可控整流器与有源逆变器培训教案.ppt

第2章可控整流器与有源逆变器 本章主要内容整流器的结构形式 工作原理 分析整流器的工作波形 整流器各参数的数量关系和设计方法 整流器工作在逆变状态时的工作原理 工作波形 变压器漏抗对整流器的影响 整流器带电动机负载时的机械特性 触发电路等内容 晶闸管触发电路 2 1简介 整流电路 整流器是将交流电变换为固定的或可调的直流电 按组成的器件可分为不可控 半控 全控三种按电路结构可分为桥式电路和零式电路按交流输入相数分为单相电路和多相电路 工频可控整流器 2 2单相半波可控整流器 2 2 1电阻性负载 1 工作原理在实际应用中 某些负载基本上是电阻性的 如电阻加热炉 电解和电镀等 电阻性负载的特点是电压与电流成正比 波形相同并且同相位 电流可以突变 首先假设以下几点 1 开关元件是理想的 即开关元件导通时 通态压降为零 关断时电阻为无穷大 2 变压器是理想的 即变压器漏抗为零 绕组的电阻为零 励磁电流为零 单相半波整流电路阻性负载演示 带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和隔离的作用电阻负载的特点 电压与电流成正比 两者波形相同几个概念的解释 ud为脉动直流 波形只在u2正半周内出现 故称 半波 整流采用了可控器件晶闸管 且交流输入为单相 故该电路为单相半波可控整流电路ud波形在一个电源周期中只脉动1次 故该电路为单脉波整流电路 几个重要的基本概念 触发延迟角 从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度 用a表示 也称触发角或控制角导通角 晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为 用 表示移相范围 是指触发脉冲ug的移动范围 它决定了输出电压的变化范围 单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是0 180 通过改变触发角 的大小 直流输出电压ud的波形发生变化 负载上的输出电压平均值发生变化 显然 180 时 Ud 0 由于晶闸管只在电源电压正半波内导通 输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流 故称 半波 整流 2基本数量关系 1 输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud 0 时 Ud 0 45U2 180 时 Ud 0 所以控制角的移相范围是0 180 输出电流平均值Id 2 输出电压有效值U与输出电流有效值I输出电压有效值U 输出电流有效值I 3 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值单相半波可控整流器中 负载 晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流 故其有效值相等 即 4 晶闸管承受的最大正反向电压Um由图2 2 f 可以看出晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值 5 功率因数cos 整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值 当忽略晶闸管的压降时 电源供给的有功功率为P UI式中P 变压器二次侧有功功率S 变压器二次侧视在功率 例2 1 如图所示单相半波可控整流器 电阻性负载 电源电压U2为220V 要求的直流输出电压为50V 直流输出平均电流为20A试计算 1 晶闸管的控制角 2 电路功率因数 3 晶闸管的额定电压和额定电流 解 1 则 90 2 当 90 时 输出电流有效值 3 4 晶闸管电流有效值IT与输出电流有效值相等 即 则取2倍安全裕量 晶闸管的额定电流为 5 晶闸管承受的最高电压 考虑 2 3 倍安全裕量 晶闸管的额定电压为根据计算结果可以选取满足要求的晶闸管 2 2 2电感性负载 1 工作原理电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等 当流过电感的电流变化时 电感两端产生感应电势 感应电势对负载电流的变化有阻止作用 使得负载电流不能突变 当电流增大时 电感吸收能量储能 电感的感应电势阻止电流增大 当电流减小时 电感释放出能量 感应电势阻止电流的减小 输出电压 电流有相位差 单相半波整流电路感性负载演示 在 t 0到 期间 晶闸管阳极和阴极之间的电压uAK大于零 但晶闸管门极没有触发信号 晶闸管处于正向关断状态 输出电压 电流都等于零 在 t 时 门极有触发信号 晶闸管被触发导通 负载电压ud u2 当 t 时 交流电压u2过零 由于有电感电势的存在 晶闸管的电压uAK仍大于零 晶闸管会继续导通 电感的储能全部释放完后 晶闸管在u2反压作用下而截止 直到下一个周期的正半周 2 数量关系直流输出电压平均值Ud为 当取不同的 角时 f 的曲线如图所示 2 2 3电感性负载加续流二极管 1 工作原理 从ud的波形可以看出 在负载两端并联一个续流二极管后 输出电压波形和电阻性负载一样 但电流却有着本质的区别 