多功能整流器课件.ppt

1、2.1 不可控整流电路简介不可控整流电路简介不可控单相整流电路不可控单相整流电路+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud在u2正半周过零点至wt=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至wt=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。2d2UU 空载时，空载时，0iudqdp2pwti,ud实际应用的情况实际应用的情况a)b)u2udi20dqpwti2,u2,ud不可控三相整流电路不可控三相整流电路a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt某一对二极管导通时，输出电压

2、等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电；当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。实际应用的情况实际应用的情况考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形 a）电路原理图 b）轻载时的交流侧电流波形 c）重载时的交流侧电流波形输出电压平均值输出电压平均值 Ud在（2.34U2 2.45U2）之间变化b)c)iaiaOOw tw t2.2 6脉波二极管整流器脉波二极管整流器 2.2.1 简介简介 带纯电阻负载的6脉波二极管整流器的简化电路 供电电源的相电压为：式中，为相电压的有效值；为供电电压的角频率，。供电电源的线电压为 为线电压的有效值，它和相电压有

3、效值的关系为2sin()aPHvVtw2sin(23)bPHvVtwp2sin(4/3)PHvcVtwpPHVw2fwp2sin(/6)ababLLvvvVtwp3LLPHVVLLV 带纯电阻负载的6脉波二极管整流器的电压和电流波形/31/613 22sin(/6)()1.35/3/3doLLLLLLAVVtd tVVppwpwppp2.2.2 容性负载容性负载 带容性负载的6脉波二极管整流器的简化电路 1断续电流工作模式 6脉波二极管整流器在断续电流工作模式下的电压和电流波形 6脉波二极管整流器在断续电流工作模式下的电压和电流波形的放大图(1)当 时，线电压 比直流电压 大因此D1和D6导通

4、。从0开始增加，Ls储存能量。12tqwqabvdVdi(2)当 时，与 相等。Ls两端的电压降为0，达到最大值。2twqabvdVdi(3)当 时，低于 。储存在Ls中的能量通过D1和D6向负载释放。2twqabvdV(4)当 时，Ls中的能量全部释放，减小到0。3twqdi(5)当 时，线电压 比直流电压 大因此D1和D2导通。45tqwqabvdV工作过程工作过程工作过程工作过程312()cqqq02/3cqp11sin()2dLLVVq21qpq二极管中的电流求取过程：二极管中的电流求取过程：13tqwq2dabddiLsvVdt11()(2sin()()2dLLdiVtV dtLsq

5、qqwww111 2(coscos)()2LLdVVLsqqqqw2twq12121 2(coscos)()2dLLdIVVLsqqqqw311()()/3ddIidqqqqp3()0diq3131coscos2dLLVVqqqq3q1q2q3q 的求取与Ls无关2连续电流工作模式 6脉波二极管整流器在连续电流工作模式下的电流波形电流的THD则定义为式中，为 中基波电流的有效值,网侧畸变电流的有效值。输入功率因数定义为式中，DF（Distortion Factor，DF）为畸变因数,DPF为相移功率因数。2211aaaIITHDI1aIaiaI11cosaaPIPFDF DPFSI2.2.3

6、THD和和PF的定义的定义2.2.4 6脉波二极管整流器的脉波二极管整流器的THD和和PF 6脉波二极管整流器线电流的典型波形及谐波含量 不含不含3的的整数倍次整数倍次谐波，主谐波，主要低次谐要低次谐波为波为5次次和和7次谐次谐波。波。6脉波二极管整流器的THD和PF曲线2.3 串联型多脉波二极管整流器串联型多脉波二极管整流器2.3.1 12脉波串联型二极管整流器脉波串联型二极管整流器1整流器结构整流器结构 12脉波串联型二极管整流器122NN1323NN/2ababABVVV30oabABvvd 2电流波形 12脉波串联型二极管整流器工作在额定条件下计算机仿真得到的电流波形 由于变压器一次侧

