第五章基于晶閘管的相位可控整流與逆變器

1、5.1 簡介簡介 5.2 晶閘管電路及其控制晶閘管電路及其控制 5.3 單相整流器單相整流器 5.4 三相整流器三相整流器 5.5 其它的三相整流器其它的三相整流器小結(jié)小結(jié)首首 頁頁下 頁返回 J大功率、高電壓、大電流的可控開關使交流到直大功率、高電壓、大電流的可控開關使交流到直流的可控轉(zhuǎn)換技術(shù)變得簡單。流的可控轉(zhuǎn)換技術(shù)變得簡單。J晶閘管整流器主要用于三相大功率之中，希望它晶閘管整流器主要用于三相大功率之中，希望它能夠控制交流電網(wǎng)與直流電路之間的潮流。能夠控制交流電網(wǎng)與直流電路之間的潮流。J基于晶閘管的相位可控整流與逆變的變流器中的基于晶閘管的相位可控整流與逆變的變流器中的晶閘管導通或關斷取決

2、于工頻交流電壓的波形和晶閘管導通或關斷取決于工頻交流電壓的波形和控制輸入信號?？刂戚斎胄盘?。下 頁上 頁返 回 l換流換流 電流從一個器件到另一個器電流從一個器件到另一個器件的轉(zhuǎn)換件的轉(zhuǎn)換 單相或三單相或三相交流電相交流電50/60HZid+-UdUdid0電路結(jié)構(gòu)及輸電路結(jié)構(gòu)及輸入電壓限制入電壓限制整流整流逆變逆變器件電流限制器件電流限制下 頁上 頁返 回 5.2.1 晶閘管的基本電路晶閘管的基本電路 iGudUs+-+ uT -iRw wt0a ap p2p2p0iudus0w wtiGiG|us(t)處于正半波時處于正半波時,在在w wt=a a之前，線路電流為零。之前，線路電流為零。|

3、w wt=a瞬間，瞬間，給晶閘管施加正極性觸發(fā)脈沖，晶閘給晶閘管施加正極性觸發(fā)脈沖，晶閘管開始導通，使管開始導通，使 ud(t)=us(t)。下 頁上 頁返 回 |正半波期間內(nèi)，線路電流在正半波期間內(nèi)，線路電流在w wt=p p時達到零。時達到零。|us(t)的負半波期間，線路電流一直為零。的負半波期間，線路電流一直為零。w wt=2p p+a a時刻，重復上一周波的導通過程。時刻，重復上一周波的導通過程。 只要改變只要改變a，就能控制負載電壓，就能控制負載電壓ud的平均值。的平均值。 iGudUs+-+ uT -iRw wt0a ap p2p2p0iudus0w wtiGiG 單相半波可控整

4、流器圖和工作波形(電阻性負載) 工作原理分析工作原理分析： 電源電壓正半波，晶閘管承受正向電壓，在t=處觸發(fā)晶閘管，晶閘管開始導通； ud=u2。在t=時刻，電源電壓過零，晶閘管電流小于維持電流而關斷，負載電流為零。 電源電壓負半波，uAK0，晶閘管承受反向電壓而處于關斷狀態(tài)，負載電流為零， ud=0 ，直到電源電壓u2的下一周期。 直流輸出電壓ud和負載電流id的波形相位相同。 半波整流的含義：半波整流的含義： 通過改變觸發(fā)角的大小，ud的波形發(fā)生變化，負載電壓平均值發(fā)生變化，顯然=180時，Ud=0。由于晶閘管只在電源電壓正半波內(nèi)導通，輸出電壓ud為極性不變但瞬時值變化的脈動直流，故稱“半

5、波”整流。 幾個名詞：幾個名詞：(1)控制角與導通角n控制角也稱觸發(fā)延遲角或觸發(fā)角，是指晶閘管從承受正向電壓開始到導通時止之間的電角度。n導通角，是指晶閘管在一周期內(nèi)處于通態(tài)的電角度。(2) 移相與移相范圍 移相移相是指改變觸發(fā)脈沖ug出現(xiàn)的時刻，即改變控制角的大小。 移相范圍移相范圍是指觸發(fā)脈沖ug的移動范圍，它決定了輸出電壓的變化范圍。單相半波可控整流器電阻性負載時的移相范圍是 0180。 基本數(shù)量關系基本數(shù)量關系(1) 直流輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id 直流輸出電壓平均值Ud: 輸出電流平均值Id:2cos145. 02cos12dsin221222daawwpaUUttUU2

6、cos10.45 2ddaRURUI(2) 晶閘管承受的最大正反向電壓Um由圖2-2 (f)可以看出晶閘管承受的最大正反向電壓Um是相電壓峰值。22mUU 單相半波可控整流器圖和工作波形(阻感性負載) 工作過程分析：工作過程分析： 在t=0到期間，晶閘管陽極和陰極之間的電壓uAK大于零，但晶閘管門極沒有觸發(fā)信號，晶閘管處于正向關斷狀態(tài)。 在t=時，門極有觸發(fā)信號，晶閘管被觸發(fā)導通，負載電壓ud= u2。 當t=時，交流電壓u2過零，由于有電感電勢的存在，uAK仍大于零，晶閘管會繼續(xù)導通，直到電感的儲能全部釋放，晶閘管在u2反壓作用下而截止。 數(shù)量關系數(shù)量關系直流輸出電壓平均值Ud為從Ud的波形