单相半波带续流二级管演示 电源电压正半波u2 0 晶闸管电压uAK 0 在 t 处触发晶闸管导通 负载上有输出电压和电流 续流二极管VDR承受反向电压而处于断态 电源电压负半波u2 0 通过续流二极管VDR使晶闸管承受反向电压而关断 电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流 负载两端的电压仅为续流二极管的管压降 如果电感足够大 续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通 使id连续 由以上分析可以看出 电感性负载加续流二极管后 输出电压波形与电阻性负载波形相同 续流二极管可以起到提高输出电压的作用 在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线 流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波 对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同为0 180 且有 180 2 基本数量关系 1 输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud输出电流平均值Id 2 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值晶闸管和变压器二次侧电流有效值相等 即 3 续流二极管的电流平均值IdDR与续流二极管的电流有效值IDR续流二极管的电流平均值IdDR为续流二极管的电流有效值IDR 4 晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值续流二极管承受的最大反向电压为电源电压的峰值 3 续流二极管的电流平均值IdDR与续流二极管的电流有效值IDR 4 晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值 单相半波可控整流器的优点是电路简单 调整方便 容易实现 但整流电压脉动大 每周期脉动一次 变压器二次侧流过单方向的电流 存在直流磁化 利用率低的问题 为使变压器不饱和 必须增大铁心截面 这样就导致设备容量增大 2 3单相桥式全控整流器 2 3 1电阻性负载 单相全控桥式整流器图和工作波形 电阻性负载 单相桥式整流电路阻性负载演示 1 工作原理在电源电压u2正半波 晶闸管VT1 VT4承受正向电压 假设四个晶闸管的漏电阻相等 则在0 区间由于四个晶闸管都不导通 uAK1 4 1 2u2 在 t 处触发晶闸管VT1 VT4导通 电流沿a VT1 R VT4 b流通 此时负载上输出电压ud u2 电源电压反向施加到晶闸管VT2 VT3上 处于关断状态 到 t 时 因电源电压过零 晶闸管VT1 VT4阳极电流也下降为零而关断 在电源电压负半波 晶闸管VT2 VT3承受正向电压 在 区间 uAK2 3 1 2u2 在 t 处触发晶闸管VT2 VT3 元件导通 电流沿b VT3 R VT2 a流通 电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上 负载上有输出电压ud u2 此时电源电压反向施加到晶闸管VT1 VT4上 使其处于关断状态 到 t 2 电源电压再次过零 VT2 VT3阳极电流也下降为零而关断 单相桥式整流器电阻性负载时的移相范围是0 180 0 时 输出电压最高 180 时 输出电压最小 晶闸管承受最大反向电压Um是相电压峰值 晶闸管承受最大正向电压是Um 2 负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过 从而使直流输出电压 电流的脉动程度较前述单相半波得到了改善 变压器二次绕组在正 负半周内均有大小相等 方向相反的电流流过 从而改善了变压器的工作状态并提高了变压器的有效利用率 2 基本数量关系 1 输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id输出电压平均值Ud为 0 时 Ud 0 9U2 180 时 Ud 0 所以控制角的移相范围是0 180 输出电流平均值Id为 2 输出电压有效值U 3 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流输出电流有效值I与变压器二次侧电流I2相同为晶闸管的电流平均值是输出电流的二分之一 其有效值为 4 晶闸管承受的最大正反向电压Um晶闸管承受的最大反向电压为电源电压的峰值晶闸管承受的最大正向电压为电源电压的峰值的一半所以晶闸管承受的正反向电压的最大值是 2 3 2电感性负载 1 工作原理电源电压正半波 在 t 处触发晶闸管VT1 VT4 晶闸管VT1 VT4承受正向电压 元件导通 电流沿a VT1 L R VT4 b流通 此时负载上电压ud u2 此时电源电压反向施加到晶闸管VT2 VT3上 使其承受反向阳极电压而处于关断状态 当 t 时 电源电压自然过零 电感感应电势使晶闸管继续导通 在电源电压负半波 晶闸管VT2 VT3承受正向电压 但没有触发脉冲而不导通 在 t 处触发晶闸管VT2 