电力电子 三相可控整流

三相可控整流 电感负载 2020 4 12 1 1 第12讲 第三章2 主要内容 1 电感负载下的三相半波可控整流1 三相半波可控整流 共阴 2 三相半波可控整流 共阳 2 三相桥式可控整流1 三相桥式可控整流电路的形成2 三相桥式可控整流电路3 三相半桥可控整流电路 2020 4 12 1 2 三相半波可控整流 电感负载 如果负载是大电感性的 L值很大时 整流输出电流基本是连续平直的 流过晶闸管的电流近似为矩形波形 2020 4 12 1 3 在大电感负载下 只要输出整流电压不为零 每相晶闸管均导通120 与控制角 无关 其电流波形为方波 2020 4 12 1 4 1 0 30 区 1 在0 30 区 ud波形不会出现负值 如图所示 而电流id波形为方波 图中还给出了电流id是由id1 id3 id5组成 2020 4 12 1 5 分别说来 20 输出电压波形 如图所示 在该区间 输出电压不出现负值 假定电路已经稳定 在自然换相点1后 A相电压最高 在 t1时触发脉冲加到A相的晶闸管DT1上 DT1导通 输出电压 ud1 ua 图中的红色 2020 4 12 1 6 在 t2时触发脉冲加到B相的晶闸管DT3上 当DT3导通后 输出电压 ud3 ub 黄色 2020 4 12 1 7 在 t3时触发脉冲加到C相的晶闸管DT5上 当DT5导通后 输出电压 ud5 uc 绿色 在一个周期中输出电压是三相相电压的叠加 ud ud1 ud3 ud5 ua ub uc 2020 4 12 1 8 输出电流波形 电流波形为方波 分别由iD1和iD3和iD5组成 电流id iD1 iD3 iD5 2020 4 12 1 9 2 30 90 区 30 90 区ud波形出现负值 平均电压下降 但Ud为正值 见下图我们分析如下 2020 4 12 1 10 我们分析如下 假定电路已经稳定 晶闸管DT5导通 输出电压ud5 uc在自然换相点1后30度交流电过零时 由于电感存在的原因 晶闸管DT5维持导通状态 输出电压仍为ud5 uc在自然换相点1后60度 t1 时触发晶闸管DT1导通 其关断前面导通的晶闸管DT5 输出电压ud1 ua 在该相电压ua过零时 由于电感的续流作用 晶闸管DT1并不关断 输出电压出现负值 电感提供能量 输出电压ud1 ua ua为负值 2020 4 12 1 11 在 t2时触发晶闸管DT3导通 关断前面导通的晶闸管DT1 输出电压ud ub 同样在该相电压ub过零时 由于电感提供能量 晶闸管DT3并不关断 输出电压ud也出现负值 2020 4 12 1 12 在 t3时触发晶闸管DT5导通 关断前面导通的晶闸管DT5 输出电压ud uc 同样在该相电压uc过零时 由于电感的续流作用 晶闸管DT5并不关断 输出电压ud也出现负值 2020 4 12 1 13 但由于每一个晶闸管导通中都有一个负值区 最后输出平均电压Ud下降 但输出直流平均电压Ud仍保持正值 2020 4 12 1 14 在交流电过零后靠什么来维持晶闸管导通呢 这是由于电感L的作用 当负载电流变化时 电感两端电压uL就由感应电势eL来决定 当负载电流从小变大时 感应电势来阻碍电流的增大 当负载电流从大变小时 感应电势来阻碍电流的减小 2020 4 12 1 15 当负载电流变化时 电感两端电压uL就由感应电势eL来决定 当负载电流从大变小时 感应电势来阻碍电流的减小 其感应电压的方向是下正上负 2020 4 12 1 16 这样 即使电源电压过零变负 由于感应电势的作用 当电压降低 减小时 感应电势的方向是阻碍电流减小 只要电感L足够大 既使电源电压过零后 