7、可以看出，由于電感負載的存在，電源電壓由正到負過零點也不會關斷，輸出電壓出現(xiàn)了負波形，輸出電壓和電流的平均值減?。划敶箅姼胸撦d時輸出電壓正負面積趨于相等，輸出電壓平均值趨于零。所以，實際的大電感電路中，常常在負載兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管。212sin()2UUtdta awwpd單相半波可控整流器圖和工作波形(電感性負載加續(xù)流二極管) 阻感性負載加續(xù)流二極管阻感性負載加續(xù)流二極管 工作原理分析：工作原理分析：電源電壓正半波u20，晶閘管電壓uAK0。在t=處觸發(fā)晶閘管導通，負載上有輸出電壓和電流，續(xù)流二極管VDR承受反向電壓而處于斷態(tài)。電源電壓負半波u20，通過續(xù)流二極管VDR使晶閘管承受反向電

8、壓而關斷。電感的感應電壓使VDR承受正向電壓導通續(xù)流，負載兩端的電壓僅為續(xù)流二極管的管壓降。如果電感足夠大，續(xù)流二極管一直導通到下一周期晶閘管導通，使id連續(xù)。 電感性負載加續(xù)流二極管后，輸出電壓波形與電阻性負載波形相同，續(xù)流二極管可以起到提高輸出電壓的作用。 在大電感負載時負載電流波形連續(xù)且近似一條直線，流過晶閘管的電流波形和流過續(xù)流二極管的電流波形是矩形波。 對于電感性負載加續(xù)流二極管的單相半波可控整流器移相范圍與單相半波可控整流器電阻性負載相同為0180，且有+=180。 基本數(shù)量關系基本數(shù)量關系(1) 輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id輸出電壓平均值Ud輸出電流平均值Id2cos1

9、45. 02cos12dsin221222daawwpaUUttUU2cos10.45 2ddaRURUI(2) 晶閘管和續(xù)流二極管承受的最大正反向電壓晶閘管和續(xù)流二極管承受的最大正反向電壓均為電源電壓的峰值。 2m2UU 單相半波可控整流器的特點：單相半波可控整流器的特點： 優(yōu)點是電路簡單，調(diào)整方便，容易實現(xiàn)。 缺點是整流電壓脈動大，每周期脈動一次。變壓器二次側(cè)流過單方向的電流，存在直流磁化、利用率低的問題，為使變壓器不飽和，必須增大鐵心截面，這樣就導致設備容量增大。 w wt2p2p00p puRA2 2 2A1 1 1下 頁上 頁返 回 udus0w wtiGiGiGudUs+-+ uT

10、 -iRuR+ uL -)()()(tutudtdiLtuRsL晶閘管觸發(fā)導通后，晶閘管觸發(fā)導通后，us(t)正半波的其余時間內(nèi)，正半波的其余時間內(nèi)，晶閘管所承受的電壓均為正，電感上的電壓為：晶閘管所承受的電壓均為正，電感上的電壓為：電阻上的電壓電阻上的電壓 uR(t)=Ri(t)下 頁上 頁返 回 w wt2p2p00p puRA2 2 2A1 1 1udus0w wtiGiGiGudUs+-+ uT -iRuR+ uL -TuR(t)曲線與線路電流成正比曲線與線路電流成正比 T電感電壓電感電壓uL(t)=us(t)-uR(t)T在在a a到到 1期間，期間，uL(t)為正，電流為：為正，電

11、流為： tLduLtiwaww)(1)( 為積分為積分變量變量下 頁上 頁返 回 w wt2p2p00p pA2 2 2A1 1 1uRudus0w wtiGiGT在在w wt= 1之后，之后，uL(t)變?yōu)樨撝?，電流及與變?yōu)樨撝?，電流及與uR(t)開始下降。開始下降。tLduLtiwaww)(1)(T當線路電流下降到零后，下式積分關系無效。當線路電流下降到零后，下式積分關系無效。Tw wt= 2時，面積時，面積A1等于等于A2。TR和和L串聯(lián)負載條件下串聯(lián)負載條件下 ，電壓，電壓us(t)變?yōu)樨撝岛螅€變?yōu)樨撝岛?，線路電流仍維持繼續(xù)導通路電流仍維持繼續(xù)導通 。下 頁上 頁返 回 iGudUs