VT3 元件导通 电流沿b VT3 L R VT2 a流通 电源电压沿正半周期的方向施加到负载上 负载上有输出电压ud u2 此时VT1 VT4承受反向电压由导通状态变为关断状态 晶闸管VT2 VT3 直要导通到下一周期 t 2 处再次触发晶闸管VT1 VT4为止 单相桥式整流电路感性负载 从波形可以看出 90 输出电压波形正负面积相同 平均值为零 所以移相范围是0 90 控制角 在0 90 之间变化时 晶闸管导通角 导通角 与控制角 无关 晶闸管承受的最大正 反向电压 2 基本数量关系 1 输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id当 0 时 Ud 0 9U2 90 时 Ud 0 所以控制角的移相范围是0 90 输出电流平均值Id为 2 晶闸管电流有效值和变压器副边电流有效值晶闸管的电流是输出电流的一半 输出电流波形是一条水平线 因此其有效值变压器绕组的电流波形是对称的正负矩形波 其有效值与输出电流平均值相等 3 晶闸管承受的最大正反向电压Um晶闸管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值 3 反电势负载 1 反电势电阻负载的情况单相全控桥电路图和工作波形 反电势无负载 在负载回路无电感时 反电势电阻负载的特点是 当整流电压的瞬时值ud小于反电势E时 晶闸管承受反压而关断 这使得晶闸管导通角减小 晶闸管导通时 ud u2晶闸管关断时 ud E 与电阻负载相比晶闸管提前了电角度 停止导电 称作停止导电角 若 时 触发脉冲到来时 晶闸管承受负电压 不可能导通 为了使晶闸管可靠导通 要求触发脉冲有足够的宽度 保证当晶闸管开始承受正电压时 触发脉冲仍然存在 输出电压为 2 反电势电感性负载的情况若负载为直流电动机时 此时负载性质为反电动势电感性负载 电感不足够大 输出电流波形会断续 在负载回路串接平波电抗器可以减小电流脉动 如果电感足够大 电流就能连续 时 在这种条件下其工作情况与电感性负载相同 与单相半波可控整流器相比 整流电压脉动减小 每周期脉动两次 变压器二次侧流过正反两个方向的电流 不存在直流磁化 利用率高 2 3 4电容滤波的不可控整流电路 1 工作原理及波形分析 在u2正半周过零点至 t 0期间 因u2 ud 故二极管均不导通 电容C向负载电阻RL放电 提供负载所需电流 同时输出电压ud下降 至 t 0之后 u2将要超过ud VD1和VD4承受正压导通 ud u2 交流电源向电容充电 同时向负载RL供电 至之后 u2 ud VD1和VD4关断 电容开始以指数规律放电 通过分析 可知 和 决定于 RC的乘积 2 主要的数量关系 1 输出电压平均值在设计时根据负载的情况选择电容C值 使T 为交流电源的周期此时输出电压为 2 输出电流平均值输出电流平均值为 3 二极管电流二极管电流平均值idVD为二极管电流波形由于是脉冲波形 电流有效值与波形形状有关 波形形状与电容和负载电阻有关 一般的应该按照输出电压等于1 2U2时计算有效值 可以根据工程计算的方法得出二极管电流有效值 4 二极管承受的电压二极管承受的反向电压的最大值为变压器二次电压最大值 3感容滤波的二极管整流电路 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 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 单相双半波整流电路感性负载 2 3 3单相双半波可控整流电路 单相半控桥式整流电路在阻感负载时的情况 阻性负载演示 感性负载演示 失控现象演示 为防止失控现象 在负载端反并联续流二极管 2 3 4单相半控桥式整流电路 续流二极管的作用若无续流二极管 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 即半周期ud为正弦 另外半周期ud为零 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 晶闸管关断 避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象 同时 续流期间导电回路中只有一个管压降 有利于降低损耗 2 4三相半波可控整流电路 2 4 1电阻性负载 1工作原理为了得到零线 整流变压器二次绕组接成星形 为了给三次谐波电流提供通路 减少高次谐波对电网的影响 变压器一次绕组接成三角形 图中三个晶闸管的阴极连在一起 为共阴极接法 三相半波可控整流电路 0 时的波形 稳定工作时 三个晶闸管的触发脉冲互差120 规定 t 6为控制角 的起点 称为自然换相点 三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正半周波形的交叉点 在各相相电压的 6处 即 t1 t2 t3点 自然换相点之间互差2 3 三相脉冲也互差120 在 t1时刻触发VT1 在 t1 t2区间有uu uv uu uw u相电压最高 VT1承受正向电压而导通 输出电压ud uu 其他晶闸管承受反向电压而不能导通 VT1通过的电流iT1与变压器二次侧u相电流波形相同 大小相等 在 t2时刻触发VT2 在 t2 t3区间v相电压最高 