“电力电子技术”课程整流电路的教学方法研究

林维明

（福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州350108）

0 引言

“电力电子技术”课程中整流电路是出现最早的电力电子电路，电路的早期功能是将交流电变为直流电，原有教学重点在相控整流电路，对网侧特性、谐波限制标准和抑制技术分析较少［1～3］。但是随着电力电子技术发展、电网质量提高和用电环境需要，整流电路就不仅仅是将交流电变为直流电，而功率因数校正、谐波抑制和满足各类网侧输入电流谐波限制标准成为了AC-DC整流电路研究主题，1975年以来许多国家和国际组织都颁布制订了交流电网侧的电磁兼容标准［4～6］。本文开展整流电路的教学改革研究，跟踪电力电子与电力传动学科日益活跃的发展现状，面对各种新技术、新电路拓扑不断涌现，各种新的应用领域持续发展，为加强本科生知识范围和实践能力，对整流电路的知识结构进行了系统的梳理和深入分析。本文围绕谐波与功率因数分析、功率因数校正和谐波抑制技术，详细分析各类整流电路工作原理、特性和关键参量，探索“电力电子技术”教学新方法。

1 整流电路性能指标

1.1 功率因数、谐波分析基础

1）谐波

（1）非正弦电压一般满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数；

（2）基波（fundamental）-在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量

（3）谐波-频率为基波频率大于1整数倍的分量，即2，3，4，…n次谐波

（4）谐波次数-谐波频率和基波频率整数比；

（5）n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示

（6）电流谐波总畸变率以THDi（Total Harmonic Distortion）定义为

2）功率因数

（1）正弦电路中的情况：正弦电路的功率因数λ是由电压和电流的相位差φ决定的：λ=cosφ

（2）非正弦电路中的情况：公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况有很大的实际意义。

设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为I，基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和φ1，有功功率为：P=UI1cosφ1，可得功率因数为：

基波因数ν=I1/I，即基波电流有效值和总电流有效值之比；

位移因数（基波功率因数）——cosφ1

3）功率因数和谐波抑制的关系

（1）设AC-DC变流电路的输入电压为为正弦，输入电流为非正弦，其有效值为：

式中，I1、I2、…In…分别为电流基波分量、二次谐波、n次谐波电流的有效值。

（2）定义总谐波失真（THD）：

Ih为所有谐波电流分量的总有效值。从前面的描述可以清楚的看到，高功率因数和低谐波是一致的。

1.2 IEC1000-3-2谐波限制标准

为了将电网中电压和电流波形失真控制在允许范围内，国际权威机构和我国相继制订、颁发了控制和限制电网网侧输入电流谐波的电磁兼容标准，如IEEE519、IEC1000-3-2和GB/T14549-93等电磁兼容标准［5］，其是强制性规范要求。以国际电工委员会颁布标准为例，如图1所示。

图1 IEC1000-3-2设备分类表（2000版）

根据电力电子设备的用途，上述各类装置制订不同的电流谐波限制。新电磁兼容标准最重要的的变化是如何划分D类电力电子设备。

2 不控整流电路特性分析

图2为单相不控整流电路及其工作波形；

图2 单相不控整流电路及其波形

工作原理分析：在u2正半周过零点至ωt=0期间，因u2＜ud，故二极管均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时ud下降。至ωt=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C充电，同时向负载R供电。电容被充电到ωt=θ时，ud=u2，VD1和VD4关断。电容开始以时间常数RC按指数函数放电。当ωt=π，即放电经过π-θ角时，ud降至开始充电时的初值，另一对二极管VD2和VD3导通，此后u2又向C充电，与u2正半周的情况一样。

图3所示是三相不控整流电路与工作波形。

图3 三相不控整流电路及波形

工作原理分析：当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中大的一个，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。

