【2019年整理】相控整流電路(20210130000632)

1、PWM整流 電路工作原 理，分析和 相控整流電 路的原理和 性能不同之 處 相控整流電路-正文 編輯本段回目錄 采用相位控制方式以實(shí)現(xiàn)負(fù)載端直流電能控制的可控整流電路?？煽厥且?yàn)檎髟?用具有控制功能的 晶閘管。在這種電路中，只要適當(dāng)控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通瞬間的相位角，就 能夠控制直流負(fù)載電壓的平均值。故稱為相控。 分類相控整流電路分為單相、三相、多相整流電路3種。 單相整流電路圖1a為單相半波可控整流電路。 匡圖中ug為晶閘管的觸發(fā)脈沖， 其 工作過程如下：當(dāng) 比負(fù)半周時(shí)，晶閘管不導(dǎo)通。在 匕正半周時(shí)，不加觸發(fā)脈沖之前，晶閘 管也不導(dǎo)通，只有加觸發(fā)脈沖之后，晶閘管才導(dǎo)通，這時(shí)負(fù)載Rd上流過電

2、流。在電流為零 時(shí)刻，晶閘管自動(dòng)關(guān)斷，為下一次觸發(fā)導(dǎo)通作好準(zhǔn)備，如此循環(huán)往復(fù)，負(fù)載上得到脈動(dòng)的直 流電壓Ud。晶閘管從開始承受正向電壓起到開始導(dǎo)通這一角度稱為控制角，以a表示。這樣， 只要改變控制角a的大小，即改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，就改變了直流輸出電壓的平均值。 觸發(fā)脈沖總是在電源周期的同一特定時(shí)刻加到晶閘管的控制極上，所以，觸發(fā)脈沖和電源電 壓在頻率和相位上要配合好，這種協(xié)調(diào)配合的關(guān)系稱為同步。圖1b為單相橋式可控整流電 路。它與單相半波可控整流電路相比，其變壓器利用系數(shù)較高，直流側(cè)脈動(dòng)的基波頻率為交 流基波的二倍，故為小功率場(chǎng)合常用的整流電路之一。這里，脈波數(shù) P的概念很重要。所 謂脈波

3、數(shù)就是在交流電源的一個(gè)周期之內(nèi)直流側(cè)輸出波形的重復(fù)次數(shù)。通常脈波數(shù)越多，直 流側(cè)輸出越平滑，交流側(cè)電流越接近正弦波。 為了增加脈波數(shù)，可以增加交流側(cè)相數(shù)，但是， 一般相數(shù)增加越多，各相的通電時(shí)間變得越短，這樣會(huì)使整流元件與整流變壓器副邊繞組的 利用率變壞，使裝置體積變大，成本提高。圖1c為單相橋式半控整流電路，由于可控的晶 閘管與不控的二極管混合組成 ，故稱半控。F稱續(xù)流二極管，若直流電壓變?yōu)樨?fù)值，它成為 直流側(cè)環(huán)流的路徑，維持輸出電壓為零。 單相整流電路比較簡(jiǎn)單，對(duì)觸發(fā)電路的要求較低，相位同步問題很簡(jiǎn)單，調(diào)整也比較容 易。但它的輸出直流電壓的紋波系數(shù)較大。由于它接在電網(wǎng)的一相上， 易造成電網(wǎng)

4、負(fù)載不平 衡,所以一般只用于4kW以下的中小容量的設(shè)備上。如果負(fù)載較大，一般都用三相電路。 三相整流電路當(dāng)整流容量較大，要求直流電壓脈動(dòng)較小，對(duì)快速性有特殊要求的場(chǎng) 合，應(yīng)考慮采用三相可控整流電路。這是因?yàn)槿嗾餮b置三相是平衡的，輸出的直流電壓 和電流脈動(dòng)小，對(duì)電網(wǎng)影響小，且控制滯后時(shí)間短?？飯D2為三相橋式全控整流電路及其 W 3 * f 輸出電壓波形。在理想情況下, 晶閘管導(dǎo)通，一個(gè)是共陽(yáng)極組的 們同時(shí)導(dǎo)通才能形成導(dǎo)電回路。 電路在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè) ,另一個(gè)是共陰級(jí)組的，只有它 、T2、T3、T4、T5、T6 的觸發(fā) 脈沖互差60 。因此，電路每隔 次序?yàn)?t3宀4宀56,每個(gè)晶閘管導(dǎo)

