电力电子技术三相桥式全控整流及有源逆变电路试验报告

1、1/28一、实验背景整流是指将交流电变换为直流电的变换，而将交流电变换为直流电的电路称为整流电路。 整流电路是四种变换电路中最基本的变换电路，应用非常广泛。对于整流电路，当其带不同 负载情况卜，电路的工作情况不同。此外，可控整流电路不仅町以工作在整流状态，即将交 流电能变换为直流电能，还可以工作在逆变状态，即将直流电能变换为交流电能，称为有源 逆变。在工业中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路(Three Phase Full Bridge Converter),它是由两个三相半波可控整流电路发展而来。该次试验即是针对三相桥式全控整流电路而展开的一些较为简单的学习与研究。二、实验原理三相桥式

2、全控整流及有源逆变该次实验连接电路图如下图所示三相桥式全控整流及有源逆变电路整流有源逆变控制信号初始化约定:0(> < a < uct > OV, ud> OV?式 a <n uet v OU, ud v QVa = ；, urt = OVt Ud = OV诱图由天KfH学快初整流逆变临界注意事项：在接主电路过程中，晶闸管接入双刀双闸开关时一定要注意正负极必须正确匹配。 电容器用于吸收感性电流引起的干扰，使得示波器显示的波形更加标准、清晰。双刀双掷开关在切换时主回路必须断电，否则很可能因切换时拉出电弧而损坏设备。（-）整流电路1、整流的概念把交流电变换为直流

3、电的变换称为整流（Rectifier）,又叫AC-DC变换（AODC Converter ）o整流电路是一种把交流电源电压转换成所需的宜流电压的电路。AC-DC变换的 功率流向是双向的，功率流向由交流电源流向负载的变换称之为“整流”，功率流向由负载 流向交流电源的变换称之为“有源逆变二采用晶闸管作为整流电路的主控器件,通过对晶闸管触发相位的控制从而达到控制输出 直流电压的目的，这样的电路称之为相控整流电路。2、整流电路的分类（1）按电路结构分类 半波整流电路：半波整流电路中侮根电源进线流过单方向电流，又称为零式整流 电路或单拍整流电路。 全波整流电路：全波整流电路中每根电源进线流过双方向电流，

4、又称为桥式整流 电路或双拍整流电路。（2）按电源相数分类 单相整流电路：又分为单脉波整流电路和双脉波整流电路。 三相整流电路：又分为三脉搏整流电路和六脉波整流电路。 多相整流电路：多脉波整流电路。（3）按电路控制特点分类 不可控整流电路：整流电路的直流输出电压平均值同交流电压的比值固定不变， 切功率流向只能甫电源侧流向负我侧，即整流电路的输出电压大小与功率流向均是 固定的，不可改变，为单向变流器。这种电路的控制器件一般是二极管。 半控整流电路：整流电路的直流输出电压平均值与交流电源电压的比值可以改变, 但功率流向仍为单向，只能由电源侧流向负载侧。这种电路的控制器件一般是晶闸 管和二极管同时存在

5、。 全控整流电路：整流电路的直流输出电压值可以改变，旦功率流向是双向的。全 控整流电路的控制器件一般为晶闸管或全控型器件。（4）按电路的工作范困分类 单象限整流电路 多象限整流电路（5）按控制方式分类 相控整流电路：控制器件主要采用品闸管，其特点是容量大、控制筒单，技术成 熟。 M女任气信，修化虫力-3枚木案徐林# 脉冲宽度调制整流电路：采用全控型控制器件和现代控制技术，其性能优于相控 整流电路。3、整流电路的主要性能指标（1）整流输出电压平均值：即负载上的直流电压比值。（2）电压波形系数：输出电压有效值与直流平均值之比。（3）直流输出电压中的交流分最：常用波纹因数（输出电压中交流谐波分量的有

