第三章 整流电路2

5.4大容量相控整流电路3、平衡电抗器工作原理：由于平衡电抗器的接入，瞬时电压差加在电抗器两端，，当时，，，使降低后接入负载，，使升高后接入负载，电感使两组整流桥输出到负载的电压达到平衡，正、负两组同时导电，故称之为平衡电抗器。5.4大容量相控整流电路2.带平衡电抗器的双反星形相控整流电路数量关系由式由于每组三相半波整流电流是负载电流的1/2，故晶闸管的选择和变压器二次绕组额定容量的确定只要按Id/2计算即可。流过晶闸管和变压器二次绕组的电流相同，在电感性负载时都是方波，其等效值为晶闸管承受的最大正反向电压的计算，与三相半波时相同。关于变压器所流过的电流其二次绕组与三相半波时相同，一次绕组则与三相桥式相同。（5.4.9）可知，输出电压中的谐波阶次n为6k，k=1,2,3……..，n=6,12,18….，最低谐波为6次谐波，其值仅为直流平均值的2／35。（5.4.6）5.4大容量相控整流电路3、结论（4）两种电路中晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，ud和id的波形形状一样。将双反星形电路与三相桥式电路进行比较：（1）三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相半波并联，且后者需用平衡电抗器，同时有两相导电，变压器磁路平衡，不存在直流磁化问题；（2）当U2相等时，双反星形的Ud是三相桥的1/2，而Id是单相桥的2倍；（3）每一整流器件承担负载电流Id的一半，整流器件流过电流的有效值在电感性负载时为0.289Id，所以与其他整流电路相比，提高了整流器件承受负载的能力；第五章：整流电路5.1整流器的性能指标5.2单相相控整流电路5.3三相相控整流电路5.4大容量相控整流电路5.5相控整流电路的换相压降5.6整流电路的谐波分析5.7有源逆变电路5.8晶闸管相控电路的驱动控制5.9PWM整流电路5.5相控整流电路的换相压降P94图5.5.1考虑变压器的漏抗后相控整流电路的等效电路及输出电压电流的波形实际工作中，整流变压器存在漏抗，晶闸管之间的换流不能瞬时完成，会出现参与换流的两个晶闸管同时导通的现象，同时导通的时间对应的电角度称为换相重叠角γ。1、换相重叠角γLl为变压器的每相绕组折合到二次侧的漏抗5.5相控整流电路的换相压降图5.5.1考虑变压器的漏抗后相控整流电路的等效电路及输出电压电流的波形当ωt１时刻触发Ｔ２时，Ｂ相电流不能瞬时上升到Ｉd值，Ａ相电流不能瞬时下降到零，电流换相需要时间tγ，换流重叠角所对应的时间为tγ=γ/ω。在重叠角期间，Ｔ１、Ｔ２同时导通，产生一个虚拟电流Ik，2、工作过程Ll为变压器的每相绕组折合到二次侧的漏抗5.5相控整流电路的换相压降图5.5.1考虑变压器的漏抗后相控整流电路的等效电路及输出电压电流的波形而整流输出电压为由图可知(5.5.1)(5.5.2)2、工作过程5.5相控整流电路的换相压降图5.5.1考虑变压器的漏抗后相控整流电路的等效电路及输出电压电流的波形在γ期间，直流输出电压比uA或uB都小，使输出电压波形减少了一块阴影面积,降低的电压值为。式ud表明：(5.5.3)图中的阴影面积大小为：(5.5.4)2、工作过程5.5相控整流电路的换相压降图5.5.1考虑变压器的漏抗后相控整流电路的等效电路1）换相压降Uγ3、参数计算上式中是变压器每相漏感折合到二次则的漏电抗。在图5.5.1(a)所示的三相半波可控整流电路中，整流输出电压为3相波形组合（即一周期内换相3次），每个周期内有3个阴影面积，这些阴影面积之和3S除以周期2π，即为换相重叠角期间输出平均电压的减少量，称为换相压降Uγ。(5.5.4)换相压降Uγ正比于负载电流Ｉd，它相当于整流电源增加了一项等效电阻，但这个等效内阻并不消耗有功功率。5.5相控整流电路的换相压降上式表明，当Ll或Id增大时，γ将增大；当α增大时，γ减小。必须指出，如果在负载两端并联续流二极管，将不会出现换流重叠的现象，因为换流过程被续流二极管的存在所改变。