第2章ACDC變換電路

第2章AC-DC變換電路2.1概述2.2不控整流電路

2.3

單相可控整流電路

2.4

三相可控整流電路

2.5

PWM整流電路

2.1概述AC-DC變換電路是將交流電(AC)轉(zhuǎn)換為直流電(DC)的電路，即通常所說的整流電路。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。分類方法按交流電源輸入相數(shù)：單相，三相，多相按電力電子器件控制能力：不控，可控

按輸入電流波形特征：半波，全波按整流輸出的電壓、電流方向及功率流向：一象限，兩象限，四象限常用性能指標(biāo)電壓波形系數(shù)FF(formfactor)：整流輸出電壓有效值V與平均值之比，電壓紋波系數(shù)RF(ripplefactor)：輸出紋波電壓與輸出電壓直流平均值之比，電壓脈動(dòng)系數(shù)：整流輸出電壓中最低次諧波幅值與直流平均值之比，常用性能指標(biāo)（續(xù)）輸入電流總畸變率THD(TotalHarmonicDistortion)：輸入電流中除基波電流外的所有諧波電流有效值與基波電流有效值之比，輸入功率因數(shù)PF（powerfactor）：交流電源輸入有功功率與其視在功率之比，2.2不控整流電路不控整流電路是指僅采用二極管作為開關(guān)器件完成AC-DC轉(zhuǎn)換的整流電路，因此一般又被稱為二極管整流電路。不控整流電路基本工作原理是利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，周期性地?dǎo)通和截止輸入交流電源，將交流電源轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)的直流電提供給負(fù)載。二極管不可控，整流電路輸出的直流電壓只與交流輸入電壓的大小有關(guān)，不能隨意調(diào)節(jié)。

2.2.1單相半波不控整流電路2.2.2兩相半波不控整流2.2.3單相橋式不控整流電路2.2.4三相半波不控整流電路2.2.5三相橋式不控整流電路2.2.6不控整流電路輸出電壓的諧波分析2.2.1單相半波不控整流電路二極管D1整流，D0續(xù)流；輸入電源；、分別為整流輸出電流與電壓。電源電壓為正半周時(shí)，二極管D1承受正向電壓導(dǎo)通。若忽略1V左右的導(dǎo)通壓降，則；，如左圖第一段所示。對(duì)于純電阻性負(fù)載，負(fù)載電流與電壓波形一致，只相差一個(gè)比例系數(shù)。電源電壓為負(fù)半周時(shí)，二極管D1受反壓截止，阻斷電路，。對(duì)于電阻性負(fù)載，負(fù)載電流也為零，如左圖第二段所示；對(duì)于電感性負(fù)載，負(fù)載電流可通過二極管D0續(xù)流。在電源電壓的一個(gè)周期內(nèi)，整流輸出電壓的脈沖波數(shù)，其直流平均值為缺點(diǎn)：在已定的情況下無法調(diào)控輸出整流電壓的直流平均量輸出電壓脈動(dòng)大，電源電壓利用率低，交流電源電流中含有很大的直流分量，電源側(cè)功率因數(shù)低單相半波不控整流電路在實(shí)際中很少使用。

2.2.2兩相半波不控整流電路當(dāng)時(shí)，為正半波，，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，整流電壓，如左圖第一段所示，負(fù)載電流等于A相繞組電流，若變壓器變比為1，則。當(dāng)時(shí)，為正半波，D2導(dǎo)通，D1截止，整流電壓，如左圖第二段所示，負(fù)載電流等于B相繞組電流，若變壓器變比為1，則。A相電壓，B相電壓參考方向與A相相反，故。兩相半波不控整流電路相當(dāng)于兩個(gè)單相半波不控整流電路同時(shí)工作，正負(fù)半波均有輸出，其直流平均值為優(yōu)點(diǎn)：脈波數(shù)，脈動(dòng)頻率比單相半波整流電路提高了一倍，容易濾波電源電壓利用率比單相半波整流電路提高了一倍交流電源側(cè)的電流為正、負(fù)對(duì)稱的交流電流，無直流分量，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)得到了提高，對(duì)交流電網(wǎng)的影響小缺點(diǎn)：需要額外使用帶有中心抽頭的變壓器

2.2.3單相橋式不控整流電路當(dāng)時(shí)，為正半周，D1、D4承受正壓導(dǎo)通。整流電壓，負(fù)載電流，D2、D3不導(dǎo)通，，其承受反壓為，如左圖第一段所示。當(dāng)時(shí)，為負(fù)半周，D2、D3承受正壓導(dǎo)通。整流電壓，負(fù)載電流，D1、D4不導(dǎo)通，，其承受反壓為，如左圖第二段所示。二極管D1、D2串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)橋臂，D3、D4串聯(lián)構(gòu)成另一個(gè)橋臂。D1、D3構(gòu)成共陰極，連接負(fù)載的一端；D2、D4構(gòu)成共陽極，連接負(fù)載的另一端。與兩相半波不控整流電路相同，負(fù)載得到的電壓波形就是將電源的電壓取絕對(duì)值后的波形，其直流平均值為與兩相半波不控整流電路特性相當(dāng)工作過程中每只二極管承受的最大反向電壓為電源電壓的峰值不需要額外使用帶中心抽頭的變壓器，但需多用兩個(gè)二極管2.2.4三相半波不控整流電路整流二極管D1、D3、D5的陰極連在一起，構(gòu)成共陰極連接負(fù)載的一端；負(fù)載另一端連接三相交流電源的中點(diǎn)。交流電源輸入為三相平衡的交流電壓、、：相當(dāng)于三個(gè)單相半波整流電路同時(shí)工作。以A相二極管D1導(dǎo)通的區(qū)間為例在區(qū)間內(nèi)，三相交流電源中正電位最高，使得A相二極管D1承受正壓而導(dǎo)通，整流輸出電壓，負(fù)載電流等于A相電源電流，。此時(shí)圖中的，P點(diǎn)電位使B相二極管D3和C相二極管D5都承受反壓而截止，其承受反壓分別為和，即相應(yīng)相與A相的線電壓。此時(shí)整流電路輸出電壓電流波形如左上圖中區(qū)間所示。同理，可分析區(qū)間和內(nèi)的情況。之后又開始A相導(dǎo)通，重復(fù)上述過程。三相半波不控整流電路二極管導(dǎo)通順序及整流輸出電壓、負(fù)載波形

在一個(gè)電源周期中，A相D1、B相D3、C相D5依序各導(dǎo)通，整流輸出電壓由三個(gè)相同的脈波組成（脈波數(shù)），其直流平均值為時(shí)區(qū)段導(dǎo)通的二極管D1D3D5整流輸出電壓負(fù)載電流三相半波整流電路整流電壓脈動(dòng)較小，脈動(dòng)頻率為（為電源頻率），數(shù)值也較高，但由于電源電流中含有很大的直流分量（1/3周期，2/3周期為零），降低了電源側(cè)的功率因數(shù)，實(shí)際中較少使用。

