毕业设计矿用变频电源分析与设计.doc

2023届毕业设计说明书课题名称：矿用变频电源分析与设计专 业 系 班 级 学生姓名 指导老师 完毕日期 2023届毕业设计任务书一 、 课题名称：矿用变频电源分析与设计二 、 指导老师：三 、设计内容与规定 1、课题概述随着我国煤炭生产自动化限度的不断提高，矿用变频器在煤矿井下采、掘、运等机械设备和井上通、压、排、提等四大件的调速应用中发挥了良好的调速性能和节能降耗的作用。本课程拟电力电子技术和自动控制课程基础上分析设计出一矿用变频电源，重要技术参数规定如下： 额定功率：500 KW、800 KW、1200 KW、1500KW 额定电压：3300V 电路形式：三电平或者多电平 散热形式：热管 或 水冷 结构形式：防爆 控制方式：矢量控制 使用环境：井下2、设计内容与规定 第一章、前言1.1.意义及必要性1.2.需求分析1.3.变频电源发展趋势1.4.矿用变频技术发展现状及趋势第二章、变频电源基础2.1.整流电路基础2.2.逆变电路基础2.3.滤波电路基础2.4.变频控制电路基础第三章、（500 KW、800 KW、1200 KW、1500KW每四人一组）变频电源分析设计3.1电源方案设计3.2.主电路分析设计3.3.各部分电路分析设计3.3.1.整流电路分析设计3.3.2.斩波电路分析设计3.3.3.逆变电路分析设计3.3.4.滤波电路分析设计3.4.控制电路方案分析设计第四章、 结论与展望3、其它规定： 画出系统各环节电路图或原理图 系统各环节的原理介绍； 说明书中不能有复印与图片出现四、设计资料 1、新型半导体器件及其应用实例 电子工业出版社 2、逆变器整流电源 机械工业出版社3、现代逆变技术及其应用 科学出版社4、新型开关电源设计与应用 科学出版社5、半导体变流技术 机械工业出版社6、电力电子设备设计和应用手册 机械工业出版社 7、中国知网摘 要近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种重要手段。变频器在各个领域中的应用都非常广泛。例如：在冶金、石油、化工、纺织、电力、建材、煤炭等行业，有的工艺不允许电机直接启动，需要由变频器调速和协调工作才干满足工艺规定。这是必须采用变频器的。比如冶金行业需要采用变频器的电机大约达成70%。变频器是运用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。AbstractIn recent years , with the rapid development of power electronics technology, computer technology , automatic control technology, the AC drive and control technology to become one of the fastest growing technology, electric drive technology is facing a historic revolution that replaced AC variable speed DC speed and computer numerical control technology to replace analog control technology has become a trend. Inverter applications in various fields are very extensive. For example: In metallurgy , petroleum, chemical , textile, electricity, building materials , coal and other industries , and some do not allow motor direct start the process requires coordination by the governor and the drive to meet the process requirements. This is a must drive. For example, the metallurgical industry probably need to use the drive motor to reach 70%. Drive is the use of power semiconductor devices role will be off -frequency power conversion power control device to another frequency to achieve the AC induction motor soft starters , frequency control , improve running accuracy , changing the power factor , over current / overvoltage / overload protection and other functions.引 言 上世纪 80 年代以来，随着电气技术的发展，高压大功率交流电动机变频调速技术起到越来越大的作用，在能源、钢铁、机械、化工及交通等领域中，处处可见大中容量的交流电动机调速系统。而电力电子技术在大中容量的交流电动机调速系统是必不可少的环节，电力电子技术是运用电子技术、控制方法，通过功率开关器件将电能进行转换、控制和优化运用，通过与数字控制技术紧密结合，迅速发展成为一个跨学科的高新技术。 变频器是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。通常，把能将电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称为变频器。