電力電子技術(shù)三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗報告

-.z.實驗背景整流是指將交流電變換為直流電的變換，而將交流電變換為直流電的電路稱為整流電路。整流電路是四種變換電路中最基本的變換電路，應(yīng)用非常廣泛。對于整流電路，當(dāng)其帶不同負載情況下，電路的工作情況不同。此外，可控整流電路不僅可以工作在整流狀態(tài)，即將交流電能變換為直流電能，還可以工作在逆變狀態(tài)，即將直流電能變換為交流電能，稱為有源逆變。在工業(yè)中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路（ThreePhaseFullBridgeConverter），它是由兩個三相半波可控整流電路發(fā)展而來。該次試驗即是針對三相橋式全控整流電路而展開的一些較為簡單的學(xué)習(xí)與研究。實驗原理三相橋式全控整流及有源逆變該次實驗連接電路圖如下圖所示整流有源逆變控制信號初始化約定：QUOTE，QUOTE，QUOTE整流，QUOTE，QUOTE逆變QUOTE，QUOTE，QUOTE臨界注意事項：在接主電路過程中，晶閘管接入雙刀雙閘開關(guān)時一定要注意正負極必須正確匹配。電容器用于吸收感性電流引起的干擾，使得示波器顯示的波形更加標(biāo)準(zhǔn)、清晰。雙刀雙擲開關(guān)在切換時主回路必須斷電，否則很可能因切換時拉出電弧而損壞設(shè)備。（一）整流電路整流的概念把交流電變換為直流電的變換稱為整流（Rectifier），又叫AC-DC變換（AC-DCConverter）。整流電路是一種把交流電源電壓轉(zhuǎn)換成所需的直流電壓的電路。AC-DC變換的功率流向是雙向的，功率流向由交流電源流向負載的變換稱之為“整流”，功率流向由負載流向交流電源的變換稱之為“有源逆變”。采用晶閘管作為整流電路的主控器件，通過對晶閘管觸發(fā)相位的控制從而達到控制輸出直流電壓的目的，這樣的電路稱之為相控整流電路。整流電路的分類按電路結(jié)構(gòu)分類=1\*GB3①半波整流電路：半波整流電路中每根電源進線流過單方向電流，又稱為零式整流電路或單拍整流電路。=2\*GB3②全波整流電路：全波整流電路中每根電源進線流過雙方向電流，又稱為橋式整流電路或雙拍整流電路。按電源相數(shù)分類=1\*GB3①單相整流電路：又分為單脈波整流電路和雙脈波整流電路。=2\*GB3②三相整流電路：又分為三脈搏整流電路和六脈波整流電路。=3\*GB3③多相整流電路：多脈波整流電路。按電路控制特點分類=1\*GB3①不可控整流電路：整流電路的直流輸出電壓平均值同交流電壓的比值固定不變，切功率流向只能由電源側(cè)流向負載側(cè)，即整流電路的輸出電壓大小與功率流向均是固定的，不可改變，為單向變流器。這種電路的控制器件一般是二極管。=2\*GB3②半控整流電路：整流電路的直流輸出電壓平均值與交流電源電壓的比值可以改變，但功率流向仍為單向，只能由電源側(cè)流向負載側(cè)。這種電路的控制器件一般是晶閘管和二極管同時存在。=3\*GB3③全控整流電路：整流電路的直流輸出電壓值可以改變，且功率流向是雙向的。全控整流電路的控制器件一般為晶閘管或全控型器件。按電路的工作*圍分類=1\*GB3①單象限整流電路=2\*GB3②多象限整流電路按控制方式分類=1\*GB3①相控整流電路：控制器件主要采用晶閘管，其特點是容量大、控制簡單，技術(shù)成熟。=2\*GB3②脈沖寬度調(diào)制整流電路：采用全控型控制器件和現(xiàn)代控制技術(shù)，其性能優(yōu)于相控整流電路。