第2章整流电路_电力电子应用技术.ppt

1 第2章整流与有源逆变 2 1单相可控整流电路2 2三相可控整流电路2 3变压器漏感对整流电路的影响2 4整流电路的谐波和功率因数2 5整流电路的有源逆变工作状态2 6晶闸管直流电动机系统2 7相控电路的驱动控制本章小结 将交流电转换成直流电的变换称之为整流 实现整流变换的装置称之为整流器 可控整流 不控整流 整流 逆变 在整流变换过程中 其平均功率 或能量 的流向是从交流电源流向直流负载 有源逆变 无源逆变 在逆变过程中 其平均功率 或能量 是从直流侧流向交流侧的 图2 1整流与逆变的功率流向 工业应用中常常需要把直流电能转换成交流电能 这种对应于整流的逆向过程称之为逆变 图2 2部分常用的整流电路 可控整流电路的主元件在采用晶闸管时 其控制方式都采用相位控制 故这类整流电路又称之为相控整流 c d 除c d 外a e f g b f c d e g a b f c d e g 4 2 1单相可控整流电路 2 1 1单相半波可控整流电路2 1 2单相桥式全控整流电路2 1 3单相全波可控整流电路2 1 4单相桥式半控整流电路 5 图2 3单相半波可控整流电路 1 带电阻负载的工作情况 二 理想化假设 开关元件是理想的开关 通态压降 0 断态电阻无穷大 漏电流 0 开关过程瞬间完成 变压器是理想的 漏抗 绕组电阻 励磁电流 0 电网电压是理想的正弦波 一 主电路 T为整流变压器 注意各物理量的参考方向 问题 元件可能触发导通的区间 何时关断 为什么 2 1 1单相半波可控整流电路 6 图2 3单相半波可控整流电路及波形 三 工作原理及波形分析 控制角 从SCR承受正向电压时刻起到触发脉冲前沿时刻之间的时间所对应的电角度 把不控器件 二极管 的导通时刻后移的电角度 元件导通角 导电角 元件在一周期内导通的时间所对应的电角度 本例 移相 改变触发脉冲出现时刻 即改变控制角大小 改变 角的大小就可以控制输出电压的大小实现 移相控制 被简称 相控 移相范围 控制角 能够变化的范围 本例0 180 换相 换流 电流从一个元件转移到另一个元件的过程 四 几个名词术语 8 Vd是控制角 的函数 愈大Vd愈小 当 0时为最大值 当 时 Vd 0 的移相范围为0 五 基本量的计算 电源电压 输出直流电压平均值Vd 3 晶闸管电流的有效值IT 晶闸管电流平均值 输出直流电流平均值Id 对单相半波电路的分析可基于下述方法进行 当VT处于断态时 相当于电路在VT处断开 id 0 当VT处于通态时 相当于VT短路 图2 3单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a VT处于关断状态b VT处于导通状态 电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化 将电路简化为分段线性电路 器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑 2 带阻感性负载的工作情况 1 无续流二极管电路的工作原理及波形 图2 4电感负载的单相半波可控整流电路及波形 原理及波形分析 与带电阻性负载电路相比 整流输出电压和整流输出电流波形性与电阻性负载不同 由于电感的存在 输出电流波形与电压波形不同 2 有续流二极管电路的工作原理及波形 为了提高整流器输出电压的平均值和减小变压器的发热损耗 按图2 5a 所示极性在负载两端并联一功率二极管VD VD称为续流二极管 图2 5有续流二极管的单相半波可控整流电路及其工作波形 3 有续流二极管电路工作时的数学表达式 1 输出电压在电流断续 电流连续或电感足够大的几种情况下 有续流二极管电路的输出电压在一个周期内的表达式都为输出电压的直流分量 平均值 为2 负载电阻R上电压平均值3 输出电流平均值4 元件电压 元件电流晶闸管VT所承受的断态正向峰值电压 反向峰值电压及二极管VD的反向峰值电压都为 5 控制角的有效移相范围为 6 晶闸管VT的元件导通角 VT的 角移相范围为180 简单 但输出脉动大 变压器二次侧电流中含直流分量 造成变压器铁芯直流磁化 实际上很少应用此种电路 分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念 单相半波可控整流电路的特点 图2 6电阻负载的单相桥式可控整流电路 2 1 2单相桥式全控整流电路 1 带电阻负载的工作情况 1 T1 T4一组 T2 T3一组 两组间 上下桥臂间触发脉冲相差180 电角度 2 问题 元件可能触发导通的区间 何时关断 为什么 数量关系 a角的移相范围为180 向负载输出的平均电流值为 流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半 即 17 流过晶闸管的电流有效值 变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等 由以上两个表达式可得 不考虑变压器的损耗时 要求变压器的容量S U2I2 2 带阻感性负载的工作情况 假设电路已工作于稳态 id的平均值不变 假设负载电感很大 负载电流id连续且波形近似为一水平线 u2过零变负时 晶闸管VT1和VT4并不关断 至 t a时刻 晶闸管VT1和VT4关断 VT2和VT3两管导通 VT2和VT3导通后 VT1和VT4承受反压关断 流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上 此过程称换相 亦称换流 图2 6阻感负载的单相桥式可控整流电路 五 晶闸管电流 由于两晶闸管对轮流导通 在一个正弦周期内各导通180 故流过各晶闸管上的电流是幅值为 宽度为180 的矩形波电流 