電力電子技術(shù)課題五中頻感應(yīng)加熱電源

1、課題五 中頻感應(yīng)加熱電源【學(xué)習(xí)目標(biāo)】：完成本課題的學(xué)習(xí)后，能夠：1了解中頻感應(yīng)加熱裝置的基本原理及應(yīng)用。2掌握中頻感應(yīng)加熱裝置的組成、各部分電路（三相橋式整流電路、觸發(fā)電路、并聯(lián)諧振逆變電路、保護(hù)電路）的工作原理。3掌握觸發(fā)電路與主電路電壓同步的概念以及實(shí)現(xiàn)同步的方法。4了解常用的中頻感應(yīng)加熱裝置的使用注意事項(xiàng)。5熟悉中頻感應(yīng)加熱裝置的安裝、調(diào)試，簡(jiǎn)單的故障維修方法。6了解三相有源逆變電路工作原理及有源逆變電路的應(yīng)用【課題描述】：中頻電源裝置是一種利用晶閘管元件把三相工頻電流變換成某一頻率的中頻電流的裝置，廣泛應(yīng)用在感應(yīng)熔煉和感應(yīng)加熱的領(lǐng)域。圖5-1是常見的感應(yīng)加熱裝置?！鞠嚓P(guān)知識(shí)點(diǎn)】：一、中

2、頻感應(yīng)加熱電源概述1感應(yīng)加熱的原理（1）感應(yīng)加熱的基本原理1831年，英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并且提出了相應(yīng)的理論解釋。其內(nèi)容為，當(dāng)電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變的磁場(chǎng)時(shí)，電路兩端就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，如果閉合就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。電流的熱效應(yīng)可用來加熱。 例如圖5-2中兩個(gè)線圈相互耦合在一起，在第一個(gè)線圈中突然接通直流電流（即將圖中開關(guān)S突然合上）或突然切斷電流（即將圖中開關(guān)S突然打開），此時(shí)在第二個(gè)線圈所接的電流表中可以看出有某一方向或反方向的擺動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，第二個(gè)線圈中的電流稱為感應(yīng)電流，第一個(gè)線圈稱為感應(yīng)線圈。若第一個(gè)線圈的開關(guān)S不斷地接通和斷開，則在第二個(gè)線圈中也將不

3、斷地感應(yīng)出電流。每秒內(nèi)通斷次數(shù)越多（即通斷頻率越高），則感生電流將會(huì)越大。若第一個(gè)線圈中通以交流電流，則第二個(gè)線圈中也感應(yīng)出交流電流。不論第二個(gè)線圈的匝數(shù)為多少，即使只有一匝也會(huì)感應(yīng)出電流。如果第二個(gè)線圈的直徑略小于第一個(gè)線圈的直徑，并將它置于第一個(gè)線圈之內(nèi)，則這種電磁感應(yīng)現(xiàn)象更為明顯，因?yàn)檫@時(shí)兩個(gè)線圈耦合得更為緊密。如果在一個(gè)鋼管上繞了感應(yīng)線圈，鋼管可以看作有一匝直接短接的第二線圈。當(dāng)感應(yīng)線圈內(nèi)通以交流電流時(shí)，在鋼管中將感應(yīng)出電流，從而產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，再利用交變磁場(chǎng)來產(chǎn)生渦流達(dá)到加熱的效果。平常在50Hz的交流電流下，這種感生電流不是很大，所產(chǎn)生的熱量使鋼管溫度略有升高，不足以使鋼管加熱到熱

4、加工所需溫度（常為1200左右）。如果增大電流和提高頻率（相當(dāng)于提高了開關(guān)S的通斷頻率）都可以增加發(fā)熱效果，則鋼管溫度就會(huì)升高?？刂聘袘?yīng)線圈內(nèi)電流的大小和頻率，可以將鋼管加熱到所需溫度進(jìn)行各種熱加工。所以感應(yīng)電源通常需要輸出高頻大電流。利用高頻電源來加熱通常有兩種方法：電介質(zhì)加熱：利用高頻電壓（比如微波爐加熱等）感應(yīng)加熱：利用高頻電流（比如密封包裝等）1） 1） 電介質(zhì)加熱（dielectric heating） 電介質(zhì)加熱通常用來加熱不導(dǎo)電材料，比如木材、橡膠等。微波爐就是利用這個(gè)原理。原理如圖5-3.： 圖5-3電介質(zhì)加熱示意圖當(dāng)高頻電壓加在兩極板層上，就會(huì)在兩極之間產(chǎn)生交變的電場(chǎng)。需要加

