第2章交流-直流變換電路(含有源逆變電路)-1

2.3三相半波可控整流電路

單相可控整流電路元件少，線路簡單，但其輸出電壓的脈動較大，同時由于單相供電，引起三相電網(wǎng)不平衡，故僅適用于小容量設(shè)備。當(dāng)設(shè)備容量較大，要求輸出電壓脈動較小時，則多采用三相可控整流電路。三相可控整流電路有三相半波可控整流電路、三相橋式可控整流電路等多種形式。其中三相半波可控電路是多相整流電路的基礎(chǔ)，而三相橋式整流電路可以看作三相半波可控電路不同形式的組合。根據(jù)晶閘管的接法不同，三相半波可控整流電路又可分為三相半波共陰極組電路和三相半波共陽極組電路。2.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路

三相半波共陰極組可控整流電路也叫三相零式可控整流電路。為得到零線，變壓器二次側(cè)要接成星形，而一次側(cè)接成三角形，為3次諧波電流提供通路，減少3次諧波對電網(wǎng)的影響。三只晶閘管的陰極連接在一起，陽極分別接a、b、c三相電源，這種接法稱為共陰極接法。

以晶閘管共陰極端作為輸出電壓的正端，變壓器二次側(cè)的零線作為輸出電壓的負(fù)端，規(guī)定負(fù)載電壓的正方向為從三只晶閘管的共陰極端指向變壓器二次側(cè)的零線，負(fù)載電流的正方向與負(fù)載電壓的正方向相同。2.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路O

若將電路中的晶閘管VT1～VT3換成二極管VD1～VD3，該電路即成為三相半波不可控整流電路。將二極管的換相時刻定義為三相可控整流電路的自然換相點。對三相半波可控整流電路而言，自然換相點是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時刻，也就是二極管的自然換相點，將其作為計算各晶閘管觸發(fā)角α的起始點，即α=0°。2.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路

這與單相整流電路自然換相點的定義不同，單相相控整流電路的自然換相點是變壓器二次電壓的過零點，而三相相控整流電路的自然換相點是三個相電壓的交點。Owttwwtwtw20ωt1p2ptuG0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++uωt2uLuR2.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路

各個觸發(fā)脈沖應(yīng)依次間隔120°，每只晶閘管的觸發(fā)角度都相同。晶閘管VT1兩端電壓uVT1的波形由3段組成。如圖2-17所示。第1段是VT1導(dǎo)通期間，電壓為晶閘管的導(dǎo)通管壓降,uVT1≈0；第2段是VT2導(dǎo)通期間a、b兩相之間的線電壓，uVT1=ua-ub=uab；第3段是VT3導(dǎo)通期間a、c兩相之間的線電壓，uVT1=ua-uc=uac。其它兩只晶閘管的電壓波形形狀均與其相同，其相位依次滯后120°。2.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路

α=30°時，晶閘管的導(dǎo)通角為120°，但這時負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界點。如圖3-18a所示。

圖3-18三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載，α=30°的工作波形若α＞30°，則當(dāng)正在導(dǎo)通的晶閘管對應(yīng)的相電壓過零變負(fù)時，該相晶閘管即關(guān)斷。而此時下一相晶閘管雖已承受正壓，但因無觸發(fā)脈沖而尚未導(dǎo)通，負(fù)載電壓和電流均為零，直到下一相晶閘管的觸發(fā)脈沖出現(xiàn)為止。這會導(dǎo)致負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管的導(dǎo)通角小于120°。如圖2-18b所示。2.3三相半波可控整流電路圖3-18三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載，α=60°的工作波形2.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路

