勵(lì)磁系統(tǒng)原理

1、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)一. 概述1-1 勵(lì)磁系統(tǒng)的作用 勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，是給發(fā)電機(jī)提供轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁電流的一種自動(dòng)裝置，在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中它主要有兩個(gè)作用： 1）電壓控制及無功負(fù)荷分配。 在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行情況下，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能夠調(diào)節(jié)和維持發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓（或升壓變壓器高壓側(cè)的母線電壓）在給定水平，根據(jù)發(fā)電機(jī)的實(shí)際能力，在并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)之間合理分配無功負(fù)荷。 2）提高同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性；提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限。 電力系統(tǒng)在運(yùn)行中隨時(shí)可能受到各種各樣的干擾，引起電力系統(tǒng)的波動(dòng)，甚至破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能夠在電力系統(tǒng)受到干擾時(shí)提供合適的勵(lì)磁調(diào)節(jié)，使電力系統(tǒng)

2、建立新的平衡和穩(wěn)定狀態(tài)，使電力系統(tǒng)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限得到提高。1-2 勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成 勵(lì)磁系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成： 1）功率部分：它由功率電源（勵(lì)磁機(jī)或靜止整流變壓器提供）、功率整流裝置（采用直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)無整流裝置）組成，是勵(lì)磁系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流的主要部分。 功率部分的性質(zhì)決定著勵(lì)磁系統(tǒng)主接線的型式及使用的主要設(shè)備的類型。如：采用直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)不可能使用靜止功率整流裝置。又如：采用靜止它勵(lì)型式的勵(lì)磁系統(tǒng)不可能還有直流勵(lì)磁機(jī)。還如：使用靜止勵(lì)磁變壓器的勵(lì)磁系統(tǒng)必然采用靜止整流功率裝置。 2）自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器：自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是勵(lì)磁系統(tǒng)中的智能裝置。勵(lì)磁裝置對(duì)發(fā)電機(jī)電壓及無功

3、功率的控制、調(diào)節(jié)是自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的基本功能。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器性能的好壞，決定著整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。但它只能通過控制功率部分才能發(fā)揮其作用。 現(xiàn)代同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的兩大部分是不可分離的，相互依存又相互制約，但他們又是各自獨(dú)立發(fā)展的。因此，有好的調(diào)節(jié)器未必一定有好的功率整流裝置，而有了好的整流裝置也未必一定有好的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。歷史上出現(xiàn)過許多次勵(lì)磁主要裝置不配套的情況，他主要反映在某些新設(shè)備或新器件出現(xiàn)的時(shí)候。 舊式勵(lì)磁系統(tǒng)的功率部分一般是直流勵(lì)磁機(jī)，當(dāng)生產(chǎn)出功率整流二極管（早期為汞弧整流器）以后，直流勵(lì)磁機(jī)被交流勵(lì)磁機(jī)取代，而生產(chǎn)出大功率整流二極管及大功率可控硅以后，交流勵(lì)磁機(jī)又被靜止勵(lì)磁變

4、壓器所取代，這是歷史發(fā)展的必然。 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器也是經(jīng)歷了許多歷史的變遷以后才發(fā)展成為現(xiàn)代的模式。早期的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器并不控制功率部分，而是直接控制調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流的磁場(chǎng)變阻器來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓的。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器才逐漸從控制調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流的磁場(chǎng)變阻器轉(zhuǎn)化為控制功率部分的輸出來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓及發(fā)電機(jī)的無功功率，現(xiàn)代自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器才真正實(shí)現(xiàn)他的全部作用。 采用旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)稱為旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)；采用靜止變壓器和靜止整流功率裝置的勵(lì)磁系統(tǒng)稱為純靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。葛洲壩電廠全部發(fā)電機(jī)組均為純靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)。1-3 勵(lì)磁系統(tǒng)的分類 勵(lì)磁系統(tǒng)的分類有兩種分類方式。 其一是按照有無