由于uu uv VT2承受正向电压而导通 ud uv VT1两端电压uT1 uu uv uuv 0 晶闸管VT1承受反向电压关断 在VT2导通期间 VT1两端电压uT1 uu uv uuv 在 t2时刻发生的一相晶闸管导通变换为另一相晶闸管导通的过程称为换相 在 t3时刻触发VT3 在 t3 t4区间w相电压最高 由于uv uw VT3承受正向电压而导通 ud uw VT2两端电压uT2 uv uw uvw 0 晶闸管VT2承受反向电压关断 在VT3导通期间VT1两端电压uT1 uu uw uuw 这样在一周期内 VT1只导通2 3 在其余4 3时间承受反向电压而处于关断状态 只有承受高电压的晶闸管元件才能被触发导通 输出电压ud波形是相电压的一部分 每周期脉动三次 是三相电源相电压正半波完整包络线 输出电流id与输出电压ud波形相同 id ud R 电阻性负载 0 时 VT1在VT2 VT3导通时仅承受反压 随着 的增加 晶闸管承受正向电压增加 其他两个晶闸管承受的电压波形相同 仅相位依次相差120 三相半波可控整流电路电阻负载 300时的波形 三相半波可控整流电路电阻负载 600时的波形 增大 则整流电压相应减小 30 是输出电压 电流连续和断续的临界点 当 30 时 后一相的晶闸管导通使前一相的晶闸管关断 当 30 时 导通的晶闸管由于交流电压过零变负而关断后 后一相的晶闸管未到触发时刻 此时三个晶闸管都不导通 直到后一相的晶闸管被触发导通 从上述波形图可以看出晶闸管承受最大正向电压是变压器二次相电压的峰值 UFM U2 晶闸管承受最大反向电压是变压器二次线电压的峰值 URM U2 U2 150 时输出电压为零 所以三相半波整流电路电阻性负载移相范围是0 150 2数量关系 1 输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id 30 是ud波形连续和断续的分界点 因此 计算输出电压平均值Ud时应分两种情况进行 1 30 时当 0 时 Ud Ud0 1 17U22 30 时当 150 时 Ud 0 所以控制角的移相范围是0 150 输出电流平均值Id 2 晶闸管电流有效值IT和变压器副边电流有效值1 30 时2 30 时三相半波可控整流电路中 变压器副边电流有效值和晶闸管电流有效值相等I2 IT 3 晶闸管承受的最大正反向电压Um从图2 9可以看出 晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压的峰值其承受的正向电压为 当控制角 30 时当 30 时 其承受的最大电压是相电压的峰值所以晶闸管承受的正反向电压的最大值是 2 4 2电感性负载 1工作原理当 30 时的工作情况与电阻性负载相同 输出电压ud波形 uT波形也相同 由于负载电感的储能作用 输出电流id是近似平直的直流波形 晶闸管中分别流过幅度Id 宽度2 3的矩形波电流 导通角 120 当 30 时 假设 60 VT1已经导通 在u相交流电压过零变负后 VT1在负载电感产生的感应电势作用下维持导通 输出电压ud 0 直到VT2被触发导通 VT1承受反向电压关断 输出电压ud uv 显然 90 时输出电压为零 所以移相范围是0 90 显然 晶闸管承受的最大正反向电压是变压器二次线电压的峰值 三相半波可控整流电路感性负载时的波形 2数量关系 1 输出电压平均值和输出电流平均值由于ud波形是连续的 所以计算输出电压Ud时只需一个计算公式 0 时 Ud 1 17U2 90 时 Ud 0 所以控制角的移相范围是0 90 输出电流平均值 2 晶闸管电流有效值和变压器副边电流有效值晶闸管电流平均值是输出电流的三分之一 其有效值三相半波可控整流电路中 变压器副边电流和晶闸管电流相同 故有 3 晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压为电源线电压的峰值 把三只晶闸管的阳极接成公共端连在一起就构成了共阳极接法的三相半波可控整流电路 由于阴极不同电位 要求三相的触发电路必须彼此绝缘 由于晶闸管只有在阳极电位高于阴极电位时才能导通 因此晶闸管只在相电压负半周被触发导通 换相总是换到阴极更负的那一相 下图给出了共阳极接法的三相半波可控整流和 30 时的工作波形 2 4 3三相半波共阳极接法的可控整流电路 三相半波可控整流电路共阳极接法及波形 2 5三相全控桥式整流电路 三相半波可控整流的变压器存在直流磁化的问题 造成变压器发热和利用率下降 三相全控桥式整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来 它可看作是三相半波共阴极接法 VT1 VT3 VT5 和三相半波共阳极接法 VT4 VT6 VT2 的串联组合 2 5 1电阻性负载 1工作原理三相全控整流电路中共阴极接法 VT1 VT3 VT5 和共阳极接法 VT4 VT6 VT2 的控制角 分别与三相半波可控整流电路共阴极接法和共阳极接法相同 在一个周期内 晶闸管的导通顺序为VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 三相桥式全控整流电路 将一周期相电压分为六个区间 三相桥式全控整流电路带电阻负载 