電力電子相控整流

1、相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-1相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-2 理解和掌握理解和掌握單相橋式、三相半波、三相橋式等單相橋式、三相半波、三相橋式等整流電路的電路結構、工作原理、波形分析、整流電路的電路結構、工作原理、波形分析、電氣性能、分析方法和參數計算。電氣性能、分析方法和參數計算。 重點：重點：波形分析和基本電量計算的方法。波形分析和基本電量計算的方法。 難點：難點：不同負載對工況的影響和整流器交流側不同負載對工況的影響和整流器交流側電抗對整流電路的影響電抗對整流電路的影響相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2

2、-32.1.1 整流電路的分類整流電路的分類 不可控整流電路不可控整流電路 直流整流電壓和交流電源電壓的比固定直流整流電壓和交流電源電壓的比固定 全控整流電路全控整流電路 直流整流電壓的平均值和極性可調直流整流電壓的平均值和極性可調 半控整流電路半控整流電路 負載電壓平均值可調、極性不能改變負載電壓平均值可調、極性不能改變相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-4 按電路結構分類按電路結構分類 橋式電路（又稱全波電路或雙拍電路）橋式電路（又稱全波電路或雙拍電路） 零式電路（又稱半波電路或單拍電路）零式電路（又稱半波電路或單拍電路） 按輸出電壓脈波數分類按輸出電壓脈波數分類

3、單脈波電路單脈波電路 雙脈波電路雙脈波電路 三脈波電路三脈波電路 多脈波電路多脈波電路相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-5 按控制方式分類按控制方式分類 相控式電路相控式電路 斬控式電路斬控式電路 按組成器件分類按組成器件分類 全控型電路全控型電路 半控型電路半控型電路 按工作范圍分類按工作范圍分類 單象限電路單象限電路 多象限電路多象限電路 按電網相數分類按電網相數分類 單相電路單相電路 三相電路三相電路 多相電路多相電路相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-6 整流電路在應用中，應滿足的整流電路在應用中，應滿足的基本技術要求基本技術要求 整流

4、電路的理想條件：整流電路的理想條件： 理想器件理想器件 理想電源理想電源相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-72.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-8 控制角控制角 從晶閘管開始承受正向電壓到被觸發(fā)導從晶閘管開始承受正向電壓到被觸發(fā)導通這一角度。通這一角度。 導通角導通角 晶閘管在一個周期內導通的電角度。晶閘管在一個周期內導通的電角度。 移相移相 改變控制角改變控制角 的大小，即改變觸發(fā)脈沖出的大小，即改變觸發(fā)脈沖出現的相位。現的相位。 移相控制移相控制相控整流 March, 2003北方交通大學

5、電氣工程學院2-9 移相范圍移相范圍 控制角控制角 的允許調節(jié)范圍的允許調節(jié)范圍。 同步同步 觸發(fā)脈沖信號和晶閘管電壓（即電源電壓）觸發(fā)脈沖信號和晶閘管電壓（即電源電壓）在頻率和相位上的協調配合關系。在頻率和相位上的協調配合關系。 自然換相點自然換相點 當電路中的可控元件全部由不可控元件代替當電路中的可控元件全部由不可控元件代替時，各元件的導電轉換點。時，各元件的導電轉換點。相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-10一、電阻一、電阻負載負載相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-11 輸出平均電壓輸出平均電壓 Ud 移相范圍移相范圍 0 180 輸出平

6、均電流輸出平均電流 Id SCR平均電流平均電流 IdT = Id / 2)2cos1( U0.9tdsinU21U22dt)2cos1( RU 0.9RUIddd相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-12 負載電壓有效值負載電壓有效值 U 變壓器副邊繞組電流有效值變壓器副邊繞組電流有效值 I2 流過晶閘管的電流有效值流過晶閘管的電流有效值 功率因數功率因數 cos 2sin2-UtdsinU21U222）（t2sin2-RURUII2222sin-UUIUUISPcos2222/II2T相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-13相控整流 March

7、, 2003北方交通大學電氣工程學院2-14 輸出平均電壓輸出平均電壓 Ud 移相范圍移相范圍 0 90 輸出平均電流輸出平均電流 Idcos U0.9tdsinU21U22dtcos RU 0.9RUI2dd相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-15 SCR平均電流平均電流 IdT = Id / 2 流過晶閘管的電流有效值流過晶閘管的電流有效值 IT 變壓器副邊繞組電流有效值變壓器副邊繞組電流有效值 I 22/II2TdT2II 2I相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-16 負載電流斷續(xù)時整流電壓、電流波形負載電流斷續(xù)時整流電壓、電流波形 電流斷