所以其平均值为晶闸管电流的有效值为 六 元件电压元件的最大断态正向电压 最大反向电压都为 七 控制角与导通角控制角的有效移相范围为 但从式 2 18 可看到 当时 输出电压的平均值为负 元件的导通角 20 2 1 3单相全波可控整流电路 单相全波可控整流电路 SinglePhaseFullWaveControlledRectifier 又称单相双半波可控整流电路 单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的 变压器不存在直流磁化的问题 图2 9单相全波可控整流电路及波形 21 单相全波与单相全控桥的区别 单相全波中变压器结构较复杂 材料的消耗多 单相全波只用2个晶闸管 比单相全控桥少2个 相应地 门极驱动电路也少2个 但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍 单相全波导电回路只含1个晶闸管 比单相桥少1个 因而管压降也少1个 从上述后两点考虑 单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用 22 2 1 4单相桥式半控整流电路 电路结构单相全控桥中 每个导电回路中有2个晶闸管 1个晶闸管可以用二极管代替 从而简化整个电路 如此即成为单相桥式半控整流电路 先不考虑VDR 图2 10单相桥式半控整流电路 有续流二极管 阻感负载时的电路及波形 23 阻感负载 电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同 图2 10单相桥式半控整流电路 有续流二极管 阻感负载时的电路及波形 24 续流二极管的作用 避免可能发生的失控现象 若无续流二极管 则当a突然增大至180 或触发脉冲丢失时 会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况 这使ud成为正弦半波 其平均值保持恒定 称为失控 有续流二极管VDR时 续流过程由VDR完成 避免了失控的现象 续流期间导电回路中只有一个管压降 有利于降低损耗 25 单相桥式半控整流电路的另一种接法 相当于把图2 5a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4 这样可以省去续流二极管VDR 续流由VD3和VD4来实现 图2 5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形 图2 11单相桥式半控整流电路的另一接法 2 2三相可控整流电路 2 2 1三相半波可控整流电路2 2 2三相桥式全控整流电路 2 2三相可控整流电路 引言 交流测由三相电源供电 负载容量较大 或要求直流电压脉动较小 容易滤波 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 2 2 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2 12三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 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2 12三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 续 a 30 的波形 图2 13 特点 负载电流处于连续和断续之间的临界状态 a 30 的情况 图2 14 特点 负载电流断续 晶闸管导通角小于120 图2 13 14三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 a 60 时的波形 当a 0时 Ud最大 为 整流电压平均值的计算 a 30 时 负载电流连续 有 a 30 时 负载电流断续 晶闸管导通角减小 此时有 随变化的规律如图2 15中的曲线1所示 图2 15三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 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 2 阻感负载 图2 16三相半波可控整流电路 阻感负载时的电路及a 60 时的波形 特点 阻感负载 L值很大 id波形基本平直 a 30 时 整流电压波形与电阻负载时相同 a 30 时 如a 60 时的波形如图2 16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 数量关系 由于负载电流连续 Ud可求得 图2 15三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 与成余弦关系 如图2 15中的曲线2所示 如果负载中的电感量不是很大 与的关系将介于曲线1和2之间 曲线3给出了这种情况的一个例子 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 2 2 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2 17三相桥式全控整流电路原理图 导通顺序 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 1 带电阻负载时的工作情况 当a 60 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2 18 a 30 图2 19 a 60 图2 20 当a 60 