第2章整流电路_电力电子应用技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 整流和有源逆变,电力电子应用技术,1,第,2,章 整流与有源逆变,2.1,单相可控整流电路,2.2,三相可控整流电路,2.3,变压器漏感对整流电路的影响,2.4,整流电路的谐波和功率因数,2.5,整流电路的有源逆变工作状态,2.6,晶闸管直流电动机系统,2.7,相控电路的驱动控制,本章小结,将交流电转换成直流电的变换称之为,整流,，实现整流变换的装置称之为,整流器,。,可控整流,不控整流,整流,逆变,在整流变换过程中，其平均功率（或能量）的流向是从交流电源流向直流负载。,有源逆变,无源逆变,在逆变过程中，其平均功率（或能量）是从直流侧流向交流侧的。,图,2-1,整流与逆变的功率流向,工业应用中常常需要把直流电能转换成交流电能，这种对应于整流的逆向过程称之为,逆变,。,图,2-2,部分常用的整流电路,可控整流电路的主元件在采用晶闸管时，其控制方式都采用,相位控制,，故这类整流电路又称之为,相控整流,。,c,）,d,）,除,c,）、,d,）外,a,）,e,）,f,）、,g,）,b,）、,f,）,c,）、,d,）、,e,）、,g,）,a,）、,b,）*、,f,）,c,）、,d,）、,e,）、,g,）,4,2.1,单相可控整流电路,2.1.1,单相半波可控整流电路,2.1.2,单相桥式全控整流电路,2.1.3,单相全波可控整流电路,2.1.4,单相桥式半控整流电路,5,图,2-3,单相半波可控整流电路,1,、带电阻负载的工作情况,（,二）理想化假设,开关元件是理想的开关：,通态压降,=0,；,断态电阻无穷大,;,漏电流,=0;,开关过程瞬间完成；,变压器是理想的：,漏抗、绕组电阻、励磁电流,=0,电网电压是理想的正弦波,（一）主电路,T,为整流变压器；,注意各物理量的参考方向,问题：,元件可能触发导通的区间？何时关断？为什么？,2.1.1,单相半波可控整流电路,6,图,2-3,单相半波可控整流电路及波形,（同频,/,同周期、有协调的相位关系正常工作的条件,）,（三）工作原理及波形分析,控制角,:,从,SCR,承受正向电压时刻起到触发脉冲前沿时刻之间的时间所对应的电角度。,把不控器件（二极管）的导通时刻后移的电角度。,元件导通角,（导电角）：元件在一周期内导通的时间所对应的电角度。本例,=-,移相,：改变触发脉冲出现时刻，即改变控制角大小。,改变,角的大小就可以控制输出电压的大小实现,“,移相控制,”,，被简称,“,相控,”,。,移相范围,：控制角,能够变化的范围，本例,0,180,换相（换流）,：电流从一个元件转移到另一个元件的过程。,(,四,),几个名词术语,8,V,d,是控制角,的函数；,愈大,V,d,愈小；,当,0,时为最大值；,当,时，,V,d,=0,。,的,移相范围为,0,。,(,五,),基本量的计算,电源电压,输出直流电压平均值,V,d,（,3,）晶闸管,电流,的,有效值,I,T,:,由于两晶闸管对轮流导通，,在一个正弦周期内各导通,所以晶闸管,平均电流为负载平均电流,I,d,的一半。,晶闸管电流平均值,:,输出直流电流平均值,I,d,：,对单相半波电路的分析可基于下述方法进行,：,当,VT,处于,断态,时，相当于电路在,VT,处断开，,i,d,=0,。,当,VT,处于,通态,时，相当于,VT,短路。,图,2-3,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,通过器件的理想化，将电路简化为,分段线性电路,。,器件的每种状态对应于一种,线性电路,拓扑。,2,、带阻感性负载的工作情况,1),无续流二极管电路的工作原理及波形,图,2-4,电感负载的单相半波可控整流电路及波形,原理及波形分析：,与带电阻性负载电路相比,：,整流输出电压和整流输出电流波形性与电阻性负载不同。,由于电感的存在，输出电流波形与电压波形不同,。,整流电压波形存在过零变负部分，使得整流输出电压减小,。,2,）有续流二极管电路的工作原理及波形,为了提高整流器输出电压的平均值和减小变压器的发热损耗，按图,2-5a),所示极性在负载两端并联一功率二极管,VD,，,VD,称为,续流二极管,。,图,2-5,有续流二极管的单相半波可控整流电路及其工作波形,问题：有续流二极管和没有续流二极管相比，整流电路输出电压、电流及晶闸管两端电压波形有何不同？,3,）有续流二极管电路工作时的数学表达式,1.,输出电压,在电流断续、电流连续或电感足够大的几种情况下，有续流二极管电路的输出电压在一个周期内的表达式都为,输出电压 的直流分量（平均值）为,2.,负载电阻,R,上电压平均值,3.,输出电流平均值,4.,元件电压、元件电流,晶闸管,VT,所承受的断态正向峰值电压、反向峰值电压及二极管,VD,的反向峰值电压都为 。,5.,控制角的有效移相范围为,。,6.,晶闸管,VT,的元件导通角,。,VT,的,角移相范围为,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,图,2-6,电阻负载的单相桥式可控整流电路,2.1.2,单相桥式全控整流电路,1,、带电阻负载的工作情况,1,、,T1,、,T4,一组，,T2,、,T3,一组：,两组间、上下桥臂间,触发脉冲相差,180,电角度。,2,、问题：元件可能触发导通的区间？何时关断？为什么？,问题：当晶闸管承受反压关断时，,VT,两端电压是？