《主可控整流電路》課件

主可控整流電路概述電力電子技術(shù)核心組成部分實(shí)現(xiàn)交流電轉(zhuǎn)換為可控直流電課程目標(biāo)和學(xué)習(xí)重點(diǎn)1掌握整流電路基本原理理解各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作機(jī)理2熟悉波形分析方法能夠分析電壓電流特性3掌握參數(shù)計(jì)算能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)整流電路了解實(shí)際應(yīng)用可控整流電路的基本概念定義利用晶閘管等器件控制導(dǎo)通時間將交流電能轉(zhuǎn)換為可調(diào)節(jié)直流電能核心器件晶閘管(SCR)可關(guān)斷晶閘管(GTO)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)控制參數(shù)觸發(fā)角α導(dǎo)通角γ滅弧角β整流電路的分類1按相數(shù)單相、三相2按控制方式全控、半控、不可控3按電路結(jié)構(gòu)半波、全波、橋式4按負(fù)載特性阻性、感性、感性-電動勢單相可控整流電路1半波可控整流電路結(jié)構(gòu)簡單，控制單一2全波可控整流電路效率較高，波形質(zhì)量提升3橋式全控整流電路功率大，電壓利用率高4橋式半控整流電路成本低，控制簡便單相半波可控整流電路原理交流輸入單相交流電源提供能量晶閘管控制通過α角控制導(dǎo)通時刻負(fù)載電路將控制后的能量傳遞給負(fù)載單相半波可控整流電路波形分析1α=0°時相當(dāng)于不可控整流輸出電壓最大20°<α<90°時延遲導(dǎo)通輸出電壓降低3α=90°時輸出電壓為額定值一半490°<α<180°時輸出電壓進(jìn)一步降低單相半波可控整流電路參數(shù)計(jì)算平均輸出電壓Ud=(Um/π)(1+cosα)有效輸出電壓Uef=Um√[(π-α+sin2α/2)/2π]直流電流Id=Ud/R功率因數(shù)PF=cosα/2單相全波可控整流電路原理中心抽頭變壓器提供兩路反相交流電雙晶閘管控制兩只晶閘管輪流導(dǎo)通全波整流每個周期利用兩個半波輸出控制調(diào)節(jié)觸發(fā)角改變輸出單相全波可控整流電路波形分析輸入電壓波形兩路互差180°的正弦波晶閘管電壓波形體現(xiàn)兩管輪流工作過程負(fù)載電流波形比半波更加連續(xù)輸出電壓波形脈動系數(shù)較半波小單相全波可控整流電路參數(shù)計(jì)算2Um/π最大平均輸出電壓α=0°時2Um/π·cosα平均輸出電壓α>0°時0.5最小脈動系數(shù)遠(yuǎn)小于半波整流0.707最大功率因數(shù)α=0°時單相橋式全控整流電路原理電路結(jié)構(gòu)四個晶閘管組成橋路不需要中心抽頭變壓器電源電壓利用率高工作原理VS1、VS4與VS2、VS3分別組成導(dǎo)通通路兩對晶閘管交替導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)全波整流輸出控制方式同時控制四個晶閘管觸發(fā)角同步觸發(fā)VS1、VS4和VS2、VS3輸出電壓正負(fù)極性保持不變單相橋式全控整流電路波形分析輸入電壓輸出電壓單相橋式全控整流電路參數(shù)計(jì)算單相半控橋式整流電路原理電路結(jié)構(gòu)兩個晶閘管與兩個二極管組成橋路導(dǎo)通過程VS1、VD4和VS2、VD3輪流導(dǎo)通特點(diǎn)成本低，控制簡單，不能實(shí)現(xiàn)逆變單相半控橋式整流電路波形分析電壓波形特點(diǎn)α=0°時相當(dāng)于不可控整流α>0°時波形不對稱與全控橋比較平均輸出電壓為全控橋的一半無法實(shí)現(xiàn)逆變工作模式導(dǎo)通范圍α~(π+α)內(nèi)晶閘管和二極管導(dǎo)通波形呈現(xiàn)非對稱特性單相半控橋式整流