6、效值与 直流电压平均值之比）来表示，反映了直流电压的平滑程度。（4）交流侧的功率因数。（5）交流侧谐波电流：可用输入电流总畸变率或电流谐波因数来反映。（6）变压器利用系数。在上述参数中，（1）（2） （3）是考核整流电路输出宜流电源性能的指标，（4） （5）是考 核整流电路对交流电源影响的性能参数。（二）三相桥式全控整流电路在工业中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路（Three Phase Full Bridge Converter）,它是由两个三相半波可控整流电路发展而来，其电路图如右下所示。两个三相半波可控整流电路该nm天野司学益hZE ZVT4 VT6 VT2三相桥式全控整流电路由于

7、共阴极组的管子在电源正半周导通，流经变压器二次绕组的是正向电流，共阳极组 的管子在电源负半周导迥，流经变压器二次绕组的是反向电流，因此一周期中变压器绕组中 没有直流磁动势，且每相绕组的正、负半周都有电流流过，变压器绕组利用率提高了。1、阻性负载（1）工作原理及波形分析 触发延迟角a =0°时整流电路的工作情况对于三相桥式全控整流电路的分析可以采用与分析三相半波可控整流电路类似的方法,3/28首先分析由二极管组成的不可控电路。在上面的“两个半波可控整流电路”与“三相桥式全 控整流电路”两图，品闸管触发延迟角a =0 '时的工作状况与由二极管组成的不诃控整流 电路相同，即电路为三

8、相桥式不可控整流的情况。在“两个半波可控整流电路”与“三相桥 式全控整流电路”这两幅图中，因a =0° ,所以可以假设将电路中的六个晶闸管均换成二 极管，管子编号相同进行分析。那么，任意时刻共阳极组和共阴极组必须有一个管子处于导 通状态，电路才能正常工作。对于共阴极组的三个管子，阳极所接交流电压值最高的一相所 在的管子导通，而对于共阳极组的三个管子，则是阴极所接交流电压值最低的一相所在的管 子导通。三相桥式不可控整流电路的工作波形（即三相全控整流电路a =0°时的工作波形）如 下图所示。3VVI z/cbIII bcuivV/)V/)/AV/V/V/ 9( /AV V/ /

9、V/VTIOZ/VT1z/baz/c<tV 、,八/ / /A/> /A / / / / / V、一/、八、"/'、飞/ AcotA A AAA A A A A A / /、 X / / / cur / V/V/V / V/7vv A A xx.x/AAA三相桥式全控整流电路阻性负栽a =0时的工作全形三相桥式全控整流电路中二极管一周期中每管导通120° ,每隔60。在自然换相点处换 相，管子承受的反向电压波形为线电压波形。共阴极组和共阳极组的管子均在自然换相点换相，即在自然换相点后管子才开始承受正 向电压，所以三相桥式全控蜓流电路a =u时，管子也在自

10、然换相点换相，与三相半波 整流电路相同。所以，对于三相桥式全控整流电路，在晶闸管a =0°时电路的工作情况与 #/28 M女任气僧4修比力枚木京徐#*三相桥式不可控整流电路工作情况相同。 触发延迟叫a >0 ”时整流电路的工作情况当触发延退角a >0°时，每个晶闸管都不在自然换相点换相，而是从自然换相点后移 a角开始换相。卜图为a =30。时的三相桥式全控整流电路工作波形图。,zab,zacbciZbrt"cecbwabI lllll: l: fit!；?!(!i?!i!i!1!；!iI 1! It ；|.相桥式全捽整流电路阳性负载a =30°

11、;时的I 11 !； /| /|、 / I / I / I ，、八I I I寸W山山 i/ iiv u、/亍、9,3 ' -tt'品闸管承受的电压仍为电源线电压。顼、BI5/28卜图为Q =60。时的三相桥式全控整流电路工作波形图。=60°O/| /' /| /| /1 /1 / I / I / I / I / I / I /1/1/；n ； ni"be ! MbaVI I1 wac 、/1/1/1/1/1/1/1/1/iaIaiaiaa'aia'a'a'aia乂*%x 乂三相桥式全控整流电路阻性负拔a =60时的工作

12、波形AV I V I V I V I V I < I / I / I / I /I |/ l/ l/ l/ lX1 /1 /1 / I / 1 / I / 1 A 1 A I A9/28可以看出，a =60°时，三相桥式全控整流电路己处于连续和断续的临界条件。a =60°时晶闸管VT1町能承受最大正向电ffijV6U2sin60° =平£当a >60°后，电流波形将断续。如卜图，为a =9。时输出电压和电流的波形o"d 1 "ab wac bc ba ca %b "ab "ac "b

