电力电子与现代控制电力电子线路及其触发控制第一部分

1、电力电子与现代控制Power Electronics and Modern Control,中国科学院研究生院,第二章：电力电子线路及其控制,AC/DC变换器 DC/DC变换器 AC/AC变换器 DC/AC变换器 复合型变换器,电力电子线路及其控制,1、AC/DC变换器,1、AC/DC变换器,概述 不控整流电路 相控整流电路 相控整流及有源逆变电路的控制系统,整流：将交流电能转换成直流的变换称之为整流，实现整流变换的装置称之为整流器。,有源逆变：当相控整流器输出负的直流电压时，可将直流电能转换成交流电能，这种利用相控原理工作的逆变过程称为有源逆变；PWM整流器工作在逆变过程为无源逆变，本章仅涉

2、及有源逆变工况。,整流与逆变的功率流向,概 述,由二极管组成的整流器，具有固定的输出电压平均值，称为不控整流器。 由晶闸管二极管组成的整流器，利用触发时刻相位控制输出电压的平均值，称为相控整流器。 由自关断器件组成的整流器称为PWM整流器。本章介绍不控和相控整流器电路。,部分常用的整流电路,c） d） 除c）、d）外 a）e） f）、g） b）、f） c）、d）、e）、g） a）、f） b ） 、c）、d）、e）、g）,不控整流电路,特点： 在交流电源与直流负载间插入二极管电路，利用二极管的单向导电性实现交流-直流电能变换的电路。其缺点是输出电压平均值不能调节。 对以下电路分别进行分析： 单相

3、半波不控整流 单相桥式全波不控整流 三相半波不控整流 三相桥式全波不控整流,单二极管整流器带电阻负载,单相半波不控整流,工作原理： 1、在电源电压的正半周t = 0 ，二极管两端电压为正，D导通； 2、 在电源电压的负半周t = 2 ，二极管两端电压为负，D截止；,整流电压平均值：,设输入电压vS为：,VS为输入交流电压有效值； 为电网角频率。,主电路：二极管D,单二极管整流器带阻感负载,单相半波不控整流,工作原理： 1、当电源电压为正时，D正偏导通，电感L电流从0开始增加(电感电压eL=vS-iD*R大于0)；当t = 时，电感电流达到最大值，此时：vS=iD*R，电感电压eL为0。 2、

4、当 时，电源电压开始变负，此时电感电流0，仍有能量存在电感内，电感两端感应负电压，使D仍然正偏导通，一直到t= ，电感电流iD为0 。 4、 当 t2时，电感电流和电压均为0，二极管反偏截止，输出电压vD为0；,电感的影响： 电感续流影响D关断时刻，导致输出电压平均值下降。,单相半波不控整流,主电路：D1、D2两个二极管共阴极连接。,整流电压平均值：,工作原理： 1、在电源电压的正半周t = 0 ，二极管两端电压为正，D1导通，D2截止； 2、 在电源电压的负半周t = 2 ，二极管两端电压为负，D1截止，D2导通；,单相半波不控整流器,在交流电源VS、D1和D2回路中，利用VS电压极性变化来

5、实现导通二极管的关断过程称为换相过程。 通过上述换相过程可有效防止负载电感影响整流输出电压。,1、电源为负时，D2导通，D1截止。恒流源负载与D2形成负载电流回路，电流为iD。,单相半波不控整流器的换流回路及其换流过程,换相回路等效电路:,换相过程：,2、电源由负变正后，D1导通，D1D2与电源形成换流回路，回路电流ic从0逐渐增加。负载回路iD不变。,3、当换回路电流ic等于iD时，D2截止，负载电流iD全部流过D1，换流结束。,整流器中的基本换流回路,单相半波不控整流,单相半波不控整流电路特点： 输入侧： 仅在正半波从电源吸收电能(“半波”因此得名)。 电源电流的直流分量很大。 输出侧：

6、输出电压vD只与电源电压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）；,电路结构：如右图所示，由D1、D3和D2、D4两个单相半波不控整流电路构成，D1和D3之间换相；D2和D4之间换相。 工作原理： 1、在电源电压的正半周wt=0p，D1、D4导通，D2、D3截止； 2、 在电源电压的负半周wt=p2p，D2、D3导通，D1、D4截止。 特点： 输入侧：无直流分量。正负半波都可从电源吸收能量（全波）由此得名；电源电流为正负180脉宽波形，无直流分量。 输出侧：一个周期输出电压由2个相同的脉波组成，脉波数为2，脉波