关键参量分析；δ指VD1和VD4导通的时刻与u2过零点相距的角度，θ指VD1和VD4的导通角。可得：

为满足如IEC1000-3-2的网侧谐波标准要求，近年来发展了无源功率因数校正技术，其典型电路有：

1）LC无源功率因数校正（图4）

图4 LC无源功率因数校正

电路工作分析：LC电路中的电感也可以达到限制谐波的目的。一个足够大的电感可以减小电流的峰值，并且在时间上将电流波形拓宽来减少谐波以使之符合标准。

2）填谷式无源功率因数校正（图5）

图5 填谷式无源功率因数校正

电路工作分析：这种电路工作基于电容和二极管网络的串并联特性，增大二极管的导通角，从而使输入电流波形得到改善。

3 相控整流电路特性分析

3.1 单相桥式相控整流电路

1）电阻负载

单相桥式电阻负载电路如图6所示；

图6 单相电阻负载整流电路与工作波形

关键参量关系

直流输出电压平均值Ud为：

2）带电感性负载的工作情况

单相桥式阻感负载电路如图7所示；

图7 单相相控阻感负载整流电路与工作波形

整流电路输出平均电压Ud为：

3）网侧谐波与功率因数

带阻感单相相控整流电路，网侧输入电流i2如图8所示。

图8 网侧输入电流波形

开展图8中的电流波形傅里叶级数分析：

基波和各次谐波有效值：

功率因数为：

3.2 三相桥式整流电路特性分析

三相桥式整流电路如图9所示；

图9 三相桥式全控整流电路

1）带电阻负载时的工作情况

三相桥式电阻负载电路工作波形如图10所示；

图10 三相带电阻负载时α=0°时的波形

工作过程分析：对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通；对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通；任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个SCR处于导通状态。其余的SCR均处于关断状态。从线电压波形看，ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。

工作特性分析：当α≤60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形一样，也连续；当α＞60时，ud波形每60°中有一段为零，ud波形不能出现负值；带电阻负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是120°。

2）电感性负载时的工作情况

三相桥式阻感负载电路工作波形如图11所示。

图11 三相阻感负载时α=30°时的波形

工作过程与特性分析：α≤60°时，ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似；区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同；α＞60°时，电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同，电感性负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分；带电感性负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90°。

3）关键参数分析

当整流输出电压连续时（即带电感性负载时，或带电阻负载α≤60°时）的平均值为：

带电阻负载且α＞60°时，整流电压平均值为：

4）网侧谐波与功率因数

带阻感三相相控整流电路，网侧输入电流波形如图12所示：

图12 网侧输入电流波形

基波和各次谐波有效值：

功率因数为：

4 有源功率因数校正电路分析

4.1 有源功率因数校正原理

有源功率因数校正变换技术APFC（Active Power Factor Correction）：在整流器和滤波电容之间增加一个DC/DC开关变换器。其主要思路是：选择输入电压为一个参考信号（近似为正弦），使得输入电流跟踪参考信号，实现输入电流的低频分量与输入电压为一个近似同频同相的波形，以提高PF和抑制谐波；同时采用电压反馈，使输出电压近似乎平滑的直流输出电压。

APFC的电路原理图如图13所示。主电路由单相桥式整流器和DC/DC变换器组成，其它块状组成为控制电路。

图13 APFC电路原理图

电路工作原理分析如下：主电路的输出电压uo和基准电压比较uref后，输入给电压误差放大器CA，整流电压udc检测值和电压误差放大器uA的输出电压信号共同加到乘法器的输入端，乘法器M的输出信号则作为电流反馈控制信号的基准信号，输入电流的波形与整流电压udc的波形基本一致，使网侧电流谐波大为减少，提高了输入端的功率因数。由于功率因数校正器中存在输出电压反馈环，这样在提高功率因数的同时，也能确保输出电压的稳定。

4.2 Boost升压型功率因数校正电路

连续导电模式控制在各种应用中被广泛使用，因为它具有几个优点。峰值电流应力低，从而使得开关和其他元件损耗较小。而且，输入纹波电流低且频率恒定，这使得滤波任务变得简单易行。