整流電路的主要性能指標(biāo)整流輸出電壓平均值：即負載上的直流電壓比值。電壓波形系數(shù)：輸出電壓有效值與直流平均值之比。直流輸出電壓中的交流分量：常用波紋因數(shù)（輸出電壓中交流諧波分量的有效值與直流電壓平均值之比）來表示，反映了直流電壓的平滑程度。交流側(cè)的功率因數(shù)。交流側(cè)諧波電流：可用輸入電流總畸變率或電流諧波因數(shù)來反映。變壓器利用系數(shù)。在上述參數(shù)中，（1）（2）（3）是考核整流電路輸出直流電源性能的指標(biāo)，（4）（5）是考核整流電路對交流電源影響的性能參數(shù)。（二）三相橋式全控整流電路在工業(yè)中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路（ThreePhaseFullBridgeConverter），它是由兩個三相半波可控整流電路發(fā)展而來，其電路圖如右下所示。由于共陰極組的管子在電源正半周導(dǎo)通，流經(jīng)變壓器二次繞組的是正向電流，共陽極組的管子在電源負半周導(dǎo)通，流經(jīng)變壓器二次繞組的是反向電流，因此一周期中變壓器繞組中沒有直流磁動勢，且每相繞組的正、負半周都有電流流過，變壓器繞組利用率提高了。阻性負載工作原理及波形分析=1\*GB3①觸發(fā)延遲角QUOTE時整流電路的工作情況對于三相橋式全控整流電路的分析可以采用與分析三相半波可控整流電路類似的方法，首先分析由二極管組成的不可控電路。在上面的“兩個半波可控整流電路”與“三相橋式全控整流電路”兩圖，晶閘管觸發(fā)延遲角QUOTE時的工作狀況與由二極管組成的不可控整流電路相同，即電路為三相橋式不可控整流的情況。在“兩個半波可控整流電路”與“三相橋式全控整流電路”這兩幅圖中，因QUOTE，所以可以假設(shè)將電路中的六個晶閘管均換成二極管，管子編號相同進行分析。則，任意時刻共陽極組和共陰極組必須有一個管子處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路才能正常工作。對于共陰極組的三個管子，陽極所接交流電壓值最高的一相所在的管子導(dǎo)通，而對于共陽極組的三個管子，則是陰極所接交流電壓值最低的一相所在的管子導(dǎo)通。三相橋式不可控整流電路的工作波形（即三相全控整流電路QUOTE時的工作波形）如下圖所示。三相橋式全控整流電路阻性負載QUOTE時的工作波形三相橋式全控整流電路中二極管一周期中每管導(dǎo)通120°，每隔60°在自然換相點處換相，管子承受的反向電壓波形為線電壓波形。共陰極組和共陽極組的管子均在自然換相點換相，即在自然換相點后管子才開始承受正向電壓，所以三相橋式全控整流電路QUOTE時，管子也在自然換相點換相，與三相半波整流電路相同。所以，對于三相橋式全控整流電路，在晶閘管QUOTE時電路的工作情況與三相橋式不可控整流電路工作情況相同。=2\*GB3②觸發(fā)延遲叫QUOTE時整流電路的工作情況當(dāng)觸發(fā)延遲角QUOTE時，每個晶閘管都不在自然換相點換相，而是從自然換相點后移QUOTE角開始換相。下圖為QUOTE時的三相橋式全控整流電路工作波形圖。三相橋式全控整流電路阻性負載QUOTE時的工作波形晶閘管承受的電壓仍為電源線電壓。下圖為QUOTE時的三相橋式全控整流電路工作波形圖。三相橋式全控整流電路阻性負載QUOTE時的工作波形可以看出，QUOTE時，三相橋式全控整流電路已處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界條件。QUOTE時晶閘管VT1可能承受最大正向電壓為QUOTE。