电力拖动自动控制系统直流调速张德祥整流电路PPT课件

目录 引言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 引言 整流电路 出现最早的电力电子电路 将交流电变为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 引言 本章内容 可控整流电路 工作原理 波形分析 基本数量关系 负载性质的影响变压器漏抗对整流电路的影响电容滤波的二极管整流电路整流电路的谐波和功率因数分析大功率场合的整流电路相位控制电路的驱动控制 2 1单相可控整流电路 交流侧接单相电源重点注意 工作原理 波形分析 定量计算 不同负载的影响 2 1 1单相半波可控整流电路1 带电阻负载的工作情况SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier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 图2 1单相半波可控整流电路及波形 2 1 1单相半波可控整流电路 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 基本数量关系直流输出电压平均值为 2 1 VT的a移相范围为180 这种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 2 1 1单相半波可控整流电路 2 带阻感负载的工作情况阻感负载的特点 电感对电流变化有抗拒作用 使得流过电感的电流不能发生突变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 分段进行分析计算对单相半波电路的分析可基于上述方法进行 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 2带阻感负载的单相半波电路及其波形 2 1 1单相半波可控整流电路 初始条件 t a id 0 求解式 2 2 并将初始条件代入可得其中当 t a时 id 0 代入式 2 3 并整理得 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 2 3 2 2 2 4 2 1 1单相半波可控整流电路 负载阻抗角j 触发角a 晶闸管导通角的关系若j为定值 a越大 在u2正半周L储能越少 维持导电的能力就越弱 越小若a为定值 j越大 则L贮能越多 越大 且j越大 在u2负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通的时间 ud中负的部分越接近正的部分 平均值Ud越接近零 输出的直流电流平均值也越小 图2 4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 2 1 1单相半波可控整流电路 为避免Ud太小 在整流电路的负载两端并联续流二极管当u2过零变负时 VDR导通 ud为零 此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断 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 续流期间ud为0 ud中不再出现负的部分数量关系若近似认为id为一条水平线 恒为Id 则有 2 5 2 6 2 1 1单相半波可控整流电路 2 7 2 8 单相半波可控整流电路的特点简单 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在于利用其简单易学的特点 建立起整流电路的基本概念 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 1 带电阻负载的工作情况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 图2 5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形 2 1 2单相桥式全控整流电路 数量关系 2 9 a角的移相范围为180 2 10 2 11 2 1 2单相桥式全控整流电路 2 14 不考虑变压器的损耗时 要求变压器的容量为S U2I2 2 12 2 13 2 1 2单相桥式全控整流电路 2 带阻感负载的工作情况为便于讨论 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 由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id 并不关断至 t a时刻 给VT2和VT3加触发脉冲 因VT2和VT3本已承受正电压 故两管导通 图2 6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 2 1 2单相桥式全控整流电路 VT2和VT3导通后 u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4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 2 15 晶闸管移相范围为90 晶闸管承受的最大正反向电压均为 晶闸管导通角 与a无关 均为180 和 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 2 1 2单相桥式全控整流电路 3 带反电动势负载时的工作情况在 u2 E时 才有晶闸管承受正电压 有导通的可能导通之后 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 2 16 在a角相同时 整流输出电压比电阻负载时大 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 2 1 2单相桥式全控整流电路 如图2 7b所示id波形在一周期内有部分时间为0的情况 称为电流断续 与此对应 若id波形不出现为0的点的情况 称为电流连续 当时 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 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 2 1 2单相桥式全控整流电路 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 用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同 ud的计算公式亦一样为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出 2 17 2 1 3单相全波可控整流电路 图2 8单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器 电流连续的临界情况 2 1 3单相全波可控整流电路 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 2 1 3单相全波可控整流电路 两者的区别 1 单相全波中变压器结构较复杂 绕组及铁芯对铜 铁等材料的消耗多 2 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为 是单相全控桥的2倍 3 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 2 3 考虑 单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用 2 1 4单相桥式半控整流电路 单相全控桥中 每个导电回路中有2个晶闸管 为了对每个导电回路进行控制 只需1个晶闸管就可以了 另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 2 1 4单相桥式半控整流电路 半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同单相半控桥带阻感负载的情况假设负载中电感很大 且电路已工作于稳态在u2正半周 触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲 u2经VT1和VD4向负载供电u2过零变负时 因电感作用使电流连续 VT1继续导通 但因a点电位低于b点电位 使得电流从VD4转移至VD2 VD4关断 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 则向VT1加反压使之关断 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 2 1 4单相桥式半控整流电路 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 