第三章 整流电路

第三章整流电路 整流电路的分类 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 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向 又分为单拍电路和双拍电路 整流电路 出现最早的电力电子电路 将交流电变为直流电 3 1单相可控整流电路 一 单相半波可控整流电路二 单相全波可控整流电路三 单相桥式全控整流电路四 单相桥式半控整流电路 图2 1单相半波可控整流电路及波形 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 ud导通角 晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度 用 表示 移相范围 使整流电压平均值ud从最大值变到0时对应的 角的变化范围 VT的 移相范围为180 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式 简称相控方式 基本数量关系 直流输出电压平均值为 图2 2带阻感负载的单相半波电路及其波形 阻感负载的特点 电感对电流变化有抗拒作用 使得流过电感的电流不发生突变 2 带阻感负载的工作情况 输出电压的平均值 续流二极管 图2 4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 当u2过零变负时 VDR导通 ud为零 VT承受反压关断 ud无负值 L储存的能量保证了电流id在L R VDR回路中流通 此过程通常称为续流 Id波形连续且接近一条直线 数量关系 id近似恒为Id VT的 移相范围为180 简单 易调整 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 为防止铁芯饱和 须增大铁芯截面积 造成设备容量大 主要适用于小容量场合 单相半波可控整流电路的特点 二 单相全波可控整流电路 单相全波可控整流电路 又称单相双半波可控整流电路 图2 9单相全波可控整流电路及波形 单相全波电路的特点 需配备有中心抽头的变压器 结构复杂 材料的消耗多 二次绕组利用效率不高 单相全波用两个晶闸管 比单相半波电路多了一个 晶闸管承受的最大电压是单相半波电路的两倍 整流输出电压Ud增加一倍 变压器铁芯无直流磁化 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 有利于在低输出电压的场合应用 1 带电阻负载的工作情况 a 工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂 在u2正半周承受电压u2 得到触发脉冲即导通 当u2过零时关断 VT2和VT3组成另一对桥臂 在u2正半周承受电压 u2 得到触发脉冲即导通 当u2过零时关断 电路结构 三 单相桥式全控整流电路 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 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 由上两式得 不考虑变压器的损耗时 要求变压器的容量S U2I2 u 图2 6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 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 2 带阻感负载的工作情况 数量关系 晶闸管移相范围为90 晶闸管导通角 与a无关 均为180 电流的平均值和有效值 变压器二次侧电流i2的波形为正负各180 的矩形波 其相位由a角决定 有效值I2 Id 晶闸管承受的最大正反向电压均为 图2 7单相桥式全控整流电路接反电动势 电阻负载时的电路及波形 在 u2 E时 才有晶闸管承受正电压 有导通的可能 在a角相同时 整流输出电压比电阻负载时大 导通之后 ud u2 直至 u2 E id即降至0使得晶闸管关断 此后ud E 与电阻负载时相比 晶闸管提前了电角度 停止导电 称为停止导电角 3 带反电动势负载时的工作情况 当 d时 触发脉冲到来时 晶闸管承受负电压 不可能导通 图2 7b单相桥式全控整流电路接反电动势 电阻负载时的波形 触发脉冲有足够的宽度 保证当wt d时刻有晶闸管开始承受正电压时 触发脉冲仍然存在 这样 相当于触发角被推迟为d 如图2 7b所示id波形所示 负载为直流电动机时 如果出现电流断续 则电动机的机械特性将很软 为了克服此缺点 一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器 这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同 ud的计算公式也一样 为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出 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 9单相桥式半控整流电路 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 四 单相桥式半控整流电路 单相半控桥带阻感负载的情况 在u2正半周 u2经VT1和VD4向负载供电 u2过零变负时 因电感作用电流不再流经变压器二次绕组 而是由VT1和VD2续流 在u2负半周触发角a时刻触发VT3 VT3导通 u2经VT3和VD2向负载供电 u2过零变正时 VD4导通 VD2关断 VT3和VD4续流 ud又为零 续流二极管的作用 避免可能发生的失控现象 在电路中 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异常现象称为失控 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 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 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 此电路两VT的触发电路需隔离 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 一 三相半波可控整流电路二 三相桥式全控整流电路三 三相桥式半控整流电路 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 3 2三相可控整流电路 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 电阻性负载 自然换相点 a 一 三相半波可控整流电路 相电压的交点为自然换相点 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 13三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a 30 时的波形 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 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 基本数量关系 Ud U2随a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 移相范围为150 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 u d i a u a u b u c i b i c i d u ac O w t O w t O O w t O O w t a w t w t 2 阻感负载 数量关系 由于负载电流连续 Ud可由式 2 18 求出 即 Ud U2与a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 Ud U2与a的关系将介于曲线1和2之间 如曲线3 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 故移相范围为90 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 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 二 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 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 晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示 电路特点 1 两晶闸管同时通形成供电回路 其中共阴极组和共阳极组各一个 且不能为同一相器件 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 4 需保证同时导通的两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 3 ud一周期脉动六次 每次脉动的波形都一样 故该电路为六脉波整流电路 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 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 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 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a 60 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 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 电路工作特点 共阴极组晶闸管必须触发才能换流 共阳极组二极管总是在自然换相点换流 图3 27三相桥式半控整流电路 三 三相桥式半控整流电路 所以 一周期中仍然换流六次 三次为自然换流 其余三次为触发换流 1 电阻性负载 图3 28三相桥式半控整流电路阻性负载时的波形 图3 29三相桥式半控整流电路阻性负载时的波形 定量分析 当整流输出电压连续时 a 60 时 的平均值为 当整流输出电压断续时 a 60 整流电压平均值为 2 电感性负载 图3 30三相桥式半控整流电路感性负载时的波形 图3 31三相桥式半控整流电路感性负载时的波形 与单项半控桥一样存在失控问题 一般也通过负载两端并联续流二极管解决 接续流二极管后波形与电阻性负载相同 公式也一样 三相半控桥与三相全控桥的比较 电路结构和触发方式不同输出电压波形不同触发电路要求不同用途不同 Ib ik Id而ia Id ik 0当ik增大到等于Id时 ia 0 VT1关断 换流过程结束 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 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2 25考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形 3 3变压器漏感对整流电路的影响 一 原理 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平均值降低的部分 阴影部分面积 二 换相压降与换相重叠角 换相重叠角g的计算 换相重叠角 换相过程持续的时间 用电角度g表示 两边积分 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a 90 Id XB一定时 越小g越大 变压器漏抗对各种整流电路的影响 表2 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 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 三 变压器漏感对整流电路影响的一些结论 3 4有源逆变原理 一 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 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4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 二直流发电机 电动机系统电能的转换 图2 44直流发电机 电动机之间电能的转换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 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 三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 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 外部条件 晶闸管的控制角 2 使Ud为负值 内部条件 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 注意 3 5三相有源逆变电路 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 三相半波逆变电路输出电压及VT1两端电压波形 不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形 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 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 每个晶闸管导通2p 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 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 在三相桥式电路中 变压器二次侧线电流的有效值为 3 6逆变失败与最小逆变角的限制 一 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 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 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 二 最小逆变角bmin的确定 逆变时允许采用的最小逆变角应等于 换相重叠角的确定查阅有关手册 例 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 一 工作于整流状态 3 7晶闸管直流电动机系统 此时 整流电路直流电压的平衡方程为式中 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 以电流连续时为例 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 图2 52电动机在四象限中的机械特性 二 工作于有源逆变状态 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 三 直流可逆电力拖动系统 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