5、旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)來分，其二是按照功率電源的取向來分。按照有無旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)的分類方式有如下類型： 有刷勵(lì)磁 旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁方式 無刷勵(lì)磁 混合式勵(lì)磁方式 二極管整流勵(lì)磁方式 靜止勵(lì)磁方式 可控硅整流勵(lì)磁方式 混合式整流勵(lì)磁方式 按照功率電源的取向分類時(shí)有如下類型： 自并勵(lì) 交流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵(lì) 自勵(lì)方式 交流側(cè)并聯(lián)自復(fù)勵(lì) 直流流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵(lì) 自復(fù)勵(lì) 直流流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵(lì) 勵(lì)磁機(jī)供電方式 （包括直流勵(lì)磁機(jī)和交流勵(lì)磁機(jī)） 他勵(lì)方式 二極管整流方式 廠用交流電源供電方式 可控硅整流方式 其他供電方式 在上述眾多的分類中，有許多方式已經(jīng)被淘汰，有些盡管還在使用，但終究會(huì)被淘汰。如交流側(cè)并聯(lián)自復(fù)勵(lì)方式。還有交流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵(lì)方

6、式現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。 由于葛洲壩電廠的全部機(jī)組都采用了自勵(lì)靜止可控硅整流勵(lì)磁方式，下面簡(jiǎn)單介紹他的主要接線方式。 FMK L F LH ZB PT SCR 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 （AVR) 圖1-1（a）靜止可控硅整流自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖 在圖1-1（a）的接線中，整流功率柜的陽極電源是經(jīng)過勵(lì)磁變壓器ZB直接從發(fā)電機(jī)機(jī)端取得的。所謂自勵(lì)系統(tǒng)就是由發(fā)電機(jī)直接提供勵(lì)磁電源。由于勵(lì)磁變壓器是單獨(dú)并聯(lián)在發(fā)電機(jī)機(jī)端，并且采用了靜止可控硅整流，故圖1-1（a）稱為靜止可控硅整流自并勵(lì)方式。 由圖1-1（a）可以看出，此種方式的接線非常簡(jiǎn)單，使用的設(shè)備也較少，受到用戶普遍歡迎，是世界上用的最多的一種方式。當(dāng)然，此

7、種方式也存在一定問題，這將在后面的內(nèi)容種論述。 FMK CB L F LH ZB PT GZ 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 （AVR） KZ 圖1-1（b）靜止可控硅整流直流并聯(lián)自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖 FMK CB L F LH ZB PT GZ KZ 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 （AVR) 圖1-1（c）靜止可控硅整流直流 串聯(lián)自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖 FMK CB L F LH ZB PT KZ 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 （AVR) 圖1-1（ d）靜止可控硅整流交流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖 FMK CB L F LH ZB PT DK GZ 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 （AVR) 圖1-1（e）靜止硅整流交流側(cè)并聯(lián)自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖 我

8、們可以比較一下上面5種接線方式的勵(lì)磁系統(tǒng)，其中接線最簡(jiǎn)單，使用設(shè)備最少的是靜止可控硅自并勵(lì)系統(tǒng)，其他幾種接線都需要增加一臺(tái)功率變流器（或稱為勵(lì)磁變流器）CB，顯然增加了接線的復(fù)雜性和設(shè)備的投資。而在直流側(cè)無論是并聯(lián)還是串聯(lián)都需要另外增加一套整流裝置，這個(gè)投資顯然是最大的。交流側(cè)并聯(lián)自復(fù)勵(lì)方式由于不能控制整流功率裝置，其調(diào)節(jié)效果顯見不會(huì)很理想，因此，許多設(shè)計(jì)干脆取消對(duì)電抗器的控制，或者采用發(fā)電機(jī)的諧波繞組進(jìn)行自勵(lì)恒壓。 上述5種勵(lì)磁接線方式中，a類適合于所有的同步發(fā)電機(jī)， b、c類適合于中小型同步發(fā)電機(jī)， d類適合于大型同步發(fā)電機(jī)，e類只適合于小型同步發(fā)電機(jī)。1-4 自并勵(lì)與自復(fù)勵(lì)系統(tǒng)性能比較

