第3章 相控整流电路(《电力电子技术》课件).ppt

第3章相控整流电路,3.1单相相控整流电路3.2三相相控整流电路3.3整流电路的谐波分析3.4有源逆变原理3.5三相有源逆变电路3.6逆变失败及最小逆变角的确定3.7晶闸管直流可逆拖动系统的工作原理,第3章相控整流电路,能够将交流电能转换为直流电能的电路，称为整流电路。整流电路中的主要电力电子器件是半控型的晶闸管，与其对应的主要变换电路是相控整流电路。相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定，是目前获得直流电能的主要方法，得到了广泛的应用。本章主要研究单相、三相相控整流电路的工作原理与主要特性。本章要求熟练掌握单相、三相相控整流电路的基本原理、波形分析及各种负载对电路工作的影响，并掌握上述电路的设计计算方法。,3.1单相相控整流电路,3.1.1单相半波相控整流电路3.1.2单相桥式半控整流电路3.1.3单相桥式全控整流电路,3.1单相相控整流电路,单相相控整流电路按电路的接线型式可分为单相半波、单相全波和单相桥式三种。在实际应用中，整流电源的负载又有电阻、电感以及反电势等不同性质。负载性质不同对整流电源的要求和影响也不同,3.1.1单相半波相控整流电路,1.电阻性负载1整流电路,,3.1.1单相半波相控整流电路,2）工作原理u2负半周，晶闸管T承受正向电压。0-期间，没有触发脉冲，T正向阻断。时刻加触发脉冲，T导通，R上有电流流过。负载电压udu2。u2负半周，晶闸管承受反向电压，处于反向截止状态，u2全部加在晶闸管两端，负载上的电压为零。,,,3.1.1单相半波相控整流电路,3）整流波形4）整流电压,,图3.1单相半波相控整流电路及其波形,,3.1.1单相半波相控整流电路,5）几个术语从晶闸管开始承受正向阳极电压到施加触发脉冲使其导通之间的电角度，称为触发角或控制角。晶闸管开始导通到关断之间的角度，称为导通角。整流输出电压的平均值从最大值变化到零时所对应的的变化范围，称为移相范围。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控方式。,3.1.1单相半波相控整流电路,2.电感性负载1）不带续流二极管工作原理电源电压的正半周，晶闸管处于正向阻断状态。时触发晶闸管，晶闸管由正向阻断状态转为导通状态，电流从0开始上升，至时上升至最大值，随后开始下降。在电源电压由正变负的过零点处，由于电感储能作用，使尚未降至零，晶闸管仍处于导通状态。,图3.2感性负载单相半波整流电路及其波形,,,,3.1.1单相半波相控整流电路,输出电压平均值2）带续流二极管当过零变负时，续流二极管因承受正向电压而导通，负载电流经续流二极管构成通路，电感释放储能。,,图3.3带续流二极管的单相半波相控整流电路及其波形,3.1.1单相半波相控整流电路,流过晶闸管的电流平均值为流过续流二极管的电流平均值为流过晶闸管和续流二极管的电流有效值分别为,,,,,3.1.2单相桥式半控整流电路,1.带续流二极管在正半周，T1承受正向阳极电压。在控制角为时触发晶闸管T1，则T1和D2导通，负载电流从a点经T1、负载、D2回到b点。此时整流电路的输出电压。当过零变负时，由于电感的作用，T1仍继续导通，但由于此时b点电位高于a点电位，D1正偏导通，D2反偏截止，D2、D1自然换相，负载电流从a点经T1、负载、D1回到a点，形成不经过变压器的续流状态，输出电压接近于零。在负半周，T2承受正向阳极电压。在时触发晶闸管T2，则T2和D1导通，T1承受反向电压而截止。负载电流从b点经T2、负载、D1回到a点。此时整流电路的输出电压。