12、+-+ uT -iLEd+ uL -+-w wt2p2pp p00iA2 3 3 2 2A1 1 1 4 4udusw wt0uTw wt0iGw wt= 1之前，晶閘管不導通。之前，晶閘管不導通。w wt= 1后的后的w wt= 2時刻觸發(fā)晶閘管，電感電壓為：時刻觸發(fā)晶閘管，電感電壓為： dsLEtudtdiLtu)()(下 頁上 頁返 回 w wt2p2pp p00iA2 3 3 2 2A1 1 1 4 4udw wt0uTw wt0iGtdsdEuLtiwww2)(1)(線路電流變量線路電流變量wt為：為： 3時刻，時刻，ud(t)=Ed w wt= 4時刻，電流下降到零，時刻，電流下降

13、到零，A1=A2iGudUs+-+ uT -iLEd+ uL -+-下 頁上 頁返 回 5.2.2 晶閘管的晶閘管的門極觸發(fā)門極觸發(fā) 通過控制晶閘管的觸發(fā)時刻，即可控制交流電源給負通過控制晶閘管的觸發(fā)時刻，即可控制交流電源給負載提供多少功率。載提供多少功率。比較與邏比較與邏輯輸出輯輸出門極觸門極觸發(fā)信號發(fā)信號鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器交流輸交流輸入電源入電源usynuctr+ -ustt簡單的門極觸發(fā)控制的方塊圖簡單的門極觸發(fā)控制的方塊圖 下 頁上 頁返 回 ttt門極觸門極觸發(fā)信號發(fā)信號usyna/wa/wUst.ma/wa/wustuctr交流電壓正向過零交流電壓正向過零后的某一后的某一a

14、a角處發(fā)出觸角處發(fā)出觸發(fā)脈沖。發(fā)脈沖。當電壓處于負半波當電壓處于負半波時，觸發(fā)信號在交流時，觸發(fā)信號在交流電壓負向過零后的電壓負向過零后的a a角角處產(chǎn)生。處產(chǎn)生。 mstctrooUu.180a控制控制角角 工作原理分析：工作原理分析： 在電源電壓u2正半波，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓。在0區(qū)間由于四個晶閘管都不導通，uAK1，4=1/2 u2。在t=處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4導通，電流沿aVT1RVT4b流通，此時負載上輸出電壓ud=u2。電源電壓反向施加到晶閘管VT2、VT3上，處于關斷狀態(tài)，到t=時，因電源電壓過零，晶閘管VT1、VT4陽極電流也下降為零而關斷。 在電源電壓負半波

15、，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，在+區(qū)間，uAK2，3=1/2 u2，在t=+處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3，元件導通，電流沿bVT3RVT2a流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負載電阻上，負載上有輸出電壓ud=-u2。此時電源電壓反向施加到晶閘管VT1、VT4上，使其處于關斷狀態(tài)。到t=2，電源電壓再次過零，VT2、V T3陽 極 電 流 也 下 降 為 零 而 關 斷 。 單相橋式整流器電阻性負載時的移相范圍是0180。=0時，輸出電壓最高；=180時，輸出電壓最小。晶閘管承受最大反向電壓Um是相電壓峰值，晶閘管承受最大正向電壓是(相電壓峰值)/2。 負載上正負兩個半波內(nèi)均有相同方向的電

16、流流過，從而使直流輸出電壓、電流的脈動程度較前述單相半波得到了改善。變壓器二次繞組在正、負半周內(nèi)均有大小相等、方向相反的電流流過，從而改善了變壓器的工作狀態(tài)并提高了變壓器的有效利用率。 基本數(shù)量關系基本數(shù)量關系(1) 輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id 輸出電壓平均值Ud為 輸出電流平均值Id為2cos19 . 02cos122dsin21222daawwpaUUttUU2cos19 . 02ddaRURUI2.阻感性負載 工作原理分析：工作原理分析： 電源電壓正半波，在t=處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓，元件導通，電流沿aVT1LRVT4b流通，此時負載上電

17、壓ud=u2。此時電源電壓反向施加到晶閘管VT2、VT3上，使其承受反向陽極電壓而處于關斷狀態(tài)。當t=時，電源電壓自然過零，電感感應電勢使晶閘管繼續(xù)導通。 在電源電壓負半波，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，但沒有觸發(fā)脈沖而不導通；在t=+處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3，元件導通，電流沿bVT3LRVT2a流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負載上，負載上有輸出電壓ud= -u2。此時VT1、VT4承受反向電壓由導通狀態(tài)變?yōu)殛P斷狀態(tài)。晶閘管VT2、VT3一直要導通到下一周期t=2+處再次觸發(fā)晶閘管VT1、VT4為止。 單相全控橋式整流器圖和工作波形(電感性負載) 從波形可以看出=90輸出電壓波形正

18、負面積相同，平均值為零，所以移相范圍是090?？刂平窃?90之間變化時，晶閘管導通角，導通角與控制角無關。晶閘管承受的最大正、反向電壓 Um = 22U下 頁上 頁返 回 5.3.1 Ls=0和和id(t)=Id的理想電路的理想電路Udid+-Ldus-+Ls負載負載T2usIdisT4T3T1令令Ls=0id(t)=Id 理想電路理想電路 下 頁上 頁返 回 T2usIdisT4T3T1T2usIdisT4T3T1T1,T2T3,T4a a =0下 頁上 頁返 回 0p p2p pw wtisusudl自然導通現(xiàn)象自然導通現(xiàn)象 始終保持晶閘管始終保持晶閘管的門極觸發(fā)電流，的門極觸發(fā)電流，晶閘