0o时的波形 三相桥式全控整流电路带电阻负载 60o时的波形 三相桥式全控整流电路带电阻负载 90时的波形 从上述分析可以总结出三相全控桥式整流电路的工作特点 1 任何时候共阴 共阳极组各有一只元件同时导通才能形成电流通路 2 共阴极组晶闸管VT1 VT3 VT5 按相序依次触发导通 相位相差120 共阳极组晶闸管VT2 VT4 VT6 相位相差120 同一相的晶闸管相位相差180 每个晶闸管导通角120 3 输出电压ud由六段线电压组成 每周期脉动六次 每周期脉动频率为300HZ 4 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同 它只与晶闸管导通情况有关 其波形由3段组成 一段为零 忽略导通时的压降 两段为线电压 晶闸管承受最大正 反向电压的关系也相同 5 变压器二次绕组流过正负两个方向的电流 消除了变压器的直流磁化 提高了变压器的利用率 6 对触发脉冲宽度的要求 整流桥开始工作时以及电流中断后 要使电路正常工作 需保证应同时导通的2个晶闸管均有脉冲 常用的方法有两种 一种是宽脉冲触发 它要求触发脉冲的宽度大于60 一般为80 100 另一种是双窄脉冲触发 即触发一个晶闸管时 向小一个序号的晶闸管补发脉冲 宽脉冲触发要求触发功率大 易使脉冲变压器饱和 所以多采用双窄脉冲触发 电阻性负载 60 时的ud波形连续 60 时ud波形断续 120 时 输出电压为零Ud 0 因此三相全控桥式整流电路电阻性负载移相范围为0 120 可以看出 晶闸管元件两端承受的最大正反向电压是变压器二次线电压的峰值 2参数计算 1 输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id由于 60 是输出电压Ud波形连续和断续的分界点 输出电压平均值应分两种情况计算 1 60 当 0 时 Ud Ud0 2 34U22 60 当 120 时 Ud 0 所以控制角的移相范围是0 120 输出电流平均值Id 2 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值 60 时 60 时变压器二次侧电流是晶闸管电流的2倍 因此 变压器二次侧电流有效值为 3 晶闸管承受的最大正反向电压Um晶闸管承受的正反向电压的最大值为电源线电压的峰值 2 5 2电感性负载 1工作原理当 60 时电感性负载的工作情况与电阻负载时相似 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等都一样 区别在于由于电感的作用 使得负载电流波形变得平直 当电感足够大的时候 负载电流的波形可近似为一条水平线 60 时电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同 由于负载电感感应电势的作用 ud波形会出现负的部分 图2 18为带电感性负载 90 时的波形 可以看出 90 时 ud波形上下对称 平均值为零 因此带电感性负载三相桥式全控整流电路的 角移相范围为90 三相桥式全控整流电路带电感性负载 0时的波形 三相桥式全控整流电路带电感性负载 60时的波形 三相桥式整流电路带电感性负载 90o时的波形 2参数计算 1 输出电压平均值和输出电流平均值由于ud波形是连续的 0 时 Ud0 2 34U2 当 90 时 Ud 0 所以控制角的移相范围是0 90 输出电流平均值 2 晶闸管电流有效值和变压器二次电流有效值晶闸管电流有效值变压器二次电流有效值 3 晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的正反向电压的最大值为电源线电压的峰值 在反电势电感性负载时在负载电感足够大足以使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 输出电压为 接反电势电感性负载时 Id为 2 5 3反电势负载 2 5 4其他形式的大功率可控整流电路 双反星形可控整流电路在电解电镀等工业中 常常使用低电压大电流 例如几十伏 几千至几万安 可调直流电源 由于三相桥式整流电路有2倍的晶闸管压降 因此常常使用双反星形可控整流电路 多重化整流电路整流装置功率很大时 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 并联多重连接的12脉波整流电路 2 6变压器漏抗对整流电路的影响 前面我们介绍的各种整流电路都是在理想工作状态下的工作情况 即假设 1 变压器的漏抗 绕组电阻和励磁电流都可忽略 2 晶闸管元件是理想的 但实际的交流供电电源总存在电源阻抗 如电源变压器的漏电抗 导线电阻以及为了限制短路电流而加上的交流进线电抗器等 由于电感电流不能突变 因此换相过程不能瞬时完成 1换相过程与换相重叠角以三相半波可控整流电路为例来讨论换相过程 假设三相漏抗相等 忽略交流侧的电阻 负载电感足够大 则负载电流连续且平直 以晶闸管从u相换到v相为例 VT1已导通 当 30 时触发VT2 由于变压器漏抗的作用 VT1不立即关断 u相电流iu Id ik逐渐减小到零 VT2导通 iv 0逐渐增加到Id 换相过程中 两个晶闸管同时导通 在uvu电压作用下产生短路电流ik 当iu 0 