13、e baid n 卜 «O(jDt:相桥一路阻性负Wl =90时的l：作波形此时电路处丁断续工作状态。综上所述，三相桥式全控整流电路有如下特性： 三相桥式全控整流电路在任何时刻必须保证共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管导 通，才能构成导电回路。 器件换相只在本组内进行，每隔120°换相一次，所以共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5 触发脉冲相位相差120° ,共阳极组晶闸管VTL VT6、VT2的触发脉冲也相差120°。由于 共阴极组和共阳极组换相点相隔60° ,所以每隔60°有一个器件换相。接在同一相的两个 品闸管触发脉冲相位相差18

14、0° o触发脉冲顺序依次为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。 为了保证任何时刻共阴极组和共阳极组中各有一个晶闸管导通，或者宙于电流断续后能再次导通，必须对两组中应该导通的一对晶闸管同时施加触发脉冲。 三相桥式全控整流电路输出电压时线电压的一部分，一个周期内脉动六次，脉动频率 为300Hz,较三相半波可控整流电路提高一倍。（2）基本数量关系整流输出电压平均值UdI电流连续时（a < 60° ）6 f3K+a L3 商Ud = v6U7 sin co td (u)t) =U7 cosa = 2.34U7 cos ad 2口 口">/6U2 s

15、ill uj td (tot) = 2.34U21 + cos(y4-a )II电流断续时(a >60° ) 6负载电流平均值为f _UdlA =d R 变压器二次电流有效值板。a <60°时，电流连续，以a =30°为例，对上图波形进行 分析，可得到二次电流有效值为a >60°时.电流断续，由上图可知，此时有 流过晶闸管的电流仃效值Ivt和平均值IdVT。流过品闸管电流平均值为负载电流的1/3,即I 一 *IdVT - y5流过晶何管电流有效值也有连续和断续两种情况，但两种情况卜均有 整流变压器的容量S。阻性负载时，a =0 '

16、; , I2 = 0.816Id, U2 =箸，所以二次绕组视 在功率UdoS2 = 3U2I2 = 3 x x 0.816Id = 1.05%2.34, M女任虫气信，修at虫力-3枚木案徐林#2、感性负载(1)工作原理及波形分析三相桥式全控整流电路带阻感负载，认为电感足够大，使负载电流连续且其波形基本上 为一条水平线。 a <60°时，电路整流输出电压ud波形与阻性负载时一样。 a >60°时，阻性负载的输出电压波形断续，对于大电感负载，由于电感L的作用，在 电源线电压过零后晶闸管仍然导通，直到下一个晶闸管触发导通为止，负载电流连续，输出 电年波形中出现负的

17、部分。直到a = 90°时，Ud波形中正负面枳相等，输出电压平均值Ud二0, 所以感性负载时电路移相范围为90“。下图分别为a =30“和a =90°情况下三相桥式全控整流电路带感性负载时的工作 波形。三相桥式全控整流电路带感性负栽a =30°时的工作波形叫女任乜气僧4*比金力枚木京三相桥式全控整流电路带感性负载a =90J时的工作波形在电压可调范围内，晶闸管承受的最大正、反向电压均为电源线电压峰值，即/6U2o （2）基本数量关系Ud =整流输出电压平均值Ud。感性负载电流连续连续时，晶闸管导通角总是2TT/3, lid波形每 隔60°重复一次，所以输

18、出电压平均值为V6U2sin U） td（3t） = 2.34U2 cos a 负载电流平均值为Id = = 2.34-cosaR R 变压器二次电流有效值12。变压器二次绕组一周期内流过电流波形为矩形波，其中正半周 期为120。，负半周期也为120。，所以有lId 流过晶闸管的电流有效值【VT和平均值IdVT为1 1】vt = 0577Id =豆板1【WT =为了提高整流输出电压平均值，可在负半侧并联一续流：极管，构成带续流二极管的三 13/28相桥式全控整流电路。三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负我埋在负我电感足够大、足以使负我电流连续 的情况下，电路工作情况与带感性负我时相似，电路中各