5、熱的介質(zhì)處于交變的電場(chǎng)中，介質(zhì)中的極分子或者離子就會(huì)隨著電場(chǎng)做同頻的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)，從而產(chǎn)生熱量，達(dá)到加熱效果。2）感應(yīng)加熱（induction heating）感應(yīng)加熱原理為產(chǎn)生交變的電流，從而產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，再利用交變磁場(chǎng)來產(chǎn)生渦流達(dá)到加熱的效果。如圖5-4 。 圖5-4感應(yīng)加熱示意圖（2）感應(yīng)加熱發(fā)展歷史 感應(yīng)加熱來源于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，也就是交變的電流會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱。長(zhǎng)期以來，技術(shù)人員都對(duì)這一現(xiàn)象有較好了解，并且在各種場(chǎng)合盡量抑止這種發(fā)熱現(xiàn)象，來減小損耗。比較常見的如開關(guān)電源中的變壓器設(shè)計(jì)，通常設(shè)計(jì)人員會(huì)用各種方法來減小渦流損耗，來提高效率。然而在19世紀(jì)

6、末期，技術(shù)人員又發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的有利面，就是可以將之利用到加熱場(chǎng)合。來取代一些傳統(tǒng)的加熱方法，因?yàn)楦袘?yīng)加熱有以下優(yōu)點(diǎn)：1）非接觸式加熱，熱源和受熱物件可以不直接接觸2）加熱效率高，速度快，可以減小表面氧化現(xiàn)象3）容易控制溫度，提高加工精度4）可實(shí)現(xiàn)局部加熱5）可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制6）可減小占地，熱輻射，噪聲和灰塵 中頻電源裝置是一種利用晶閘管元件把三相工頻電流變換成某一頻率的中頻電流的裝置，主要是在感應(yīng)熔煉和感應(yīng)加熱的領(lǐng)域中代替以前的中頻發(fā)電機(jī)組。中頻發(fā)電機(jī)組體積大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，運(yùn)行噪聲大，而且它是輸出一種固定頻率的設(shè)備，運(yùn)行時(shí)必須隨時(shí)調(diào)整電容大小才能保持最大輸出功率，這不但增加了不少中頻接觸器，而

7、且操作起來也很繁瑣。晶閘管中頻電源與這種中頻機(jī)組比，除具有體積小、重量輕、噪聲小、投產(chǎn)快等明顯優(yōu)點(diǎn)外，最主要還有下列一些優(yōu)點(diǎn)：1）降低電力消耗。中頻發(fā)電機(jī)組效率低，一般80%85%，而晶閘管中頻裝置的效率可達(dá)到90%95%，而且中頻裝置起動(dòng)停止方便，在生產(chǎn)過程總短暫的間隙都可以隨時(shí)停機(jī)，從而使空載損耗減小到最低限度（這種短暫的間隙，機(jī)組是不能停下來的）。2）中頻電源的輸出裝置的輸出頻率是隨著負(fù)載參數(shù)的變化而變化的，所以保證裝置始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)，不必像機(jī)組那樣頻繁調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容。12圖5-5 螺絲刀口淬火1螺絲刀口 2感應(yīng)線圈2中頻感應(yīng)加熱電源的用途感應(yīng)加熱的最大特點(diǎn)是將工件直接加熱，工人勞動(dòng)條

8、件好、工件加熱速度快、溫度容易控制等，因此應(yīng)用非常廣泛。主要用于淬火、透熱、熔煉、各種熱處理等方面（1）淬火淬火熱處理工藝在機(jī)械工業(yè)和國(guó)防工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。它是將工件加熱到一定溫度后再快速冷卻下來，以此增加工件的硬度和耐磨性。圖5-5為中頻電源對(duì)螺絲刀口淬火。12圖5-6 彎管的工作過程1感應(yīng)線圈 2鋼管（2）透熱12圖5-7 熔煉爐1感應(yīng)線圈 2金屬溶液在加熱過程中使整個(gè)工件的內(nèi)部和表面溫度大致相等，叫做透熱。透熱主要用在鍛造彎管等加工前的加熱等。中頻電源用于彎管的過程如圖5-6所示。在鋼管待彎部分套上感應(yīng)圈，通入中頻電流后，在套有感應(yīng)圈的鋼管上的帶形區(qū)域內(nèi)被中頻電流加熱，經(jīng)過一定時(shí)間

9、，溫度升高到塑性狀態(tài)，便可以進(jìn)行彎制了。（3）熔煉中頻電源在熔煉中的應(yīng)用最早，圖5-7為中頻感應(yīng)熔煉爐，線圈用銅管繞成，里面通水冷卻。線圈中通過中頻交流電流就可以使?fàn)t中的爐料加熱、熔化，并將液態(tài)金屬再加熱到所需溫度。（4）釬焊釬焊是將釬焊料加熱到融化溫度而使兩個(gè)或幾個(gè)零件連接在一起，通常的錫焊和銅焊都是釬焊。如圖5-8是銅潔具釬焊。 圖5-8 銅潔具釬焊1感應(yīng)線圈 2零件12主要應(yīng)用于機(jī)械加工、采礦、鉆探、木材加工等行業(yè)使用的硬質(zhì)合金車刀、洗刀、刨刀、鉸刀、鋸片、鋸齒的焊接，及金剛石鋸片、刀具、磨具鉆具、刃具的焊接。其他金屬材料的復(fù)合焊接，如：眼鏡部件、銅部件、不銹鋼鍋。3中頻感應(yīng)加熱電源的組