晶闸管承受的电压仍然正向电压 而维持导通 2020 4 12 1 17 另外 尽管 30 波形出现带电感负载的三相半波可控整流负面积 但只要正面积大于负面积 其平均值不等于零 电流仍可连续平稳 虽然整流电压的脉动大 出现负值 但电流的脉动却很小 整流输出电流基本不变 2020 4 12 1 18 DT1承受电压的情况如下 2020 4 12 1 19 对晶闸管DT1来说 分别承受三段电压 1 导通段 UDT1为零 2 DT3导通段 UDT1为线电压uab 3 DT5导通段 UDT1为线电压uac 2020 4 12 1 20 只要电感量足够大 导通的晶闸管就会维持到下一个晶闸管 下一相 触发导通 当下一相的晶闸管导通时 就使原来导通的晶闸管承受反向电压而关断 我们称强迫关断 也称为换相 2020 4 12 1 21 当 90 时 的正负面积相等 因而电感负载下的整流电路要求的移相范围是0 90 2020 4 12 1 22 电流连续时计算公式 平均电压ud与 成余弦关系 显见和电阻负载的的计算公式在0 30 时的公式是相同的 2020 4 12 1 23 2020 4 12 1 24 有没有办法来消除电压波形中的负面积 联想单相可控整流电路中的续流二极管 在这里当然可以采用 2020 4 12 1 25 大电感负载接续流二极管 为了扩大移相范围 并使负载电感更平稳 可在电感负载的两端接续流二极管D 续流二极管D的出现 输出直流电压的波形中不会再有负值 与电阻负载的波形一样 2020 4 12 1 26 在0 30 在0 30 度时 电源电压均为正值 波形连续 续流二极管不起作用 2020 4 12 1 27 在30 150 区 当30 150 时 电源电压出现过零变化时 续流二极管及时导通 为负载提供续流回路 则晶闸管承受反压而关断 由于晶闸管过零关断 输出电压不会出现负值 2020 4 12 1 28 续流二极管起作用时 每个晶闸管导通角为 t 150 二极管D的导通角为 d 3 30 2020 4 12 1 29 有续流二极管时的计算 2020 4 12 1 30 2020 4 12 1 31 2020 4 12 1 32 逆变区 90 区 ud波形出现的负值面积大于正值的面积 平均电压Ud下降 为负值 这一区域 可以提供了逆变的条件之一 负电压 这一点在以后的章节中加以描述 2020 4 12 1 33 共阳极三相半波可控整流电路 三相半波整流电路中除了上面介绍的共阴极接法外 还有一种把三只晶闸管阳极联接在一起 而三个阴极分别接到三相电源上去 如图的电路 称为共阳极的接法 2020 4 12 1 34 共阳极电路的特点 1 由于三个阳极联结在一起 等电位 可以把三只晶闸管的阳极固定在一块大的散热片上 散热效果好 安装方便 原因是螺旋式晶闸管的阳极接散热片 2 触发电路要严格隔离 我们知道 晶闸管工作是在阳极电位高于阴极电位时 即阳极承受正相电压时由触发信号才能导通 也就是说 三只晶闸管各在交流电负半周才能触发导通 2020 4 12 1 35 三相交流电的自然换相点分别为2 4 6 2点 而且换相点总是换到阴极更负的那一相去 2020 4 12 1 36 在自然换相点2处 C相电位开始更负一些 但没有触发脉冲 原来B相的晶闸管继续导通 过 30度时 在 t2时刻触发C相晶闸管DT2导通 输出整流电压瞬时值ud uc 这时晶闸管DT4承受线电压uca 2020 4 12 1 37 DT2导通使DT6立即承受到线电压ucb而关断 电路输出从B相移相到C相 实现一次换相 输出电压的瞬时值 ud uc 2020 4 12 1 38 在自然换相点4处 