第三章 三相可控整流电路.ppt

1,第三章三相可控整流电路,当负载容量大，或者要求直流电压脉动小，易滤波等场合，一般采用对电网来说是平衡的三相整流装置。三相整流与单相整流相比，具有输出电压高且脉动小，脉动频率高，网侧功率因数高以及动态响应快等优点。电路类型：三相半波（零式）、三相全控桥式、三相半控桥式、双反星形（六相）、十二相（适用于大功率）,2,重点和要求,1.理解和掌握三相半波、三相桥式等整流电路的电路结构、工作原理、波形分析、参数计算和电气性能评估。2.理解变压器漏抗对整流电路的影响及换相重叠角的概念。3.了解大功率整流电路的形式和特点。重点：波形分析和基本电量计算的方法。难点：不同负载对工况的影响、整流器交流侧电抗对整流电路的影响,3,一、电阻性负载,第一节三相半波相控整流电路,一次绕组一般接成三角形，二次绕组必须接成星型，三个晶闸管阳极分别到u,v,w三相电源，阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法在触发电路有公共线时连接比较方便。,1.电路结构,三角形接法,星形共阴极接法,4,2.工作原理,自然换相点：当电路中的可控元件全部由不可控元件代替时，各元件的导电转换点。即三相电压（u,v.w）正半周的交点。,控制角从自然换相点开始计算。,5,三相半波可控整流电路电阻性负载=0时的波形(a)电路；(b)电源相电压；(c)触发脉冲；(d)输出电压、电流；(e)晶闸管VT1上的电流；(f)晶闸管VT1上的电压,6,1）当=0时：,t1时刻,VT1触发导通，ud=uu;t2时刻(隔120)VT2触发导通，由于此刻以后uvuu，VT1反压关断,ud=uv；t3时刻触发VT3导通，VT2反压关断，ud=uw。如此循环下去。,电阻性负载=0时的波形,ud,id连续,7,负载端输出电压：,图(d)中：ud是连续的脉动的直流电压，它是三相交流相电压正半周包络线，一周期内ud脉动三次，脉动频率：350Hz=150Hz。,特点：一个周期内三相电源轮流向负载供电，每相晶闸管各导通120，ud连续。,电阻性负载=0时的波形,8,图(e)是流过u相晶闸管VT1的电流波形，其它两相晶闸管的电流波形形状与此相同，相位依次相差120。,负载端输出电流：,电阻性负载=0时的波形,特点：变压器绕组中电流是直流脉动电流，一个周期内每相只工作1/3周期。因此存在变压器铁芯直流磁化和利用率不高的问题。,9,图(f)是VT1上电压的波形。VT1导通时为零；VT2导通时，VT1承受线电压uuv(uu-uv)，是反压；VT3导通时，VT1承受线电压uuw(uu-uv)，是反压；其它两只晶闸管上的电压波形形状与此相同，只是相位依次相差120。,晶闸管承受电压：,电阻性负载=0时的波形,10,设VT3正在导通，此时ud=uw；经过t1时，由于无触发脉冲VT1仍关断，由于此时uw0，VT3继续导通；t11处，VT1触发导通，VT3反压关断，id从w相换到u相。如此循环下去。,电阻性负载=30时的波形,2）当=30时：,从图中可看出：负载电流处于连续的临界状态，一个周期中，每只管子仍导通120。,连续和断续的分界点,11,设VT3正在导通，ud=uw。当uw过零变负时，VT3受反压关断。此时VT1虽受正压，但因ug1没到，故不能导通。此后，ug1到来前的一段时间内，各相都不导通，ud，id都为零。当ug1到来，VT1导通，ud=uu,依次循环。,电阻性负载=60时的波形,3）当=60时：,Ud,id不连续,12,电阻性负载=60时的波形,4）当=90时：,当=150时，ud减小到零。,若继续增大，则ud将继续减小。,5）当=120时：,6）当=150时：,所以移相范围为150,13,由上分析可知:,（2）由于三相轮流导电，每相导电1/3周期，则有:1/3周期内输出电压的平均值=一个周期内输出的电压平均值。,（1）控制角=0时，输出电压最大；增大，输出电压减小；当=150时，输出电压为零，所以移相范围为150；当30时，电流（压）连续，每相晶闸管导通角为120；当30时，电流（电压）断续，导通角小于120，导通角为=150-。,14,1）当30时，电压、流连续，输出直流电压平均值Ud为,030,3.数量关系,15,2）当30150时，电路输出电压ud、输出电流id波形不连续，导通角=150-,30150,16,3）负载电流平均值Id和晶闸管电流平均值IdT、有效值IT,流过每个晶闸管的平均电流IdT为,流过每个晶闸管电流的有效值IT为,030,负载电流的平均值Id,30150,17,4）晶闸管承受正反压：最大反向电压为变压器二次线电压峰值，即；,最大正向电压为变压器二次相电压峰值，即：,5）移相范围：,0150,18,二、大电感负载,1.电路结构,负载是大电感（L）,若负载是大电感（L），则id波形为连续水平直线,19,30时：u波形和计算式与纯电阻性负载波形一样；id波形为平直；晶闸管导通角为120，每个晶闸管各担13的id。,1）当=0时：,2.工作原理,2）当=30时：,20,t,uu,u,u,uu,30时，ud出现负值，波形连续，输出电压平均值下降，晶闸管导通角为120,晶闸管承受的最大正反向压降为,2）当=60时：,21,3）当=90时：,u=0，id处于断续的分界点,4）当90时：,u=0，id断续,5）移相范围：90,t,uu,u,u,uu,22,1）输出电压平均值Ud为,当090时：,3.