电力电子相控整流

1、相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-1相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-2 理解和掌握理解和掌握单相桥式、三相半波、三相桥式等单相桥式、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、整流电路的电路结构、工作原理、波形分析、电气性能、分析方法和参数计算。电气性能、分析方法和参数计算。 重点：重点：波形分析和基本电量计算的方法。波形分析和基本电量计算的方法。 难点：难点：不同负载对工况的影响和整流器交流侧不同负载对工况的影响和整流器交流侧电抗对整流电路的影响电抗对整流电路的影响相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2

2、-32.1.1 整流电路的分类整流电路的分类 不可控整流电路不可控整流电路 直流整流电压和交流电源电压的比固定直流整流电压和交流电源电压的比固定 全控整流电路全控整流电路 直流整流电压的平均值和极性可调直流整流电压的平均值和极性可调 半控整流电路半控整流电路 负载电压平均值可调、极性不能改变负载电压平均值可调、极性不能改变相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-4 按电路结构分类按电路结构分类 桥式电路（又称全波电路或双拍电路）桥式电路（又称全波电路或双拍电路） 零式电路（又称半波电路或单拍电路）零式电路（又称半波电路或单拍电路） 按输出电压脉波数分类按输出电压脉波数分类

3、单脉波电路单脉波电路 双脉波电路双脉波电路 三脉波电路三脉波电路 多脉波电路多脉波电路相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-5 按控制方式分类按控制方式分类 相控式电路相控式电路 斩控式电路斩控式电路 按组成器件分类按组成器件分类 全控型电路全控型电路 半控型电路半控型电路 按工作范围分类按工作范围分类 单象限电路单象限电路 多象限电路多象限电路 按电网相数分类按电网相数分类 单相电路单相电路 三相电路三相电路 多相电路多相电路相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-6 整流电路在应用中，应满足的整流电路在应用中，应满足的基本技术要求基本技术要求 整流

4、电路的理想条件：整流电路的理想条件： 理想器件理想器件 理想电源理想电源相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-72.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-8 控制角控制角 从晶闸管开始承受正向电压到被触发导从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通这一角度。通这一角度。 导通角导通角 晶闸管在一个周期内导通的电角度。晶闸管在一个周期内导通的电角度。 移相移相 改变控制角改变控制角 的大小，即改变触发脉冲出的大小，即改变触发脉冲出现的相位。现的相位。 移相控制移相控制相控整流 March, 2003北方交通大学

5、电气工程学院2-9 移相范围移相范围 控制角控制角 的允许调节范围的允许调节范围。 同步同步 触发脉冲信号和晶闸管电压（即电源电压）触发脉冲信号和晶闸管电压（即电源电压）在频率和相位上的协调配合关系。在频率和相位上的协调配合关系。 自然换相点自然换相点 当电路中的可控元件全部由不可控元件代替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。时，各元件的导电转换点。相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-10一、电阻一、电阻负载负载相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-11 输出平均电压输出平均电压 Ud 移相范围移相范围 0 180 输出平

6、均电流输出平均电流 Id SCR平均电流平均电流 IdT = Id / 2)2cos1( U0.9tdsinU21U22dt)2cos1( RU 0.9RUIddd相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-12 负载电压有效值负载电压有效值 U 变压器副边绕组电流有效值变压器副边绕组电流有效值 I2 流过晶闸管的电流有效值流过晶闸管的电流有效值 功率因数功率因数 cos 2sin2-UtdsinU21U222）（t2sin2-RURUII2222sin-UUIUUISPcos2222/II2T相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-13相控整流 March

7、, 2003北方交通大学电气工程学院2-14 输出平均电压输出平均电压 Ud 移相范围移相范围 0 90 输出平均电流输出平均电流 Idcos U0.9tdsinU21U22dtcos RU 0.9RUI2dd相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-15 SCR平均电流平均电流 IdT = Id / 2 流过晶闸管的电流有效值流过晶闸管的电流有效值 IT 变压器副边绕组电流有效值变压器副边绕组电流有效值 I 22/II2TdT2II 2I相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-16 负载电流断续时整流电压、电流波形负载电流断续时整流电压、电流波形 电流断