2.2.5三相橋式不控整流電路工作原理與三相半波電路類似，可以看作兩個(gè)半波電路的串聯(lián)工作。共陰極的上橋臂可以看作一個(gè)三相半波整流電路，其整流輸出電壓為；共陽極的的下橋臂也可以看作一個(gè)三相半波整流電路，其整流輸出電壓為。這樣負(fù)載上的整流電壓為。共陰極的整流管，相電壓最高的導(dǎo)通；共陽極的整流管，相電壓最低的導(dǎo)通。電路由兩組二極管組成，D1、D3、D5共陰極，連接負(fù)載一端；D4、D6、D2共陽極，連接負(fù)載另一端。P點(diǎn)電位在三相交流電源相電壓正端包絡(luò)線上，N點(diǎn)電位在負(fù)端包絡(luò)線上。任何時(shí)候，共陰極和共陽極都各有一只器件導(dǎo)通。

下表給出了各個(gè)寬度為的時(shí)區(qū)段二極管導(dǎo)通順序及相應(yīng)整流輸出電壓、負(fù)載電流。

整流輸出電壓負(fù)載電流時(shí)區(qū)段導(dǎo)通的共陰極上管D1D1D3D3D5D5導(dǎo)通的共陽極下管D6D2D2D4D4D6

在一個(gè)電源周期中，由6個(gè)相同的脈波組成（m＝6），每個(gè)脈寬，其直流平均值為優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓最高可達(dá)到線電壓的幅值輸出電壓的脈動(dòng)頻率為（脈波數(shù)m=6），易于進(jìn)行濾波交流電源電流中不含直流分量三相橋式不控整流電路在中、大功率整流中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2.6不控整流電路輸出電壓的諧波分析前幾小節(jié)我們得到了純電阻負(fù)載時(shí)各種二極管整流電路的輸出電壓電流波形，并得到了相應(yīng)的解析表達(dá)式。根據(jù)解析表達(dá)式，對(duì)輸出電壓電流波形進(jìn)行諧波分解相對(duì)是比較簡單的。但在實(shí)際使用中，相當(dāng)數(shù)量的負(fù)載并不是純阻性負(fù)載，因此，我們還必須掌握整流電路在各種類型負(fù)載狀況下的輸出電壓特點(diǎn)。下面以最常見的帶電容濾波的單相和三相橋式整流電路為例進(jìn)行輸出電壓電流特性分析。1、單相橋式不控整流電路帶電容濾波的輸出電壓特性在電源交流電壓正半周，由于濾波電容的影響，僅在電源電壓的瞬時(shí)值時(shí)，二極管D1、D4才導(dǎo)通，將電源電壓加到電容和負(fù)載端，此時(shí)。當(dāng)時(shí)，D1、D4截止，僅由電容C對(duì)R放電提供能量。在電源交流電壓負(fù)半周，當(dāng)電源電壓絕對(duì)值時(shí)，二極管D2、D3導(dǎo)通，由電源向電容和負(fù)載供電；當(dāng)時(shí)，D2、D3截止，僅由電容C對(duì)R放電提供能量。

R為負(fù)載等效電阻，C為直流濾波電容，取值一般較大，以使電容C兩端的電壓，即負(fù)載電壓脈動(dòng)不大。將時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)取在正半周交流電源電壓與()的交點(diǎn)1處，即交流電壓上升達(dá)到電容電壓的時(shí)刻。

1→2二極管D1、D4開始導(dǎo)通，由電源向電容和負(fù)載供電，電容電壓開始充電而跟隨上升，電源輸出電流，>0。2→3開始下降，電容進(jìn)入放電狀態(tài)，此時(shí)電阻負(fù)載上的電流等于電源輸出電流與電容放電電流之和，<0。電源和電容同時(shí)向負(fù)載提供能量。

3→4下降為零（3點(diǎn)），之后D1、D4關(guān)斷，由電容單獨(dú)向負(fù)載提供能量，直至整流電壓的下一脈波，由D2、D3導(dǎo)通對(duì)電源電壓的負(fù)半周進(jìn)行整流，之后周而復(fù)始，重復(fù)上述過程。為計(jì)算整流輸出電壓和二極管導(dǎo)通寬度，假設(shè)在上述條件下電源電壓的初相角為，電源電壓可表示為設(shè)二極管導(dǎo)通寬度為，則在區(qū)間內(nèi)有

電容充放電電流為負(fù)載電流為流經(jīng)二極管的直流輸出電流為電容電流與負(fù)載電流之和將邊界條件代入式(2-17)，可求得二極管持續(xù)導(dǎo)通角與起始相位角的函數(shù)關(guān)系考慮到整流電路的工作過程，二極管持續(xù)導(dǎo)通的時(shí)刻必然晚于電源電壓達(dá)到峰值的時(shí)刻，因此，取值范圍為，故有

在之后，僅由電容C向負(fù)載R放電提供能量，()從時(shí)的瞬時(shí)值開始按指數(shù)規(guī)律下降，其時(shí)間常數(shù)為RC，因此()可寫為

在電路穩(wěn)態(tài)工作情況下，整流電壓波形的周期為，因此當(dāng)時(shí)，()應(yīng)該衰減到時(shí)的初始值， 即，因此有故有

結(jié)合式(2-20)與(2-22)，消掉，可得直流電壓的平均值可由圖中曲線積分再平均求得

再利用(2-20)式可得到

在已知的情況下，可由式(2-20)和(2-23)求出起始導(dǎo)通角和二極管持續(xù)導(dǎo)通角，再由式(2-25)即可求出整流電壓平均值。從零增大到無限大起始導(dǎo)電角從0逐漸增大到

二極管持續(xù)導(dǎo)通角從逐漸減少到零

整流輸出電壓則從逐漸增大到其中對(duì)應(yīng)為純電阻負(fù)載，增大表明濾波電容或負(fù)載電阻增加，對(duì)應(yīng)于空載。以上分析沒有考慮電源變壓器漏感或直流側(cè)電感，當(dāng)考慮電感影響時(shí)，的上升和下降過程將更加緩和。實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)候?yàn)榱艘种齐娏鳑_擊，常在直流側(cè)串入一個(gè)較小的電感來構(gòu)成一個(gè)LC濾波電路。2、三相橋式不控整流電路帶電容濾波的輸出電壓特性由于濾波電容的影響，僅在電源線電壓的瞬時(shí)值大于()時(shí)，相應(yīng)兩個(gè)二極管才開始導(dǎo)通，將電源線電壓加到電容和負(fù)載端。

將時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)取在電容電壓與線電壓重合的點(diǎn)。

1→2相應(yīng)兩個(gè)二極管導(dǎo)通，，由電源向電容和負(fù)載供電，電源輸出電流等于電容充電電流與負(fù)載電流之和，>0。

2→3開始下降，電容進(jìn)入放電狀態(tài)，電阻負(fù)載上的電流等于電源輸出電流與電容放電電流之和，<0。電源和電容同時(shí)向負(fù)載提供能量。