19、管在自然換晶閘管在自然換流點導通流點導通 。下 頁上 頁返 回usAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtisusud02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisusT1,T2T3,T4自然導通點自然導通點w wt=0的的時刻，晶閘管時刻，晶閘管1和和2自自然導通。然導通。w wt=p p時，晶閘管時，晶閘管3和和4自然導通。自然導通。 延遲角或觸發(fā)延遲角或觸發(fā)角或控制角角或控制角 下 頁上 頁返 回w wt=0之前，直流電之前，直流電壓壓ud(t)=-us(t) w wt=0之后，晶閘管之后，晶閘管1和和2的電壓變?yōu)檎?，的電壓?/p>

20、為正偏，由于沒有觸發(fā)脈沖不由于沒有觸發(fā)脈沖不導通。導通。 到到w wt=a時，觸發(fā)脈時，觸發(fā)脈沖出現(xiàn)，晶閘管沖出現(xiàn)，晶閘管1和和2導通，晶閘管導通，晶閘管3和和4自自然關斷。然關斷。 usAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtisusud02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisusT1,T2T3,T4下 頁上 頁返 回 當當a a0時，時，Ud由控制角由控制角a控制，其表達式為：控制，其表達式為：aapwwpapaacos9 . 0cos22)(sin21sssdUUtdtUU令令Ud0為圖中對應于為圖中對應于a a=0o、L

21、s=0時的平均時的平均直流輸出電壓，即：直流輸出電壓，即：0p p2p pw wtisudsssdUUtdtUU9 . 022)(sin2100pwwpp下 頁上 頁返 回 a a0所帶來的電壓降為：所帶來的電壓降為： )cos1 (9 . 00aaasdddUUUUusAa a02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisus電壓降電壓降 Uda a等于圖等于圖中的電壓波形與用弧中的電壓波形與用弧度表示的橫坐標之間度表示的橫坐標之間的面積除以的面積除以p p。 逆變模式逆變模式下 頁上 頁返 回 整流模式整流模式01.0-1.0090180a a0ddUU

22、F當當a a90o時，整流器時，整流器運行在逆變狀態(tài)。運行在逆變狀態(tài)。 整流器的平均功率為：整流器的平均功率為：TddTdtiuTdttpTP001)(1直流電流為恒定值時，直流電流為恒定值時，id=I，所以有：，所以有： acos9 . 0)(10dsddTddIUUIdttuTIP下 頁上 頁返 回 直流側(cè)電壓直流側(cè)電壓ud根據(jù)下式得到直流側(cè)電壓平均電壓分量根據(jù)下式得到直流側(cè)電壓平均電壓分量Udaaapwwpapaacos9 . 0cos22)(sin21sssdUUtdtUUusAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtisusuda aa aa a

23、 0usudFud中的各次諧中的各次諧波幅值可以由傅波幅值可以由傅里葉級數(shù)的分解里葉級數(shù)的分解來計算。來計算。下 頁上 頁返 回 usAa aT1,T2T3,T4a a =00p p2p pw wtis02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisusT1,T2T3,T4usud 線電流線電流isw wtusisis1F F1 1 a a1 sI 2下 頁上 頁返 回 is為為180o方波的數(shù)學表達式為：方波的數(shù)學表達式為： )(5sin2)(3sin2)sin(2)(531awawawwtItItItissssh=0 00111( )( )c

24、os()sin()2hhhhhftFftaahtbhtww201( )cos()d()haf th ttpwwp201( )sin()d()hbf th ttpwwp各項電流有效值可借助下式計算：各項電流有效值可借助下式計算： 下 頁上 頁返 回 w wtusisis1F F1 1 a a1 sI 2圖中基波電流分量圖中基波電流分量is1的的有效值為：有效值為：ddsIII9 . 0221p各次諧波電流有效值為：各次諧波電流有效值為：hIIssh1諧波次數(shù)諧波次數(shù)SS1Q1P090180a a17 19 21 231.01/31/51/71/91/111/131/15

25、 1/171/191/211/231sshII下 頁上 頁返 回 交流有效值等于對應的直流電流交流有效值等于對應的直流電流: Is =Id 根據(jù)上式和根據(jù)上式和 得總諧波畸變率為：得總諧波畸變率為： ddsIII9 . 0221p%43.48%100%1212sssIIITHDSS1Q1P090180a a17 19 21 231.01/31/51/71/91/111/131/15 1/171/191/211/231sshII下 頁上 頁返 回 功率、功率因數(shù)、無功功率和視在功率功率、功率因數(shù)、無功功率和視在功率w wtusisis1F F1 1 a

