第三章 相控整流电路.ppt
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第三章 相控整流电路.ppt
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第3章相控整流电路,3.1相控整流电路的概述3.2单相可控整流电路3.3三相相控整流电路3.4变压器漏抗对整流电路的影响3.5有源逆变,整流电路:
出现最早的电力电子电路,将交流电变为直流电。
3.1.1整流电路的分类:
按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。
按电路结构可分为半波、全波和桥式整流电路。
按交流输入相数分为单相电路、三项和多相整流电路。
按控制原理,又分为相控和高频整流电路。
3.1相控整流电路的概述,3.1.2整流器的基本性能指标,1.电压纹波系数交流谐波分量有效值UH与输出电压直流平均值UD之比称为电压波纹系数。
2.电压脉动系数第次谐波峰值Unm与输出电压直流平均值UD的比值为电压脉动系数,3.1.2整流器的基本性能指标,3.输入电流总畸变率除基波以外的所有谐波电流有效值与基波电流有效值的比值。
4.输入功率因素交流电源输入有用功率平均值P与视在功率S的比值,3.1.3相控整流电路中的几个名词术语,1.控制角从承受正向电压到加触发脉冲使晶闸管导通的瞬间,这段时间对应的电角度2.导通角晶闸管在一个周期内导通的时间所对应的电角度3.移相改变触发脉冲出现的时刻,成为移相4.移相范围控制角a的变化范围4.同步使触发脉冲与可控整流电路的交流电源电压之间保持频率和相位的协调关系5.自然换相点从一个晶闸管导通电流变换为另一个晶闸管导通电流的过程,3.1.4相控整流电路主要研究内容,整流电路的输出直流平均电压与交流输入电压有效值之比与控制角的关系。
直流输出平均电流及有效值电流的分析和计算。
分析整流元件的工作情况,确定元件可能承受的最大电压和流过的最大电流合理地选择元件的电压、电流定额,最大限度地发挥元件的作用。
理解和掌握整流电路中常用技术参数和计算方法,如功率、输入功率因数、波形畸变系数、纹波系数等。
这些参数是对一个整流电路技术性能指标的具体评价。
3.1.4相控整流电路主要研究内容,6.注意直流负载的性质对整流电路的影响。
1).电阻性负载电流与电压成正比,波形相同并且同相,电流可以突变2).阻感性负载感抗值比电阻大的多,其使负载电流连续,并接近一条线3).反电势负载只有当输出电压大于反电动势时才有电流通过,电流波形呈较大脉动。
3.2单相可控整流电路,3.2.1单相半波可控整流电路3.2.2单相桥式全控整流电路3.2.3单相桥式半控整流电路,3.2.1单相半波可控整流电路,对单相半波电路的分析可基于上述方法进行:
当VT处于断态时,相当于电路在VT处断开,id=0。
当VT处于通态时,相当于VT短路。
图3-1单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态b)VT处于导通状态,电力电子电路的一种基本分析方法开关元件理想化,导通时通态压降为零,阻断时电阻无穷大。
变压器理想化,漏抗为零,绕组的电阻为零,励磁电流为零。
电源理想化,恒频、恒压和三相对称。
3.2.1单相半波可控整流电路,图3-2单相半波可控整流电路及波形,1)带电阻负载的工作情况,变压器T起变换电压和电气隔离的作用。
电阻负载的特点:
电压与电流成正比,两者波形相同。
单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier),3.2.1单相半波可控整流电路,小结:
VT的a移相范围为180,通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式,简称相控方式。
基本数量关系,
(1)直流输出电压平均值为,(3-1),输出电流平均值Id,3.2.1单相半波可控整流电路,
(2)输出电压有效值U与输出电流有效值I输出电压有效值U为:
输出电流有效值I为:
(3)功率因数PF,3.2.1单相半波可控整流电路,2)带阻感负载的工作情况,图3-3带阻感负载的单相半波电路及其波形,阻感负载的特点:
电感对电流变化有抗拒作用,使得流过电感的电流不发生突变。
触发角a、晶闸管导通角的关系:
2)带阻感负载的工作情况,数量关系直流输出电压平均值Ud,3.2.1单相半波可控整流电路,续流二极管,当u2过零变负时,VDR导通,ud为零,VT承受反压关断。
L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通,此过程通常称为续流。
数量关系(id近似恒为Id),(2-5),(2-6),(2-7),(2-8),3.2.1单相半波可控整流电路,VT的a移相范围为180。
简单,但输出脉动大,变压器二次侧电流中含直流分量,造成变压器铁芯直流磁化。
实际上很少应用此种电路。
分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。
单相半波可控整流电路的特点,3.2.2单相桥式全控整流电路,1)带电阻负载的工作情况,a),工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂,在u2正半周承受电压u2,得到触发脉冲即导通,当u2过零时关断。
VT2和VT3组成另一对桥臂,在u2正半周承受电压-u2,得到触发脉冲即导通,当u2过零时关断。
电路结构,单相桥式全控整流电路,3.2.2单相桥式全控整流电路,数量关系,(2-9),a角的移相范围为180。
