可控硅整流電路

第2章整流電路

2.1單相可控整流電路

2.2三相可控整流電路

2.3變壓器漏感對整流電路的影響

2.4電容濾波的不可控整流電路

2.5整流電路的諧波和功率因數(shù)

2.6大功率可控整流電路

2.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)

2.8晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

2.9相控電路的驅(qū)動(dòng)控制

本章小結(jié)1第2章整流電路·引言整流電路的分類：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。整流電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姟?2.1

單相可控整流電路

2.1.1單相半波可控整流電路

2.1.2單相橋式全控整流電路

2.1.3單相全波可控整流電路

2.1.4單相橋式半控整流電路32.1.1單相半波可控整流電路圖2-1單相半波可控整流電路及波形1）帶電阻負(fù)載的工作情況變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用。電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同。

(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)42.1.1單相半波可控整流電路首先，引入兩個(gè)重要的基本概念：觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用a表示,也稱觸發(fā)角或控制角。導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度，用θ表示。直流輸出電壓平均值為52.1.1單相半波可控整流電路2)帶阻感負(fù)載的工作情況

圖2-2帶阻感負(fù)載的單相半波電路及其波形阻感負(fù)載的特點(diǎn)：電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變。討論負(fù)載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導(dǎo)通角θ的關(guān)系。62.1.1單相半波可控整流電路對單相半波電路的分析可基于上述方法進(jìn)行：當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí)，相當(dāng)于電路在VT處斷開，id=0。當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，相當(dāng)于VT短路。圖2-3單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關(guān)斷狀態(tài)b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)

電力電子電路的一種基本分析方法通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電路。器件的每種狀態(tài)對應(yīng)于一種線性電路拓?fù)洹?2.1.1單相半波可控整流電路當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，如下方程成立：VTb)RLu2b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)（2-2）（2-4）初始條件：ωt=a，id=0。求解式（2-2）并將初始條件代入可得當(dāng)ωt=θ+a

時(shí)，id=0，代入式（2-3）并整理得

（2-3）其中，82.1.1單相半波可控整流電路續(xù)流二極管圖2-4單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形

數(shù)量關(guān)系(id近似恒為Id）92.1.1單相半波可控整流電路VT的a移相范圍為180。簡單，但輸出脈動(dòng)大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。分析該電路的主要目的建立起整流電路的基本概念。

單相半波可控整流電路的特點(diǎn)102.1.2單相橋式全控整流電路1)帶電阻負(fù)載的工作情況圖2-5單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形工作原理及波形分析VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時(shí)關(guān)斷。VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時(shí)關(guān)斷。電路結(jié)構(gòu)(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)112.1.2單相橋式全控整流電路數(shù)量關(guān)系a角的移相范圍為180。向負(fù)載輸出的平均電流值為：流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：122.1.2單相橋式全控整流電路流過晶閘管的電流有效值：變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：由上兩式得：不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量S=U2I2。132.1.2單相橋式全控整流電路2）帶阻感負(fù)載的工作情況

u圖2-6單相全控橋帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形

假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。u2過零變負(fù)時(shí)，晶閘管VT1和VT4并不關(guān)斷。至ωt=π+a時(shí)刻，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱換相，亦稱換流。142.1.2單相橋式全控整流電路

數(shù)量關(guān)系晶閘管移相范圍為90。晶閘管導(dǎo)通角θ與a無關(guān)，均為180。電流的平均值和有效值：變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。晶閘管承受的最大正反向電壓均為。152.1.2單相橋式全控整流電路3）帶反電動(dòng)勢負(fù)載時(shí)的工作情況圖2-7單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢—電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形在|u2|>E時(shí)，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。在a

角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。導(dǎo)通之后，

ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud=E

。與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度δ停止導(dǎo)電，δ稱為停止導(dǎo)電角，162.1.2單相橋式全控整流電路當(dāng)α

<d時(shí)，觸發(fā)脈沖到來時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。圖2-7b單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢—電阻負(fù)載時(shí)的波形觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)wt=d時(shí)刻有晶閘管開始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為d。如圖2-7b所示id波形所示：b)u電流斷續(xù)電流連續(xù)idOEdwtIdOwtαqd172.1.2單相橋式全控整流電路負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)，則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將很軟。為了克服此缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器。圖2-8單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況平波電抗器電感值可由下式求出。182.1.3單相全波可控整流電路（SinglePhaseFullWaveControlledRectifier)單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。變壓器不存在直流磁化的問題。圖2-9單相全波可控整流電路及波形192.1.3單相全波可控整流電路單相全波與單相全控橋的區(qū)別：單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材料的消耗多。單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，相應(yīng)地，門極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。單相全波導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，因而管壓降也少1個(gè)。從上述后兩點(diǎn)考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。202.1.4單相橋式半控整流電路電路結(jié)構(gòu)

單相全控橋中，每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，1個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個(gè)電路。如此即成為單相橋式半控整流電路（先不考慮VDR）。ud

圖2-10單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形電阻負(fù)載半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時(shí)的工作情況相同。212.1.4單相橋式半控整流電路單相半控橋帶阻感負(fù)載在u2正半周，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。

u2過零變負(fù)時(shí)，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。在u2負(fù)半周觸發(fā)角a時(shí)刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，u2經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載供電。u2過零變正時(shí)，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。222.1.4單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路的另一種接法相當(dāng)于把圖2-5a中的VT3和VT4換為二極管VD3和VD4，這樣可以省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD3和VD4來實(shí)現(xiàn)。圖2-5單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形圖2-11單相橋式半控整流電路的另一接法232.2三相可控整流電路2.2.1三相半波可控整流電路2.2.2三相橋式全控整流電路242.2三相可控整流電路·引言交流測由三相電源供電。負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小、容易濾波?；镜氖侨喟氩煽卣麟娐?，三相橋式全控整流電路應(yīng)用最廣。252.2.1三相半波可控整流電路電路的特點(diǎn)：變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。三個(gè)晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起—共陰極接法。圖2-12三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路及a=0時(shí)的波形