,数量关系,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：,17,流过晶闸管的电流有效值：,变压器二次测电流有效值,I,2,与输出直流电流,I,有效值相等：,由以上两个表达式可得：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量,S,=,U,2,I,2,。,2,、带阻感性负载的工作情况,假设电路已工作于稳态，,i,d,的平均值不变。,假设负载电感很大，负载电流,i,d,连续且波形近似为一水平线,。,u,2,过零变负时，晶闸管,VT,1,和,VT,4,并不关断。,至,t,=,+,a,时刻，晶闸管,VT,1,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,。,图,2-6,阻感负载的单相桥式可控整流电路,（五）晶闸管电流,由于两晶闸管对轮流导通，在一个正弦周期内各导通,180,，故流过各晶闸管上的电流是幅值为 、宽度为,180,的矩形波电流，所以其平均值为,晶闸管电流的有效值为,（六）元件电压,元件的最大断态正向电压、最大反向电压都为,。,（七）控制角与导通角,控制角的有效移相范围为 ，但从式（,2-18,）可看到，当 时，输出电压的平均值为负。元件的导通角 。,20,2.1.3,单相全波可控整流电路,单相全波可控整流电路（,Single Phase Full Wave Controlled Rectifier),，又称单相双半波可控整流电路。,单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。,变压器不存在直流磁化的问题。,图,2-9,单相全波可控整流电路及波形,21,单相全波与单相全控桥的区别,：,单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。,单相全波只用,2,个晶闸管，比单相全控桥少,2,个，相应地，门极驱动电路也少,2,个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的,2,倍。,单相全波导电回路只含,1,个晶闸管，比单相桥少,1,个，因而管压降也少,1,个。,从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在,低输出电压的场合,应用。,22,2.1.4,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,VD,R,）。,图,2-10,单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,23,阻感负载,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,。,在,u,2,正半周，,u,2,经,VT,1,和,VD,4,向负载供电。,u,2,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,VT,1,和,VD,2,续流。,在,u,2,负半周触发角,a,时刻触发,VT,3,，,VT,3,导通，,u,2,经,VT,3,和,VD,2,向负载供电。,u,2,过零变正时，,VD,4,导通，,VD,2,关断。,VT,3,和,VD,4,续流，,u,d,又为零。,图,2-10,单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,24,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,u,d,成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为,失控,。,有续流二极管,VD,R,时，续流过程由,VD,R,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。,25,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,VT,3,和,VT,4,换为二极管,VD,3,和,VD,4,，这样可以省去续流二极管,VD,R,，续流由,VD,3,和,VD,4,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,2.2,三相可控整流电路,2.2.1,三相半波可控整流电路,2.2.2,三相桥式全控整流电路,2.2,三相可控整流电路,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,。,2.2.1,三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,。,图,2-12,三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及,a,=0,时的波形,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,=0,时的工作原理分析,变压器二次侧,a,相绕组和晶闸管,VT,1,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。,图,2-12,三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及,a,=0,时的波形,1),电阻负载,(,续,),0,，,由学生自行分析解决,a,=30,的波形（,图,2-13,）,特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。