半导体变流技术与可控硅整流装置原理

半导体变流技术与可控硅整流装置一.概述半导体变流技术是近代工业发展到半导体时代最典型的技术之一，他不仅在发电机励磁系统方面得到广泛的应用，在冶金、化工、机械制造、交通运输等各方面都得到广泛的应用。可以说，现代生活、生产无处不存在变流技术。半导体变流技术是现代励磁系统最基本的技术之一。在发电机励磁系统上他不仅取代了传统的直流励磁机，而且在励磁调节方面取代了传统的磁放大器、相复励变压器和整流器，甚至在灭磁方面也部分取代了磁场断路器和灭磁电阻的作用。现代发电机励磁系统中，从电源的变换到发电机励磁能量的提供，无处不存在变流技术的应用。本课程主要就半导体变流技术的几种典型应用和具体电路进行分析，同时介绍能达公司生产的STR系列整流装置的基本性能和技术指标。另外还利用一定的篇幅根据整流装置在现场的应用介绍一些装置的故障判断和处理方法。希望通过本课程能够对本公司生产人员在变流技术方面提供一定的帮助。二.变流技术的种类根据变流技术的应用和具体电路，我们将变流技术分成如下几类：单相半波整流单相全波整流不可控整流单相桥式整流单相整流单相半波可控整流单相桥式半控整流可控整流单相桥式全控整流半导体变流三相零式整流不可控整流三相桥式整流三相整流三相半控桥可控整流三相全控桥上面的分类只是按照应用最多的情况进行的分类，实际应用中远较上面的要2多。比如六相整流、十二相整流等等。由于这些电路在励磁系统中应用的较少，我们在分类时就没有将他们列入。实际上，在早期的模拟式自动励磁调节器的电压测量回路中，为了保证测量电压的纹波系数，六相和十二相整流电路应用的还是很普遍的，只是现代微机励磁调节器采用交流电压采样方式以后，对测量电压的纹波要求相对降低了而不怎么采用了。三.单相整流电路3.1单相半波整流电路单相半波整流电路接线图及波形图见图一单相半波整流是半导体变流技术中最基本的电路。他是利用半导体二极管的单向导电性，将交流电转换为直流电最基本的方法。由于二极管的单向导电性，变压器二次电压只有正方向电流才能够通过二极管而施加到负载上，而负方向由于二极管的阻断作用而不能施加到负载上，因此，负载上获得的平均电压仅为变压器二次电压的一半。由于存在二极管导通压降和变压器二次绕组的压降，故电路中：245.0UUd由于在电路的输出侧装有滤波电容器，负载上的最高电压将可以达到变压器二次电压的峰值电压，即22uud；同时，由于电容器的放电作用，在变压器二次电压下降时，负载上的电压并不随二次电压下降而下降，而是由电容器的放电曲线所决定。单相半波整流电路的波形图见图一（b）。图中：兰色曲线为变压器二次电压，红色曲线为无滤波电容器时的整流输出电压，棕色曲线为有滤波电容器时负载上的电压。当整流二极管换为可控硅，电路变化为可控单相整流电路时，负载上的平均整ZBI2e2e1e2cIfzRfzUdωtUd=0.45U2图一（a）单相半波整流电路原理图图一（b）单相半波整流电路波形图e2、Ud2π3流电压由：2cos145.0)(sin22122UttdUUd决定。式中：U2——变压器二次绕组电压的有效值；α——移相角。由式可以看出，当α改变时，负载上获得的平均整流电压会有不同的值。3.2单相全波整流单相全波整流电路接线图及波形图见图2。在变压器副边电压的正半周，二极管D1处于正向偏置而D2处于反向偏置状态，D1在正向电压的作用下导通，D2在反向电压的作用下截止，负载上获得e21电压；在变压器副边电压的负半周，二极管D1处于反向偏置状态，而D2处于正向偏置状态，D2在正向电压的作用下导通，D1在反向电压的作用下截止，负载上获得e22电压。负载上的电压波形如图2b中棕色曲线。与单相半波整流电路相比，全波整流的输出要多一个波，因此，输出电压也较半波要高一倍，故：Ud=0.9U2与单相半波一样，在有滤波电容器时，负载上的最高电压为变压器二次电压的峰值，使用中应当特别注意。