1)電阻負(fù)載自然換相點(diǎn)：二極管換相時(shí)刻為自然換相點(diǎn)，是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角a的起點(diǎn)，即a=0。動(dòng)畫演示262.2.1三相半波可控整流電路a=0時(shí)的工作原理分析變壓器二次側(cè)a相繞組和晶閘管VT1的電流波形，變壓器二次繞組電流有直流分量。晶閘管的電壓波形，由3段組成。a=30的波形特點(diǎn)：負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。a>30的情況特點(diǎn)：負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120

。動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示272.2.1三相半波可控整流電路當(dāng)a=0時(shí)，Ud最大，為。整流電壓平均值的計(jì)算a≤30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有：a>30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有：282.2.1三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的規(guī)律如圖2-15中的曲線1所示。圖2-15三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關(guān)系1－電阻負(fù)載2－電感負(fù)載3－電阻電感負(fù)載292.2.1三相半波可控整流電路

負(fù)載電流平均值為

晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值，即晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即302.2.1三相半波可控整流電路2）阻感負(fù)載圖2-16三相半波可控整流電路，阻感負(fù)載時(shí)的電路及a=60時(shí)的波形特點(diǎn)：阻感負(fù)載，L值很大，id波形基本平直。a≤30時(shí)：整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同。a>30時(shí)（如a=60時(shí)的波形如圖2-16所示）。u2過零時(shí)，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，——ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分。id波形有一定的脈動(dòng)，但為簡化分析及定量計(jì)算，可將id近似為一條水平線。阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為90。動(dòng)畫演示312.2.1三相半波可控整流電路數(shù)量關(guān)系由于負(fù)載電流連續(xù)，

Ud可由式（2-18）求出，即Ud/U2與a成余弦關(guān)系，如圖2-15中的曲線2所示。如果負(fù)載中的電感量不是很大，Ud/U2與a的關(guān)系將介于曲線1和2之間，曲線3給出了這種情況的一個(gè)例子。圖2-15三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關(guān)系1－電阻負(fù)載2－電感負(fù)載

3－電阻電感負(fù)載322.2.1三相半波可控整流電路變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為晶閘管的額定電流為晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值三相半波的主要缺點(diǎn)在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少。332.2.2三相橋式全控整流電路三相橋是應(yīng)用最為廣泛的整流電路共陰極組——陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組——陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）圖2-17三相橋式全控整流電路原理圖導(dǎo)通順序：

VT1－VT2

－VT3－

VT4

－VT5－VT6342.2.2三相橋式全控整流電路1）帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況當(dāng)a≤60時(shí)，ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)波形圖：a=0（圖2－18）

a=30（圖2－19）

a=60（圖2－20）當(dāng)a>60時(shí)，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值波形圖：a=90（圖2－21）帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是120352.2.2三相橋式全控整流電路晶閘管及輸出整流電壓的情況如表2－1所示時(shí)段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb

請參照圖2－18362.2.2三相橋式全控整流電路（2）對觸發(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、VT2也依次差120。同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。

三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)（1）2管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。372.2.2三相橋式全控整流電路（3）ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）

(5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。

三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)38a≤60時(shí)當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，id的波形可近似為一條水平線。2.2.2三相橋式全控整流電路2)阻感負(fù)載時(shí)的工作情況a=0a=30392.2.2三相橋式全控整流電路2)阻感負(fù)載時(shí)的工作情況a>60時(shí)（a=90）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。阻感負(fù)載時(shí)，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90

。402.2.2三相橋式全控整流電路3)定量分析當(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a≤60時(shí)）的平均值為：

帶電阻負(fù)載且a>60時(shí)，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為：Id=Ud/R412.2.2三相橋式全控整流電路當(dāng)整流變壓器為圖2-17中所示采用星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形如圖2-23中所示，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。接反電勢阻感負(fù)載時(shí)，在負(fù)載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負(fù)載時(shí)相似，電路中各處電壓、電流波形均相同。僅在計(jì)算Id時(shí)有所不同，接反電勢阻感負(fù)載時(shí)的Id為：式中R和E分別為負(fù)載中的電阻值和反電動(dòng)勢的值。42ik=ib是逐漸增大的，而ia=Id-ik是逐漸減小的。當(dāng)ik增大到等于Id時(shí)，ia=0，VT1關(guān)斷,換流過程結(jié)束。2.3變壓器漏感對整流電路的影響考慮包括變壓器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，該漏感可用一個(gè)集中的電感LB表示?，F(xiàn)以三相半波為例，然后將其結(jié)論推廣。VT1換相至VT2的過程：因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik。圖2-25

考慮變壓器漏感時(shí)的三相半波可控整流電路及波形432.3變壓器漏感對整流電路的影響換相重疊角——換相過程持續(xù)的時(shí)間，用電角度g表示。換相過程中，整流電壓ud為同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管所對應(yīng)的兩個(gè)相電壓的平均值。換相壓降——與不考慮變壓器漏感時(shí)相比，ud平均值降低的多少。442.3變壓器漏感對整流電路的影響換相重疊角g的計(jì)算由上式得：進(jìn)而得出：452.3變壓器漏感對整流電路的影響由上述推導(dǎo)過程，已經(jīng)求得：

當(dāng)時(shí)，，于是g隨其它參數(shù)變化的規(guī)律：（1）

Id越大則g越大；（2）

XB越大g越大；（3）

當(dāng)a≤90時(shí)，越小g越大。462.3變壓器漏感對整流電路的影響

變壓器漏抗對各種整流電路的影響②電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路①表2-2

各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計(jì)算注：①單相全控橋電路中，環(huán)流ik是從-Id變?yōu)镮d。本表所列通用公式不適用；