7、宽180；输出电压平均值是半波电路的两倍。,单相桥式全波不控整流,整流电压平均值,电路结构：如右图所示 工作原理及波形： D1、D3和D5共阴极连接，利用vA、vB 和vC 电压差极性换相； 一个周期中，A相D1、B相D3、C相D5依照顺序各分别导电120； 一个周期输出电压由三个相同的脉波组成（脉波数为3）。 特点： 输入侧：每相输入电流只导通1/3周期(120度）。电源电流含有很大的直流分量。 输出侧：输出电压平均值较高，整流电压脉动较小，脉动频率为电源频率3倍。,三相半波不控整流,整流电压平均值,电路结构：如上图所示,由D1、D3、D5和D4、D6、D2两组单相半波整流器构成。 工作原理

8、：其导通状态有六种，各状态的工作顺序为D6D1-D1D2-D2D3-D3D4-D4D5-D5D6-D6D1。 特点： 输入侧：电源电流为正负120脉宽、 交流波形，无直流分量。 输出侧：一个周期输出电压由6个相同的脉波组成，脉波数为6，脉波宽60,脉动较小，易滤波；输出电压平均值是半波电路的两倍。,三相桥式全波不控整流,整流电压平均值,晶闸管相控整流电路,分以下三类分析： 单相晶闸管桥式全波全控整流电路 三相晶闸管半波相控整流电路 三相晶闸管桥式全波全控整流电路 几个名词术语： 触发角: 从晶闸管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； 导通角：晶闸管在一个周期内导通的时

9、间所对应的电角度； 移相：改变触发脉冲出现时刻，即改变触发角大小。改变角的大小就可以控制输出电压的大小，实现“移相控制”，被简称“相控”； 移相范围：控制角能够变化的范围，一般为0180； 换相（换流）：电流从一个元件转移到另一个元件的过程； 输出直流电压平均值Ud：输出整流电压在一个周期内的平均值。,主电路,电阻负载时的波形,电路结构：如上图所示，T为整流变压器，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。 理想化假设： 1、晶闸管是理想的开关：通态压降为0，断态电阻无穷大，漏电流为0， 并且开关过程瞬间完成； 2、变压器是理想的： 漏抗、绕组电阻、励磁电流

10、均为0 ； 3、电网电压是理想的正弦波。,电阻性负载时的工作情况分析,单相桥式全波晶闸管全控整流电路,特点：触发角为，导通角为180 L很大，感抗远大于阻抗，电流连续，负载电流脉动很小，近似为一个恒定的直流，大小为VD/R； 晶闸管的电流IT为180单向矩形波； 电源电流is为180的矩形波； 电源基波功率因数角1与其触发角相等；越大，cos1越小； 电源功率因数：,大电感性负载，电流连续的情况,输出电压平均值：,注意换流过程,三相半波相控整流电路（共阴接法）,电路结构：如左图所示 工作原理：共有三种状态，根据电源电压的相序，按照T1-T3-T5-T1的顺序触发，每个状态持续120。 特点：

11、1）负载电流连续时各晶闸管的导通角均为120； 2）若电源交流电路中不存在电感，晶闸管之间的电流转移是瞬间完成的； 3）负载电压波形是相电压波形的一部分； 4）晶闸管截止态所承受的电压是线电压而非相电压； 5）整流输出电压的脉动频率为3f（脉波数m=3）。 6）交流侧只有单方向电流（缺点）。,整流电压平均值,自然换流点,其中：,注意换流过程,三相半波相控整流电路（共阳接法）,a）主电路,b）0时波形,c）30时波形,三相桥式全波全控整流电路,电路结构：如右上图所示 工作原理：共有六种工作状态，每个状态持续最大为60。按照电源电压的相序，各状态的顺序为T6T1-T1T2-T2T3-T3T4-T4

12、T5-T5T6-T6T1；各状态依次互差60； 特点：晶闸管导通角为120； 相控整流特性与相控角和负载性质有关； 触发方式： 单窄脉冲触发：在晶闸管需导通的区域仅用初始的一个窄脉冲去触发； 双窄脉冲触发：每个元件除了在各自的换流点处有一个脉冲之外，还在60度电角度之后的下一个导通元件的导通时刻补了一个脉冲。所补的脉冲在电流连续的稳态工作时并不起任何作用，但它却是电路启动及在电流断续时使电路正常工作所不可缺少的； 宽脉冲触发：若把上面的双窄脉冲连成一个宽脉冲，电路当然也可正常工作。,电阻负载时三相桥式全波全控整流特性（ 0和 30）,30时 整流电压UD的波形依然由6段线电压波形组成, 次序不

