搜索
四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告1/28一、实验背景整流是指将交流电变换为直流电的变换，而将交流电变换为直流电的电路称为整流电路。整流电路是四种变换电路中最基本的变换电路，应用非常广泛。对于整流电路，当其带不同负载情况下，电路的工作情况不同。此外，可控整流电路不仅可以工作在整流状态，即将交流电能变换为直流电能，还可以工作在逆变状态，即将直流电能变换为交流电能，称为有源逆变。在工业中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路（ThreePhaseFullBridgeConverter），它是由两个三相半波可控整流电路发展而来。该次试验即是针对三相桥式全控整流电路而展开的一些较为简单的学习与研究。二、实验原理三相桥式全控整流及有源逆变该次实验连接电路图如下图所示整流有源逆变控制信号初始化约定：0°≤α≤π2，uct0𝑉，ud0𝑉整流π2≤α≤π，uct0𝑉，ud0𝑉逆变α=π2，uct=0V，ud=0V临界四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告2/28注意事项：在接主电路过程中，晶闸管接入双刀双闸开关时一定要注意正负极必须正确匹配。电容器用于吸收感性电流引起的干扰，使得示波器显示的波形更加标准、清晰。双刀双掷开关在切换时主回路必须断电，否则很可能因切换时拉出电弧而损坏设备。（一）整流电路1、整流的概念把交流电变换为直流电的变换称为整流（Rectifier），又叫AC-DC变换（AC-DCConverter）。整流电路是一种把交流电源电压转换成所需的直流电压的电路。AC-DC变换的功率流向是双向的，功率流向由交流电源流向负载的变换称之为“整流”，功率流向由负载流向交流电源的变换称之为“有源逆变”。采用晶闸管作为整流电路的主控器件，通过对晶闸管触发相位的控制从而达到控制输出直流电压的目的，这样的电路称之为相控整流电路。2、整流电路的分类（1）按电路结构分类①半波整流电路：半波整流电路中每根电源进线流过单方向电流，又称为零式整流电路或单拍整流电路。②全波整流电路：全波整流电路中每根电源进线流过双方向电流，又称为桥式整流电路或双拍整流电路。（2）按电源相数分类①单相整流电路：又分为单脉波整流电路和双脉波整流电路。②三相整流电路：又分为三脉搏整流电路和六脉波整流电路。③多相整流电路：多脉波整流电路。（3）按电路控制特点分类①不可控整流电路：整流电路的直流输出电压平均值同交流电压的比值固定不变，切功率流向只能由电源侧流向负载侧，即整流电路的输出电压大小与功率流向均是固定的，不可改变，为单向变流器。这种电路的控制器件一般是二极管。②半控整流电路：整流电路的直流输出电压平均值与交流电源电压的比值可以改变，但功率流向仍为单向，只能由电源侧流向负载侧。这种电路的控制器件一般是晶闸管和二极管同时存在。③全控整流电路：整流电路的直流输出电压值可以改变，且功率流向是双向的。全控整流电路的控制器件一般为晶闸管或全控型器件。（4）按电路的工作范围分类①单象限整流电路②多象限整流电路（5）按控制方式分类①相控整流电路：控制器件主要采用晶闸管，其特点是容量大、控制简单，技术成熟。四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告3/28②脉冲宽度调制整流电路：采用全控型控制器件和现代控制技术，其性能优于相控整流电路。3、整流电路的主要性能指标（1）整流输出电压平均值：即负载上的直流电压比值。（2）电压波形系数：输出电压有效值与直流平均值之比。（3）直流输出电压中的交流分量：常用波纹因数（输出电压中交流谐波分量的有效值与直流电压平均值之比）来表示，反映了直流电压的平滑程度。（4）交流侧的功率因数。（5）交流侧谐波电流：可用输入电流总畸变率或电流谐波因数来反映。（6）变压器利用系数。在上述参数中，（1）（2）（3）是考核整流电路输出直流电源性能的指标，（4）（5）是考核整流电路对交流电源影响的性能参数。（二）三相桥式全控整流电路在工业中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路（ThreePhaseFullBridgeConverter），它是由两个三相半波可控整流电路发展而来，其电路图如右下所示。