulse Width Modulation)控制（ 脉宽调制技术）脉宽调制技术）：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。PWM控制的思想思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术的最成功应用，是在逆变电路逆变电路。此外，在整流电路、直流变换电路、斩控式交流调压电路

29、都得到应用。693.5 PWM控制技术控制技术3.5.1 PWM控制的理论基础控制的理论基础面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同效果基本相同，这就是面积等效原理。面积等效原理。冲量冲量窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲是等效的d)单位脉冲函数f (t)d (t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)703.5 PWM控制技术控制技术b)图 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a）u (t)电压窄

30、脉冲，是电路的输入 。 i (t)输出电流，是电路的响应。 71OutSPWM波3.5 PWM控制技术控制技术OutOut3.5.2 PWM控制的基本思想控制的基本思想用等幅不等宽的脉冲列代替 正弦半波723.5 PWM控制技术控制技术OutSPWM波Out3.5.2 PWM控制的基本思想控制的基本思想用等幅不等宽的脉冲列代替 正弦半波Out不等宽等幅等宽不等幅等效733.5 PWM控制技术控制技术用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 等分等分：将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲，宽度为p/N，但幅值顶部是曲线，且高度按正弦规律变化的脉冲序列组成的。 替代替代：把上述脉冲序列，用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，对应脉冲的中点重合，且面积（冲量）相等，这就是PWM波形。 SPWM波形波形：脉冲的宽度按正弦规律变化，和正弦波等效的PWM波形。 743.5 PWM控制技术控制技术 对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为： 根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际中应用更为广泛。OwtUd-UdOwtUd-Ud753