第三章三相可控整流电路ppt.ppt

第三章,三相可控整流电路,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,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。,三相可控整流电路引言,看一下利用二极管作整流元件的不可控整流电路。变压器原边接成三角形，副边接成星形，副边有一个公共零点“0”，它与负载一端相联，所以三相半波电路又称三相零式电路。虚线画出相电压ua、ub、uc对零点的电压波形，它们相位各差120。并画出了副边线电压uab、uac波形。,2.2.1三相半波可控整流电路,首先补充介绍三相半波不可控整流电路,二极管在阳极电压高于阴极电压时导通，相反情况下阻断。因此只有在相电压的瞬时值为正时，整流二极管才可能导通。由于二极管的阴极连在一起作为输出，因此，在三个二极管中，只有正电压最高的一相所接的二极管才能导通，其余两只必然受到反压而被阻断。,关于“三相半波不可控整流电路”的分析(依前图),例如，在t=30-150区间，a相的正电压ua最高，与a相相连的VD1导通，VD1导通后，忽略VD1管压降，则d点电位即为ua，这时ua电位最高，接在b相的VD2和接在c相的VD3二极管的阳极电位都低于阴极，因而承受反向电压被阻断。,在t=150-270区间，b相电位ub最高，则VD2导通，由于VD2导通，d点电位即为ub，VD1、VD3承受反压而阻断，VD1承受电压为电线电压uab，VD3承受电压为线电压ucb。同理，在270-390区间，c相电位最高，VD3导通，VD1、VD2、承受反压阻断，VD1端电压为uac，VD2端电压为ubc。,整流电压ud在一周期内有三次脉动，因此，整流电压的脉动频率是电源频率的三倍。,两个相电压波形的交点，整流管的电流进行交换，这叫做“换流”（或换相）。这交点也就是三相半波可控整流电路的“自然换流点”。,我们可知,查看图请点击次处,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。,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。,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=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。,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。a30的情况（图2-14）特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120。,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,图2-13三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30时的波形,图2-14三相半波可控整流电路，电阻负载，a=60时的波形,a=90，a=120时的整流输出电压波形ud,a在特殊点的波形,a30时，负载电流连续，有：,（2-18）,当a=0时，Ud最大，为。,a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,(2-19),整流电压平均值的计算,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,（2-20）,晶闸管电流平均值为：,晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即,（2-21）,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,（2-22）,触发角移相范围：,3、当a=150时，整流输出电压为零。可见改变延迟角a，就能控制整流输出电压。,4、a=0-30范围内，整流电压是连续的。,分析所得的结论,1、当a=0时，自然换相点输出电压最高，为三相相电压正半周的包络线。,2、当a角增大时，整流电压随之减小。,5、a=30-150范围内，整流电压断续，在进行整流电压计算时，需分别进行。,2）阻感负载,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。阻感负载时的移相范围为90。,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,当a90以后，电路尽管有很大的电感量，但也不能维持输出电压（或电流）连续，而且输出电压平均值总是零,下面画出了a=120时的输出整流电压波形。因此三相半波可控整流电路电感负载时的移相范围为90。,a90后会出现什么情况呢？,数量关系,负载电流连续：,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，曲线3给出了这种情况的一个例子。,变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为,（2-23）,晶闸管的电流为,负载电流平均值为：,（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）,移相范围,三相半波电路比单相是路整流波形平直，而且三相负荷平衡，在一定范围得到广泛应用。但是从上节分析中了解到，其变压器副方有直流是流分量流过，每相只有1/3周期导电，变压器利用率低。在较大功率时应用三相桥式（Three-phasebridge）整流电路，即三相全波整流电路。,2.2.2三相桥式全控整流电路,三相桥是应用最为广泛的整流电路,共阴级组共阳极组导通顺序,图2-17三相桥式全控整流电路原理图,共阴极接法与共阳极接法,为了了解三相桥式电路的形成。我们先分析一下三相半波电路的两种接法：(1)、共阴极接法(2)、共阳极接法,三只晶闸管的阴极接在一起与负载相连，输出电压ud相对于变压器公共点“0”是正输出电压，这种接法称为共阴极接法，又称为共阴极正组整流电路。,如果将三只晶闸管阳极接在一起，与负载相连，这种接法称共阳极接法，又称为共阳极负组整流电路。,什么是共阴极、共阳极接法？,如图，设b相晶闸管VT6导通，在t1时刻对晶闸管VT2门极施加脉冲，由于c相最负则b相换流到c相，同c相VT2的导通使VT6（在b相）承受反压而关断，依次在t2外c相换流到a相。,共阳极接法电路工作在交流相电压的负半波，因此共阳极接法输出相对于变压器公共点“0”是负电压，其负载是流id2在公共零线上的流向与共阴极组的负载电流id1相反。共阳极接法的输出电压和电流的计算公式与共阴极接法相同。,因此我们得出！,1）三相桥式全控整流电路的形式,三相桥式全控整流电路,在上图共阳极接法中，如果把共阴极正组整流电路与共阳极负组整流电路串联起来，即“0”点连起来，变压器共用一个副方绕组（对应a点、b点和c点分别a-a、b-b、c-c连接起来）；如果负载电阻R1=R2，则负载电流Id1=Id2，且流向相反，因此零线上的平均电流为零。这样零线就变得多余而可以取消。,取消零线后的两个三相半波电路的串联就形成三相全控桥式电路，如图。,取消零线后的波形,2）三相桥式全控整流电路工作原理,虽然两个三相半波可控整流电路串联形成了三相桥式全控整流电路，但由于零线的取消，电流回路发生了变化，电路工作情况与三相半波情况不完全相同。,为了分析方便，设a=0即讨论在自然换流点换流时各晶闸管的工作过程；电路中晶闸管接其导通顺序编号；共阴极正组晶闸管对应相序a、b、c编号为1、3、5；共阳极负组晶闸管对应相序a、b、c编号为4、6、2；对相电压波形按其自然换流点在一周期内分为6等分，在图中以-段表示。,电路中晶闸管接其导通顺序编号,在段时间内：,图示为t=30-90区间，占60相角。