由于共阴极组的管子在电源正半周导通，流经变压器二次绕组的是正向电流，共阳极组的管子在电源负半周导通，流经变压器二次绕组的是反向电流，因此一周期中变压器绕组中没有直流磁动势，且每相绕组的正、负半周都有电流流过，变压器绕组利用率提高了。1、阻性负载（1）工作原理及波形分析①触发延迟角α=0°时整流电路的工作情况对于三相桥式全控整流电路的分析可以采用与分析三相半波可控整流电路类似的方法，四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告4/28首先分析由二极管组成的不可控电路。在上面的“两个半波可控整流电路”与“三相桥式全控整流电路”两图，晶闸管触发延迟角α=0°时的工作状况与由二极管组成的不可控整流电路相同，即电路为三相桥式不可控整流的情况。在“两个半波可控整流电路”与“三相桥式全控整流电路”这两幅图中，因α=0°，所以可以假设将电路中的六个晶闸管均换成二极管，管子编号相同进行分析。那么，任意时刻共阳极组和共阴极组必须有一个管子处于导通状态，电路才能正常工作。对于共阴极组的三个管子，阳极所接交流电压值最高的一相所在的管子导通，而对于共阳极组的三个管子，则是阴极所接交流电压值最低的一相所在的管子导通。三相桥式不可控整流电路的工作波形（即三相全控整流电路α=0°时的工作波形）如下图所示。三相桥式全控整流电路阻性负载α=0°时的工作波形三相桥式全控整流电路中二极管一周期中每管导通120°，每隔60°在自然换相点处换相，管子承受的反向电压波形为线电压波形。共阴极组和共阳极组的管子均在自然换相点换相，即在自然换相点后管子才开始承受正向电压，所以三相桥式全控整流电路α=0°时，管子也在自然换相点换相，与三相半波整流电路相同。所以，对于三相桥式全控整流电路，在晶闸管α=0°时电路的工作情况与四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告5/28三相桥式不可控整流电路工作情况相同。②触发延迟叫α0°时整流电路的工作情况当触发延迟角α0°时，每个晶闸管都不在自然换相点换相，而是从自然换相点后移α角开始换相。下图为α=30°时的三相桥式全控整流电路工作波形图。三相桥式全控整流电路阻性负载α=30°时的工作波形晶闸管承受的电压仍为电源线电压。四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告6/28下图为α=60°时的三相桥式全控整流电路工作波形图。三相桥式全控整流电路阻性负载α=60°时的工作波形可以看出，α=60°时，三相桥式全控整流电路已处于连续和断续的临界条件。α=60°时晶闸管VT1可能承受最大正向电压为√6U2sin60°=√182U2。当α60°后，电流波形将断续。如下图，为α=90°时输出电压和电流的波形。四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告7/28三相桥式全控整流电路阻性负载α=90°时的工作波形此时电路处于断续工作状态。综上所述，三相桥式全控整流电路有如下特性：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个晶闸管导通，才能构成导电回路。②器件换相只在本组内进行，每隔120°换相一次，所以共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5触发脉冲相位相差120°，共阳极组晶闸管VT4、VT6、VT2的触发脉冲也相差120°。由于共阴极组和共阳极组换相点相隔60°，所以每隔60°有一个器件换相。接在同一相的两个晶闸管触发脉冲相位相差180°。触发脉冲顺序依次为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。③为了保证任何时刻共阴极组和共阳极组中各有一个晶闸管导通，或者由于电流断续后四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告8/28能再次导通，必须对两组中应该导通的一对晶闸管同时施加触发脉冲。④三相桥式全控整流电路输出电压时线电压的一部分，一个周期内脉动六次，脉动频率为300Hz，较三相半波可控整流电路提高一倍。