相可控整流电路.ppt

第3章 三相可控整流电路 3.1 3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 3.2 3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 3.3 3.3 整流电压的谐波分析整流电压的谐波分析 3.4 3.4 变压器漏抗对整流电路的影变压器漏抗对整流电路的影 响响 3.5 3.5 可控整流电路带反电势负载可控整流电路带反电势负载 时的工作情况时的工作情况 3.6 3.6 大功率可控整流电路接线形大功率可控整流电路接线形 式及其特点式及其特点 1 本章内容: 三相半波可控、三相桥式全控整流电路的工 作原理、波形分析及计算，整流电压的谐波分析 ，变压器漏抗对整流电路的影响，可控整流电路 带反电势负载时的工作情况，大功率可控整流电 路接线形式及其特点。 学习要点: 掌握三相半波、三相桥式全控整流电路在不 同性质负载下的工作原理及波形分析，控制角移 相范围，电流有效值、平均值的计算，对相位控 制触发脉冲的基本要求。掌握整流电路的谐波分 析。掌握变压器漏抗对整流电路的影响。了解可 控整流电路带反电势负载时的工作情况。理解以 带平衡电抗器的双反星性电路为代表的大功率整 流电路工作原理。 本章学习内容与学习要点 2 引言 v交流测由三相电源供电。 v负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、 容易滤波。 v基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式 全控整流电路应用最广 。 3 3.1 三相半波可控整流电 路 电路的特点： 变压器二次侧接成 星形得到零线，而一次侧 接成三角形避免3次谐波流 入电网。 三个晶闸管分别接 入a、b、c三相电源，其 阴极连接在一起共阴 极接法 。 图3-1 三相半波可控整流电路共阴极接 法电阻负载时的电路及a =0时的波形 1)电阻负载 自然换相点： 二极管换相时刻为自然换相点， 是各相晶闸管能触发导通的最早 时刻，将其作为计算各晶闸管触 发角a的起点，即a =0。 b) c) d) e) f) u2 R id uaubuc =0 O t1t2t3 uG O ud O O u ab u ac O i VT 1 u VT 1 t t t t t a) 动画演示 4 3.1 三相半波可控整流电 路 a =0时的工作原理分析 变压器二次侧a相绕组和晶闸管 VT1的电流波形，变压器二次绕 组电流有直流分量。 晶闸管的电压波形，由3段组成 。 图3-1 三相半波可控整流电路共阴 极接法电阻负载时的电路及a =0 时的波形 =30的波形（图3-2 ） 特点：负载电流处于连续和断 续之间的临界状态。 30的情况（图3-3 ） 特点：负载电流断续，晶闸管 导通角小于120 。 b) c) d) e) f) u2 uaubuc =0 O t1t2t3 uG O ud O O uabuac O iVT 1 uVT 1 t t t t t a) R 动画演示 5 3.1 三相半波可控整流电 路 （3-1） 当a=0时，Ud最大，为 。 (3-2) 整流电压平均值的计算 a30时，负载电流连续，有： a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此 时有： 6 3.1 三相半波可控整流电 路 Ud/U2随a变化的规律如图2-15中的曲线1所示 。 图3-4 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系 1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载 7 3.1 三相半波可控整流电 路 负载电流平均值为 晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值 ，即 晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二 次相电压的峰值，即 （3-3） （3-4） （3-5） 8 3.1 三相半波可控整流电 路 2）阻感负载 图3-5 三相半波可控整流电路，阻感 负载时的电路及 =60时的波形 特点：阻感负载，L值很大 ，id波形基本平直。 a30时：整流电压波形与 电阻负载时相同。 a30时（如a=60时的波 形如图所示）。 u2过零时，VT1不关断，直到 VT2的脉冲到来，才换流， ud波形中出现负的部分。 id波形有一定的脉动，但为简 化分析及定量计算，可将id近 似为一条水平线。 阻感负载时的移相范围为 90。 ud ia uaubuc ib ic id u ac O t O t O O t O Ot t t 动画演示 9 3.1 三相半波可控整流电 路 数量关系 由于负载电流连续， Ud可由式（3-1）求出，即 Ud/U2与a成余弦关系，如图 3-4中的曲线2所示。如果负 载中的电感量不是很大， Ud/U2与a的关系将介于曲线 1和2之间，曲线3给出了这 种情况的一个例子。 