5、通 120。在整流電 路合閘后，共陰極和共陽(yáng)級(jí)組各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通。因此,每個(gè) 60有一個(gè)晶閘管換流， 導(dǎo)通 觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于 60、小于120 ,或用兩個(gè)窄脈沖等效地代替大于60的寬脈沖， 即在向某一個(gè)晶閘管送出觸發(fā)脈沖的同時(shí)，向前一個(gè)元件補(bǔ)送一個(gè)脈沖，稱雙脈沖觸發(fā)。整流 輸出電壓波形如圖2所示。當(dāng)Tl、T6導(dǎo)通時(shí)，Ud= Uab ；Tl、T2導(dǎo)通時(shí)，Ud=Uac；同理，依次為 Ubc, Uba , Uca, Ucb，均為線電壓的一部分，脈動(dòng)頻率為300Hz，晶閘管Tl上的電壓UT1波形分為 三段，在Tl導(dǎo)電的120中，UT1= 0 （僅管壓降）；當(dāng) T3導(dǎo)通，Tl受反向電壓關(guān)斷，UT1

6、= Uab； T5導(dǎo)通時(shí)，T3關(guān)斷，UT1= Uac。因此晶閘承受的最大正、反向電壓為線電壓的峰值。 采用三相全控橋式整流電路時(shí)，輸出電壓交變分量的最低頻率是電網(wǎng)頻率的6倍，交流 分量與直流分量之比也較小，因此濾波器的電感量比同容量的單相或三相半波電路小得多。 另外，晶閘管的額定電壓值也較低。因此，這種電路適用于大功率變流裝置。 多相整流電路隨著整流電路的功率進(jìn)一步增大（如軋鋼電動(dòng)機(jī)，功率達(dá)數(shù)兆瓦），為 了減輕對(duì)電網(wǎng)的干擾，特別是減輕整流電路高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，可采用十二相、十八相、 二十四相，乃至三十六相的多相整流電路。區(qū)圖3a為兩組三相橋串聯(lián)組成的十二相整流電 路。為了獲得十二相波形，每

7、個(gè)波頭應(yīng)該錯(cuò)開30。所以采用三繞組變壓器，次級(jí)的兩個(gè) 繞組一個(gè)接成星形，另一個(gè)接成三角形，分別供給兩組三相橋。兩組整流橋串聯(lián)后再接到負(fù) 載。由于兩組整流橋輸出的電壓的相位彼此差30，因此在負(fù)載上得到十二脈波的整流電 壓，合成電壓中最低次諧波頻率為600Hz，輸出電壓Ud=Ud1+Ud2,電流id=id1=id2。圖3b是兩組 三相橋并聯(lián)組成大電流的十二相整流電路。兩橋變壓器次級(jí)繞組電壓依次相差30。若兩 組橋的交流線電壓相等，各自的控制角也相等，則兩組橋的整流平均電壓也相等，只要極性相 符合，就可以并聯(lián)運(yùn)行。但是兩組整流電壓的瞬時(shí)值是不等的，兩組電源間會(huì)出現(xiàn)交流環(huán)流。 為了限止環(huán)流，延長(zhǎng)晶閘管