3→4下降為零（3點(diǎn)），之后相應(yīng)兩個(gè)二極管關(guān)斷，由電容單獨(dú)向負(fù)載提供能量，直至整流電壓的下一脈波。之后周而復(fù)始，重復(fù)上述過程。設(shè)電源線電壓的初相角為，類似電容濾波單相不控整流電路的數(shù)學(xué)分析，有

當(dāng)整流輸出電流降為零后，僅由電容C向負(fù)載R放電提供能量，()從時(shí)的瞬時(shí)值開始按指數(shù)規(guī)律下降。考慮到電容濾波的三相橋式不控整流電路輸出整流電壓周期為，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)必須滿足邊界條件

類似式(2-23)，消去可得

電容濾波的三相不控整流直流電壓平均值為

已知，可由式(2-27)和(2-28)求出起始導(dǎo)通角和二極管持續(xù)導(dǎo)通角；由式(2-29)可求出整流電壓平均值。值對(duì)電容濾波的三相不控整流電路特性的影響與單相橋式不控整流電路類似。若考慮實(shí)際電路中存在的交流電源側(cè)電感以及直流側(cè)外串的濾波電感，和電源相應(yīng)相電流的上升、下降將不再是突變的，進(jìn)一步減小了對(duì)電源和負(fù)載的電流沖擊。為了使負(fù)載電流連續(xù)，通常在整流輸出回路串聯(lián)平波電抗器。由于電感的感抗與諧波頻率成正比，只要把電感量取得足夠大，使諧波感抗足夠大，便可將高次諧波電流的幅值限制到足夠小，使最小負(fù)載時(shí)也能保證電流波形連續(xù)。整流電路諧波電壓的分析對(duì)研究計(jì)算整流電路的紋波因數(shù)和脈動(dòng)系數(shù)，確定平波電抗器的電感量都是十分必要的。2.3單相可控整流電路二極管整流電路是不控整流電路，其缺點(diǎn)是無法通過控制來調(diào)節(jié)輸出直流電壓平均值。采用晶閘管、IGBT等半控或全控型開關(guān)器件替代不控整流電路中的二極管，可以通過控制開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)刻來控制電源電壓整流后加到負(fù)載端的起停時(shí)刻，從而控制負(fù)載上的整流電壓，實(shí)現(xiàn)可控整流。一般將采用晶閘管實(shí)現(xiàn)整流的電路稱為相控整流電路。2.3.1單相橋式全控整流電路2.3.2單相橋式半控整流電路2.3.1單相橋式全控整流電路將單相橋式二極管整流電路中的四只二極管全部換為晶閘管，便組成了單相橋式全控整流電路。晶閘管是半控開關(guān)器件。承受正向電壓且受到觸發(fā)脈沖作用時(shí)被觸發(fā)開通；導(dǎo)通的晶閘管一旦受到反壓作用則立即被強(qiáng)迫關(guān)斷。利用晶閘管的可控導(dǎo)通特性，控制施加觸發(fā)脈沖的時(shí)刻，就能控制整流電壓送至負(fù)載端的起始時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)可控整流。

假設(shè)開關(guān)器件為理想開關(guān)器件。下面根據(jù)負(fù)載性質(zhì)的不同分別進(jìn)行討論

電阻性負(fù)載電感性負(fù)載反電動(dòng)勢負(fù)載電源電壓處于正半周時(shí)，同時(shí)控制晶閘管Tl、T4的導(dǎo)通角，在Tl、T4導(dǎo)通時(shí)，電源電壓直接加在負(fù)載兩端，T2、T3承受反向電壓處于關(guān)斷狀態(tài)；電源電壓處于負(fù)半周時(shí)，同時(shí)控制晶閘管T2、T3的導(dǎo)通角，在T2、T3導(dǎo)通時(shí)，電源電壓反向施加于負(fù)載兩端，T1、T4承受反向電壓處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)4只晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，負(fù)載端電壓為零。1、電阻性負(fù)載晶閘管可能承受的最大正、反向電壓當(dāng)4只晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，每只器件承受的電壓與正、反向漏電流有關(guān)，漏電流較小的器件承受的電壓較高。如假定每只器件的正、反向漏電流相等時(shí)，則有在期間，，；在期間，，；在上述假定條件下，每只晶閘管可能承受的最大正向電壓為Vm/2，所承受的最大反向電壓為電源電壓峰值Vm。

負(fù)載兩端得到的平均電壓為負(fù)載電流的平均值為由于T1、T4與T2、T3是輪流導(dǎo)通的，所以流過每只晶閘管的平均電流為負(fù)載平均電流的一半，即。在控制角為時(shí)，負(fù)載電流的有效值是此時(shí)流過晶閘管的電流有效值為同理可以求出負(fù)載電阻上的電壓有效值為電阻負(fù)載上得到的功率為功率因數(shù)PF為當(dāng)單相橋式全控整流電路負(fù)載中含有電感時(shí)，一般將負(fù)載等效為一個(gè)電感L和一個(gè)電阻R的串聯(lián)，并假定整流電路已經(jīng)工作于穩(wěn)態(tài)。根據(jù)負(fù)載電流是否連續(xù)，分以下兩種情況進(jìn)行討論負(fù)載電流連續(xù)負(fù)載電流出現(xiàn)斷流2、電感性負(fù)載時(shí)，同時(shí)觸發(fā)晶閘管T1、T4；T1、T4承受正壓而導(dǎo)通。電源電壓通過T1、T4加到負(fù)載上，負(fù)載電壓等于。之后，電源電壓由正變?yōu)樨?fù)。由于負(fù)載電感足夠大，負(fù)載電流并不馬上衰減為零。在期間，T1、T4一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，仍然等于，負(fù)載的電壓波形出現(xiàn)負(fù)值的部分。控制角越大，負(fù)值的部分占總面積的比值越大；當(dāng)時(shí)，兩塊正、負(fù)面積相等，即輸出電壓的平均值為零。負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，同時(shí)觸發(fā)T2、T3，T2、T3承受正壓而導(dǎo)通，在T2、T3導(dǎo)通的同時(shí)，T1、T4在反向電壓作用下被關(guān)斷。電源電壓經(jīng)過T2、T3加到負(fù)載上，此時(shí)負(fù)載電壓等于。T1、T4與T2、T3的工作情況是對(duì)稱的。每只晶閘管導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖移相范圍為。當(dāng)負(fù)載電感足夠大時(shí)，負(fù)載電流接近于一條直線。晶閘管承受的正、反向最高電壓為電源電壓的峰值Vm。

負(fù)載電流連續(xù)（續(xù)）負(fù)載上得到的直流平均電壓為

負(fù)載電壓等于電感上的壓降和電阻上的壓降。由于電感電壓，正常穩(wěn)態(tài)工作時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)，電感電流的增量，因此電感兩端電壓在一個(gè)周期中的平均值，而整流電壓平均值，因此負(fù)載電流平均值為