10、成目前應(yīng)用較多的中頻感應(yīng)加熱電源主要由可控或不可控整流電路、濾波器、逆變器、和一些控制保護(hù)電路組成。工作時(shí)，三相工頻（50Hz）交流電經(jīng)整流器整成脈動(dòng)直流，經(jīng)過濾波器變成平滑的直流電送到逆變器。逆變器把直流電轉(zhuǎn)變成頻率較高的交流電流送給負(fù)載。組成框圖如圖59所示。 圖59 中頻感應(yīng)加熱電源組成原理框圖（1）整流電路中頻感應(yīng)加熱電源裝置的整流電路設(shè)計(jì)一般要滿足以下要求：1）整流電路的輸出電壓在一定的范圍內(nèi)可以連續(xù)調(diào)節(jié)。2）整流電路的輸出電流連續(xù)，且電流脈動(dòng)系數(shù)小于一定值。3）整流電路的最大輸出電壓能夠自動(dòng)限制在給定值，而不受負(fù)載阻抗的影響。4）當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)，電路能自動(dòng)停止直流功率輸出，整流電

11、路必須有完善的過電壓、過電流保護(hù)措施。5）當(dāng)逆變器運(yùn)行失敗時(shí)，能把儲(chǔ)存在濾波器的能量通過整流電路返回工頻電網(wǎng)，保護(hù)逆變器。（2）逆變電路 由逆變晶閘管、感應(yīng)線圈、補(bǔ)償電容共同組成逆變器，將直流電變成中頻交流電給負(fù)載。為了提高電路的功率因數(shù)，需要調(diào)協(xié)電容器向感應(yīng)加熱負(fù)載提供無功能量。根據(jù)電容器與感應(yīng)線圈的連接方式可以把逆變器分為：1）串聯(lián)逆變器：電容器與感應(yīng)線圈組成串聯(lián)諧振電路。2）并聯(lián)逆變器：電容器與感應(yīng)線圈組成并聯(lián)諧振電路。3）串、并聯(lián)逆變器：綜合以上兩種逆變器的特點(diǎn)。（3）平波電抗器 平波電抗器在電路中起到很重要的作用,歸納為以下幾點(diǎn)：1）續(xù)流 保證逆變器可靠工作。2）平波 使整流電路得到

12、的直流電流比較平滑。3）電氣隔離 它連接在整流和逆變電路之間起到隔離作用。4）限制電路電流的上升率di/dt值，逆變失敗時(shí)，保護(hù)晶閘管。（4）控制電路中頻感應(yīng)加熱裝置的控制電路比較復(fù)雜，可以包括以下幾種：整流觸發(fā)電路、逆變觸發(fā)電路、起動(dòng)停止控制電路。1）整流觸發(fā)電路 整流觸發(fā)電路主要是保證整流電路正?？煽抗ぷ?，產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖必須達(dá)到以下要求：產(chǎn)生相位互差60的脈沖，依次觸發(fā)整流橋的晶閘管。觸發(fā)脈沖的頻率必須與電源電壓的頻率一致。采用單脈沖時(shí)，脈沖的寬度應(yīng)該大與90，小于120。采用雙脈沖時(shí)，脈沖的寬度為25-30，脈沖的前沿相隔60。輸出脈沖有足夠的功率，一般為可靠觸發(fā)功率的35倍。觸發(fā)電路有

13、足夠的抗干擾能力?？刂平悄茉?170之間平滑移動(dòng)。2）逆變觸發(fā)電路加熱裝置對(duì)逆變觸發(fā)電路的要求如下：具有自動(dòng)跟蹤能力。良好的對(duì)稱性。有足夠的脈沖寬度，觸發(fā)功率，脈沖的前沿有一定的陡度。有足夠的抗干擾能力。3）起動(dòng)、停止控制電路起動(dòng)、停止控制電路主要控制裝置的起動(dòng)、運(yùn)行、停止。一般由按紐、繼電器、接觸器等電器元件組成。（5）保護(hù)電路中頻裝置的晶閘管的過載能力較差，系統(tǒng)中必須有比較完善的保護(hù)措施，比較常用的有阻容吸收裝置和硒堆抑制電路內(nèi)部過電壓，電感線圈、快速熔斷器等元件限制電流變化率和過電流保護(hù)。另外，還必須根據(jù)中頻裝置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)安裝相應(yīng)的保護(hù)電路。二、整流主電路1三相半波可控整流電路（1）三