8、的導(dǎo)通時(shí)間，需要加入平衡電抗器，輸出電壓Ud=（ Ud1+Ud2）/2，電流 i d = i d1+i d2。 采用多相整流電路能改善 功率因數(shù)，提高脈動(dòng)頻率，使變壓器初級(jí)電流的波形更接近正 弦波，從而顯著減少諧波的影響。理論上，隨著相數(shù)的增加，可進(jìn)一步削弱諧波的影響。但 這樣做增加了設(shè)備費(fèi)用， 在技術(shù)上對(duì)精確地得到相同的控制角提出了較嚴(yán)格的要求。因而需 對(duì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行全面分析，最后作出選擇。 主要特性相控整流電路具有以下幾個(gè)主要特性。 輸出直流平均電壓 Ud，在脈波數(shù)為P的整流電路中一般有 Ud= Uda- kXI d（1） 式中U為考慮了負(fù)載電流引起的電壓降時(shí)的直流電壓， k是與

9、電路有關(guān)的常數(shù)， X是換相電 抗，Id為直流平均電流。由式（1）可見，電壓降主要由交流側(cè)電抗引起，由換相重疊現(xiàn)象引起 的電壓降與換相結(jié)束時(shí)的直流 的作用。 側(cè)電流成正比。從直流側(cè)看， 交流側(cè)電抗起著一個(gè)等效電阻 式中Ua為相位控制時(shí)的空載 * * 沖軟戌0 1 Uda=UoCOS a (2) 訂二叭 P蘋 P-Pv 電壓，a為控制角。 式中Uo為空載無相位控制時(shí)電壓; U2為交流電壓有效值， 在P相半波整流電路中為相電壓, 在P2相橋式整流電路中為線電壓。 當(dāng)控制角為a時(shí),式（2）適用于全控橋式電路，式（3） 適用于半控橋式電路。 整流變壓器容量和整流功率 Pd的關(guān)系：變壓器平均計(jì)算容量 S為

10、 S= （ S + S）/2 S2= maU2l2；m、m2分別為變壓器初、次級(jí)繞組 式中S為初級(jí)容量，S = miUIi；S2為次級(jí)容量, 相數(shù)。帶有大電感負(fù)載的三相半波電路如圖 可以分解成直流分量i 2=和交流分量K O 由于直流分量i 只能產(chǎn)生直流磁通勢(shì)，所以它無 法影響初級(jí)電流作相應(yīng)變化。而交流分量 K將通過變壓器的磁耦合反映到初級(jí)電流中去。 4所示。囹由圖可見，變壓器次級(jí)繞組電流i2 這樣，初、次級(jí)電流有效值分別為I 1=I d/3、I 2=I d/ -。在a= 0。和不考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng) 等情況下，得S=1.48Fd、S= 1.21 Pd、S= 1.345 Pd,其中Pd為整流功率。

11、在三相橋式電路中， 次級(jí)無直流分量電流，所以初、次級(jí)電流是波形相同的交流電，故S= 1.05 Pd,可見橋式接線 時(shí)變壓器利用率提高。 重疊導(dǎo)電現(xiàn)象和電壓降：圖5所示為變壓器漏抗存在時(shí)對(duì)整流電路波形的影響。囹當(dāng) T1處于導(dǎo)通狀態(tài)，給直流側(cè)提供電流I d時(shí)，觸發(fā)T2,若UdV Ub,則T2變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。但由于交 流側(cè)存在漏感，T2中的電流并不立即變?yōu)镮d, T1中的電流也不立即降為零，因此出現(xiàn)T1和T2 同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為換相重疊現(xiàn)象，這段時(shí)間以相角計(jì)算，稱換相重疊角，用 u表 示。在重疊期中，輸出電壓為（Ud+Ub）/2,與不考慮漏抗時(shí)相比，輸出電壓降低了（Ub-Ud）/2。 重疊期

12、內(nèi)直流電流一定的話，則T1、T2回路中流過環(huán)流i，這時(shí)a相電流i d=I d-i將逐漸減小， 而b相電流i b= i ,當(dāng)ib增加到Id時(shí)，id就等于零，這樣就完成了換相過程。關(guān)于電流i，2 X di /d 0 = Ub- Ud式成立，由于在控制角 a處i =0,在（a + U）處i =1 d，故有2X I d=（ Ub- Ud）u。 因此，交流電流在一周期內(nèi)換相一次引起的平均輸出電壓降為dx= XId/2 n。重疊角U隨a 不同而不同，但電壓降是與a無關(guān)的常數(shù)。在三相橋式電路中，由于一周內(nèi)換相 6次，換相 壓降nx = 6XId/2 n，式中X是每相的電抗。 輻射單元 /移相器 / 功率分配