9、現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)大量地使用了靜止可控硅自并勵(lì)和自復(fù)勵(lì)方式，在靜態(tài)情況下無論是自并勵(lì)還是自復(fù)勵(lì)都有較好的調(diào)節(jié)、控制特性。所以出現(xiàn)兩種不同的方式，主要的問題是他們?cè)诎l(fā)電機(jī)近端短路時(shí)的性能有一定差異。 自并勵(lì)系統(tǒng)中，接線簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少是他最大的優(yōu)勢(shì)，但人們擔(dān)心自并勵(lì)系統(tǒng)在發(fā)生發(fā)電機(jī)近端短路時(shí)的強(qiáng)勵(lì)能力，這也確實(shí)是自并勵(lì)系統(tǒng)最大的毛病。當(dāng)發(fā)電機(jī)近端短路時(shí)，機(jī)端電壓衰減的非常嚴(yán)重，強(qiáng)勵(lì)裝置動(dòng)作時(shí)可能因?yàn)殛枠O電壓太低而達(dá)不到所要求的強(qiáng)勵(lì)頂值，以致延誤事故處理的時(shí)機(jī)，引起發(fā)電機(jī)的損壞。 自復(fù)勵(lì)系統(tǒng)中，盡管接線較復(fù)雜，投資也較大，但由于有功率變流器的作用，當(dāng)發(fā)生發(fā)電機(jī)近端短路時(shí)，可以利用發(fā)電機(jī)的短路

10、電流提供強(qiáng)勵(lì)電壓，保持較高的強(qiáng)勵(lì)頂值倍數(shù)，確保繼電保護(hù)裝置迅速切除故障，保證發(fā)電機(jī)的安全。此外，交流側(cè)串聯(lián)型自復(fù)勵(lì)系統(tǒng)還有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是這種接線具有無功功率相位自動(dòng)補(bǔ)償作用，使發(fā)電機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定。但是，自復(fù)勵(lì)尤其是交流側(cè)串聯(lián)型自復(fù)勵(lì)系統(tǒng)的陽極電源系統(tǒng)較復(fù)雜，功率變流器的二次電抗使得陽極回路的電抗值相對(duì)自并勵(lì)來說要大的多，引起的副作用較強(qiáng)烈。 由于現(xiàn)代繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠在幾十個(gè)毫秒內(nèi)將發(fā)電機(jī)的故障切除，因此，自并勵(lì)系統(tǒng)因強(qiáng)勵(lì)頂值倍數(shù)不足的問題已經(jīng)不會(huì)嚴(yán)重地影響繼電保護(hù)裝置工作，所以近十幾年來，自并勵(lì)系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。相反，自復(fù)勵(lì)系統(tǒng)存在的問題卻沒有得到很好的解決，受到的制約

11、也越來越嚴(yán)重，世界上幾乎已經(jīng)沒有再生產(chǎn)交流側(cè)串聯(lián)型自復(fù)勵(lì)系統(tǒng)。1-5 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展與進(jìn)步 早期的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器無論在設(shè)備的體積還是在技術(shù)含量上都不能與現(xiàn)代自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器相提并論。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器從機(jī)電型到電磁型再到電子型直至現(xiàn)代的微機(jī)型，其間的技術(shù)發(fā)展可以說是翻天覆地的。 最早的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器只能對(duì)串聯(lián)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)變阻器進(jìn)行控制，其調(diào)節(jié)速度是非常緩慢的，充其量是個(gè)能夠代替人工調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓的機(jī)械手。 電磁型自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展過程中占有很重要的位置，統(tǒng)治勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)間最長(zhǎng)。它主要是利用電磁元件組成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的各個(gè)環(huán)節(jié)和單元，而電磁型調(diào)節(jié)器在很大程度上是依賴于整流器件的發(fā)展而

