最全AC-DC变换技术教学教材

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第4章 AC-DC变换

湘潭大学机械工程学院
(2) 几个概念：几个概念：
o 触发角与导通角触发角α与导通角与导通角θ
触发角α 也称触发延迟角或控制角，触发角：也称触发延迟角或控制角，是指晶闸管从承受正向电压开始到导通时止之间的电角度。承受正向电压开始到导通时止之间的电角度。导通角θ：指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。导通角：指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。
电力电子学
第四章 AC-DC变换（可控整流器）变换（变换
湘潭大学机械工程学院
电能变换的形式有四种：电能变换的形式有四种：
整
流
DC
斩
波
AC—DC AC 交交变换 AC—AC
DC—DC DC AC 逆变
DC—AC AC—DC的电路称为整流电路的电路称为整流电路
湘潭大学机械工程学院
本章主要内容
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3.电感性负载加续流二极管 3.电感性负载加续流二极管
(1) 工作原理
电源电压正半波u2＞0，晶闸管电压uAK＞0。在ωt=α处触发晶闸管导通，管导通，负载上有输出电压和电续流二极管V 流，续流二极管VDR承受反向电压而处于断态。而处于断态。电源电压负半波u2＜0，通过续流二极管V 二极管VDR使晶闸管承受反向电压而关断。电感的感应电压使V 关断。电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，向电压导通续流，负载两端的电压仅为续流二极管的管压降。仅为续流二极管的管压降。如果电感足够大，感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，连续。下一周期晶闸管导通，使id连续。
湘潭大学机械工程学院
直流输出电压u 和负载电流i 直流输出电压 d和负载电流 d的波形相位相幅值呈正比。同，幅值呈正比。通过改变触发角α的大小，直流输出电压通过改变触发角的大小，直流输出电压ud的的大小波形发生变化，波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然α=180º时 =0。变化，显然α=180º时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压u 为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，出电压 d为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。故称“半波”整流。

第五章直流交流(DCAC)变换.

第五章直流—交流（DC—AC）变换5.1 逆变电路概述5.1.1 晶闸管逆变电路的换流问题DC—AC变换原理可用图5-1所示单相逆变电路来说明，其中晶闸管元件VT1、VT4，VT2、VT3成对导通。

当VT1、VT4导通时，直流电源E通过VT1、VT4向负载送出电流，形成输出电压左（+）、右（-），如图5-1（a）所示。

当VT2、VT3导通时，设法将VT1、VT4关断，实现负载电流从VT1、VT4向VT2、VT3的转移，即换流。

换流完成后，由VT2、VT3向负载输出电流，形成左（-）、右（+）的输出电压，如图5-1（b）所示。

这两对晶闸管轮流切换导通，则负载上便可得到交流电压，如图5-1（c）波形所示。

控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率，改变直流电压E的大小就可调节输出电压幅值。

输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。

图5-1 DC—AC变换原理要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题，即换流问题。

晶闸管为半控器件，在承受正向电压条件下只要门极施加正向触发脉冲即可导通。

但导通后门极失去控制作用，只有使阳极电流衰减至维持电流以下才能关断。

常用的晶闸管换流方法有：（1）电网换流（2）负载谐振式换流（3）强迫换流5.1.2 逆变电路的类型逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。

由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。

在交—直—交变频电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。

根据直流输入储能元件类型的不同，逆变电路可分为两种类型：图5-4 电压源型逆变器图5-5 无功二极管的作用1．电压源型逆变器电压源型逆变器是采用电容作储能元件，图5-4为一单相桥式电压源型逆变器原理图。

电压源型逆变器有如下特点：1）直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。

dcac变换技术

（6-3）
DFn
= Vn V1n 2
（6-4）
对逆变器来讲，性能指标除波形参数外，还有如逆变器效率、比功率等性能指标。
§6.2 方波逆变器
6.2.1 单相半桥式逆变电路
半桥式逆变电路如图 6-9（a）所示，在直流侧有两个相互串联的足够大的电容，使得两个电
容的联结点为直流电压的中点。两个电容 C 构成一个桥臂，开关管 Q1 和 Q2 及其反并二极管 D1 和
（Vdc , Idc ）向负载传输；负的输出功率表明逆变器工作于整
整流器
逆变器
流状态，从负载向逆变器输入（Vdc , Idc ）反馈能量。因此逆
变器必须能够工作在四个象限才能适应各种不同的负载情
201
逆变器
整流器
图 6-7 逆变器四象限工作情况
现代电力电子技术基础
况。设逆变器输出电压为正弦，输出电流滞后于输出电
=
Vin 2
,υo
的频率等于开关频率，
fs
=
1 Ts
, Ts
是开关周期。
203
现代电力电子技术基础
在纯电阻负载 R 情况下， D1 或 D2 都不参与导通，在 Q1 和 Q2 互相轮流导通，输出波形为方波，其幅值为 Vin ，其输出电压有效值为：
2
1
∫ v AB
=
⎡2
⎢ ⎣
T0
V T0
2
2 in
分析方法。 DC-AC 方框图如图 6-1 所示。
图 6-1 DC-AC 方框图
§6.1 逆变器分类、功率流方向和波形指标
6.1.1 分类
逆变器分为单相和三相两大类。单相逆变器适用于小、中功率；三相逆变器适用于中、大功率。这两大类按不同的特点又可分为：