②三相橋等效為相電壓等于的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按代入。472.3變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路影響的一些結(jié)論:出現(xiàn)換相重疊角g

，整流輸出電壓平均值Ud降低。整流電路的工作狀態(tài)增多。晶閘管的di/dt減小，有利于晶閘管的安全開通。有時(shí)人為串入進(jìn)線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。換相時(shí)晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導(dǎo)通，為此必須加吸收電路。換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。482.4電容濾波的不可控整流電路2.4.1

電容濾波的單相不可控整流電路2.4.2

電容濾波的三相不可控整流電路492.4電容濾波的不可控整流電路在交—直—交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應(yīng)用場合中，大量應(yīng)用。最常用的是單相橋和三相橋兩種接法。由于電路中的電力電子器件采用整流二極管，故也稱這類電路為二極管整流電路。502.4.1電容濾波的單相不可控整流電路1）工作原理及波形分析a)電路

b)波形圖2-26

電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形基本工作過程：在u2正半周過零點(diǎn)至wt=0期間，因u2<ud，故二極管均不導(dǎo)通，電容C向R放電，提供負(fù)載所需電流。至wt=0之后，u2將要超過ud，使得VD1和VD4開通，ud=u2，交流電源向電容充電，同時(shí)向負(fù)載R供電。512.4.1電容濾波的單相不可控整流電路2)主要的數(shù)量關(guān)系

輸出電壓平均值

電流平均值

輸出電流平均值IR為：IR=Ud/R

Id=IR

二極管電流iD平均值為：ID=Id/2=IR/2

二極管承受的電壓

空載時(shí)，重載時(shí)，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于接近電阻負(fù)載時(shí)的特性。在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C值，使,此時(shí)輸出電壓為：Ud≈1.2U2。522.4.1電容濾波的單相不可控整流電路

感容濾波的二極管整流電路實(shí)際應(yīng)用為此情況，但分析復(fù)雜。ud波形更平直，電流i2的上升段平緩了許多，這對于電路的工作是有利的。圖2-29感容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形a）電路圖b）波形532.4.2電容濾波的三相不可控整流電路1）基本原理某一對二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。圖2-30

電容濾波的三相橋式不可控整流電路及其波形54

電流id

斷續(xù)和連續(xù)的臨界條件wRC=在輕載時(shí)直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時(shí)是連續(xù)的，分界點(diǎn)就是R=/wC。2.4.2電容濾波的三相不可控整流電路由“電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設(shè)在wt+d=2p/3的時(shí)刻“速度相等”恰好發(fā)生，則有由上式可得圖2-31電容濾波的三相橋式整流電路當(dāng)wRC等于和小于時(shí)的電流波形

a）wRC=

b）wRC<552.4.2電容濾波的三相不可控整流電路考慮實(shí)際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感時(shí)的工作情況：電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。隨著負(fù)載的加重，電流波形與電阻負(fù)載時(shí)的交流側(cè)電流波形逐漸接近。圖2-32

考慮電感時(shí)電容濾波的三相橋式整流電路及其波形

a）電路原理圖

b）輕載時(shí)的交流側(cè)電流波形

c）重載時(shí)的交流側(cè)電流波形562.4.2電容濾波的三相不可控整流電路2)主要數(shù)量關(guān)系（1）輸出電壓平均值

Ud在（2.34U2~2.45U2）之間變化（2）電流平均值

輸出電流平均值IR為：

IR=Ud/R

與單相電路情況一樣，電容電流iC平均值為零，因此：Id=IR

二極管電流平均值為Id的1/3，即：ID=Id/3=IR/3

（3）二極管承受的電壓

二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為。

572.5整流電路的諧波和功率因數(shù)2.5.1

諧波和無功功率分析基礎(chǔ)2.5.2

帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析2.5.3

電容濾波的不可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析2.5.4

整流輸出電壓和電流的諧波分析582.5整流電路的諧波和功率因數(shù)·引言隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛，由此帶來的諧波(harmonics)和無功(reactivepower)問題日益嚴(yán)重，引起了關(guān)注。無功的危害：導(dǎo)致設(shè)備容量增加。使設(shè)備和線路的損耗增加。線路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動(dòng)。諧波的危害：降低設(shè)備的效率。影響用電設(shè)備的正常工作。引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。對通信系統(tǒng)造成干擾。592.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)1）諧波對于非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級數(shù)：n次諧波電流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示

電流諧波總畸變率THDi（TotalHarmonicdistortion）定義為

正弦波電壓可表示為：基波（fundamental）——頻率與工頻相同的分量諧波——頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量諧波次數(shù)——諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比602.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)2）功率因數(shù)正弦電路中的情況電路的有功功率就是其平均功率：視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI無功功率定義為：Q=UIsinj功率因數(shù)l定義為有功功率P和視在功率S的比值：

此時(shí)無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關(guān)系：功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差j決定的：l=cosj612.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)非正弦電路中的情況有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功率因數(shù)仍由式定義。不考慮電壓畸變，研究電壓為正弦波、電流為非正弦波的情況有很大的實(shí)際意義。非正弦電路的有功功率：P=UI1

cosj1

功率因數(shù)為：

基波因數(shù)——v=I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）——cosj1功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變這兩個(gè)因素共同決定的。622.5.1諧波和無功功率分析基礎(chǔ)非正弦電路的無功功率尚無被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義。一種簡單的定義是仿照式（2-63）給出的：

