《相可控整流电路》PPT课件.ppt

第3章三相可控整流电路,3.1三相半波可控整流电路3.2三相桥式全控整流电路3.3整流电压的谐波分析3.4变压器漏抗对整流电路的影响3.5可控整流电路带反电势负载时的工作情况3.6大功率可控整流电路接线形式及其特点,本章内容:三相半波可控、三相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析及计算，整流电压的谐波分析，变压器漏抗对整流电路的影响，可控整流电路带反电势负载时的工作情况，大功率可控整流电路接线形式及其特点。学习要点:掌握三相半波、三相桥式全控整流电路在不同性质负载下的工作原理及波形分析，控制角移相范围，电流有效值、平均值的计算，对相位控制触发脉冲的基本要求。掌握整流电路的谐波分析。掌握变压器漏抗对整流电路的影响。了解可控整流电路带反电势负载时的工作情况。理解以带平衡电抗器的双反星性电路为代表的大功率整流电路工作原理。,本章学习内容与学习要点,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。,3.1三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3-1三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),动画演示,3.1三相半波可控整流电路,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3-1三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,a=30的波形（图3-2）特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。a30的情况（图3-3）特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120。,b),c),d),e),f),u,2,u,a,u,b,u,c,a,=0,O,w,t,1,w,t,2,w,t,3,u,G,O,u,d,O,O,u,ab,u,ac,O,i,VT,1,u,VT,1,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,动画演示,3.1三相半波可控整流电路,（3-1）,当a=0时，Ud最大，为。,(3-2),整流电压平均值的计算,a30时，负载电流连续，有：,a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,3.1三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。,图3-4三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,3.1三相半波可控整流电路,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,（3-3）,（3-4）,（3-5）,3.1三相半波可控整流电路,2）阻感负载,图3-5三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。a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。a30时（如a=60时的波形如图所示）。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。,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,动画演示,3.1三相半波可控整流电路,数量关系,由于负载电流连续，Ud可由式（3-1）求出，即,Ud/U2与a成余弦关系，如图3-4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，曲线3给出了这种情况的一个例子。,图3-3三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,3.1三相半波可控整流电路,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。,（3-6）,（3-7）,（3-8）,3.2三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3-6三相桥式全控整流电路原理图,导通顺序：VT1VT2VT3VT4VT5VT6,3.2三相桥式全控整流电路,1）带电阻负载时的工作情况,当a60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37）a=30（图38）a=60（图39）当a60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310）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120,3.2三相桥式全控整流电路,晶闸管及输出整流电压的情况如表3-1所示,请参照图37,3.2三相桥式全控整流电路,（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。,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。,3.2三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。,三相桥式全控整流电路的特点,a60时（a=0图311；a=30图312）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,3.2三相桥式全控整流电路,2)阻感负载时的工作情况,主要包括,a60时（a=90图313）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。,3.2三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a60时）的平均值为：,带电阻负载且a60时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为：Id=Ud/R,（3-9）,（3-10）,3.2三相桥式全控整流电路,当整流变压器为图3-6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3-12中所示，其有效值为：,（3-11）,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：,（3-12）,式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。,3.3整流电压的谐波分析,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。,3.3整流电压的谐波分析,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：,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,谐波分析基础,3.3整流电压的谐波分析,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3-14a=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的谐波分析。,整流输出电压谐波分析详见书P49,3.3整流电压的谐波分析,=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。,3.3整流电压的谐波分析,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3-15三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090变化时，ud的谐波幅值随增大而增大，=90时谐波幅值最大。从90180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。,ik=ib是逐渐增大的，而ia=Id-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断,换流过程结束。,3.4变压器漏抗对整流电路的影响,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，然后将其结论推广。,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3-16考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形,3.4变压器漏抗对整流电路的影响,换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度g表示。