电力电子技术资料

21课题二直流调速装置直流调速装置是电力电子技术应用中较为典型的一种装置，本课题通过对与直流调速装置相关的知识：单相桥式全控整流电路、单相桥式半控整流电路、有源逆变电路以及可关断晶闸管等内容介绍和分析。使学生能够理解这些电路的工作原理，掌握分析电路的方法。一、本课题学习目标与要求1．会分析单相桥式可控整流电路（电阻性、电感性负载）输出电压ud、电流id和晶闸管两端电压uT的波形。2．熟悉续流二极管的作用和在半控桥电路种的电感性负载的自然续流和失控现象。3．能计算单相桥式可控整流电路（电阻性、电感性负载）下晶闸管可能承受的最大电压与流过晶闸管的电流有效值，正确选择晶闸管。4．掌握逆变的概念和产生逆变的条件。5．掌握逆变失败的原因和逆变角的确定。6．掌握可关断晶闸管的结构、外形及符号；可关断晶闸管的工作原理以及驱动保护电路。7．会分析晶闸管直流调速装置的工作原理。二、主要概念提示及难点释疑1．单相桥式全控整流电路1）电路使用了四个晶闸管，触发电路需发出在相位上相差180°的两组触发脉冲。2）电阻性负载时，在电源电压正负半周内，两组晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导通向负载供电，使得输出电压波形为单相半波电路输出电压波形的两倍。单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：①．输出电压平均值的计算公式：2cos19.0)(sin2122UttdUUd②．负载电流平均值的计算公式：222cos19.02ddddRURUI③．输出电压的有效值的计算公式：2sin21)()sin2(1222UtdtUU④．负载电流有效值的计算公式：2sin212dRUI⑤．流过每只晶闸管的电流的平均值的计算公式：2cos145.0212dddTRUII⑥．流过每只晶闸管的电流的有效值的计算公式：IRUtdtRUIddT2122sin41)()sin2(21222⑦．晶闸管可能承受的最大电压为：22UUTM3）电感性负载时，如电感足够大，输出电压波形出现负值。α＜90°时，电流连续，Ud=0~0.9U2；α＞90°时，电流断续，Ud≈0。4）单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算：①．输出电压平均值的计算公式：cos9.02UUd②．负载电流平均值的计算公式：cos9.02ddddRURUI③．流过一只晶闸管的电流的平均值和有效值的计算公式：23ddTII21dTII21④．晶闸管可能承受的最大电压为：22UUTM2．单相桥式半控整流电路1）电路是用两只二极管代替了单相桥式全控整流电路种的两只晶闸管，只能用于整流而不能用于逆变。2）大电感负载时存在自然续流和失控现象3）单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：①．输出电压平均值的计算公式：2cos19.02UUd的移相范围是0°～180°。②．负载电流平均值的计算公式：2cos19.02ddddRURUI③．流过一只晶闸管和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：ddDdTIII21IIT21④．晶闸管可能承受的最大电压为：22UUTM4）加了续流二极管后，单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算如下：①．输出电压平均值的计算公式：242cos19.02UUd的移相范围是0°～180°。②．负载电流平均值的计算公式：2cos19.02ddddRURUI③．流过一只晶闸管和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：ddDdTIII2dDTIII2④．流过续流二极管的电流的平均值和有效值分别为：dddDRIII22dDRII⑤．晶闸管可能承受的最大电压为：22UUTM3．有源逆变1）产生逆变的条件①变流装置的直流侧必须外接电压极性与晶闸管导通方向一致的直流电源，且其值稍大于变流装置直流侧的平均电压。②变流装置必须工作在＜90°（即＞90°）区间，使其输出直流电压极性与整流状态时相反，才能将直流功率逆变为交流功率送至交流电网。2）逆变和整流的关系同一晶闸管变流装置，当0°＜＜90°时工作在整流状态，当90°＜＜180°同时存在一个适当的外接直流电源，则工作在逆变状态。整流和逆变、交流和直流是通过25晶闸管变流器联系在一起，在一定条件下可以转化。因而逆变电路的工作原理、参数计算、分析方法等都和整流电路密切相关。三、学习方法1．波形分析法：读者要学会利用波形分析来分析桥式整流电路工作原理。2．分析计算法：电路中各电量的计算要通过工作原理分析来推导。3．对比法：将单相桥式全控桥和半控桥电路波形和工作原理对比分析。4．理论联系实际法：将理论波形和实际波形联系起来，对照分析。5．讨论分析法：读者要学习与他人讨论分析问题，并了解其他读者的学习方法和学习收获，提高学习效率。四、典型题解析例2－1单相桥式全控整流电路中，若有一只晶闸管因过电流而烧成短路，结果会怎样？若这只晶闸管烧成断路，结果又会怎样？解：若有一晶闸管因为过流而烧成断路，则单相桥式全控整流电路变成单相半波可控整流电路。如果这只晶闸管被烧成短路，会引起其他晶闸管因对电源短路而烧毁，严重时使输入变压器因过流而损坏。例2－2单相桥式全控整流电路带大电感负载时，它与单相桥式半控整流电路中的续流二极管的作用是否相同？为什么？解：作用不同。全控整流电路电感性负载时，其输出电压波形出现负值，使输出电压平均值降低，因此，负载两端接上续流二极管后，输出电压波形中不再有负值，可以提高输出平均电压，以满足负载的需要。