第 4 章 AC-DC 变换技术 - PowerPoint PPT Presentation

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第 4 章 AC-DC 变换技术

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第 4 章 AC-DC 变换技术

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  1. 第4章 AC-DC变换技术 • §4.1单相半波整流 • §4.2 全波整流 • §4.3 三相整流 • §4.4 AC-DC电路的网侧(输入)功率因数 返回

  2. 将交流电源变换成直流电源的电路称为AC-DC变换或整流电路。功率由电源传向负载的变换被称为整流,功率由负载传回电源的变换被称为“有源逆变”,整流电路按交流输入相数大致可分为单相和多相整流;按导通角可控与否可分为可控和不可控整流;按电路形式可分为半波、全波与桥式整流等。对于需要改变直流输出电压的场合,可以采用相控整流方案,也可采用其它高性能的调节方案(如斩波或高频调制技术)。将交流电源变换成直流电源的电路称为AC-DC变换或整流电路。功率由电源传向负载的变换被称为整流,功率由负载传回电源的变换被称为“有源逆变”,整流电路按交流输入相数大致可分为单相和多相整流;按导通角可控与否可分为可控和不可控整流;按电路形式可分为半波、全波与桥式整流等。对于需要改变直流输出电压的场合,可以采用相控整流方案,也可采用其它高性能的调节方案(如斩波或高频调制技术)。

  3. §4.1单相半波整流电路 1、单相半波整流 • 单相半波整流电路是最简单的整流电路。整流电路如图4-1所示。利用整流管的单向导电特性,在交流电源的作用下,周期性导通和截止,实现变换,将交流转换成脉动直流。由于半波整流引起电流的畸变,电流中包含直流成分,会引起输入电源变压器饱和,因此在实际中采用较少。

  4. 1)电阻负载 • 忽略整流管的导通压降和反向漏电流,在阻性负载下,电压波形和电流波形完全一样。 • 则整流输出电压平均值为: • 输出电流平均值为: • 由有效值定义,输出电压和电流有效值为:

  5. 2)R-L负载 • 负载电路如图4-2所示,根据电路理论,可以写出电压平衡方程 • 这是一阶微分方程,解此方程可得: • 图4-3是R-L负载时的波形。 • 从图可以看出:由于 ,有负电压产生,尽管输入电压已为负,二极管仍然导通,其正向导通角大于 ,二极管关断时,电流为零。


  6. 图4-2 R-L负载 图4-3 图4-2各点波形

  7. 定义熄灭角 为从二极管导通到电流为零时的角度,由: • 上式只能得出数字解,无法写出解析表达式。二极管导通区间为 • 电流平均值: • 电流有效值: • 负载吸收功率(有功功率):

  8. 3)R-C负载 • 如图4-4所示,在电路初始状态,假定电容尚未充电,当电源电压为正时,二极管导通,输出电压为电源电压,电容充电到 ,从 起,电容以指数规律向负载放电,这时电源电压低于输出电压,二极管反向偏置,负载与电源隔离。当电源电压再次为正时,由于电容已经充电,只有当电源电压大于电容电压时,二极管才能导通,电源电压低于输出电压时,二极管反向偏置,负载与电源隔离。周而复始,当二极管正向导通时,输出电压为电源电压;当二极管截止时输出电压以指数规律放电。输出波形图如图4-5所示。

  9. 图4-4 R-C负载 图4-5 图4-4波形

  10. 正弦波形的导数为 ,电容的放电曲线导数为 • 在 时,这两个斜率应该相等,因此: • 整理得: • 在 处,正弦波形的幅值与电容的放电曲线在该处的幅值相等: • 上式只能得出数字解,无法写出解析表达式。从公式可知, 增大, 增大,二极管导通时间减小,若输出平均电流不变,二极管峰值电流必然增大,因此, 增大导致大的二极管脉动电流增大。

  11. 从图可知,最大输出电压 ,在 时刻,最小输出电压为 ,输出电压纹波: • 在实际应用电路中, 一般很大, 显然, 把 代入上式得输出电压纹波: • 将上式用台勒级数展开,得: • 输出电压纹波与滤波电容大小成反比,C增大,可以减小输出电压纹波。