图3-3 三相半波可控整流电路 Ud/U2随a变化的关系 1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载 10 3.1 三相半波可控整流电 路 变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为 晶闸管的额定电流为 晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线 电压峰值 三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流 中含有直流分量，为此其应用较少。 （3-6） （3-7） （3-8） 11 3.2 三相桥式全控整流电 路 三相桥是应用最为广泛的整流电 路共阴极组阴 极连接在一起的 3个晶闸管（VT1 ，VT3，VT5） 共阳极组阳 极连接在一起的 3个晶闸管（VT4 ，VT6，VT2） 图3-6 三相桥式 全控整流电路原理图 导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6 12 3.2 三相桥式全控整流电 路 1）带电阻负载时的工作情况 当a60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形 与ud波形形状一样，也连续 波形图： a =0 （图37 ） a =30 （图38） a =60 （图39） 当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不 能出现负值 波形图： a =90 （ 图310） 带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范 围是120 13 3.2 三相桥式全控整流电 路 晶闸管及输出整流电压的情况如表3-1所示 时 段IIIIIIIVVVI 共阴极组中导通 的晶闸管 VT1VT1VT3VT3VT5VT5 共阳极组中导通 的晶闸管 VT6VT2VT2VT4VT4VT6 整流输出电压udua-ub =uab ua-uc =uac ub-uc =ubc ub-ua =uba uc-ua =uca uc-ub =ucb 请参照图37 14 3.2 三相桥式全控整流电 路 （2）对触发脉冲的要求： 按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次 差60。 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共 阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。 同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与 VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。 三相桥式全控整流电路的特点 （1）2管同时通形成供电回路，其中 共阴极组和共阳极组各1，且不 能为同1相器件。 15 3.2 三相桥式全控整流电 路 （3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故 该电路为6脉波整流电路。 （4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲 可采用两种方法：一种是宽脉冲触 发 一种是双脉冲触发（常 用） (5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸 管承受最大正、反向电压的关系也相同。 三相桥式全控整流电路的特点 16 a60时（a =0 图311；a =30 图312） ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。 各晶闸管的通断情况 输出整流电压ud波形 晶闸管承受的电压波形 3.2 三相桥式全控整流电 路 2) 阻感负载时的工作情况 主要 包括 a 60时（ a =90图313） 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。 阻感负载时，ud波形会出现负的部分。 带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相 范围为90 。 区别在于：得到的负载电流id波形不同。 当电感足够大的时候， id的波形可近似为一条水平线。 17 3.2 三相桥式全控整流电 路 3) 定量分析 当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻 负载a60时）的平均值为： 带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为： 输出电流平均值为 ：Id=Ud /R （3-9） （3-10） 18 3.2 三相桥式全控整流电 路 当整流变压器为图3-6中所示采用星形接法，带阻感 负载时，变压器二次侧电流波形如图3-12中所示，其 有效值为： （3-11） 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 接反电势阻感负载时，在负载电流连续的情况下，电路 工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流 波形均相同。 仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为： （3-12） 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。 