7、和二次侧上面的绕组都为星形联结，折合后的电流 和折合前的电流 波形形状相同，只是幅值减小了一半 而当 折合到一次侧时，折合后的电流 与波形不同。aiaiaiaiai 电流的谐波频谱 相移的结果使折合后的电流 、中的谐波不同相，例如两者中的5次和7次谐波折合后的相位相反。因此，这些谐波电流在变压器的一次侧绕组中相互抵消从而不会出现一次侧线电流中。aiai 12脉波二极管整流器工作在额定条件下的实验波形 12脉波串联型二极管整流器线电流的THD及输入PF 和6脉波二极管整流器相比，12脉波二极管整流器网侧电流的THD可大幅降低。较低的网侧电流THD和较高的相移功率因数使得整流器的输入PF也得到了改

8、善。3网侧电流THD及输入PF2.3.2 18脉波串联型二极管整流器脉波串联型二极管整流器1整流器结构整流器结构 18脉波串联型二极管整流器 18脉波二极管整流器可以消除4个主要的低次谐波，即5、7、11和13次谐波。2波形图 18脉波串联型二极管整流器的电流波形 18脉波串联型二极管整流器的电流波形3网侧电流THD及输入PF 18脉波串联型二极管整流器网侧电流的THD及输入PF 1AIAi当18脉波二极管整流器工作在额定负载条件下，即 =1pu及Ls=0.05pu时，网侧电流 的THD从12脉波二极管整流器的6.4降低到2.3，功率因数也略有增加。1AIAi2.3.3 24脉波串联型二极管整

9、流器脉波串联型二极管整流器1整流器结构整流器结构 24脉波串联型二极管整流器 2波形图 24脉波串联型二极管整流器的电流波形3网侧电流THD及输入PF 24脉波串联型二极管整流器的线电流的THD及输入PF 从变压器二次侧折算到一次侧的电流，THD皆约为24。而一次侧线电流近似为正弦波，THD仅为1.49。Ai2.4 分离型多脉波二极管整流器分离型多脉波二极管整流器2.4.1 12脉波分离型二极管整流器脉波分离型二极管整流器 12脉波分离型二极管整流器 12脉波分离型二极管整流器在串联H桥多电平变频器驱动系统中的应用实例12脉波分离型二极管整流器的电流仿真波形 2.4.2 18和和24脉波分离型

10、二极管整流器脉波分离型二极管整流器18脉波分离型二极管整流器18脉波分离型二极管整流器的电流波形 整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流。晶闸管相控整流电路：输入电流滞后于电压，且其中谐波分量大，因此功率因数很低。二极管整流电路：输入电流中谐波分量很大，所以功率因数也很低。在电网侧对已经产生的谐波和无功功率要进行补偿。能够使能量双向流动。能够使装置的输入电流正弦化，且运行于单位功率因数，不产生谐波也不消耗无功功率。使整流器网侧电流和电压同相位。2.5、PWM整流器整流器2.5.12.5.1传统的整流器存在的缺点传统的整流器存在的缺点2.5.2 PWM整流器优点整流器优点v具有能量双向流动：即当

11、直流侧电压高于电源侧电压峰值时，能实现DC-AC逆变，将能量回馈到电网；v网侧电流谐波小；v高功率因数，理论上可以达到1；功率因数可控；v直流电压可控制。电路结构 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的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。降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)工作原理工作原理c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图降压斩波电路得原理图及

12、波形t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。数量关系数量关系电流连续输出电压平均值：EETtEtttUonoffonono（4.2-1）REUIMoo（4.2-2）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（1)电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：斩波电路三种控制方式T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）。ton不变，变T 频率调制。ton和T都可调混合型。此种方式应用最