目前用于交流同步或异步电动机转速调节，是交流电动机调速方案中最抱负的。并且变频器节能效果非常明显，在最近几十年公司技术改造和生产设备更新中，起到很大的作用。 按照有关标准和国际惯例，供电电压若小于 1kV 时称为低压，若在 1kV10kV 之间称为中压，大于 10kV 以上则称为高压，但是，由于中压和高压的变频器或电机有着许多共同的特点，控制策略类似，所以统称中高压变频器或中高压电机。中高压变频器可以使电机无级调速，在工业生产中，可以满足对电机调速控制的规定，不仅可以提高产品的产量和质量，又减少生产成本，并且大幅度节约能源资源。目前，在煤炭、冶金、石油、化工等行业，大量大功率传动系统占主导作用，如大功率风机、泵类电机，为提高生产效率和产品质量，中高压大容量变频调速系统已经广泛应用其中；在社会方面，为解决环境污染、资源浪费，变频调速系统也是一种最直接、最有效的方法之一，如高速电气化铁路、城市轻轨以及电动汽车等，不仅可以大大减少空气污染，并且节能效果显著。由此可见，高性能的中高压大功率变频调速装置的市场潜力巨大，应用前景十分广阔。论文目录摘 要引 言第一章 前 言 1.1.意义及必要性 1.2.需求分析 1.3.变频电源发展趋势 1.4.矿用变频技术发展现状及趋势第二章 变频电源基础 2.1.整流电路基础 2.2.逆变电路基础 2.3.滤波电路基础 2.4.变频控制电路基础第三章 变频电源分析设计 3.1.电源方案设计 3.2.主电路分析设计 3.3.各部分电路分析设计3.3.1.整流电路分析设计3.3.2.斩波电路分析设计3.3.3.逆变电路分析设计3.3.4.滤波电路分析设计 3.4.控制电路方案分析设计第四章 结论与展望第一章 前 言1.1.意义及必要性意义随着电力电子技术、微电子技术及计算机技术的迅速发展，变频调速技术和矢量控制技术得到了日益完善。变频器以其卓越的性能和优点，动摇了直流调速系统长期以来在提速系统中的统治地位。近几年来，变频器在国民经济各行业中得到了广泛的应用和推广，变频器在皮带运送机上的应用便是其中一例。煤炭公司是耗电大户，其电耗成本占其生产成本相称大的比例，其中有很大一部分电能是白白浪费掉的，因此其节电潜力是很大的。煤矿生产中可使用变频调速的设备很多，如通风机、空气压缩机、水泵、给煤机、调车绞车、输送机(皮带、刮板)、提高机、采煤机以及焦化厂鼓风机等2-4。运用变频调速技术对煤矿公司现有设备进行改造，完全能达成改善工况、节省电费、提高效率的目的。必要性随着社会的发展和科技的进步，煤炭行业市场的竞争也越来越剧烈。煤矿的安全生产和产量任务在不断增长，对安装工程的质量标准化也在提高，如何在工作中提高业务能力和学习理论知识是广大机电工人的重要话题。当前，在适应高标准机械化矿井的发展，改变陈旧思想理念的同时，努力提高安装质量是非常重要的。因此，加强改变矿用变频电源必要的。1.2.需求分析机遇与挑战：核心器件依赖进口成国产发展瓶颈高压和中压变频器有长足发展市场前景广阔。市场数据： 我国每年需求形成约100亿元市场空间。随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正面临一场新革命。在电气传动领域，变频调速系统因效率高、性能好而成为主流。受益于节能减排、绿色环保等战略的拉动作为变频调速的重要设备，变频器产业成为未来几年市场潜力非常巨大的产业之一。变频器技术新动向:信息技术的发展带动了变频技术的发展，变频调速因具有调速精度高、启动能耗低，占地少、工艺先进、功能丰富、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等特点，被认为是最抱负的调速方案，代表电气传动的发展方向。高压大功率变频器因其在电磁兼容、电磁辐射、串联技术等方面存在很大的技术开发难度，因此也成为世界各大电气公司竞争的热点。目前国内诸多变频器生产厂家都在高压变频器领域投入大量的人力与物力，力求在目前变频器技术方面占领制高点。尽管如此，变频器的核心器件始终依赖进口，成为制约国产变频器发展的瓶颈。为应对来自不同应用领域的挑战，变频器也在不断更新换代，产品越来越多样化。总的来说，新一代的变频器应具有以下特点：一是全数字化、功能齐全，可以补偿负载变化，特别是分布式的具有通信、联网功能并具有可编程功能。二是简朴或行业专用的变频器以及实现了机电一体化、小型化。三是网络化和系统化，通过网络连接减少生产成本，通过现场总线模块，将不同型号的变频器以同一种编程语言和通信协议进行组态。此外，随着新型高压电力电子器件的问世，高压和中压变频器也有长足的发展。在此后的几年内，矩阵式变频器、绿色变频器等新型变频器将不久面世。国内变频器现状:目前国内市场上的变频器厂家有300多家。由于我国变频器配套产业的实力相对较弱，国产品牌无论在加工制造、工业设计等技术方面都与国外品牌存在一定差距。目前，外资品牌在国内变频器市场的占有率约为7成，本土变频器公司重要生产V/F控制产品，对于性能优越、技术含量高的矢量变频器，国内绝大多数公司开发的产品还不够成熟。因此，中国的变频器市场依旧以价格导向为主，但随着本土品牌的兴起，内资变频器公司的市场份额正逐步扩大，特别是近几年出现加速替代外资品牌的趋势。虽然尚未具有和国际顶级品牌展开全面竞争的实力，但在部分细分产品和市场上显示出一定的竞争优势，市场份额逐步扩大。从整体看，目前我国变频器行业的竞争日趋剧烈。由于市场极具吸引力，不仅市场已形成一定规模，并且潜在容量也十分可观，不断吸引着行业新参与者。随着国内厂家的技术进步和质量稳定性的提高，加上服务和价格方面的优势，预计未来几年高端产品被国外厂家垄断的市场局面将有所改观。变频器市场前景广阔:变频器技术的发展，使变频器在电力、水泥、电梯、矿山、冶金、交通等现代化领域得到空前的推广和应用。据中国工业电器协会变频器分会记录，近年来，我国变频器市场每年需求大约形成100亿元的市场空间。并且，随着用户需求的进步和多样化，国内变频器产品的功能在不断完善和增长，集成度和系统化限度也越来越高，并且已经出现某些专用变频器产品，这都为我国变频器市场的进一步扩大奠定了基础。