19 3.3 整流电压的谐波分析 随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此 带来的谐波(harmonics)和无功(reactive power)问题 日益严重，引起了关注。 无功的危害： 导致设备容量增加。 使设备和线路的损耗增 加。 线路压降增大，冲击性 负载使电压剧烈波动。 谐波的危害： 降低设备的效率。 影响用电设备的正常工作。 引起电网局部的谐振，使谐 波放大，加剧危害。 导致继电保护和自动装置的 误动作。 对通信系统造成干扰。 20 3.3 整流电压的谐波分析 谐 波 对于非正弦波电压，满足狄里赫利条件，可分解 为傅里叶级数： 正弦波电压可表示为： 基波（fundamental）频率与工频相同的分量 谐波频率为基波频率大于1整数倍的分量 谐波次数谐波频率和基波频率的整数比 谐波分析基 础 21 3.3 整流电压的谐波分 析 整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含 各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利 的。 图3-14 =0时，m脉波 整流电路的整流电压波形 =0时，m脉波整流电路的整 流电压的谐波分析。 整流输出电压谐波分析 v详见书P49 22 3.3 整流电压的谐波分 析 =0时整流电压、电流中的谐波有如下规律： m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk（k=1，2，3.）次， 即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定， 也为mk次。 当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明 最低次（m次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对 较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值dn的减小 更为迅速。 m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压 纹波因数迅速下降。 23 3.3 整流电压的谐波 分析 不为0时的情况： v整流电压谐波的一般表达式十 分复杂，下面只说明谐波电压与 角 的关系。 图3-15 三相全控桥电流连续时 ，以n为参变量的与 的关系 以n为参变量，n次谐波幅值对 的关系如图2-34所示： 当 从0 90变化时，ud的谐波 幅值随 增大而增大， =90时 谐波幅值最大。 从90 180之间电路工作于有 源逆变工作状态，ud的谐波幅值 随 增大而减小。 24 ik=ib是逐渐增大的， 而ia=Id-ik是逐渐减小的。 当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1 关断,换流过程结束。 3.4 变压器漏抗对整流电路 的影响 考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响 ，该漏感可用一个集中的电感LB表示。 现以三相半波为例，然后将其结论推广。 VT1换相至VT2的过程： 因a、b两相均有漏感，故ia、 ib均不能突变。于是VT1和VT2 同时导通，相当于将a、b两相 短路，在两相组成的回路中产 生环流ik。 图3-16 考虑变压器漏感时的 三相半波可控整流电路及波形 ud id tO tO g iciaibiciaId uaubuc 25 3.4 变压器漏抗对整流电路 的影响 换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度g表示 。 换相过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所 对应的两个相电压的平均值。 换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值 降低的多少。 （3-13） （3-14） 26 3.4 变压器漏抗对整流电路 的影响 换相重叠角g的计 算 由上式得： 进而得出： （3-15） （3-16） （3-17） 27 3.4 变压器漏抗对整流电路 的影响 由上述推导过程，已经求得 ： 当 时， ，于是 g 随其它参数变化的规律： （1） Id越大则g 越大； （2） XB越大g 越大； （3） 当90时， 越小g 越大。 （3-18） （3-19） 28 3.4 变压器漏抗对整流电路 的影响 变压器漏抗对各种整流电路的影 响 电路形式 单相 全波 单相全 控桥 三相 半波 三相全 控桥 m脉波 整流电路 表3-2 各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算 注：单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所 列通用公式不适用； 三相桥等效为相电压等于 的6脉波整流电路， 故其m=6，相电压按 代入。 29 3.4 变压器漏抗对整流电路 的影响 变压器漏感对整流电路影响的一些结论: 出现换相重叠角g ，整流输出电压平均值Ud降低。 