半控桥电路电感性负载时，由于本身的自然续流作用，即使不接续流二极管，其输出电压波形也不会出现负值。但是一旦触发脉冲丢失，会使晶闸管失控。因此仍要再负载两端街上续流二极管，防止失控。例2－3单相桥式全控整流电路，大电感负载，交流侧电流有效值为220V，负载电阻Rd为4Ω，计算当60时，直流输出电压平均值dU、输出电流的平均值dI；若26在负载两端并接续流二极管，其dU、dI又是多少？此时流过晶闸管和续流二极管的电流平均值和有效值又是多少？画出上述两种情形下的电压电流波形。解：不接续流二极管时，由于是大电感负载，故VUUd9960cos2209.0cos9.02AARUIddd8.24499接续流二极管时VUUd5.14825.012209.02cos19.02AARUIddd1.3745.148AIIddT4.121.37360601802AIIdT4.211.37360601802AIIIdddVD4.121.371806022AIIdVD4.211.3718060图2－1例2－4波形图27不接续流二极管时波形如图2－1（a）所示；接续流二极管时波形如图2－1（b）所示。例2－4单相桥半控整流电路，对直流电动机供电，加有电感量足够大的平波电抗器和续流二极管，变压器二次侧电压220V，若控制角60，且此时负载电流AId30，计算晶闸管、整流二极管和续流二极管的电流平均值及有效值，以及变压器的二次侧电流2I、容量S。解：由于平波电抗器的电感量足够大，所以可视为大电感负载，整流输出电流的波形为以水平直线。当60时，晶闸管的平均电流为AIIddT1030360601802整流二极管的电流平均值与晶闸管的电流平均值相等AIIdTdD10晶闸管电流有效值为AAIIdT3.1730360601802整流二极管和晶闸管的电流有效值为AIITD3.17续流二极管的电流平均值为AIIddVD103018060AIIdVD3.173018060变压器的二次侧电流为AAIId5.243018060180228电源容量为WUIS53902205.2422例2－6图2－2（a）为具有中点二极管的单相半控桥式整流电路。（1）绘出45时输出电压波形；（2）推导出输出电压Ud的计算公式；（3）求出的Ud最大值和最小值。图2－2例2－6图解：（1）设在0～期间，VT1、VT2未触发导通，电路在正半周，VD3和VD2导通；输出电压2uud；在～π期间，由于VT1因触发而导通，VD3承受反压而关断，VD2继续导通，则输出电压22uud。在π～π＋期间，VT1承受反压而关断，VD3和VD1导通，输出电压2uud；在π＋～2π期间，VT2因触发而导通，VD1继续导通，VD3因反压而截止，则输出电压22uud。输出电压波形如图2－2（b）所示。（2）)cos3(2)]d(sin22)d(sin2[12220UωttUωttUUd（3）当0时，2max24UUUdd29当＝π时，2max22UUUdd例2－7图2－3（a）所示，晶闸管的为60°，试画出晶闸管承受的电压波形，整流管和续流二极管每周期各导电多少度？并计算晶闸管、整流二极管以及续流二极管的电流平均值和有效值。已知电源电压是220V，负载是电感性负载，电阻为5Ω。（a）(b)图2－3例2－7图30例2－8直流电动机负载单相全控桥整流电路中，串接平波电抗器的意义是什么?解：由单相全控桥整流电路输出的电压波形是脉动的缺角正弦波，当增大时，输出电压、电流脉冲加剧，电流的交流分量增大。对直流电动机来说，过大的交流分量将导致电动机的换向恶化、铁损增加，使电动机过热。又因为电流使脉动的例2-9在单相桥式全控整流电路中，若U2＝220V，E＝100V，R＝2Ω，当β＝30°时，能否实现有源逆变？为什么？画出这时的电压电流波形。解：VUUd4.17130cos2209.0cos9.02E＝100V，所以无法实现有源逆变。波形如图2－4所示。图2－4例2－9波形图例2－10单相全控桥式整流电路，当＞90°时，若直流侧直流电动机取走，而代之以一个电阻，晶闸管的导通角还能达到180°吗？晶闸管的输出电压平均值还能出现负值吗？解：不能。因为实现有源逆变不可缺少的条件时必须具有对晶闸管时正向的直流电源，当用电阻取代电动机后，在＝90°时，输出电压接近零，而＞90°时，输出电压平均值保持零，电流出现断续，不可能使电压平均值出现负值。例2－11导致逆变失败的原因是什么？最小逆变角一般取为多少？解：导致逆变失败的原因主要有：（1）触发电路工作不可靠。例如脉冲丢失、脉冲延迟等。（2）晶闸管本身性能不好。应该导通时导通不了、应该阻断时无阻断能力。（3）交流电源故障。例如突然停电、缺相、电压过低。31（4）换相裕量角过小。最小逆变角3530min例2－12可关断晶闸管GTO有哪些主要参数？其中哪些参数与普通晶闸管相同？哪些不同？解：可关断晶闸管GTO的主要参数有：断态重复峰值电压、断态不娼妇峰值电压、反向重复峰值电压和反向不重复峰值电压、开通时间、关断时间等，这些参数定义与普通晶闸管相同。与普通晶闸管不同的是：（1）最大可关断阳极电流IATO。也是标称GTO额定电流的参数。与普通晶闸管的额定电流不同。（2）电流关断增益off。定义为GMATOoffII（3）维持电流与擎住电流。GTO的维持电流和擎住电流的含义和普通晶闸管的含义基本相同。但是，由于GTO的多元集成结构，使得每个GTO远的维持电流和擎住电流不可能完全相同。因此把阳极电流减小到开始出现某些GTO元不能再维持导通时的值称为整个GTO的维持电流；而规定所有GTO元都达到其擎住电流的阳极电流为GTO的擎住电流。例2－13哪些因素影响GTO的导通和关断？解：影响GTO导通的主要因素有：阳极电压、阳极电流、温度和开通控制信号的波形。影响GTO关断的主要因素有：被关断的阳极电流、负载性质、温