资料显示，近年来，我国变频器市场一直保持着12%15%的增长率，预计至少在此后5年内，变频器市场需求仍将保持10%以上的增长率。而在2023以后，变频器市场才干饱和。我国变频器总的潜在市场空间大约为1200亿800亿元，其中常压变频器约占市场份额的60%左右，中、高压变频器需求数量相对比较少，但由于单台变频器功率大、售价高，只占市场的40%左右。目前国内带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦，由此为变频器的应用提供了极为巨大的市场。1.3.变频电源发展趋势我国电力能源十分短缺，已经成为制约生产发展的重要因素，合理开发和运用能源已迫在眉睫。煤矿用的通风机、水泵和空气压缩机，电源浪费较严重，需重点治理，高压变频技术因其可以有效的节约能源，得到了广泛应用。近几年来我国变频器销售量逐年高速增长，变频器在煤炭、冶金、石化行业都有良好的应用，其2023 年的市场占有率分别为 4.3%, 11.55%, 8.1%，也就是说这三个行业使用的变频器的总和约占全国变频器总量的 23.95%。但很遗憾的是国产变频器的占有量不到 20%，这里面的因素比较复杂。煤炭行业前几年效益不佳，技术改造较少，变频器使用不多。行业的特殊性，规定设备具有极高的可靠性并可以在爆炸性的环境中工作。近几年，煤炭行业加大了技术改造的力度，使用在矿井中的国产变频器口渐增多，国产变频器在煤炭行业尚有很大拓展空间。随着新型电力电子器件向高电压、大电流方向快速发展，多电平拓扑逆变器成为高压变频调速成为首选方案。高压变频技术在国外的研究已有三十年的历史了，随着开关器件和控制解决器件的成熟，国外的技术把我国已经远远落在了后面。现在国内大部分高压变频器都是从国外进口的，随着开关器件的发展现在推出的最优高压变频器是“完美无谐波”系列。国内生产高压变频器的厂家还很少，大都采用国外的技术方案共同生产，因此我国发展高压变频器还是很必要的。高压变频器的发展趋势：现在大部分高压变频器的开关器件都是用 IGBT 或 IGCT ，IGCT 的电压电流承受能力更大，比较适合在高压大功率变频器中应用且电路结构简朴，可靠性高，因此其是开关器件的发展趋势。由于开关器件所承受的电压能力有限，因此减小其开关电压是高压变频器的一个发展趋势。要想减小开关器件所应承受的电压，就要发展多电平技术，不仅减小电压还能使电压波形变得更加平滑，因此多电平技术势必是将来的发展趋势。高压变频器行业是一个有相称技术难度，投资强度大，风险大，成长周期长的领域。并且进入该领域的国内生产厂商众多，在相同的技术水平下，使得目前的竞争较为混乱。因此，具有技术优势和特点的产品在市场中才具有较大的发展前景。1.4.矿用变频技术发展现状及趋势能源是国民经济基础，目前煤炭仍然是我国的重要能源，煤炭公司生产要达成安全高效，对于创建节约型社会有着重要的意义。生产要安全高效，机电设备就必须做到经济运营、合理运营，对于流体机械采用变频调速控制效果较抱负。自上世纪8O年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度控制领域中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。变频技术具有调速性能好、功率因数高、可实现软启动等优点，这些优点使变频器在实际应用中具有显著的节能效果。变频调速是目前交流电动机最抱负、最节能的调速方案。1.4.1变频技术在国内的应用现状随着电力电子技术的不断发展和世界能源紧缺等客观因素的影响,变频节能技术得到了各国的高度重视.在我国,构建节约型社会的号召极大地推动了变频节能技术在矿山、机械、电力等众多行业的推广.就煤炭公司而言,矿井(露天矿)各个生产系统的用电占到矿井公司用电量的70% 90%1.具体来说,在未采用变频节能措施前,水泵、风机等流体机械,平均运转效率只有20%50%2,对矿井提高机、空压机、采掘机等动力负荷变化较大的机电设备在启动、加减速、制动和设备维护等方面的浪费也是非常巨大的.明显的节能效果和优越的调节性能,使变频节能技术在我国矿山中的应用越来越广泛,技术也越来越成熟. （1）风机中变频调速的应用目前,变频器在我国煤矿风机节能改造和新上项目中得到越来越多的应用,同时出现了为煤矿特殊环境专门设计的变频调速装置.据文献介绍 8 ,杨村矿南风井在风机改造中,将本来JRQ-1510-10型高压绕阻式电动机换为JS157-10型低压鼠笼式电动机,用1台变频器控制2台电机.改造后,实际转速较改善前最低转速下降了70 r/min,电机实际输出功率为改善前前导器半关闭时的1/3,风量和风压更加适合矿井特性,每年可节约电费约56万元.某省劳改局五矿与某电器公司合作,研制了ZJT - 30型隔爆兼本安智能变频调速系统,采用IGBT散热方式,工作电压为660 V,可带动28 kW局部通风机,实现了载波频率调整(250 Hz)功能、风电和瓦斯闭锁功能、过流短路保护功能、超温断电功能及远程和实地控制功能,其性能达成了防爆标准,为我国矿山巷道掘进的节能提供了有效手段.（2）泵中采用变频调速的应用变频调速在矿区给水、给液用泵中应用灵活,明显减少了设备的机械冲击,增长了工艺系统控制的灵活性,提高了产品质量.中国矿业大学宋杰等人,运用变频器和PLC控制器,设计了一套煤矿井下排水泵站的监控系统.该系统中变频器灵活的控制抽水泵的平滑起停、适时加减速,保证了井下液位的恒定,减少了泵空转时间和频繁起停带来的大量能耗,机械设备的损耗也相应减少.PLC控制器的加入,对变频器的自动控制更加智能与灵活,保证了生产的安全高效运营.孔庄选煤厂在合格介质泵上安装变频器,通过在线调节水泵的转速来调节重介旋流器的入料压力,减少了因启动电流过大导致的电耗增长,减少了频繁开停车,避免了变压器跳电,提高了产品质量.生产实践表白,因引进变频调速技术,该选煤厂每年新增精煤创收约216万元.