26、a1 sI 2T2usIdisT4T3T1位移功率因數(shù)為：位移功率因數(shù)為：DPF=cosF F1=cosa a 下 頁上 頁返 回 ddsIII9 . 0221p Is =IdDPF=cosF F1=cosa a 由式由式 得得180o方波電流的功率因數(shù)為：方波電流的功率因數(shù)為： acos9 . 01DPFIIPFss交流側(cè)送到整流器的功率為：交流側(cè)送到整流器的功率為： P=Us Is1 cosF F1 下 頁上 頁返 回 ddsIII9 . 0221p將將和和 DPF=cosF F1=cosa a 代入到代入到 P=Us Is1 cosF F1得：得： P=0.9Us Id cosa a 基

27、波分量消耗的無功功率為：基波分量消耗的無功功率為： Q1 =Us Is1 sinF F1 =0.9Us Id sina a 基波電流所產(chǎn)生的視在功率為：基波電流所產(chǎn)生的視在功率為： 21211QPIUSssSS1Q1P090180a a下 頁上 頁返 回 5.3.2 Ls的影響的影響Udis+-Idus-+Ls+ uLs -T4T2T1T3!給定控制角給定控制角a a，交流，交流側(cè)電流在晶閘管換流時側(cè)電流在晶閘管換流時會存在換流時間會存在換流時間g g 。 a aArg gArw wtusisis121w wtusud 對直流輸出電壓的影響對直流輸出電壓的影響 下 頁上 頁返 回

28、 Udis+-Idus-+Ls+ uLs -T4T2T1T3F直 流 輸 出 電 壓直 流 輸 出 電 壓ud(t)=0，電感電壓，電感電壓uLs(t)=us(t)，即，即:dtdiLtutussLss)()(對上式兩邊同乘以對上式兩邊同乘以d(w wt)，并在整個換流期間進行，并在整個換流期間進行積分，由此可得：積分，由此可得：dsIIsssILdiLtdtUddwwwwgaa2)()(sin2下 頁上 頁返 回 gaagww)(sin2tdtUAs對對 進行積分進行積分dsIIsssILdiLtdtUddwwwwgaa2)()(sin2將結(jié)果代入下式：將結(jié)果代入下式：a aArg gArw

29、 wtusisis121w wtusud下 頁上 頁返 回 dssILUAwgaag2)cos(cos2sdsUIL22cos)cos(wagadssIUL221coswg相等相等a a=0時時二極管二極管整流器整流器下 頁上 頁返 回 a aArg gArw wtusisis121w wtusudLs的引入產(chǎn)生一個的引入產(chǎn)生一個附加的平均電壓降附加的平均電壓降 Udg g，它與面積，它與面積Ag g成正比：成正比：pwpggdsdILAU2usAa a02p pp pw wtusuda aa aa a 002p pp pw wtisus下 頁上 頁返 回 當存在線路電感當存在線路電感Ls時，

30、根據(jù)時，根據(jù) aapwwpapacos9 . 0cos22)(sin210sssdUUtdtUUpwpggdsdILAU2導出單相橋式晶閘管整流電路的輸出電壓為：導出單相橋式晶閘管整流電路的輸出電壓為： dssdILUUwpa2cos9 . 0下 頁上 頁返 回 例例w wtusisis1F F1 1 a a1 sI 2 已知圖中，交流電的額定電壓為已知圖中，交流電的額定電壓為230V，工作，工作頻率為頻率為50Hz，線路電感，線路電感Ls上的壓降為額定電壓的上的壓降為額定電壓的5%，線路的傳輸容量，線路的傳輸容量S=5kVA、控制角、控制角a a=30o、有、有功消耗為功消耗為3kW。試計算

31、在額定輸入電壓下的換流。試計算在額定輸入電壓下的換流重疊角重疊角g g和和Ud各為多少？各為多少？解解 根據(jù)已知條件，根據(jù)已知條件，求得線路電流的額定求得線路電流的額定值為：值為： AUSIss74.212305000下 頁上 頁返 回 系統(tǒng)等效阻抗的模數(shù)為：系統(tǒng)等效阻抗的模數(shù)為：Zb=Us /Is=10.58W W線路的等效電感為：線路的等效電感為：Ls=0.05Zb /w w=1.684mH 根據(jù)式根據(jù)式 dssdILUUwpa2cos9 . 0整流器吸收的有功功率為：整流器吸收的有功功率為：kWILIUIUPdsdsdd32cos9 . 02wpa將已知條件代入上式中得：將已知條件代入上

32、式中得：032.10714236.6402ddIIId=17.196A下 頁上 頁返 回 將將Id=17.196A分別代入分別代入sdsUIL22cos)cos(wagadssdILUUwpa2cos9 . 0解得：解得： g g = 5.9o Ud = 173.47V 下 頁上 頁返 回 線路電流線路電流isa aArg gArw wtusisis121w wtusud)2/cos(gaDPFis的基波電流分量從的基波電流分量從下式得到：下式得到：ddssIUDPFIU1根據(jù)以上兩式及根據(jù)以上兩式及dssdILUUwpa2cos9 . 0可得：可得： )2/cos()/2(c