19、处电压、电流波形均相同，只在计 算负载电流平均值姑时有所不同，此时*=¥。参考资料：电力电子技术（中国电力出版社）三、实验器件（该部分所有图像均由邹直君同学采集）电力电子及电气传动教学试验台MCL-III型（如卜.图所示）数字示波器 TDS 1012 （如下图所示）一台该图像山邹宜川学栗集该图像由佛宜君网学采燮数字万用表GDX-8115（如下图所示）一台该图像由邹宣君同学采垠专用导线若干实验过程方法和要领1. 连接三相整流桥及逆变回路由三相隔离变压器（MCL-32）二次绕组接至三相降压变压器（MCL-35）,输出三相电源（线 电压约110130V）作为三相变压器的交流输入：由三相隔离

20、变压器（MCL-32）二次绕组接至由二极管组成的三相不可控全波整流桥，作 为逆变时负载回路的电动势源（大小恒定的电压源）；由双刀双置开关构成整流和逆变选择回来（严禁主回路带点时切换此开关）；约定整流、逆变临界控制点为Uct = O,当Uct>0时，处于整流移相控制；UctO时处 于逆变移相控制。原理图如卜.：15/28火任*气僧4修比虫力乜&枚本卖相救岳2.整流工作阻性负载测试：双置开关选择整流回路，负载电阻设定为最大（约450Q）,加正给定19/28电压。1）注意限制Id W0.8AUdUvTMOM2） a 0°时，封锁晶闸管VT1的脉冲信号，Ud的波形如下图:, M

21、女气僧4任比金力技本察Ud =122V封锁晶闸管VT1和VT2的脉冲信号，Ud的波形如b：Ud =94V阻-感(300Q +700mH)负载测试：双置开关选择整流回路，注意限制Id W0.8A。1) M火冷乜气传4母比力-3枚木察徐板0302)a =0°时,封锁品闸管VT1的脉冲信号，Ud的波形:Ua =122V封锁晶闸管VT1和VT2的脉冲信号，Ud的波形:Ud =84V3. 逆变工作断掉主回路电路，将负我回路切换到逆变条件，注意逆变电动势源的直流极性。1）选定给定信号，保持负载为（450Q +700mH）,再合上电源。2）在恒定负我情况下（电阻4500 ,电感700mH,直流反电

22、动势E基本恒定），在最大逆变 移相范围内，测定电网实际吸收直流功率Pk = fiuoffj函数曲线。己知，三相全控桥电源回 路输出端等效内阻Rn=26QftUd (V)la (A)-90. 6421/28 M女气僧4修比力-3枚木京徐#*-180. 62-370. 59-500. 58-610. 56-930. 49-1070. 45-1380. 40-1680. 32思考：如何近似估算电网吸收的电功率？ 答：PK = |UdxId|-IdJRi五、实验数据处理及实验结果分析1.逆变状态卜，负我恒定不变，根据公式Pk = |UdId|-Id2Rn和实验测量结果，可以算出屯网 实际吸收直流功率P

23、K,结果如下表所示：Ud (V)Id (A)Pk(W)-930.4939.33-610.5626.01-500.5820.25-370.5912. 78-1380.451.04-1070.4542.89-1680.3251. 1-90.62-4.41-180.640.87表12、误差分析在实验过程中，存在观测误差、模型误差、仪器误差等，由于我们在实验时将品闸管视 为理想器件，不考虑变压器漏抗对电路的影响，但我们使用电压表和电流表读取数据时，由 于个人原因读数时存在观测误差：在整理实验时存在舍入误差、计算误差等，由于外界带来 的误差我们应尽量避免、减小。3、实验之后进行如下讨论：I）、分析比较整