（3）在采煤机中的应用目前,采煤机变频调速系统已从“一拖二”发展到“一拖一”.我国能量回馈型四象限运营的交流变频调速采煤技术处在世界领先水平,国产电牵引采煤机行走功率最大2110 kW,变频器电压380V,可以实现额定转速下恒定转矩调速、额定转速以上恒定功率调速及2台变频器之间的主从控制和转矩平衡.太原矿山机器集团生产的MGTY300/7301.1D电牵引采煤机使用了回馈制动的四象限变频器,在开滦集团范各庄矿进行了应用.采区的倾角为1218,局部达成2530,从现场运营情况来看,四象限变频器调速电牵引采煤机在大倾角工作面能较大范围内调节制动力矩,维持牵引速度基本不变,机器没有发生下滑跑车的现象,并且结构简朴,控制灵活,操作方便,速度调节可靠.（4）在提高机中的应用 新柏煤矿公司与唐山开诚电器公司合作,选用交流四象限变频调速系统配套湖南株州力达公司生产的JKB22.5/315P型变频防爆提高机,这是西北矿区首家选用交流四象限变频调速技术的公司13.系统采用无速度传感器矢量控制方式,四象限运营,设有过压、欠压、过流、电机缺相等保护.风光提高机变频器作为提高机专用变频器已有数百台应用于各大矿山14,JD-BP32-185P型提高机变频器就是其中的代表.该系统实现了全数字化控制,设计有专门的控制软件,同时具有很高的兼容性,提供了完善的输入输出接口电路,可以实现远程控制.（5）在胶带输送机和电铲中的应用 兴隆庄煤矿西上山胶带输送机采用四象限变频调速技术后,解决了采用液力耦合器装置时下行运送皮带机在启动、运营、制动中形成的电机失控问题15. 变频器可随时将电机产生的负力回馈到电网中,减少发热损耗,解决了机械系统及电气系统的冲击问题,延长了设备的使用寿命.电铲(挖掘机)是露天矿山用于装载矿石、岩石的大型设备,其工作条件非常恶劣,特别是在爆破不好的情况下挖根底作业,经常出现过大的冲击载荷,甚至堵转.上世纪90年代后期,我国有个别矿山从美国B - E公司引进了变频器-鼠笼型电动机系统16,系统的机械特性曲线面积大,四象限运营,能快速地进行加速、减速、反转和制动.1.4.2变频技术发展趋势变频技术在矿山机电设备中应用越来越多,但应用还不普及,如露天开采的牙轮钻机,美国B - E公司已在55R型牙轮钻机上应用,我国还在开发实验之中,尚未推广应用16.因此,变频技术在我国矿山机电设备中尚有很大的发展空间.(1)推广面较广.矿山中大小机电设备种类繁多,变频器如能解决好与这些设备的匹配问题,就能得到更广泛的推广.(2)需求量很大.我国矿山基数大,在机电设备的改造中必然需要大量的变频器,这就会极大地推动变频技术在矿山的发展.(3)专业化得以加强.矿山有很多特殊工作环境,如井下工作等,需要具有特殊功能的专业变频器配置这些装备.(4)多功能、网络化的更新.电子技术日新月异,矿山改造过程中对变频器的使用和控制也会呈现多功能化的趋势,对变频器的控制也会成为矿山网络化管理中的一个重要环节.第二章 变频电源基础2.1.整流电路基础 2.1.1.单相可控整流电路 （1）单相桥式半波整流电路 a、带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和隔离的作用。 图1 单相半波可控整流电路及波形VT的移相范围为180 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同结合图1进行工作原理及波形分析。几个概念的解释：Ud为脉动直流，波形只在U2正半周内出现，故称“半波”整流。采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路。Ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。 几个重要的基本概念：触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度，用a表达，也称触发角或控制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处在通态的电角度称为，用表达。 基本数量关系。直流输出电压平均值为：（2-1）这种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。直流回路的平均电流为： （2-2）回路中的电流有效值为： （2-3）由式2. 2、式2. 3可得流过晶闸管的电流波形系数： （2-4）电源供应的有功功率为： （2-5）其中U为R上的电压有效值：电源侧的输入功率为：功率因素为： （2-6）当=0时，越大，cos越低，=。可见，尽管是电阻负载，电源的功率因素也不为1。这是单相半波电路的缺陷。（2）单相桥式全控整流电路单相整流电路中应用较多的a 带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析见图2：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。 数量关系：a 角的移相范围为180。图2 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形 （2-10）（2-11） （2-12）（2-13） （2-14）不考虑变压器的损耗时，规定变压器的容量为S=U2I2 。b 带阻感负载的工作情况假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。（2-15）晶闸管移相范围为90。晶闸管承受的最大正反向电压均为 。晶闸管导通角与a无关，均为180。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。