2、换相重叠角γ(5.5.7)计算过程图5.5.1考虑变压器的漏抗后相控整流电路的等效电路及输出电压电流的波形5.5相控整流电路的换相压降2、换相重叠角γ计算过程在图5.5.1(b)中为便于计算，将坐标原移到Ａ、Ｂ相的自然换流点，设由式(5.5.1)可得将上式两边同乘以ω得从电路工作原理可知，当电感Ll中电流从０变到Id时，正好对应ωt从α变到α+γ，将此条件代入式(5.5.5)得即则换相重叠角为(5.5.5)(5.5.7)(5.5.6)5.5相控整流电路的换相压降2、换相重叠角γ的计算过程表5.5.1各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算第五章：整流电路5.1整流器的性能指标5.2单相相控整流电路5.3三相相控整流电路5.4大容量相控整流电路5.5相控整流电路的换相压降5.6整流电路的谐波分析5.7有源逆变电路5.8晶闸管相控电路的驱动控制5.9PWM整流电路5.6.1m脉波相控整流输出电压通用公式P97如图：在一个交流电源周期2π中，有m个形状相同的脉波，但它们相差，脉波的周期为。若将纵坐标选在整流电压的峰值处，则在～期间，整流输出电压的表达式为：图5.6.1m脉波整流输出直流脉动电压波形5.6.1m脉波相控整流输出电压通用公式m脉波相控整流输出电压平均值为：的傅里叶级数表达式为：谐波的系数整流输出电压的表达式(5.6.7)(5.6.1)(5.6.10)(5.6.11)令m=2,3,6，即可得到相控整流时单相桥、三相半波以及三相全桥相控整流电压的各次谐波及整流直流电压平均值。令α=0，则可得到不控整流时单相桥、三相半波以及三相全桥等不控整流电压的各次谐波及整流直流电压平均值。5.6.2单相和三相桥式相控整流电压的谐波分析1、单相桥相控整流电压的谐波分析1）平波电抗器的选择次谐波（n=2,4,6；K=1,2,3）n次谐波（K=1,2,3；n=2,4,6）电压幅值与交流电压幅值的比值为n次谐波（K=1,2,3；n=2,4,6）的相位角为由图可知，α=90°时与谐波幅值最大。因此，实际应用中按α=90°选用平波电抗器。图5.6.2单相桥相控整流电压的谐波电压特性电压幅值为(5.6.15)(5.6.16)(5.6.17)5.6.2单相和三相桥式相控整流电压的谐波分析1、单相桥相控整流电压的谐波分析2）谐波参数分析：当α=0时（二极管不控整流电路）(5.6.18)(5.6.19)m=2时（即单相桥）相控整流负载电压的有效值U=U2,谐波电压的有效值为因此，电压的纹波系数是5.6.2单相和三相桥式相控整流电压的谐波分析2.三相桥相控整流电压的谐波分析图5.6.3三相桥相控整流电压的谐波电压特性1）谐波参数计算m=6时（三相全桥）相控整流谐波电压的有效值的计算及平波滤波电抗器的参数选择相同；当α=0时（二极管不控整流电路）电压的纹波系数5.6.2单相和三相桥式相控整流电压的谐波分析3、结论：整流电路输出电压中的谐波有如下规律：（3）当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，因此，最低次（m次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；1）α=0时（5）m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波系数迅速下降。（4）当负载中有电感时，负载电流谐波幅值的减小更为迅速；（2）整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，也为mk次；（1）m脉波整流电压ud的谐波次数为mK（k=1，2，3...）次，即m的倍数次；5.6.2单相和三相桥式相控整流电压的谐波分析（2）α从90°~180°之间电路工作于有源逆变工作状态，ud的谐波幅值随增大而减小3、结论：整流电路输出电压中的谐波有如下规律：2）α不为零0时（1）α从0°~90°变化时，ud的谐波幅值随增大而增大，α=90时谐波幅值最大；第五章：整流电路5.1整流器的性能指标5.2单相相控整流电路5.3三相相控整流电路5.4大容量相控整流电路5.5相控整流电路的换相压降5.6整流电路的谐波分析5.7有源逆变电路5.8晶闸管相控电路的驱动控制5.9PWM整流电路5.7有源逆变电路P1103、有源逆变器：完成有源逆变的装置称为有源逆变器。