電力電子技術(shù)(西電第二版)第2章 三相相控整流電路

1、第2章 三相相控整流電路 1 1 第2章 三相相控整流電路 2.1 三相半波相控整流電路 2.2 三相全控橋式整流電路 2.3 三相半控橋式整流電路 2.4 變壓器漏電抗對整流電路的影響 2.5 三相整流電路應(yīng)用實例分析 第2章 三相相控整流電路 2 2 2.1三相半波相控整流電路 三相半波相控整流電路是最基本的三相可控整流形式， 其余的三相可控整流電路都可看做是由三相半波相控整流電 路以不同方式串聯(lián)或并聯(lián)組成的。 第2章 三相相控整流電路 3 3 2.1.1電阻性負(fù)載的整流過程 三相半波(又稱三相零式)可控整流電路如圖2-1(a)所示。 圖中T是整流變壓器，也可直接由三相四線電源供電。 三只

2、晶閘管的陰極連在一起，稱為共陰極接法。共陰極接法 在觸發(fā)電路中有公共線時，連接比較方便，所以得到了廣泛 應(yīng)用。 第2章 三相相控整流電路 4 4 圖2-1三相半波可控整流電路電阻性負(fù)載=0時的波形 (a) 電路；(b) 電源相電壓；(c) 觸發(fā)脈沖；(d) 輸出電壓、電流 (e) 晶閘管V1上的電流；(f) 晶閘管V1上的電壓 第2章 三相相控整流電路 5 5 圖2-2所示是三相半波可控整流電路電阻性負(fù)載=30時 的波形。設(shè)V3已導(dǎo)通，負(fù)載上獲得c相相電壓uc。當(dāng)電源 經(jīng)過自然換流點t0時，因為V1的觸發(fā)脈沖ug1還沒來到，因 而不能導(dǎo)通，而uc仍大于零，所以V3不能關(guān)斷而繼續(xù)導(dǎo)通， 直到t1

3、處，此時ug1觸發(fā)V1導(dǎo)通，V3承受反壓關(guān)斷，負(fù)載電 流從c相換到a相。以后如此循環(huán)下去。從圖2-2(b)中可看出， 這是負(fù)載電流連續(xù)的臨界狀態(tài)，一周期中每只晶閘管仍導(dǎo) 通120。 第2章 三相相控整流電路 6 6 圖2-2三相半波可控整波電路電阻性負(fù)載=30時的波形 (a) 電源相電壓；(b) 觸發(fā)脈沖；(c) 輸出電壓、電流； (d) 晶閘管V1上的電流；(e) 晶閘管V1上的電壓 第2章 三相相控整流電路 7 7 圖2-3所示是三相半波可控整流電路電阻性負(fù)載=60時 波形。設(shè)V3已工作，電路輸出c相相電壓uc。當(dāng)uc過零變負(fù)時， V3因承受反壓而關(guān)斷，此時V1雖已承受正向電壓，但因 其觸

4、發(fā)脈沖ug1尚未來到，故不能導(dǎo)通。此后，直到ug1到來前 的一段時間內(nèi)，各相都不導(dǎo)通，輸出電壓、電流都為零。當(dāng) ug1到來時，V1導(dǎo)通，輸出電壓為a相相電壓ua。依次循環(huán)。當(dāng) 控制角繼續(xù)增大時，整流電路輸出電壓ud將繼續(xù)減小；當(dāng) =150時，ud就減小到零。 第2章 三相相控整流電路 8 8 圖2-3三相半波可控整流電路電阻性負(fù)載=60時的波形 (a) 電源相電壓；(b) 觸發(fā)脈沖； (c) 輸出電壓、電流；(d) 晶閘管V1上的電壓 第2章 三相相控整流電路 9 9 由上分析可知： (1) 當(dāng)控制角=0時，輸出電壓最大；增大，輸出電壓 減小。當(dāng)=150時，輸出電壓為零，所以最大移相范圍為 1