第5章-AC／DC变换

晶闸管承受的最大反向电压为 2U 2 ，承受的最大正向压降为 2U2 2 。
14
整流输出电压的平均值为：整流输出电压的有效值为：
Ud
1 π
π
2U2sintd(t)2π2U21c2os
1cos
0.9U2 2
U 1 π π 2 U 2 sitn 2 d (t) U 2s2 π 2 in π π
16
负载电流的波形系数为：
Kf IId
πsi2 n2π(π) 2(1co)s
有功功率为：
PI22RU2I
电路功率因数为：
PF PU2I si2 nπ
S U2I2
2π π
17
2．电感性负载
2
4
晶闸管承受的最大正反向电压都是 2U 2 。
18
负载电流连续时，整流输出电压的平均值为：
1π
IdT
π
2π
Id
流过晶闸管的电流有效值：
IT
π
2π Id
25
流过续流二极管的电流平均值：
I dD
π
Id
流过续流二极管的电流有效值：
ID π Id
返回
26
5.3 三相相控整流电路
5.3.1 三相半波可控整流电路
A
BB
１．电阻性负载
C
电阻性负载α=0°波形
uaa
ubb
ucc
uaa
uaubab
uuaacc
流过每个晶闸管的电流有效值为：
IT 2 1 π π 2 U 2 R sitn 2 d (t)U 2 2 Rs2 iπ 2n π πI2
流过晶闸管的电流波形系数为：
U2 si2 nπ
Kf TIId TT

第4讲DC-AC变换及应用

4.3.1 单相电流型逆变电路
四个桥臂构成,电抗器用来限制开通时的di/dt。工作方式为负载换相。 C L R构成并联谐振电路输出电流接近矩形波，一周期内有两个导通阶段和两个换流阶段工作分析电流型逆变电路主要特点 t1~t VT1,4稳定导通,iｏ=Id， (1) 直流侧串大电感，电流基 2：
无源逆变
交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。电压型，电流型
3、按有无变压器分隔离式，非隔离式
4、按结推挽式，单端正激，单端反激
单相三相多相
二、常见问题
4.1
1、逆变与变频的关系变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。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。 2、应用 1）新能源的开发利用，直流电源（如蓄电池、干电池、太阳能电池）等带交流负载； 2）交流电机调速用变频器； 3）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； 4）恒频恒压电源（交直交）UPS，航天用400Hz电源铁路用25Hz电源； 5）有源逆变电源 – 高压直流输电，送电端整流，受电端逆变； 6）开关电源
4
iVT
2
iVT
3
?t
t1
O
uVT
uVT b)
?t
?t
1
4
负载换流工作波形
四、换流方式分类
4.1
4)强迫换流（Forced Commutation）
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。
由换流电路内电容直接提供换流电压
uG1,4 uG2,3
u o io t1 t2 t t t3 t4 t5 t