,a,30,的情况（,图,2-14,）,特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于,120,。,图,2-13,、,14,三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及,a,=0,，,a,=60,时的波形,当,a,=0,时，,U,d,最大，为,。,整流电压平均值的计算,a,30,时，负载电流连续，有：,a,30,时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,随 变化的规律如图,2-15,中的曲线,1,所示。,图,2-15,三相半波可控整流电路,U,d,/,U,2,随,a,变化的关系,1,电阻负载,2,电感负载,3,电阻电感负载,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,2,）阻感负载,图,2-16,三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及,a,=60,时的波形,特点：阻感负载，,L,值很大，,i,d,波形基本平直。,a,30,时：整流电压波形与电阻负载时相同。,a,30,时（如,a,=60,时的波形如图,2-16,所示）,。,u,2,过零时，,VT,1,不关断，直到,VT,2,的脉冲到来，才换流，,u,d,波形中出现负的部分,。,i,d,波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将,i,d,近似为一条水平线。,阻感负载时的移相范围为,90,。,数量关系,由于负载电流连续，,U,d,可求得：,图,2-15,三相半波可控整流电路,U,d,/,U,2,随,a,变化的关系,1,电阻负载,2,电感负载,3,电阻电感负载,与 成余弦关系，如图,2-15,中的曲线,2,所示。如果负载中的电感量不是很大，与 的关系将介于曲线,1,和,2,之间，曲线,3,给出了这种情况的一个例子。,变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为,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。,2.2.2,三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（,VT,1,VT,3,VT,5,）,共阳极组,阳极连接在一起的,3,个晶闸管（,VT4,VT6,VT2,）,图,2-17,三相桥式全控整流电路原理图,导通顺序：,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,VT,5,VT,6,1,）带电阻负载时的工作情况,当,a,60,时，,u,d,波形均连续，对于电阻负载，,i,d,波形与,u,d,波形形状一样，也连续,波形图：,a,=0,（,图,2,18,）,a,=30,（,图,2,19,）,a,=60,（,图,2,20,）,当,a,60,时，,u,d,波形每,60,中有一段为零，,u,d,波形不能出现负值,波形图：,a,=90,（,图,2,21,）,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,2-18,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,=0,时的波形,晶闸管及输出整流电压的情况如表,2,1,所示,时 段,I,II,III,IV,V,VI,共阴极组中导通的晶闸管,VT,1,VT,1,VT,3,VT,3,VT,5,VT,5,共阳极组中导通的晶闸管,VT,6,VT,2,VT,2,VT,4,VT,4,VT,6,整流输出电压,u,d,u,a,-,u,b,=,u,ab,u,a,-,u,c,=,u,ac,u,b,-,u,c,=,u,bc,u,b,-,u,a,=,u,ba,u,c,-,u,a,=,u,ca,u,c,-,u,b,=,u,cb,请参照图,2,18,1,）带电阻负载时的工作情况,当,a,60,时，,u,d,波形均连续，对于电阻负载，,i,d,波形与,u,d,波形形状一样，也连续,波形图：,a,=0,（,图,2,18,）,a,=30,（,图,2,19,）,a,=60,（,图,2,20,）,当,a,60,时，,u,d,波形每,60,中有一段为零，,u,d,波形不能出现负值,波形图：,a,=90,（,图,2,21,）,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,2-19,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,=30,时的波形,w,w,w,w,u,d1,u,d2,a,=30,i,a,O,t,O,t,O,t,O,t,u,d,u,ab,u,ac,u,a,u,b,u,c,w,t,1,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,VT,1,1,）带电阻负载时的工作情况,当,a,60,时，,u,d,波形均连续，对于电阻负载，,i,d,波形与,u,d,波形形状一样，也连续,波形图：,a,=0,（,图,2,18,）,a,=30,（,图,2,19