12、發(fā)展起來的，因此早期的電磁型調(diào)節(jié)器的輸出功率是非常有限的，這是因?yàn)槟菚r(shí)的整流元件本身功率也很小，所以那時(shí)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器只能叫作電壓校正器，勵(lì)磁系統(tǒng)的主要功率部分只能是直流勵(lì)磁機(jī)。電壓校正器利用調(diào)節(jié)直流勵(lì)磁機(jī)的輸出來間接調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓。這個(gè)時(shí)代最典型的調(diào)節(jié)器是帶有無功功率自動(dòng)補(bǔ)償?shù)南鄰?fù)勵(lì)調(diào)節(jié)器。 世界進(jìn)入電子時(shí)代以后，大功率整流器件和半導(dǎo)體元件的發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展，勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)展成為靜止整流型，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)展成為半導(dǎo)體器件型，在半導(dǎo)體器件型中還經(jīng)歷了分立器件和集成電路兩個(gè)階段。在這個(gè)時(shí)代，勵(lì)磁控制技術(shù)同時(shí)也得到了飛速的發(fā)展，用半導(dǎo)體模擬電路實(shí)現(xiàn)的許多功能已經(jīng)非常完善，勵(lì)磁控制理論的許

13、多成果都得到了應(yīng)用。如PI調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)，PID加PSS控制等。但模擬電路本身存在的問題以及調(diào)節(jié)時(shí)間較慢仍然制約著模擬電路勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展。由于模擬電路自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器目前仍然在許多發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，今后能夠發(fā)展到什么程度現(xiàn)在預(yù)言為時(shí)過早。 世界進(jìn)入電腦時(shí)代以后，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展可以說進(jìn)入了最好的發(fā)展時(shí)期，新裝置層出不窮。硬件上從單片機(jī)到單板機(jī)，從8位機(jī)到16位機(jī)，現(xiàn)在已經(jīng)用到32位機(jī)，檔次愈來愈高。軟件上從單功能到多功能，從單一調(diào)節(jié)到復(fù)合控制，世界上最先進(jìn)的勵(lì)磁控制理論現(xiàn)在全部可以在微機(jī)型自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上得到實(shí)現(xiàn)，甚至許多過去非常傳統(tǒng)的硬件配置都用軟件功能來實(shí)現(xiàn)，從而大大減少了硬件設(shè)

14、備，也使裝置的故障率大大降低。微機(jī)型自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的應(yīng)用，不僅解決了發(fā)電機(jī)系統(tǒng)本身的一些問題，同時(shí)也使發(fā)電廠無功功率成組調(diào)節(jié)成為可能和特別方便，也使發(fā)電機(jī)工況的監(jiān)視更加方便和直觀。 二功率整流裝置 功率整流裝置是勵(lì)磁系統(tǒng)中主要的設(shè)備和環(huán)節(jié)。舊式直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式的功率整流是勵(lì)磁機(jī)的整流子（換向器），現(xiàn)代勵(lì)磁系統(tǒng)的整流功率裝置是靜止（或旋轉(zhuǎn)）整流二極管或靜止可控硅整流管。功率整流裝置可以使用單相整流電路，也可以使用三相整流電路，甚至也有使用六相整流電路的。熟練掌握各種整流電路是從事勵(lì)磁工作的前提條件。2-1 單相整流電路 單相整流電路是最常用的整流電路，也是其他整流電路的基礎(chǔ)。 a單相半波整流電

15、路接線圖（見圖2-1） B GZ Ud id Ud e2 e2AC e1 e2 z R Ud wt （a) （b）圖2-1 單相半波整流電路原理圖 b電路工作原理 如圖2-1所示，單相半波整流電路僅使用了一只整流二極管。由于二極管具有單向?qū)щ娦?，?dāng)e2加在二極管兩端時(shí)，只有正半波能夠通過GZ，在負(fù)載電阻R上獲得如圖2-1（b）所示的波形。由于只有半個(gè)周期的e2電壓加在R上，因此： 整流輸出電壓平均值： Ud=0.45E2 （2-1） 整流輸出電流平均值： Id= 0.45E2/R （2-2） 如果將二極管換成可控硅元件，則： 整流輸出電壓平均值： Ud=Ud0(1+COSa)/2 （2-3）