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2 21 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 图2 18三相桥式全控整流电路带电阻负载a 0 时的波形 晶闸管及输出整流电压的情况如表2 1所示 请参照图2 18 1 带电阻负载时的工作情况 当a 60 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2 18 a 30 图2 19 a 60 图2 20 当a 60 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2 21 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 图2 19三相桥式全控整流电路带电阻负载a 30 时的波形 1 带电阻负载时的工作情况 当a 60 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2 18 a 30 图2 19 a 60 图2 20 当a 60 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2 21 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 图2 20三相桥式全控整流电路带电阻负载a 60 时的波形 1 带电阻负载时的工作情况 当a 60 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2 18 a 30 图2 19 a 60 图2 20 当a 60 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2 21 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 图2 21三相桥式全控整流电路带电阻负载a 90 时的波形 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 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 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 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 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 续 a 60 时 a 0 图2 22 a 30 图2 23 ud波形连续 工作情况与带电阻负载时十分相似 2 阻感负载时的工作情况 主要包括 a 60 时 a 90 图2 24 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 各晶闸管的通断情况输出整流电压波形晶闸管承受的电压波形 图2 22三相桥式全控整流电路带阻感负载a 0 时的波形 a 60 时 a 0 图2 22 a 30 图2 23 ud波形连续 工作情况与带电阻负载时十分相似 2 阻感负载时的工作情况 主要包括 a 60 时 a 90 图2 24 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 各晶闸管的通断情况输出整流电压波形晶闸管承受的电压波形 图2 23三相桥式全控整流电路带阻感负载a 30 时的波形 a 60 时 a 0 图2 22 a 30 图2 23 ud波形连续 工作情况与带电阻负载时十分相似 2 阻感负载时的工作情况 主要包括 a 60 时 a 90 图2 24 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 各晶闸管的通断情况输出整流电压波形晶闸管承受的电压波形 图2 24三相桥式全控整流电路带阻感负载a 90 时的波形 3 定量分析 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 当整流输出电压连续时 即带阻感负载时 或带电阻负载时 的平均值为 当整流变压器为图2 17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2 23中所示 其有效值为 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 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值 57 2 4电容滤波的不可控整流电路 2 4 1电容滤波的单相不可控整流电路2 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 58 在交 直 交变频器 不间断电源 开关电源等应用场合中 大量应用 最常用的是单相桥和三相桥两种接法 由于电路中的电力电子器件采用整流二极管 故也称这类电路为二极管整流电路 59 2 4 1电容滤波的单相不可控整流电路 常用于小功率单相交流输入的场合 如目前大量普及的微机 电视机等家电产品中 1 工作原理及波形分析 图2 26电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a 电路b 波形 基本工作过程 在u2正半周过零点至wt 0期间 因u2 ud 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 