5、50。當(dāng)30時，電流(壓)連續(xù)，每相晶閘管的導(dǎo)通角 為120；當(dāng)30時，電流(電壓)斷續(xù)，導(dǎo)通角小于 120，導(dǎo)通角為=150。 第2章 三相相控整流電路 1010 (2) 由于每相導(dǎo)電情況相同，故只需在1/3周期內(nèi)求取電 路輸出電壓的平均值，就是一個周期內(nèi)電路輸出的電壓平均 值。 當(dāng)30時，電流電壓連續(xù)，輸出直流電壓平均值為 (2-1) 式中，U2j為變壓器次級相電壓有效值。 第2章 三相相控整流電路 1111 當(dāng)30150時，電路輸出電壓ud、輸出電流id的波 形斷續(xù)(參見圖2-3)，導(dǎo)通角 =150。 可求得輸出電壓 的平均值為 (2-2) 第2章 三相相控整流電路 1212 (3) 負(fù)

6、載電流的平均值為 (2-3) 流過每個晶閘管的平均電流為 (2-4) 第2章 三相相控整流電路 1313 流過每個晶閘管電流的有效值為 (2-5) (2-6) 第2章 三相相控整流電路 1414 (4) 從圖2-1(f)可看出，晶閘管所承受的最大反向電壓為 電源線電壓的峰值，即 最大正向電壓為電源相電 壓的峰值，即 第2章 三相相控整流電路 1515 2.1.2大電感負(fù)載的整流過程 大電感負(fù)載電路如圖2-4(a)所示。 (1) 由圖中可看出晶閘管承受的最大正、反向電壓均為線 電壓峰值，這一點與電阻性負(fù)載時晶閘管承受 的正向電壓是不同的。 第2章 三相相控整流電路 1616 (2) 輸出電壓的平

7、均值Ud可由輸出電壓ud的波形從 內(nèi)積分求得： (2-7) 負(fù)載電流的平均值為 (2-8) 第2章 三相相控整流電路 1717 流過晶閘管的電流平均值與有效值為 (2-9) (2-10) 第2章 三相相控整流電路 1818 圖2-4三相半波可控整流電路大電感負(fù)載=60時的波形 (a) 電路；(b) 電源相電壓；(c) 觸發(fā)脈沖； (d) 輸出電流；(e) 晶閘管上的電壓 第2章 三相相控整流電路 1919 (3) 由式(2-7)可知，當(dāng)=0時，Ud為最大值；當(dāng)=90 時，Ud=0。因此大電感負(fù)載時三相半波整流電路的移相范圍 為090。 第2章 三相相控整流電路 2020 三相半波可控整流電路帶

8、電感性負(fù)載時，可以通過加接 續(xù)流二極管解決因控制角接近90時輸出電壓波形出現(xiàn)正、 負(fù)面積相等而使其平均電壓為零的問題，電路形式如圖 2-5(a) 所示。圖2-5(b)、(c)是加接續(xù)流二極管VD后，大電感負(fù)載當(dāng) =60時電路輸出的電壓、電流波形。以a相為例，當(dāng) a相電壓過零使電流有減小的趨勢時，由于電感L的作用，產(chǎn) 生自感電勢eL，其方向與電流id的方向一致，因此使續(xù)流二極 管VD導(dǎo)通，此時電路輸出電壓ud為二極管兩端電壓近似為零， 電感L釋放能量使輸出電流id保持連續(xù)。由于a相電流為零使 V1管關(guān)斷，當(dāng)V2管的觸發(fā)脈沖ug2使V2觸發(fā)導(dǎo)通后，b相相電 壓使二極管VD承受反壓而截止，電路輸出b

9、相相電壓。重復(fù) 上述過程。 第2章 三相相控整流電路 2121 圖2-5三相半波可控整流電路電感負(fù)載帶續(xù)流二極管時的波形 (a) 電路；(b) 輸出電壓；(c) 輸出電流 第2章 三相相控整流電路 2222 很明顯，輸出電壓ud的波形與純電阻負(fù)載時的一樣，Ud 的計算公式也與電阻性負(fù)載時的相同。一個周期內(nèi)，晶閘管 的導(dǎo)通角V=150。續(xù)流二極管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通三次， 因此其導(dǎo)通角VD=3(30)。流過晶閘管的平均電流和電 流的有效值分別為 (2-11) (2-12) 第2章 三相相控整流電路 2323 流過續(xù)流二極管的電流平均值和有效值分別為 (2-13) (2-14) 第2章 三相相控整流電