當(dāng)QUOTE后，電流波形將斷續(xù)。如下圖，為QUOTE時輸出電壓和電流的波形。三相橋式全控整流電路阻性負載QUOTE時的工作波形此時電路處于斷續(xù)工作狀態(tài)。綜上所述，三相橋式全控整流電路有如下特性：=1\*GB3①三相橋式全控整流電路在任何時刻必須保證共陰極組和共陽極組各有一個晶閘管導(dǎo)通，才能構(gòu)成導(dǎo)電回路。=2\*GB3②器件換相只在本組內(nèi)進行，每隔120°換相一次，所以共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5觸發(fā)脈沖相位相差120°，共陽極組晶閘管VT4、VT6、VT2的觸發(fā)脈沖也相差120°。由于共陰極組和共陽極組換相點相隔60°，所以每隔60°有一個器件換相。接在同一相的兩個晶閘管觸發(fā)脈沖相位相差180°。觸發(fā)脈沖順序依次為VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。=3\*GB3③為了保證任何時刻共陰極組和共陽極組中各有一個晶閘管導(dǎo)通，或者由于電流斷續(xù)后能再次導(dǎo)通，必須對兩組中應(yīng)該導(dǎo)通的一對晶閘管同時施加觸發(fā)脈沖。=4\*GB3④三相橋式全控整流電路輸出電壓時線電壓的一部分，一個周期內(nèi)脈動六次，脈動頻率為300Hz，較三相半波可控整流電路提高一倍?；緮?shù)量關(guān)系=1\*GB3①整流輸出電壓平均值QUOTE=1\*ROMANI電流連續(xù)時（）=2\*ROMANII電流斷續(xù)時（QUOTE）=2\*GB3②負載電流平均值為=3\*GB3③變壓器二次電流有效值QUOTE。QUOTE時，電流連續(xù)，以QUOTE為例，對上圖波形進行分析，可得到二次電流有效值為QUOTE時，電流斷續(xù)，由上圖可知，此時有=4\*GB3④流過晶閘管的電流有效值QUOTE和平均值QUOTE。流過晶閘管電流平均值為負載電流的，即流過晶閘管電流有效值也有連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，但兩種情況下均有=5\*GB3⑤整流變壓器的容量S。阻性負載時，QUOTE，QUOTE，QUOTE，所以二次繞組視在功率感性負載工作原理及波形分析三相橋式全控整流電路帶阻感負載，認(rèn)為電感足夠大，使負載電流連續(xù)且其波形基本上為一條水平線。=1\*GB3①Q(mào)UOTE時，電路整流輸出電壓QUOTE波形與阻性負載時一樣。=2\*GB3②QUOTE時，阻性負載的輸出電壓波形斷續(xù)，對于大電感負載，由于電感L的作用，在電源線電壓過零后晶閘管仍然導(dǎo)通，直到下一個晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通為止，負載電流連續(xù)，輸出電壓波形中出現(xiàn)負的部分。直到QUOTE時，QUOTE波形中正負面積相等，輸出電壓平均值QUOTE=0，所以感性負載時電路移相*圍為QUOTE。下圖分別為QUOTE和QUOTE情況下三相橋式全控整流電路帶感性負載時的工作波形。三相橋式全控整流電路帶感性負載α=30°時的工作波形三相橋式全控整流電路帶感性負載α=90°時的工作波形在電壓可調(diào)*圍內(nèi)，晶閘管承受的最大正、反向電壓均為電源線電壓峰值，即QUOTE?；緮?shù)量關(guān)系=1\*GB3①整流輸出電壓平均值QUOTE。