第二章-三相可控整流电路1

第二章第二章-三相可控整流电三相可控整流电路路1 12.1 2.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2.2 2.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路2.3 2.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响2.4 2.4 晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械械 特性特性2.1 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。三相半波（三相零式）不可控整流电路三相半波不可控整流电路2.1 三相半波可控整流电路由三相变压器供电，也可直接接到三相四线制交流电网，二次相电压有效值为U2，线电压为U21，其表达式为三只整流管的阴极连在一起接到负载端，称为共阴接法，三个阳极分别接到变压器二次侧，变压器为三角形星形联结。2.1 三相半波可控整流电路直流平均电压值为将三相半波整流输出电压ud波形用富氏级数展开可得 2.1 三相半波可控整流电路其中直流分量即为输出电压的平均值d，最低次的谐波为三次谐波分量，其幅值为U2，其纹波因数为o183 远比单相小。整流输出电压ud和管子二端电压uD的波形在调试与维修时很有用，根据波形可判断各元件的工作是否正常以及故障出在何处。2.1 三相半波可控整流电路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。1)1)电阻负载电阻负载自然换相点：二极管换相时刻为自然换相点自然换相点，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 a=0=0。2.1 三相半波可控整流电路图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 b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt2.1 三相半波可控整流电路a a=0=0 时的工作原理分析时的工作原理分析变压器二次侧a 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。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 b)c)d)e)f)u2uaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)Ra=30u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30时的波形 特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。wwttwtwta=60u2uaubucOOOOuGudiVT1三相半波可控整流电路，电阻负载，a=60时的波形 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120。2.1 三相半波可控整流电路（2-18）当a=0时，Ud最大，为 。(2-19)整流电压平均值的计算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：2.1 三相半波可控整流电路U Ud d/U U2 2随a a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 Ud d/U U2 2随a a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载2.1 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（2-20）（2-21）（2-22）2.1 三相半波可控整流电路2 2）阻感负载）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 id d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2-16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i id d近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为90。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt2.1 三相半波可控整流电路数量关系数量关系由于负载电流连续，Ud可由式（2-18）求出，即U Ud d/U U2 2与a a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，U Ud d/U U2 2与a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。图2-15 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载2.1 三相半波可控整流电路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。（2-23）（2-24）（2-25）3)3)共阳接法三相半波相控整流电路共阳接法三相半波相控整流电路在某些整流装置中，考虑能共用一块大散热器与安装方便采用共阳接法，缺点是要求三个管子的触发电路的输出端彼此绝缘。2.1 三相半波可控整流电路为了克服三相半波电路的缺点，利用共阴与共阳接法对于整流变压器电流方向相反的特点，用一个变压器同时对共阴与共阳两组整流电路供电。所以三相桥式电路实质上是三相半波共阴与共阳极组的串联。2.2 三相桥式全控整流电路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共阴阴极极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共共阳阳极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：VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT62.2 三相桥式全控整流电路1 1）带电阻负载时的工作情况）带电阻负载时的工作情况当a a6060 时，u ud d波形均连续，对于电阻负载，i id d波形与u ud d波形形状一样，也连续 波形图：a=0 （图1）a=30（图2）a=60（图3）当a a6060 时，u ud d波形每60中有一段为零，u ud d波形不能出现负值 波形图：a=90（图4）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图图1 1 三相三相桥桥式全控整流式全控整流电电路路带电带电阻阻负载负载a a=0=0 时时的波形的波形wwwwu2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubwt1OtOtOtOta=0iVT1uVT1图图2 2 三相三相桥桥式全控整流式全控整流电电路路带电带电阻阻负载负载a a=30 30 时时的波形的波形wwwwud1ud2a=30iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1图图3 3 三相三相桥桥式全控整流式全控整流电电路路带电带电阻阻负载负载a a=60 60 时时的波形的波形wwwa=60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabacuaubucOtwt1OtOtuVT1u图图4 4 三相三相桥桥式全控整流式全控整流电电路路带电带电阻阻负载负载a a=90 90 时时的波形的波形ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtOwtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT12.2 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21所示时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 请参照图12.2 三相桥式全控整流电路（2）对触发脉冲的要求：按VTVT1 1-VT-VT2 2-VT-VT3 3-VT-VT4 4-VT-VT5 5-VT-VT6 6的顺序，相位依次差60。共阴极组VTVT1 1、VTVT3 3、VTVT5 5的脉冲依次差120，共阳极组VTVT4 4、VTVT6 6、VTVT2 2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VTVT1 1与与VTVT4 4，VTVT3 3与与VTVT6 6，VTVT5 5与与VTVT2 2，脉冲相差180。三相桥式全控整流电路的特点特点（1）2管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同一相器件。2.2 三相桥式全控整流电路（3）u ud 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。