a R C u 1 u 2 i 2 VD 1 VD 3 VD 2 VD 4 i d i C i R u d 60 2 主要的数量关系 输出电压平均值 61 感容滤波的二极管整流电路实际应用为此情况 但分析复杂 ud波形更平直 电流i2的上升段平缓了许多 这对于电路的工作是有利的 图2 29感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a 电路图b 波形 62 2 4 2电容滤波的三相不可控整流电路 1 基本原理 某一对二极管导通时 输出电压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 图2 30电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形 63 电流id断续和连续的临界条件wRC 在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的 重载时是连续的 分界点就是R wC 由 电压下降速度相等 的原则 可以确定临界条件 假设在wt d 2p 3的时刻 速度相等 恰好发生 则有 图2 31电容滤波的三相桥式整流电路当wRC等于和小于时的电流波形a wRC b wRC 由上式可得 2 50 64 考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况 电流波形的前沿平缓了许多 有利于电路的正常工作 随着负载的加重 电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近 图2 32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 65 2 主要数量关系 1 输出电压平均值Ud在 2 34U2 2 45U2 之间变化 2 电流平均值输出电流平均值IR为 IR Ud R 2 51 与单相电路情况一样 电容电流iC平均值为零 因此 Id IR 2 52 二极管电流平均值为Id的1 3 即 ID Id 3 IR 3 2 53 3 二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值 为 66 2 4整流电路的谐波和功率因数 2 4 1谐波和无功功率分析基础2 4 2整流输出电压和电流的谐波分析 67 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 reactivepower 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 68 2 4 1谐波和无功功率分析基础 1 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 n次谐波电流含有率以HRIn HarmonicRatioforIn 表示 2 57 电流谐波总畸变率THDi TotalHarmonicdistortion 定义为 2 58 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 69 2 功率因数 正弦电路中的情况 电路的有功功率就是其平均功率 2 59 视在功率为电压 电流有效值的乘积 即S UI 2 60 无功功率定义为 Q UIsinj 2 61 功率因数l定义为有功功率P和视在功率S的比值 2 62 此时无功功率Q与有功功率P 视在功率S之间有如下关系 2 63 功率因数是由电压和电流的相位差j决定的 l cosj 2 64 70 非正弦电路中的情况 有功功率 视在功率 功率因数的定义均和正弦电路相同 功率因数仍由式定义 不考虑电压畸变 研究电压为正弦波 电流为非正弦波的情况有很大的实际意义 基波因数 n 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 cosj1 功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定的 71 非正弦电路的无功功率 定义很多 但尚无被广泛接受的科学而权威的定义 一种简单的定义是仿照式 2 63 给出的 2 67 无功功率Q反映了能量的流动和交换 目前被较广泛的接受 也可仿照式 2 61 定义无功功率 为和式 2 67 区别 采用符号Qf 忽略电压中的谐波时有 Qf UI1sinj1 2 68 在非正弦情况下 因此引入畸变功率D 使得 2 69 Qf为由基波电流所产生的无功功率 D是谐波电流产生的无功功率 72 2 4 2整流输出电压和电流的谐波分析 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2 33a 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和整流电流的谐波分析 整流输出电压谐波分析整流输出电流谐波分析详见书P72 73 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 74 不为0 时的情况 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2 34三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 75 2 5整流电路的有源逆变工作状态 2 5 1逆变的概念2 5 2三相桥整流电路的有源逆变工作状态2 5 3逆变失败与最小逆变角的限制 76 2 5 1逆变的概念 1 什么是逆变 为什么要逆变 逆变 Invertion 