整流电路的工作状态增多。 晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。 有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可 能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。 30 3.5 可控整流电路带反电势负 载时的工作情况引言 晶闸管直流电动机系统晶闸管可控整流 装置带直流电动机负载组成的系统。 是电力拖动系统中主要的一种。 是可控整流装置的主要用途之一。 对该系统的研究包括两个方面： 其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。 其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本 节主要从第二个方面进行分析。 31 3.5 可控整流电路带反电势负 载时的工作情况 整流电路接反电动 势负载时，负载电 流断续，对整流电 路和电动机的工作 都很不利。 图3-17 三相半波带电动机负载且 加平波电抗器时的电压电流波形 通常在电枢回路串联 一平波电抗器，保证 整流电流在较大范围 内连续，如图3-17。 ud O id t uaubuc ud O iaibicic t E Ud idR 32 3.5 可控整流电路带反电势负 载时的工作情况 此时，整流电路直流电压的平衡方程为 （3-20） 式中， 。 为电动机的反电动势 负载平均电流Id所引起的各种电 压降，包括： 变压器的电阻压降 电枢电阻压降 由重叠角引起的电压降 晶闸管本身的管压降，它基本上 是一恒值。 系统的两种工作状态：电流连续工作状态 电流断续工作状态 33 3.5 可控整流电路带反电势负 载时的工作情况 转速与电流的机械特性关系式为 1) 电流连续时电动机的机械特性 在电机学中，已知直流电动机的反电动势为 （3-21） 可根据整流电路电压平衡方程式（3-20），得 （ 3-22 ） （ 3-23 ） 图3-18 三相半波电流连续时以 电流表示的电动机机械特性 其机械特性是一组平行的直线，其斜 率由于内阻不一定相同而稍有差异。 调节 角，即可调节电动机的转速。 O n a 1 a 460 36 3.6 大功率可控整流电路 引言 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点 ： 适用于低电压、大电流的场合。 多重化整流电路的特点： 在采用相同器件时可达到更大的功率。 可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数 ，从而减小对供电电网的干扰。 37 3.6.1带平衡电抗器的双反星 形可控整流电路 电路结构的特点 图3-22 带平衡电抗器的 双反星形可控整流电路 二次侧为两组匝数相同极性相 反的绕阻，分别接成两组三相 半波电路。 二次侧两绕组的极性相反可消 除铁芯的直流磁化。 平衡电抗器是为保证两组三相 半波整流电路能同时导电。 与三相桥式电路相比，双反星 形电路的输出电流可大一倍。 38 3.6.1带平衡电抗器的双反星 形可控整流电路 绕组的极性相反的目的：消除直流磁通势 如图可知，虽然两组相电流的瞬时值不同，但是平均电流相 等而绕组的极性相反，所以直流安匝互相抵消。 图3-23 双反星形电路， =0时两组整流电压、电流波形 t t ud1 uaubuc ia ud2 ia uc ua ub uc Ot O Ot O Id 1 2 Id 1 6 Id 1 2 Id 1 6 39 3.6.1带平衡电抗器的双反星 形可控整流电路 接平衡电抗器的原因 ： 当电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流。 两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等。 两个星形的中点n1和n2间的电压等于ud1和ud2之差。 该电压加在Lp上，产生电流ip，它通过两组星形自成 回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流。 v为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp值足够大 ，以便限制环流在负载额定电流的1%2%以内。 40 3.6.1带平衡电抗器的双反星 形可控整流电路 双反星形电路中如不接平衡电抗器，即成为 六相半波整流电路： 只能有一个晶闸管导电，其余五管均阻断，每管最大导通 角为60o，平均电流为Id/6。 当=0o 时，Ud为1.35U2，比三相半波时的1.17U2略大些。 因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，极少采用。 平衡电抗器的作用： 使得两组三相半波整流电路同时导电。 对平衡电抗器作用的理解是掌握双反星形电路 原理的关键。 41 3.6.1带平衡电抗器的双反星 形可控整流电路 平衡电抗器使得两组三相半波整流电路同时导电 的原理分析： 图3-24 平衡电抗器作用下输出电压 的波形和平衡电抗器上电压的波形 图3-25 平衡电抗器作用下 两个晶闸管同时导电的情况 平衡电抗器Lp承担了n1、n2间的 电位差，它补偿了ub和ua的电动 势差，使得ub和ua两相的晶闸管 能同时导电。 （3-23） （3-24） 时，ubua，VT6导通，此电流 在流经LP时，LP上要感应一电动势 up，其方向是要阻止电流增大。可 导出Lp两端电压、整流输出电压的 数学表达式如下： up ud1,ud2 O O 60 360 t1 t t b) a) uaubucuc ua ub ub 42 3.6.1带平衡电抗器的双反星 形可控整流电路 原理分析(续)： 图3-24 平衡电抗器作用下输出电压 的波形和平衡电抗器上电压的波形 图3-25 平衡电抗器作用下 两个晶闸管同时导电的情况 虽然 ，但由于Lp的平衡作 用，使得晶闸管VT6和VT1同时导 通。 时间推迟至ub与ua的交点时， ub = ua ， 。 之后 ub ub ，电流才从VT6换至 VT2。此时VT1、VT2同时导电。 每一组中的每一个晶闸管仍按三相 半波的导电规律而各轮流导电。 up ud1,ud2 O O 60 360 t1 t t b) a) uaubucuc ua ub ub 43 3.6.1带平衡电抗器的双反星 形可控整流电路 由上述分析以可得 ： 图3-24 平衡电抗器作用下输出电压 的波形和平衡电抗器上电压的波形 平衡电抗器中点作为整流电压输出的负端，其输出的整流电压瞬时 值为两组三相半波整流电压瞬时值的平均值。波形如图3-24 a。 （3-25） 谐波分析 分析详见P63-P64。 ud中的谐波分量比直流分量 要小得多，且最低次谐波为 六次谐波。 直流平均电压为： u ,u u p d1d2 O O 60 360 t1 t t b) a) uaubucuc ua ub ub 44 3.6.1带平衡电抗器的双反星 形可控整流电路 =30、 =60和 =90时输出电压的波形分 析 图3-26 当 =30、60、90时， 双反星形电路的输出电压波形 分析输出波形时，可先求出ud1 和ud2波形，然后根据式（2-98 ）做出波形( ud1+ud2 ) / 2。 输出电压波形与三相半波电路 比较，脉动程度减小了，脉动 频率加大一倍，f=300Hz。 电感负载情况下，移相范围是 90。 电阻负载情况下，移相范围为 120。 。 90 = 。 60 = 。 30 = ud ud ud t O tO tO uaubucuc ua ub ubucuc ua ub ubucuc ua ub 45 3.6.1带平衡电抗器的双反星 形可控整流电路 整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为: Ud=1.17 U2 cos 将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得 出以下结论： 三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相 半波并联，且后者需用平衡电抗器。 当U2相等时，双反星形的Ud是三相桥的1/2，而Id是 单相桥的2倍。 两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一 样，ud和id的波形形状一样。 46 3.6.2 多重化整流电路 概述： 整流装置功率进一步加大时，所产生的谐波、无 功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰 ，可采用多重化整流电路。 原理： 按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整 流电路 进行组合得到。 目标： 移项多重联结减少交流侧输入电流谐波。 47 3.6.2 多重化整流电路 1) 移相多重联结 图3-27 并联多重联结的12脉波 整流电路 有并联多重联结和串联多 重联结。 可减少输入电流谐波，减 小输出电压中的谐波并提 高纹波频率，因而可减小 平波电抗器。 使用平衡电抗器来平衡2 组整流器的电流。 2个三相桥并联而成的12 脉波整流电路。 48 3.6.2 多重化整流电路 移相30构成的串联2重联结电路 图3-28 移相30串联2重联结电路 图3-29 移相30串联2重联结 电路电流波形 整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差 30、大小相等的两组电压。 该电路为12脉波整流电路。 星形 三角形 0 a) b) c) d) ia1 Id 180360 ia2 iab2 iA Id iab2 t t t t 0 0 0 Id 2 3 3 3 Id 3 3 Id Id 3 23 (1+ )Id 3 23 (1+ )Id3 3 Id 1 3 49 本章小结 可控整流电路，重点掌握：电力电子电路作 为分段线性电路进行分析的基本思想、三相 半波可控整流电路和三相全控桥式整流电路 的原理分析与计算、各种负载对整流电路工 作情况的影响； 与整流电路相关的一些问题，包括： (1)变压器漏抗对整流电路的影响，重点建立换相压 降、重叠角等概念，并掌握相关的计算，熟悉漏抗对整流 电路工作情况的影响。 (2)整流电路的谐波分析，重点掌握谐波的概念、各 种整流电路产生谐波情况的定性分析。 50 本章小结 晶闸管直流电动机系统的工作情况，重 点掌握各种状态时系统的特性，包括变 流器的特性和电机的机械特性等。 大功率可控整流电路的接线形式及特点 ，熟悉双反星形可控整流电路的工作情 况，建立整流电路多重化的概念