图2-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形c 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，有导通的也许，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与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。 （2-16）图2-7 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形 在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。如图2-7b所示id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。与此相应，若id波形不出现为0的点的情况，称为电流连续。当触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不也许导通。为了使晶闸管可靠导通，规定触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相称于触发角被推迟为。负载为直流电动机时，假如出现电流断续则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺陷，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦同样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出： （2-17）图2-8 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况 2.1.2.单相全波可控整流电路图2-9 单相全波可控整流电路及波形 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。 两者的区别：（1）单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多；（2）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为 ，是单相全控桥的2倍；（3）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（2）、（3）考虑，单相全波电路有助于在低输出电压的场合应用。2.1.3.单相桥式半控整流电路 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单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，为了对每个导电回路进行控制，只需1个晶闸管就可以了，另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）。 半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同，单相半控桥带阻感负载的情况，假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态。在u2正半周，触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断，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，则向VT1加反压使之关断，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又为零续流二极管的作用。若无续流二极管，则当a忽然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管连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，即半周期ud为正弦，此外半周期ud为零，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完毕，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管连续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有助于减少损耗单相桥式半控整流电路的另一种接法相称于把图2-4a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2-11 单相桥式半控整流电路的另一接法2.1.4.三相可控整流电路（1）三相半波可控整流电路a 电阻负载 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a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接a =0时的工作原理分析假设将电路中的晶闸管换作二极管，成为三相半波不可控整流电路。此时，相电压最大的一个所相应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压一周期中，在t1wt2期间，VD1导通，ud=ua在wt2wt3期间， VD2导通，ud=ub在wt3 wt4期间，VD3导通，ud=uc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.b 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； a 30时（如a=60时的波形如图2-16所示）u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分阻感负载时的移相范围为90。（2） 三相桥式全控整流电路的工作情况2.1.5.