16、整流輸出電流平均值： Id= 0.45E2/R =(2 E2/2pR)（1+COSa） （2-4） 式中： Ud0a=00時(shí)，R上獲得的最大平均電壓。 當(dāng)負(fù)載為感性元件時(shí)，輸出端由于電感產(chǎn)生自感電勢(shì)，負(fù)載兩端會(huì)出現(xiàn)負(fù)值電壓，為了克服這一點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)在負(fù)載端并聯(lián)續(xù)流二極管（如圖中虛線所示二極管），以防止過高的反電勢(shì)擊穿整流二極管。 b單相全波橋式整流電路接線圖（見圖2-2） B GZ Ud id Ud e2 -e2 e2 -e2AC e1 e2 R Ud wt （a） （b）圖2-2 單相全波橋式整流電路原理圖 全波整流電路由于將e2的負(fù)半波也利用了，故輸出電壓的平均值較半波整流要大一倍，所以： U

17、d=0.9E2 （2-5） Id= 0.9E2/R （2-6）2-2 三相橋式整流電路 A.三相橋式不可控整流電路（見圖2-3） B 1 3 5 id a b Ud R （a） c 4 6 2 e2 ea eb ec 0 wt （b） wt0 wt1 wt2 wt3 wt4 wt5 wt6Ud cb ab ac bc ba ca cb ab Ud 0 wt （c）圖2-3 三相橋式不可控整流電路 在wt0wt1期間，由于a相電位最高，而b相電位最低，因此D1與D6元件處于正向偏置狀態(tài)，構(gòu)成aD1RD6b0a的電流通路，輸出端獲得Ud=Uab的電壓波形。如圖2-3中所示。 在wt1wt2期間，a

18、相電位由最大值開始下降，但仍然較其他相高，而此時(shí)c相電位卻是最低的，因此構(gòu)成了aD1RD2c0a的電流通路，輸出端獲得Ud=Uac的電壓波形。 在wt2wt3期間，b相電位升為最高，最低的仍然是c相，因此構(gòu)成bD3RD2c0b的電流通路，輸出端獲得Ud=Ubc的電壓波形。依此類推，可得到Ud=Uba，Ud=Uca，Ud=Ucb，Ud=Ubc。連接他們即可獲得圖2-3（C）中粗實(shí)線所示的輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)的全部波形。由于輸出電壓是脈動(dòng)電壓，因此，在負(fù)載R上獲得的輸出電壓平均值就如圖2-3（C）中平直線所示，顯然它不會(huì)達(dá)到脈動(dòng)電壓的最大值。由前面的分析知道，輸出電壓是由整流變壓器二次線電壓的瞬時(shí)

19、值組成，因此有： Ud=1.35Ui=2.34E2 （2-5） 流過負(fù)載的平均電流： Id =Ud/R （2-6） 由于在一個(gè)周期內(nèi)整流元件各自輪流導(dǎo)通1200（1/3周期），故流過整流元件的平均電流為1/3Id。 B.三相橋式全控整流電路（見圖2-4） B 1 3 5 id 0 a b Ud R （a） c 4 6 2 e2 00 ea eb ec 0 wt （b） wt0 wt1 wt2 wt3 wt4 wt5 wt6Ud cb ab ac bc ba ca cb ab Ud 0 wt （c）圖2-4 a=00時(shí)三相橋式全控整流電路及輸出電壓波形 圖2-4與圖2-3相比，在電路結(jié)構(gòu)上沒有什

20、么特別的地方，但使用的整流元件有所不同，如果不考慮可控硅控制角的影響，則圖2-4與圖2-3的結(jié)果是完全一樣的，用于圖2-3的分析方法可以用來分析圖2-4電路。但是，圖2-4電路畢竟使用的是可控硅整流元件，因此它與圖2-3就有一定的區(qū)別，下面具體分析圖2-4 的工作狀況。 1）可控硅元件導(dǎo)通的必要條件 可控硅元件由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通有三個(gè)必要條件： a.可控硅的控制極必須有與陽極電壓同相位的正向觸發(fā)脈沖。 b.可控硅陽極與陰極之間必須有正向偏置電壓。 c.可控硅元件獲得的觸發(fā)脈沖必須有足夠的功率。 觸發(fā)脈沖是可控硅元件導(dǎo)通的基本條件，否則也不成其為“可控”硅，但是，即使有了觸發(fā)脈沖如果在相位上與可控硅