,）,a,=60,（,图,2,20,）,当,a,60,时，,u,d,波形每,60,中有一段为零，,u,d,波形不能出现负值,波形图：,a,=90,（,图,2,21,）,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,2-20,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,=60,时的波形,w,w,w,a,=60,u,d1,u,d2,u,d,u,ac,u,ac,u,ab,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,a,u,b,u,c,O,t,w,t,1,O,t,O,t,u,VT,1,1,）带电阻负载时的工作情况,当,a,60,时，,u,d,波形均连续，对于电阻负载，,i,d,波形与,u,d,波形形状一样，也连续,波形图：,a,=0,（,图,2,18,）,a,=30,（,图,2,19,）,a,=60,（,图,2,20,）,当,a,60,时，,u,d,波形每,60,中有一段为零，,u,d,波形不能出现负值,波形图：,a,=90,（,图,2,21,）,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,2-21,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,=90,时的波形,对触发脉冲的要求：,按,VT,1,-,VT,2,-,VT,3,-,VT,4,-,VT,5,-,VT,6,的顺序，相位依次差,60,。,共阴极组,VT,1,、,VT,3,、,VT,5,的脉冲依次差,120,，共阳极组,VT,4,、,VT,6,、,VT,2,也依次差,120,。,同一相的上下两个桥臂，即,VT,1,与,VT,4,，,VT,3,与,VT,6,，,VT,5,与,VT,2,，,脉冲相差,180,。,三相桥式全控整流电路的,特点,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。,u,d,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。,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）,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（续）,a,60,时,（,a,=0,图,2,22,；,a,=30,图,2,23,）,u,d,波形连续，工作情况与带电阻负载时,十分相似,。,2),阻感负载时的工作情况,主要,包括,a,60,时（,a,=90,图,2,24,）,阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。,电阻负载时，,u,d,波形不会出现负的部分。,阻感负载时，,u,d,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,i,d,波形不同。,当电感足够大的时候,，,i,d,的波形可近似为一条水平线,。,各晶闸管的通断情况,输出整流电压波形,晶闸管承受的电压波形,图,2-22,三相桥式全控整流电路带阻感负载,a,=0,时的波形,u,d1,u,2,u,d2,u,2L,u,d,i,d,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,O,u,a,a,=0,u,b,u,c,w,t,1,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,i,VT,1,要求：学生针对波形，自行分析总结电阻性负载和阻感性负载的波形有哪些相同点和不同点。,a,60,时,（,a,=0,图,2,22,；,a,=30,图,2,23,）,u,d,波形连续，工作情况与带电阻负载时,十分相似,。,2),阻感负载时的工作情况,主要,包括,a,60,时（,a,=90,图,2,24,）,阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。,电阻负载时，,u,d,波形不会出现负的部分。,阻感负载时，,u,d,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,i,d,波形不同。,当电感足够大的时候,，,i,d,的波形可近似为一条水平线,。,各晶闸管的通断情况,输出整流电压波形,晶闸管承受的电压波形,图,2-23,三相桥式全控整流电路带阻感负载,a,=30,时的波形,u,d1,a,=30,u,d2,u,d,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,O,i,d,i,a,w,t,1,u,a,u,b,u,c,a,60,时,（,a,=0,图,2,22,；,a,=30,图,2,23,）,u,d,波形连续，工作情况与带电阻负载时,十分相似,。,2),阻感负载时的工作情况,主要,包括,a,60,时（,a,=90,图,2,24,）,阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。,电阻负载时，,u,d,波形不会出现负的部分。,阻感负载时，,u,d,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,i,d,波形不同。