負(fù)載電流連續(xù)（續(xù)）當(dāng)負(fù)載電感不夠大或觸發(fā)角過大時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量不足以續(xù)流到下一組晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻，負(fù)載電流將出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，晶閘管的導(dǎo)通角。此時(shí)整流電路輸出的平均整流電壓將取決于導(dǎo)通角。晶閘管的導(dǎo)通角是控制角和負(fù)載電路參數(shù)R、L的函數(shù)。取左圖中晶閘管導(dǎo)通起始點(diǎn)（處）為時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)，此時(shí)可表達(dá)為負(fù)載電流出現(xiàn)斷流電路電壓平衡方程式為

上式的解為

式中為阻抗角。負(fù)載電流出現(xiàn)斷流（續(xù)）時(shí)，代入式(2-39)求得常數(shù)A為

時(shí)，晶閘管斷流關(guān)斷，，代入式(2-40)

由上式可得負(fù)載電流出現(xiàn)斷流（續(xù)）式(2-42)為一個(gè)超越方程，一般需要采用作圖或累試法求取。由式(2-42)可以看出導(dǎo)通角變化的基本趨勢：觸發(fā)角越小，導(dǎo)通角越大；電感值L越大，導(dǎo)通角越大。根據(jù)求取到的，可以計(jì)算整流輸出電壓的平均值此時(shí)負(fù)載電流平均值為，因此，帶電感負(fù)載電流斷續(xù)時(shí)，單相橋式全控整流電路輸出的直流平均電壓將大于大電感負(fù)載下的輸出值，而小于純電阻負(fù)載下的輸出值。負(fù)載電流出現(xiàn)斷流（續(xù)）當(dāng)整流電路的輸出接一個(gè)蓄電池，給蓄電池充電，或接直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，整流電路所帶的負(fù)載都屬于反電勢負(fù)載。若考慮整流回路的電阻和電感，可將負(fù)載等效為一個(gè)反電勢E和電阻R、電感L的串聯(lián)，此時(shí)的負(fù)載稱為反電勢阻感負(fù)載。分以下兩種情況進(jìn)行討論等效電感L較小，可忽略等效電感L不可忽略3、反電動(dòng)勢負(fù)載時(shí)，晶閘管承受正向電壓被觸發(fā)導(dǎo)通，輸出整流電壓。時(shí)，晶閘管承受反向電壓阻斷，輸出整流電壓為反電勢E。帶反電勢與電阻負(fù)載的單相橋式全控整流波形如左圖所示，圖中被稱為停止導(dǎo)電角，其大小為忽略電感L，負(fù)載為反電動(dòng)勢E與電阻R的串聯(lián)根據(jù)觸發(fā)角和停止導(dǎo)電角的相對(duì)大小，分以下兩種情況討論a)b)觸發(fā)脈沖加在需導(dǎo)通晶閘管控制腳瞬間，由于電源電壓大于反電勢E，因此晶閘管立即導(dǎo)通，直至電源電壓減小到E為止，整流輸出電壓平均值為負(fù)載上只有晶閘管導(dǎo)通時(shí)才有電流，所以負(fù)載電流平均值為

a)觸發(fā)脈沖加在需導(dǎo)通晶閘管控制腳瞬間，由于電源電壓小于反電勢E，因此晶閘管不會(huì)立即導(dǎo)通。為使晶閘管可靠導(dǎo)通，必須保證觸發(fā)脈沖有足夠的寬度。這樣晶閘管會(huì)在時(shí)開始導(dǎo)通，直至電源電壓減小到E為止。整流輸出電壓平均值為

此時(shí)負(fù)載電流平均值為

b)純電阻負(fù)載時(shí)，整流輸出電流是斷續(xù)的。為了提高電源利用率，降低電流噪聲，一般在負(fù)載回路串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，即一個(gè)大的電感，以平穩(wěn)電流的脈動(dòng)和延長晶閘管導(dǎo)通時(shí)間。根據(jù)負(fù)載電流是否連續(xù)，分以下兩種情況討論負(fù)載電流連續(xù)負(fù)載電流不連續(xù)負(fù)載為反電動(dòng)勢E與電感L、電阻R的串聯(lián)負(fù)載上得到的直流平均電壓為整流電路輸出的直流電壓平均值應(yīng)等于一個(gè)周期中電阻和電感上的壓降平均值與E之和，而整流電路穩(wěn)定工作時(shí)一個(gè)周期中電感L上的壓降平均值為零，故有因此負(fù)載電流平均值為負(fù)載電流連續(xù)負(fù)載電流不連續(xù)當(dāng)負(fù)載電感不夠大或觸發(fā)角過大時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量不足以續(xù)流到下一組晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻，負(fù)載電流將出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，晶閘管的導(dǎo)通角。此時(shí)整流電路輸出的平均整流電壓將取決于導(dǎo)通角。晶閘管的導(dǎo)通角是控制角和負(fù)載電路參數(shù)R、L、E的函數(shù)。取左圖中晶閘管導(dǎo)通起始點(diǎn)（處）為時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)，此時(shí)可表達(dá)為電路電壓平衡方程式為

上式的解為

式中為負(fù)載阻抗角。由于時(shí)，，代入式(2-53)求得常數(shù)A為負(fù)載電流不連續(xù)（續(xù)）時(shí)，晶閘管斷流關(guān)斷，，則由上式可得根據(jù)式(2-55)求出晶閘管導(dǎo)通角，進(jìn)而可以計(jì)算整流輸出電壓的平均值和負(fù)載電流的平均值負(fù)載電流不連續(xù)（續(xù)）2.3.2單相橋式半控整流電路將單相全控橋電路中的一對(duì)晶閘管換成兩個(gè)二極管，就構(gòu)成單相橋式半控整流電路。為防止觸發(fā)脈沖突然消失或者控制角度由較小值突然增加到接近時(shí)電路可能出現(xiàn)的失控現(xiàn)象，一般在負(fù)載端還會(huì)反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管D3，最后形成的電路如右圖所示。單相橋式半控整流電路的工作特點(diǎn)是晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通、而整流二極管在陽極電壓高于陰極電壓時(shí)自然導(dǎo)通。與單相全控橋電路相比，半控整流比較經(jīng)濟(jì)，觸發(fā)裝置也簡單一些。

單相半控橋在接電阻性負(fù)載時(shí)，工作情況與單相全控橋電路相同，輸出電壓、電流的波形及元件參數(shù)的計(jì)算公式也一樣。下面分析接電感性負(fù)載的工作情況。假定負(fù)載中電感足夠大，負(fù)載電流連續(xù)并近似為一條直線。在正半周的時(shí)刻觸發(fā)晶閘管T1，則T1、D2導(dǎo)通，電流從電源正端經(jīng)T1、負(fù)載、D2回到負(fù)端，負(fù)載兩端整流電壓。