数量关系,当30时:,当3090时:,23,2）负载电流的平均值Id为,3）流过晶闸管的电流平均值IdT与有效值IT为,4）晶闸管承受的最大正反向压降为线电压峰值,24,将三只晶闸管阳极连接在一起的三相半波可控整流电路，称为共阳极接法。这种接法可将散热器连在一起，但三个触发电源必须相互绝缘。,三、三相半波晶闸管共阳极整流电路,1.电路结构,共阳极接法中，晶闸管只能在相电压的负半周工作。阴极电位为负且有触发脉冲时导通，换相总是换到阴极电位更负的那一相去。,25,共阳极接法的自然换流点是相电压负半周的交点。电路工作情况、波形及数量关系与共阴极接法相同，仅输出极性相反为负值。,2.工作原理,三相半波共阳极可控整流电路及波形,26,大电感负载时，Ud的计算公式为,式中:负号表示电源零线是负载电压的正极端。,3.数量关系,27,三相半波可控整流电路的优、缺点,优点：输出电压脉动小输出功率大三相负载平衡,缺点,变压器利用率低,容易出现直流磁化现象,需用大零线,零线上通过较大的负载电流,无论共阴，共阳，电流都是同一个方向,无论是u，v，w，一个周期只用120，闲置240,因此，这种电路多用于中等偏小容量的设备上。,28,习题4.在三相半波整流电路中，如果u相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压ud的波形。,例1：,解：假设当负载为电阻时，ud的波形为：,当负载为电感时，ud的波形为：,29,三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L值极大，当a=60时，要求：1.画出ud、id和iVT1的波形；2.计算Ud、Id、IdT和IT。,例2：,解：ud、id和iVT1的波形如下图：,Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud1.17U2cosa1.17100cos6058.5（V）IdUdR58.5511.7（A）IdTId311.733.9（A）ITId=6.755（A）,30,第二节三相桥式全控整流电路,1.电路结构,由一组共阴极接法的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串联而成。,31,结构：由两个（一个为共阴极，一个为共阳极）三相半波整流电路组成。,优点：共阴极组在正半周导电，共阳极组在负半周导电，正负半周都有电流流过变压器，因此变压器使用率效率高。变压器绕组无直流磁化现象；与三相半波电路相比：若要求输出电压相同，三相桥式整流电路对晶闸管最大正反向电压的要求降低一半；若输入电压相同，则输出电压Ud比三相半波可控整流时高一倍。,32,注意,六个晶闸管编号的排列顺序。,负载两端实际电压是线电压。,变压器次级线电压有效值,33,2.工作原理,1）电阻性负载(触发顺序分析，设a=0),34,3,6,5,2,u,v,R,ud,id,1,4,w,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,2.工作原理(触发顺序分析，设a=0),一个周期6个自然换相点。为分析方便，把一个周期分为6段，每段相隔60。,35,3,6,5,2,u,v,R,ud,id,1,4,w,16,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,2.工作原理(触发顺序分析，设a=0),第(1)段期间:u相电位uu最高，共阴极组的VT1触发导通，v相电位uv最低，共阳极组的VT6被触发导通，电流路径为uVT1RVT6v。变压器u、v两相工作，共阴极组的u相电流iu为正，共阳极组的v相电流iv为负，输出电压为线电压ud=uuv。,36,3,6,5,2,u,v,R,ud,id,1,4,w,16,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,2.工作原理(触发顺序分析，设a=0),第(2)段期间:uu仍最高，VT1继续导通，而uw变为最低，电源过t2时触发VT2导通由于此时uwuv，VT6反压关断，电流即从v相换到w相。这时电流路径为uVT1RVT2w。变压器u、w两相工作，u相电流iu为正，w相电流iw为负，输出电压为线电压ud=uuw,37,3,6,5,2,u,v,R,ud,id,1,4,w,16,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,2.工作原理(触发顺序分析，设a=0),第(3)段期间;uv最高，共阴极组在经过t3时触发VT3导通，由于uvuu，VT1反压关断，电流从u相换到v相。VT2因为uw仍为最低而继续导通。这时电流路径为uVT3RVT2w。变压器v、w两相工作，v相电流iv为正，w相电流iw为负，ud=uvw。,38,3,6,5,2,u,v,R,ud,id,1,4,w,16,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,2.工作原理(触发顺序分析，设a=0),第(4)段期间:VT3维持导通,VT4触发导通，电流流向？