感性負載電流連續(xù)連續(xù)時，晶閘管導(dǎo)通角總是，QUOTE波形每隔60QUOTE重復(fù)一次，所以輸出電壓平均值為=2\*GB3②負載電流平均值為=3\*GB3③變壓器二次電流有效值QUOTE。變壓器二次繞組一周期內(nèi)流過電流波形為矩形波，其中正半周期為QUOTE，負半周期也為QUOTE，所以有=4\*GB3④流過晶閘管的電流有效值QUOTE和平均值QUOTE為為了提高整流輸出電壓平均值，可在負半側(cè)并聯(lián)一續(xù)流二極管，構(gòu)成帶續(xù)流二極管的三相橋式全控整流電路。三相橋式全控整流電路接反電動勢阻感負載埋在負載電感足夠大、足以使負載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與帶感性負載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同，只在計算負載電流平均值QUOTE時有所不同，此時QUOTE。參考資料：《電力電子技術(shù)》（中國電力）實驗器件（該部分所有圖像均由鄒宜君同學(xué)采集）電力電子及電氣傳動教學(xué)試驗臺MCL-=3\*ROMANIII型（如下圖所示）該圖像由鄒宜君同學(xué)采集數(shù)字示波器TDS1012（如下圖所示）一臺該圖像由鄒宜君同學(xué)采集數(shù)字萬用表GDM-8145（如下圖所示）一臺該圖像由鄒宜君同學(xué)采集專用導(dǎo)線若干實驗過程方法和要領(lǐng)1.連接三相整流橋及逆變回路由三相隔離變壓器（MCL-32)二次繞組接至三相降壓變壓器（MCL-35)，輸出三相電源（線電壓約110~130V)作為三相變壓器的交流輸入；由三相隔離變壓器（MCL-32）二次繞組接至由二極管組成的三相不可控全波整流橋，作為逆變時負載回路的電動勢源（大小恒定的電壓源);由雙刀雙置開關(guān)構(gòu)成整流和逆變選擇回來（嚴(yán)禁主回路帶點時切換此開關(guān)）；約定整流、逆變臨界控制點為，當(dāng)時，處于整流移相控制；時處于逆變移相控制。原理圖如下：（注：雙刀雙置開關(guān)左置為整流電路，右置為逆變電路）2.整流工作阻性負載測試：雙置開關(guān)選擇整流回路，負載電阻設(shè)定為最大（約450Ω），加正給定電壓。1）注意限制≤0.8Aα0°60°90°α≈0°時，封鎖晶閘管VT1的脈沖信號，的波形如下圖：=122V封鎖晶閘管VT1和VT2的脈沖信號，的波形如下：=94V阻-感（300Ω+700mH）負載測試：雙置開關(guān)選擇整流回路，注意限制≤0.8A。1)α30°90°α=0°時，封鎖晶閘管VT1的脈沖信號，的波形：=122V封鎖晶閘管VT1和VT2的脈沖信號，的波形：=84V逆變工作斷掉主回路電路，將負載回路切換到逆變條件，注意逆變電動勢源的直流極性。1）選定給定信號，保持負載為（450Ω+700mH），再合上電源。β60°90°在恒定負載情況下（電阻450Ω，電感700mH，直流反電動勢E基本恒定），在最大逆變移相*圍內(nèi)，測定電網(wǎng)實際吸收直流功率的函數(shù)曲線。已知，三相全控橋電源回路輸出端等效內(nèi)阻。（V）（A)-90.64-180.62-370.59-500.58-610.56-930.49-1070.45-1380.40-1680.32思考：如何近似估算電網(wǎng)吸收的電功率？答：實驗數(shù)據(jù)處理及實驗結(jié)果分析逆變狀態(tài)下，負載恒定不變，根據(jù)公式和實驗測量結(jié)果，可以算出電網(wǎng)實際吸收直流功率,結(jié)果如下表所示：表12、誤差分析在實驗過程中，存在觀測誤差、模型誤差、儀器誤差等，由于我們在實驗時將晶閘管視為理想器件，不考慮變壓器漏抗對電路的影響，但我們使用電壓表和電流表讀取數(shù)據(jù)時，由于個人原因讀數(shù)時存在觀測誤差；在整理實驗時存在舍入誤差、計算誤差等，由于外界帶來的誤差我們應(yīng)盡量避免、減小。