無功功率Q反映了能量的流動(dòng)和交換，目前被較廣泛的接受。也可仿照式（2-61）定義無功功率，為和式（2-67）區(qū)別，采用符號Qf，忽略電壓中的諧波時(shí)有：Qf=UI1

sinj

1在非正弦情況下，，因此引入畸變功率D，使得：

Qf為由基波電流所產(chǎn)生的無功功率，D是諧波電流產(chǎn)生的無功功率。632.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析1)單相橋式全控整流電路忽略換相過程和電流脈動(dòng)，帶阻感負(fù)載，直流電感L為足夠大（電流i2的波形見圖2-6）變壓器二次側(cè)電流諧波分析：n=1,3,5,…電流中僅含奇次諧波。各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。642.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析基波電流有效值為

i2的有效值I=Id，結(jié)合式（2-74）可得基波因數(shù)為

電流基波與電壓的相位差就等于控制角，故位移因數(shù)為所以，功率因數(shù)為

功率因數(shù)計(jì)算652.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析2）三相橋式全控整流電路圖2-23三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=30時(shí)的波形阻感負(fù)載，忽略換相過程和電流脈動(dòng)，直流電感L為足夠大。以

=30為例，此時(shí)，電流為正負(fù)半周各120的方波，其有效值與直流電流的關(guān)系為：662.5.2帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析變壓器二次側(cè)電流諧波分析：電流基波和各次諧波有效值分別為電流中僅含6k1（k為正整數(shù)）次諧波。各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。功率因數(shù)計(jì)算基波因數(shù)：位移因數(shù)仍為：功率因數(shù)為：672.5.3電容濾波的不可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析1)單相橋式不可控整流電路實(shí)用的單相不可控整流電路采用感容濾波。電容濾波的單相不可控整流電路交流側(cè)諧波組成規(guī)律：諧波次數(shù)為奇次。諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。諧波與基波的關(guān)系是不固定的。越大，則諧波越小。關(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下：位移因數(shù)接近1，輕載超前，重載滯后。諧波大小受負(fù)載和濾波電感的影響。682.5.3電容濾波的不可控整流電路

交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析2)三相橋式不可控整流電路實(shí)際應(yīng)用的電容濾波三相不可控整流電路中通常有濾波電感。交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：諧波次數(shù)為6k±1次，k=1，2，3…。諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。諧波與基波的關(guān)系是不固定的。關(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下：位移因數(shù)通常是滯后的,但與單相時(shí)相比,位移因數(shù)更接近1。隨負(fù)載加重（wRC的減小），總的功率因數(shù)提高；同時(shí)，隨濾波電感加大，總功率因數(shù)也提高。692.5.4整流輸出電壓和電流的諧波分析

整流電路的輸出電壓中主要成分為直流，同時(shí)包含各種頻率的諧波，這些諧波對于負(fù)載的工作是不利的。圖2-33

a=0時(shí)，m脈波整流電路的整流電壓波形

=0時(shí)，m脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析。整流輸出電壓諧波分析整流輸出電流諧波分析詳見書P72702.5.4整流輸出電壓和電流的諧波分析

=0時(shí)整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：m脈波整流電壓ud0的諧波次數(shù)為mk（k=1，2，3...）次，即m的倍數(shù)次；整流電流的諧波由整流電壓的諧波決定，也為mk次。當(dāng)m一定時(shí)，隨諧波次數(shù)增大，諧波幅值迅速減小，表明最低次（m次）諧波是最主要的，其它次數(shù)的諧波相對較少；當(dāng)負(fù)載中有電感時(shí)，負(fù)載電流諧波幅值dn的減小更為迅速。m增加時(shí)，最低次諧波次數(shù)增大，且幅值迅速減小，電壓紋波因數(shù)迅速下降。712.5.4整流輸出電壓和電流的諧波分析

不為0時(shí)的情況：整流電壓諧波的一般表達(dá)式十分復(fù)雜，下面只說明諧波電壓與

角的關(guān)系。圖2-34三相全控橋電流連續(xù)時(shí)，以n為參變量的與

的關(guān)系以n為參變量，n次諧波幅值對

的關(guān)系如圖2-34所示：當(dāng)

從0~90變化時(shí)，ud的諧波幅值隨

增大而增大，

=90時(shí)諧波幅值最大。

從90~180之間電路工作于有源逆變工作狀態(tài)，ud的諧波幅值隨

增大而減小。722.6大功率可控整流電路2.6.1

帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路2.6.2

多重化整流電路732.6大功率可控整流電路·引言帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路的特點(diǎn)：適用于低電壓、大電流的場合。多重化整流電路的特點(diǎn)：在采用相同器件時(shí)可達(dá)到更大的功率?？蓽p少交流側(cè)輸入電流的諧波或提高功率因數(shù)，從而減小對供電電網(wǎng)的干擾。742.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)圖2-35

帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路二次側(cè)為兩組匝數(shù)相同極性相反的繞阻，分別接成兩組三相半波電路。二次側(cè)兩繞組的極性相反可消除鐵芯的直流磁化。平衡電抗器是為保證兩組三相半波整流電路能同時(shí)導(dǎo)電。與三相橋式電路相比，雙反星形電路的輸出電流可大一倍。752.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路繞組的極性相反的目的：消除直流磁通勢如圖可知，雖然兩組相電流的瞬時(shí)值不同，但是平均電流相等而繞組的極性相反，所以直流安匝互相抵消。圖2-36雙反星形電路，=0時(shí)兩組整流電壓、電流波形762.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路接平衡電抗器的原因：當(dāng)電壓平均值和瞬時(shí)值均相等時(shí)，才能使負(fù)載均流。兩組整流電壓平均值相等，但瞬時(shí)值不等。兩個(gè)星形的中點(diǎn)n1和n2間的電壓等于ud1和ud2之差。該電壓加在Lp上，產(chǎn)生電流ip，它通過兩組星形自成回路，不流到負(fù)載中去，稱為環(huán)流或平衡電流。為了使兩組電流盡可能平均分配，一般使Lp值足夠大，以便限制環(huán)流在負(fù)載額定電流的1%～2%以內(nèi)。772.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路雙反星形電路中如不接平衡電抗器，即成為六相半波整流電路：只能有一個(gè)晶閘管導(dǎo)電，其余五管均阻斷，每管最大導(dǎo)通角為60o，平均電流為Id/6。當(dāng)α=0o