1 4单相桥式半控整流电路 单相桥式半控整流电路的另一种接法相当于把图2 4a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 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 负载容量较大 或要求直流电压脉动较小 易滤波时用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1 电阻负载电路的特点 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 2 2 1三相半波可控整流电路 假设将电路中的晶闸管换作二极管 成为三相半波不可控整流电路 此时 相电压最大的一个所对应的二极管导通 并使另两相的二极管承受反压关断 输出整流电压即为该相的相电压一周期中 在wt1 wt2期间 VD1导通 ud ua在wt2 wt3期间 VD2导通 ud ub在wt3 wt4期间 VD3导通 ud uc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 2 2 1三相半波可控整流电路 a 0 时的工作原理分析 波形图 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 第1段 VT1导通期间 为一管压降 可近似为uT1 0第2段 在VT1关断后 VT2导通期间 uT1 ua ub uab 为一段线电压第3段 在VT3导通期间 uT1 ua uc uac为另一段线电压增大a值 将脉冲后移 整流电路的工作情况相应地发生变化 2 2 1三相半波可控整流电路 a 30 时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态 图2 13三相半波可控整流电路 电阻负载 a 30 时的波形 a 30 的情况特点 负载电流断续 晶闸管导通角小于120 图2 14三相半波可控整流电路 电阻负载 a 60 时的波形 电阻负载时a角的移相范围为150 2 2 1三相半波可控整流电路 整流电压平均值的计算 1 a 30 时 负载电流连续 有当a 0时 Ud最大 为 2 a 30 时 负载电流断续 晶闸管导通角减小 此时有 2 18 2 19 2 2 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 负载电流平均值为 2 20 晶闸管承受的最大反向电压 由图2 13e不难看出为变压器二次线电压峰值 即 2 20 由于晶闸管阴极与零点间的电压即为整流输出电压ud 其最小值为零 而晶闸管阳极与零点间的最高电压等于变压器二次相电压的峰值 因此晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于变压器二次相电压的峰值 即 2 22 2 2 1三相半波可控整流电路 2 阻感负载特点 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 由VT2导通向负载供电 同时向VT1施加反压使其关断 ud波形中出现负的部分阻感负载时的移相范围为90 2 2 1三相半波可控整流电路 数量关系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 则当a 30 后 ud中负的部分减少 Ud略为增加 Ud U2与a的关系将介于曲线1和2之间变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为 2 23 晶闸管的额定电流为 2 24 晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值 2 25 2 2 1三相半波可控整流电路 图2 16中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 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 2 2 2三相桥式全控整流电路 应用最为广泛共阴极组 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 编号 1 3 5 4 6 2 图2 17三相桥式全控整流电路原理图 2 2 2三相桥式全控整流电路 1 带电阻负载时的工作情况a 0 时的情况假设将电路中的晶闸管换作二极管进行分析对于共阴极阻的3个晶闸管 阳极所接交流电压值最大的一个导通对于共阳极组的3个晶闸管 阴极所接交流电压值最低 或者说负得最多 的导通任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态 图2 18三相桥式全控整流电路带电阻负载a 0 时的波形 2 2 2三相桥式全控整流电路 从相电压波形看 共阴极组晶闸管导通时 ud1为相电压的正包络线 共阳极组导通时 ud2为相电压的负包络线 ud ud1 ud2是两者的差值 为线电压在正半周的包络线直接从线电压波形看 ud为线电压中最大的一个 因此ud波形为线电压的包络线 表2 1三相桥式全控整流电路电阻负载a 0 时晶闸管工作情况 2 2 2三相桥式全控整流电路 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 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 2 2 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 一种是宽脉冲触发另一种是双脉冲触发 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 2 2 2三相桥式全控整流电路 a 30 时的工作情况 波形图 区别在于 晶闸管起始导通时刻推迟了30 组成ud的每一段线电压因此推迟30 从wt1开始把一周期等分为6段 ud波形仍由6段线电压构成 每一段导通晶闸管的编号等仍符合表2 1的规律变压器二次侧电流ia波形的特点 在VT1处于通态的120 期间 ia为正 ia波形的形状与同时段的ud波形相同 在VT4处于通态的120 期间 ia波形的形状也与同时段的ud波形相同 但为负值 2 2 2三相桥式全控整流电路 a 60 时工作情况ud波形中每段线电压的波形继续后移 ud平均值继续降低 a 60 时ud出现为零的点 图2 20三相桥式全控整流电路带电阻负载a 60 时的波形 2 2 2三相桥式全控整流电路 当a 60 时 如a 90 时电阻负载情况下的工作波形如图2 21所示 图2 21三相桥式全控整流电路带电阻负载a 90 时的波形 2 2 2三相桥式全控整流电路 小结当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 也连续当a 60 时 ud波形每60 中有一段为零 ud波形不能出现负值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 2 2 2三相桥式全控整流电路 2 阻感负载时的工作情况a 60 时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等都一样区别在于 由于负载不同 同样的整流输出电压加到负载上 得到的负载电流id波形不同 阻感负载时 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 2 2 2三相桥式全控整流电路 图2 22三相桥式全控整流电路带阻感负载a 0 时的波形 图2 23三相桥式全控整流电路带阻感负载a 30 时的波形 2 2 2三相桥式全控整流电路 a 60 时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 而阻感负载时 由于电感L的作用 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 图2 24三相桥式整流电路带阻感负载 a 90 时的波形 2 2 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 2 26 2 27 2 2 2三相桥式全控整流电路 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 为正负半周各宽120 前沿相差180 的矩形波 其有效值为 2 28 晶闸管电压 电流等的定量分析与三相半波时一致 三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时 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 仅在计算Id时有所不同 接反电势阻感负