14、相半波不可控整流電路圖510 三相半波不可控整流電路及波形為了更好地理解三相半波可控整流電路，我們先來看一下由二極管組成的不可控整流電路，如圖5-10(a)所示。此電路可由三相變壓器供電，也可直接接到三相四線制的交流電源上。變壓器二次側(cè)相電壓有效值為U2，線電壓為U2L。其接法是三個(gè)整流管的陽極分別接到變壓器二次側(cè)的三相電源上，而三個(gè)陰極接在一起，接到負(fù)載的一端，負(fù)載的另一端接到整流變壓器的中線，形成回路。此種接法稱為共陰極接法。圖510(b)中示出了三相交流電uu、uv和uw波形圖。ud是輸出電壓的波形，uD是二極管承受的電壓的波形。由于整流二極管導(dǎo)通的唯一條件就是陽極電位高于陰極電位，而三

15、只二極管又是共陰極連接的，且陽極所接的三相電源的相電壓是不斷變化的，所以哪一相的二極管導(dǎo)通就要看其陽極所接的相電壓uu、uv和uw中哪一相的瞬時(shí)值最高，則與該相相連的二極管就會(huì)導(dǎo)通。其余兩只二極管就會(huì)因承受反向電壓而關(guān)斷。例如，在圖510(b)中t1t2區(qū)間，u相的瞬時(shí)電壓值uu最高因此與u相相連的二極管VD1優(yōu)先導(dǎo)通，所以與v相、w相相連的二極管VD2和VD3則分別承受反向線電壓uvu、uwu關(guān)斷。若忽略二極管的導(dǎo)通壓降，此時(shí)，輸出電壓ud就等于u相的電源電壓uu。同理，當(dāng)t2時(shí)，由于v相的電壓uv開始高于u相的電壓uu而變?yōu)樽罡?，因此電流就要由VDl換流給VD2，VD1和VD3又會(huì)承受反向

16、線電壓而處于阻斷狀態(tài)，輸出電壓uduv。同樣在t3以后，因w相電壓uw最高，所以VD3導(dǎo)通，VDl和VD2受反壓而關(guān)斷，輸出電壓uduw。以后又重復(fù)上述過程。可以看出，三相半波不可控整流電路中三個(gè)極管輪流導(dǎo)通，導(dǎo)通角均為120，輸出電壓ud是脈動(dòng)的三相交流相電壓波形的正向包絡(luò)線，負(fù)載電流波形形狀與ud相同。其輸出直流電壓的平均值Ud為整流二極管承受的電壓的波形如圖510（b）所示。以VDl為例。在t1t2區(qū)間，由于VD1導(dǎo)通，所以u(píng)D1為零；在t2t3區(qū)間，VD2導(dǎo)通，則VD1承受反向電壓uuv，即uD1uuv；在t3t4區(qū)間，VD3導(dǎo)通，則VD1承受反向電壓uuw，即uD1uuw。從圖中還可

17、看出，整流二極管承受的最大的反向電壓就是三相交壓的峰值，即從圖510(b)中還可看到，1、2、3這三個(gè)點(diǎn)分別是二極管VDl、VD2和VD3的導(dǎo)通起始點(diǎn)，即每經(jīng)過其中一點(diǎn)，電流就會(huì)自動(dòng)從前一相換流至后一相，這種換相是利用三相電源電壓的變化自然進(jìn)行的，因此把1、2、3點(diǎn)稱為自然換相點(diǎn)。（2）三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路有兩種接線方式，分別為共陰極、共陽極接法。由于共陰極接法觸發(fā)脈沖有共用線，使用調(diào)試方便，所以三相半波共陰極接法常被采用。1）電路結(jié)構(gòu)將圖510（a）中三個(gè)二極管換成晶閘管就組成了共陰極接法的三相半波可控整流電路。如圖511（a）所示，電路中，整流變壓器的一次側(cè)采用三角形聯(lián)

18、結(jié)，防止三次諧波進(jìn)入電網(wǎng)。二次側(cè)采用星形聯(lián)結(jié)，可以引出中性線。三個(gè)晶閘管的陰極短接在一起，陽極分別接到三相電源。 2)電路工作原理030=0時(shí)，三個(gè)晶閘管相當(dāng)于三個(gè)整流二極管，負(fù)載兩端的電流電壓波形如圖510所示相同，晶閘管兩端的電壓波形，由3段組成：第1段，VT1導(dǎo)通期間，為一管壓降，可近似為uT1=0 第2段，在VT1關(guān)斷后，VT2導(dǎo)通期間，uT1=uu-uv=uuv，為一段線電壓 第3段，在VT3導(dǎo)通期間，uT1=uu-uw=uuw為另一段線電壓， 如果增大控制角,將脈沖后移,整流電路的工作情況相應(yīng)地發(fā)生變化，假設(shè)電路已在工作，W相所接的晶閘管VT3導(dǎo)通，經(jīng)過自然換相點(diǎn)“1”時(shí)，由于U相

