大功率可控整流电路.ppt

3.6 大功率可控整流电路太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：适用于低电压、大电流的场合多重化整流电路的特点：在采用相同器件时可达到更大的功率 可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术3.6.1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路电解电镀等工业中应用低电压大电流（例如几十伏，几千至几万安）可调直流电源带平衡电抗器的双反星形可控整流电路太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术电路结构的特点变压器二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路。变压器二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。设置电感量为Lp的平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。与三相桥式电路相比，在采用相同晶闸管的条件下，双反星形电路的输出电流可大一倍。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 绕组的极性相反的目的：消除直流磁通势 如何实现？如图可知，虽然两组相电流的瞬时值不同，但是平均电流相等而绕组的极性相反，所以直流安匝互相抵消。双反星形电路，=0时两组整流电压、电流波形太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 接平衡电抗器的原因：两个直流电源并联时，只有当电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流。双反星形电路中，两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等。两个星形的中点n1和n2间的电压等于ud1和ud2之差。该电压加在Lp上，产生电流ip，它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流。考虑到ip后，每组三相半波承担的电流分别为Id/2 ip。为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp值足够大，以便限制环流在负载额定电流的1%2%以内。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 双反星形电路中如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路：只能有一个晶闸管导电，其余五管均阻断，每管最大导通角为60o，平均电流为Id/6。当=0o 时，Ud为1.35U2，比三相半波时的1.17U2略大些。六相半波整流电路因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，极少采用。双反星形电路与六相半波电路的区别有无平衡电抗器。平衡电抗器的作用：使得两组三相半波整流电路同时导电。对平衡电抗器作用的理解是掌握双反星形电路原理的关键。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术由于平衡电抗器的作用使得两组三相半波整流电路同时导电的原理分析：平衡电抗器Lp承担了n1、n2间的电位差，它补偿了 ub和 ua的电动势差，使得 ub和 ua两相的晶闸管能同时导电。时，ubua，VT6导通，此电流在流经LP时，LP上要感应一电动势 up，其方向是要阻止电流增大。可导出Lp两端电压、整流输出电压的数学表达式如下：平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术原理分析(续)：虽然，但由于Lp的平衡作用，使得晶闸管VT6和VT1同时导通。时间推迟至 ub与 ua的交点时，ub=ua。之后 ub ub，电流才从VT6换至VT2。此时变成VT1、VT2同时导电。每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导电。平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术由上述分析可得：平衡电抗器中点作为整流电压输出的负端，其输出的整流电压瞬时值为两组三相半波整流电压瞬时值的平均值，见下式，波形如图a中红色粗线所示。平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术=30、=60 和=90 时输出电压的波形分析需要分析各种控制角时的输出波形时，可先求出两组三相半波电路的ud1和ud2波形，然后根据式（2-98）做出波形(ud1+ud2)/2。双反星形电路的输出电压波形与三相半波电路比较，脉动程度减小了，脉动频率加大一倍，f=300Hz。电感负载情况下，移相范围是90。如果是电阻负载，移相范围为120。当=30、60、90时，双反星形电路的输出电压波形太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为:Ud=1.17 U2 cos 将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下结论：（1）三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相半波并联，且后者需用平衡电抗器。（2）当U2相等时，双反星形的Ud是三相桥的1/2，而Id是单相桥的2倍。（3）两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，ud和id的波形形状一样。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术3.6.2 多重化整流电路整流装置功率进一步加大时，所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用多重化整流电路。1.移相多重联结并联多重联结的12脉波整流电路有并联多重联结和串联多重联结，对于交流输入电流来说，二者效果相同。不仅可减少输入电流谐波，也可减小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流，其原理与双反星形电路中是一样的。2个三相桥并联而成的12脉波整流电路。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 移相30构成的串联2重联结电路利用变压器二次绕组接法的不同，使两组三相交流电源间相位错开30，从而使输出整流电压ud在每个交流电源周期中脉动12次，故该电路为12脉波整流电路。整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差30、大小相等的两组电压，接到相互串联的2 组整流桥。移相30 串联2重联结电路移相30 串联2重联结电路电流波形太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 iA基波幅值Im1和n次谐波幅值Imn分别如下：即输入电流谐波次数为12k1，其幅值与次数成反比而降低。该电路的其他特性如下：直流输出电压 位移因数cosj1=cos（单桥时相同）功率因数=n cosj1=0.9886cos太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开20，可将三组桥构成串联3重联结电路：整流变压器采用星形三角形组合无法移相20，需采用曲折接法。整流电压ud在每个电源周期内脉动18次，故此电路为18脉波整流电路。交流侧输入电流谐波更少，为18k1次（k=1,2,3），ud的脉动也更小。输入位移因数和功率因数分别为：cosj1=cos=0.9949cos太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联4重联结电路 为24脉波整流电路 其交流侧输入电流谐波次为24k1，k=1，2，3。输入位移因数功率因数分别为：cosj1=cos=0.9971cos 采用多重联结的方法并不能提高位移因数，但可使输入电流谐波大幅减小，从而也可以在一定程度上提高功率因数。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术2.多重联结电路的顺序控制只对多重整流桥中一个桥的角进行控制，其余各桥的工作状态则根据需要输出的整流电压而定。