1、无源逆变电路：将直流电能变为交流能输出至负载。2、有源逆变电路：将直流电能变为交流电能输出给交流电网。5.7.1有源逆变的工作原理图5.7.2单相全波整流电路的逆变工作状态图5.7.1单相全波整流电路的整流工作状态5.7.1有源逆变的工作原理（1）一定要有直流电动势源，其极性必须与晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压。1、有源逆变的条件：（2）变流器必须工作在α＞的区域内，使Ud＜0。因为Ra阻值很小,其两端电压也很小，因此，Ud≈E，此时电流Id从电动机反电势E的正端注入，直流电机吸收功率。如果在电机运动过程中使控制角α减小，则Ud增大，Id瞬时值也随之增大，电动机电磁转矩增大，所以电动机转速提高。随着转速升高，E增大，Id随之减小，最后恢复到原来的数值，此时电机稳定运行在较高转速状态。反之，如果使角增大，电动机转速减小。所以，改变晶闸管的控制角，可以很方便地对电动机进行无级调速。5.7.1有源逆变的工作原理2、全波整流电路工作在整流状态当移相控制角α在0~范围内变化时，单相全波整流电路直流侧输出电压Ud0，如图5.7.1所示，电动机M作电机运行。整流器输出功率，电机吸收功率，电流值为：式中E为电机的反电动势，Ra为电机绕组电阻。(5.7.1)5.7.1有源逆变的工作原理3、全波整流电路工作在逆变状态整流电路的控制角α必须在范围内变化。此时，电流Id为：(5.7.2)由于晶闸管单向导电性，Id方向仍然保持不变。如果|E||Ud|，则Id=0，如果|E||Ud|，则Id≠0。电动势的极性改变了，而电流的方向未变，因此，功率的传递关系便发生了变化，电动机处于发电机状态，发出直流功率，整流电路将直流功率逆变为50Hz的交流电返送到电网，这就是有源逆变工作状态。逆变时，电流Id的大小取决于E与Ud，而E由电机的转速决定，Ud可以调节控制角改变其大小。为了防止过电流，同样应满足E≈Ud的条件。在逆变工作状态下，虽然控制角α在间变化，晶闸管的阳极电位大部分处于交流电压的负半周期，但由于有外接直流电动势E的存在，使晶闸管仍能承受正向电压导通。5.7.2三相半波有源逆变电路图5.7.3三相半波有源逆变电路及其波形图5.7.3（a）为三相半波整流器带电动机负载时的电路,并假设负载电流连续。当α在范围内变化时，变流器输出电压的瞬时值在整个周期内虽然有正有负或者全部为负，但负的面积总是大于正的面积，故输出电压的平均值Ud为负值。电机E的极性具备有源逆变的条件。当α在范围内变化且E＞Ud时，可以实现有源逆变。1、工作原理图5.7.2单相全波整流电路的逆变工作状态5.7.2三相半波有源逆变电路2、参数计算变流器逆变时，直流测电压计算公式与整流时一样。当电流连续时，cos17.12UUd有：(5.7.3)(5.7.4)式中U2为相电压的有效值。由于逆变时α90°，故cos计算不大方便，于是引入逆变角β，令α=π-β，则（5.7.3）改写成：逆变角为β的触发脉冲位置从α=π的时刻左移β角来确定。5.7.3三相桥式有源逆变电路1、工作原理式中：U2为逆变电路输入相电压，U2L为逆变电路输入线电压。三相全控桥式整流电路用作有源逆变时，就成了三相桥式逆变电路。三相桥式逆变电路的工作与三相桥式整流电路一样，要求每隔60°依次触发晶闸管，电流连续时，每个管子导通120°，触发脉冲必须是双窄脉冲或者是宽脉冲。直流侧电压计算公式为：或（5.7.5）（5.7.6）5.7.4有源逆变最小逆变角βmin的限制如果逆变角β小于换流重叠角γ，即βγ时，从图5.7.4所示的波形中可清楚看到，换流还未结束，电路的工作状态到达uA与uB交点P，从P点之后，uA将高于uB，晶闸管T2承受反压而重新关断，而应该关断的T1却承受正压而继续导通，从而造成逆变失败。因此，为了防止逆变失败，不仅逆变角β不能等于零，