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1、电力电子学 电力电子变换和控制技术（第二版） 第 5 章 交流直流变换器（整流器 ） 5 交流直流变换器（整流器） 5.0 概述 5.1 整流器的类型和性能指标 5.2 不控整流电路 5.3 单相桥式晶闸管相控整流电路 5.4 三相半波相控整流电路 5.5 三相桥式相控整流电路 5.6 交流电路电感对整流特性的影响 5 交流直流变换器（整流器） 5.8 带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路 5.9 相控有源逆变电路工作原理 5.10 相控整流及有源逆变晶闸管触发控制 5.11 含有源功率因数校正环节（PFC）的单相 高频整流 小结 5.0 概述 q利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交流电
2、能 变为直流电能称为整流。 q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。 整流器的类型很多，归纳分类如下： q1.按交流电源电流的波形可分为： （1） 半波整流。（2）全波整流。 q2.按交流电源的相数的不同可分为： （1） 单相整流。（2）三相整流。 q3.按整流电路中所使用的开关器件及控制能力的不同可 分为： (1） 不控整流。（2）半控整流。（3）全控整流。 q4.按控制原理的不同可分为： （1） 相控整流。（2）高频PWM整流。 开关器件 为二极管 开关器件 为晶闸管 开关器件为 全控器件 5.0 概述（续1） 5.0 概述（续2） q对交流直流变换最基本的性能要
3、求： q直流输出电压可以调控（交流输入电压变化时或负载变化时 输出的直流电压可保持为任意指令值） q输出电压中交流分量（即谐波电压）被控制在允许值范围以 内； q交流侧电流中的谐波电流也要求在允许值以内。 q此外交流侧的功率因数、整流器的效率、重量、体积、成本 、电磁干扰EMI和电磁兼容性EMC以及对控制指令的响应 特性都是评价整流器的重要指标。 5.1 整流器的类型和性能指标 q整流器最基本的性能指标有： q1. 电压谐波系数或纹波系数RF（Ripple Factor） q2. 电压脉动系数Sn q3. 输入电流总畸变率THD (Total Harmonic Distortion) q4.
4、输入功率因数PF（Power Factor） q上述基本性能指标能比较科学地评价各种整流 电路的性能优劣 。 5.1 整流器的类型和性能指标（续1） q纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平均值 电压VD外全部交流谐波分量有效值VH 可以进一步表示为 ： q电压谐波（纹波）系数的定义：输出电压中的交流谐 波有效值 VH与直流平均值VD 之比值。表示为 电压谐波系数或纹波系数RF（Ripple Factor） 5.1 整流器的类型和性能指标（续2） 定义：整流输出电压中最低次谐波幅值Vnm与直流 平均值VD之比 。 Sn=Vnm/VD 电压脉动系数Sn 5.1 整流器的类型和性能指标（续3） q
5、交流输入电流中除基波电流Is1外通常还含有各 次谐波电流Isn（n2，3，4，） 。 qTHD的定义：除基波电流外的所有谐波电流总 有效值与基波电流有效值之比值 输入电流总畸变率THD (Total Harmonic Distortion) 输入功率因数PF（Power Factor） ： 基波电流数值因数（简称基波因数）是基波电流有效值与总电流有效值之比 值。 交流侧电压与电流基波分量之间的相位角1称为基波位移角； 基波功率因数 cos1称为基波位移因数DPF。 若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基波电流形成有 功功率。这时， 定义：交流电源输入有功功率PAC 与其视在功率S