3.3单相桥式整流单相桥式整流是实际应用最多的单相整流电路。电路接线见图3。在电路中，四只整流管组成桥式整流。在变压器二次电压的正半周，电流通过D1→Rfz→D2→W2形成通路，而在负半周，电流通过D3→Rfz→D4→W2形成通路，负载上电压ZBe1e21cRfzUde21IfzUde22ωtUd=0.9U2图2a单相全波整流电路原理图图2b单相全波整流电路波形图e2、Ude222π4波形见图3（b）棕色曲线。与全波整流一样，桥式整流电路的平均输出电压：Ud=0.9U2当有滤波电容器时，负载上的最高电压为变压器二次电压的峰值。当整流管换为可控硅时，桥式整流可以很方便地变换为可控整流。单相桥式可控整流电路的输出电压由：2cos19.02UUd决定。当可控整流桥接入感性负载时，由于电感电流不能突变，在可控硅关断期内，必须在负载两端接入续流二极管以保持电感电流的通路，以防止可控硅关断时在电感负载两端产生危险的过电压和可控硅能够换相导通。四.三相整流电路三相整流电路是励磁系统最基本的变流技术之一。现代发电机自励励磁系统几乎全部采用三相整流电路来解决励磁系统的功率部分。根据应用场合的不同，三相整流电路分为三相零式、三相半控桥、三相全控桥、多相整流等多种电路形式。三相整流不仅输出波形的纹波小，而且输出电压等级高、电流大，特别适合于大功率整流的场合。4.1三相零式（半波）整流三相零式整流是多相整流电路的基础电路，可以说，其他多相整流电路是三相零式整流电路的叠加，掌握这一部分是解决其他多相整流电路的基础，应当引起足够的重视。三相零式整流电路的接线图和波形图见图4。由图4可以看出，在ωt1~ωt2时段，u2a为正，u2b、u2c均低于u2a，D1I2e2ZBUdD1D3e1e2cωtIfzRfzUdD4D2Ud=0.9U2单相桥式全波整流电路波形图e2、Ud2π单相桥式全波整流电路原理图5受正向电压而导通，D2、D3元件关断；在ωt2~ωt3时段，u2b电压上升u2a下降，而u2c则处于最低电压，故D2导通，D1、D3关断；在ωt2~ωt3时段，u2c上升为最高值，其他两相电压则下降到较低的值，故此时轮换到D3导通而D1、D2关断。负载上获得的电压如图4b中兰线所示波形。整流电压Ud与变压器二次电压的关系有：Ud=1.17U2当整流元件换为可控硅时，整流电压Ud与变压器二次电压的关系有：Ud=1.17U2cosα负载上的电流与变压器二次绕组间电流关系有：I2=0.59Id负载功率与变压器容量的关系有：dddPIUUIS5.117.1359.03222这里需要说明，当可控整流电路的负载为电感元件时，要注意在电感两端并联续流二极管，以保持电流的连续通路和可控硅的可靠换相。上面的半波整流电路称为共阴极三相零式电路，他的输出为正电压。在实际应用中，为了获得负电压，可以将整流元件的阳极作为公共极而输出，称为共阳极AaD1I2D2BbcD3IfzUdCnUd=1.17U2图4a三相半波整流电路原理图abcωtωt1ωt2ωt4ωt5Ud2π/3u2au2bu2cu2aωt图4b三相整流电路波形图ωt3u2u2au2bu2cu2a6三相零式电路。电路的分析方法与共阴极三相零式电路一样，只是要注意电压的极性应相反。从前面的分析可知，三相零式整流只是利用了变压器二次电压的相电压，相对利用变压器二次线电压的三相全波整流来说输出电压也较低。此种方式在冶金系统用的更多一些，而在电力系统应用较少。共阴极电路和共阳极电路组合以后，可以形成具有正、负极性输出的整流电源，也可以提高整流输出电压。4.2三相桥式整流三相桥式整流是电力系统特别是发电机励磁系统应用最多的方式。在三相桥式整流方式下，他充分利用了变压器的二次线电压，不仅提高了整流装置的输出电压水平，还大大降低了整流变压器的二次电流和损耗。三相桥式整流的电路图和波形图见图5。与三相零式整流电路不同的是，三相桥式整流是以线电压为基础进行分析的。