電路參數(shù)計(jì)算半控橋全控橋三相可控整流電路概述工業(yè)優(yōu)勢大功率應(yīng)用首選輸出直流質(zhì)量高常見拓?fù)淙喟氩娐啡鄻蚴饺仉娐啡喟肟貥螂娐沸阅芴攸c(diǎn)輸出脈動小功率因數(shù)高效率高三相半波可控整流電路原理三相輸入三相電源作為輸入，相位差120°三個晶閘管每相一個晶閘管控制星形連接負(fù)載連接于晶閘管陽極和中性點(diǎn)工作原理三只晶閘管輪流導(dǎo)通進(jìn)行整流三相半波可控整流電路波形分析相電壓關(guān)系三相電壓依次移相120°導(dǎo)通規(guī)律電壓最高的相導(dǎo)通每只晶閘管導(dǎo)通120°重疊現(xiàn)象當(dāng)α>30°時出現(xiàn)換相重疊現(xiàn)象波形特點(diǎn)輸出波形每60°重復(fù)一次脈動頻率為輸入頻率的3倍三相半波可控整流電路參數(shù)計(jì)算平均輸出電壓Ud=3Um/2π·cosα最大平均輸出電壓Udo=3Um/2π相電流有效值I=Id/√3波形因數(shù)Kf=1.045脈動系數(shù)Kp=0.25三相橋式全控整流電路原理六脈波橋式結(jié)構(gòu)上下橋臂各三只晶閘管接線方式上橋臂連接負(fù)載正極下橋臂連接負(fù)載負(fù)極控制方式六只晶閘管依序觸發(fā)每只導(dǎo)通120°三相橋式全控整流電路波形分析1導(dǎo)通順序VS1-VS6-VS2-VS4-VS3-VS5循環(huán)導(dǎo)通2換相間隔相鄰兩只晶閘管換相間隔60°3電壓波形輸出電壓為兩線電壓的包絡(luò)線4脈動特性脈動頻率為輸入頻率的6倍波形質(zhì)量顯著優(yōu)于三相半波三相橋式全控整流電路參數(shù)計(jì)算3√3Um/π最大平均輸出電壓α=0°時3√3Um/π·cosα平均輸出電壓α>0°時0.057脈動系數(shù)遠(yuǎn)小于其他整流方式0.955最大功率因數(shù)當(dāng)α=0°時三相半控橋式整流電路原理電路結(jié)構(gòu)上橋臂三只晶閘管下橋臂三只二極管工作原理上橋臂控制導(dǎo)通時刻下橋臂自然整流特點(diǎn)優(yōu)勢成本低于全控橋控制簡單不能逆變工作三相半控橋式整流電路波形分析三相半控橋式整流電路參數(shù)計(jì)算輸出電壓電壓利用率脈動系數(shù)電流應(yīng)力功率因數(shù)變壓器漏感對整流電路的影響換相重疊角漏感導(dǎo)致?lián)Q相不瞬時完成形成換相重疊角μμ隨負(fù)載電流增大而增大對輸出電壓的影響輸出電壓降低ΔUd=3ωLsId/π實(shí)際電壓低于理論值對諧波的影響諧波含量減少波形變得更平滑但電壓利用率下降電容濾波的不可控整流電路整流單元將交流轉(zhuǎn)換為脈動直流1濾波電容儲能并平滑輸出電壓負(fù)載電路消耗平滑后的直流電能波形改善顯著降低輸出電壓脈動整流電路的諧波和功率因數(shù)諧波成分基波、特征諧波和非特征諧波功率因數(shù)觸發(fā)角α增大導(dǎo)致功率因數(shù)降低諧波抑制濾波器、多脈波整流、有源濾波技術(shù)大功率可控整流電路設(shè)計(jì)考慮熱管理散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度監(jiān)測與保護(hù)變壓器設(shè)計(jì)容量裕度阻抗匹配保護(hù)措施過流、過壓保護(hù)浪涌抑制設(shè)計(jì)并聯(lián)技術(shù)多模塊并聯(lián)電流均分設(shè)計(jì)整流電路的有源逆變工作狀態(tài)逆變條件α>90°時負(fù)載具有電動勢能量從直流側(cè)流向交流側(cè)波形特點(diǎn)輸出電壓為負(fù)值電流方向不變功率方向改變應(yīng)用場景電機(jī)制動能量回饋系統(tǒng)多向功率流控制相控電路的驅(qū)動控制原理同步單元檢測交流電零點(diǎn)延時電路產(chǎn)生可控延時脈沖發(fā)生器