19、所接晶閘管VT1的觸發(fā)脈沖尚未送到，VT1無法導(dǎo)通。于是VT3仍承受正向電壓繼續(xù)導(dǎo)通，直到過U相自然換相點(diǎn)“1”點(diǎn)30，晶閘管VT1被觸發(fā)導(dǎo)通，輸出直流電壓由W相換到U相，如圖5-11（b）所示。為=30時(shí)的輸出電壓和電流波形以及晶閘管兩端電壓波形：圖511 三相半波可控整流電路及=30時(shí)的波形30150當(dāng)觸發(fā)角30時(shí)，此時(shí)的電壓和電流波形斷續(xù)，各個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角小于120，此時(shí)=60的波形如圖5-12所示。圖512 三相半波可控整流電路=60的波形3）基本的物理量計(jì)算：整流輸出電壓的平均值計(jì)算：當(dāng)030時(shí)，此時(shí)電流波形連續(xù)，通過分析可得到：當(dāng)30150時(shí)，此時(shí)電流波形斷續(xù)，通過分析可得到：直

20、流輸出平均電流對(duì)于電阻性負(fù)載，電流與電壓波形是一致的，數(shù)量關(guān)系為： Id = Ud/Rd：晶閘管承受的電壓和控制角的移相范圍由前面的波形分析可以知道，晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次側(cè)線電壓的峰值。電流斷續(xù)時(shí)，晶閘管承受的是電源的相電壓，所以晶閘管承受的最大正向電壓為相電壓的峰值即：由前面的波形分析還可以知道，當(dāng)觸發(fā)脈沖后移到=150時(shí)，此時(shí)正好為電源相電壓的過零點(diǎn)，后面晶閘管不在承受正向電壓，也就是說，晶閘管無法導(dǎo)通。因此，三相半波可控整流電路在電阻性負(fù)載時(shí)，控制角的移相范圍是0150。（3）三相半波共陽極可控整流電路圖513 三相半波共陽極可控整流電路及波形共陽極可控整流電路就是把三個(gè)

21、晶閘管的陽極接到一起，陰極分別接到三相交流電源。這種電路的電路及波形如圖513所示，工作原理與共陰極整流電路基本一致。同樣，需要晶閘管承受正向電壓即陽極電位高于陰極電位時(shí)，才可能導(dǎo)通。所以三只晶閘管中，哪一個(gè)晶閘管的陰極電位最低，哪個(gè)晶閘管就有可能導(dǎo)通。由于輸出電壓的波形在橫軸下面，即輸出電壓的平均值為： Ud-1.17U2 cos 上述兩種整流電路，無論是共陰極可控整流電路還是共陽極可控整流電路，都只用三只晶閘管，所以電路接線比較簡(jiǎn)單。但是，變壓器的繞組利用率較低。繞組的電流是單方向的，因此還存在直流磁化現(xiàn)象。負(fù)載電流要經(jīng)過電源的零線。會(huì)導(dǎo)致額外的損耗。所以，三相半波整流電路一般用于小容量場(chǎng)

22、合。2三相橋式全控整流電路（1）電阻性負(fù)載1）電路組成三相橋式全控整流電路實(shí)質(zhì)上是一組共陰極半波可控整流電路與共陽極半波可控整流電路的串聯(lián)，在上一節(jié)的內(nèi)容中，共陰極半波可控整流電路實(shí)際上只利用電源變壓器的正半周期，共陽極半波可控整流電路只利用電源變壓器的負(fù)半周期，如果兩種電路的負(fù)載電流一樣大小，可以利用同一電源變壓器。即兩種電路串聯(lián)便可以得到三相橋式全控整流電路，電路的組成如圖5-14所示。2）工作原理（以電阻性負(fù)載，0分析）在共陰極組的自然換相點(diǎn)分別觸發(fā)VT1，VT3，VT5晶閘管，共陽極組的自然換相點(diǎn)分別觸發(fā)VT2，VT4，VT6晶閘管，兩組的自然換相點(diǎn)對(duì)應(yīng)相差60，電路各自在本組內(nèi)換流，

23、即VT1 VT3 VT5 VT1,VT2 VT4 VT6 VT2，每個(gè)管子輪流導(dǎo)通120。由于中性線斷開，要使電流流通，負(fù)載端有輸出電壓，必須在共陰極和共陽極組中各有一個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。t1t2期間，u相電壓最高，v相電壓最低，在觸發(fā)脈沖作用下，VT6、VT1管同時(shí)導(dǎo)通，電流從u相流出，經(jīng)VT1負(fù)載 VT6流回v相，負(fù)載上得到u、v相線電壓uuv。從t2開始，u相電壓仍保持電位最高，VT1繼續(xù)導(dǎo)通，但w相電壓開始比v相更低，此時(shí)觸發(fā)脈沖觸發(fā)VT2導(dǎo)通，迫使VT6承受反壓而關(guān)斷，負(fù)載電流從VT6中換到VT2，以此類推在負(fù)載兩端的波形如圖5-15所示。導(dǎo)通晶閘管及負(fù)載電壓如表51表51導(dǎo)通期間t1