如图所示，在ωt1~ωt2区间，D1、D6承受的电压最高，电流通过a→D1→Rfz→D6→b→变压器a、b相副绕组形成闭环通路；在ωt2~ωt3区间，D1、D2承受的电压最高，电流通过a→D1→Rfz→D2→c→变压器a、c相绕组形成闭环通路，整流元件D6、D2在ωt2点换相；在ωt3点，a相电压下降而b相电压上升且高于a相电压，电流由D1换到D3，在ωt3~ωt4区段形成D3→Rfz→D2→变压器b、c相绕组的闭环通路；在ωt4点，再次由D2换流到D4，在ωt4~ωt5区段形成D3→Rfz→D4→变压器b、a相绕组的闭环通路；以下类推。负载上的电压波形见图5b兰色曲线。三相整流元件的导通换流顺序如下：7D1D6→D1D2→D3D2→D3D4→D5D4→D5D6→三相桥式整流电路的整流电压与变压器二次电压的关系为：LdUU235.1式中：U2L——整流变压器二次线电压三相桥式整流电路的整流输出电流与变压器二次绕组电流的关系为：dII817.02变压器与整流功率的关系为：dddPIUIUS05.1817.024.3332224.3三相半控桥式整流I2D1D3D5AaBbcRfzUdCD4D6D2Ud=1.35U2LI2=0.817Id图5a三相全波桥式整流电路原理图abcωtωt1ωt2ωt3ωt6ωt7ωt8ωt9def图5b三相整流电路波形图ωt4ωt5e2、UdcbabacbcbacacbabacbcZLB8三相半控桥式整流是在三相桥式整流电路的基础上，改变其中一组整流元件为可控硅的整流电路。电路的工作原理与三相桥式整流电路完全一样，所不同的是使用可控硅以后，整流元件的换流不是在自然换流点，而是在触发点换流。电路接线图及换流情况见图6。三相半控桥式整流电路在控制角为00时的输出波形与三相半波整流时完全一致；控制角在00≤α≤600范围内，每个周波有6个波头，而在600≤α≤1800范围内，每个周期只有三个波头，且波形之间有间距；α=600时波形刚好连续。α＜600时每个周期的六个波头中三个相互间隔的波头为可控波，三个间隔的波头为二极管整流波。结合前面对三相整流桥的分析可以看出：1）α=00时，三相半控桥的输出和波形与三相整流桥的波形完全一致。I2D1D3D5AaBbcRfzUdCD4D6D2Ud=1.35U2LI2=0.817Id图6a三相半控桥式整流电路原理图abcωtωt1ωt2ωt3ωt6ωt7ωt8ωt9defα=600时输出波形ωtα＜600时输出波形ωtα＞600时输出波形ωt图6b三相半控桥式整流电路波形图ωt4ωt5e2、UdcbabacbcbacacbabacbcZLB92）α≤600时，三相半控桥波形为六个连续波；α＞600时只有三个波且不连续，其整流电压与变压器副绕组之间的关系为：)cos1(2232LdUU由于三相半控桥在α为不同角度时输出波形有较大的区别，因此，整流电压与变压器二次电压不能维持一个固定的比例关系。α=00时，35.12ldUU；α=900时，675.02LdUU。3）通过整流元件和变压器二次绕组的电流由于α角的不同而有较大的差别，他需要按α角的区段进行分析。⑴在00≤α≤600区段内波形连续的情况下，通过整流元件的电流为：))2cos1(433(21MscrII因)cos1(23)cos1(2232MlfzddIRURUI故)]2cos1(433[21)cos1(32IdIscr⑵在00≤α≤600区段内波形连续的情况下，通过变压器副绕组的电流：)2cos1(433[12MII将)cos1(32MI代入式中，得：)2cos1(433[1)cos1(322dII⑶在600≤α≤1800区段内波形不连续的情况下，通过整流元件的电流为：)42sin2(21MIIscr则：)42sin2(21)cos1(32dscrII10⑷在600≤α≤1800区段内波形不连续的情况