第6章DC-AC变换技术

由于D2、D3(或D1、D4)续流，电压形成一个与导通期间伏秒积相等的负(正)的面积。如果Q1和Q4（Q2和Q3）导通时间超过Ts/4，波形导通时间变化的影响。由此可见，全桥逆变器在感性负载时不宜采用双极性控制方式。 vAB的有效值和瞬时值为： ——为输出电压角频率。当n=1时，其基波分量的有效值为：显然当电源电压和负载不变时，其输出功率是半桥电路的4倍。
图6-6 逆变器输出瞬时电压和电流曲线
图6-7 四象限工作情况
图6-8 反并联二极管
3 、逆变器波形指标实际逆变器的输出波形总是偏离理想的正弦波形，含有谐波成分，为了评价输出波形的品质质量，从电压角度引入下述几个参数指标： 1）谐波因子（Harmonic Factor）第n次谐波因子HFn定义为第n次谐波分量有效值同基波分量有效之值比，即 2）总谐波（畸变）因子THD (Total harmonic distortion factor) 该参数表征了一个实际波形同基波分量的接近程度。输出为理想正弦波的THD为零。 3）畸变因子（Distortion factor）总谐波因子指示了总的谐波合量，但它并不能告诉我们每一个谐波分量的影响程度，畸变因子定义：对于第次谐波的畸变因子定义如下：
图6-13 方波逆变器输出频谱
因此，我们得出方波逆变器输出的频谱图，如图6-13所示，并有以下结论：（1）方波逆变器输出的方波谐波幅度随着n的增加而减小，其减小系数为1/n； (2)偶次谐波不存在； (3)最低次谐波为3次谐波； (4)由于基波和谐波频率差较小，低通滤波器设计相当困难。图6-14为方波的各次谐波时域图。
图6-12 全桥电路移相控制方式的工作过程
3傅立叶级数、方波逆变器输出谐波 1)傅立叶级数傅立叶级数是研究和分析波形形状的工具。为了分析方便，把傅立叶级数的基本定义、概念叙述如下。在实际问题中，除了正弦函数外，还会遇到许多非正弦的周期函数，为了研究非正弦的周期函数，将周期函数展开成由三角函数组成的级数，即将周期为的周期函数用一系列三角函数之和来表示：其中都是常数。

交直流变换技术.ppt

2
第三章: AC/DC变换技术(整流)
——相控整流电路的基本结构
图：相控整流电路的结构框图
3
第三章: AC/DC变换技术(整流) ——对整流电路的基本要求：
（1）输出的电压的可调范围大，直流电压脉动小；（2）功率器件导电时间尽可能长，承受的正反向电压较低；（3）变压器利用率高，尽量防止直流磁化；（4）交流电源功率因数高，谐波电流小。
（4）由整流电路构成的设备或装置称为整流变换器。
1
第三章: AC/DC变换技术(整流)
——整流电路的分类
（1）按整流器件的可控性可分为：全控整流、半控整流和不可控整流（2）按控制方式可分为：相控整流和PWM（脉冲宽度调制）整流
（3）按整流输出波形和输入波形的关系可分为：半波整流和全波整流（4）按电路结构可分为：桥式电路和零式电路（5）按输入交流相数分为：单相、三相和多相电路
6
第三章: AC/DC变换技术(整流) ——学习方法
（1）听、看、思（2）临摹——利用MATLAB仿真（3）动手
7
4
第三章: AC/DC变换技术(整流) ——整流电路的理想化处理

功率器件正向导通时阻抗为零（压降为零）关断时阻抗无穷大（或电流为零）整流变压器绕组无漏抗，无内阻交流电网的容量足够大，电源是恒频恒压对称

5
第三章: AC/DC变换技术(整流) ——学习的主要内容
一、重点掌握单相、三相相控整流电路；（1）掌握整流电路的结构形式；（2）掌握利用整流电路的工作波形去分析整流电路工作原理的方法；（2）掌握整流电路的各种数学关系以及简单设计方法二、熟悉变压器漏抗对整流电路的影响；三、熟悉整流电路的谐波和功率因数分析；四、了解新型的PWM整流电路。

第4章 DC-AC变换电路

按输出电压相数分类
Power Electronics
4.2电压型DC-AC变换电路
4.2.1电压型单相逆变电路 4.2.2电压型三相全桥式逆变电路
Power Electronics
4.2.1电压型单相逆变电路
1.电压型单相半桥式逆变电路
电路特点：直流侧接有很大的滤波电容，从逆变器向直流侧看过去，有两个桥臂，每个桥臂由一个开关器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个串联的大电容，用于直流环节的滤波，稳定直流电压相当于一个内阻很小的电压源，两个电容的连接点为直流电源中点，负载接在直流电源中点和两个桥臂中点之间。
T0

4.2.2电压型三相全桥式逆变电路
开关管驱动状态及各相端点输出电压
各个开关管的导通状态与顺序分别为
(T1 、T2 、T3)→ (T2 、T3 、T4) →(T3 、T4 、T5) →(T4 、T5 、T6) →(T5 、 T6、T1) →(T6、T1、T2)
Power Electronics
4.2.2电压型三相全桥式逆变电路
逆变器输出线电压为各端点电压之差，且考虑负载为三相对称负载，O点为负载的中点
负载中点电压与端点电压之间关系：
vON v AN vBN vCN 3
Power Electronics
4.2.2电压型三相全桥式逆变电路
当
0t T0 6
时，T1、T2、T3导通
vON v AN vBN vCN VD 3 6
v AN
VD V V 、vBN D 、vCN - D 2 2 2
负载线电压：
v AB v AN vBN 0 vBC vBN vCN VD v v v V CN AN D CA