21、元件上施加的陽極電壓不對(duì)應(yīng)也是徒勞的。 所謂“正向偏置”是指可控硅元件的陽極必須施加正電壓，而陰極必須施加負(fù)電壓，即陽極電壓高于陰極。其最小值必須高于可控硅元件的通態(tài)平均電壓降。如圖2-5所示。 UY UT U+ U_ 圖2-5 可控硅元件施加電壓示意圖 足夠的觸發(fā)脈沖功率也是可控硅導(dǎo)通的必要條件。它是指觸發(fā)脈沖的電壓幅值和電流的幅值必須大于所使用的可控硅元件標(biāo)稱的觸發(fā)電壓和電流，如果觸發(fā)脈沖的電壓和電流達(dá)不到所使用的可控硅元件的要求，將使可控硅不能正常導(dǎo)通或者工作不可靠。 除此以外，由于每只可控硅整流元件在三相整流電路中需要工作1/3個(gè)周期，每次被觸發(fā)時(shí)，從阻斷到導(dǎo)通需要一定的時(shí)間，因此對(duì)脈

22、沖的寬度也有一定要求，一般情況下應(yīng)不小于600。即使采用雙脈沖觸發(fā)方式，也應(yīng)保證可控硅能夠在整個(gè)工作期間可靠地被觸發(fā)。 2）三相全控整流電路的兩種工作狀態(tài) 三相全控整流電路既可以工作于整流狀態(tài)，也可以工作于逆變狀態(tài)，下面具體分析這兩種工作狀態(tài)。 a.整流工作狀態(tài) 當(dāng)控制角a在0900范圍內(nèi)變化時(shí)，三相整流橋工作于整流狀態(tài)。 當(dāng)a=00時(shí)，其工作狀態(tài)與三相不可控整流橋完全一致，不可控電路的工作原理和分析方法均適合于a=00時(shí)的三相全控橋，輸出的直流電壓波形也完全一樣（見圖2-4）。 當(dāng)a=300時(shí)，三相整流橋的工作狀態(tài)與三相不可控整流電路有所區(qū)別，下面以圖2-6為參考進(jìn)行分析。 在線電壓的030

23、0之間，由于無觸發(fā)脈沖，可控硅不導(dǎo)通，輸出側(cè)無輸出電壓，輸出波形出現(xiàn)斷續(xù)波形。 在線電壓的300位置，可控硅分別在 d1 ，e1，f1，g1，h1，i1點(diǎn)被觸發(fā)，正常時(shí)的輸出電壓波形如圖2-6（b）粗實(shí)線所示?？煽毓柙膿Q流順序是：+a -b+a -c+b -c+b -a+c -a+c -b，然后再重復(fù)循環(huán)。 陽極相電壓的300位置是線電壓的自然換流點(diǎn)，以此點(diǎn)為控制角的起始點(diǎn)，即00位置，在00位置觸發(fā)可控硅時(shí)，整流橋有最大直流平均電壓輸出。因此，如果以相電壓作為同步電壓時(shí)，一定要考慮到這300誤差，否則將會(huì)造成可控硅失控。 00 300 e2 ea eb ec d1 f1 h1 0 wt

24、（a） e1 g1 i1 wt0 wt1 wt2 wt3 wt4 wt5 wt6Ud cb ab ac bc ba ca cb ab Ud 0 wt （b）圖2-6 a=300時(shí)三相橋式全控整流電路輸出電壓波形圖 當(dāng)a=600時(shí)整流橋的狀態(tài)是較特別的一種狀態(tài)，此時(shí)輸出波形正好在零線位置交換。而在此之前，輸出波形是在零線以上交換的，當(dāng)a600以后，輸出波形則在零線以下交換。a=600時(shí)的輸出波形見圖2-7（b）。 00 600 e2 ea eb ec 0 wt （a） wt0 wt1 wt2 wt3 wt4 wt5 wt6Ud cb ab ac bc ba ca cb Ud 0 wt （b）圖2