当过零变正时，D2正偏导通，D1反偏截止，D1、D2自然换相，负载电流从b点经T2、负载、D2回到b点，形成不经过变压器的续流状态，输出电压接近于零。,3.1.2单相桥式半控整流电路,图3.4单相桥式半控整流电路及其波形,3.1.2单相桥式半控整流电路,单相桥式半控整流电路虽然自身有自然续流能力，但在实际运行中，当突然增大至或触发脉冲突然丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的现象，此时触发脉冲对输出电压失去了控制作用，称为失控。2.带续流二极管并联续流二极管后，当电源电压降至零时，负载电流经续流二极管续流，晶闸管电流降至维持电流以下而关断，从而避免了失控现象。,图3.5并联续流二极管的单相桥式半控整流电路及其波形,3.1.2单相桥式半控整流电路,并联续流二极管的输出电压平均值输出电压有效值晶闸管电流平均值和有效值分别为续流二极管的电流平均值和有效值分别为,,,,,,,3.1.3单相桥式全控整流电路,1.电阻性负载,图3.6带电阻性负载的单相桥式全控整流电路及其波形,3.1.3单相桥式全控整流电路,正半周时，a点电位高于b点电位，两个晶闸管T1、T4同时承受正向电压。门极无触发信号，则两个晶闸管处于正向阻断状态，电源电压将全部加在T1、T4上，两个晶闸管各自承受电源电压的一半，负载电压为零。在时，给T1、T4同时施加触发脉冲，T1、T4即时导通，电源电压通过T1、T4加在负载上。当电源电压下降至零时，负载电流也降至零，T1、T4自然关断。在电源电压的正半周，晶闸管T2、T3始终承受反向电压而处于截止状态。在的负半周，b点电位高于a点电位，晶闸管T2、T3同时承受正向电压。在时触发T2、T3，T2、T3导通，电流从b端流出经T3、R、T2回到电源a端，负载获得与正半周相同的整流电压和电流波形，这期间，T1、T4均承受反向电压而处于阻断状态。当过零变正时，T2、T3关断，负载电压和电流也降至零。此后，T1、T4又承受正向电压，并在时被触发导通，依此循环工作。,,,,3.1.3单相桥式全控整流电路,整流输出电压平均值为输出电流的平均值和有效值分别为晶闸管电流平均值为晶闸管电流有效值为,,,,,,3.1.3单相桥式全控整流电路,2.电感性负载在电源正半周，晶闸管T1和T4同时承受正向电压。若在时同时触发T1和T4导通，则电源电压通过T1和T4加至负载上。当电源电压过零变负时，由于大电感的存在，T1和T4仍继续导通。在电源负半周，晶闸管T2和T3同时承受正向电压。在时同时触发T2和T3导通，T1和T4承受反向电压而关断，负载电流由T1和T4换流至T2和T3，电源电压通过T2和T3施加到负载端。当电源电压过零变正时，电感的储能使T2和T3维持继续导通，直至下一个周期T1和T4被触发导通为止。,,,,图3.7带电感性负载的单相桥式全控整流电路及其波形,3.1.3单相桥式全控整流电路,整流输出电压平均值整流输出电压有效值流过晶闸管的电流平均值和有效值,,,,,,3.1.3单相桥式全控整流电路,3.反电动势负载,,图3.8带反电动势负载的单相桥式全控整流电路及其波形,3.2三相相控整流电路,3.2.1三相半波相控整流电路3.2.2三相桥式全控整流电路3.2.3三相桥式半控整流电路,3.2.1三相半波相控整流电路,1.电阻性负载在不可控整流情况下，二极管换相发生在相电压的交点、、处，这些交点称为自然换相点。对三相半波可控整流电路而言，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的起点。