33、os9 . 021gawpasdsdssUILIUI下 頁上 頁返 回 5.3.4 單相橋式整流器的逆變運行單相橋式整流器的逆變運行單相或三單相或三相交流電相交流電50/60HZid+-UdUdid0電路結(jié)構(gòu)及電路結(jié)構(gòu)及輸入電壓限輸入電壓限制制整流整流逆變逆變器件電流限制器件電流限制晶閘管整流器在逆變模式下運行時要求直流電壓晶閘管整流器在逆變模式下運行時要求直流電壓Ud的的值為負值，因此，功率只能由直流側(cè)向交流側(cè)流動。值為負值，因此，功率只能由直流側(cè)向交流側(cè)流動。 下 頁上 頁返 回 udis+-Idus-+LsT4T2T1T3usudT1,T2T3,T4isa a1,2iG1,2iG3,4w

34、 wtw wta a3,4w wt|當 控 制 角當 控 制 角a a位 于位 于90oa a90o，Pac=UdIs1cosF F1也為也為負值。負值。udis+-Idus-+LsT4T2T1T3usudT1,T2T3,T4isa a1,2iG1,2iG3,4w wtw wta a3,4w wt下 頁上 頁返 回 整流器的逆變模式首先要求直流側(cè)必須有一整流器的逆變模式首先要求直流側(cè)必須有一個電源來維持逆變模式的運行。個電源來維持逆變模式的運行。 整流器在逆變模式下，功率流向交流側(cè)。整流器在逆變模式下，功率流向交流側(cè)。 其次，整流器的交流側(cè)必須有一個交流電源，其次，整流器的交流側(cè)必須有一個交流

35、電源，它要能夠完成線路電流從一對晶閘管轉(zhuǎn)移到另一它要能夠完成線路電流從一對晶閘管轉(zhuǎn)移到另一對晶閘管的換流。對晶閘管的換流。下 頁上 頁返 回 5.3.5 交流電壓的波形交流電壓的波形晶閘管整流器會對運行線路產(chǎn)生干擾。對線路電壓晶閘管整流器會對運行線路產(chǎn)生干擾。對線路電壓而言，它會產(chǎn)生電壓跌落和電壓畸變。而言，它會產(chǎn)生電壓跌落和電壓畸變。下 頁上 頁返 回 5.4.1 理想的三相整流器理想的三相整流器udn-+iaT5IdPNicibT3T1T2T4T6Idun-+iaT5PicibT3T1T2T4T6Nabc下 頁上 頁返 回 Idun-+iaT5PicibT3T1T2T4T6NabcF如果對

36、三相整流如果對三相整流器中所有的晶閘管器中所有的晶閘管都施加連續(xù)的觸發(fā)都施加連續(xù)的觸發(fā)脈沖，則該整流電脈沖，則該整流電路相當于二極管整路相當于二極管整流器。流器。下 頁上 頁返 回 理想條件下理想條件下(a a=0、Ls=0)，各相電壓和，各相電壓和a a相電流的波相電流的波形如圖所示。形如圖所示。 w wt0iduanubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=0平均直流電壓為：平均直流電壓為： LLLLdUUU35.1230pA.4 三相全控橋式整流電路 三相全控橋式整流電路是由三相半波可控整流電路演變而來，它可看作是三相半波共陰極接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共陽極

37、接法(VT4，VT6，VT2)的串聯(lián)組合， 1 電阻性負載 1) 工作原理工作原理 三相全控整流電路中共陰極接法(VT1，VT3，VT5)和共陽極接法(VT4，VT6，VT2)的控制角分別與三相半波可控整流電路共陰極接法和共陽極接法相同。在一個周期內(nèi)，晶閘管的導通順序為VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。 三相橋式全控整流電路 將一周期相電壓分為六個區(qū)間： 時段輸出 電壓uuvuuWuvwuvvuwuuvv導通晶閘管VT6 VT1VT1 VT2VT2 VT3VT3 VT4VT4 VT5VT5 VT6三相橋式全控整流電路帶電阻負載=0時的波形 三相橋式全控整流電路帶電阻負載 =60時

38、的波形 三相橋式全控整流電路帶電阻負載 =90時的波形 從上述分析可以總結(jié)出三相全控橋式整流電路的工作特點：(1) 任何時候共陰、共陽極組各有一只元件同時導通才能形成電流通路。(2) 共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5，按相序依次觸發(fā)導通，相位相差120，共陽極組晶閘管VT2、VT4、VT6，相位相差120，同一相的晶閘管相位相差180。每個晶閘管導通角120；(3) 輸出電壓ud由六段線電壓組成，每周期脈動六次，每周期脈動頻率為300HZ。(4) 晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，它只與晶閘管導通情況有關，其波形由3段組成：一段為零(忽略導通時的壓降)，兩段為線電壓。晶閘管承受最大正、