10、路 2424 2.1.3反電勢負(fù)載整流電路 串聯(lián)平波電抗器的電動機(jī)負(fù)載就是一種反電勢負(fù)載。當(dāng) 電感L足夠大時，負(fù)載電流id波形近似于一條直線，電路輸出 電壓ud的波形及計算與大電感負(fù)載時的一樣。但當(dāng)L不夠大或 負(fù)載電流太小，L中儲存的磁場能量不足以維持電流連續(xù)時， 則ud的波形中出現(xiàn)由反電勢E形成的階梯，Ud的計算不再符合 前面介紹的計算公式。 第2章 三相相控整流電路 2525 2.1.4共陽極整流電路 圖2-6(a)所示電路為將三只晶閘管陽極連接在一起的三相 半波可控整流電路，稱為共陽極接法。這種接法可將散熱器 連在一起，但三個觸發(fā)電源必須相互絕緣。共陽極接法時的 晶閘管只能在相電壓的負(fù)半

11、周期工作，其陰極電位為負(fù)且在 有觸發(fā)脈沖時導(dǎo)通，換相總是換到陰極電位更負(fù)的那一相去。 相電壓負(fù)半周期的交點就是共陽極接法的自然換流點。 第2章 三相相控整流電路 2626 共陽極整流電路的工作情況、波形及數(shù)量關(guān)系與共陰極 接法相同，僅輸出極性相反，其輸出電壓波形和三個晶閘管 中電流波形如圖2-6(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示。均為負(fù)值。 大電感負(fù)載時，Ud的計算公式為 (2-15) 式中，負(fù)號表示電源零線是負(fù)載電壓的正極端。 第2章 三相相控整流電路 2727 圖2-6三相半波共陽極可控整流電路及波形 (a) 電路；(b) 輸出電壓；(c) 輸出電流；(d) V1上的電流； (e)

12、 V2上的電流；(f) V3上的電流 第2章 三相相控整流電路 2828 2.1.5三相半波相控整流電路的特點 三相半波相控整流電路具有以下特點： (1) 晶閘管承受的最大電壓為電源線電壓峰值。 (2) 控制角的最大移相范圍為150。當(dāng)負(fù)載為大電感負(fù) 載時，控制角為90。 (3) 對于共陰極電路，只在電源電壓為正時才能觸發(fā)導(dǎo)通， 自然換相點在三相電壓正弦波正半周期的交點處；對于共陽 極電路，只在電源電壓為負(fù)時才能觸發(fā)導(dǎo)通，自然換相點在 三相電壓正弦波負(fù)半周期的交點處。 電流連續(xù)時, 整流輸出電壓的平均值為Ud=1.17U2f cos。 第2章 三相相控整流電路 2929 2.2三相全控橋式整流

13、電路 三相全控橋式整流電路是由一組共陰極接法的三相半波 可控整流電路和一組共陽極接法的三相半波可控整流電路串 聯(lián)而成，如圖2-7所示，因此整流輸出電壓的平均值Ud為 三相半波可控整流時的兩倍，在大電感負(fù)載時為 (2-16) 式中，U2L為變壓器次級線電壓有效值。 第2章 三相相控整流電路 3030 圖2-7三相全控橋式整流電路 第2章 三相相控整流電路 3131 2.2.1控制角=0時的整流過程 1. 電路整流過程 圖2-8所示是控制角=0時三相全控橋式整流電路中的 主要波形。為分析方便，把一個周期分為六段(即圖2-8(a)中 (1)(6)段)，每段相隔60。 第2章 三相相控整流電路 323

14、2 圖2-8三相全控橋式大電感負(fù)載=0時的波形 (a) 輸入電壓；(b) 晶閘管導(dǎo)通情況；(c) 觸發(fā)脈沖；(d) 輸出電壓 (e) 變壓器次級電流及電源線電流；(f) 晶閘管上的電壓 第2章 三相相控整流電路 3333 2. 整流波形分析 由以上分析可得出如下幾點： (1) 三相全控橋式整流電路在任何時刻必須保證有兩個不 同組的晶閘管同時導(dǎo)通才能構(gòu)成回路。 (2) 為了保證整流裝置啟動時共陰與共陽兩組各有一個晶 閘管導(dǎo)通，或由于電流斷續(xù)后能使關(guān)斷的晶閘管再次導(dǎo)通， 必須對兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對晶閘管同時加觸發(fā)脈沖。 (3) 整流輸出電壓ud由線電壓波頭uab、uac、ubc、uba、uca 和u