  12. 2、单相可控整流电路 • 1)阻性负载 • 将不控整流中的整流管换成晶闸管,该电路就变成了可控整流电路。纯电阻负载的单相半波可控整流电路和波形如图4-6所示,在电源正半周,晶闸管承受正向阳极电压,处于正向阻断状态,假定 时刻发出触发脉冲,则在 期间,晶闸管不导通,电源电压全部加在晶闸管上,负载电阻上电压为零,流过负载的电流也为零,在 时刻触发晶闸管,则晶闸管从正向阻断状态进入导通状态,晶闸管一旦被触发,门极失去控制作用,故触发信号只需一个脉冲电压即可。于是在 期间,电源电压全部加在负载上,电流流过。 图4-6 单相半波可控整流电路及波形(纯阻负载)

  13. 电流i0值为: • 在交流电压正半周快结束时,晶闸管中的电流自然的下降到维持电流以下,晶闸管自动进入阻断状态,负载电流变为零,交流电源为负时,在负半周期间,晶闸管转入反向阻断状态,电源电压又全部加在晶闸管上,负载上电压又为零。而后,电路重复上述过程。 • 因此,在电源工作周期内,负载上只是得到脉动直流电压,其脉动频率与电源频率一样,它的波形只在电源电压正半周出现,故称为单向半波可控整流电路。

  14. 定义:从晶闸管本身承受正向电压起到加上触发脉冲这一角度称为控制角 (触发角)。 • 在阻性负载条件下,晶闸管导通角度为导通角 ,显然有 。 • 当触发角为α时,整流输出电压平均值为: • 上式说明 关系是非线性的。 • 从 ,则输出电压平均值从 变到零。这意味着改变控制角 就可以改变输出电压的平均值,达到可控整流的目的。不控整流是 时的可控整流电路的一种特殊情况。

  15. 由有效值定义,整流输出电压、电流的有效值为:由有效值定义,整流输出电压、电流的有效值为: • 整流输出电流有效值与其平均值之比为波形系数: • 从上一章中,我们知道,晶闸管的额定电流是指在额定结温(25oC)下允许晶闸管通过电流波形为(工频)正弦半波的最大电流平均值,因此必须注意流过晶闸管的电流波形,以防止其有效值超出定额。

  16. 2)感性负载及续流二极管 • 感性负载可以等效为电感L和电阻R串联,整流电路带感性负载时的半波可控整流电路及其波形如图4-7所示。 • 在 时刻触发晶闸管,电压被加到感性负载上。由于电感存在,负载电流不能突变,所以电流从0开始上升,达到最大值后,然后开始下降,由于电感的感应电势影响,尽管电源电压已反向,但晶闸管仍然为正偏,继续导通。所以在电源负半周的一段时间里,负载电流仍继续流动,直到感应电动势与电源电压瞬时值相等为止。此时回路电压为零,负载电流下降到零。 • 为求出整流输出电压平均值,首先必须确定晶闸管的熄灭角(导电角) 。

  17. 图4-7半波可控整流电路及其波形(感性负载)

  18. 电压平衡方程: • 解得 • 由于 时有 则有 • 当 时有 ,则有 • 所以

  19. 上式表明 同 以及负载阻抗角 有关,它是一个超越方程,无法给出代数解。现在讨论几种特殊情况下导电角 与触发角 的关系: • 第一种情况:纯电阻负载 • 第二种情况:纯电感负载 • 显然只有 • 即

  20. 第三种情况:导电角 的条件: • 将 展开得: • 两边同除一 得 • 整理得 • 当 时,有 即 • 当 时, ;当 时,

  21. 感性负载上平均电压 • 又 , • 所以 • 即感性负载上的平均电压就等于负载电阻上的平均电压。 • 在单相半波可控整流电路中,由于电感存在,整流输出平均电压变小,特别是在大电感负载下,输出电压接近于零,且负载电流不连续,为解决这个问题,只要在负载两端并接一个续流二极管即可,晶闸管和续流二极管不可能同时导通。当电源电压进入负半周时,感应电动势使续流二极管导通续流,如忽略二极管压降,感性负载上的电压波形与阻性负载的情况没有什么区别。当电感很大时,流过负载上的电流基本保持不变,这个电流在晶闸管导通时由晶闸管提供,晶闸管关断后由续流二极管提供。 返回

  22. §4.2 全波整流 1、不控整流 • 全波整流电路有两种形式,一种为单相全桥整流电路,如图4-8所示;一种为带中心抽头的全波整流,如图4-9所示。 • 单相全桥整流电路中,整流二极管分两组轮流导通,对角二极管同时导通,同时截止;带中心抽头的全波整流电路中,两个二极管轮流导通。 图4-8 单相全桥整流电路图 4-9带中心抽头的全波整流电路