A相电位开始更负一些 但没有触发脉冲到来 DT4不能导通 原来C相导通的晶闸管DT2继续导通 到 30度时 在 t4时刻触发A相晶闸管DT4导通 输出整流电压瞬时值ud ua 这时晶闸管DT4两端只有饱合压降 2020 4 12 1 39 在自然换相点6处 B相电位开始更负一些 但没有触发脉冲到来 原来A相导通的晶闸管DT4继续导通 到 30度时 在 t6时刻触发B相晶闸管DT6导通 输出整流电压瞬时值ud ub 这时晶闸管DT4立即承受线电压uba而关断 电路输出A相移到B相 2020 4 12 1 40 显见 共阳极接法的波形情况与共阴极接法相位仅是输出极性相反 电感负载时共阳极整流电压与 的关系为 Ud 1 17U2cos 电路各电量的计算与共阳极接法相同 2020 4 12 1 41 显见 共阳极接法的波形情况与共阴极接法相位仅是输出极性相反 电感负载时共阳极整流电压与 的关系为 Ud 1 17U2cos 0 30 电流不连续时 2020 4 12 1 42 作业 4 已知三相半波可控整流电路电感负载 L 0 2H R 2 U2 220伏 试求当 角为60 时 画出接续流二极管和不接续流二极管时的输出电压波形和晶闸管DT1两端的波形 并计算这两种情况下的负载电流Id 2020 4 12 1 43 三相桥式整流电路分析 2020 4 12 1 44 第十三讲 1 三相半波整流电路特点 三相半波可控整流电路 不管是共阴极接法还是共阳极接法 都只用三只晶闸管 接线简单 一个周期输出电压有三个波头 波动频率为150HZ 但要输出同样的Ud 晶闸管承受的正反向峰值电压大 另外变压器二次绕组 在交流电一个周期中每相仅导通120度 电流是单方向 所以 存在直流磁化问题 为了防止磁饱和 要加大铁芯截面积 增大损耗 还有直流输出的电流要流入电网的零线 引起额外的损耗 特别要加大零线的截面积 2020 4 12 1 45 上述缺点使三相半波整流电路多用在一般中等偏小容量的设备上 为了克服上述缺点 可利用共阴接法与共阳极接法对同一台整流变压器二次绕组相反的作用特点 克服直流磁化作用 2020 4 12 1 46 2 三相全控桥整流电路组成 如果两电路 两台电动机 的参数一样 要求调压移相的控制角 也一样 两组电路各自独立工作 但由于两组中流过中线的电流方向相反 大小相等 所以中线合成电流为零 这个电路我们看到了一个问题 中线上合成电流为零 我们将中线取消 也不会影响工作 如果将两组负载合并 就构成三相桥式整流电路 2020 4 12 1 47 三相全控桥整流电路 工业上应用的三相桥式电路就是由三相半波电路发展起来的 三相全控桥整流电路一般用于直流电动机 或要有能实现有源逆变的电路负载 为了改善电流波形 有利于直流电动机换相及减小火花 一般要串入电感量足够大的平波电抗器 这就等同于大电感负载 2020 4 12 1 48 DT1 DT3 DT5接成共阴极电路 DT2 DT4 DT6接成共阳极电路 A相电源供给DT1和DT4 DT1在正半周导通 而DT4在负半周导通B相电源供给DT3和DT6 DT3在正半周导通 而DT6在负半周导通C相电源供给DT5和DT2 DT5在正半周导通 而DT2在负半周导通 2020 4 12 1 49 三相全控桥电路为三相共阴组和三相共阳组的串联 且控制角 完全相同 因此 整流输出电压是三相半波的两倍 Ud 2 1 17U2cos 很显然 三相全桥用晶闸管要求的最大正反向电压比三相半波线路中的晶闸管低一半 2020 4 12 1 50 3 全桥式电路 0处工作原理分析 2020 4 12 1 51 三相全控桥整流的工作原理 为了搞清楚 