15、cb組成，其波形是上述線電壓的包絡(luò)線。 第2章 三相相控整流電路 3434 (4) 圖2-8(e)所示為流過變壓器次級和電源線電流的波形。 (5) 圖2-8(f)所示為晶閘管所承受的電壓波形。 可以看出，晶閘管所承受最大正、反向電壓均為線電壓 峰值，即 (2-17) 第2章 三相相控整流電路 3535 (6) 脈沖的移相范圍在大電感負(fù)載時為090。 (7) 流過晶閘管的電流與三相半波時相同，電流的平均值 和有效值分別為 (2-18) (2-19) 第2章 三相相控整流電路 3636 2.2.2控制角0時的整流過程 當(dāng)0時，每個晶閘管都不在自然換流點換流，而是 后移一個角開始換流，圖 2-9、

16、圖2-10、圖2-11所示分別為 =30、60、90時電路的電壓波形。 第2章 三相相控整流電路 3737 圖2-9三相全控橋式大電感負(fù)載=30時的電壓波形 (a) 輸入電壓；(b) 輸出電壓；(c) 晶閘管上的電壓 第2章 三相相控整流電路 3838 圖2-10三相全控橋式大電感負(fù)載=60時的電壓波形 (a) 輸入電壓；(b) 輸出電壓；(c) 晶閘管上的電壓 第2章 三相相控整流電路 3939 圖2-11三相全控橋式大電感負(fù)載=90時的電壓波形 (a) 輸入電壓；(b) 輸出電壓；(c) 晶閘管上的電壓 第2章 三相相控整流電路 4040 2.2.3MTS型三相全控橋模塊 與三相整流電路類

17、似，在實際實用中，通常采用三相全 控橋式電路的集成模塊，用MTS表示，字母的含義是： M：模塊； T：普通晶閘管； S：三相橋式電路。 第2章 三相相控整流電路 4141 圖2-12所示為某廠家生產(chǎn)的這種集成三相橋式模塊的外 形圖?？梢钥吹?，廠家將其內(nèi)部電路清楚地標(biāo)注在模塊的表 面，與我們討論的三相全控橋式整流電路完全相同，它有三 個交流輸入端子和兩個直流輸出端子，使用時依據(jù)廠家標(biāo)注 正確接入電源和負(fù)載。 第2章 三相相控整流電路 4242 圖2-12MTS模塊 第2章 三相相控整流電路 4343 第2章 三相相控整流電路 4444 2.3三相半控橋式整流電路 三相全控橋式整流電路的可控性高，

18、可以輸出正、反兩 個方向的直流電壓，但由于要控制六個晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷， 因此控制電路復(fù)雜，成本高，且移相范圍有限。在不需要輸 出正、反兩個方向直流電壓的應(yīng)用中，常采用三相半控橋式 整流電路，其電路形式如圖2-13所示。 第2章 三相相控整流電路 4545 圖2-13三相半控橋式整流電路 第2章 三相相控整流電路 4646 2.3.1控制角=30時的整流過程 由于電路中只有三只晶閘管，因此一個電源周期中控制 電路向主電路發(fā)3次觸發(fā)脈沖，其間隔為120，如圖2-14(a) 中t1、t3、t5時刻，分別給晶閘管V1、V3和V5發(fā)出觸發(fā)脈 沖。而圖中t2、t4、t6時刻則是共陽極二極管的自然換相 點

19、。 第2章 三相相控整流電路 4747 圖2-14三相半控橋大電感負(fù)載=30時的電壓波形 (a) 電源相電壓；(b) 輸出電壓 第2章 三相相控整流電路 4848 由圖2-14可以看出，負(fù)載電壓波形的周期為 負(fù)載電壓直流成分即輸出電壓的平均值Ud與的關(guān)系為 (2-20) 第2章 三相相控整流電路 4949 2.3.2控制角=90時的整流過程 三相半控橋大電感負(fù)載=90時的電壓波形如圖2-15 所示。 第2章 三相相控整流電路 5050 圖2-15三相半控橋大電感負(fù)載=90時的電壓波形 (a) 電源相電壓；(b) 輸出電壓 第2章 三相相控整流電路 5151 由圖2-15可得出60時負(fù)載電壓平均