6、 之比，即 5.1 整流器的类型和性能指标（续4） 5.2 不控整流电路 5.2.0 概述 5.2.1 单相半波不控整流 5.2.2 两相半波不控整流（或双半波不控整流） 5.2.3 单相桥式不控整流 5.2.4 三相半波不控整流 5.2.5 三相桥式不控整流 5.2.6 电容滤波的不控整流电路 5.2.0 概述 q定义：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。 q缺点：输出电压平均值不能调节 q分析法：二极管的单向导电性是分析二极管整流电 路的基本原则。 q典型电路：图5.1(a)5.5(a) *5.2.1 单相半波不控整流 q 主电路：
7、不控二极管D1、D0 q 工作原理：（理想情况下） q在电源电压的正半周t=0 D1承受正向电压而导通。vD=vs, iD=is q在电源电压的负半周 wt=p2p D1受反压截止，阻断电路。 vD=0, iD=0 q如果负载有电感，则负载电 流通过D0续流。 *5.2.1 单相半波不控整流（续1） q特点： q整流电压直流平均值 qVD只与VS有关，不能被调控； q输出电压脉动大，脉动频率低， 难于滤波； q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，称为“半波”）； q电源电流的直流分量很大。 *5.2.2 两相半波不控整流（或双半波不控整流） q主电路：中心抽头的变压
8、器 提供两相反向的电压，D1、 D2作开关。 q工作原理：（理想情况下） q在电源电压的正半周 D1承受正向电压而导通，D2截止， 使得正的A 相电压加到了负载两端 。 q在电源电压的负半周 D1受反压截止，D2导通，使得正的B 相电压加到了负载两端 q性能优于单相半波不控整流 q正负半波均有输出，整流电压直流 平均值高了一倍 q两相电压是通过变压器中心抽头得 到的 q一个电源周期TS中脉波数为2，脉 动频率提高一倍，易于滤波 q电源电流正、负对称，无直流分量 。 *5.2.2 两相半波不控整流（或双半波不控整流）（续1） *5.2.3 单相桥式不控整流 q原理及波形分析： q与两相半波电路相
9、比： q相同点：整流输出电压、交 流电源电流波形。 q多用了两个二极管，但可略 去有中心抽头的变压器。 q在中小容量的不控整流领域 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动态演示 *5.2.4 三相半波不控整流 q原理及波形： q一周期中，A相D1、B相D3、C 相D5依序各导电120。 q整流电流为120脉宽直流。 q整流电压由三个相同的脉波组 成（脉波数m3）。 q特点：直流平均值的数值较高： 整流电压脉动较小，脉动频率为 电源频率3倍。电源电流含有很 大的直流分量。较少实用。 5.2.5 三相桥式不控整流 整流电压由6个相同的脉波组成， 脉波宽60,脉动较小，易滤波。 电
10、源电流无直流分量,为120脉宽 、正负对称的交流电。 广泛应用较大功率的不控整流中 脉波 数m 6 5.2.5 三相桥式不控整流（续） q整流电压的直流平均值高： 电源线电压有效值 电源相电压有效值 5.2.6 电容滤波的不控整流电路 q不控整流电路输出电压中除直流外，还含有谐波。 为此须在整流电路的输出端与负载之间接入LC滤波器 。 q由于整流输出谐波电压的频率不高，因此要有较好 的滤波效果必须LC很大。 q滤波电感L的重量、体积相对于电容要大得多，通常 取较小的L和较大的C组成LC滤波器，甚至完全不用电 感只用电容滤波。 5.3 单相桥式晶闸管相控整流电路 5.3.0 概述 5.3.1 单
11、相桥式全控整流电路 5.3.2 单相桥式半控整流电路 5.3.0 概述 q 晶闸管代替上节电路中的二极管，可得相控整流电路。 q 原理：利用了半控开关器件晶闸管的开通可控特性（承受 正向电压，且有触发脉冲）和单向导电性； q 相控整流：控制晶闸管触发相位角（脉冲施加时刻）就控 制了电源电压送至负载的起始时刻，从而控制整流电压。 q 整流电路结构不同、负载性质不同，工作情况也就不同。 q 电路分析时要抓住晶闸管的导通时刻（满足导通条件时） 和受到反压被强迫关断的时刻。 q 掌握单相桥式全控整流电路在不同性质负载下的工作情况 q 了解单相桥式半控整流电路的失控现象及解决办法。 5.3.1 单相桥式