時(shí)，Ud為1.35U2，比三相半波時(shí)的1.17U2略大些。因晶閘管導(dǎo)電時(shí)間短，變壓器利用率低，極少采用。平衡電抗器的作用：使得兩組三相半波整流電路同時(shí)導(dǎo)電。對平衡電抗器作用的理解是掌握雙反星形電路原理的關(guān)鍵。782.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路平衡電抗器使得兩組三相半波整流電路同時(shí)導(dǎo)電的原理分析：圖2-37

平衡電抗器作用下輸出電壓的波形和平衡電抗器上電壓的波形平衡電抗器Lp承擔(dān)了n1、n2間的電位差，它補(bǔ)償了ub′和ua的電動(dòng)勢差，使得ub′和ua兩相的晶閘管能同時(shí)導(dǎo)電。

時(shí)，ub′>ua，VT6導(dǎo)通，此電流在流經(jīng)LP時(shí)，LP上要感應(yīng)一電動(dòng)勢up，其方向是要阻止電流增大?？蓪?dǎo)出Lp兩端電壓、整流輸出電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：792.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路原理分析(續(xù))：圖2-38平衡電抗器作用下兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)電的情況雖然，但由于Lp的平衡作用，使得晶閘管VT6和VT1同時(shí)導(dǎo)通。

時(shí)間推遲至ub′與ua的交點(diǎn)時(shí)，ub′=ua

，。之后ub′<ua

，則流經(jīng)ub′相的電流要減小，但Lp有阻止此電流減小的作用，up的極性反向，Lp仍起平衡的作用，使VT6繼續(xù)導(dǎo)電。

直到uc′>ub′

，電流才從VT6換至VT2。此時(shí)VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)電。每一組中的每一個(gè)晶閘管仍按三相半波的導(dǎo)電規(guī)律而各輪流導(dǎo)電。802.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路由上述分析以可得：平衡電抗器中點(diǎn)作為整流電壓輸出的負(fù)端，其輸出的整流電壓瞬時(shí)值為兩組三相半波整流電壓瞬時(shí)值的平均值。波形如圖2-37a。諧波分析分析詳見P75-P76。ud中的諧波分量比直流分量要小得多，且最低次諧波為六次諧波。直流平均電壓為：,812.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路

=30、

=60和

=90時(shí)輸出電壓的波形分析圖2-39當(dāng)

=30、60、90時(shí)，雙反星形電路的輸出電壓波形

分析輸出波形時(shí)，可先求出ud1和ud2波形，然后根據(jù)式（2-98）做出波形(ud1+ud2)/2。輸出電壓波形與三相半波電路比較，脈動(dòng)程度減小了，脈動(dòng)頻率加大一倍，f=300Hz。電感負(fù)載情況下，移相范圍是90。電阻負(fù)載情況下，移相范圍為120。822.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路整流電壓平均值與三相半波整流電路的相等，為:

Ud=1.17U2cos

將雙反星形電路與三相橋式電路進(jìn)行比較可得出以下結(jié)論：三相橋?yàn)閮山M三相半波串聯(lián)，而雙反星形為兩組三相半波并聯(lián)，且后者需用平衡電抗器。當(dāng)U2相等時(shí)，雙反星形的Ud是三相橋的1/2，而Id是單相橋的2倍。兩種電路中，晶閘管的導(dǎo)通及觸發(fā)脈沖的分配關(guān)系一樣，ud和id的波形形狀一樣。832.6.2多重化整流電路概述：整流裝置功率進(jìn)一步加大時(shí)，所產(chǎn)生的諧波、無功功率等對電網(wǎng)的干擾也隨之加大，為減輕干擾，可采用多重化整流電路。原理：按照一定的規(guī)律將兩個(gè)或更多的相同結(jié)構(gòu)的整流電路進(jìn)行組合得到。目標(biāo)：移項(xiàng)多重聯(lián)結(jié)減少交流側(cè)輸入電流諧波，串聯(lián)多重整流電路采用順序控制可提高功率因數(shù)。842.6.2多重化整流電路1)移相多重聯(lián)結(jié)圖2-40

并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路有并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)和串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)?？蓽p少輸入電流諧波，減小輸出電壓中的諧波并提高紋波頻率，因而可減小平波電抗器。使用平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。2個(gè)三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路。852.6.2多重化整流電路移相30構(gòu)成的串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路圖2-41

移相30串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路

圖2-42

移相30串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路電流波形整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法構(gòu)成相位相差30、大小相等的兩組電壓。該電路為12脈波整流電路。星形三角形862.6.2多重化整流電路iA基波幅值Im1和n次諧波幅值Imn分別如下：（2-103）（2-104）即輸入電流諧波次數(shù)為12k±1，其幅值與次數(shù)成反比而降低。該電路的其他特性如下：直流輸出電壓位移因數(shù)cosj1=cosa

（單橋時(shí)相同）功率因數(shù)l=ncosj1

=0.9886cosa872.6.2多重化整流電路利用變壓器二次繞阻接法的不同，互相錯(cuò)開20，可將三組橋構(gòu)成串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路：整流變壓器采用星形三角形組合無法移相20，需采用曲折接法。整流電壓ud在每個(gè)電源周期內(nèi)脈動(dòng)18次，故此電路為18脈波整流電路。交流側(cè)輸入電流諧波更少，為18k±1次（k=1,2,3…），ud的脈動(dòng)也更小。輸入位移因數(shù)和功率因數(shù)分別為：cosj1=cosa=0.9949cosa882.6.2多重化整流電路將整流變壓器的二次繞組移相15，可構(gòu)成串聯(lián)4重聯(lián)結(jié)電路：