24、t2t2t3t3t4t4t5t5t6t6t7導(dǎo)通VTVT1，VT6VT1，VT2VT3，VT2VT3，VT4VT5，VT4VT5，VT6共陰電壓u相 u相v相v相w相w相共陽電壓v相w相 w相 u相u相v相負(fù)載電壓uv線電壓uuvuw線電壓uuwvw線電壓uvwvu線電壓uvuwu線電壓uwuwv線電壓uwv3）三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)必須有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才可能形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各一個(gè)，且不能為同一相的器件。對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60，共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、

25、VT2也依次差120。同一相的上下兩個(gè)晶閘管，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。（2）為了可靠觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管，觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度，通常采用單寬脈沖觸發(fā)或采用雙窄脈沖。但實(shí)際應(yīng)用中，為了減少脈沖變壓器的鐵心損耗，大多采用雙窄脈沖。 4）不同控制角時(shí)的波形分析：=30時(shí)的工作情況(波形如圖5-16)這種情況與=0時(shí)的區(qū)別在于：晶閘管起始導(dǎo)圖516 三相全控橋整流電路=30的波形通時(shí)刻推遲了30，組成ud的每一段線電壓因此推遲30，從wt1開始把一周期等分為6段，ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號(hào)等仍符合表51的規(guī)律。變壓器二次側(cè)電流ia波形的特點(diǎn)

26、：在VT1處于通態(tài)的120期間，ia為正，ia波形的形狀與同時(shí)段的ud波形相同，在VT4處于通態(tài)的120期間，ia波形的形狀也與同時(shí)段的ud波形相同，但為負(fù)值。=60時(shí)的工作情況(波形如圖5-17)圖517 三相全控橋整流電路=60的波形此時(shí)ud的波形中每段線電壓的波形繼續(xù)后移，ud平均值繼續(xù)降低。=60時(shí)ud出現(xiàn)為零的點(diǎn)，這種情況即為輸出電壓ud為連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn)。=90時(shí)的工作情況(波形如圖5-18)圖518 三相全控橋整流電路=90的波形此時(shí)ud的波形中每段線電壓的波形繼續(xù)后移，ud平均值繼續(xù)降低。=90時(shí)ud波形斷續(xù)，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角小于120。小結(jié)：1當(dāng)60時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)

27、于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)。2當(dāng)60時(shí)，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值，帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路角的移相范圍是120。（2）電感性負(fù)載1）電路工作原理60時(shí)，ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。兩種負(fù)載時(shí)的區(qū)別在于：由于負(fù)載不同，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流id波形不同。阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線。0和30波形如圖5-19和圖5-20所示。圖519 三相橋式全控整流電路阻感

28、負(fù)載0波形圖520 三相橋式全控整流電路阻感負(fù)載30波形60時(shí)阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同，電阻負(fù)載時(shí)ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感L的作用，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，90時(shí)波形如圖521所示?？梢?，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為090 。圖521 三相橋式全控整流電路阻感負(fù)載90波形（3）基本的物理量計(jì)算 1）整流電路輸出直流平均電壓當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載60時(shí)）的平均值為：帶電阻負(fù)載且60時(shí)，整流電壓平均值為：2）輸出電流平均值為 ：Id=Ud /R3）當(dāng)整流變壓器為采用星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形如圖5

29、所示，為正負(fù)半周各寬120、前沿相差180的矩形波，其有效值為：晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時(shí)一致。二、平波電抗器的及簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)平波電抗器的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)計(jì)算步驟平波電抗器的主要參數(shù)是額定電流和電感量，電感量的計(jì)算依據(jù)為：1）保證電流連續(xù)所需要的電感量。2）限制電流脈動(dòng)所需要電感量。3）抑制環(huán)流所需要的電感量。一般情況下，平波電抗器的計(jì)算程序如下：1）根據(jù)給定原始數(shù)據(jù)L和Id，計(jì)算Id2L；2）根據(jù)選用的硅鋼片的磁化曲線確定B0，3）根據(jù)選用的導(dǎo)線的絕緣材料和冷卻方式，選取電流密度。如選用自然冷卻的銅導(dǎo)線，取j=250A/cm2，4）按優(yōu)化設(shè)計(jì)原則計(jì)算，要求可能的情況下，最小體積設(shè)計(jì)。另外，