當(dāng)在進(jìn)入負(fù)半周、而下一個(gè)觸發(fā)脈沖尚未到來時(shí)，電感上的電流經(jīng)續(xù)流二極管D3續(xù)流，負(fù)載兩端整流電壓。當(dāng)時(shí)，觸發(fā)T2使其導(dǎo)通，續(xù)流二極管D3因受到反壓關(guān)斷，負(fù)載電流從電源負(fù)端經(jīng)過T2、負(fù)載、D1回到正端，負(fù)載兩端得到整流電壓。當(dāng)在進(jìn)入正半周而下一個(gè)觸發(fā)脈沖尚未到來時(shí)，電感上的電流又經(jīng)續(xù)流二極管D3續(xù)流，如此循環(huán)工作。

負(fù)載兩端得到的平均電壓為

電路穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電感上平均電壓為零，因此輸出負(fù)載電流平均值為

單相橋式半控整流電路不論接電阻性負(fù)載還是電感性負(fù)載，輸出電壓波形都相當(dāng)于橋式全控整流電路接純電阻性負(fù)載的情況，觸發(fā)控制角可控范圍即最大移相范圍都是。因此，單相橋式半控整流電路在范圍內(nèi)移相控制時(shí)，只能為正值，而全控整流電路中在時(shí)可為負(fù)值。

單相橋式半控整流電路接反電勢負(fù)載時(shí)，輸出同樣只能為正值，具體分析方法與橋式全控整流電路類似。

單相全控整流電路主要用在可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)以及寬調(diào)速范圍的不可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)中。在一般的整流裝置中，由于半控整流電路控制簡單、成本較低，應(yīng)用較多。

2.4三相可控整流電路單相可控整流電路的輸出電壓脈動(dòng)大，脈動(dòng)頻率低，影響電網(wǎng)的平衡運(yùn)行，只適用于小功率負(fù)載。三相AC-DC變換器具有比單相變換器更優(yōu)越的性能，諸如輸出電壓高且脈動(dòng)小、脈動(dòng)頻率高、交流電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。由于低次諧波頻率比單相整流電路高，所以用電感濾波效果更好。因此它在中、大功率整流領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。三相可控整流電路的類型有三相半波、三相全控橋式、三相半控橋式、雙反星形連接以及三相成組串并聯(lián)電路等。

2.4.1三相半波可控整流電路2.4.2三相橋式全控整流電路2.4.1三相半波可控整流電路因便于安排觸發(fā)電路的公共點(diǎn)，故經(jīng)常采用三個(gè)晶閘管的陰極接在一起的共陰極接法。它可以看成是3個(gè)單相半波相控整流電路一起工作。在三相電路中通常規(guī)定，自然換相點(diǎn)為觸發(fā)控制角的零點(diǎn)，自然換向點(diǎn)就是相應(yīng)不控整流電路二極管關(guān)斷導(dǎo)通的切換點(diǎn)。（單相半波相控整流電路的自然換相點(diǎn)可參見上面右圖中的點(diǎn)，3個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖互差。）三相半波可控整流電路是三相可控整流電路最基本的組成形式，其余類型都可看作是由三相半波電路以不同方式串聯(lián)或并聯(lián)組成的。三相半波整流交流側(cè)電流是單方向電流，含有很大直流分量。下面以不同性質(zhì)的負(fù)載來分析三相半波可控整流電路工作原理：電阻性負(fù)載電感性負(fù)載反電動(dòng)勢負(fù)載A相自然換向點(diǎn)為。在時(shí)對(duì)T1施加觸發(fā)脈沖使A相晶閘管T1導(dǎo)通，A相電壓加到負(fù)載上，T1導(dǎo)通狀況一直持續(xù)到滿足下列兩個(gè)條件之一：進(jìn)入負(fù)半周;

時(shí)刻B相晶閘管T3被觸發(fā)導(dǎo)通。

若條件a)先滿足，則會(huì)有一段時(shí)間晶閘管都不導(dǎo)通，負(fù)載上電壓電流都為零，直至B相晶閘管T3被觸發(fā)導(dǎo)通；若條件b)先滿足，則負(fù)載上電流是連續(xù)的，負(fù)載電流直接由A相晶閘管T1換流至B相晶閘管T3。1、電阻性負(fù)載以A相電流正向過零點(diǎn)為起始點(diǎn)

B相、C相晶閘管的工作情況依此類推。3個(gè)晶閘管輪流工作，向負(fù)載提供整流電壓。對(duì)于電阻性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)；時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)；時(shí)，負(fù)載上電壓為0。從上述分析可知：在負(fù)載電流連續(xù)情況下，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角均為；電流斷續(xù)的情況下，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角小于。晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)所承受的電壓是線電壓峰值。整流輸出電壓的脈動(dòng)頻率為（脈波數(shù)m＝3）。

時(shí)，時(shí)，如果電感足夠大，則負(fù)載電流連續(xù)，整流輸出電流可視為恒定直流。在時(shí)，對(duì)T1施加觸發(fā)脈沖使之導(dǎo)通，A相電壓加到負(fù)載上，T1管在期間流過負(fù)載電流。時(shí)刻B相晶閘管T3被觸發(fā)導(dǎo)通，，T1管立刻承受反向電壓而關(guān)斷，負(fù)載電流立即從A相T1管轉(zhuǎn)到B相T3管，負(fù)載被施加B相電壓。2、電感性負(fù)載之后依此類推，3個(gè)晶閘管輪流工作，向負(fù)載提供整流電壓。負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角為，輸出直流電壓平均值的表達(dá)式與整流電路帶阻性負(fù)載時(shí)完全相同，為時(shí)，為正值；時(shí)，；時(shí)，為負(fù)值。負(fù)載電流平均值為