為24脈波整流電路。其交流側(cè)輸入電流諧波次為24k±1，k=1，2，3…。輸入位移因數(shù)功率因數(shù)分別為：cosj1=cosa=0.9971cosa采用多重聯(lián)結(jié)的方法并不能提高位移因數(shù)，但可使輸入電流諧波大幅減小，從而也可以在一定程度上提高功率因數(shù)。892.6.2多重化整流電路2)多重聯(lián)結(jié)電路的順序控制只對一個(gè)橋的角進(jìn)行控制，其余各橋的工作狀態(tài)則根據(jù)需要輸出的整流電壓而定。

或者不工作而使該橋輸出直流電壓為零?；蛘?0而使該橋輸出電壓最大。根據(jù)所需總直流輸出電壓從低到高的變化，按順序依次對各橋進(jìn)行控制，因而被稱為順序控制。不能降低輸入電流諧波，但是總功率因數(shù)可以提高。我國電氣機(jī)車的整流器大多為這種方式。902.6.2多重化整流電路

3重晶閘管整流橋順序控制

圖2-43單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路及順序控制時(shí)的波形控制過程可詳見教材P78。從電流i的波形可以看出，雖然波形并為改善，但其基波分量比電壓的滯后少，因而位移因數(shù)高，從而提高了總的功率因數(shù)。a)912.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)2.7.1

逆變的概念2.7.2

三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)2.7.3

逆變失敗與最小逆變角的限制922.7.1逆變的概念1)什么是逆變？為什么要逆變？逆變（Invertion）——把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過程。逆變電路——把直流電逆變成交流電的電路。有源逆變電路——交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)。應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速以及高壓直流輸電等。無源逆變電路——變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，將在第5章介紹。對于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路。932.7.1逆變的概念2)直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)圖2-44直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動(dòng)勢同極性EG

>EM

b）兩電動(dòng)勢同極性EM>EG

c）兩電動(dòng)勢反極性，形成短路電路過程分析。兩個(gè)電動(dòng)勢同極性相接時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢高的流向低的，回路電阻小，可在兩個(gè)電動(dòng)勢間交換很大的功率。942.7.1逆變的概念3)逆變產(chǎn)生的條件單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī)圖2-45

單相全波電路的整流和逆變交流電網(wǎng)輸出電功率電動(dòng)機(jī)輸出電功率952.7.1逆變的概念從上述分析中，可以歸納出產(chǎn)生逆變的條件有二：有直流電動(dòng)勢，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向一致，其值大于變流器直流側(cè)平均電壓。晶閘管的控制角

>/2，使Ud為負(fù)值。半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負(fù)值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動(dòng)勢，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。962.7.2三相橋整流電路的有源

逆變工作狀態(tài)逆變和整流的區(qū)別：控制角不同

0<<p

/2

時(shí)，電路工作在整流狀態(tài)。

p

/2<

<

p時(shí)，電路工作在逆變狀態(tài)?？裳赜谜鞯霓k法來處理逆變時(shí)有關(guān)波形與參數(shù)計(jì)算等各項(xiàng)問題。把a(bǔ)>p/2時(shí)的控制角用p-

=b表示，b稱為逆變角。逆變角b和控制角a的計(jì)量方向相反，其大小自b=0的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。972.7.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時(shí)的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖2-46所示。圖2-46三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形982.7.2三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)有源逆變狀態(tài)時(shí)各電量的計(jì)算：輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式，即每個(gè)晶閘管導(dǎo)通2p/3，故流過晶閘管的電流有效值為：從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為：當(dāng)逆變工作時(shí)，由于EM為負(fù)值，故Pd一般為負(fù)值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。在三相橋式電路中，變壓器二次側(cè)線電流的有效值為：992.7.3逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失?。孀冾嵏玻?/p>

逆變時(shí)，一旦換相失敗，外接直流電源就會(huì)通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動(dòng)勢變成順向串聯(lián)，形成很大短路電流。觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時(shí)等，致使晶閘管不能正常換相。晶閘管發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通。交流電源缺相或突然消失。換相的裕量角不足，引起換相失敗。1)逆變失敗的原因1002.7.3逆變失敗與最小逆變角的限制換相重疊角的影響：圖2-47交流側(cè)電抗對逆變換相過程的影響當(dāng)b>g時(shí)，換相結(jié)束時(shí)，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。如果b<g時(shí)（從圖2-47右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT1）會(huì)關(guān)斷，而應(yīng)關(guān)斷的晶閘管（VT3)不能關(guān)斷，最終導(dǎo)致逆變失敗。1012.7.3逆變失敗與最小逆變角的限制2)確定最小逆變角bmin的依據(jù)逆變時(shí)允許采用的最小逆變角b應(yīng)等于

bmin=d+g+q′d——晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq折合的電角度g——

換相重疊角q′——安全裕量角tq大的可達(dá)200~300ms，折算到電角度約4~5。隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。主要針對脈沖不對稱程度（一般可達(dá)5）。值約取為10。1022.7.3逆變失敗與最小逆變角的限制g——

換相重疊角的確定：查閱有關(guān)手冊,舉例如下：整流電壓整流電流變壓器容量短路電壓比Uk%g220V800A240kV。A5%15~20參照整流時(shí)g的計(jì)算方法根據(jù)逆變工作時(shí)，并設(shè)，上式可改寫成這樣，bmin一般取30~35。1032.8晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2.8.1