iv Id时 u相和v相之间完成了换相 变压器漏感对整流电路的影响 2换相期间的整流电压换相回路电压平衡方程换相期间变压器漏感LB两端的电压换相期间输出电压 3换相压降由波形可以看出 与不考虑变压器漏抗的情况比较 整流电压波形少了一块阴影部分 缺少部分为 式中XB 漏感为LB的变压器每相折算到二次侧的漏电抗 单相双半波电路m 2 三相半波m 3 三相桥式电路m 6 这里需要特别说明的是对于单相全控桥 换相压降的计算上述通式不成立 因为单相全控桥虽然每周期换相2次 m 2 但换相过程中ik是从 Id增加到Id 所以对式 2 50 中的Id应该带入2Id 故对于单相全控桥有 思考题1 三相半波整流电路 三相桥式整流电路 单相桥式整流电路的输出电压 变压器二次电流 晶闸管端电压的波形 换相重叠角 以自然换相点 0作为坐标的原点 以m相普遍形式表示 uu和uv的表达式分别为则有将上式带入式 2 49 可得对上式两边积分可得积分整理后得 思考题2 为什么当 一定时 XB Id增大 则 增大 换流时间增大 XB Id一定时 随U2 角的增大而减小 1 对于单相全控桥 与前面对换相压降的讨论一样 所以对于单相全控桥有m 2 Id应该带入2Id 故有 2 对于三相桥式电路 m 6 三相桥式电路等效为相电压为的六相半波整流电路 变压器漏感LB的存在可以限制短路电流 限制电流变化率di dt 但是变压器漏感会引起电网波形畸变 出现电压缺口 使du dt加大 影响其他负载 而且由于变压器漏感的存在会使功率因数降低 输出电压脉动增大 降低电压调整率 三相半波整流电路在控制角60o时VT1上的电压波形 三相桥式整流电路在逆变角60o时VT4上的电压波形 例2 2 三相桥式整流电路 反电势电感性负载 E 100V U2 220V RL 2 L 30 LB 1mH 试计算 1 输出电压Ud和输出电流Id 2 晶闸管额定电压和额定电流 3 输出电压波形 晶闸管VT1的电流波形和端电压波形解 1 考虑到漏抗的影响 其输出电压平衡方程式应该为其中 XB LB 2 fLB 将本题的已知条件代入输出电压平衡方程式 得 2 三相整流电路中晶闸管承受的正反向电压最大值是 考虑到2 3倍的安全裕量 晶闸管的额定电压应该为晶闸管流过的有效值为考虑到1 5 2倍的安全裕量 晶闸管的额定电流为选择满足要求的晶闸管 2 7有源逆变电路 1 什么是逆变 2 为什么要逆变 2 7 1逆变的概念 前面我们介绍的各种可控整流电路都工作在整流状态 是将交流电能变换成直流电提供给负载 逆变是把直流电转变成交流电 是整流的逆过程 是将直流电能变换成交流电回馈电网 上述的电路也可以工作在逆变状态 以三相全控桥式电路为例 这时电流Id仍保持与整流运行状态相同的流动方向 但Ud改变了极性 功率由直流侧流向可控整流电路的交流侧电网 三相可控整流电路的这种逆变模式的工作状态 只有如图所示在直流侧存在一个稳定的能源时才是有可能的 注意 两个电源的不能形成顺向串联 由三相桥构成的有源逆变电路 举例来说 这个稳定的能源可以是一个光电或风电发电系统所转换出来的电能 经过逆变电路变换成三相交流电再连接到统一的电网中去 逆变可以节能 提高系统性能的作用 如 有轨电车的制动 吊车的下放货物 电气可逆调速系统等 逆变按照负载是否为交流电源分为有源逆变和无源逆变 如果把变换器的交流侧接到交流电源上 把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去 称作有源逆变 如果变换器的交流侧不与电网连接 而直接接到普通负载 称作无源逆变 2 7 2三相桥式有源逆变电路 假设电感足够大 直流电流近似为一个恒定值 为直流反电势电感负载 为实现有源逆变必须使控制角 90 Ud为负 电源E极性与图中一致 并且有 无论在整流状态或逆变状态 晶闸管总是受正向电压时才能被触发导通 晶闸管的导电顺序不变 处于关断状态的晶闸管承受正向电压的时间比在整流运行时长 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形 逆变状态的控制角为逆变角 输出直流电压的平均值如果考虑变压器的漏抗 则有 输出直流电流的平均值亦可用整流的公式 即 每个晶闸管导通2 3 故流过晶闸管的电流有效值为从交流电源送到直流侧负载的有功功率为 当逆变工作时 故Pd为负值 表示功率由直流电源输送到交流电源 在三相桥式电路中 变压器二次侧线电流的有效值为 三相半波逆变电路工作过程演示 2 7 3逆变失败与最小逆变角的限制 1逆变失败可控整流电路在逆变运行时 外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路 或者使可控整流电路的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联 由于逆变电路的内阻很小 将出现极大的短路电流流过晶闸管和负载 这种情况称为逆变失败 或称为逆变颠覆 造成逆变失败的原因 1 触发电路工作不可靠 不能适时 准确地给各晶闸管分配触发脉冲 如脉冲丢失 脉冲延时等 2 晶闸管发生故障 器件失去阻断能力 或器件不能导通 3 交流电源异常 在逆变工作时 电源发生缺相或突然消失而造成逆变失败 4 换相裕量角不足 引起换相失败 