30、還有相對(duì)氣隙，匝數(shù)，磁場(chǎng)強(qiáng)度以及電感量等方面。具體設(shè)計(jì)方法可以參考相關(guān)資料。三、整流觸發(fā)電路整流電路的觸發(fā)電路有很多種，要根據(jù)具體的整流電路和應(yīng)用場(chǎng)合選擇不同的觸發(fā)電路。實(shí)際中，大多情況選用鋸齒波同步觸發(fā)電路和集成觸發(fā)器。1 1 鋸齒波同步觸發(fā)電路的組成和工作原理鋸齒波同步觸發(fā)電路有鋸齒波形成、同步移相、脈沖形成放大環(huán)節(jié)、雙脈沖、脈沖封鎖等環(huán)節(jié)和強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié)等組成。可觸發(fā)200A的晶閘管。由于同步電壓采用鋸齒波，不直接受電網(wǎng)波動(dòng)與波形畸變的影響，移相范圍寬，在大中容量中得到廣泛應(yīng)用。圖522鋸齒波同步觸發(fā)電路原理圖 鋸齒波同步觸發(fā)電路原理圖如圖5-22所示，下面分環(huán)節(jié)介紹：（1）鋸齒波形成和同步

31、移相控制環(huán)節(jié)1）鋸齒波形成V1、V9、R3、R4組成的恒流源電路對(duì)充電形成鋸齒波電壓，當(dāng)截止時(shí)，恒流源電流Ic1對(duì)恒流充電，電容兩端電壓為Ic1=Uv9/(R3+RP2) 因此調(diào)節(jié)電位器RP2即可調(diào)節(jié)鋸齒波斜率。當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí)，由于R4阻值很小，C2迅速放電。所以只要V2管周期性導(dǎo)通關(guān)斷，電容C2兩端就能得到線性很好的鋸齒波電壓。Ub4為合成電壓（鋸齒波電壓為基礎(chǔ)，再疊加b、Uc）通過調(diào)節(jié)c來調(diào)節(jié)。2）同步環(huán)節(jié)同步環(huán)節(jié)由同步變壓器TS和V2管等元件組成。鋸齒波觸發(fā)電路輸出的脈沖怎樣才能與主回路同步呢？由前面的分析可知，脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻是由V4導(dǎo)通時(shí)刻決定（鋸齒波和Ub、Uc之和達(dá)到0.7時(shí)），由此

32、可見，若鋸齒波的頻率與主電路電源頻率同步即能使觸發(fā)脈沖與主電路電源同步，鋸齒波是由V2管來控制的，V2管由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波，V2管截止的持續(xù)時(shí)間就是鋸齒波的脈寬，V2管的開關(guān)頻率就是鋸齒波的頻率。在這里，同步變壓器TS和主電路整流變壓器接在同一電源上，用TS次級(jí)電壓來控制V2的導(dǎo)通和截止，從而保證了觸發(fā)電路發(fā)出的脈沖與主電路電源同步。工作時(shí)，把負(fù)偏移電壓Ub調(diào)整到某值固定后，改變控制電壓Uc，就能改變ub4波形與時(shí)間橫軸的交點(diǎn)，就改變了V4轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的時(shí)刻，即改變了觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻，達(dá)到移相的目的。電路中增加負(fù)偏移電壓Ub的目的是為了調(diào)整Uc時(shí)觸發(fā)脈沖的初始位置。（2）脈沖形成、整形和

33、放大輸出環(huán)節(jié)1）當(dāng)ub4IRDIT (實(shí)際管子最大電流有效值)3電壓與電流上升率的限制(1)晶閘管的正向電壓上升率的限制晶閘管在阻斷狀態(tài)下它的J2結(jié)面存在著結(jié)電容。當(dāng)加在晶閘管上的正向電壓上升率較大時(shí)，便會(huì)有較大的充電電流流過J2結(jié)面，起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管誤導(dǎo)通。晶閘管的誤導(dǎo)通會(huì)引起很大的浪涌電流，使快速熔斷器熔斷或使晶閘管損壞。變壓器的漏感和保護(hù)用的RC電路組成濾波環(huán)節(jié)，對(duì)過電壓有一定的延緩作用，使作用于晶閘管的正向電壓上升率大大地減小，因而不會(huì)引起晶閘管的誤導(dǎo)通。晶閘管的阻容保護(hù)也有抑制的作用。(2) 電流上升率及其限制晶閘管在導(dǎo)通瞬間，電流集中在門極附近，隨著時(shí)間的推移導(dǎo)通區(qū)材逐

34、漸擴(kuò)大，直到整個(gè)結(jié)面導(dǎo)通為止。在此過程中，電流上升率應(yīng)限制在通態(tài)電流臨界上升率以內(nèi)，否則將導(dǎo)致門極附近過熱，損壞晶閘管。晶閘管在換相過程中，導(dǎo)通的晶閘管電流逐漸增大，產(chǎn)生換相電流上升率。通常由于變壓器漏感的存在而受到限制。晶閘管換相過程中，相當(dāng)于交流側(cè)線電壓短路，交流側(cè)阻容保護(hù)電路電容中的儲(chǔ)能很快地釋放，使導(dǎo)通的晶閘管產(chǎn)生較大的di/dt。采用整流式阻容保護(hù)，可以防止這一原因造成過大的di/dt。晶閘管換相結(jié)束時(shí)，直流側(cè)輸出電壓瞬時(shí)值提高，使直流側(cè)阻容保護(hù)有一個(gè)較大的充電電流，造成導(dǎo)通的晶閘管di/dt增大。采用整流式阻容保護(hù)，可以減小這一原因造成過大的di/dt。六、逆變主電路1逆變的基本概