  23. 1)R负载 • 输出直流电压平均值: • 这两个电路各点电流、电压的波形如图4-10所示。比较这两电路可以发现: • 带中心抽头的全波整流电路需要带中心抽头的变压器,桥式整流则不需要; • 带中心抽头的全波整流只需要两个二极管,每半周期内只有一个二极管导通,单相全桥整流需要4个二极管,每半周期内有两个二极管导通,因此带中心抽头的全波整流的导通损耗是单相全桥整流的一半。 • 带中心抽头的全波整流电路中,二极管所承受的反向电压是单相全桥整流电路中二极管承受电压的两倍。 单相全桥整流 带中心抽头的全波整流 图4-10 各点电流、电压的波形

  24. 2) • 由于负载中有电感存在,流过二极管的电流发生畸变,电流滞后于电压,当一对二极管导通时,另一对二极管中的上管起着续流二极管的作用,因此电流不会反向。输出波形如图4-11所示。 图4-11 R-L负载时桥式整流电路输出波形

  25. 从图4-11可以看出,电源电流is畸变严重,电源功率因数下降。输出电压是偶函数,利用傅立叶级数(Fourier Series),输出电压可写为: • 令 • 则输出直流电流和谐波电流可表示为: • 输出电流: • 对于大电感负载,即 足够大,且 ,

  26. 也就是说,大电感负载使输出电流的各次谐波减弱,几乎等于零,输入电源的电流为方波电流,输出电流约为一直流:也就是说,大电感负载使输出电流的各次谐波减弱,几乎等于零,输入电源的电流为方波电流,输出电流约为一直流: • 输出电流有效值: • 由电源传递到负载的功率:

  27. 2、可控整流电路 单相桥式可控整流如图4-12所示。 • 1)R负载 • 当变压器二次电压 为正半周时,在控制角为 时刻,晶闸管 和 触发导通,电流从a 端经 、R和 流回b 端,当 为零时,电流也为零, 、 截止。 • 电压 为负半周时, 在相应控制角 时刻,晶闸管T2和T3触发导通,电流从b端经T2、R和T3流回a端,当u2为零时,电流也为零,晶闸管T2和T3截止。晶闸管承受最大的反向电压为Um。 • 显然,在T1和T4导通时,T2和T3承受反向电压而截止,T2和T3导通时,T1和T4承受反向电压而截止。两组触发两组触发脉冲相位相差180o。

  28. 图4-12 单相桥式可控整流电路及阻性负载时电流和电压波形

  29. 由于属于全波整流,因此其输出平均电压为半波整流的两倍由于属于全波整流,因此其输出平均电压为半波整流的两倍 • 当 时,相当于不控桥式整流;当 时,输出电压为零,故晶闸管可控移相范围为1800。 • 负载电流平均值为:

  30. 2)R-L负载 • 单向桥式可控整流电路(电感性负载 )如图4-13所示,电路工作时,、 和 、均是同时被触发,触发脉冲互差1800。其工作工程可划分为下述两个阶段。 • 由于 ,电感电流连续,输出电流 则为一恒定值。 ① 期间。在 时刻,同时触发T1和T2,则电源电压 就加在负载端,当u2过零变负时,因为电感上产生的感应电动势使T1和T2仍然承受正向电压而继续导通,因此ud波形中出现负值部分,此时T3和T4虽然承受正向电压,但都不导通。 、

  31. 负载电流断续时整流电压、电流波形 • 电流断续时、、的关系: •  越大,  越小 •  越大,  越大 图4-13单向桥式可控整流电路(电感性负载ωL>>R)及输出波形

  32. ② 期间。当 时刻,同时触发T3和T4使其导通,T1和T2承受反向电压而关断。负载电流从T1和T2转移到T3和T4,同样因为电感上产生的感应电动势使T3和T4并不在 时结束导通,仍然承受正向电压而继续导通,直到T1和T2再次导通为止,即一直延续到 时刻,以后继续重复上述过程。 • 电流连续时,输出电压平均值为: • 输出电压有效值为: • 由式可知,当 时,输出电压为正,变流器工作与“整流方式”;当 时,输出电压为负,变流器工作于“逆变方式”。

  33. 3、半控整流电路 • 将图4-13中T4和T2用整流二极管来代替,就形成了所谓单相半控桥式整流电路,如图4-14所示。即用一个晶闸管控制一个支路的导通时刻,如果只是为了整流,这样线路比全控桥式整流电路更加简单。 • 半控整流电路在电阻性负载时工作情况与全控电路是完全相同,两者电路的区别只使用两个二极管代替晶闸管。 图4-14单相半控桥式整流电路及波形 (Lω>>R,有续流二极管)