電流斷續(xù)時，一個周期內(nèi)晶閘管VT1兩端電壓波形uVT1共分為六段。如圖3-18b所示。

0～ωt1段，VT1截止，VT3導(dǎo)通，則uVT1=uac；

ωt1～ωt2段，c相電壓過零變負(fù)，VT3截止，VT1承受a相正向電壓，但由于沒有觸發(fā)信號不導(dǎo)通，則uVT1=ua；

ωt2～ωt3段，VT1觸發(fā)導(dǎo)通，則uVT1=0；

ωt3～ωt4段，a相電壓過零變負(fù)，VT1截止，VT2承受b相正向電壓，但由于沒有觸發(fā)信號不導(dǎo)通，則uVT1=ua；

ωt4～ωt5段，VT2觸發(fā)導(dǎo)通，則uVT1=uab；

ωt5～ωt6段，b相電壓過零變負(fù)，VT2截止，VT3承受c相正向電壓，但由于沒有觸發(fā)信號不導(dǎo)通，則uVT1=ua；

ωt6～ωt7段，VT3觸發(fā)導(dǎo)通，則uVT1=uac。2.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路圖3-18三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載，α=30°和α=60°的工作波形2.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路表2-12三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載時各區(qū)間工作情況（α≤30°）ωtπ/6+α～5π/6+α5π/6+α～3π/2+α3π/2+α～13π/6+α晶閘管導(dǎo)通情況VT1導(dǎo)通，VT2、VT3截止VT2導(dǎo)通，VT1、VT3截止VT3導(dǎo)通，VT1、VT2截止uduaubucuVT10uabuaciVT1ua/R002.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路表2-13三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載時各區(qū)間工作情況（α>30°）ωtπ/6+α～ππ～5π/6+α5π/6+α～5π/35π/3～3π/2+α3π/2+α～7π/37π/3～13π/6+α晶閘管導(dǎo)通情況VT1導(dǎo)通，VT2、VT3截止VT1、VT2、VT3截止VT2導(dǎo)通，VT1、VT3截止VT1、VT2、VT3截止VT3導(dǎo)通，VT1、VT2截止VT1、VT2、VT3截止uduVT1iVT12.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路基本數(shù)量關(guān)系：1)直流輸出電壓平均值α≤30°時，輸出電流連續(xù)α=0°時，輸出電壓Ud最大， 。α>30°時，輸出電流斷續(xù)α=150°時，輸出電壓為零。因此，三相半波可控整流電路帶電阻性負(fù)載時，觸發(fā)角α的移相范圍是150°。2.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路基本數(shù)量關(guān)系：2）直流輸出電流平均值3）晶閘管電流平均值4）晶閘管電流有效值α>30°時α≤30°時2.3.1三相半波共陰極組可控整流電路帶電阻性負(fù)載2.3三相半波可控整流電路基本數(shù)量關(guān)系：5）晶閘管承受的最大正、反向電壓UTM

晶閘管承受的最大正向電壓是變壓器二次相電壓的峰值， ；

晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器二次線電壓的峰值， 。

在選擇晶閘管的額定電壓時，應(yīng)根據(jù)晶閘管實際承受的最大反向電壓進(jìn)行計算， 。 2.3.2三相半波共陰極組可控整流電路帶阻感性負(fù)載

2.3三相半波可控整流電路

為了便于分析，假設(shè)電感極大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài)，因此負(fù)載電流id的波形基本是平直的。

α≤30°時，負(fù)載電壓ud波形與電阻負(fù)載時相同；

α＞30°時，當(dāng)某相電壓過零變負(fù)時，由于電感的續(xù)流作用，電流不會降到零，因此該相晶閘管仍然導(dǎo)通，直到下一相晶閘管觸發(fā)脈沖出現(xiàn)才能夠換流。2.3.2三相半波共陰極組可控整流電路帶阻感性負(fù)載

2.3三相半波可控整流電路2.3.2三相半波共陰極組可控整流電路帶阻感性負(fù)載

2.3三相半波可控整流電路

在電感的續(xù)流作用下，負(fù)載電壓波形中會出現(xiàn)負(fù)的部分。隨著α的增大，負(fù)載電壓波形中負(fù)的部分將增加。當(dāng)α=90°時，負(fù)載電壓ud波形中正、負(fù)面積相等，負(fù)載電壓平均值Ud為零，即大電感負(fù)載時，三相半波相控整流電路的移相范圍為90°。2.3.2三相半波共陰極組可控整流電路帶阻感性負(fù)載

2.3三相半波可控整流電路表2-14三相半波共陰極組可控整流電路，帶阻感性負(fù)載時各區(qū)間工作情況ωtπ/6+α～5π/6+α5π/6+α～3π/2+α3π/2+α～13π/6+α晶閘管導(dǎo)通情況VT1導(dǎo)通，VT2、VT3截止VT2導(dǎo)通，VT1、VT3截止VT3導(dǎo)通，VT1、VT2截止uduaubucuVT10uabuacUdid近似為水平直線，Id=Ud/R晶閘管電流的有效值IVT2.3.2三相半波共陰極組可控整流電路帶阻感性負(fù)載

2.3三相半波可控整流電路基本數(shù)量關(guān)系：1）直流輸出電壓平均值

輸出電壓ud波形連續(xù)，當(dāng)α=90°時，輸出電壓為零。因此，三相半波可控整流電路，帶阻感性負(fù)載時，觸發(fā)角α的移相范圍是90°。2）直流輸出電流平均值2.3.2三相半波共陰極組可控整流電路帶阻感性負(fù)載