第4章_DC-AC变换技术

ua
ub
uc
ua
ub
O
wt
=
3
=
4
=
6
ud uab uac ubc u ba uca u cb uab uac u bc uba u ca u cb u ab u ac u bc u ba u ca ucb u ab u ac u bc
wt1 wt2 wt3
O
wt
=
3
=
4
=
6
图4-10 三相桥式相控有源逆变电路工作波形
√也叫电感耦合式强迫换流。
■换流方式总结 ◆器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 ◆器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。 ◆当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而
变为零，则称为熄灭。
4.2 相控有源逆变电路
4.2.1 有源逆变的工作原理和实现的条件 4.2.2 三相相控有源逆变电路 4.2.3 逆变失败及最小逆变角的限制
载阻抗不同而不同。 ◆阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功
能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。
20
4.3.1 电压型单相无源逆变电路
图4-14 电压型单相全桥逆变电路原理图与工作波形
21
4.3.1 电压型单相无源逆变电路
图4-15 单相全桥逆变电路的移相调压方式
22
4.3.2 电流型单相无源逆变电路
个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容
ω t 性，直流侧串大电感，工作过程可认为id
基本没有脉动。
√负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗
ω t 小，所以uo接近正弦波。
ωt

现代电力电子技术课件-DC-AC converter

1、PF — Power Factor：
PF P UI1 cos cos
S UI
Υ=I1/I — current harmonic factor cosφ — displacement factor
2、distortion—harmonic evaluate
① DF — Distortion factor
uO
inverter rectifier
Ui /2
O
Ui /2
S1 D1
L
R iS1
iD1
uO
S2 D2
iD2
iO
iS2
no matter what direction of the current
uO
Ui 2 Ui 2
S1 S2
★ operating waves of half-bridge inverter
1 single-phase bridge SPWM inverter
★ bipolar modulate：
S1 D1
S3 D3
L
R
S1 uM u△
S4
uM u△
t
Ui
S2 D2
uO iO
S4 D4
S2 S3
u△ uM
diagonal complementary control
uO
uO
U U
i i
DF Un2
n2
n23
U1
② THF — Total Harmonic factor
THF Un2 n23
U1
③ HF — Harmonic factor
HF Un U1
④ LOH — Lowest-order Harmonic