  34. 当电源电压在正半周期、控制角为 时刻触发晶闸管T1,则T1和D2导通。当电源电压下降到零并变负时,由于电感作用,T1继续导通,但此时a点电位比b点电位低,因此整流管D2导通截止,电流从D2转移到D4,此时电流不再经过变压器绕组而由T1和D4起续流作用,在此阶段,忽略元件的管压降,输出电压为零,不象桥式全控电路那样出现负值电压。 • 负半周期期间,晶闸管T3承受正向电压,在相应控制角时刻触发导通T3,T1受到反向电压而强迫关断。此时电流从晶闸管T3、负载、D4返回变压器。当电源电压过零并变正时,由于电感作用,T3继续导通,但此时b点电位比a点电位低,因此整流管D2导通D4截止,电流从D4转移到D2,此时电流不再经过变压器绕组而由D2和T3起续流作用,此时输出电压又等于零。它和电阻性负载时的电压波形一致。由于大电感存在,输出电流波形为一水平线。上述电路的工作特点是晶闸管在触发时刻换相,整流管在电源电压过零时自然换相。

  35. 在实际运行中,当突然把控制角增大到180O或突然把控制电路切断时,会发生一个晶闸管一直导通、另两个整流管轮流导通的异常现象,例如当T1导通时切断触发电路,当u2变负时,由于电感作用,负载电流由T1和D4续流,当u2又为正时,因为T1已经导通,所以电源又通过T1和D2向负载供电。此时输出电压的波形和单相半波不控整流输出相同,为避免这种情况发生,在负载侧并联一个续流二极管,负载电流经过续流二极管DR续流,而不再经过T1和D4,这样就可以使晶闸管恢复阻断能力。其输出电压波形如图4-14所示。在实际运行中,当突然把控制角增大到180O或突然把控制电路切断时,会发生一个晶闸管一直导通、另两个整流管轮流导通的异常现象,例如当T1导通时切断触发电路,当u2变负时,由于电感作用,负载电流由T1和D4续流,当u2又为正时,因为T1已经导通,所以电源又通过T1和D2向负载供电。此时输出电压的波形和单相半波不控整流输出相同,为避免这种情况发生,在负载侧并联一个续流二极管,负载电流经过续流二极管DR续流,而不再经过T1和D4,这样就可以使晶闸管恢复阻断能力。其输出电压波形如图4-14所示。 • 输出电压平均值: • 输出电压有效值: • 将图4-14中晶闸管和整流管上下对调,则形成了另一种形式的桥式半控整流电路。 返回

  36. §4.3 三相整流电路 • 三相整流与单相整流相比,具有输出电压高且脉动小,脉动频率高,网侧功率因数高以及动态响应快等优点。因此当负载容量大,或者要求直流电压脉动小,易滤波等场合,一般采用对电网来说是平衡的三相整流装置。 • 三相全桥整流电路由六个二极管组成,其中共阳极三个二极管和共阴极三个二极管,如图4-15所示。 图4-15 三相全桥整流电路及波形

  37. 1 、三相不控整流电路 • 当共阳极某二极管承受的电压为最高时,这个二极管导通,其余截止;当共阴极某二极管承受的电压为最低时,这个二极管导通,其余截止。 • 例如,如果uan电压比其他两相电压高时,D1导通,则与负载upn端接通,此刻如果ubn电压比其他两相电压低,则D6与负载端unn接通,负载上得到电压为 。 • 输出平均电压为: • 为两相之间的线电压。

  38. 2 、三相半波可控整流电路 • 三相半波可控整流电路如图所示,整流变压器的一次绕阻一般接成三角形,二次绕阻必须接成星型,三个晶闸管的阳极分别到三相电源,他们的阴极连接在一起,称为共阴极接法,这种接法使用比较广泛。 • 1)R负载 • 相电压波形如图4-16所示,在 期间,u相电压v比和w相都高。如果在 时刻触发晶闸管VT1使其导通,此时负载上得到u相相压。在 期间,v相电压最高,在时刻触发晶闸管VT2导通。此时VT1因承受反向电压而关断,负载上得到V相电压,在 时刻触发晶闸管VT3导通,负载上得到w相电压。图4-17中输出电压是负载上电压波型,在一个周期内有三次脉动,三个触发脉冲互差1200。 • 在三相电路中,通常规定 为触发角 的起算点,即该处 ,各相触发脉冲依次间隔1200。在一个周期内,三相电源轮流向负载供电,负载电流是连续的。