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖隔離放大將控制信號隔離放大后驅(qū)動晶閘管觸發(fā)延遲角和導(dǎo)通角的概念1觸發(fā)延遲角α電壓過零后到觸發(fā)時刻的電角度2導(dǎo)通角γ晶閘管實(shí)際導(dǎo)通的電角度3關(guān)系單相半波：γ=π-α三相：γ=2π/3-α+μ觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生和控制方法相移觸發(fā)法通過移相電路改變觸發(fā)角數(shù)字控制法通過計(jì)數(shù)器精確控制延時角斜坡比較法斜坡波與控制電壓比較產(chǎn)生觸發(fā)點(diǎn)微處理器控制軟件算法精確生成觸發(fā)序列可控整流電路的控制特性單相半波單相全橋三相全橋可控整流電路的動態(tài)特性階躍響應(yīng)控制角突變時的輸出變化過程延遲特性控制信號變化到輸出響應(yīng)的時間滯后過渡過程負(fù)載變化時的電壓電流穩(wěn)定過程4穩(wěn)定性分析系統(tǒng)在擾動下保持穩(wěn)定運(yùn)行的能力可控整流電路的保護(hù)措施過壓保護(hù)RC緩沖電路壓敏電阻保護(hù)過流保護(hù)快速熔斷器電子式限流過熱保護(hù)溫度監(jiān)測熱繼電器切斷觸發(fā)保護(hù)觸發(fā)脈沖監(jiān)測門極斷路檢測續(xù)流二極管的作用和應(yīng)用基本作用為感性負(fù)載提供電流通路防止負(fù)載斷路時過電壓電路位置并聯(lián)在感性負(fù)載兩端方向與主電流相反選型要點(diǎn)電壓等級≥電源電壓電流容量≥負(fù)載電流速度適應(yīng)工作頻率可控整流電路的應(yīng)用領(lǐng)域電力傳輸高壓直流輸電工業(yè)驅(qū)動電機(jī)調(diào)速、電解、電鍍交通運(yùn)輸電力機(jī)車、電動汽車電子設(shè)備電源適配器、UPS、充電器直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用整流控制可控整流器調(diào)節(jié)電樞電壓電機(jī)驅(qū)動通過改變電壓實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)反饋控制速度傳感器提供反饋信號制動回饋通過逆變模式實(shí)現(xiàn)能量回收不間斷電源系統(tǒng)中的應(yīng)用整流充電器三相橋式全控整流器對蓄電池進(jìn)行浮充或均充輸出電壓控制在合適范圍逆變器將直流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定交流為關(guān)鍵負(fù)載提供電源旁路系統(tǒng)當(dāng)整流或逆變故障時提供備用交流電源通路電鍍電源中的應(yīng)用高精度直流提供低紋波高穩(wěn)定性直流電可調(diào)電流通過整流控制實(shí)現(xiàn)精確電流調(diào)節(jié)脈沖調(diào)制改善鍍層質(zhì)量和均勻性恒流控制克服電解槽阻抗變化影響電力系統(tǒng)中的高壓直流輸電應(yīng)用換流站大型晶閘管整流器組成直流輸電線路長距離、大容量、低損耗控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率流向和電壓控制可控整流電路的仿真技術(shù)模型建立元器件模型與參數(shù)定義仿真類型瞬態(tài)分析、頻域分析2結(jié)果分析波形觀察、參數(shù)測量優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)掃描、性能優(yōu)化MATLAB/Simulink仿真實(shí)例模塊化建模使用SimPowerSystems庫搭建模型控制算法編寫觸發(fā)控制和測量代碼數(shù)據(jù)處理仿真數(shù)據(jù)收集與分析硬件接口可實