3、實驗之后進行如下討論：、分析比較整流工作時，阻性負載和阻感負載在缺相（丟失一路觸發(fā)信號）故障下，Ud瞬時波形的差異？答：因為電感的性質(zhì)有續(xù)流的作用，可以改善電流波形，使斷續(xù)波形變得平緩連續(xù)。由此可知道，當(dāng)在缺相的情況，帶阻性負載的整流電路，由于沒有電感，波形是斷續(xù)的，而帶阻感負載的整流電路，由于大電感的存在，波形是聯(lián)系的。當(dāng)α=0°時阻性負載阻感負載缺相時波形圖（由于沒有找到丟失一路觸發(fā)信號的圖，圖為丟失兩路信號圖）整流狀態(tài)下，阻感負載時，α=90°時ud的瞬時波形一定有正負半波對稱嗎，為什么？答：不一定，因為理想情況下，三相橋式相控整流電路帶阻感負載時，電感無限大，在α=90°時Ud波形上下對稱，而在實際電路中并不存在無限大的電感，在實際電路中電感儲能不夠，就會造成正負半波不對稱，為了讓電路產(chǎn)生接近理論的效果，在調(diào)節(jié)電路時，要降低電阻，同時接入最大的電感，這樣電阻電感相對來說和理論的無限大電感更加接近，但是在降低電阻的時候要保證電流在額定*圍內(nèi)。（圖為我們實驗時α=90°時波形）3）說明逆變狀態(tài)下，逆變電源的負載波形是電路上哪兩端的波形？為什么逆變輸出電壓越高，負載電流越?。拷猓耗孀冸娫吹呢撦d波形是電路上晶閘管共陰極與共陽極兩端的電壓波形；由負載電流平均值公式知，逆變輸出電壓越高，負載電流反而越小。4)做出特性曲線，并對其變化趨勢作定性分析。解：根據(jù)表1畫出特性曲線，如下圖所示：由特性曲線可以看出，隨著的增大，電網(wǎng)實際吸收直流功率在一定*圍內(nèi)增大，超過一定程度后，即使仍然還在增大，也基本保持不變；隨著的減小，電網(wǎng)實際吸收直流功率也在減小，最后曲線將過零點，當(dāng)向正直增大，電路將不再工作在逆變狀態(tài)而工作在整流狀態(tài)。實驗仿真三相橋式全控整流及有源逆變電路建立仿真模型測量負載特性R=450歐，L=0H，C=inf（1）交流電壓源的參數(shù)設(shè)置：三相交流電源的相位互差120°，設(shè)置交流峰值相電壓為127V、頻率為50HZ。其余兩相Phase（deg）分別為120、240（2）通用變換器橋參數(shù)設(shè)置：通用變換器橋木塊是由6個功率開關(guān)元件組成的橋式通用三相變換器木塊。功率電子元件的類別和變換器的結(jié)構(gòu)可通過對話框進行選擇。功率電子元件和變換器的類型有Diode橋、Thrrustir橋、MOSFET-Diode橋、IGBT-Diode橋、IdealSwitch橋、橋的結(jié)構(gòu)有單相、兩相和三相。通用變換器橋木塊的輸入和輸出端取決于所選擇的變換器橋的結(jié)構(gòu)，當(dāng)ABC被選擇為輸入端，則直流DC端就是輸出端。當(dāng)ABC被選擇為輸出端，直流DC端就是輸入端。以此來整流電路與逆流電路的轉(zhuǎn)換除二極管橋外，其他橋的g（Pulses）輸入端可接受來自外部模塊的觸發(fā)信號。通用變換器的參數(shù)設(shè)置設(shè)置結(jié)構(gòu)為三相，由于建模為一個電流源，不能連接電感元件系列，需接一個高值緩沖電路電路，故設(shè)置Rs=100歐，Cs為ing。內(nèi)電阻Ron采用默認(rèn)值1e-3，內(nèi)電感Lon為0.（3