变化时各晶闸管的导通规律性 并分析输出波形的变化 图3 12中给出了的情况 要求六路触发脉冲信号先后向各自所控制的晶闸管的门极送信号 共阴极组在三相电源相电压正半周的1 3 5点处分别触发晶闸管DT1 DT3 DT5 而共阳组在三相电源相电压负半周的2 4 6点处分别触发晶闸管DT2 DT4 DT6 2020 4 12 1 52 共阴极组的输出电压ud1为三相交流电源相电压正半周的包络线 共阳组的输出电压ud2为三相交流电源相电压负半周的包络线 2020 4 12 1 53 而三相全桥的输出电压ud ud1 ud2所得 即由三相电源线电压uab uac ubc uba uca ucb 的正半周所组成的包络线 2020 4 12 1 54 各相电压的交点处 1 共阴极在1 3 5 1点2 共阳极在2 4 6 2点3 三相全控桥六只晶闸管DT1 DT6的在1 2 3 4 5 6 1点上移相 角换相 也就是六只晶闸管控制角 的起始点 2020 4 12 1 55 各线电压的交点处1 2 3 4 5 6 1就是三相全控桥六只晶闸管DT1 DT2 DT3 DT4 DT5 DT6的控制角 的起始点 也就是说 从自然换相点1开始 共阴极晶闸管DT1开始承受正向压降 可以控制其导通了 自然换相点1对应的DT1晶闸管的 角度为零度 其它所有的自然换相点都对应一个晶闸管的 角度为零 2020 4 12 1 56 为了便于分析 我们把一个周期分成六个部分 一个部分一个部分来描述电路的工作情况 2020 4 12 1 57 设电路已稳定工作 在自然换相点1前DT5和DT6工作 输出电压 共阴极为uc 共阳极为ub 负载上总电压为 ud uc ub ucb 2020 4 12 1 58 在1区 A相电位最高 这时共阴组的晶闸管DT1被触发导通 B相的电位最低 共阳组的晶闸管DT6被触发保持导通 电流由变压器A相经DT1流向负载 又经DT6流入变压器B相 整流变压器A相和B相线圈工作 DT1导通输出电压uaDT6导通输出电压ubDT1导通 关断原来导通的管子DT5 实现一次换相 2020 4 12 1 59 设A相绕组提供是电流给共阴极组为正 那么共阳极流入B相绕组的电流为负 这一区间 DT1和DT6工作 输出电压 ud ud1 ud2 ua ub uabDT1导通 其管压降为零 2020 4 12 1 60 在2区 A相电位仍最高 DT1继续导通 C相的电位最低 共阳组C相上的晶闸管DT2被触发导通 使DT6承受的反压被强迫关断 这区间负载电流由变压器A相经DT1流向负载 又经DT2流入变压器C相 A相绕组流出电流给共阴极组为正 共阳极流入B相绕组的电流为负 输出电压 ud ud1 ud2 ua uc uacDT1导通 管压降为零 2020 4 12 1 61 在3区电源B相电位变得最高 在DT3自然换相点处触发共阴组的晶闸管DT3导通 C相的电位仍最低 共阳组C相上的晶闸管DT2继续导通 这区间负载电流由A相换到了B相流出 经DT3流向负载 又经DT2流入变压器C相 输出电压 ud ud1 ud2 ub uc ubcDT3导通 使DT1承受反压uab被强迫关断 2020 4 12 1 62 在4区 A相电位最低 在DT4自然换相点处触发共阳组DT4 DT4导通B相正半周自然最高 DT3继续导通 负载电流从B相经负载流向A相 整流变压器B相 A相工作 输出电压 ud ud1 ud2 ub ua ubaDT4导通 使DT2承受反向电压uca 强迫关断DT2 DT3导通 使DT1承受反压uab强迫关断 2020 4 12 1 63 在5区 在该段A相电位仍最低 DT4仍继续导通 C相电位最高 