应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角 晶闸管关断时间等因素的影响 交流侧电抗对逆变换相过程的影响 2最小逆变角 确定的方法最小逆变角 的大小要考虑以下因素 1 换相重叠角 此值随电路形式 工作电流大小 触发角的不同而不同 即根据逆变工作时 由于 越小 越大 考虑恶劣情况 设 2 晶闸管关断时间tq所对应的电角度 大的可达200 300 s 折算到电角度约4o 5o 3 安全裕量角 考虑到脉冲调整时不对称 电网波动 畸变与温度等影响 还必须留一个安全裕量角 一般取 为10左右 综上所述 最小逆变角为 为了可靠防止 进入 min区内 在要求较高的场合 可在触发电路中加一套保护线路 使 在减小时移不到 min区内 或在 min处设置产生附加安全脉冲的装置 万一当工作脉冲移入 min区内时 则安全脉冲保证在 min处触发晶闸管 防止逆变失败 2 8晶闸管触发电路 2 8 1晶闸管对触发电路的要求 触发电路除满足驱动电路的要求外 还应满足如下要求 1 触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步 2 触发脉冲应满足要求的移相范围 3 为满足三相全控桥的要求 触发电路应能输出双窄脉冲或宽脉冲 4 为满足反并联可逆电路的要求 触发电路应有 min min限制 2 8 2同步信号为锯齿波的触发电路 触发电路组成 1脉冲形成与放大环节脉冲形成环节由V4 V5构成 放大环节由V7 V8组成 控制电压uco加在V4基极上 触发脉冲由脉冲变压器TP二次输出 经整流提供 当V4的基极电压uco 0时 V4截止 E1电源通过R11提供给V5一个足够大的基极电流 使V5饱和导通 所以V5集电极电压接近于 E1 V7 V8处于截止状态 无脉冲输出 电源 E1经R9 V5的发射极到 E1对电容C3充电 充满后电容两端电压接近2E1 极性如图所示 当uco 0 7V时 V4导通 A点电位从 E1突降到1V 由于电容C3两端电压不能突变 所以V5基极电位也突降到 2E1 V5基射极反偏置 V5立即截止 它的集电极电压由 E1迅速上升到钳位电压2 1V时 使得V7 V8导通 输出触发脉冲 同时电容C3由 E1经R11 VD4 V4放电并反向充电 使V5基极电位逐渐上升 直到V5基极电位ub5 E1 V5又重新导通 这时V5集电极电压又立即降到 E1 使V7 V8截止 输出脉冲终止 可见 脉冲前沿由V4导通时刻确定 脉冲宽度由反向充电时间常数R11C3决定 2锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成电路由V1 V2 V3和C2等元件组成 其中V1 VS RP2和R3为一恒流源电路 当V2截止时 恒流源电流I1C对电容C2充电 所以C2两端的电压uC为uC按线性增长 即ub3按线性增长 调节电位器RP2 可以改变C2的恒定充电电流I1C 当V2导通时 因R4很小所以C2迅速放电 使得ub3电位迅速降到零伏附近 当V2周期性地导通和关断时 ub3便形成一锯齿波 射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响 V4基极电位由锯齿波电压 控制电压uco 直流偏移电压up三者叠加所定 它们分别通过电阻R6 R7 R8与V4基极连接 根据叠加原理 先设uh为锯齿波电压ue3单独作用在基极时的电压 其值为所以uh仍为锯齿波 但斜率比ue3低 同理 直流偏移电压up单独作用在V4基极时的电压为控制电压uco单独作用在V4基极时的电压为所以 仍为一条与up平行的直线 但绝对值比up小 仍为一条与uco平行的直线 但绝对值比uco小 当V4不导通时 V4的基极b4的波形由确定 当b4点电压等于0 7V后 V4导通 产生触发脉冲 改变uco便可以改变脉冲产生时刻 脉冲被移相 加up的目的是为了确定控制电压uco 0时脉冲的初始相位 以三相全控桥为例 当接反电势电感负载时 脉冲初始相位应定在 90 当uco 0时 调节up的大小使产生脉冲的M点对应 90 的位置 当uco为0 90 则输出电压为0 如uco为正值 M点就向前移 控制角 90 处于逆变状态 锯齿波的触发电路的工作波形 3同步环节同步环节是由同步变压器TS VD1 VD2 C1 R1和晶体管V2组成 同步变压器和整流变压器接在同一电源上 用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用 这就保证了触发脉冲与主电路电源同步 与主电路同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定 锯齿波是由开关管V2控制的 也就是由V2的基极电位决定的 同步电压uTS经二极管VD1加在V2的基极上 当电压波形在负半周的下降段时 因Q点为零电位 R点为负电位 VD1导通 电容C1被迅速充电 Q点电位与R点相近 故在这一阶段V2基极为反向偏置 V2截止 在负半周的上升段 E1电源通过R1给电容C1充电 其上升速度比uTS波形慢 故VD1截止 uQ为电容反向充电波形 当Q点电位达1 4V时 V2导通 Q点电位被钳位在1 4V 直到TS二次电压的下一个负半周到来 