當(dāng)負(fù)載電感不夠大或觸發(fā)角過大時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量不足以續(xù)流到下一組晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻，負(fù)載電流將出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，使晶閘管的導(dǎo)通角。此時(shí)整流電路輸出的平均整流電壓將取決于導(dǎo)通角。晶閘管的導(dǎo)通角是控制角和負(fù)載電路參數(shù)R、L的函數(shù)，可以采用與上節(jié)單相全控電路相同的方法求取?？蓪⑵骄麟妷汉拓?fù)載電流平均值分別表示為帶反電勢負(fù)載時(shí)工作情況分析方法與上節(jié)單相全控電路相同，需區(qū)分不含電感、大電感和小電感三種情況分別處理，在此不再重復(fù)。整流電路輸出的直流電壓平均值應(yīng)等于一個(gè)周期中電阻和電感上的壓降平均值與E之和，而整流電路穩(wěn)定工作時(shí)一個(gè)周期中電感L上的壓降平均值為零，故有。因此可得到負(fù)載電流平均值。3、反電動(dòng)勢負(fù)載三相半波可控整流電路實(shí)際應(yīng)用中，一般都包含濾波電感。時(shí)，>0，>0，電路工作在第一象限，為整流狀態(tài)。整流器將交流電能變?yōu)橹绷魈峁┙o直流負(fù)載，如直流電動(dòng)機(jī)或者蓄電池。若帶反電勢負(fù)載，，<0，>0，電路工作在第四象限。反電勢E將直流電能經(jīng)過晶閘管送至交流電源，晶閘管電路實(shí)現(xiàn)“有源逆變”。與三相半波不控整流一樣，交流側(cè)只有單方向電流，因此電源輸入功率因數(shù)較低。三相半波整流電路為了得到零線，整流變壓器副邊必須為Y接法。原邊通常為三角形接法，以便能流通三次諧波電流。2.4.2三相橋式全控整流電路將三相橋式不控整流電路的6個(gè)二極管換成可控的晶閘管，就構(gòu)成了三相橋式全控整流電路。習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管T1、T3、T5稱為共陰極組；將其中陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管T4、T6、T2稱為共陽極組。如果將共陰極組或共陽極組晶閘管換回二極管，則構(gòu)成了三相橋式半控整流電路。三相橋式全控整流電路工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛，這種電路實(shí)際上是由兩組三相半波整流電路相串聯(lián)取消零線而演化過來的。全控電路半控電路一般將三相橋式不控整流電路的六個(gè)自然換相點(diǎn)1、2、3、4、5、6對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為T1、T2、T3、T4、T5、T6的控制觸發(fā)角零點(diǎn)，即在這些時(shí)刻分別對(duì)各晶閘管施加觸發(fā)脈沖，觸發(fā)角。與單相橋式全控整流電路類似，三相橋式全控整流電路的輸出電壓特性與負(fù)載類型密切相關(guān)，下面分別具體分析：電阻性負(fù)載電感性負(fù)載反電動(dòng)勢負(fù)載以下為不同導(dǎo)通角時(shí)三相橋式全控整流電路的整流特性：時(shí)，即從各自然換相點(diǎn)開始對(duì)各晶閘管施加觸發(fā)脈沖。6個(gè)開關(guān)管的通斷狀態(tài)、整流電壓波形及電流波形與三相橋式不控整流時(shí)完全相同。1、電阻性負(fù)載時(shí)，相對(duì)于三相橋式不控整流電路，6個(gè)導(dǎo)通區(qū)都向后延，電路工作波形如右圖所示，的平均值將比三相橋式不控整流電路輸出電壓有所減小，可表示為輸出電流平均值

由于晶閘管的單向?qū)娏魈匦?，所以施加在電阻?fù)載端的整流電壓只能為正值。以T1觸發(fā)開始的A、B相導(dǎo)通為例。時(shí)，a、b導(dǎo)通脈波只能導(dǎo)通到，所以導(dǎo)通寬度只能是。故從開始，為負(fù)值，T6、T1截止，輸出電壓，這種情況一直會(huì)持續(xù)到時(shí)刻T2觸發(fā)導(dǎo)通為止。此時(shí)電阻負(fù)載上電壓電流不連續(xù)。

時(shí)，T1被觸發(fā)的起始點(diǎn)，這時(shí)，T1無正向外加電壓，即使被施加觸發(fā)脈沖也不可能被觸發(fā)導(dǎo)通，因此輸出恒為零，即，因此三相橋式全控整流電路在電阻負(fù)載時(shí)，時(shí)是無法通過改變角調(diào)控的。負(fù)載電感足夠大，負(fù)載電流連續(xù)。

相控角在之間變化時(shí)，一個(gè)電源周期中，整流電壓都是6個(gè)相同的、連續(xù)的、脈寬為的脈波。

時(shí)，帶電阻電感性負(fù)載時(shí)的輸出整流電壓的波形與電阻負(fù)載時(shí)完全一致。時(shí)，由于電感的續(xù)流作用，負(fù)載兩端可以承受反向的負(fù)電壓，輸出整流電壓情況與純電阻負(fù)載時(shí)不同，相當(dāng)于將的調(diào)節(jié)范圍增加了。

2、電感性負(fù)載輸出整流電壓和電流的平均值為由的表達(dá)式可知，對(duì)帶電阻電感性負(fù)載的三相橋式全控整流電路，當(dāng)時(shí)，為正值；當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，為負(fù)值。三相橋式整流輸出電壓脈動(dòng)頻率是交流電源頻率的6倍，因此中的諧波階次應(yīng)是，最低次諧波為6次諧波。下圖中所示的A相電流波形為一系列幅值為、寬度為的方波，因此除基波外還含有等次諧波。

負(fù)載電感不夠大或觸發(fā)角過大，負(fù)載電流出現(xiàn)斷流。此時(shí)晶閘管的導(dǎo)通角，是控制角和負(fù)載電路參數(shù)R、L的函數(shù)，可以采用與單相全控電路相同的方法求取。整流電路輸出的平均整流電壓取決于，平均整流電壓和負(fù)載電流平均值可表示為3、反電動(dòng)勢負(fù)載對(duì)于有反電勢的電阻電感混合性負(fù)載，通常電感較大，能使負(fù)載電流連續(xù)，此時(shí)三相橋式相控整流電路工作情況與電感電阻性負(fù)載時(shí)相似，只不過負(fù)載（不包括反電勢部分）上的電壓跟電感電阻性負(fù)載時(shí)差了一個(gè)反電勢值E。因此電路中各電壓電流波形均相同，但負(fù)載電流直流平均值為當(dāng)連接反電勢電感性負(fù)載時(shí)，通過輸出負(fù)值電壓，三相橋式全控整流電路可工作在有源逆變狀態(tài)。在電流連續(xù)的情況下，整流電路任何時(shí)刻都有分別屬于共陰極組和共陽極組的兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，此時(shí)整流電路的每個(gè)晶閘管導(dǎo)通脈沖相位依次相差，每次導(dǎo)通寬度為，導(dǎo)通脈沖寬度能保證相應(yīng)晶閘管可靠開通即可；在電流斷續(xù)的情況下，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通寬度小于，在每次斷流結(jié)束時(shí)，為了保證需導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管的可靠觸發(fā)，必須對(duì)它們同時(shí)施加觸發(fā)脈沖，一般可采用兩種方法：寬脈沖觸發(fā)雙窄脈沖觸發(fā)晶閘管的可靠觸發(fā)寬脈沖觸發(fā)：使每個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖寬度大于而小于，這種方法比較容易實(shí)現(xiàn)，但需要較大的脈沖輸出功率，即需要較大體積的脈沖變壓器鐵芯；雙窄脈沖觸發(fā)：在觸發(fā)某個(gè)晶閘管時(shí)，同時(shí)給上一次觸發(fā)過的晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖，這種方法對(duì)脈沖的控制時(shí)刻要求較高，實(shí)現(xiàn)電路會(huì)復(fù)雜一些，但可以減小脈沖變壓器所需功率。