把直流电转变成交流电 整流的逆过程 逆变电路 把直流电逆变成交流电的电路 有源逆变电路 交流侧和电网连结 应用 直流可逆调速系统 交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等 无源逆变电路 变流电路的交流侧不与电网联接 而直接接到负载 将在第5章介绍 对于可控整流电路 满足一定条件就可工作于有源逆变 其电路形式未变 只是电路工作条件转变 既工作在整流状态又工作在逆变状态 称为变流电路 77 2 直流发电机 电动机系统电能的流转 图2 44直流发电机 电动机之间电能的流转a 两电动势同极性EG EMb 两电动势同极性EM EGc 两电动势反极性 形成短路 电路过程分析 两个电动势同极性相接时 电流总是从电动势高的流向低的 回路电阻小 可在两个电动势间交换很大的功率 78 3 逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机 图2 45单相全波电路的整流和逆变 交流电网输出电功率 电动机输出电功率 a b u 10 u d u 20 u 10 a O O w t w t I d i d U d E M u 10 u d u 20 u 10 O O w t w t I d i d U d E M a i VT 1 i VT 2 i VT 2 i d i VT i VT 1 2 i d i VT i VT 1 2 i VT 1 i VT 2 i VT 1 79 从上述分析中 可以归纳出产生逆变的条件有二 有直流电动势 其极性和晶闸管导通方向一致 其值大于变流器直流侧平均电压 晶闸管的控制角 2 使Ud为负值 半控桥或有续流二极管的电路 因其整流电压ud不能出现负值 也不允许直流侧出现负极性的电动势 故不能实现有源逆变 欲实现有源逆变 只能采用全控电路 80 2 5 2三相桥整流电路的有源逆变工作状态 逆变和整流的区别 控制角 不同 0 p 2时 电路工作在整流状态 p 2 p时 电路工作在逆变状态 可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题 把a p 2时的控制角用p b表示 b称为逆变角 逆变角b和控制角a的计量方向相反 其大小自b 0的起始点向左方计量 三相桥式电路工作于有源逆变状态 不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图2 46所示 图2 46三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形 82 有源逆变状态时各电量的计算 输出直流电流的平均值亦可用整流的公式 即 2 105 当逆变工作时 由于EM为负值 故Pd一般为负值 表示功率由直流电源输送到交流电源 83 2 5 3逆变失败与最小逆变角的限制 逆变失败 逆变颠覆 逆变时 一旦换相失败 外接直流电源就会通过晶闸管电路短路 或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联 形成很大短路电流 触发电路工作不可靠 不能适时 准确地给各晶闸管分配脉冲 如脉冲丢失 脉冲延时等 致使晶闸管不能正常换相 晶闸管发生故障 该断时不断 或该通时不通 交流电源缺相或突然消失 换相的裕量角不足 引起换相失败 1 逆变失败的原因 84 换相重叠角的影响 图2 47交流侧电抗对逆变换相过程的影响 当b g时 换相结束时 晶闸管能承受反压而关断 如果b g时 从图2 47右下角的波形中可清楚地看到 该通的晶闸管 VT2 会关断 而应关断的晶闸管 VT1 不能关断 最终导致逆变失败 85 2 确定最小逆变角bmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角b应等于bmin d g q 2 109 d 晶闸管的关断时间tq折合的电角度 g 换相重叠角 q 安全裕量角 tq大的可达200 300ms 折算到电角度约4 5 随直流平均电流和换相电抗的增加而增大 主要针对脉冲不对称程度 一般可达5 值约取为10 86 g 换相重叠角的确定 查阅有关手册举例如下 参照整流时g的计算方法 2 110 这样 bmin一般取30 35 87 2 6晶闸管直流电动机系统 2 6 1工作于整流状态时2 6 2工作于有源逆变状态时2 6 3直流可逆电力拖动系统 88 2 6晶闸管直流电动机系统 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 89 2 6 1工作于整流状态时 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2 48三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2 48 90 此时 整流电路直流电压的平衡方程为 2 112 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 91 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 2 113 可根据整流电路电压平衡方程式 2 112 得 2 114 2 115 图2 49三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a角 即可调节电动机的转速 92 2 电流断续时电动机的机械特性当负载减小时 平波电抗器中的电感储能减小 致使电流不再连续 此时其机械特性也就呈现出非线性 电动机的实际空载反电动势都是 时为 主电路电感足够大 可以只考虑电流连续段 完全按线性处理 