24、流工作时，阻性负载和阻感负载在缺相（丢失一路触发信号）故障卜，Ud 瞬时波形的差异？, M女任气佗4修比虫力&技木案林#答：因为电感的性质有续流的作用，可以改善电流波形，使断续波形变得平缓连续。由此可 知道，当在缺相的情况，带阻性负我的整流电路，由于没有电感，波形是断续的，而带阻感负载的整流电路，由于大电感的存在，波形是联系的。当a=0°时阻性负载阻感负载25/28缺相时波形图（由于没有找到丢失一路 触发信号的图，图为丢失 两路信号图）2）整流状态卜，阻感负载时，a =90°时ud的瞬时波形一定有正负半波对称吗，为什么？ 答：不一定，因为理想情况下，三相桥式相控整流

25、电路带阻感负载时，电感无限大，在a=90。 时Ud波形上下对称，而在实际电路中并不存在无限大的电感，在实际电路中电感储能不够， 就会造成正负半波不对称，为了让电路产生接近理论的效果，在调节电路时，要降低电阻, 同时接入最大的电感，这样电阻电感相对来说和理论的无限大电感更加接近，但是在降低电 阻的时候要保证电流在额定范围内。（图为我们实验时a二90°时波形）女任气信，修化虫力金3枚木安徐林*3) 说明逆变状态下，逆变电源的负我波形是电路上哪两端的波形？为什么逆变输出电压Ud 越高，负我电流Id越小？解：逆变电源的负栽波形是电路上晶闸管共阴极与共阳极两端的电压波形；由负我电流平均 值公式

26、Id = (|E|-|Ud|)/R知，逆变输出电压Ud越高，负载电流Id反而越小。4) 做出Pk = f(Ui)特性曲线，并对其变化趋势作定性分析。解：根据表1画出Pk = f(Ud)特性曲线，如卜图所示:Pk=f(Ud)60A60 .2D1011111111.°80 -160 -140 -120-100-80-60-40-20 C"10Ud由Pk = f(Ud)特性曲线诃以看出，随着Ud的增大，电网实际吸收直流功率Pk在一定范困内 增大，超过一定程度后，即使Ud仍然还在增大.Pk也基本保持不变；随着Ud的减小，电 网实际吸收直流功率Pk也在减小，最后曲线将过零点，当Ud向

27、正直增大，电路将不再工 作在逆变状态而工作在整流状态。六、实验仿真三相桥式全控整流及有源逆变电路1、 建立仿真模型Qrrflfpo加£3=Curent $3Mrem：r-EJ=I” NnwetGSgrcnzU b -Ux Gl电 ratb2、 测量负载特性R二450 欧，L二OH, C=inf(1) 交流电压源的参数设置：三相交流电源的相位互差120° V、频率为50HZ。，设置交流峰值相电压为127 Block Parameters: AC Voltage SourcelAC Vo Lt age Source (mask) (link)Ideal sinusoidal A

28、C Voltage source.ParametersPeak amplitude (V): 127Phase (deg): 0Frequency (Hz): 5。Sample time: 0Measurenent s NoneOKCancelApply其余两相Phase20/28 M女任气佗，修佻虫力-3枚木实徐林*(deg)分别为 120、240(2) 通用变换器桥参数设置：通用变换器桥木块是由6个功率开关元件组成的桥式通用三相变换器木块。功率电子元件的 类别和变换器的结构可通过对话框进行选择。功率电子元件和变换器的类型有Diode桥、 Thrrustir 桥、M0SFET-Diode 桥

29、、IGBT-Diode 桥、Ideal Switch 桥、桥的结构有单相、两 相和三相。通用变换器桥木块的输入和输出端取决于所选择的变换器桥的结构，当ABC 被选择为输入端，则直流DC端就是输出端。当ABC被选择为输出端，直流DC端就是输入 端。以此来整流电路与逆流电路的转换除二极管桥外，其他桥的g (Pulses)输入端可接受 来自外部模块的触发信号。通用变换器的参数设置刷 Block Parameters: Universal Bridge!设置结构为三相，由于建模为一个电流源，不能连接电感元件系列，需接一个高值缓冲电路 电路，故设置Rs=100欧，Cs为ing。内电阻Ron采用就认值le3,内电感Lon为0.(3) 同步6脉冲触发器的参数设置27/28alpha_degBC29/28Block决中,alpha-deg是移相控制角信号输入端，单位为度.AB BC CA是同步线电压的输入端，是个养人有