25、-7 a=600時(shí)三相橋式全控整流電路輸出電壓波形圖 如圖2-7所示，可控硅元件+a -b，+a -c，+b -c，+b -a，+c -a，+c -b分別在wt1，wt2，wt3，wt4，wt5，wt6時(shí)刻被觸發(fā)換流，獲得的輸出電壓波形如圖2-7（b）。 由于 a=600時(shí)三相橋式全控整流電路輸出電壓波形的特殊性，人們常常用來判斷三相可控整流電路的控制角是否正確，這是一種非常實(shí)用的方法。 600a900時(shí)，帶感性負(fù)載的三相全控橋的輸出波形不僅有正值，同時(shí)也有負(fù)值，但在此范圍內(nèi)，輸出電壓的平均值仍然呈現(xiàn)為正值，如圖2-8所示。 00 700 e2 ea wt1 wt2 wt3 ec d1 f1

26、h1 0 wt e1 g1 i1 （a） wt0 wt1 wt2 wt3 wt4 wt5 wt6Ud cb ab ac bc ba ca cb Ud 0 wt（b）圖2-8 600a900時(shí)三相橋式全控整流電路輸出電壓波形圖由于電感元件的存在，當(dāng)三相全控橋的控制角在600以后開始出現(xiàn)負(fù)值，其原因是感性元件具有存儲(chǔ)磁場(chǎng)能量作用的緣故，當(dāng)整流橋輸出電壓出現(xiàn)斷續(xù)時(shí)，存儲(chǔ)在感性元件中的能量將向交流電源側(cè)釋放，在整流橋輸出側(cè)呈現(xiàn)為負(fù)值，此種情況可用圖2-9來說明。 m B 1 3 5 id - a eL + b Ud R c 4 6 2 n 圖2-9 感性負(fù)載的三相全控橋等效電路圖 當(dāng)在600a900的

27、wt1時(shí)刻給a相的SCR1以觸發(fā)脈沖（參見圖2-8），這時(shí)由于a相電位最高，SCR1將導(dǎo)通。此時(shí)，雖然c相電位最低，但SCR2因無觸發(fā)脈沖而不會(huì)導(dǎo)通。但此時(shí)先前被觸發(fā)導(dǎo)通的b相SCR6將繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)。即此時(shí)由SCR1與SCR6構(gòu)成電流通路，輸出電壓為eab。當(dāng)wt1時(shí)刻，輸出電壓逐漸降為0。 在wt1時(shí)刻，由于輸出電流有減小趨勢(shì)，此時(shí)負(fù)載電感產(chǎn)生eL來企圖阻止id的減少，因eL的方向與id的方向一致，故在輸出側(cè)呈現(xiàn)為負(fù)值電壓，進(jìn)而維持id繼續(xù)流通。 在wt1以后，雖然b相電位高于a相電位（即Uab0。此時(shí)雖然b相電位最高，但因沒有觸發(fā)脈沖而無法導(dǎo)通。 到wt2以后，輸出電壓又出現(xiàn)負(fù)值，到w

28、t3時(shí)刻再變正，如此反復(fù)循環(huán)，到wt6完成一個(gè)周期。 由于有負(fù)值的存在，隨著a角的增加，輸出電壓的平均值將逐漸減小，當(dāng)a=900時(shí)，正值與負(fù)值相等，此時(shí)輸出端電壓為0。 當(dāng)a角繼續(xù)增加時(shí)，整流橋輸出電壓的平均值將出現(xiàn)純負(fù)值的狀態(tài)，此狀態(tài)在專業(yè)術(shù)語中稱為“逆變”，逆變狀態(tài)將在以下內(nèi)容中介紹。 根據(jù)對(duì)三相全控整流電路的理論計(jì)算，三相全控橋的輸出電壓平均值 Ud =1.35Uycosa （2-7） Id = Ud/Rf = 1.35Uycosa/Rf （2-8） 流過整流變壓器副方繞組的電流是整流橋直流側(cè)輸出電路的0.817，即：I2=0.817Id。 實(shí)際工作中，上述計(jì)算式和比例關(guān)系可以作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)