输出电压ud=uvu；,依此类推:,39,3,6,5,2,u,v,R,ud,id,1,4,w,16,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,2.工作原理(触发顺序分析，设a=0),第(5)段期间：VT5触发导通,VT4维持导通，电流流向？输出电压ud=uwu；,40,3,6,5,2,u,v,R,ud,id,1,4,w,16,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,2.工作原理(触发顺序分析，设a=0),第(6)段期间：VT5维持导通,VT6触发导通，电流流向？输出电压ud=uwv。,41,3,6,5,2,u,v,R,ud,id,1,4,w,16,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,2.工作原理(触发顺序分析，设a=0),以后则重复上述过程。,42,表3-1三相桥式全控整流电路电阻负载=0时晶闸管工作情况,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,43,=30时，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，ud平均值降低，波形如下:,44,(1)每个时刻均有2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。,结论,45,(2)6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60，一个周期内所有管子轮换一遍。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。,46,(3)整流输出电压ud由线电压波头uuv、uuw、uvw、uvu、uwu和uwv组成，其波形是上述线电压的包络线。可以看出，三相全控桥式整流电压ud在一个周期内脉动6次，脉动频率为300Hz，比三相半波大一倍（相当于6相）。,47,（4）为确保任意时刻电路中总有两个管子的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲。宽脉冲触发：使脉冲宽度大于60（一般取80100）双脉冲触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为2030。常用的是双脉冲触发。,48,(5)晶闸管所承受的电压:在第(1)、(2)两段的120范围内，因VT1导通，故VT1承受的电压为零；在第(3)、(4)两段的120范围内，因VT3导通，故VT1管受反向线电压uuv；在第(5)、(6)两段的120范围内，因VT5导通，故VT1管受反向线电压uuw。同理也可分析其它管子所承受电压的情况。当变化时，管子电压波形也有规律地变化。可以看出:晶闸管所承受最大反向电压均为线电压峰值,49,(6)移相范围为0120。电阻性负载时，当60时波形断续，晶闸管的导通要维持到线电压过零反向后才关断，移相范围为0120。,50,三相桥式全控整流电路带阻感负载=0时的波形,=0时的波形,2）大电感负载（L）,51,三相桥式全控整流电路带阻感负载=30时的波形,=30时的波形,52,三相桥式整流电路带阻感负载，=90时的波形,=90时的波形,移相范围为090,53,当60时ud波形连续，电路的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。区别在于电流，当电感足够大的时候，id、iT、iu的波形在导通段都可近似为一条水平线。当60时由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。,2）大电感负载（L）,54,电阻性负载时移相范围是120，大电感负载时移相范围为90。,三相桥式全控整流电路角的移相范围：,55,1）整流输出电压平均值,3.数量关系,60时,电阻性负载,60时（连续）,56,2）整流输出电流平均值,大电感负载,1）整流输出电压平均值,2）整流输出电流平均值,57,3）流过晶闸管的电流平均值IdT与有效值IT,与三相半波一样,与三相半波不同的是变压器二次侧电流I2,三相半波:,三相桥:,58,例：三相桥式全控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L值极大，当a=60时，要求：1.画出ud、id和iVT1的波形；2.计算Ud、Id、IdT和IT。,59,解：ud、id和iVT1的波形如下：,Ud、Id、IdT和IT分别如下：Ud2.34U2cosa2.34100cos60117（V）IdUdR117523.4（A）IdTId323.437.8（A）ITId23.413.51（A）,60,第四节变压器漏抗对整流电路的影响,换相过程：在分析电感性负载的可控整流电路过程时都假设晶闸管的换相是瞬时完成的：-要关断的晶闸管电流Id突然下降到零；-而要导通的晶闸管电流从零瞬时上升到Id；-输出Id波形为水平直线。,问题提出,晶闸管之间的换流瞬时完成，是无缝的拼接,61,众所周知变压器都有漏感，该漏感可用一个集中参数LB表示，且其值是折算到变压器二次侧的。由于电感要阻止电流的变化，电感电流不能突变，因此电流换相必然要经过一段时间，不能瞬时完成，会出现参与换流的两个晶闸管同时导通的现象，同时导通的时间对应的电角度称为换相重叠角。