三相橋式全控整流電路與半控整流電路的比較當(dāng)三相橋式全控整流電路穩(wěn)定工作時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)變壓器繞組中沒有直流勵(lì)磁磁勢，與半波電路相比，提高了變壓器的利用率；同時(shí)，電源輸入電流直流分量為零，電源的功率因數(shù)也較高，因此這種電路在中、大功率整流中得到了廣泛的應(yīng)用。與單相橋式半控整流電路類似，三相橋式半控整流電路不論接電阻性負(fù)載還是電感性負(fù)載，輸出電壓波形都相當(dāng)于橋式全控整流電路接電阻性負(fù)載的情況，即輸出電壓平均值只能為正值，不能為負(fù)值，因此不能工作于有源逆變狀態(tài)。在一些無需逆變，并且對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性要求不太高的中、大功率整流應(yīng)用場合，如造紙機(jī)、印刷機(jī)等不要求可逆的電力傳動(dòng)設(shè)備中，可以采用比三相全控橋式整流電路更經(jīng)濟(jì)的半控整流電路。2.5PWM整流電路采用PWM（脈寬調(diào)制）控制技術(shù)直接將交流電源變換為可控的直流電壓的電路，一般被稱為PWM整流電路。PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把電源電壓變成電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖的寬度達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。和傳統(tǒng)不控或相控整流電路相比，PWM開關(guān)模式整流電路采用全控型開關(guān)器件進(jìn)行高頻脈寬調(diào)制PWM控制，可以將交流電源輸入電流控制為畸變很小的正弦化電流，功率因數(shù)也可控制到接近1。在一些諧波標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格的用電場合，采用高功率因數(shù)、低諧波的高頻開關(guān)模式PWM整流電路SMR（SwitchedModeRectifier）是一個(gè)發(fā)展趨勢。PWM整流電路和傳統(tǒng)相控整流器相比較體積、重量可以大大地減少，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度顯著提高。在今后的工業(yè)應(yīng)用中PWM整流電路將越來越多地替代傳統(tǒng)相控整流電路。2.5.1PWM整流電路分類與結(jié)構(gòu)2.5.2PWM整流電路基本控制原理2.5.1PWM整流電路分類與結(jié)構(gòu)分類方法根據(jù)交流電源相數(shù)：單相、三相根據(jù)主回路結(jié)構(gòu)：半橋式、全橋式

根據(jù)是否具有能量回饋功能：無能量回饋功能、具有能量回饋功能的開關(guān)模式PWM整流電路

根據(jù)整流輸出特性：電壓型、電流型

下面簡單介紹幾種常用的PWM整流電路。

無能量回饋的PWM整流電路一般采用單開關(guān)管進(jìn)行PWM斬波控制，主要目的是改善不控整流電路的功率因數(shù)，因此一般也被稱為PFC（PowerFactorCorrection）電路。下圖為兩種常見的三相PFC整流電路，分別為Boost型和Buck型。

1、無能量回饋功能的PWM整流電路

三相Boost型

三相Buck型

這類PWM整流電路實(shí)際上是在不控整流電路的基本結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)開關(guān)管及部分電感電容器件，相當(dāng)于在不控整流電路和負(fù)載之間接入一個(gè)DC-DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使交流電源電流波形接近正弦并跟蹤交流輸入電壓波形，使之與交流輸入電壓同相，從而提高電源側(cè)功率因數(shù)，減小輸入端總諧波畸變率THD。優(yōu)點(diǎn)：簡單、經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)：僅有一個(gè)可控元件,要使三相電流均為正弦波且與電壓同相位十分困難；前端為不控整流電路，電能只能從交流電源流向直流側(cè)負(fù)載，而不可能將直流側(cè)的電能反送至交流電網(wǎng)，只是一種單向的PWM整流。能量可回饋型的PWM整流器均采用全控型半導(dǎo)體開關(guān)器件，與無能量回饋功能電路PFC相比，它具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和更好的輸入電流波形，還可以把交流輸入電流的功率因數(shù)控制為任意值，實(shí)現(xiàn)交、直流側(cè)的雙向能量流動(dòng)。除必須具有輸入電感或電容外，PWM整流器的主電路結(jié)構(gòu)和逆變橋是一樣的。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，整流器輸出直流電壓不變，開關(guān)管按正弦規(guī)律作PWM脈寬調(diào)制，整流器交流側(cè)的電壓是和逆變器輸出電壓類似的PWM交流電壓。由于電感的濾波作用，交流電源流入的電流中諧波電流不大，忽略整流器交流側(cè)輸出交流電壓的諧波分量，變換器交流側(cè)電壓可以看作是可控正弦交流電壓源，它與電網(wǎng)的正弦電壓共同作用于輸入電感L，產(chǎn)生正弦輸入電流。通過PWM技術(shù)調(diào)節(jié)開關(guān)管來控制整流器交流端電壓的幅值和相位，就可以獲得受控的電源輸入電流，從而控制電源的輸入功率因數(shù)和電流畸變率。2、能量可回饋的PWM整流電路

上圖是幾種常見的能量可回饋的PWM整流電路。單相半橋PWM整流電路

單相全橋PWM整流電路

三相全橋電壓型PWM整流電路

三相全橋電流型PWM整流電路

功率因數(shù)在中、大功率領(lǐng)域是很重要的性能指標(biāo)，因此實(shí)際應(yīng)用中更常見的是三相PWM整流電路。三相全橋電壓型PWM整流電路直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)為電容，具有電壓源性質(zhì)。目前研究得最多、應(yīng)用最廣泛的拓?fù)洌哂兄绷髂妇€電壓可控、交流電流波形正弦度高、輸入功率因數(shù)高等特點(diǎn)，而且主電路與最常用的電壓型逆變器結(jié)構(gòu)相同，可以與電壓型逆變器級(jí)聯(lián)構(gòu)成背靠背結(jié)構(gòu)的變頻器，是交－直－交變頻器理想的整流器。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的正弦脈沖寬度PWM控制，雙向變換器交流側(cè)電壓的峰值只能小于直流電壓，實(shí)現(xiàn)的是一種基于PWM的升壓（Boost）變換。通常交流電感L上壓降不大，因此這種變換器直流輸出電壓總是大于交流電源電壓峰值，以保證對(duì)交流電流的控制能力。電路中交流電流可以雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。三相全橋電流型PWM整流電路直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)為儲(chǔ)能電感，具有電流源性質(zhì)。在交流側(cè)增加了一組濾波電容，起濾除網(wǎng)側(cè)諧波電流、抑制整流橋交流側(cè)諧波電壓的作用。在IGBT構(gòu)成的橋臂上，需要串聯(lián)與IGBT同方向的二極管，以提供阻斷反向電流的能力。直流電壓方向可逆，在低于電網(wǎng)電壓的范圍內(nèi)大小可控，因此是一種降壓變換，可以作為穩(wěn)定的低壓直流電源，也可作為連續(xù)可調(diào)的可編程直流電源。不能實(shí)現(xiàn)電流回饋,但通過控制直流儲(chǔ)能電感上的電流變化可使得直流側(cè)電壓按交流形式變化,因此同樣可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。因整流器直流輸出需要很大的平波電抗,裝置體積較大,電流型PWM整流器一般不用于單相。