20、值與的關(guān)系為 (2-21) 第2章 三相相控整流電路 5252 圖2-16帶續(xù)流二極管的三相半控橋式整流電路 第2章 三相相控整流電路 5353 2.4變壓器漏電抗對整流電路的影響 2.4.1換相期間的輸出電壓 以三相半波可控整流、大電感負(fù)載為例，分析漏抗對整 流電路的影響，等值電路如圖2-17(a)所示。 在換相(即換流)時，由于漏抗阻止電流變化，因此電流 不能突變，而要有一個變化過程。 第2章 三相相控整流電路 5454 圖2-17變壓器漏抗對可控整流電路電壓、電流波形的影響 (a) 電路；(b) 輸入電壓；(c) 輸出電壓 第2章 三相相控整流電路 5555 2.4.2可控整流電路的外特

21、性 可控整流電路對直流負(fù)載來說，是一個有內(nèi)阻的電壓可 調(diào)的直流電源。如果考慮換相壓降U、整流變壓器電阻RT(為 變壓器次級繞組每相電阻與初級繞組折算到次級的每相電阻 之和)及晶閘管壓降U后，直流輸出電壓為 (2-22) 第2章 三相相控整流電路 5656 圖2-18考慮變壓器漏抗時的可控整流電路外特性 第2章 三相相控整流電路 5757 2.5三相整流電路應(yīng)用實例分析 2.5.1三相半波可控整流電路組成的直流電源 1. KC04集成移相觸發(fā)器 KC系列集成觸發(fā)器品種多、功能全、可靠性高、調(diào)試方 便，應(yīng)用非常廣泛。下面介紹KC04集成移相觸發(fā)器。 第2章 三相相控整流電路 5858 圖2-19所

22、示是KC04集成觸發(fā)器的內(nèi)部電路組成， 它由同 步電路、鋸齒波形成電路、移相電路、脈沖形成電路和脈沖 輸出電路組成。 第2章 三相相控整流電路 5959 圖2-19KC04集成觸發(fā)器內(nèi)部電路組成 第2章 三相相控整流電路 6060 圖2-20KC04組成的移相式觸發(fā)電路及各管腳波形 (a) 觸發(fā)電路；(b) 同步電壓波形；(c) 4腳波形；(d) 9腳波形; (e) 12腳波形；(f) 13腳波形；(g) 1腳波形；(h) 15腳波形 第2章 三相相控整流電路 6161 2. 同步電壓的獲取 三相半波可控制整流的完整電路如圖2-21所示，該電路 由三個晶閘管構(gòu)成，輸出接電阻性負(fù)載，這種電路的移

23、相范 圍要求為0150?？蛇x用三塊KC04作為其觸發(fā)器，只要 接入正確的同步電壓即可保證電路正常工作。 第2章 三相相控整流電路 6262 圖2-21三相半波可控制直流電源 第2章 三相相控整流電路 6363 以a相晶閘管V1為例，當(dāng)=0時，觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā) 脈沖應(yīng)對準(zhǔn)a相電壓的自然換流點，即對準(zhǔn)相電壓ua的30時 刻。而觸發(fā)脈沖正好就在鋸齒波的充電過程中，即上升的直 線段產(chǎn)生，所以，鋸齒波的起點正好是相電壓ua增大過零點 處，如圖2-22所示。 第2章 三相相控整流電路 6464 圖2-22主電壓與同步電壓的相位關(guān)系 第2章 三相相控整流電路 6565 圖2-23相量圖及同步變壓器接線圖

24、(a) 整流變壓器T /Y-1相量圖；(b) 同步變壓器TB /Y-5相量圖； (c) 同步變壓器TB /Y-5接線圖 第2章 三相相控整流電路 6666 2.5.2三相全控橋式整流電路組成的直流電源 1. 六路雙脈沖觸發(fā)器KC41C 三相全控橋式整流電路對觸發(fā)脈沖的要求： (1) 一個周期內(nèi)共需6路輸出脈沖。 (2) 共陰極組A、B、C相觸發(fā)脈沖在電源的正半周期產(chǎn)生， 相位互差120。為了保證晶閘管可靠觸發(fā)，脈沖可以用寬脈 或同一相脈沖在相隔60時，再補(bǔ)發(fā)一個脈沖，稱為雙 窄脈沖。 (3) 共陽極組觸發(fā)脈沖在電源的負(fù)半周期產(chǎn)生，其要求與 共陽極組相同，多采用雙窄脈沖。 第2章 三相相控整流電路 6767 (4) 接在同一相的兩個晶閘管的觸發(fā)脈沖相差180。 (5) 在同一相電源中，需要4個脈沖，其中兩個在正半周 期產(chǎn)生，相位互差60；另兩個相位相