,现以三相半波为例来分析，然后将其结论推广假设负载中电感很大，负载电流为水平线。,62,分析VT1换相至VT2的过程,1.工作过程分析,在t1时刻之前VT1导通，t1时刻触发VT2，因u、v两相均有漏感，iu、iv均不能突变，于是VT1和VT2同时导通，相当于将u、v两相短路，两相间电压差为uv-uu，它在两相组成的回路中产生环流（虚拟电流)ik。,其中：iv=ik：，iu=Id-ik：。,当ik增大到等于Id时，iu=0，VT1关断，换流过程结束。,换相重叠角：换相过程持续的时间，用电角度表示。,63,第四节变压器漏抗对整流电路的影响,换相过程中：ud波形既不是uu也不是uv，而是换流两相电压的平均值。,64,第四节变压器漏抗对整流电路的影响,换相压降:与不考虑变压器漏抗，即=0时相比，整流输出电压波形减少了一块阴影面积，使输出平均电压Ud减小了。这块减少的面积是由负载电流Id换相引起的，因此这块面积的平均值也就是Id引起的压降，称为换相压降。,65,换相压降,1）换相压降,2.基本数量关系,漏感为LB的变压器每相折算到二次侧的漏抗,66,换相压降,单相双半波电路：m=2单相桥式电路：m=4三相半波电路：m=3三相桥式电路：m=6,2）XB的计算,XB=（U2/I2）(uk)/100,U2为相电压有效值，I2为相电流有效值，uk%为变压器短路电压比,取值在512之间，一般为5。,换相压降可看成在整流电路直流侧增加一只阻值为mXB/2的等效内电阻，负载电流Id在它上面产生的压降，区别仅在于这项内电阻并不消耗有功功率。,67,3）换相重叠角,换相重叠角与a、XB、Id的定量关系影响整流和逆变的工作状态,68,单相双半波电路：m=2,单相桥式电路：上式分子中的m=4,分母中的m=2。,69,换相重叠角,三相半波电路：m=,三相桥式电路：m=6U2为U2L取3U2,70,（1）对于某已定电路，U2，XB是已知的。只要给定Id和a，就可计算出换相重叠角。随其它参数变化的规律：1）Id越大则越大；2）XB越大越大；3）当90时，越小越大。,总结：,71,（2）整流电路换相压降和换相重叠角的计算,m脉波整流电路,三相桥,三相半波,单相桥,单相双半波,电路形式,注：单相桥电路中，XB在一周期的两次换相中都起作用，等效为m=4；三相桥等效为相电压的6脉波整流电路，其m=6，相电压按代入。,72,变压器漏感对整流电路影响的一些结论:出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多。能够限制其短路电流，并使电流变化比较缓和。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。换相时期间使相间短路，电网电压出现缺口，成为干扰源。用示波器观察相电压波形时，在换流点上会出现毛刺，严重时将造成电网电压波形畸变，影响本身与其它用电设备的正常运行。使整流装置的功率因数变坏，电压脉动系数增加。,73,考虑变压器漏抗时的可控整流电路外特性,由图可以看出：当控制角一定时，随着整流电流Id的逐渐增大，即电路所带负载的增加，整流输出电压逐渐减小，这是由整流电路内阻所引起的。而当电路负载一定时，即整流输出电流不变，则随着控制角的逐渐增大，输出整流电压也是逐渐减小的。,可控整流电路对直流负载来说是一个有内阻的电压可调的直流电源。,74,例：三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5，L=，U2=220V，XB=0.3，求Ud、Id、ID、I2和的值.,75,解：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路0时的情况。Ud2.34U2cosUdUd3XBIdIdUdR解方程组得：Ud2.34U2cos（13XB/R）486.9（V）Id97.38（A）又=2U2即得出=0.892换流重叠角26.93二极管电流和变压器二次侧电流的有效值分别为IDId397.38333.46（A）I2aId79.51（A）,76,第六节大功率可控整流电路,一、带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,用途：适用于低电压、大电流的场合。,解决办法：,采用三相半波电路，为了有大电流通过，使每相并联多个晶闸管。,出现问题：,各个管子的均流、保护复杂；直流磁化严重；加大表观容量。,采用三相桥式电路，为了有大电流通过，使整流电路并联。,出现问题：,管压降损耗增大；输出脉冲幅值不等，会有一组晶闸管被关断。,77,二次侧为两组匝数相同极性相反的绕组，分别接成两组三相半波电路。,带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,1.电路结构,u和u绕在同一铁心上，同样v和v，w和w也分别绕在同一铁心上，称为双反星形电路。,与三相桥式电路相比，双反星形电路的输出电流可大一倍。,一、带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,二次侧两绕组的极性相反可消除直流磁化，平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。,78,