,当电感足够大的时候,，,i,d,的波形可近似为一条水平线,。,各晶闸管的通断情况,输出整流电压波形,晶闸管承受的电压波形,图,2-24,三相桥式全控整流电路带阻感负载,a,=90,时的波形,a,=90,u,d1,u,d2,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,ab,u,d,u,ac,u,ab,u,ac,w,t,O,w,t,O,w,t,O,u,b,u,c,u,a,w,t,1,u,VT,1,3),定量分析,带电阻负载且,a,60,时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为：,当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载 时）的平均值为：,当整流变压器为图,2-17,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,2-23,中所示，其有效值为：,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,I,d,时有所不同,，接反电势阻感负载时的,I,d,为：,式中,R,和,E,分别为负载中的电阻值和反电动势的值。,57,2.4,电容滤波的不可控整流电路,2.4.1,电容滤波的单相不可控整流电路,2.4.2,电容滤波的三相不可控整流电路,58,在交,直,交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用。,最常用的是,单相桥,和,三相桥,两种接法。,由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为,二极管整流电路,。,59,2.4.1,电容滤波的单相不可控整流电路,常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中。,1,）工作原理及波形分析,图,2-26,电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形,a),电路,b),波形,基本工作过程,：,在,u,2,正半周过零点至,wt,=0,期间，因,u,2,u,d,，故二极管均不导通，电容,C,向,R,放电，提供负载所需电流。,至,wt,=0,之后，,u,2,将要超过,u,d,，使得,VD,1,和,VD,4,开通，,u,d,=u,2,，交流电源向电容充电，同时向负载,R,供电。,b),0,i,u,d,q,d,p,2,p,w,t,i,u,d,a),+,R,C,u,1,u,2,i,2,VD,1,VD,3,VD,2,VD,4,i,d,i,C,i,R,u,d,60,2),主要的数量关系,输出电压平均值,电流平均值,输出电流平均值,I,R,为：,I,R,=,U,d,/,R,I,d,=I,R,二极管电流,i,D,平均值为：,I,D,=I,d,/,2,=I,R,/,2,二极管承受的电压,（,2-47,）,（,2-48,）,（,2-49,）,空载时，。,重载时，,U,d,逐渐趋近于,0.9,U,2,，即趋近于接近电阻负载时的特性。,在设计时根据负载的情况选择电容,C,值，使,此时输出电压为：,U,d,1.2,U,2,。,（,2-46,）,61,感容滤波的二极管整流电路,实际应用为此情况，但分析复杂。,u,d,波形更平直，电流,i,2,的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的,。,图,2-29,感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形,a,）电路图,b,）波形,a),b),u,2,u,d,i,2,0,d,q,p,w,t,i,2,u,2,u,d,62,2.4.2,电容滤波的三相不可控整流电路,1,）基本原理,某一对二极管导通时，,输出电压等于交流侧线电压中最大的一个,，该线电压既向电容供电，也向负载供电。,当没有二极管导通时，由电容向负载放电，,u,d,按指数规律下降。,图,2-30,电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形,a),b),O,i,a,u,d,i,d,u,d,u,ab,u,ac,0,d,q,w,t,p,p,3,w,t,63,电流,i,d,断续和连续的,临界条件,wRC,=,在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是,R,=/,wC,。,由,“,电压下降速度相等,”,的原则，可以确定临界条件。假设在,wt,+,d,=2,p,/3,的时刻,“,速度相等,”,恰好发生，则有,图,2-31,电容滤波的三相桥式整流电路当,wRC,等于和小于 时的电流波形,a,）,wRC,=,b,）,wRC,E,M,b,）两电动势同极性,E,M,E,G,c,）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。,78,3),逆变产生的条件,单相全波电路代替上述发电机,图,2-45,单相全波电路的整流和逆变,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,/2,，使,U,d,为,负值,。,半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压,u,d,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。