（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特点a a6060 时时（a=0 图1；a=30 图2）u ud d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u ud d波形 晶闸管承受的电压波形2.2 三相桥式全控整流电路2)2)阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况主要包括a a 60 60 时（时（a=90图3）阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电阻负载时，u ud d波形不会出现负的部分。阻感负载时，u ud 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 a角移相范围为90。区别在于：得到的负载电流i id d波形不同。当电感足够大的时候，i id d的波形可近似为一条水平线。图图1 1 三相三相桥桥式全控整流式全控整流电电路路带带阻感阻感负载负载a a=0=0 时时的波形的波形ud1u2ud2u2LudidwtOwtOwtOwtOuaa=0ubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuaciVT1图图2 2 三相三相桥桥式全控整流式全控整流电电路路带带阻感阻感负载负载a a=30=30 时时的波形的波形ud1a=30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacwtOwtOwtOwtOidiawt1uaubuc图图3 3 三相三相桥桥式全控整流式全控整流电电路路带带阻感阻感负载负载a a=90=90 时时的波形的波形a=90ud1ud2uacubcubaucaucbuabuacuabuduacuabuacwtOwtOwtOubucuawt1uVT12.2 三相桥式全控整流电路3)3)定量分析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a a6060 时）的平均值为：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：I Id d=U Ud d/R R（2-26）（2-27）2.2 三相桥式全控整流电路当整流变压器为图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：（2-28）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I Id d时有所不同，接反电势阻感负载时的I Id d为：（2-29）式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。i ik k=i ib b是逐渐增大的，而i ia a=I Id d-i ik k是逐渐减小的。当ik k增大到等于I Id d时，i ia a=0=0，VT1关断,换流过程结束。2.3 变压器漏感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L LB B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 a、b b两相均有漏感，故i ia a、i ib b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i ik k。图2-25 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubuca换相重叠角相重叠角换相过程持续的时间，用电角度g 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。（2-30）（2-31）2.3 变压器漏感对整流电路的影响换相重叠角的计算（2-32）（2-33）（2-34）2.3 变压器漏感对整流电路的影响由上述推导过程，已经求得：当 时，于是随其它参数变化的规律：（1）I Id d越大则越大；（2）X XB B越大越大；（3）当a a9090 时，越小 越大。（2-35）（2-36）2.3 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变压器漏抗对各种整流电路的影响 电路形式单相全波单相全控桥三相半波三相全控桥m脉波整流电路 表2-2 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。2.3 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降低。整流电路的工作状态增多。晶闸管的d di/i/d dt t 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d di/i/d dt t。换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的d du/u/d dt t，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。2.3 变压器漏感对整流电路的影响2.4 晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械特性晶闸管相控整流电路供电的直流电动机调速系统，具有起动性能好、调速范围宽、动态和静态性能好等优点。此类调整装置应特别注意以下两个特殊问题：晶闸管电路输出的直流电压是脉动的，如主电路平波电感量不够大或电动机轻载或空载时均会出现电流不连续，而电流连续与不连续时电动机的机械特性差别很大。由于晶闸管的单向导电特性，整流装置的输出电流不能反向，因此当电机需要可逆运转时，必须用开关切换电机电枢成励磁，要求高的需增添另一套反向整流装置。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。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR2.4 晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械特性2.4 晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械特性此时，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 Id d所引起的各种电压降，包括：l变压器的电阻压降 l电枢电阻压降l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2.4 晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械特性 转速与电流的机械特性关系式为 1)1)电流连续时电动机的机械特性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）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 a 角，即可调节电动机的转速。2.4 晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械特性Ona1a2a3a3a2a1Id(RB+RM+)IdCe3XB2p2)2)电流断续时电动机的机械特性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 Id d减小至某一定值I Id mind 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EE0E0OIdminId(0.585U2)(U2)22.4 晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械特性电流断续时电动机机械特性电流断续时电动机机械特性的特点：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 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EE0E0OIdminId(0.585 U2)(U2)2Oa3a2a1Id分界线断续区连续区a5a4E0E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 460 2.4 晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械特性（二）电流断续时直流电动机的机械特性2.4 晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械特性 1）机械特性变软，即电动机轴上负载转矩很小的变化能引起转速很大的变化。2）理想空载转速no升高。no是指电动机电流Id为零时的转速。2.4 晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械特性（三）临界电流IdK与平波电抗的选择 机械特性上断续与连续交界点的电流值称临界电流，用IdK表示图中弧形虚线即为临界线。2.4 晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械特性