29、據(jù)進(jìn)行應(yīng)用。 b.逆變工作狀態(tài) 逆變是帶感性負(fù)載的三相全控橋另外一種工作狀態(tài)，逆變工作狀態(tài)下，整流橋輸出電壓為負(fù)值。實(shí)際上整流橋是不可能輸出負(fù)值的，之所以輸出的值反映出來為負(fù)值是因?yàn)橛须姼写嬖诘木壒?。下面結(jié)合圖2-10進(jìn)行分析。 在a900時(shí)，整流橋工作于整流狀態(tài)，輸出電壓大于0。此時(shí)若將控制角突然拉到大于900（假定為1200），整流橋的工作狀態(tài)將立即發(fā)生變化。假定在wt2時(shí)刻SCR1因接受觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通，這時(shí)eab雖然過零開始變負(fù)，但電感L上阻止電流id減小的感應(yīng)電勢(shì)el也較大，使eleab仍為正，故SCR1與SCR6仍在正向陽極電壓下工作，此時(shí)L上的感應(yīng)電勢(shì)與id的方向一致，電感線圈向交

30、流側(cè)發(fā)出功率（即釋放電感線圈存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量）。由于交流側(cè)電壓的瞬時(shí)值eab與電流id方向相同，故此時(shí)交流側(cè)吸收功率，既出現(xiàn)所謂“逆變”。 到wt3時(shí)刻，c相SCR2接受觸發(fā)脈沖，這時(shí)eac雖然進(jìn)入負(fù)半周，但電感電勢(shì)el仍然足夠大，可以維持SCR1與SCR2的導(dǎo)通，繼續(xù)向交流側(cè)饋送磁場(chǎng)能量，如此反復(fù)輪流，直至電感線圈存儲(chǔ)的能量不能繼續(xù)維持SCR元件的導(dǎo)通為止，“逆變”結(jié)束。 c.逆變的失敗與顛覆 所謂逆變的失敗或顛覆是指三相整流橋在逆變過程中，因換流不成功而造成單相連續(xù)導(dǎo)通，使整流橋出現(xiàn)“逆變”“整流”“逆變”“整流”的反復(fù)工作狀態(tài)。 出現(xiàn)逆變顛覆的主要原因有以下三種： 1）脈沖丟失。 2）控制

31、脈沖角度過大，控制不合適。 3）整流元件故障，不能正常導(dǎo)通或截止。 在上述三種原因中，逆變控制角可以在設(shè)計(jì)過程中予以避免，只要充分考慮到可控硅換弧的角度并留有一定的裕量即可。實(shí)際上，任何人也不會(huì)將逆變控制角設(shè)計(jì)到最大角使用。 脈沖丟失是逆變失敗最多的原因。在脈沖丟失的可能原因中，又因脈沖質(zhì)量太差為最多，其次是脈沖功率偏小。當(dāng)脈沖丟失以后，可控硅元件因?yàn)椴荒鼙挥|發(fā)而無法換流，造成逆變顛覆。 整流元件故障是造成逆變顛覆的又一個(gè)原因。整流元件存在故障時(shí)，在整流狀態(tài)時(shí)反映為整流電壓變低，調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以通過減小控制角來增加輸出。但在逆變狀態(tài)下卻不能通過改變控制角來滿足工況的要求。故障元件在逆變狀態(tài)下無法進(jìn)行換流，造成逆變顛覆。此外，整流橋其他元件故障也會(huì)造成與整流元件故障一樣的故障現(xiàn)象，使逆變失敗或顛覆。 逆變顛覆如果呈現(xiàn)為衰減狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)很大的問題，最終還是能夠?qū)㈦姼芯€圈存儲(chǔ)的能量全部釋放完畢而結(jié)束逆變過程。但如果逆變顛覆呈現(xiàn)為等幅震蕩