,,,,图3.9三相半波相控整流电路及时的工作波形,,,3.2.1三相半波相控整流电路,,,图3.10三相半波相控整流电路，阻性负载时的波形,图3.11三相半波相控整流电路，阻性负载时的波形,,,3.2.1三相半波相控整流电路,当时当时,,,,,3.2.1三相半波相控整流电路,负载电流平均值为电流连续时，整流变压器二次侧各相绕组电流有效值为电流断续时，整流变压器二次侧各相绕组电流有效值为,,,,3.2.1三相半波相控整流电路,2.电感性负载当时，其工作原理与电阻性负载时相同，整流电压波形与电阻负载时相同，但是电流波形有差别。当时，回路中负载电感L很大，它产生的自感电势使晶闸管在电源电压由零变负时仍承受正向电压导通，直到下一相晶闸管触发导通为止，所以各相晶闸管均导通。,图3.12三相半波相控整流电路，电感性负载时的电路及时工作波形,,,,,3.2.1三相半波相控整流电路,整流输出电压平均值为负载电流平均值为整流变压器二次侧绕组和晶闸管电流有效值为,,,,3.2.1三相半波相控整流电路,晶闸管电流的平均值为晶闸管承受的最大正、反向电压均为线电压峰值，为整流变压器二次侧容量为整流变压器一次侧容量为,,,,,,3.2.1三相半波相控整流电路,为了避免整流输出电压波形出现负值，可在大电感负载两端并接续流二极管D，以提高输出平均电压值，改善负载电流的平稳性，同时扩大移相范围。,图3.15三相半波电感性负载接续流二极管时的电路及波形,3.2.1三相半波相控整流电路,时该电路的整流输出电压、电流平均值为晶闸管电流平均值、有效值和最大正反向峰值电压分别为续流二极管的电流平均值、有效值和最大反向峰值电压分别为,,,,,,,,,,3.2.1三相半波相控整流电路,3.反电动势负载,图3.16三相半波反电动势-电阻性负载电路及波形,3.2.1三相半波相控整流电路,4.共阳极三相半波相控整流电路三相半波整流电路晶闸管的接法有两种形式一种是三个晶闸管的阴极连在一起，如以上讨论过的线路，称为共阴极组接法。另一种是三个晶闸管的阳极连在一起，而三个阴极分别接到三相交流电源上，称为共阳极组接法。,图3.18三相半波整流电路共阳极组接线及其波形,3.2.2三相桥式全控整流电路,三相桥式全控整流电路应用最为广泛，它是由两个三相半波整流电路发展而来的，如图3.19a所示，其中一组三相半波整流电路为共阴极连接，一组为共阳极连接。如果两组负载完全相同且触发角一样，则负载电流、相等，电路零线中无电流流过，如果将零线去掉，并不影响电路的工作，就成为三相桥式全控整流电路，如图3.19b所示。,,,,,,,a三相半波共阴极组和共阳极组串联的电路,b三相桥式全控整流电路,图3.19三相桥式全控整流电路,3.2.2三相桥式全控整流电路,1.电阻性负载,图3.20三相桥式全控整流电路阻性负载时的波形,图3.2130时的波形,,,3.2.2三相桥式全控整流电路,,,图3.22时的波形,图3.23时的波形,,,3.2.2三相桥式全控整流电路,1三相桥式全控整流电路在任何时刻必须保证共阴极组和共阳极组各有一晶闸管导通，才能构成导电回路。2器件换流只在本组内进行，每隔换流一次，所以共阴极组晶闸管T1、T3、T5触发脉冲相位相差，共阳极组晶闸管T4、T6、T2的触发脉冲也相差。由于共阴极组和共阳极组换流点相隔，所以每隔有一个器件换流。接在同一相的两个元件触发脉冲相位相差。所以触发脉冲顺序为Tl→T2→T3→T4→T5→T6。3为了保证任何时刻共阴极组和共阳极组中各有一晶闸管导通，或者由于电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲。可以采用宽脉冲脉冲宽度大于，一般取或双窄脉冲即一周期内对一个晶闸管连续触发两次，两次脉冲间隔来实现。