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)仿真PSpice仿真實(shí)例可控整流電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4個基本實(shí)驗(yàn)類型基礎(chǔ)特性、動態(tài)特性、保護(hù)特性、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)2種實(shí)驗(yàn)方法實(shí)物電路法、半實(shí)物仿真法5種主要測量參數(shù)電壓波形、電流波形、觸發(fā)信號、溫度、效率3方面安全注意事項(xiàng)電氣安全、熱管理、緊急處理單相可控整流電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備連接電路，設(shè)置測量儀器參數(shù)測量測量不同觸發(fā)角下的電壓電流波形數(shù)據(jù)計(jì)算計(jì)算平均值、有效值、功率因數(shù)等結(jié)果分析繪制特性曲線，對比理論值三相可控整流電路實(shí)驗(yàn)電路連接三相電源與整流器連接負(fù)載電路設(shè)置控制系統(tǒng)調(diào)試觸發(fā)脈沖序列驗(yàn)證同步系統(tǒng)檢查靜態(tài)特性測量不同α下測量Ud-Id特性動態(tài)特性測量負(fù)載突變響應(yīng)α變化響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理方法理論值實(shí)測值誤差率可控整流電路的故障診斷1常見故障類型開路、短路、誤觸發(fā)、參數(shù)偏移2測量與觀察測量關(guān)鍵點(diǎn)電壓電流波形3故障樹分析從癥狀逐步推斷故障節(jié)點(diǎn)4維修與驗(yàn)證更換可疑元件，驗(yàn)證修復(fù)效果常見問題和解決方案晶閘管不導(dǎo)通檢查觸發(fā)脈沖、門極電路晶閘管不關(guān)斷檢查續(xù)流電路、RC緩沖網(wǎng)絡(luò)輸出電壓波動檢查觸發(fā)同步、濾波電路諧波過大增加濾波裝置、使用多脈波整流過熱改善散熱、降低負(fù)載、檢查風(fēng)扇可控整流技術(shù)的發(fā)展趨勢傳統(tǒng)整流晶閘管為主現(xiàn)代技術(shù)IGBT/MOSFET應(yīng)用未來發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體器件智能化方向數(shù)字控制與智能診斷新型功率半導(dǎo)體器件在整流電路中的應(yīng)用SiC器件高溫、高壓、低損耗GaN器件高頻、高效率、小體積IGBT模塊驅(qū)動簡單、應(yīng)用廣泛數(shù)字控制技術(shù)在整流電路中的應(yīng)用DSP控制高性能數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法FPGA實(shí)現(xiàn)可編程邏輯實(shí)現(xiàn)高速并行觸發(fā)控制網(wǎng)絡(luò)化控制遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)先進(jìn)算法自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、智能優(yōu)化智能化和模塊化整流裝置模塊化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)功率模塊即插即用、維護(hù)方便系統(tǒng)擴(kuò)展性好智能診斷自診斷功能故障預(yù)測壽命評估通信接口工業(yè)總線支持云平臺連接遠(yuǎn)程管理可控整流電路的節(jié)能技術(shù)1高效器件低導(dǎo)通損耗、低開關(guān)損耗2優(yōu)化控制智能觸發(fā)控制、最佳導(dǎo)通方式諧波治理源端、負(fù)載端雙重濾波4能量回收