或者不工作而使该桥输出直流电压为零。或者=0而使该桥输出电压最大。根据所需总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥进行控制，因而被称为顺序控制。并不能降低输入电流谐波。但是各组桥中只有一组在进行相位控制，其余各组或不工作，或位移因数为1，因此总功率因数得以提高。我国电气机车的整流器大多为这种方式。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 3重晶闸管整流桥顺序控制当需要的输出电压达到三分之一最高电压时，第I 组桥的 角为0。需要输出电压为三分之二最高电压以上时，第I、II 组桥的 角固定为0，仅对第III 组桥的 角进行控制。需要输出电压为三分之一到三分之二最高电压时，第I 组桥的 角固定为0，第III 组桥的VT33和VT34维持导通，使其输出电压为零，仅对第II 组桥的 角进行控制。当需要的输出电压低于三分之一最高电压时，只对第I 组桥的 角进行控制，连续触发VT23、VT24、VT33、VT34使其导通，这样第II、III 组桥的输出电压就为零。单相串联3重联结电路及顺序控制时的波形从电流i 的波形可以看出，虽然波形并未改善，但其基波分量比电压的滞后少，因而位移因数高，从而提高了总的功率因数。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术3.7.1 逆变的概念1.什么是逆变？为什么要逆变？逆变（invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。实例：1.电力机车下坡行驶，往往使直流电动机工作在发电制动状态，从而将机车的位能转变为电能反送到交流电网中去，这样既产生了制动转矩，又充分利用了位能。2.电机快速正反转的调速过程中，首先要使电机迅速制动，然后再反向加速。制动时可使电机做发电机运行，将电机的动能变为直流电能，然后逆变为交流送回电网。3.高压直流输电时。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术逆变电路把直流电逆变成交流电的电路有源逆变电路交流侧和电网连结 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，将在第5章介绍对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术2.直流发电机电动机系统电能的流转直流发电机电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG EMb）两电动势同极性EMEG c）两电动势反极性，形成短路图c 两 电 动 势 顺 向 串 联，向 电 阻R 供 电，G 和M 均 输出 功 率，由 于R 一 般 都 很 小，实 际 上 形 成 短 路，在 工 作中必须严防这类事故发生。图b 回 馈 制 动 状 态，M 作 发 电 运 转，此 时，EMEG，电 流 反 向，从M 流 向G。故M 输 出 电 功 率，G 则 吸 收 电 功率，M 轴上输入的机械能转变为电能反送给G。图aM 电 动 运 转，EGEM，电 流Id从G 流 向M，M 吸 收电功率。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术3.逆变产生的条件 单相全波电路代替上述发电机图a M电动 运 行，全 波 电 路 工 作 在整流状态，在0/2 间，Ud为正值，并且Ud EM，才能输出Id。交流电网输出电功率电动机输入电功率电动机输出电功率交流电网输入电功率图bM回馈制动，由 于 晶 闸 管 的 单 向 导 电 性，Id方向不变，欲改 变 电 能 的 输 送 方 向，只 能改变EM极性。为 了 防 止 两 电 动 势 顺 向串 联，Ud极性也必须反 过 来，即Ud应 为 负 值，且|EM|Ud|，才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。Ud可通过改变 来进行调节，逆变状态时Ud为负值，逆变时在/2 间太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有二：（1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。（2）晶闸管的控制角/2，使Ud为负值。半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术逆变和整流的区别：控制角不同0 p/2时，电路工作在整流状态。p/2 p/2时的控制角用p-=b表示，b 称为逆变角。逆变角b和控制角的计量方向相反，其大小自b=0的起始点向左方计量。3.7.2 三相桥整流电路的有源逆变工作状态太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术两组变流器的反并联可逆线路三相半波有环流接线 三相全控桥的无环流接线第2 象限：正转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态，bN p/2），EMUd b(下标中有b 表示逆变，N 表示反组）第1 象限：正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，p p/2，EMUda(下标中有 表示整流，p 表示正组）第3 象限：反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，N p/2，EMUda。第4 象限：反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态，b P p/2），EMUd b。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图所示。三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术有源逆变状态时各电量的计算：输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即 直流电流有效值为：In为第n次谐波电流有效值，Id为基波有效值。每个晶闸管导通2p/3，同一组的三个晶闸管共同负担直流平均电流，故每个晶闸管的电流平均值为：流过晶闸管的电流有效值为（忽略直流电流id的脉动）变压器次级电流为宽度2/3的正、负矩形波，所以其平均值为零，即无直流分量。有效值为：太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术从交流电源送到直流侧负载的有功功率为 Pd=R Id2+EMId当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。逆变电路的功率因数：交流侧的视在功率为：所以，功率因数为：因为Pd0，所以cos0，表示电路处于逆变状态。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术例：已知三相桥式逆变装置：假设直流电流连续，忽略纹波中的其他谐波，而只计六次谐波，六次谐波电压有效值为0.17U2l。试计算直流电流平均值Id；有效值I；晶闸管电流平均值IdT；有效值IVT；逆变装置的功率因数。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术解：（1）直流电流直流平均电流为：六次谐波电流有效值为：直流电流有效值为：太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术（2）晶闸管电流平均值：有效值：（3）直流侧有功功率交流侧视在功率：太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术3.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败（逆变颠覆）逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。1.逆变失败的原因（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。（3）交流电源缺相或突然消失。（4）换相的裕量角不足，引起换相失败。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术换相重叠角的影响：交流侧电抗对逆变换相过程的影响如果b g 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术2.