实际工程应用中常采用双窄脉冲触发方式，虽然它的触发电路复杂，但可使触发装置输出功率减小，从而减小脉冲变压器铁心的体积。用宽脉冲触发，虽然脉冲次数减少一半，但为了使脉冲变压器不饱和，铁心体积做得较大，绕组匝数也多，使漏感加大，脉冲前沿不够陡。4三相全控桥电路整流输出电压是线电压的一部分，一个周期内脉动6次，脉动频率为300Hz，较三相半波电路提高一倍。,3.2.2三相桥式全控整流电路,电流连续时，整流输出电压平均值为电流断续时，整流输出电压平均值为负载电流平均值为,,,,,,3.2.2三相桥式全控整流电路,当时，变压器二次侧绕组电流有效值为当时，变压器二次侧绕组电流有效值为流过晶闸管的电流平均值流过晶闸管的电流有效值,,,,,,,3.2.2三相桥式全控整流电路,2.电感性负载,图3.24三相桥式全控整流电路带电感性负载时的波形,,图3.25三相桥式全控整流电路带电感性负载时的波形,,3.2.2三相桥式全控整流电路,图3.26三相桥式全控整流电路带电感性负载时的波形,,3.2.2三相桥式全控整流电路,整流输出电压平均值为负载电流平均值为二次侧绕组电流有效值为流过晶闸管的电流有效值和平均值分别为,,,,,,3.2.3三相桥式半控整流电路,三相桥式半控整流电路如图3.27所示，其电路工作特点是共阴极组晶闸管必须触发才能换流，而共阳极组二极管总是在自然换相点换流。所以，一周期中仍然换流六次，三次为自然换流，其余三次为触发换流。,,图3.27三相桥式半控整流电路,3.2.3三相桥式半控整流电路,1.电阻性负载,,,图3.28三相桥式半控整流电路阻性负载时的波形,图3.29三相桥式半控整流电路阻性负载时的波形,,,3.2.3三相桥式半控整流电路,2.电感性负载,,,图3.30三相桥式半控整流电路感性负载时的波形,图3.31三相桥式半控整流电路感性负载时的波形,,,3.3整流电路的谐波分析,3.3.1m脉波相控整流电压通用公式3.3.2单相和三相桥式相控整流谐波特性,3.3.1m脉波相控整流电压通用公式,通用公式,,图3.33m脉波整流电路电压波形,,,3.3.2单相和三相桥式相控整流谐波特性,,,图3.34单相桥式相控整流谐波特性,图3.35三相桥式相控整流谐波特性,3.4有源逆变原理,3.4.1电网与直流电动机间的能量转换3.4.2有源逆变的工作原理,3.4有源逆变原理,同一套晶闸管电路，既可工作在整流状态，也可工作在逆变状态。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，既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路装置。变流装置工作在逆变状态时，如果其交流侧接在交流电源上，电源成为负载，把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网中去，这样的逆变叫“有源逆变”。如果变流装置的交流侧不是接至交流电网，而是接至负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，这样的逆变称为“无源逆变”。,3.4.1电网与直流电动机间的能量转换,直流电动机作为负载工作时如图3.36a所示变流器把交流电网电能变成直流电能供给电动机和电阻R消耗。,,图3.36电网和直流电动机间的能量转换,3.4.1电网与直流电动机间的能量转换,2.直流电动机作为电源发电机工作时直流电动机作为发电机工作时，如图3.36b、c所示。图3.36b所示，直流电动机供出能量，变流器将直流电动机供出的直流能量的一部分变换为与电网同频率的交流能量送回电网，电阻R消耗一部分能量，直流电动机运行在发电制动状态。图3.36c所示，回路电流由两电势之和与回路的总电阻决定。