323三相半波可控整流電路基本數(shù)量關(guān)系：3）晶閘管電流平均值4）晶閘管及變壓器二次電流有效值

選擇晶閘管的額定電流應(yīng)按有效值相等的原則選取，不考慮安全裕量時，2.3.2三相半波共陰極組可控整流電路帶阻感性負(fù)載

2.3三相半波可控整流電路基本數(shù)量關(guān)系：考慮安全裕量時，5）晶閘管承受的最大正、反向電壓UTM變壓器二次線電壓的峰值， 選擇晶閘管的額定電壓時，還要考慮2~3倍的安全裕量。

三相半波可控整流電路的主要缺點是變壓器二次電流中含有直流分量，使變壓器存在直流磁化現(xiàn)象，因此實際應(yīng)用比較少。2.3.3三相半波共陰極組可控整流電路帶反電動勢負(fù)載

2.3三相半波可控整流電路

當(dāng)負(fù)載為蓄電池或直流電動機(jī)的電樞時，負(fù)載可看成是一個直流電壓源，對于整流電路，它們就是反電動勢負(fù)載。

設(shè)反電動勢為E，在交流電源與反電動勢負(fù)載的串聯(lián)電路中，只有在u2>E時，晶閘管才開始真正承受正電壓，才有觸發(fā)導(dǎo)通的可能。晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通之后，ud=u2，。abcRudidVT1VT2VT3udiduaubucOwtOwtaEEdwt1dO2.3.3三相半波共陰極組可控整流電路帶反電動勢負(fù)載

2.3三相半波可控整流電路

與電阻負(fù)載時相比，晶閘管提前電角度停止導(dǎo)電，稱為停止導(dǎo)電角。不難看出，在α角相同時，帶反電動勢電阻負(fù)載的電路，整流輸出電壓平均值比帶電阻性負(fù)載時大。

在α＜時觸發(fā)晶閘管VT1，由于此時ua＜E，VT1承受反壓不能導(dǎo)通。為了使晶閘管能可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度，保證當(dāng)t=時刻晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲到角。2.3.4三相半波共陽極組可控整流電路2.3三相半波可控整流電路

三相半波共陽極組可控整流電路，它將三只晶閘管的陽極連在一起，其陰極分別接變壓器的三相繞組。

共陽極接法，各晶閘管只能在相電壓為負(fù)時觸發(fā)導(dǎo)通，換流總是從陰極電位較高的相換到陰極電位較低的相。自然換相點為三相電源相電壓負(fù)半波的交點。如圖2-22所示。

三相半波共陽極組可控整流電路，仍然以晶閘管共陽極端作為輸出電壓的正端，變壓器二次側(cè)的零線作為輸出電壓的負(fù)端，仍然規(guī)定負(fù)載電壓的正方向為從三只晶閘管的共陽極端指向變壓器二次側(cè)的零線，負(fù)載電流的正方向與負(fù)載電壓的正方向相同。因此，三相半波共陽極組可控整流電路負(fù)載電壓ud為負(fù)值，實際負(fù)載電流id亦為負(fù)值。2.3.4三相半波共陽極組可控整流電路2.3三相半波可控整流電路3.3.4三相半波共陽極組可控整流電路3.3三相半波可控整流電路

三相半波可控整流電路晶閘管元件少，只需三套觸發(fā)裝置分別給三只晶閘管提供觸發(fā)脈沖信號。缺點是：

1）變壓器每相繞組只有1/3周期流過電流，變壓器利用率低；

2）變壓器二次側(cè)的電流為單方向，易造成變壓器鐵心直流磁化。2.4三相橋式全控整流電路

在三相半波共陰極組可控整流電路中，每相繞組中流過的電流均為正向，而三相半波共陽極組可控整流電路中，每相繞組流過的電流均為反向。可將三相半波共陰極組可控整流電路和三相半波共陽極組可控整流電路串聯(lián)。2.4三相橋式全控整流電路