由于是共阴极组与共阳极组相串联，因此，总是共阴极正组的一只晶闸管与共阳极负组的一只晶闸管同时导通才能形成电流回路，为了保证在合闸后或在电流断续时能形成电流回路，必须对共阴极组和共阳极组该导通的晶闸管同时施加门极触发脉冲。,图画出门极脉冲波形。门极脉冲可用宽度大于60的宽脉冲，它使相邻二晶闸管同时存在触发脉冲，可以保证电流回路的形成，或者用双窄脉冲触发，即对每一晶闸管一周期内触发两次，其间隔相差60，这也可使同一时刻有两个晶闸管受到触发，以保证电流回路的形式.,设在段时间开始t=30时，将门极触发脉冲送到晶闸管6和1，由于共阴极正组这时a相电位最高，共阳极负组这时b相电位最低，因此，共阴极正组a相晶闸管1导通，共阳极负组b相晶闸管6导通，于是a相电流ia经晶闸管1负载R晶闸管6相形成回路，输出电压ud=uab（uab为变压器副方线电压），电流ia=uab/R，晶闸管1端电压uvt1=0，一直到段时间结束为止。,详细分析,段时间的结束即为段时间的开始，其t=90。在这时，共阴极组a相电压仍是正，晶闸管1仍保持导通，但共阳极组是电位最负的已不是b相，而转为c相，这时对c相晶闸管2触发，则c相晶闸管2导通，电流从b相换到c相，由于c相晶闸管2的导通将b相晶闸管6关断。这时电流通路为a相晶闸管1R晶闸管2c相，输出电压ud=uaca相电流ia=uac/R，晶闸管1端电压仍是零。,在段时间内：,共阴组b相电位最高，在自然换流点，即t=150，对b相晶闸管3触发后，b相晶闸管3导通，由于晶闸管3的导通使晶闸管1关断，晶闸管1承受反压uab，a相电流ia中断，电流从a相换到b相。这时共阳极负组电位仍是c相最低，c相晶闸管2继续导通，因此输出电压ud=ubc。电流回路为b相晶闸管3R晶闸管2c相。,在段时间内：,依此类推，在每一60区间，一组继续导通，另一组开始换流。,在段时间内，b相晶闸管3继续导通，c相晶闸管2换流给a相晶闸管4，输出ud=uba，晶闸管1承受反压uab，变压器a相绕组电流ia与段时间的方向相反。,段时间，a相晶闸管4继续导通，b相晶闸管3换流给c相晶闸管5，输出ud=uca，a相绕组电流ia与段方向相同，晶闸管1端电压为uac。,在段时间内:,段时间，c相晶闸管5继续导通，a相晶闸管4换流给b相晶闸管6；输出ud=ucb，a相绕组电流ia中断，晶闸管1端电压为uac。再下去就是重复上述过程。,根据上述六段时间的讨论，输出电压ud、晶闸管1端电压为uAK1波形示于图1.28（d）中，,波形,流过晶闸管1的电流ivr1及变压器a相绕电流ia分别示于图1.28(e)、（f）.,波形,从波形图可以得出下列结论：,（1）门极触发脉冲需大于60的宽脉冲或间隔60的双窄脉冲。共阴极正组每只晶闸管门极脉冲相位差为120,共阳极组每只晶闸管门极脉冲相位差亦为120；接在同一相绕组上的两只晶闸管门极脉冲相位差为180（如a相上的晶闸管1和4）,（3）变压器副方相电流不存在直流分量，克服了三相半波电路的缺点。,（2）电流连续时每一只晶闸管在一周期内导通120，阻断240。,（4）每一只晶闸管承受的最大电压为变压器副方线电压峰值，如果电路直接由电网供电，就是供电电源线电压峰值。,（5）三相桥式全控整流电路负载电压（电流）的获得必须有两只晶闸管同时导通，其中一只晶闸管在共阴极正组，另一只晶闸管在共阳极负组，而且这两只导通的晶闸管不在同一相内，因此负载上的电压是两相电压之差，即线电压，输出电压脉动频率是电源频率的6倍，即一周期内有6次脉动。,图2-18三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形,图2-19a=30,图2-20电阻负载a=60,图2-21电阻负载a=90,晶闸管及输出整流电压的情况如表21所示,参照图218,三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。,（3）ud一电源周期脉动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。,2)阻感负载时的工作情况,a60时（a=0图222；a=30图223）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,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。,a60时（a=90图224）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。,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,图2-24三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90时的波形,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：,（2-26）,带电阻负载且a60时，整流电压平均值为：,（2-27）,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：,（2-28）,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：,（2-29）,式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。,2.3变压器漏感对整流电路的影响,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。,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。,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,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。,（2-30）,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。,（2-31）,换相重叠角g的计算,由上式得：,进而得出：,当时，于是,（2-35）,（2-36）,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。,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。,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。,2.4整流电路的谐波和功率因数,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。,2.5大功率可控整流电路,2.5.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路2.5.2多重化整流电路,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。,2.5.1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。,图2-35带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,电路结构的特点,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2-36双反星形电路，=0时两组整流电压、电流波形,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。,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。,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：,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