VD1重新导通 C1放电后又被充电 V2截止 如此循环往复 在一个正弦波周期内 包括截止与导通两个状态 对应锯齿波波形恰好是一个周期 与主电路电源频率和相位完全同步 达到同步的目的 可以看出锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的 4双窄脉冲形成环节触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60 的脉冲 称内双脉冲电路 而在触发器外部通过脉冲变压器的连接得到双脉冲称为外双脉冲 本触发电路属于内双脉冲电路 当V5 V6都导通时 V7 V8截止 没有脉冲输出 只要V5 V6有一个截止 就会使V7 V8导通 有脉冲输出 因此本电路可以产生符合要求的双脉冲 第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角 使V4由截止变导通造成V5瞬时截止 使得V8输出脉冲 隔60 的第二个脉冲是由后一相触发单元通过连接到引脚Y使本单元V6截止 使本触发电路第二次输出触发脉冲 其中VD4和R17的作用主要是防止双脉冲信号相互干扰 在三相桥式全控整流电路中 双脉冲环节的可按下图接线 六个触发器的连接顺序是 1Y 2X 2Y 3X 3Y 4X 4Y 5X 5Y 6X 6Y 1X 5强触发环节36V交流电压经整流 滤波后得到50V直流电压 经R15对C6充电 B点电位为50V 当V8导通时 C6经脉冲变压器一次侧R16 V8迅速放电 形成脉冲尖峰 由于有R15的电阻 且电容C6的存储能量有限 B点电位迅速下降 当B点电位下降到14 3V时 VD15导通 B点电位被15V电源钳位在14 3V 形成脉冲平台 C5组成加速电路 用来提高触发脉冲前沿陡度 6脉冲封锁二极管VD5阴极接零电位或负电位 使V7 V8截止 可以实现脉冲封锁 VD5用来防止接地端与负电源之间形成大电流通路 2 8 4触发电路的定相 初始脉冲是指Ud 0时 控制电压uco与偏移电压up为固定值条件下的触发脉冲 因此 必须根据被触发晶闸管阳极电压的相位 正确供给各触发电路特定相位的同步电压 才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲 这种选择同步电压相位以及得到要求的触发时刻的方法 称为触发电路的定相 现以三相全控桥为例说明定相的方法 晶闸管VT1的阳极与uu相接 VT1所接主电路电压为 uu 触发脉冲从0 至180 对应的范围为 t1 t2 采用锯齿波同步的触发电路时 同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点 通常使锯齿波的上升段为240 上升段起始的30 和终了段30 线性度不好 舍去不用 使用中间的180 所以取同步波 uu 三相桥整流电路大量用于直流电机调速系统 且通常要求可实现再生制动 使Ud 0时的触发角 为90 当 90 时为逆变工作 将 90 确定为锯齿波的中点 锯齿波向前向后各有90 的移相范围 0 对应于uu的30 的位置 说明VT1的同步电压应滞后于uu180 对于其他5个晶闸管 也存在同样的关系 即同步电压滞后于主电路电压180 因此一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法 即可选定每一个晶闸管的同步电压信号 同步变压器和整流变压器的接法及矢量图 同步电压的选取结果见表 为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰 可对同步电压进行R C滤波 当R C滤波器滞后角为60 时 同步电压选取结果见表 2 9晶闸管 直流电动机系统的机械特性 晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统习惯称为晶闸管 直流电动机系统 是电力拖动系统中主要的一种 也是可控整流装置的主要用途之一 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 本节主要分析由整流电路供电时电动机的工作情况 2 9 1工作于整流状态时 1电流连续时电动机的机械特性直流电机传动时负载就是反电势电感负载 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 电动机稳态时 虽然ud波形脉动较大 但由于电动机有较大的机械惯量 故其转速和反电动势都基本无脉动 此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均电流Id所引起的各种电压降所平衡 整流电压的交流分量则全部降落在电抗器上 整流电路直流电压的平衡方程为式中在负载电流连续的情况下 机械特性方程为 三相桥式全控整流电路电动机负载电流连续时的机械特性 2 电流断续时电动机的机械特性当电机工作在电感较小或负载较轻的情况下 电流要出现断续的现象 电流断续时电动机的机械特性呈现出非线性 变软 实际的空载反电动势远大于理想的空载反电动势 这使得理想空载转速升高 实际应用中 串平波电抗器使电动机在工作范围内保持在电流连续状态 提高直流电动机的机械特性硬度 串联电抗器的电感量决定着主