共陰極組接a、b、c三相電源的3只晶閘管分別命名為VT1、VT3、VT5；

共陽極組接a、b、c三相電源的3只晶閘管分別命名為VT4、VT6、VT2。對于共陰極組的三只晶閘管，總是陽極電壓更高的那只優(yōu)先導(dǎo)通，輸出正電壓Ud1；對于共陽極組的三只晶閘管，總是陰極電壓更低的那只優(yōu)先導(dǎo)通，輸出負(fù)電壓Ud2；負(fù)載上得到的整流電壓為共陰極組輸出電壓減去共陽極組輸出電壓,即 ，相應(yīng)的輸出電壓平均值為 。2.4.1三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載2.4三相橋式全控整流電路2.4.1三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載2.4三相橋式全控整流電路α=60°是三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載時，負(fù)載電壓ud波形連續(xù)與斷續(xù)的臨界點。表2-15三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載時各區(qū)間工作情況（α≤60°）ωtπ/6+α～π/2+απ/2+α～5π/6+α5π/6+α～7π/6+α7π/6+α～3π/2+α3π/2+α～11π/6+α11π/6+α～13π/6+α晶閘管導(dǎo)通情況VT1、VT6導(dǎo)通其它截止VT1、VT2導(dǎo)通其它截止VT2、VT3導(dǎo)通其它截止VT3、VT4導(dǎo)通其它截止VT4、VT5導(dǎo)通其它截止VT5、VT6導(dǎo)通其它截止uduabuacubcubaucaucbuVT100uabuabuacuac2.4.1三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載2.4三相橋式全控整流電路

三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載時，α＞60°以后ud波形就不再連續(xù)。如圖2-25a所示。

α增大到120°時，Ud=0，因此三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時的移相范圍為120°。

為保證橋式電路的上、下橋臂各有一只晶閘管同時導(dǎo)通，觸發(fā)時可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)（觸發(fā)脈沖寬度大于60°而小于120°，一般取80°～100°；

另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，即用兩個相距60°的窄脈沖代替寬脈沖，給一只晶閘管加觸發(fā)信號。每隔60°就需要同時提供兩個觸發(fā)脈沖。實際提供脈沖的順序為：(1、2)——(2、3)——(3、4)——(4、5)——(5、6)——(6、1)。2.4.1三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載2.4三相橋式全控整流電路圖2-25三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載，α=90°的負(fù)載電壓波形和觸發(fā)脈沖波形2.4.1三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載2.4三相橋式全控整流電路基本數(shù)量關(guān)系：1)直流輸出電壓平均值α＞60°時，ud波形不再連續(xù)α=60°是輸出電壓波形連續(xù)和斷續(xù)的分界點。α≤60°時，ud波形連續(xù)2.4.1三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載2.4三相橋式全控整流電路2）直流輸出電流平均值基本數(shù)量關(guān)系：3）晶閘管電流平均值α=0°時，Ud=Ud0=2.34U2；α=120°時，Ud=0，輸出電壓為零。因此，三相橋式全控整流電路，帶電阻性負(fù)載時，觸發(fā)角α的移相范圍是120°。2.4.1三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載2.4三相橋式全控整流電路基本數(shù)量關(guān)系：考慮安全裕量時，α＞60°時4）晶閘管電流有效值α≤60°時2.4.1三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載2.4三相橋式全控整流電路基本數(shù)量關(guān)系：5）變壓器二次電流有效值6）晶閘管承受的最大反向電壓UTM

在選擇晶閘管的額定電壓時，應(yīng)根據(jù)晶閘管實際承受的最大反向電壓進(jìn)行計算，即 。

若再考慮安全裕量，則UTM=(2~3)U2。2.4.2三相橋式全控整流電路帶阻感性負(fù)載2.4三相橋式全控整流電路idudaTLd2VT1VT3VT5VT4VT6VT2d1bcR2.4.2三相橋式全控整流電路帶阻感性負(fù)載2.4三相橋式全控整流電路2.4三相橋式全控整流電路基本數(shù)量關(guān)系：1)直流輸出電壓平均值α=0°時，Ud=Ud0=2.34U2；α=90°時，Ud=0，輸出電壓為零。因此，三相橋式全控整流電路，帶阻感性負(fù)載時，觸發(fā)角α的移相范圍是90°。2.4.2三相橋式全控整流電路帶阻感性負(fù)載6）晶閘管承受的最大正、反向電壓UTM其余與帶電阻性負(fù)載時一樣。2.4.2三相橋式全控整流電路帶阻感性負(fù)載2.4三相橋式全控整流電路

三相橋式全控整流電路帶阻感性負(fù)載具有如下特點：

1）任何時候只有共陰組和共陽極組各有一只元件同時導(dǎo)通時，才能形成電流通路。

2）共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5，按相序依次觸發(fā)導(dǎo)通，相位互差120o，a、b、c三相換流在共陰極組內(nèi)完成；共陽極組VT2、VT4、VT6，按相序依次觸發(fā)導(dǎo)通，相位相差120o，a、b、c三相換流在共陽極組內(nèi)完成；同一相的晶閘管相位相差180o。每只晶閘管的導(dǎo)通角都是120o。

3）輸出電壓ud由六段線電壓組成，依次為uab、uac、