  39. 图4-16 三相半波可控整流电路及波形

  40. 显然, 、 、 是三个晶闸管能够触发的最早时刻。这个交点叫做自然换相点,这是因为如把晶闸管换成不可控的整流二极管,相电压的交点就是二极管的自然换相点的缘故。从图4-17可见,α=300是负载电流处于连续和断续的临界点。 • 输出电压的平均值: • ① 时,VT1在 到 范围内导通,故 • ② 时,输出电压波形断续,u相电压减至零时VT1关断: • 输出电压有效值:

  41. 2)大电感负载 • 在 时刻触发VT1,u相电压加到负载上,VT1管通过负载电流iT1,一直持续到v相晶闸管VT2被触发为止。 • 在 时刻,VT2导通,VT1立即被加上反向电压( )而关断,负载电流由VT2承担,负载被施加v相电压,直到VT3被触发。 • 在 时刻触发VT3,则VT2承受反向电压( ),负载电流也立刻转移到VT3管, 一直工作到VT1被触发。电路及波形如图4-17所示。

  42. 从上述分析可知: • 在负载电流连续情况下,每个晶闸管的导电角均为120度; • 在晶闸管支路不存在电感情况下,晶闸管之间的电流转移是瞬间完成的。 • 负载上出现的电压波型是相电压波形。 • 未导通晶闸管承受的电压是线电压。 • 整流输出电压的脉动频率为3f。 • 电感性负载时整流电流基本是平直的,尽管 ,仍能使各晶闸管导通1200,保证电流连续,ud可能出现负值。

  43. 若 ,则输出电压平均值为 • 输出电压有效值:

  44. 3)电源变压器T漏感影响 • 前面讨论中都忽略了电源变压器漏感对晶闸管换相的影响;在分析电感性负载的可控整流电路过程时都假设晶闸管的换相是瞬时完成的,即认为欲停止导通的晶闸管其电流从突然下降到零,而刚开始导通的晶闸管电流从零瞬时上升到。众所周知变压器都有漏感,该漏感可用一个集中参数Lc表示,且其值是折算到变压器二次侧的,由于电感要阻止电流的变化,电感电流不能突变,因此电流换相必然要经过一段时间,不能瞬时完成。 • 考虑变压器漏感的电路如图4-19所示,现在分析漏感对换相的影响。

  45. 4-19变压器漏抗对可控整流电路电压和电流波形的影响4-19变压器漏抗对可控整流电路电压和电流波形的影响

  46. VT1导通,换相开始前,VT2、VT3不通。开始换相时,此时触发VT2,因为每一相中都有电感,所以VT1管中的电流不能突然消失,VT2管中的电流也不能突然增加到Id,而需要一个逐渐变化的过程,也就是说,VT1管中的电流不能瞬间的转移到VT2管中去,而需要一个换相过程,在换相过程中VT1管的电流逐渐变小,VT2管中的电流逐渐上升,即存在一个很短的两个晶闸管同时导通的重叠期间,这就是通常所说的换相重叠问题。VT1导通,换相开始前,VT2、VT3不通。开始换相时,此时触发VT2,因为每一相中都有电感,所以VT1管中的电流不能突然消失,VT2管中的电流也不能突然增加到Id,而需要一个逐渐变化的过程,也就是说,VT1管中的电流不能瞬间的转移到VT2管中去,而需要一个换相过程,在换相过程中VT1管的电流逐渐变小,VT2管中的电流逐渐上升,即存在一个很短的两个晶闸管同时导通的重叠期间,这就是通常所说的换相重叠问题。 • 换相重叠期间,负载电流保持不变,有 ,对上式微分得:

  47. 忽略VT1和VT2管压降,电路方程为: • 整理得 • 因为在换相期间 ,而 , 这表明,换相重叠期间,换相回路有一个电位差 ,它在两相漏抗回路中产生一环流,如图4-19中虚线所示,它迫使VT1管中的电流下降,VT2管中电流上升,此时输出电压为:

  48. 上式说明在换相重叠期间,加在负载上的电压不是v相电压,而是u和v两相电压的平均值,它与无的波形相比,少了一块面积,因此输出电压的平均值就减少了,这是由于换相支路的漏感造成的,其平均电压降可表示为:上式说明在换相重叠期间,加在负载上的电压不是v相电压,而是u和v两相电压的平均值,它与无的波形相比,少了一块面积,因此输出电压的平均值就减少了,这是由于换相支路的漏感造成的,其平均电压降可表示为: • 式中 m为一个电压周期内换相次数,γ为换相重叠角,上式表示换相压降平均值正比于负载电流Id和 乘积。