13、念,至發(fā)射機(jī) S1 相控陣天坂示意圖 整流電路的功率因數(shù)及諧波：功率因數(shù)入=P/S= (1 cos 0,卩稱畸變因數(shù)，表征電流對(duì)正弦波的偏離度；cos 0稱位移因數(shù)；0為電壓和基波電流間的相位移。在不控整流 電路中，當(dāng)重疊角很小時(shí)，交流側(cè)基波電流與電壓相位相同， 即cos 0 = 1。所以,功率因數(shù)可由圖6中的電流波形計(jì)算求得， 匡其值分別為單相橋式電路是2、 I n疋0.900,三相橋式電路 是3I n疋0.955 ,在P= 12的電路中為0.989 ,故對(duì)于12脈波 以上的電路，實(shí)際上可以認(rèn)為功率因數(shù)近似于1。采用晶閘管相位控制時(shí)，由于交流電流波 形形狀不變，只是相位延遲了一個(gè)控制角a，所

14、以可控整流電路的功率因數(shù)入=1 cos a , 此時(shí)0 = a，即為不可控整流電路的功率因數(shù)乘以位移因數(shù)cos a，考慮重疊角時(shí)的功率因 數(shù)，由于存在重疊角 U,除電流相位延遲外，電流波形也由近似的方波變?yōu)榻频奶菪尾ǎ?其有效值也有所改變，因而功率因數(shù)的計(jì)算趨于復(fù)雜。近似地可以只考慮相位延遲的影響。 如三相橋式電路的控制角為 a ,重疊角為U,則功率因數(shù)為0.955 cos( a + U/2)。在整流電 路產(chǎn)生的諧波中，若控制保持對(duì)稱的話， 則僅有特定次數(shù)的諧波從交流電源側(cè)流出。在三相 P脈波整流電路中僅產(chǎn)生 nP土 1次諧波(n= 1, 2,)。 選擇整流電路時(shí)，主要從電性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

15、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、對(duì)電網(wǎng)影響小等方面考慮， 合理選用。 相控整流電路 整流電路；交流轉(zhuǎn)換為直流。 相控整流電路：電壓可調(diào)。 二極管整流電路：電壓固定。 相控整流電路的類型：按照輸入交流電源的相數(shù)：?jiǎn)蜗?、三相和多相整流電? 按電路中組成的電力電子器件控制特性：不可控、半控整流電路； 2.2單相相控整流電路 單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控整流電路，它 們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。 2.2.1單相半波相控整流電路 1.電阻性負(fù)載 圖2.2.1單相半波可控整流 如圖2.2.1 (a)所示是 單相半波相控整流帶電阻性負(fù)載的 電路。圖中Tr稱為 整流變壓器，其二次側(cè)的輸出電壓為 u2 二、2U2 si nt( 2. 2.1) 在電源正半周，晶閘管 T承受正向電壓，3t a期間由于未加觸發(fā)脈沖 Ug , T處于正向阻斷狀態(tài)而承受全部電壓U2，負(fù)載Rd中無電流通過，負(fù)載上 壓Ud為零。在3 t = a時(shí)T被ug觸發(fā)導(dǎo)通，電源電壓 U2全部加在Rd上(忽略 管壓降)，至U 3 t = n時(shí)，電壓u2過零，在上述過程中， Ud=U2。隨著電壓的下降 電流也下降，當(dāng)電流下降到小于晶閘管的維持電流時(shí)，晶閘管T關(guān)斷，此時(shí)id、 Ud均為零。在U2的負(fù)半周，T承受反壓，一直處于反相阻斷狀態(tài)，U2全部加在 T兩端。直到下一個(gè)周期的