8、續(xù)時電流斷續(xù)時 、 、 的關系：的關系： 越大，越大， 越小越小 越大，越大， 越大越大相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-17相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-18 最小起始導電角最小起始導電角 時時 時時2U2Earcsin tE)dsinU2(1EU-2dttE)dsinU2(1EU-2dttdEsinU21I-2dRt相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-19相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-20 波形分析法：波形分析法： 根據電源電壓根據電源電壓 u2 和控制角和控制角 以及負載性質，以

9、及負載性質，作出負載電壓作出負載電壓 ud 、負載電流、負載電流 id 、和整流元件、和整流元件的電壓、電流波形圖，從而導出基本電量的計的電壓、電流波形圖，從而導出基本電量的計算公式及數量關系。算公式及數量關系。 具體步驟：具體步驟：1、繪出、繪出主電路原理圖主電路原理圖，標出各電量和元件序號；，標出各電量和元件序號；2、畫出、畫出相（線）電壓波形圖相（線）電壓波形圖，確定自，確定自然換相點然換相點；相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-213、根據控制角、根據控制角 在相應位置上繪出在相應位置上繪出觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖，并，并 標明相應序號；標明相應序號；4、根據可控整流電

10、路的工作原理，、根據可控整流電路的工作原理，繪出負載電壓繪出負載電壓 ud、負載電流、負載電流 id 、SCR電流電流 iT 等波形等波形；5、根據波形圖，導出基本、根據波形圖，導出基本電量的計算式電量的計算式；6、對整流電路進行、對整流電路進行綜合評價綜合評價。例如：電路的優(yōu)、。例如：電路的優(yōu)、 缺點；電路的可控移相范圍；負載電流是否連缺點；電路的可控移相范圍；負載電流是否連 續(xù)；整流元件承受的最大正、反向電壓值；整續(xù)；整流元件承受的最大正、反向電壓值；整 流電壓流電壓 ud 的紋波系數的紋波系數 w 和脈動系數和脈動系數 m 等。等。相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院

11、2-22相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-23 Ud 、Id、 U 計算公式與全控橋（計算公式與全控橋（R）一樣）一樣 流過變壓器副邊繞組的電流有效值流過變壓器副邊繞組的電流有效值 I2 流過流過SCR和整流管的電流平均值和有效值和整流管的電流平均值和有效值d2d2I- tdI1IddDdTI21IIdDTI 21II相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-24 產生原因產生原因 突然將觸發(fā)脈沖切斷突然將觸發(fā)脈沖切斷 將將 角增大到角增大到 180 實質：實質： 對晶閘管的工作失去控制作用對晶閘管的工作失去控制作用 避免方法：避免方法： 加續(xù)流二極

12、管加續(xù)流二極管相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-25相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-26 其它形式的單相橋式半控電路其它形式的單相橋式半控電路相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-27相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-28 特點：變壓器帶有中心抽頭特點：變壓器帶有中心抽頭 兩晶閘管共陰極連接兩晶閘管共陰極連接 輸出波形：與全控橋相同輸出波形：與全控橋相同 區(qū)別：晶閘管數量減少區(qū)別：晶閘管數量減少 容量增加，結構復雜容量增加，結構復雜 應用于小容量場合應用于小容量場合相控整流 March, 20

13、03北方交通大學電氣工程學院2-29 優(yōu)點：優(yōu)點： 結構簡單結構簡單 對觸發(fā)電路的要求較低對觸發(fā)電路的要求較低 缺點：缺點： 輸出直流電壓脈動大輸出直流電壓脈動大 易造成電網負載不平衡易造成電網負載不平衡相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-302.3.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路一、一、R負載負載相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-31相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-32相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-33cos U1.17tdsinU2321U26562dt6cos1 U0

14、.675 tdsinU232 1U262dt相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-34相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-35 整流電壓整流電壓 Ud 整流電流整流電流 Id 變壓器的相電流變壓器的相電流 I2 ，SCR的電流有效值的電流有效值 ITcos U1.17U2dRUIddddT2I577.03III相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-362 = 3U2I2 = d2 = 3U1I1 = 3U2I1 = d (假設假設W1=W2） d2d2d1I473.034I3132I3221Id21P35.12SSS相控整流

15、March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-37 優(yōu)點：優(yōu)點： 輸出電壓脈動小輸出電壓脈動小 輸出功率大輸出功率大 三相負載平衡三相負載平衡 缺點缺點 變壓器利用率低變壓器利用率低 容易出現直流磁化現象容易出現直流磁化現象 零線上通過較大的負載電流零線上通過較大的負載電流相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-38 結構：共陰極半波加共陽極半波結構：共陰極半波加共陽極半波相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-39相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-40 結構：結構： 由兩個（一個為共陰極，一個為共陽極）由兩個（一個為共陰極