12、全控整流电路 q 一、电阻性负载 q（一）主电路 q（二）理想化假设 q（三）工作原理及波形分析 q（四）几个名词术语 q（五）基本量的计算 q 二、电感性负载 q（一） L、较小，较大，且时，负载断流，元件的导 电角R，90，有功功率P 忽略开关管的损耗，电源提供的有功功率负载有功功率P 功率因数 (五)基本量的计算 （6）功率因数PF 一、电阻性负载（续5） 表5.2 单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与的关系表 控制角 （度 ） 0306090120150180 0.90.840.6760.450.226 0.006 0 IS/ID1.111.171.331.571.972.80-
13、功率因数PF10.9710.8980.7070.4270.170 (五)基本量的计算 一、电阻性负载（续5） 单相全波整流的电压、电流比值、功率因数与的关系曲线 q 特点： q电感电流不能突变； q电流滞后电压过零。 q根据负载中电感量L的大小不同， 电路有4种可能工况： 二、电感性负载 （一）L、较小，较大，且时，负载断流； （二） 当时，电流临界连续； （三）L、较大，较小,且R，90， R，90，E, 晶闸管才能触 发导通。vS0时，VD为正值； 180 时，VD 最小； VD0（不可能为负值）的移相控制范围为0180 输出电压不可能为负值 讨论： 5.6.0 概述 5.6.1 考虑LS
14、的三相半波相控整流电路及整流电压波形 5.6.2 换相重叠期中的波形及关系 5.6.3 整流电压平均值的计算 5.6.4 ID与、换相压降的关系 5.6.5 引入换相电阻RS后的关系式 5.6.6 各种相控整流电路换相压降和换相重叠角计算 5.6.7 电压波形畸变及影响 5.6 交流电路电感对整流特性的影响 LS 0时时三相半波整流电路 5.6.0 概述 q问题的提出：实际交流电源 电路中存在电感LS，前面的 vD波形却没有考虑其影响。 交流电路电感对整流特性有 什么样的影响呢？ q 以m相半波整流电路（如m 3）为例进行分析，以期得 到交流电路电感LS对换流过 程及输出电压平均值VD的影 响
15、的一般性结论。 5.6.1 考虑LS的三相半波相控整流电路及整流电压波形 q 在自然换相点E点之后、 F点之 前Tb未被触发，Ta一直导电，Tb 截止，iaID ，vavD(t) q 如果LS0，一旦Tb导通 Ta立即受反压截止，ID立即从a 相换到b相，换相（或换流）过 程瞬时完成。这时vD为PEFQH 曲线。 5.6.2 换相重叠期中的波形及关系 q 如果LS 0，LS储能不能突变为 零，ia不能从ID突降为零，而必须 经历一个Ta、Tb同时导通的过渡 过程。 q 过程历时tr，对应的相位角，因 Ta、Tb同时导电而被称为换相重 叠期。 q 换相重叠期内若ID恒定，参与换 流的两相电流以及
16、整流电压有如 下关系： 5.6.2 换相重叠期中的波形及关系（续） q在一个脉波期中整流电压为EFGDHM q换相前vD= va；换相后vD= vb q换相中，vD是图中的GD段。 5.6.3 整流电压平均值的计算 q3相桥式m6，VVl q3相半波m3，VVS q单相桥式和2相半波m2，VVS （1）0或不控整流，且LS0时VD0为曲线EQHME的面积平均值 5.6.3 整流电压平均值的计算(续) （3）0且LS0 时因换相重叠而损失的面 积（换相压降）是QGDH。 （2）0且LS0时,VD为曲线EFQHME的平 均值,因移相而损失的面积为 而VS的计算式： 5.6.4 ID与、换相压降的关系 5.6.5 引入换相电阻RS后的关系式 换相电阻： 已知负载电流ID，可求换相压降。 已知负载电流ID，可求出不同