三相桥式全控整流电路a 带电阻负载时的工作情况b 阻感负载时的工作情况 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。（2）对触发脉冲的规定：（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都同样，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：一种是宽脉冲触发另一种方法是双脉冲触发（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 a=30时的工作情况从wt1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表2-1的规律区别在于：晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30变压器二次侧电流ia波形的特点：在VT1处在通态的120期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处在通态的120期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。a=60时工作情况ud波形中每段线电压的波形继续后移，ud平均值继续减少。a=60时ud出现为零的点。2.1.6.变压器漏抗对整流电路的影响变压器漏抗对各种整流电路的影响： 单相全控桥电路中，XB在一周期的两次换相中都起作用，等效为m=4； 三相桥等效为相电压等于 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按代入变压器漏感对整流电路影响的一些结论。出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud减少。整流电路的工作状态增多晶闸管的di/dt减小，有助于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以克制晶闸管的di/dt。换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，也许使晶闸管误导通，为此必须加吸取电路。换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。2.2.逆变电路基础变频器直流侧电压为 Udc，其输出的相电压有+Vdc/2、-Vdc/2 和 0 三种电平，这种电路就是三电平逆变电路，图 1.1 所示就是二极管箝位型三电平逆变器主电路结构图。逆变器每个桥臂由两个 IGBT 串联和两个续流二极管反并联而成；其中每两个 IGBT 中点通过箝位二极管与直流侧两个电容中点连接，并规定直流侧的两个电容 C1=C2。三电平电路与传统的两电平电路相比较优点有以下优点：用两个 IGBT 串联使得每个开关器件承受的电压值为本来电压的一半，并减少了开关频率； dv/dt 比传统的两电平减少一半，di /dt 也得到了减小并减少了电机的绝缘性能规定；输出由两电平变到三电平使电压变化减小和电流脉动减小。2.3.滤波电路基础(1) 滤波的基本概念滤波电路运用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应当并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。通过滤波电路后，既可保存直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。(2) 电容滤波电路现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。电容滤波电路如图，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。电容滤波电路 1. 滤波原理电路处在正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相称于并联在v2上，所以输出波形同v2，是正弦形。电容滤波波形图在刚过90时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过90时二极管仍然导通。在超过90后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。 所以，在t1到t2时刻，二极管导电，充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图。 需要指出的是，当放电时间常数RLC增长时，t1点要右移， t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增长。显然，当L很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图滤波曲线中的2。反之，当L很大，即IL很小时，尽管C较小,RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合 2.电容滤波的计算电容滤波的计算比较麻烦，由于决定输出电压的因素较多。工程上有具体的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表达，即另一种是在RLC=(35)T/2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足wRLC610。）外特性整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流IO的变化关系曲线如图15.09所示。整流滤波电路的外特性(3)电感滤波电路运用储能元件电感器的电流不能突变的性质，把电感与整流电路的负载L相串联，