这时两个电源都输出功率，消耗在回路电阻上，如回路电阻R很小，将有很大电流，相当于短路，这在实际工作中是不允许的。,3.4.2有源逆变的工作原理,,,a整流状态,b逆变状态,图3.37单相全控桥整流电路的两种工作状态,3.4.2有源逆变的工作原理,整流电路工作于有源逆变状态的条件如下1变流器直流侧有直流电动势，其极性必须与晶闸管导通方向一致；2变流器输出的直流平均电压必须为负值，即晶闸管触发角，且。,,,,3.5三相有源逆变电路,3.5.1三相半波有源逆变电路3.5.2三相桥式逆变电路,3.5.1三相半波有源逆变电路,,a整流状态下电压、电流波形b逆变状态下电压、电流波形图3.38三相半波相控电路的整流和有源逆变工作状态,3.5.1三相半波有源逆变电路,,图3.39三相半波相控电路输出电压及晶闸管两端的电压波形,,,,3.5.2三相桥式逆变电路,,图3.40三相桥式整流电路用工作于有源逆变状态时的波形,3.6逆变失败及最小逆变角的确定,3.6.1逆变失败的原因3.6.2换相重叠角3.6.3最小逆变角的确定及常用方法,3.6.1逆变失败的原因,触发电路工作不可靠,,,,,a三相半波逆变电路,b脉冲丢失,c触发脉冲延迟,3.6.1逆变失败的原因,2.晶闸管发生故障由于各种原因造成晶闸管故障，从而使晶闸管应该阻断时不能阻断，应该导通时不能导通，均会造成逆变失败。3.交流电源发生异常在逆变工作状态时，如果交流电源突然停电、缺相或电源电压降低，由于直流电动势的存在，晶闸管仍可触发导通。此时变流器的交流侧由于失去了同直流电动势极性相反的交流电压，因此直流电动势将通过晶闸管使电路短路。,d晶闸管工作失常,3.6.1逆变失败的原因,4.换相裕量不足有源逆变电路设计时，如果对晶闸管换相时的换相重叠角考虑不够，就会造成换相裕量时间小于晶闸管关断时间，从而导致换相失败。,3.6.2换相重叠角,在前面对变流电路进行分析和计算时，都未考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感对电路的影响，即认为换相是瞬间完成的。但实际上，变压器绕组总存在一定的漏感，交流回路中也有一定的电感，为了分析和讨论的方便，将所有交流侧电感都折算到变压器二次侧，用一个集中电感来表示。,,3.6.2换相重叠角,1.换相期间的整流输出电压,图3.43考虑变压器漏抗时三相半波相控整流电路的电流波形,,3.6.2换相重叠角,2.换相压降计算如果整流电路为m相整流，则换相压降为式中，m为一个周期换相次数，单相双半波电路m＝2；三相半波电路m＝3；三相桥式电路m＝6。对于单相桥式电路，因在一周期的两次换流中起作用，其电流从到，所以m＝4。,,3.6.2换相重叠角,3.换相重叠角的计算单相双半波电路，；三相半波电路，。三相全控桥电路，可等效于相电压为的六相半波整流电路，。对于单相全控桥，在一周内两次换流中均起作用，其电流是从变化至，仍可取，但要用带入公式中的。,,,,,,,,,,,,,3.6.2换相重叠角,4.换相裕量不足引起的逆变失败,图3.44换相裕量不足引起的逆变失败,3.6.3最小逆变角的确定及常用方法,逆变时允许采用的最小逆变角应为晶闸管的关断时间所对应的电角度，，称为恢复阻断角；为换相重叠角；为换相安全裕量角。,,,,,,,,,3.7晶闸管直流可逆拖动系统的工作原理,3.7.1用接触器控制直流电动机正反转的电路3.7.2采用两组晶闸管反并联的可逆电路,3.7.1用接触器控制直流电动机正反转的电路,,图3.45接触器控制直流电动机正反转的电路,3.7.2采用两组晶闸管反并联的可逆电路,,图3.47两组变流器的工作方式和对应电动机的运行状态,