图14是一个Boost升压型功率因数校正电路的高频整流电路原理图及波形图。

图14 连续模式APFC的典型方法

电路工作原理分析如下：将Boost电路输出电压vo和指令电压vo*输入一个PI电压误差放大器VAR，VAR输出一个近似直流量k。将主电路整流桥后电压与k变量共同送入乘法器输入端，用乘法器输出参量作为电感电流指令电流ir，将实测电感电流、ir一起送入电流误差放大器CAR，得到输出控制电压vr，vr与载波构成PWM调制单元，最后输出驱动信号vG驱动Boost电路开关管T，使得输入电感电流与交流电源电压波形同相。图14电路拓扑中，Boost升压型变换器具有如下优点：

（1）输入电流是连续的，这样电网滤波容易；

（2）储能电感也作为滤波抑制RFI和EMI噪声；

（3）电流波形失真小；

（4）共发射级（或共源级）使驱动电路简化；

（5）输出功率大。

由于这些优点，Boost变换器这种拓扑结构广泛地应用于APFC电路中，取得较高的功率因数和效率，并适用于大功率APFC的场合。其缺点是输出电压没有隔离，输出电压总是高于输入电压。

4.3 反激隔离型功率因数校正电路

图15是一个工作于断续DCM模式的反激隔离型功率因数校正电路的高频整流电路原理图及波形图，其工作原理分析如下：

图15 DCM模式的Flyback功率因数校正电路

将反激电路输出电压vo和指令电压vo*送入一个PI电压误差放大器VAR，VAR输出一个控制变量ΔV，PWM调制单元根据ΔV的大小产生一定脉宽的驱动信号，占空比D与ΔV成正比。开关电流ip与开关管导通时间和直流电压瞬时值vdc=abs（vs）的乘积成正比。使得输入开关电流与交流电源电压波形同相。

4.4 单级功率因数校正电路

单级方案将PFC前级与后级直流-直流变换器两级结合成一级，两级复用一个开关管，调节一个变量。图16为一种典型的Boost变换器与反激变换器集成的单级PFC电路。

图16 一种典型的单级PFC电路

单级电路工作原理分析：单开关在一个开关周期中按照一定的占空比导通，开关导通时，输入电源通过开关给升压电路中的L储能，同时CB通过开关给反激变压器储能。开关关断时，输入电源与L一起给CB充电，反激变压器同时向副边电路释放能量。开关的占空比由输出电压调节器决定，在输入电压及负载一定的情况下，CB两端电压在工作过程中基本保持不变，开关的占空比也基本保持不变；输入功率中的100 Hz波动由CB进行平滑滤波。

5 PWM整流电路分析

图17为单相PWM整流电路，图18为PWM整流电路运行方式相量图；

图17 单相PWM整流电路

图18 运行相量图

单相PWM整流电路工作原理分析：当us＞0时，由V2、VD4、VD1、Ls和V3、VD1、VD4、Ls分别组成了两个 升压斩波电路。以包含V2的升压斩波电路为例，当V2导通时，us通过V2、VD4向Ls储能，当V2关断时，Ls中储存的能量通过VD1、VD4向直流侧电容C充电。当us＜0时，由V1、VD3、VD2、Ls和V4、VD2、VD3、Ls分别组成了两个 升压斩波电路，工作原理和us＞0时类似。

三相PWM整流电路如图19所示。

图19 三相PWM整流电路

图19所示电路工作原理分析：与前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相：

（1）对电路进行SPWM控制，在桥的交流输入端A、B和C可得到SPWM电压，对各相电压按图18的相量图进行控制，就可以使各相电流ia、ib、ic为正弦波且和电压相位相同，功率因数近似为1。

（2）该电路也可以工作在 图18的逆变运行状态及图c或d的状态。

6 结语

“电力电子技术”课程中AC-DC整流电路是出现最早的电力电子电路，电路的早期功能是将交流电变为直流电，原有教学重点在相控整流电路，对网侧特性、限制标准和相关抑制技术分析较少。但是随着时代的发展，功率因数校正、谐波抑制和满足各类网侧输入电流谐波限制标准成为了AC-DC整流电路主题。本文围绕谐波与功率因数、功率因数校正和谐波抑制技术，系统梳理与详细分析不控整流电路、相控整流电路、有源功率因数校正和PWM整流器等各类整流电路工作原理、特性和关键参量，探索一种新型“电力电子技术”教学方法。