39、反向電壓的關系也相同。(5) 變壓器二次繞組流過正負兩個方向的電流，消除了變壓器的直流磁化，提高了變壓器的利用率。 (6) 對觸發(fā)脈沖寬度的要求：整流橋開始工作時以及電流中斷后，要使電路正常工作，需保證應同時導通的2個晶閘管均有脈沖，常用的方法有兩種：一種是寬脈沖觸發(fā)，它要求觸發(fā)脈沖的寬度大于60(一般為80100)，另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，即觸發(fā)一個晶閘管時，向小一個序號的晶閘管補發(fā)脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以多采用雙窄脈沖觸發(fā)。 電阻性負載60時的ud波形連續(xù)，60時ud波形斷續(xù)。=120時，輸出電壓為零Ud=0，因此三相全控橋式整流電路電阻性負載移相范圍為012

40、0。可以看出，晶閘管元件兩端承受的最大正反向電壓是變壓器二次線電壓的峰值 22245. 2632UUUUURMFM2) 參數(shù)計算參數(shù)計算 由于=60是輸出電壓Ud波形連續(xù)和斷續(xù)的分界點，輸出電壓平均值應分兩種情況計算：(1) 60當=0時， Ud= Ud 0 =2.34U2(2) 60 當=120時， Ud =0 aawwpaappcos35. 1cos34. 2)(sin323/12L22d323UUttdUU)3/cos(1 34. 2)(sin2233/12d3apwwppapUttdUU2 電感性負載 1) 工作原理工作原理 當60時電感性負載的工作情況與電阻負載時相似，各晶閘管的通斷

41、情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣；區(qū)別在于由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。 60時電感性負載時的工作情況與電阻負載時不同，由于負載電感感應電勢的作用，ud波形會出現(xiàn)負的部分。圖2-18為帶電感性負載=90時的波形，可以看出，=90時，ud波形上下對稱，平均值為零，因此帶電感性負載三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90。 三相橋式全控整流電路帶電感性負載 =0時的波形 三相橋式整流電路帶電感性負載， =90時的波形 2) 參數(shù)計算參數(shù)計算(1) 輸出電壓平均值由于 ud波形是連續(xù)的， =0時， Ud0=2.3

42、4U2。 (2) 輸出電流平均值 aawwpaappcos35. 1cos34. 2)(sin63/12L22d323UUttdUUacos34. 212dURI (3) 晶閘管電流平均值 (4) 晶閘管電流有效值 (5) 晶閘管額定電流 (6) 變壓器二次電流有效值 ddT31IIddT577. 031III)25 . 1 (368. 0)25 . 1 (57. 1d)T(AVIIITddT2816. 0322IIIIucbAa a Aa aw wt0iduanubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=00w wtw wt=0a auanubnucnuPnuNnw wt0iaw

43、 wt0uabubcuduanubnucnudaa audaF在在w wt=a a之之前，前，T5一 直一 直保 持 導 通 ，保 持 導 通 ，因因Ls=0，在，在w wt=a a時刻，時刻，電 流 瞬 間 轉(zhuǎn)電 流 瞬 間 轉(zhuǎn)換到換到T1。 下 頁上 頁返 回 Aa aAa aw wt0iduanubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=00w wtw wt=0a auanubnucnuPnuNnw wt0iaw wt0uabucbubcuduanubnucnudaa auda所有晶閘管的所有晶閘管的控制角取相同的控制角取相同的控制角控制角a a，晶閘，晶閘管可順序觸發(fā)導管可

44、順序觸發(fā)導通。通。輸出電壓為：輸出電壓為：3/0paaAUUdd下 頁上 頁返 回下 頁上 頁返 回 aaapacoscos35. 1cos230dLLLLdUUUU下 頁上 頁返 回 w wt0uda aw wtw wtw wtw wtw wtw wt000000ududududududa aa aa aa aa a 00a a 6060a a 3030a a 9090a a 120120a a 150150a a 180180F在不同控制角在不同控制角a a下的直流電壓波形下的直流電壓波形如圖所示，對應的如圖所示，對應的平均功率為：平均功率為： acos35. 1dLLddIUIUP下 頁

45、上 頁返 回 直流側(cè)電壓直流側(cè)電壓 w wt0uda aw wtw wtw wtw wtw wtw wt000000ududududududa aa aa aa aa a 00a a 6060a a 3030a a 9090a a 120120a a 150150a a 180180F圖中平均直流電壓圖中平均直流電壓為：為：Uda=1.35ULLcosaFud中的交流紋波頻中的交流紋波頻率是交流電源頻率的率是交流電源頻率的六倍，各次諧波分量六倍，各次諧波分量可通過傅里葉級數(shù)的可通過傅里葉級數(shù)的分析得到。分析得到。 下 頁上 頁返 回 輸入線電流輸入線電流 w w

46、t0iaucna aubnuania1w wt=0F F1 a aw wt0iduanubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=0F三相交流輸入的三相交流輸入的線電流有線電流有ia、ib和和ic，它們都是幅值為它們都是幅值為Id的矩形波。的矩形波。F上圖中的上圖中的a a相電相電流流ia的波形與下圖的波形與下圖中的波形相比偏移中的波形相比偏移了了a a角度。角度。 下 頁上 頁返 回 若將若將uan(t)的正向過零點定義為時間坐標的原點，則的正向過零點定義為時間坐標的原點，則將將a相電流波形用傅里葉級數(shù)展開后可得：相電流波形用傅里葉級數(shù)展開后可得：)(19sin2)(17sin2