13、变，仅六个导电区后延30； 负载电流iD波形：与UD的波形完全相同； 电源电流ia波形与0时相比各波形在时间上顺延30。,0,30,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:,电阻负载60时工作波形特点：,60,60后iD不连续； 导通角120-60； 整流电压平均值VD: 120时VD0。由上式也可知VD0； 电阻负载时的有效移相范围是0120。,电阻负载90时工作波形特点：,90,可见电流连续时，60时，输出电压的平均值大于0，当90时，输出电压的平均值为0。,60,多数负载为RL性负载或反电势+RL负载，负

14、载中的电感通常会使电流iD连续。当电感值大到以致负载电路时间常数L/R 电流脉动周期6TS时，可忽略iD的脉动。负载电流连续且60时整流电压VD波形、整流电压平均值与电阻负载时的情况相同，但是电流是不同的。,感性负载时三相桥式全波全控整流特性,90,换流过程分析,90,T0,在T0时刻之前，晶闸管T5T6导通，VD=Ucb。此时Up=Uc，Un=Ub,T1两端电压为Uap=Uab0，T1具备导通条件，在T0时刻T1触发即导通，此时Up=Ua，就有大于零的Uac反向施加到晶闸管T5上，使T5截止，完成了T5到T1的换流过程，此时输出电压为Uab； 到T1时刻，VD=Uab0,为T2的触发导通和与

15、T6的换流创造好条件。,T1,可见，电流连续时120时，输出电压平均值小于0，当180时输出电压平均值达到负的最大值。,120,180,感性负载时三相桥式全波全控整流特性（120和 180）,感性负载时三相桥式全波全控整流特性,感性负载、电感足够大时 （1）整流电压的平均值VD,当0，工作在整流状态； 当90时，VD0； 当90时， VD0，工作在有源逆变状态。,（2）输出电压VD的脉动频率是电源频率的6倍，最低次谐波为6次谐波； （3）交流电源电流的波形：幅值为ID，宽度为120的交流方波，除基波外，还含有6k1等次谐波； （4）电源基波功率因数：因为超前方波电流的起点30就是基波电流的起点

16、，所以相电流基波的起点比相电压滞后。电源基波功率因数也是cos1cos。,其中：,晶闸管相控整流器一般特性,由晶闸管组成的相控整流器具有以下特点： 1、输出电压与触发角的余弦成正比，即控制晶闸管的触发角即可控制输出电压； 2、当触发角小于90度时，输出电压为正，工作在整流状态；当触发角大于90度时，输出电压为负，工作在有源逆变状态； 3、无论出于何种状态，其输入电流均滞后于输入电压。,晶闸管相控整流器的输入输出特性,无论在可控整流还是有源逆变状态，可控整流器都吸收滞后的无功功率。要求整流器输入交流电源发出滞后的无功功率（吸收超前无功功率）。,输出电压与触发角的关系,输入电流与触发角的关系,输出

17、电压是输入线电压60区间的组合，随着触发角的变化，对应的输入线电压60区间的平均值变化，使得输出电压平均值改变。,晶闸管相控整流器输出交流电压,通过触发角的控制，晶闸管相控整流器可以输出交流电压，但其输出电压基波频率一般不能超过输入电网频率的1/31/2（取决于对输出电压谐波要求）。 单个晶闸管相控整流桥无法输出交流电流，因此无法直接用于交流/交流转换。,触发角从0到150度变化时三相晶闸管桥式整流电路的输出电压波形,晶闸管整流器的开环控制方法,晶闸管相控整流器的控制方法：余弦交截法，以单相全控制整流为例： 1、将电源电压Us信号相位前移90度，即为其同步余弦波Upcos，同样将电源电压Us的反向信号相位也前移90度，生成其同步余弦波Uncos； 2、将控制输出电压参考信号Uor分别形成的同步余弦波的下降沿交截比较，其交截点即为对应的晶闸管的触发时刻。 在此种控制方式下，交截后的触发角为： 此时的输出电压为： 可见在余弦交截法控制方式下，输出电压的平均值与控制参考电压成线性比例关系，其传递函数可以写为：,注意： 1、对于三相相控整流器，电源电压信号要向前移相60度，才能产生其相应的同步余弦波； 2、对于单相整流桥Ts=5ms，对于三相半波整流器Ts=3.33ms，三相全控整流器Ts=1.67ms。,晶闸管相控整流器的闭环控制