工作于整流狀態(tài)時(shí)2.8.2

工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)2.8.3

直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)1042.8晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)·引言晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)——晶閘管可控整流裝置帶直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載組成的系統(tǒng)。是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中主要的一種。是可控整流裝置的主要用途之一。

對該系統(tǒng)的研究包括兩個(gè)方面：其一是在帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)整流電路的工作情況。其二是由整流電路供電時(shí)電動(dòng)機(jī)的工作情況。本節(jié)主要從第二個(gè)方面進(jìn)行分析。1052.8.1工作于整流狀態(tài)時(shí)整流電路接反電動(dòng)勢負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，對整流電路和電動(dòng)機(jī)的工作都很不利。圖2-48

三相半波帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載且加平波電抗器時(shí)的電壓電流波形通常在電樞回路串聯(lián)一平波電抗器，保證整流電流在較大范圍內(nèi)連續(xù)，如圖2-48。1062.8.1工作于整流狀態(tài)時(shí)此時(shí)，整流電路直流電壓的平衡方程為式中，。為電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢負(fù)載平均電流Id所引起的各種電壓降，包括：變壓器的電阻壓降電樞電阻壓降由重疊角引起的電壓降晶閘管本身的管壓降，它基本上是一恒值。系統(tǒng)的兩種工作狀態(tài)：電流連續(xù)工作狀態(tài)電流斷續(xù)工作狀態(tài)1072.8.1工作于整流狀態(tài)時(shí)

轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為

1)電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

在電機(jī)學(xué)中，已知直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢為可根據(jù)整流電路電壓平衡方程式，得圖2-49三相半波電流連續(xù)時(shí)以電流表示的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性其機(jī)械特性是一組平行的直線，其斜率由于內(nèi)阻不一定相同而稍有差異。調(diào)節(jié)a

角，即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。1082.8.1工作于整流狀態(tài)時(shí)2)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，平波電抗器中的電感儲(chǔ)能減小，致使電流不再連續(xù)，此時(shí)其機(jī)械特性也就呈現(xiàn)出非線性。

電動(dòng)機(jī)的實(shí)際空載反電動(dòng)勢都是。時(shí)為：。主電路電感足夠大，可以只考慮電流連續(xù)段，完全按線性處理。當(dāng)?shù)退佥p載時(shí)，可改用另一段較陡的特性來近似處理，等效電阻要大一個(gè)數(shù)量級。當(dāng)Id減小至某一定值Idmin以后，電流變?yōu)閿嗬m(xù)，這個(gè)是不存在的，真正的理想空載點(diǎn)遠(yuǎn)大于此值。圖2-50

電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)勢的特性曲線1092.8.1工作于整流狀態(tài)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的特點(diǎn)：電流斷續(xù)時(shí)理想空載轉(zhuǎn)速抬高。機(jī)械特性變軟，即負(fù)載電流變化很小也可引起很大的轉(zhuǎn)速變化。隨著a

的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大。圖2-51

考慮電流斷續(xù)時(shí)不同a時(shí)反電動(dòng)勢的特性曲線

1<

a2<a3<60，a5>a4>601102.8.2工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電流連續(xù)時(shí)的機(jī)械特性由決定的。逆變時(shí)由于，反接，得

因?yàn)镋M=Cen，可求得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式1112.8.2工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)逆變電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，與整流時(shí)十分相似：圖2-52

電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速上翹很多，機(jī)械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性。逆變狀態(tài)的機(jī)械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)。縱觀控制角變化時(shí)，機(jī)械特性得變化。第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標(biāo)以正組和反組變流器。1122.8.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖2-53

兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路圖2-53a與b是兩組反并聯(lián)的可逆電路a三相半波有環(huán)流接線b三相全控橋無環(huán)流接線c對應(yīng)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行時(shí)兩組變流器工作情況1132.8.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)兩套變流裝置反并聯(lián)連接的可逆電路的相關(guān)概念和結(jié)論：環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動(dòng)而不經(jīng)過負(fù)載的電流。正向運(yùn)行時(shí)由正組變流器供電；反向運(yùn)行時(shí)，則由反組變流器供電。根據(jù)對環(huán)流的處理方法，反并聯(lián)可逆電路又可分為不同的控制方案，如配合控制有環(huán)流（

）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流和錯(cuò)位控制無環(huán)流等。電動(dòng)機(jī)都可四象限運(yùn)行?？筛鶕?jù)電動(dòng)機(jī)所需運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來決定哪一組變流器工作及其工作狀態(tài)：整流或逆變。1142.8.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)直流可逆拖動(dòng)系統(tǒng)，除能方便地實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)外，還能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)。電動(dòng)機(jī)反向過程分析：詳見P89a=b

配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)對正、反兩組變流器同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖，并嚴(yán)格保證a=b

的配合控制關(guān)系。假設(shè)正組為整流，反組為逆變，即有aP=bN

，UdaP=UdbN，且極性相抵，兩組變流器之間沒有直流環(huán)流。但兩組變流器的輸出電壓瞬時(shí)值不等，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)環(huán)流。串入環(huán)流電抗器LC限制環(huán)流。1152.8.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)工程上使用較廣泛，不需設(shè)置環(huán)流電抗器。只有一組橋投入工作（另一組關(guān)斷），兩組橋之間不存在環(huán)流。兩組橋之間的切換過程：首先應(yīng)使已導(dǎo)通橋的晶閘管斷流，要妥當(dāng)處理使主回路電流變?yōu)榱悖乖瓕?dǎo)通晶閘管恢復(fù)阻斷能力。隨后再開通原封鎖著的晶閘管，使其觸發(fā)導(dǎo)通。

這種無環(huán)流可逆系統(tǒng)中，變流器之間的切換過程由邏輯單元控制，稱為邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)，將在后繼課“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”中進(jìn)一步分析討論。1162.9相控電路的驅(qū)動(dòng)控制2.9.1