35、念和換流方式（1）逆變的基本概念將直流電變換成交流電的電路稱為逆變電路，根據(jù)交流電的用途可以分為有源逆變和無源逆變。有源逆變是把交流電回饋電網(wǎng)，無源逆變是把交流電供給不同頻率需要的負(fù)載。無源逆變就是通常說到的變頻。（2）逆變電路的換流方式換流實(shí)質(zhì)就是電流在由半導(dǎo)體器件組成的電路中不同橋臂之間的轉(zhuǎn)移。常用的電力變流器的換流方式有以下幾種：1）負(fù)載諧振換流由負(fù)載諧振電路產(chǎn)生一個(gè)電壓，在換流時(shí)關(guān)斷已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，一般有串聯(lián)和并聯(lián)諧振逆變電路，或兩者共同組成的串、并聯(lián)諧振逆變電路。2）強(qiáng)迫換流附加換流電路，在換流時(shí)產(chǎn)生一個(gè)反向電壓關(guān)斷晶閘管。3）器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。（3）逆變

36、電路基本工作原理電路圖和對(duì)應(yīng)的波形圖如圖5-32；說明幾點(diǎn)：圖532 逆變電路原理示意圖及波形圖1）S1、S4閉合，S2、S3斷開，輸出uo為正，反之，S1、S4斷開，S2、S3閉合，輸出uo為負(fù)，這樣就把直流電變換成交流電。2）改變兩組開關(guān)的切換頻率，可以改變輸出交流電的頻率。3）電阻性負(fù)載時(shí)，電流和電壓的波形相同。電感性負(fù)載時(shí)，電流和電壓的波形不相同，電流滯后電壓一定的角度。2單相逆變電路電路根據(jù)直流電源的性質(zhì)不同，可以分為電流型、電壓型逆變電路。（1）電壓型逆變電路（電路圖如圖5-33所示）：電壓型逆變電路的基本特點(diǎn)：1)直流側(cè)并聯(lián)大電容，直流電壓基本無脈動(dòng)。2)輸出電壓為矩形波，電流波

37、形與負(fù)載有關(guān)。3)電感性負(fù)載時(shí)，需要提供無功。為了有無功通道，逆變橋臂需要并聯(lián)二極管。圖533 電壓型逆變電路原理圖 （2）電流型逆變電路（電路圖如圖5-34所示）電流型逆變電路的基本特點(diǎn)：圖534 電流型逆變電路原理圖1）直流側(cè)串聯(lián)大電感，直流電源電流基本無脈動(dòng)。2）交流側(cè)電容用于吸收換流時(shí)負(fù)載電感的能量。這種電路的換流方式一般有強(qiáng)迫換流和負(fù)載換流。3）輸出電流為矩形波，電壓波形與負(fù)載有關(guān)。4）直流側(cè)電感起到緩沖無功能量的作用，晶閘管兩端不需要并聯(lián)二極管。3單相電流型逆變電路（1）電路結(jié)構(gòu)電路原理圖如圖5-35所示：圖535 單相電流型逆變電路原理圖橋臂串入4個(gè)電感器，用來限制晶閘管開通時(shí)的

38、電流上升率di/dt。VT1VT4以10005000Hz的中頻輪流導(dǎo)通，可以在負(fù)載得到中頻電流。采用負(fù)載換流方式，要求負(fù)載電流要超前電壓一定的角度。負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線圈，用來加熱線圈的導(dǎo)電材料。等效為R、C串聯(lián)電路。并聯(lián)電容C，主要為了提高功率因數(shù)。同時(shí)，電容C和R、L可以構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，因此，這種電路也叫并聯(lián)諧振式逆變電路。（2）工作原理輸出的電流波形接近矩形波，含有基波和高次諧波，且諧波的幅值小于基波的幅值。波形如圖5-36所示 。圖536 單相電流型逆變電路波形圖基波頻率接近負(fù)載諧振的頻率，負(fù)載對(duì)基波呈高阻抗。對(duì)諧波呈低阻抗，諧波在負(fù)載的壓降很小。因此，負(fù)載的電壓波形接近于正弦波。一個(gè)周期中，有兩個(gè)導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。t1t2階段，VT1，VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，io=Id；t2時(shí)刻以前在電容C建立左正右負(fù)的電壓。t2t4：t2時(shí)刻觸發(fā)VT2，VT3，進(jìn)入換流階段。LT使VT1，VT4不能立即關(guān)斷，電流有一個(gè)減小的過程。VT2，VT3的電流有一個(gè)增大的過程。4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通。負(fù)載電容電壓經(jīng)過兩