電流型與電壓型PWM整流電路的比較電流型PWM整流器沒有橋臂直通導(dǎo)致的過流和輸出短路的問題，功率管直接對(duì)直流電流作脈寬調(diào)制，控制相對(duì)比較簡單。電流型PWM整流器通常要經(jīng)過LC濾波器與電網(wǎng)聯(lián)接，LC濾波器和直流儲(chǔ)能電感的重量和體積都比較大；另外，為防止電流反向，必須在每個(gè)開關(guān)管處再串聯(lián)一個(gè)二極管，造成系統(tǒng)器件多且通態(tài)損耗大，因此總體來說應(yīng)用不如電壓型PWM整流器廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在中、小功率領(lǐng)域，在直流側(cè)并聯(lián)一個(gè)濾波電容構(gòu)成電壓型的PWM整流器，是能量可雙向流動(dòng)的高頻PWM整流器的主流。在特大功率領(lǐng)域，開關(guān)器件GTO本身具有單向?qū)щ娦?不必再串二極管,而電流型PWM整流器的可靠性又比較高，對(duì)電路保護(hù)比較有利，因此具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。能量可雙向流動(dòng)的PWM整流器既可運(yùn)行在整流狀態(tài)，也可運(yùn)行在逆變狀態(tài)，作整流器只是它們的功能之一。這樣的主電路結(jié)構(gòu)還可以用于無功補(bǔ)償器、有源電力濾波器、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、電力儲(chǔ)能系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域。

2.5.2PWM整流電路基本控制原理PWM整流器的控制目標(biāo)有兩個(gè)：使直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定；使交流側(cè)輸入功率因數(shù)為1或可控。下面以常用的三相全橋電壓型PWM整流電路為例說明其基本控制原理。交流電源三相電壓經(jīng)電感L接到三相全控橋式變換器，直流側(cè)為整流輸出電壓，整流電路交流輸入端相電壓為，電流為。PWM整流器的控制目標(biāo)有兩個(gè)：使直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定；使交流側(cè)輸入功率因數(shù)為1或可控。下面以常用的三相全橋電壓型PWM整流電路為例說明其基本控制原理。交流電源三相電壓經(jīng)電感L接到三相全控橋式變換器，直流側(cè)為整流輸出電壓，整流電路交流輸入端相電壓為，電流為。對(duì)于交流電源電壓，如果需控制輸入功率因數(shù)為，則理想的電源輸入相電流如下所示；式中是交流電源輸入相電流的有效值，是輸入電流矢量滯后電源電壓矢量的功率因數(shù)角。理想的三相橋變換器交流側(cè)相電壓如下所示；式中，是整流電路交流輸入端相電壓有效值，是交流輸入端電壓矢量落后于電源電壓矢量的相位角。電壓、電流矢量關(guān)系為，式中電感L的電抗。下圖為三相全橋電壓型PWM整流電路交流側(cè)電壓電流矢量圖，其中取電源電壓矢量方向?yàn)閐軸，與之垂直的方向?yàn)閝軸。根據(jù)矢量圖，可求出有功電流和無功電流與之對(duì)應(yīng)的從交流電源輸入到整流電路的有功功率P和無功功率Q為對(duì)六個(gè)開關(guān)管進(jìn)行PWM控制，可以調(diào)控三相橋交流側(cè)的電壓的大小和相位，從而對(duì)輸入到變換器的電流大小方向進(jìn)行控制，從而對(duì)有功、無功功率和功率因數(shù)進(jìn)行控制。

對(duì)無功功率的控制

當(dāng)電壓數(shù)值較大，以致時(shí)，則為負(fù)，Q為負(fù)，即交流電源向整流器輸出容性無功電流、無功功率，或交流電源從整流器輸入感性無功電流、無功功率。當(dāng)電壓較小，時(shí)，為正，Q為正，即交流電源向整流器輸出感性無功電流、無功功率，或交流電源從整流器輸入容性無功電流、無功功率。對(duì)有功功率的控制當(dāng)交流輸入端電壓相位滯后于時(shí)，即滯后角為正值時(shí)，有功電流為正值，P為正，表示交流電源向變換器輸出有功功率，經(jīng)整流器輸出直流電能給負(fù)載，變換器工作于整流狀態(tài)。當(dāng)交流輸入端電壓的相位超前時(shí)，為負(fù)值，為負(fù)值，P為負(fù)，表示交流電源從整流器輸入有功功率，即變換器將直流電源電能變?yōu)榻涣麟娔芊此徒o交流電源，變換器工作于逆變狀態(tài)。

如果以交流輸入電流為控制對(duì)象，要做到單位功率因數(shù)整流，只需控制整流器網(wǎng)側(cè)電流與電網(wǎng)電壓同相位。根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋和被控制量,PWM整流電路的控制分為直接電流控制和間接電流控制兩種:引入交流電流反饋的稱為直接電流控制；沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制。另外，近年來，以網(wǎng)側(cè)輸入的有功功率和無功功率為控制對(duì)象的直接功率控制策略也得到了不少研究。下面分別予以簡單介紹間接電流控制也稱為幅值相位控制或幅相控制。這類方法通過控制整流橋交流側(cè)基波電壓的幅值和相位達(dá)到控制輸入電流的目的，使得交流側(cè)輸入電流與電壓同相位,從而使功率因數(shù)為1。其電流控制的依據(jù)是整流器交流側(cè)的穩(wěn)態(tài)相量關(guān)系，對(duì)電流的控制是開環(huán)的。其控制方式常用的有移相SPWM控制、電壓空間矢量調(diào)制方式等。優(yōu)點(diǎn)：間接電流控制控制結(jié)構(gòu)簡單，無需電流傳感器，成本較低。缺點(diǎn)：是基于穩(wěn)態(tài)模型的控制，在系統(tǒng)的過渡過程中特性較差，網(wǎng)側(cè)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，有較大的電流超調(diào)，還會(huì)有直流偏置；對(duì)系統(tǒng)參數(shù)較敏感，適應(yīng)性較差。已逐漸被直接電流控制策略所取代，實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)很少見了。間接電流控制

直接電流控制對(duì)整流器輸入電流進(jìn)行閉環(huán)控制，其控制依據(jù)是整流器的動(dòng)態(tài)方程。直接電流控制對(duì)瞬時(shí)電流波形進(jìn)行高精度控制，具有很好的動(dòng)態(tài)性能，可以補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)變化帶來的誤差以及管壓降和死區(qū)的影響，而且易于防止過載和實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。在研究PWM逆變器時(shí)提出的各種電流控制技術(shù)基本上都能應(yīng)用于PWM整流器中，如滯環(huán)電流控制、預(yù)測電流控制和PI電流調(diào)節(jié)控制等。這些控制方法一般都采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。外環(huán)為電壓環(huán)，通過對(duì)直流母線電壓的調(diào)節(jié)得到交流電流的指令瞬時(shí)值。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，控制三相交流電流跟隨指令值。電流控制器比較電流瞬時(shí)值與指令值，產(chǎn)生能減少電流誤差的開關(guān)信號(hào)，因此電流控制器具有減小誤差和產(chǎn)生調(diào)制的作用。

直接電流控制

滯環(huán)電流控制是一種電流瞬時(shí)值反饋控制,常用于對(duì)電壓型PWM整流器的控制。在此方式中，將實(shí)際電流與給定電流比較，偏差值作為滯環(huán)比較器的輸入，當(dāng)