13、多TIETRIoM2o同样可以从能量传递关系出发进行的推导 假定L为无穷大，负载电流Io维持不变 电源只在V处于通态时提供能量，为 在整个周期T中，负载消耗的能量为onotEI输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIooo1IUEIEII1为电源电流平均值 负载电流断续的情况负载电流断续的情况（L值较小时）I10=0，且t=tx时，i2=0memt)1(1lnxtx1，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。升压比；升压比的倒数记作b，即。b和的关系：因

14、此，式（4.2-4）可表示为 off/tT1bEEUb111oTtoffb（4.2-6）（4.2-5）电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用 电容C可将输出电压保持住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。（4.2-7）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。oo1IUEI 输出电流的平均值Io为：RERUIb1oo(4.2-8)电源电流的平均值I1为：REIEUI2oo11b(4.2-9)2)升压斩波电路典型应用一是用于直流电动机传动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ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontoff

15、tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a）电路图 b）电流连续时 c）电流断续时用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。数量关系当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：EERitiLM22dd（4.2-11）当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即REEREmIobbM（4.2-12）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了 。Eb当V处于通态时，设电动机电枢电流为i

16、1，得下式：M11ddERitiL(4.2-10)式中R为电机电枢电阻与线路电阻之和。如图所示，当电枢电流断续时：当t=0时刻i1=I10=0，令I10=0即可求出I20，进而可写出 i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形mmett11lnonxbeem11-电流断续的条件tx 0时时，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分别组成两个升压斩波电路，以（V2、VD4、VD1、Ls）为例。V2通时，us通过V2、VD4向Ls储能。V2关断时，Ls中的储能通过VD1、VD4向C充电。us 0时时，

17、（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路。三相桥式PWM整流电路，是最基本的PWM整流电路之一，应用最广。工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相。进行SPWM控制，在交流输入端A、B和C可得 SPWM电压，按相量图控制，可使i ia a、i ib b、i ic c为正弦波且和电压同相且功率因数近似为1。三相桥式PWM整流电路 负载2.5.5 三相三相PWM整流器主要控制方法整流器主要控制方法电压定向控制电压定向控制(VOC)一种基于同步旋转坐标的矢量控一种基于同步旋转坐标的矢量控制方法，其实质是控制电流矢量与电制方法，其实质是控制电

18、流矢量与电压矢量所在的压矢量所在的d轴重合轴重合 方法方法 三相电压和三相电流 Park变换变换dqcossinsincosYYYYbqqqqClark变换变换1122dan33qbn221110cn2221203VVVVVVid、iq控制的本质：iq=0 虚拟磁链定向控制虚拟磁链定向控制(VFOC)一种基于同步旋转坐标的矢量控制方法；控制思想是将三相交流电源和电感虚拟成一台交流电机，其中交流电源虚拟成电机的电势，交流电感虚拟成电机的定子电感；控制方法：将电流矢量控制到虚拟磁链的垂直方向上。省去了三相电流检测环节省去了三相电流检测环节 虚拟磁链edte为三相交流电源电压合成矢量 以虚拟磁链方向

19、定义d轴方向 将电流矢量控制在q轴方向上 代表了电机功率因数为1 基于电压的直接功率控制基于电压的直接功率控制(V-DPC)一种基于功率解耦的控制方法；将总功率分解为瞬时有功功率和无功功率；直接功率控制的实质是将有功功率和无功功率分别控制，有功功率决定了输出直流电压，无功功率决定了系统功率因数。3a ab bc cbcacababcPe ie ie ieeieeieeiQClark、Pack变换 ddq dPi eQi e 控制本质：Q=0基于虚拟磁链的直接功率控制基于虚拟磁链的直接功率控制 VF-DPC 将虚拟磁链的构思应用到直接功率控制中将虚拟磁链的构思应用到直接功率控制中 ddPii i idtdtddQii i idtdtb bb bb b bbww磁链的估算借助了开关器件的开关状态兼顾了网侧电压波形不理想的实际问题dedtej twei tdej dtww*RePu i*ImQu iuujubiijib2.5.6三相三相PWM整流器控制系统框图整流器控制系统框图