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2 t
VD1 u2 R u2
VD2
VD1
AC
+ -
R
AC + -
ud
VD2
VD1
VD1 VD3
-
AC
u2 +
R
-
R
AC +
ud
VD2
VD4
VD2
VD1
AC + -
VD2
)
b)
图5-2 单相全波整流电路
c)
a)
图5-3 单相桥d)式整流电路
b
电力电子技术 5.2.1 单相不控整流电路
VD1
VD3
VD1
半周整流电路工作图 d)交流输入负半周整流电路工作图
电力电子技术 5.2.1 单相不控整流电路
表5-4 单相全波整流电路各区间工作情况
ωt
0～π
π～2π
VD1
二极管VD1导通 VD1导通V、D1VD2 VD2导通、VD1
t
u2 R u2
情况 AACCuudVD++-- 1和uuRdVD2
截止 -
AC
➢ 采用单相全波整流电路
电力电子技术 5.2.1 单相不控整流电路
➢ 单相全波整流电路
ud
O
2 t
a)
VD1
u2
R
u2
VD2
VD1
AC
+ -
R
AC + -
ud
VD2
VD1
-
AC +
R
-
AC +
ud
VD2
b)
c)
d)
图5-2 单相全波整流负载电压波形 a)单相全波整流电路负载电压波形 b)单相全波整流电路 c)交流输入正
u2
AC +
R
-
VD2
VD4
VD2
a)
VD3
R VD4
VD1
-
ud AC + VD2
b)
VD3 R ud
VD4
c)
a)单相桥式整流电路 b)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 c)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图
电力电子技术 5.2.1 单相不控整流电路
VD1
VD3
u2
R
VD2
VD4
a)
➢表5-5 单相桥式整流电路各区间工作情况
ωt
0～π
π～2π
二极管导通V情D1况
VVVDDD3 12和和VVDD43导截V通止D1 、
AC +
ud -
|u2| R
-
ud AC +
VD2
uVD
uVDV4D1,4=0， VD2
b)uVD2,3= -|u2|
VVVDDD3 21和和VVDD34导截通止、
|u2| R ud uVVD4D3=0， c)uVD1,4= -|u2|
VD1
VD1
id
-
u2
ud
L eL u2
ud
L
e
L
+
R
+
R
b)
c)
u2
t1
O
2
tudO2 Nhomakorabeat
id
O
t
f)
不带续流二极管的单相半波整流电路带阻感负载电路及波形
表5-2 单相半波不控整流电路阻感负载时各区间各区间工作情况
ωt
0～π
π～ωt1 ωt1～2π
二极管导通 VD1导通 VD1导通 VD1截止情况
ωt
0～π
π～2π
二极管导通情况
负载电压ud 负载电流id 整流二极管电流iVD1 续流二极管电流iVD2 整流二极管端电压 uVD1 续流二极管端电压 uVD2
VD1导通、 VD2截止 u2 水平直线矩形波 0 0
-|u2|
VD1截止、 VD2导通 0
0 矩形波 u2
0
电力电子技术
5.2.1 单相不控整流电路
➢ 由于二极管整流电路输出的直流电压只与交流输入电压的大小有关，不能控制其数值，故称为不控整流电路。
电力电子技术 5.2.1 单相不控整流电路
➢表5-1 单相半波不控整流电路电阻负载时各区间工作情况
u1
u2 O ud
uVDO1 O
VD1
单
u2
相交
流
ud R
a)
2
t
2
t
2
t
e)
图5-1 单相半波整流电路带电阻性负载电路及波形
|u2|
+ -
R
uVDA1C=0+， ud
截止
|u2| uVD1= -|u2|，
VD2
VD2
uVD2= -|u2V|D2
uVD2=0
b)
Ud
c)
1π
0
2U2ds) i ntd(t)0.9U2
电力电子技术
5.2.1 单相不控整流电路
单相全波整流电路必须要有一个带中心抽头的变压器，且二极管承受的最高电压为2 2U2。为获得全波整流电路的负载电压波形，并克服全波整流电路的缺点，可采用桥式整流电路
➢ 整流电路有多种分类方法
按交流电源输入相数来分类，可分为单相与多相整流电按电路结构来分类，可分为半波、全波与桥式整流电路若按整流电路中使用的电力电子器件来划分，可分为不控整流电
路、相控电路、PWM整流电路
电力电子技术 5.2 不控整流电路
➢ 利用电力二极管的单相导电性可以十分简单地实现交流—直流电力变换。
电力电子技术
最全AC-DC变换技术
电力电子技术
5.1 概述
➢ 凡能将交流电能转换为直流电能的电路统称为整流电路，简称为AC-DC。
➢ 整流电路是出现最早的电力电子电路，自20世纪20年代至今已经历了以下几种类型：
旋转式变流机组（交流电动机-直流发电机组）静止式离子整流器和静止式半导体整流器
Ud
1π
0
2U2s i ntd(t)0.9U2
电力电子技术
5.2.1 单相不控整流电路
➢ 在单相输入的AC-DC整流电路中，单相桥式整流电路应用极为广泛。
➢ 半波整流电路交流电源电流是单方向的，电源变压器存在直流磁化现象，是半波整流电路的应用不广泛的主要原因之一。
➢ 而桥式和全波电路电源电流双向流动，使交流电源得到充分利用，也不存在电源变压器直流磁化现象。
ωt
0～π
π～2π
2π～3π
二极管导 VD1导通 VD1截止 VD1导通通情况
负载电压 ud 负载电流id
二极管端电压uVD1 负载电压平均值Ud
u2
0
u2
u2/R
0
u2/R
0
u2
0
1π
20
2U2sintd(t)0.4U 52
电源变压器副边电压有效值为U2
电力电子技术
5.2.1 单相不控整流电路
负载电压ud u2
u2
0
负载电流id 有
有
0
二极管端电 0
0
u2
压uVD1
电力电子技术
5.2.1 单相不控整流电路
VD1 iVD1 id
iVD2
u2
VD2
ud
L eL
R
id
O iVD1
O iVD2
d)
2 t
2 t
O
t
g)
带续流二极管的单相半波整流电路带阻感负载电路及带大电
感负载电流波形波形
表5-3 单相半波不控整流电路大电感负载带续流二极管时各区间工作情况
u2
O
2
t
ud
uVDO1
2
t
2
O
t
单相半波整e)流电路带电阻性负载电路及波形
ud
O
2 t
图5-2a 单相全波整流电路负载电压波形
➢ 半波整流负载电压仅为交流电源的正半周电压，造成交流电源利用率偏低，输出脉动大，因此使用范围较窄。
➢ 若能经过变换将交流电源的负半周电压也得到利用，即获得图5-2a中的负载电压波形，则负载电压平均值Ud可提高1倍，电源利用率大大提高。
电力电子技术 5.2.2 三相不控整流电路