确定最小逆变角bmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角b 应等于d 晶闸管的关断时间tq折合的电角度tq大的可达200300ms，折算到电角度约45。g 换相重叠角随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。q安全裕量角主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。值约取为10。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 g 换相重叠角的确定：1)查阅有关手册举例如下：2)参照整流时g 的计算方法根据逆变工作时，并设，上式可改写成 这样，bmin一般取3035。15 20 5%240kV。A800A 220Vg短路电压比Uk%变压器容量 整流电流 整流电压太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术3.8 相控电路的驱动控制3.8.1 同步信号为锯齿波的触发电路3.8.2 集成触发器太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术相控电路：晶闸管可控整流电路，通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。采用晶闸管相控方式时的交流电力变换电路和交交变频电路（第4章）。相控电路的驱动控制 为 保 证 相 控 电 路 的 正 常 工 作，很 重 要 的 一 点 是 应 保证 按 触 发 角 的 大 小 在 正 确 的 时 刻 向 电 路 中 的 晶 闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术本节主要内容 在第1章已简单介绍了触发电路应满足的要求、晶闸管触发脉冲的放大等内容，较为孤立。本节主要介绍触发脉冲与晶闸管所处电路相结合。大、中功率的变流器对触发电路的精度要求较高，对输出的触发功率要求较大，故广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术3.8.1 同步信号为锯齿波的触发电路 输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。三个基本环节：锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节，脉冲的形成与放大环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。同步信号为锯齿波的触发电路太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术1.锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 工作原理：V2截止时，恒流源电流I1c对电容C2充电，调节RP2，即改变C2的恒定充电电流I1c，可见RP2是用来调节锯齿波斜率的。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。V2导通时，因R4很小故C2迅速放电，ub3电位迅速降到零伏附近V2周期性地通断，ub3便形成一锯齿波，同样ue3也是一个锯齿波。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术2.同步环节 同步要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关V2管来控制的。V2开关的频率就是锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于充电时间常数R1C1。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术同步电压太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术3脉冲形成环节同步信号为锯齿波的触发电路V4、V5脉冲形成V7、V8脉冲放大控制电压uco加在V4基极上。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 uco对脉冲的控制作用及脉冲形成：时，V4导通，A 点电位由+E1(+15V)1.0V 左右，V5基极电位 约-2E1(-30V)，V5立即截止。V5集电极电压由-E1(-15V)到+2.1V，V7、V8导通，输出触发脉冲。电容C3放电和反向充电，使V5基极电位，直到ub5-E1(-15V)，V5又重新导通。使V7、V8截止，输出脉冲终止。uco=0 时，V4截止。V5饱和导通。V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。电容C3充电，充满后电容两端电压接近2E1(30V)。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者作用的叠加所定。如果uco=0，up为负值时，b4点的波形由uh+up 确定当uco为正值时，b4点的波形由uh+up+uco 确定。M点是V4由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿。加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP 二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。输出太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术4.双窄脉冲形成环节内双脉冲电路 V5、V6构成“或”门 当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角 产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过V6）。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术三相桥式全控整流电路双脉冲触发示意图太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术3.8.2 集成触发器v可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。v晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路目前国内常用的有KJ系列和KC系列，下面以KJ系列为例。KJ004与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术完整的三相全控桥触发电路 3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。三相全控桥整流电路的集成触发电路太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术模拟与数字触发电路以上触发电路为模拟的，优点：结构简单、可靠；缺点：易受电网电压影响，触发脉冲不对称度较高，可达34，精度低。数字触发电路：脉冲对称度很好，如基于8位单片机的数字触发器精度可达0.71.5。太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术单片机同步移相控制80C196单片机移相控制a）原理性硬件图 b）波形图太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结。同步变压器和整流变压器的接法及矢量图太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术晶闸管 VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ua-uc+ub-ua+uc-ub同步电压-usa+usc-usb+usa-usc+usb三相全控桥各晶闸管的同步电压（采用前图变压器接法时）太原工业学院自动化系2023/5/25电力电子技术 为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波器滞后角为60时，同步电压选取结果如表所示。三相桥各晶闸管的同步电压（有R-C 滤波滞后60）晶闸管 VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ua-uc+ub-ua+uc-ub同步电压+usb-usa+usc-usb+usa-usc