在 t5处触发DT5晶闸管 DT5导通 强迫关断DT3 负载电流从B相换到C相 负载电流从C相流出经负载到A相流入 整流变压器C相A相两相工作 输出电压 ud ud1 ud2 uc ua ucaDT5导通 使DT3承受反向电压ubc 强迫关断DT3 DT5导通使DT1承受反压uac保持关断 2020 4 12 1 64 在6区 C相电位最高 DT5仍继续导通 B相电位最低 在 t6处触发DT6导通 关断DT4 负载电流从A相换到B相 电流从C相流出 经过负载 从B相流入整流变压器 C相B相两相工作 输出电压ud ud1 ud2 uc ub ucbDT6导通 使DT4承受反向电压uba 强迫关断DT4 DT5导通使DT1承受反压uac保持关断 2020 4 12 1 65 此后 A相电位最高 在处触发DT1 DT1导通 强迫关断晶闸管DT5 B相电位最低 DT6仍然导通 负载电流从C相换到A相 电流从A相出发 经负载流入变压器B相 整流变压器A相和B相两相工作 输出电压ud ud1 ud2 ua ub uabDT1导通段 管压降为零 该段是1区的重复 2020 4 12 1 66 我们分析了三相桥式可控整流电路 每一段输出一个线电压 在一个周期中出现6个电压波头 输出电压的线电压有 2020 4 12 1 67 晶闸管导通的顺序 三相全控桥整流电路中 六个晶闸管导通的顺序是 DT6 DT1 DT1 DT2 DT2 DT3 DT3 DT4 DT4 DT5 DT5 DT6 DT6 DT1共阴极组 DT1 DT3 DT5 DT1共阳极组 DT2 DT4 DT6 DT2每个晶闸管导通120度 每隔60度有一管换相 2020 4 12 1 68 三相桥输出的是变压器二次线电压的整流电压波形 是相对于零点的输出应是两相相减后的波形 即线电压波形 如波头 Uab Uac Uba Ubc Uca Ucb 均为线电压的一部分 输出是一直流电压 波头是六段线电压的包络线 三相桥的控制角 仍从自然换相电算起 因为线电压的交点与相电压的交点在同一相位上 故线电压的交点同样是自然换相点 三相桥整流输出电压在交流电一个周期内脉动6次 6个波头 脉动频率是 6 50 300hz 比三相半波时高了一倍 2020 4 12 1 69 晶闸管承受的电压情况 0时 晶闸管DT1承受的电压波形见图3 19 我们知道 电路在任何瞬间都有两臂的器件导通 其余四个臂的器件均承受反向电压 DT1 DT6导通则DT3承受反向电压uba DT2承受反向电压ubc DT5承受反向电压uca 2020 4 12 1 70 图3 19的uDT1仅给出DT1管承受反向压的情况 其它共阴极管子承受电压的情况与DT1管子的波形一样 只是相位相差120度而已 我们再看一下DT1承受电压的情况 DT1导通 仅有正向饱和压降很小 2020 4 12 1 71 DT3导通 DT1承受反向线电压Uab 2020 4 12 1 72 DT5导通 DT1承受反向电压Uac 2020 4 12 1 73 同理 也可以画出其它各晶闸管承受电压的图 其与DT1晶闸管承受反向电压的情况一样 只不过相位不同 承受反向电压不同罢了 2020 4 12 1 74 DT3承受电压的情况 1 导通段只有饱合压降 2 DT5导通 则DT3承受反相电压ubc2 DT1导通 则DT3承受反相电压uba 2020 4 12 1 75 DT5承受电压的情况 1 导通段只有饱合压降 2 DT1导通 则DT5承受反相电压uca2 DT3导通 则DT5承受反相电压ucb 2020 4 12 1 76 过程小结 从上述三相桥式整流电路的工作过程中可以看出 1 三相桥式