向负载输出的平均电流值为:
流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半,即:
(2-10),(2-11),3.2.2单相桥式全控整流电路,流过晶闸管的电流有效值:
变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等:
由式(2-12)和式(2-13)得:
不考虑变压器的损耗时,要求变压器的容量S=U2I2。
(2-12),(2-13),(2-14),3.2.2单相桥式全控整流电路,2)带阻感负载的工作情况,u,假设电路已工作于稳态,id的平均值不变。
假设负载电感很大,负载电流id连续且波形近似为一水平线。
u2过零变负时,晶闸管VT1和VT4并不关断。
至t=+a时刻,晶闸管VT1和VT4关断,VT2和VT3两管导通。
VT2和VT3导通后,VT1和VT4承受反压关断,流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上,此过程称换相,亦称换流。
3.2.2单相桥式全控整流电路,数量关系,(2-15),晶闸管移相范围为90。
晶闸管导通角与a无关,均为180。
电流的平均值和有效值:
变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波,其相位由a角决定,有效值I2=Id。
晶闸管承受的最大正反向电压均为。
3.2.2单相桥式全控整流电路,3)带反电动势负载时的工作情况,在|u2|E时,才有晶闸管承受正电压,有导通的可能。
在a角相同时,整流输出电压比电阻负载时大。
导通之后,ud=u2,直至|u2|=E,id即降至0使得晶闸管关断,此后ud=E。
3.2.2单相桥式全控整流电路,当d时,触发脉冲到来时,晶闸管承受负电压,不可能导通。
电流断续,触发脉冲有足够的宽度,保证当wt=d时刻有晶闸管开始承受正电压时,触发脉冲仍然存在。
这样,相当于触发角被推迟为d。
如图2-7b所示id波形所示:
电流连续,3.2.2单相桥式全控整流电路,负载为直流电动机时,如果出现电流断续,则电动机的机械特性将很软。
为了克服此缺点,一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。
这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同,ud的计算公式也一样。
为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出:
(2-17),3.2.3单相桥式半控整流电路,电路结构单相全控桥中,每个导电回路中有2个晶闸管,1个晶闸管可以用二极管代替,从而简化整个电路。
如此即成为单相桥式半控整流电路(先不考虑VDR)。
u,d,电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。
3.2.3单相桥式半控整流电路,单相半控桥带阻感负载的情况,在u2正半周,u2经VT1和VD4向负载供电。
u2过零变负时,因电感作用电流不再流经变压器二次绕组,而是由VT1和VD2续流。
在u2负半周触发角a时刻触发VT3,VT3导通,u2经VT3和VD2向负载供电。
u2过零变正时,VD4导通,VD2关断。
VT3和VD4续流,ud又为零。
3.2.3单相桥式半控整流电路,续流二极管的作用,避免可能发生的失控现象。
若无续流二极管,则当a突然增大至180或触发脉冲丢失时,会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况,这使ud成为正弦半波,其平均值保持恒定,称为失控。
有续流二极管VDR时,续流过程由VDR完成,避免了失控的现象。
续流期间导电回路中只有一个管压降,有利于降低损耗。
3.2.3单相桥式半控整流电路,单相桥式半控整流电路的另一种接法,相当于把图2-5a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4,这样可以省去续流二极管VDR,续流由VD3和VD4来实现。
图2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,图2-11单相桥式半控整流电路的另一接法,3.3三相可控整流电路,3.3.1三相半波可控整流电路3.3.2三相桥式全控整流电路3.3.3三相桥式半控整流电路,3.3三相可控整流电路引言,交流测由三相电源供电。
负载容量较大,或要求直流电压脉动较小、容易滤波。
基本的是三相半波可控整流电路,三相桥式全控整流电路应用最广。
3.3.1三相半波可控整流电路,电路的特点:
变压器二次侧接成星形得到零线,而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。
三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源,其阴极连接在一起共阴极接法。
1)电阻负载,自然换相点:
二极管换相时刻为自然换相点,是各相晶闸管能触发导通的最早时刻,将其作为计算各晶闸管触发角a的起点,即a=0。
a),3.3.1三相半波可控整流电路,a=0时的工作原理分析,变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形,变压器二次绕组电流有直流分量。
晶闸管的电压波形,由3段组成。
a=30的波形(图3-13)特点:
负载电流处于连续和断续之间的临界状态。
a30的情况(图3-14)特点:
负载电流断续,晶闸管导通角小于120。
b),c),d),e),f),u,2,u,a,u,b,u,c,a,=0,O,w,t,1,w,t,2,w,t,3,u,G,O,u,d,O,O,u,ab,u,ac,O,i,VT,1,u,VT,1,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,图3-13三相半波可控整流电路,电阻负载,a=30时的波形,图3-14三相半波可控整流电路,电阻负载,a=60时的波形,3.3.1三相半波可控整流电路,(3-18),当a=0时,Ud最大,为。
(3-19),整流电压平均值的计算,a30时,负载电流连续,有:
a30时,负载电流断续,晶闸管导通角减小,此时有:
3.3.1三相半波可控整流电路,负载电流平均值为,晶闸管承受的最大反向电压,为变压器二次线电压峰值,即,晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值,即,(3-20),(3-21),(3-22),3.3.1三相半波可控整流电路,2)阻感负载,特点:
阻感负载,L值很大,id波形基本平直。
a30时:
整流电压波形与电阻负载时相同。
a30时(如a=60时的波形如图3-16所示)。
u2过零时,VT1不关断,直到VT2的脉冲到来,才换流,ud波形中出现负的部分。
id波形有一定的脉动,但为简化分析及定量计算,可将id近似为一条水平线。
阻感负载时的移相范围为90。
u,d,i,a,u,a,u,b,u,c,i,b,i,c,i,d,u,ac,O,w,t,O,w,t,O,O,w,t,O,O,w,t,a,w,t,w,t,3.3.1三相半波可控整流电路,数量关系,由于负载电流连续,Ud可由式(3-18)求出,即,变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为,(3-23),3.3.1三相半波可控整流电路,晶闸管的额定电流为,晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值,三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量,为此其应用较少。
(3-24),(3-25),3.3.2三相桥式全控整流电路,三相桥是应用最为广泛的整流电路,共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1,VT3,VT5),共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4,VT6,VT2),图3-17三相桥式全控整流电路原理图,导通顺序:
VT1VT2VT3VT4VT5VT6,3.3.2三相桥式全控整流电路,1)带电阻负载时的工作情况,当a60时,ud波形均连续,对于电阻负载,id波形与ud波形形状一样,也连续波形图:
a=0(图3-18)a=30(图3-19)a=60(图3-20)当a60时,ud波形每60中有一段为零,ud波形不能出现负值波形图:
a=90(图3-21)带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120,图3-18三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形,图3-19三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30时的波形,图3-20三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60时的波形,图3-21三相桥式全控整流电路带电阻负载a=90时的波形,3.3.2三相桥式全控整流电路,晶闸管及输出整流电压的情况如表3-1所示,请参照图3-18,3.3.2三相桥式全控整流电路,
(2)对触发脉冲的要求:
按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序,相位依次差60。
共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120,共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。
同一相的上下两个桥臂,即VT1与VT4,VT3与VT6,VT5与VT2,脉冲相差180。
三相桥式全控整流电路的特点,
(1)2管同时通形成供电回路,其中共阴极组和共阳极组各1,且不能为同1相器件。
3.3.2三相桥式全控整流电路,(3)ud一周期脉动6次,每次脉动的波形都一样,故该电路为6脉波整流电路。
(4)需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法:
一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发(常用)(5)晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同,晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。
三相桥式全控整流电路的特点,a60时(a=0图3-22;a=30图3-23)ud波形连续,工作情况与带电阻负载时十分相似。