,80,2.5.2,三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,0,p,/2,时，电路工作在,整流,状态。,p,/2,p,/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。,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,2-46,所示。,图,2-46,三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,2,u,d,w,t,O,w,t,O,b,=,p,4,b,=,p,3,b,=,p,6,b,=,p,4,b,=,p,3,b,=,p,6,w,t,1,w,t,3,w,t,2,82,有源逆变状态时各电量的计算,：,输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即,（,2-105,）,每个晶闸管导通,2,p,/3,，,故流过晶闸管的电流有效值为：,（,2-106,）,从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：,（,2-107,）,当逆变工作时，由于,E,M,为负值，故,P,d,一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。,（,2-108,）,在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：,83,2.5.3,逆变失败与最小逆变角的限制,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,84,换相重叠角的影响,：,图,2-47,交流侧电抗对逆变换相过程的影响,当,b,g,时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。,如果,b,g,时（从图,2-47,右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（,VT,2,）会关断，而应关断的晶闸管（,VT,1,),不能关断，最终导致逆变失败。,u,d,O,O,i,d,w,t,w,t,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,p,b,g,b,g,i,VT,1,i,VT,i,VT,3,i,VT,i,VT,3,2,2,85,2),确定,最小逆变角,b,min,的依据,逆变时允许采用的最小逆变角,b,应等于,b,min,=,d,+,g,+,q,（,2-109,）,d,晶闸管的关断时间,t,q,折合的电角度,g,换相重叠角,q,安全裕量角,t,q,大的可达,200300ms,，折算到电角度约,4,5,。,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,。,86,g,换相重叠角的确定：,查阅有关手册,举例如下：,整流电压,整流电流,变压器容量,短路电压比,U,k,%,g,220V,800A,240kV,。,A,5%,15,20,参照整流时,g,的计算方法,（,2-110,）,（,2-111,）,根据逆变工作时 ，并设 ，上式可改写成,这样，,b,min,一般取,30,35,。,87,2.6,晶闸管直流电动机系统,2.6.1,工作于整流状态时,2.6.2,工作于有源逆变状态时,2.6.3,直流可逆电力拖动系统,88,2.6,晶闸管直流电动机系统,引言,晶闸管直流电动机系统,晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统,。,是电力拖动系统中主要的一种。,是可控整流装置的主要用途之一。,对该系统的研究包括两个方面：,其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。,其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本节主要从第二个方面进行分析,。,89,2.6.1,工作于整流状态时,整流电路接反电动势负载时，负载电流断续，对整流电路和电动机的工作都很不利。,图,2-48,三相半波带电动机负载且,加平波电抗器时的电压电流波形,通常在电枢回路串联一平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续，如图,2-48,。,u,d,O,i,d,w,t,u,a,u,b,u,c,a,u,d,O,i,a,i,b,i,c,i,c,w,t,E,U,d,i,d,R,90,此时，整流电路直流电压的平衡方程为,（,2-112,）,式中，。,为电动机的反电动势,负载平均电流,I,d,所引起的各种电压降，包括：,变压器的电阻压降,电枢电阻压降,由重叠角引起的电压降,晶闸管本身的管压降，它基本上是一恒值。,系统的两种工作状态：,电流连续工作状态,电流断续工作状态,91,转速与电流的机械特性关系式为,1),电流连续时电动机的机械特性,在电机学中，已知直流电动机的反电动势为,（,2-113,）,可根据整流电路电压平衡方程式（,2-112,），得,（,2-114,）,（,2-115,）,图,2-49,三相半波电流连续时以,电流表示的电动机机械特性,其机械特性是一组,平行的直线,，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。