（2）基本数量关系①整流输出电压平均值UdI电流连续时（α≤60°）Ud=62π∫√6U2sinωtd（ωt）23π+απ3+α=3√6πU2cosα=2.34U2cosαII电流断续时（α60°）Ud=62π∫√6U2sinωtd（ωt）ππ3+α=2.34U2[1+cos(π3+α)]②负载电流平均值为Id=UdR③变压器二次电流有效值I2。α≤60°时，电流连续，以α=30°为例，对上图波形进行分析，可得到二次电流有效值为I2=√62π∫(√6U2Rsinωt)2π3+α+π3π3+αd(ωt)=√6U2R√13+√3cos2α2πα60°时，电流断续，由上图可知，此时有I2=√62π∫(√6U2Rsinωt)2ππ3+αd(ωt)=√3U2R√43−2απ+sin（23π+2α）π④流过晶闸管的电流有效值IVT和平均值IdVT。流过晶闸管电流平均值为负载电流的13⁄，即IdVT=Id3流过晶闸管电流有效值也有连续和断续两种情况，但两种情况下均有IVT=1√2I2⑤整流变压器的容量S。阻性负载时，α=0°，I2=0.816Id，U2=Udo2.34，所以二次绕组视在功率S2=3U2I2=3×Udo2.34×0.816Id=1.05Pd四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告9/282、感性负载（1）工作原理及波形分析三相桥式全控整流电路带阻感负载，认为电感足够大，使负载电流连续且其波形基本上为一条水平线。①α≤60°时，电路整流输出电压ud波形与阻性负载时一样。②α60°时，阻性负载的输出电压波形断续，对于大电感负载，由于电感L的作用，在电源线电压过零后晶闸管仍然导通，直到下一个晶闸管触发导通为止，负载电流连续，输出电压波形中出现负的部分。直到α=90°时，ud波形中正负面积相等，输出电压平均值Ud=0，所以感性负载时电路移相范围为90°。下图分别为α=30°和α=90°情况下三相桥式全控整流电路带感性负载时的工作波形。三相桥式全控整流电路带感性负载α=30°时的工作波形四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告10/28三相桥式全控整流电路带感性负载α=90°时的工作波形在电压可调范围内，晶闸管承受的最大正、反向电压均为电源线电压峰值，即√6U2。（2）基本数量关系①整流输出电压平均值Ud。感性负载电流连续连续时，晶闸管导通角总是2π3⁄，ud波形每隔60°重复一次，所以输出电压平均值为Ud=62π∫√6U2sinωtd（ωt）23π+απ3+α=2.34U2cosα②负载电流平均值为Id=UdR=2.34U2Rcosα③变压器二次电流有效值I2。变压器二次绕组一周期内流过电流波形为矩形波，其中正半周期为120°，负半周期也为120°，所以有I2=√23Id④流过晶闸管的电流有效值IVT和平均值IdVT为IVT=√13Id=0.577Id=1√2I2IdVT=13Id为了提高整流输出电压平均值，可在负半侧并联一续流二极管，构成带续流二极管的三四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告11/28相桥式全控整流电路。三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负载埋在负载电感足够大、足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与带感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，只在计算负载电流平均值Id时有所不同，此时Id=Ud−ER。参考资料：《电力电子技术》（中国电力出版社）三、实验器件（该部分所有图像均由邹宜君同学采集）电力电子及电气传动教学试验台MCL-III型（如下图所示）该图像由邹宜君同学采集数字示波器TDS1012（如下图所示）一台四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告12/28该图像由邹宜君同学采集数字万用表GDM-8145（如下图所示）一台该图像由邹宜君同学采集专用导线若干四、实验过程方法和要领1.连接三相整流桥及逆变回路由三相隔离变压器（MCL-32)二次绕组接至三相降压变压器（MCL-35)，输出三相电源（线电压约110~130V)作为三相变压器的交流输入；由三相隔离变压器（MCL-32）二次绕组接至由二极管组成的三相不可控全波整流桥，作为逆变时负