各晶闸管的通断情况输出整流电压ud波形晶闸管承受的电压波形,3.3.2三相桥式全控整流电路,2)阻感负载时的工作情况,主要包括,a60时(a=90图3-24)阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。
电阻负载时,ud波形不会出现负的部分。
阻感负载时,ud波形会出现负的部分。
带阻感负载时,三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90。
区别在于:
得到的负载电流id波形不同。
当电感足够大的时候,id的波形可近似为一条水平线。
图3-22三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0时的波形,图3-23三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形,图3-24三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90时的波形,3.3.2三相桥式全控整流电路,3)定量分析,当整流输出电压连续时(即带阻感负载时,或带电阻负载a60时)的平均值为:
带电阻负载且a60时,整流电压平均值为:
输出电流平均值为:
Id=Ud/R,(3-26),(3-27),3.3.2三相桥式全控整流电路,当整流变压器为图3-17中所示采用星形接法,带阻感负载时,变压器二次侧电流波形如图3-23中所示,其有效值为:
(3-28),晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。
接反电势阻感负载时,在负载电流连续的情况下,电路工作情况与电感性负载时相似,电路中各处电压、电流波形均相同。
仅在计算Id时有所不同,接反电势阻感负载时的Id为:
(3-29),式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。
3.3.3三相桥式半控整流电路,工作原理由一个三相半波不控整流电路与一个三相半波可控整流电路串联而成,3.3.3三相桥式半控整流电路(R负载),=30=120,3.3.3三相桥式半控整流(R)电量计算,整流电压Ud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,3.3.3三相桥式半控整流电路(L负载),6060180,3.3.3三相桥式半控整流(L)电量计算,整流电压Ud-同电阻性负载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,3.3.3三相桥式半控(L)电量计算(续),SCR电流的有效值IT、整流管电流有效值IDSCR电流的平均值IdD、整流管电流平均值IdT,3.3.3三相桥式半控(L)电量计算(续),变压器副边绕组电流有效值I26060180,3.3.3三相桥式半控整流的失控现象,产生原因突然将触发脉冲切断将角增大到180实质:
对晶闸管的工作失去控制作用避免方法:
加续流二极管,ik=ib是逐渐增大的,而ia=Id-ik是逐渐减小的。
当ik增大到等于Id时,ia=0,VT1关断,换流过程结束。
3.4变压器漏抗对整流电路的影响,考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响,该漏感可用一个集中的电感LB表示。
现以三相半波为例,然后将其结论推广。
VT1换相至VT2的过程:
因a、b两相均有漏感,故ia、ib均不能突变。
于是VT1和VT2同时导通,相当于将a、b两相短路,在两相组成的回路中产生环流ik。
3.4变压器漏抗对整流电路的影响,换相重叠角换相过程持续的时间,用电角度g表示。
换相过程中,整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。
换相压降与不考虑变压器漏感时相比,ud平均值降低的多少。
(3-30),(3-31),3.4变压器漏抗对整流电路的影响,换相重叠角g的计算,由上式得:
进而得出:
(3-32),(3-33),(3-34),3.4变压器漏抗对整流电路的影响,由上述推导过程,已经求得:
当时,于是,g随其它参数变化的规律:
(1)Id越大则g越大;
(2)XB越大g越大;(3)当a90时,越小g越大。
(3-35),(3-36),3.4变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏抗对各种整流电路的影响,表3-2各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,注:
单相全控桥电路中,环流ik是从-Id变为Id。
本表所列通用公式不适用;三相桥等效为相电压等于的6脉波整流电路,故其m=6,相电压按代入。
3.4变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏感对整流电路影响的一些结论:
出现换相重叠角g,整流输出电压平均值Ud降低。
整流电路的工作状态增多。
晶闸管的di/dt减小,有利于晶闸管的安全开通。
有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。
换相时晶闸管电压出现缺口,产生正的du/dt,可能使晶闸管误导通,为此必须加吸收电路。
换相使电网电压出现缺口,成为干扰源。
3.5整流电路的有源逆变工作状态,3.5.1有源逆变的基本工作原理3.5.2常用晶闸管有源逆变电路3.5.3逆变失败原因与最小逆变角的确定,3.5.1有源逆变的基本工作原理,1)什么是逆变?