8、续时电流断续时 、 、 的关系：的关系： 越大，越大， 越小越小 越大，越大， 越大越大相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-17相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-18 最小起始导电角最小起始导电角 时时 时时2U2Earcsin tE)dsinU2(1EU-2dttE)dsinU2(1EU-2dttdEsinU21I-2dRt相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-19相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-20 波形分析法：波形分析法： 根据电源电压根据电源电压 u2 和控制角和控制角 以及负载性质，以

9、及负载性质，作出负载电压作出负载电压 ud 、负载电流、负载电流 id 、和整流元件、和整流元件的电压、电流波形图，从而导出基本电量的计的电压、电流波形图，从而导出基本电量的计算公式及数量关系。算公式及数量关系。 具体步骤：具体步骤：1、绘出、绘出主电路原理图主电路原理图，标出各电量和元件序号；，标出各电量和元件序号；2、画出、画出相（线）电压波形图相（线）电压波形图，确定自，确定自然换相点然换相点；相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-213、根据控制角、根据控制角 在相应位置上绘出在相应位置上绘出触发脉冲触发脉冲，并，并 标明相应序号；标明相应序号；4、根据可控整流电

10、路的工作原理，、根据可控整流电路的工作原理，绘出负载电压绘出负载电压 ud、负载电流、负载电流 id 、SCR电流电流 iT 等波形等波形；5、根据波形图，导出基本、根据波形图，导出基本电量的计算式电量的计算式；6、对整流电路进行、对整流电路进行综合评价综合评价。例如：电路的优、。例如：电路的优、 缺点；电路的可控移相范围；负载电流是否连缺点；电路的可控移相范围；负载电流是否连 续；整流元件承受的最大正、反向电压值；整续；整流元件承受的最大正、反向电压值；整 流电压流电压 ud 的纹波系数的纹波系数 w 和脉动系数和脉动系数 m 等。等。相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院

11、2-22相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-23 Ud 、Id、 U 计算公式与全控桥（计算公式与全控桥（R）一样）一样 流过变压器副边绕组的电流有效值流过变压器副边绕组的电流有效值 I2 流过流过SCR和整流管的电流平均值和有效值和整流管的电流平均值和有效值d2d2I- tdI1IddDdTI21IIdDTI 21II相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-24 产生原因产生原因 突然将触发脉冲切断突然将触发脉冲切断 将将 角增大到角增大到 180 实质：实质： 对晶闸管的工作失去控制作用对晶闸管的工作失去控制作用 避免方法：避免方法： 加续流二极

12、管加续流二极管相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-25相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-26 其它形式的单相桥式半控电路其它形式的单相桥式半控电路相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-27相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-28 特点：变压器带有中心抽头特点：变压器带有中心抽头 两晶闸管共阴极连接两晶闸管共阴极连接 输出波形：与全控桥相同输出波形：与全控桥相同 区别：晶闸管数量减少区别：晶闸管数量减少 容量增加，结构复杂容量增加，结构复杂 应用于小容量场合应用于小容量场合相控整流 March, 20

13、03北方交通大学电气工程学院2-29 优点：优点： 结构简单结构简单 对触发电路的要求较低对触发电路的要求较低 缺点：缺点： 输出直流电压脉动大输出直流电压脉动大 易造成电网负载不平衡易造成电网负载不平衡相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-302.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路一、一、R负载负载相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-31相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-32相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-33cos U1.17tdsinU2321U26562dt6cos1 U0

14、.675 tdsinU232 1U262dt相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-34相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-35 整流电压整流电压 Ud 整流电流整流电流 Id 变压器的相电流变压器的相电流 I2 ，SCR的电流有效值的电流有效值 ITcos U1.17U2dRUIddddT2I577.03III相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-362 = 3U2I2 = d2 = 3U1I1 = 3U2I1 = d (假设假设W1=W2） d2d2d1I473.034I3132I3221Id21P35.12SSS相控整流

15、March, 2003北方交通大学电气工程学院2-37 优点：优点： 输出电压脉动小输出电压脉动小 输出功率大输出功率大 三相负载平衡三相负载平衡 缺点缺点 变压器利用率低变压器利用率低 容易出现直流磁化现象容易出现直流磁化现象 零线上通过较大的负载电流零线上通过较大的负载电流相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-38 结构：共阴极半波加共阳极半波结构：共阴极半波加共阳极半波相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-39相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-40 结构：结构： 由两个（一个为共阴极，一个为共阳极）由两个（一个为共阴极