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平均值降低的多少。,（3-13）,（3-14）,3.4变压器漏抗对整流电路的影响,换相重叠角g的计算,由上式得：,进而得出：,（3-15）,（3-16）,（3-17）,3.4变压器漏抗对整流电路的影响,由上述推导过程，已经求得：,当时，于是,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a90时，越小g越大。,（3-18）,（3-19）,3.4变压器漏抗对整流电路的影响,变压器漏抗对各种整流电路的影响,表3-2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。,3.4变压器漏抗对整流电路的影响,变压器漏感对整流电路影响的一些结论:,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。,3.5可控整流电路带反电势负载时的工作情况引言,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。,3.5可控整流电路带反电势负载时的工作情况,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3-17三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3-17。,3.5可控整流电路带反电势负载时的工作情况,此时，整流电路直流电压的平衡方程为（3-20）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,3.5可控整流电路带反电势负载时的工作情况,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,（3-21）,可根据整流电路电压平衡方程式（3-20），得,（3-22）,（3-23）,图3-18三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。,3.5可控整流电路带反电势负载时的工作情况,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。,3.5可控整流电路带反电势负载时的工作情况,电流断续时电动机机械特性的特点：,图3-20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3-21考虑电流断续时不同a时反电动势的特性曲线1a460,3.6大功率可控整流电路引言,带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：适用于低电压、大电流的场合。多重化整流电路的特点：在采用相同器件时可达到更大的功率。可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰。,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,电路结构的特点,图3-22带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路。二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。与三相桥式电路相比，双反星形电路的输出电流可大一倍。,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,绕组的极性相反的目的：消除直流磁通势如图可知，虽然两组相电流的瞬时值不同，但是平均电流相等而绕组的极性相反，所以直流安匝互相抵消。,图3-23双反星形电路，=0时两组整流电压、电流波形,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,接平衡电抗器的原因：,当电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流。两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等。两个星形的中点n1和n2间的电压等于ud1和ud2之差。该电压加在Lp上，产生电流ip，它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流。为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp值足够大，以便限制环流在负载额定电流的1%2%以内。,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,双反星形电路中如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路：,只能有一个晶闸管导电，其余五管均阻断，每管最大导通角为60o，平均电流为Id/6。当=0o时，Ud为1.35U2，比三相半波时的1.17U2略大些。因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，极少采用。,平衡电抗器的作用：使得两组三相半波整流电路同时导电。对平衡电抗器作用的理解是掌握双反星形电路原理的关键。,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,平衡电抗器使得两组三相半波整流电路同时导电的原理分析：,图3-24平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形,图3-25平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况,平衡电抗器Lp承担了n1、n2间的电位差，它补偿了ub和ua的电动势差，使得ub和ua两相的晶闸管能同时导电。,时，ubua，VT6导通，此电流在流经LP时，LP上要感应一电动势up，其方向是要阻止电流增大。可导出Lp两端电压、整流输出电压的数学表达式如下：,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,原理分析(续)：,图3-24平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形,图3-25平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况,虽然，但由于Lp的平衡作用，使得晶闸管VT6和VT1同时导通。时间推迟至ub与ua的交点时，ub=ua，。之后ubub，电流才从VT6换至VT2。此时VT1、VT2同时导电。每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导电。,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,由上述分析以可得：,图3-24平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形,平衡电抗器中点作为整流电压输出的负端，其输出的整流电压瞬时值为两组三相半波整流电压瞬时值的平均值。波形如图3-24a。,（3-25）,谐波分析,分析详见P63-P64。ud中的谐波分量比直流分量要小得多，且最低次谐波为六次谐波。直流平均电压为：,u,u,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,=30、=60和=90时输出电压的波形分析,图3-26当=30、60、90时，双反星形电路的输出电压波形,分析输出波形时，可先求出ud1和ud2波形，然后根据式（2-98）做出波形(ud1+ud2)/2。输出电压波形与三相半波电路比较，脉动程度减小了，脉动频率加大一倍，f=300Hz。电感负载情况下，移相范围是90。电阻负载情况下，移相范围为120。,3.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为:Ud=1.17U2cos,将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下结论：三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相半波并联，且后者需用平衡电抗器。当U2相等时，双反星形的Ud是三相桥的1/2，而Id是单相桥的2倍。两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，ud和id的波形形状一样。,3.6.2多重化整流电路,概述：整流装置功率进一步加大时，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。,原理：按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流电路进行组合得到。