当低速轻载时 可改用另一段较陡的特性来近似处理 等效电阻要大一个数量级 当Id减小至某一定值Idmin以后 电流变为断续 这个是不存在的 真正的理想空载点远大于此值 93 电流断续时电动机机械特性的特点 图2 50电流断续时电动势的特性曲线 电流断续时理想空载转速抬高 机械特性变软 即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化 随着a的增加 进入断续区的电流值加大 图2 51考虑电流断续时不同a时反电动势的特性曲线 1a4 60 2 6 2工作于有源逆变状态时 1 电流连续时电动机的机械特性 电流连续时的机械特性由决定的 逆变时由于 反接 得因为EM Cen 可求得电动机的机械特性方程式 2 122 2 123 图2 52电动机在四象限中的机械特性 95 2 电流断续时电动机的机械特性 可沿用整流时电流断续的机械特性表达式 把代入式 2 117 式 2 118 和式 2 119 便可得EM n与Id的表达式 三相半波电路为例 2 124 2 125 2 126 96 逆变电流断续时电动机的机械特性 与整流时十分相似 图2 52电动机在四象限中的机械特性 理想空载转速上翘很多 机械特性变软 且呈现非线性 逆变状态的机械特性是整流状态的延续 纵观控制角变化时 机械特性得变化 第1 4象限中和第3 2象限中的特性是分别属于两组变流器的 它们输出整流电压的极性彼此相反 故分别标以正组和反组变流器 97 2 6 3直流可逆电力拖动系统 图2 53两组变流器的反并联可逆线路 图2 53a与b是两组反并联的可逆电路 a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线c对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况 98 两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论 环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流 正向运行时由正组变流器供电 反向运行时 则由反组变流器供电 根据对环流的处理方法 反并联可逆电路又可分为不同的控制方案 如配合控制有环流 可控环流 逻辑控制无环流和错位控制无环流等 电动机都可四象限运行 可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态 整流或逆变 99 直流可逆拖动系统 除能方便地实现正反转外 还能实现电动机的回馈制动 电动机反向过程分析 详见P89 a b配合控制的有环流可逆系统对正 反两组变流器同时输入触发脉冲 并严格保证a b的配合控制关系 假设正组为整流 反组为逆变 即有aP bN UdaP UdbN 且极性相抵 两组变流器之间没有直流环流 但两组变流器的输出电压瞬时值不等 会产生脉动环流 串入环流电抗器LC限制环流 100 逻辑无环流可逆系统工程上使用较广泛 不需设置环流电抗器 只有一组桥投入工作 另一组关断 两组桥之间不存在环流 两组桥之间的切换过程 首先应使已导通桥的晶闸管断流 要妥当处理使主回路电流变为零 使原导通晶闸管恢复阻断能力 随后再开通原封锁着的晶闸管 使其触发导通 这种无环流可逆系统中 变流器之间的切换过程由逻辑单元控制 称为逻辑控制无环流系统 直流可逆电力拖动系统 将在后继课 电力拖动自动控制系统 中进一步分析讨论 101 2 7相控电路的驱动控制 2 7 1同步信号为锯齿波的触发电路2 7 2集成触发器2 7 3触发电路的定相 102 相控电路 晶闸管可控整流电路 通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小 采用晶闸管相控方式时的交流电力变换电路和交交变频电路 第4章 相控电路的驱动控制为保证相控电路正常工作 很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲 晶闸管相控电路 习惯称为触发电路 大 中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路 其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多 103 2 7 1同步信号为锯齿波的触发电路 输出可为双窄脉冲 适用于有两个晶闸管同时导通的电路 也可为单窄脉冲 三个基本环节 脉冲的形成与放大 锯齿波的形成和脉冲移相 同步环节 此外 还有强触发和双窄脉冲形成环节 图2 54同步信号为锯齿波的触发电路 104 1 脉冲形成环节 V4 V5 脉冲形成V7 V8 脉冲放大控制电压uco加在V4基极上 图2 54同步信号为锯齿波的触发电路 脉冲前沿由V4导通时刻确定 脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关 电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出 其一次绕组接在V8集电极电路中 105 2 锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多 如采用自举式电路 恒流源电路等 本电路采用恒流源电路 恒流源电路方案 由V1 V2 V3和C2等元件组成 V1 VS RP2和R3为一恒流源电路 图2 54同步信号为锯齿波的触发电路 106 3 同步环节 同步 要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定 锯齿波是由开关V2管来控制的 V2开关的频率就是锯齿