16、，一个为共阳极）三相半波整流电路组成。三相半波整流电路组成。 优点：优点： 六脉波电路，输出电压脉动更小；六脉波电路，输出电压脉动更小； 变压器绕组无直流磁势；变压器绕组无直流磁势； 变压器绕组正负半周都工作，效率高。变压器绕组正负半周都工作，效率高。相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-41 本组内本组内SCR每隔每隔 120 换流一次；换流一次；共阴极与共阳极组的换流点相隔共阴极与共阳极组的换流点相隔 60 。 SCR的导通顺序：的导通顺序：(6-1) (1-2) (2-3) (3-4) (4-5) (5-6) 自然换相点自然换相点为相电压（或线电压）的交点。为相电压

17、（或线电压）的交点。 必须使用必须使用双窄脉冲双窄脉冲或或宽脉冲宽脉冲（见下页）。（见下页）。相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-42（a）变压器副边）变压器副边 三相电压波形三相电压波形（b）宽脉冲触发）宽脉冲触发（c）双窄脉冲触发）双窄脉冲触发相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-43相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-44相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-45 整流电压整流电压 Ud 变压器的相电流变压器的相电流 I2cosU35. 1cos U34. 2 tdsinU231U223232dt

18、d2I32I相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-46相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-47 整流电压整流电压 UdcosU35. 1cos U34. 2U22d3cos1 U4 3 . 2tdsinU226U232dt相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-48相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-49相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-50 整流电压整流电压 Ud 输出电压为不可控半波电路输出电压输出电压为不可控半波电路输出电压与可控的三相半波电路输出电压之和与可控的三相半波电

19、路输出电压之和2cos1U34. 2)cos(1 U17. 1U22d相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-51相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-52 整流电压整流电压 Ud 同电阻性负载同电阻性负载 输出电压为不可控半波电路输出电压输出电压为不可控半波电路输出电压与可控的三相半波电路输出电压之和与可控的三相半波电路输出电压之和2cos1U34. 2)cos(1 U17. 1U22d相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-53 SCR电流的有效值电流的有效值 IT、整流管电流有效值、整流管电流有效值 ID SCR电流的平均值电

20、流的平均值 IdD 、整流管电流平均值、整流管电流平均值 IdTddDTI577.0I 31IIddDdTI 31II相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-54 变压器副边绕组电流有效值变压器副边绕组电流有效值 I2dd2I816.0I 32Id2I I相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-55 产生原因产生原因 突然将触发脉冲切断突然将触发脉冲切断 将将 角增大到角增大到 180 实质：实质： 对晶闸管的工作对晶闸管的工作失去控制作用失去控制作用 避免方法：避免方法： 加续流二极管加续流二极管相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院

21、2-56 原因原因 变压器存在一定的漏电感变压器存在一定的漏电感 交流回路存在一定的电感交流回路存在一定的电感 结果结果 出现重迭导通现象（两条支路同时导电）出现重迭导通现象（两条支路同时导电） 简化考虑简化考虑 把所有交流侧的电感都折算到变压器副边，把所有交流侧的电感都折算到变压器副边，用集中电感用集中电感 LB 表示。表示。相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-57 以电感负载，三相半波可控整流电路为例以电感负载，三相半波可控整流电路为例相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-58 换相过程换相过程：Id 0 或或 0 Id 换相重叠角换相重叠角

22、：换相过程所对应的相角：换相过程所对应的相角 换相电压换相电压：换相过程中两相间电位差瞬时值：换相过程中两相间电位差瞬时值 uba = ub - ua 换相电压的作用换相电压的作用： 强制导通元件中的电流下降为零；强制导通元件中的电流下降为零； 保证退出导通的元件恢复阻断能力。保证退出导通的元件恢复阻断能力。相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-59 重迭对输出波形的影响重迭对输出波形的影响 换相过程中，整流电压的瞬时值换相过程中，整流电压的瞬时值 与与 = 0时相比，产生了换相压降时相比，产生了换相压降 UddtdiLuuuKBbaab22abKBuudtdiL2abKBbduudtdiLuudddUUUcos0相控整流 March, 2003北方交通大学电气工程学院2-60 对于对于单相全控桥单相全控桥，必须用，必须用 2Id 代替代