16、，一個為共陽極）三相半波整流電路組成。三相半波整流電路組成。 優(yōu)點：優(yōu)點： 六脈波電路，輸出電壓脈動更小；六脈波電路，輸出電壓脈動更??； 變壓器繞組無直流磁勢；變壓器繞組無直流磁勢； 變壓器繞組正負半周都工作，效率高。變壓器繞組正負半周都工作，效率高。相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-41 本組內本組內SCR每隔每隔 120 換流一次；換流一次；共陰極與共陽極組的換流點相隔共陰極與共陽極組的換流點相隔 60 。 SCR的導通順序：的導通順序：(6-1) (1-2) (2-3) (3-4) (4-5) (5-6) 自然換相點自然換相點為相電壓（或線電壓）的交點。為相電壓

17、（或線電壓）的交點。 必須使用必須使用雙窄脈沖雙窄脈沖或或寬脈沖寬脈沖（見下頁）。（見下頁）。相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-42（a）變壓器副邊）變壓器副邊 三相電壓波形三相電壓波形（b）寬脈沖觸發(fā)）寬脈沖觸發(fā)（c）雙窄脈沖觸發(fā)）雙窄脈沖觸發(fā)相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-43相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-44相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-45 整流電壓整流電壓 Ud 變壓器的相電流變壓器的相電流 I2cosU35. 1cos U34. 2 tdsinU231U223232dt

18、d2I32I相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-46相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-47 整流電壓整流電壓 UdcosU35. 1cos U34. 2U22d3cos1 U4 3 . 2tdsinU226U232dt相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-48相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-49相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-50 整流電壓整流電壓 Ud 輸出電壓為不可控半波電路輸出電壓輸出電壓為不可控半波電路輸出電壓與可控的三相半波電路輸出電壓之和與可控的三相半波電

19、路輸出電壓之和2cos1U34. 2)cos(1 U17. 1U22d相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-51相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-52 整流電壓整流電壓 Ud 同電阻性負載同電阻性負載 輸出電壓為不可控半波電路輸出電壓輸出電壓為不可控半波電路輸出電壓與可控的三相半波電路輸出電壓之和與可控的三相半波電路輸出電壓之和2cos1U34. 2)cos(1 U17. 1U22d相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-53 SCR電流的有效值電流的有效值 IT、整流管電流有效值、整流管電流有效值 ID SCR電流的平均值電

20、流的平均值 IdD 、整流管電流平均值、整流管電流平均值 IdTddDTI577.0I 31IIddDdTI 31II相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-54 變壓器副邊繞組電流有效值變壓器副邊繞組電流有效值 I2dd2I816.0I 32Id2I I相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-55 產生原因產生原因 突然將觸發(fā)脈沖切斷突然將觸發(fā)脈沖切斷 將將 角增大到角增大到 180 實質：實質： 對晶閘管的工作對晶閘管的工作失去控制作用失去控制作用 避免方法：避免方法： 加續(xù)流二極管加續(xù)流二極管相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院

21、2-56 原因原因 變壓器存在一定的漏電感變壓器存在一定的漏電感 交流回路存在一定的電感交流回路存在一定的電感 結果結果 出現重迭導通現象（兩條支路同時導電）出現重迭導通現象（兩條支路同時導電） 簡化考慮簡化考慮 把所有交流側的電感都折算到變壓器副邊，把所有交流側的電感都折算到變壓器副邊，用集中電感用集中電感 LB 表示。表示。相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-57 以電感負載，三相半波可控整流電路為例以電感負載，三相半波可控整流電路為例相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-58 換相過程換相過程：Id 0 或或 0 Id 換相重疊角換相重疊角

22、：換相過程所對應的相角：換相過程所對應的相角 換相電壓換相電壓：換相過程中兩相間電位差瞬時值：換相過程中兩相間電位差瞬時值 uba = ub - ua 換相電壓的作用換相電壓的作用： 強制導通元件中的電流下降為零；強制導通元件中的電流下降為零； 保證退出導通的元件恢復阻斷能力。保證退出導通的元件恢復阻斷能力。相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-59 重迭對輸出波形的影響重迭對輸出波形的影響 換相過程中，整流電壓的瞬時值換相過程中，整流電壓的瞬時值 與與 = 0時相比，產生了換相壓降時相比，產生了換相壓降 UddtdiLuuuKBbaab22abKBuudtdiL2abKBbduudtdiLuudddUUUcos0相控整流 March, 2003北方交通大學電氣工程學院2-60 對于對于單相全控橋單相全控橋，必須用，必須用 2Id 代替代