同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路2.9.2

集成觸發(fā)器2.9.3

觸發(fā)電路的定相1172.9相控電路的驅(qū)動(dòng)控制·引言相控電路：晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。采用晶閘管相控方式時(shí)的交流電力變換電路和交交變頻電路（第4章）。相控電路的驅(qū)動(dòng)控制為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。晶閘管相控電路，習(xí)慣稱為觸發(fā)電路。大、中功率的變流器廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。1182.9.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的電路），也可為單窄脈沖。三個(gè)基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。此外，還有強(qiáng)觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。圖2-54同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路1192.9.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路1)脈沖形成環(huán)節(jié)V4、V5—脈沖形成V7、V8—脈沖放大控制電壓uco加在V4基極上圖2-54同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路脈沖前沿由V4導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時(shí)間常數(shù)R11C3有關(guān)。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。1202.9.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路2)鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等；本電路采用恒流源電路。恒流源電路方案，由V1、V2、V3和C2等元件組成

V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路圖2-54

同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路1212.9.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路3)同步環(huán)節(jié)同步——要求觸發(fā)脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。鋸齒波是由開關(guān)V2管來控制的。V2開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率——由同步變壓器所接的交流電壓決定。V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波——鋸齒波起點(diǎn)基本就是同步電壓由正變負(fù)的過零點(diǎn)。V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時(shí)間就是鋸齒波的寬度——取決于充電時(shí)間常數(shù)R1C1。1222.9.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路4)雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)

內(nèi)雙脈沖電路

V5、V6構(gòu)成“或”門當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時(shí)，V7、V8都截止，沒有脈沖輸出。只要V5、V6有一個(gè)截止，都會(huì)使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。第一個(gè)脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對應(yīng)的控制角

產(chǎn)生。隔60的第二個(gè)脈沖是由滯后60相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過V6）。三相橋式全控整流電路的情況(自學(xué))1232.9.2集成觸發(fā)器可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。KJ004

與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似,分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)。圖2-56KJ004電路原理圖1242.9.2集成觸發(fā)器完整的三相全控橋觸發(fā)電路

3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可。

圖2-57

三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路1252.9.2集成觸發(fā)器模擬與數(shù)字觸發(fā)電路模擬觸發(fā)電路優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、可靠；缺點(diǎn)：易受電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖不對稱度較高，可達(dá)3~4，精度低。數(shù)字觸發(fā)電路：脈沖對稱度很好，如基于8位單片機(jī)的數(shù)字觸發(fā)器精度可達(dá)0.7~1.5。KJ041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門。也有廠家生產(chǎn)了將圖2-57全部電路集成的集成塊，但目前應(yīng)用還不多。1262.9.3觸發(fā)電路的定相

觸發(fā)電路的定相——觸發(fā)電路應(yīng)保證每個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系。措施：同步變壓器原邊接入為主電路供電的電網(wǎng)，保證頻率一致。觸發(fā)電路定相的關(guān)鍵是確定同步信號與晶閘管陽極電壓的關(guān)系。圖2-58

三相全控橋中同步電壓與主電路電壓關(guān)系示意圖1272.9.3觸發(fā)電路的定相變壓器接法：主電路整流變壓器為D,y-11聯(lián)結(jié)，同步變壓器為D,y-11,5聯(lián)結(jié)。

圖2-59

同步變壓器和整流變壓器的接法及矢量圖128本章小結(jié)可控整流電路，重點(diǎn)掌握：電力電子電路作為分段線性電路進(jìn)行分析的基本思想、單相全控橋式整流電路和三相全控橋式整流電路的原理分析與計(jì)算、各種負(fù)載對整流電路工作情況的影響；電容濾波的不可控整流電路的工作情況，重點(diǎn)了解其工作特點(diǎn)；與整流電路相關(guān)的一些問題，包括：(1)變壓器漏抗對整流電路的影響，重點(diǎn)建立換相壓降、重疊角等概念，并掌握相關(guān)的計(jì)算，熟悉漏抗對整流電路工作情況的影響。(2)整流電路的諧波和功率因數(shù)分析，重點(diǎn)掌握諧波的概念、各種整流電路產(chǎn)生諧波情況的定性分析，功率因數(shù)分析的特點(diǎn)、各種整流電路的功率因數(shù)分析。129

本章小結(jié)大功率可控整流電路的接線形式及特點(diǎn)，熟悉雙反星形可控整流電路的工作情況，建立整流電路多重化的概念?？煽卣麟娐返挠性茨孀児ぷ鳡顟B(tài)，重點(diǎn)掌握產(chǎn)生有源逆變的條件、三相可控整流電路有源逆變工作狀態(tài)的分析計(jì)算、逆變失敗及最小逆變角的限制等。晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的工作情況，重點(diǎn)掌握各種狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)的特性，包括變流器的特性和電機(jī)的機(jī)械特性等，了解可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)的工作情況，建立環(huán)流的概念。用于晶閘管的觸發(fā)電路。重點(diǎn)熟悉鋸齒波移相的觸發(fā)電路的原理，了解集成觸發(fā)芯片及其組成的三相橋式全控整流電路的觸發(fā)電路，建立同步的概念，掌握同步電壓信號的選取方法。130圖2-18三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=0時(shí)的波形wwwwu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OtOtOtOta=0°iVT1uVT1131圖2-19三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=30時(shí)的波形wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1132圖2-20三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=60時(shí)的波形wwwa=60°ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtwt1OtOtuVT1133圖2-21三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=90時(shí)的波形ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtOwtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1134安全閥基本知識如果壓力容器(設(shè)備/管線等)壓力超過設(shè)計(jì)壓力…1.盡可能避免超壓現(xiàn)象堵塞(BLOCK