,调节,a,角，即可调节电动机的转速。,O,n,a,1,a,2,a,3,a,3,a,2,a,1,I,d,(,R,B,+,R,M,+),I,d,C,e,3,X,B,2,p,92,2),电流断续时电动机的机械特性,当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性。,电动机的实际空载反电动势都是 。,时为：。,主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理。,当低速轻载时，可改用另一段较陡的特性来近似处理，等效电阻要大一个数量级。,当,I,d,减小至某一定值,I,d min,以后，电流变为断续，这个 是不存在的，真正的理想空载点远大于此值。,图,2-50,电流断续时电动势的特性曲线,断续区特性的近似直线,断续区,连续区,E,E,0,E,0,O,I,dmin,I,d,(0.585,U,2,),(,U,2,),2,93,电流断续时电动机机械特性的特点：,图,2-50,电流断续时电动势的特性曲线,电流断续时理想空载转速抬高。,机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。,随着,a,的增加，进入断续区的电流值加大。,断续区特性的近似直线,断续区,连续区,E,E,0,E,0,O,I,dmin,I,d,(0.585,U,2,),(,U,2,),2,O,a,3,a,2,a,1,I,d,分界线,断续区,连续区,a,5,a,4,E,0,E,图,2-51,考虑电流断续时,不同,a,时反电动势的特性曲线,1,a,2,a,3,a,4,60,2.6.2,工作于有源逆变状态时,1),电流连续时电动机的机械特性,电流连续时的机械特性由 决定的。,逆变时由于 ，反接，得,因为,E,M,=C,e,n,，可求得电动机的机械特性方程式,（,2-122),（,2-123),图,2-52,电动机在四象限中的机械特性,正组变流器,反组变流器,n,a,3,a,2,a,1,I,d,a,4,b,2,b,3,b,4,b,1,a,=,b,=,p,2,a,=,b,=,p,2,b,3,b,2,b,1,b,4,a,2,a,3,a,4,a,1,a,1,=,b,1,;,a,1,=,b,1,a,2,=,b,2,;,a,2,=,b,2,a,增大方向,b,增大方向,a,增大方向,b,增大方向,95,2),电流断续时电动机的机械特性,可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把 代入式（,2-117,）、式（,2-118,）和式（,2-119,），便可得,E,M,、,n,与,I,d,的表达式。三相半波电路为例：,(2-124),(2-125),(2-126),96,逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：,图,2-52,电动机在四象限中的机械特性,理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现,非线性,。,逆变状态的机械特性是整流状态的,延续,。,纵观控制角 变化时，机械特性得变化。,第,1,、,4,象限中和第,3,、,2,象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以,正组,和,反组,变流器。,正组变流器,反组变流器,n,a,3,a,2,a,1,I,d,a,4,b,2,b,3,b,4,b,1,a,=,b,=,p,2,a,=,b,=,p,2,b,3,b,2,b,1,b,4,a,2,a,3,a,4,a,1,a,1,=,b,1,;,a,1,=,b,1,a,2,=,b,2,;,a,2,=,b,2,a,增大方向,b,增大方向,a,增大方向,b,增大方向,97,2.6.3,直流可逆电力拖动系统,图,2-53,两组变流器的反并联可逆线路,图,2-53a,与,b,是两组反并联的可逆电路,a,三相半波有环流接线,b,三相全控桥无环流接线,c,对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况,98,两套变流装置反并联,连接的可逆电路的相关概念和结论：,环流,是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。,正向运行时由正组变流器供电；反向运行时，则由反组变流器供电。,根据对环流的处理方法，反并联可逆电路又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流,（）,、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。,电动机都可,四象限运行,。,可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。,99,直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。,电动机反向过程分析,：,详见,P89,a=b,配合控制的有环流可逆系统,对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证,a=,b,的配合控制关系。,假设正组为整流，反组为逆变，即有,a,P,=b,N,，