为什么要逆变?
逆变(Invertion)把直流电转变成交流电,整流的逆过程。
逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。
有源逆变电路交流侧和电网连结。
应用:
直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。
无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接,而直接接到负载,将在第7章介绍。
对于可控整流电路,满足一定条件就可工作于有源逆变,其电路形式未变,只是电路工作条件转变。
既工作在整流状态又工作在逆变状态,称为变流电路。
3.5.1有源逆变的基本工作原理,2)两电源间的能量传递,图3-30直流发电机直流电动机之间电能的流转a)两电动势同极性EGEMb)两电动势同极性EMEGc)两电动势反极性,形成短路,电路过程分析。
两个电动势同极性相接时,电流总是从电动势高的流向低的,回路电阻小,可在两个电动势间交换很大的功率。
3.5.1有源逆变的基本工作原理,3)逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机,交流电网输出电功率,电动机输出电功率,a),b),u,10,u,d,u,20,u,10,a,O,O,w,t,w,t,I,d,i,d,U,d,E,M,u,10,u,d,u,20,u,10,O,O,w,t,w,t,I,d,i,d,U,d,E,M,a,i,VT,1,i,VT,2,i,VT,2,i,d,=,i,VT,+,i,VT,1,2,i,d,=,i,VT,+,i,VT,1,2,i,VT,1,i,VT,2,i,VT,1,3.5.1有源逆变的基本工作原理,从上述分析中,可以归纳出产生逆变的条件有二:
有直流电动势,其极性和晶闸管导通方向一致,其值大于变流器直流侧平均电压。
晶闸管的控制角/2,使Ud为负值。
半控桥或有续流二极管的电路,因其整流电压ud不能出现负值,也不允许直流侧出现负极性的电动势,故不能实现有源逆变。
欲实现有源逆变,只能采用全控电路。
3.5.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态,逆变和整流的区别:
控制角不同,0p/2时,电路工作在整流状态。
p/2p时,电路工作在逆变状态。
可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题。
把ap/2时的控制角用p-=b表示,b称为逆变角。
逆变角b和控制角a的计量方向相反,其大小自b=0的起始点向左方计量。
3.5.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态,三相桥式电路工作于有源逆变状态,不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图3-46所示。
3.5.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态,有源逆变状态时各电量的计算:
输出直流电流的平均值即,(3-37),当逆变工作时,由于EM为负值,故Pd一般为负值,表示功率由直流电源输送到交流电源。
3.5.3逆变失败原因与最小逆变角的确定,逆变失败(逆变颠覆),逆变时,一旦换相失败,外接直流电源就会通过晶闸管电路短路,或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联,形成很大短路电流。
触发电路工作不可靠,不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲,如脉冲丢失、脉冲延时等,致使晶闸管不能正常换相。
晶闸管发生故障,该断时不断,或该通时不通。
交流电源缺相或突然消失。
换相的裕量角不足,引起换相失败。
1)逆变失败的原因,3.5.3逆变失败原因与最小逆变角的确定,换相重叠角的影响:
当bg时,换相结束时,晶闸管能承受反压而关断。
如果bg时(从图3-47右下角的波形中可清楚地看到),该通的晶闸管(VT1)会关断,而应关断的晶闸管(VT3)不能关断,最终导致逆变失败。
3.5.3逆变失败原因与最小逆变角的确定,2)确定最小逆变角bmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角b应等于bmin=d+g+q(3-41),d晶闸管的关断时间tq折合的电角度,g换相重叠角,q安全裕量角,tq大的可达200300ms,折算到电角度约45。
随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。
主要针对脉冲不对称程度(一般可达5)。
值约取为10。
3.5.3逆变失败原因与最小逆变角的确定,g换相重叠角的确定:
1)查阅有关手册举例如下:
2)参照整流时g的计算方法,(3-42),这样,bmin一般取3035。
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- 第三章 相控整流电路 第三 整流 电路