47、)(13sin2)(11sin2)(7sin2)(5sin2)sin(2)(19171311751awawawawawawawwtItItItItItItItisssssssa諧波次數(shù)為：諧波次數(shù)為： h=6n1 (n=1,2) 基波電流的有效值為：基波電流的有效值為： Is1=0.78Id諧波分量的有效值與諧波次數(shù)成反比，即諧波分量的有效值與諧波次數(shù)成反比，即 Ish=Is1 /h (h=6n1) 下 頁上 頁返 回 51h015 71113171923 25s1shII11113171171231251191w wt0iaucna aubnuania1w wt=0F F1 a a相電流的有

48、效值為：相電流的有效值為：ddsIII816. 032因因Ls=0、id(t)=Id，由上，由上式和式和Ish=Is1 /h可得：可得： 955. 0=3=1pssIIis的電流總諧波畸變率為：的電流總諧波畸變率為： THD%=31.08% 下 頁上 頁返 回 有功、無功和功率因數(shù)有功、無功和功率因數(shù) 如如Ls=0、F F1=a，則，則DPF=cosF F1=cosa a w wt0iaucna aubnuania1w wt=0F F1 a a下 頁上 頁返 回 DPF=cosj j11ssIPFDPFI根據(jù)根據(jù)DPF=cosF F1=cosa a955. 0=3=1pssII

49、THD%=31.08%對位移功率因數(shù)和對位移功率因數(shù)和功率因數(shù)的定義功率因數(shù)的定義apcos3=PF可得：可得：下 頁上 頁返 回 w wt00000a a =60Uanj 0j 0Ia1Uania1iaa aa aa aa aa a0UanUanUanUanUaniaIdIdIdIdiaiaiaIdIdiaw wtw wtw wtw wtw wta a =0a a =120a a =90a a =30a a =150Uanj 30j 30Ia1Uanj 60j 60Ia1Uanj 90j 90Ia1Uanj 120j 120Ia1Uanj 150j 150Ia1線電流隨控制角線電流隨控制角a

50、 a的變化的變化下 頁上 頁返 回 5.4.2 Ls的影響的影響 udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6Id&三相晶閘管整流三相晶閘管整流電路中線路電感的電路中線路電感的最小感抗值為電源最小感抗值為電源等效基波電抗的等效基波電抗的5%，即即: 1305. 0sLLsIUL w下 頁上 頁返 回 8在在w wt=a a之前，電流之前，電流在晶閘管在晶閘管T5和晶閘管和晶閘管T6中導通，中導通，8在在w wt=a a時，電流開時，電流開始從晶閘管始從晶閘管T5向晶閘向晶閘管管T1換流。換流。 下 頁上 頁返 回 8在晶閘管在晶閘管T1的的自然換流點之后，自然換流點之后，uan比比

51、ucn越來越大。越來越大。8在換流間隔在換流間隔g g時時間內(nèi)，由于晶閘間內(nèi)，由于晶閘管管T1和和T5同時導同時導通，使通，使a、c兩相兩相通過各相的通過各相的Ls發(fā)生短路。發(fā)生短路。 Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 頁上 頁返 回 8在換流期間，在換流期間，a a相電流相電流ia由零逐漸由零逐漸向向Id增加，增加，c相電流相電流ic由由Id逐漸減小到零。逐漸減小到零。8換流結(jié)束時，換流結(jié)束時，ia=Id，ic=0，晶閘，晶閘管管T5中的電流完全中的電流完全由晶閘管由晶閘管T1取代。取代。Id35i

52、a=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 頁上 頁返 回 w wt0ucna aia1uanucnia21gaFg gF 電流電流ia的完的完整波形整波形 換流期間換流期間a aw wta a+g g 內(nèi)有：內(nèi)有： LsanpnuuudtdiLuasLsId35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 頁上 頁返 回 )( tduALswgaag假定電流假定電流ia在在a aw wta a+g g期間由零逐漸增加到期間由零逐漸增加到Id，根據(jù)

53、，根據(jù)上式和上式和 的關系可得：的關系可得： dtdiLuasLs換流使直流輸出電換流使直流輸出電壓降低的電壓壓降低的電壓-弧弧度面積為：度面積為： dsIasILdiLAdwwg0Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 頁上 頁返 回 上式的面積除以上式的面積除以p p/3即為減少的平均直流電壓。即為減少的平均直流電壓。 dsIasILdiLAdwwg0aaapacoscos35. 1cos230dLLLLdUUUU中減去這個減少的平均直流電壓后可得到考慮中減去這個減少的平均直流電壓后可得到考慮Ls后的后

54、的直流側(cè)平均輸出電壓為：直流側(cè)平均輸出電壓為：從從dsLLdILUUpwap3cos23下 頁上 頁返 回 換流期間內(nèi)換流期間內(nèi)a、c兩相短路，因此有：兩相短路，因此有： dtdiLuuasanPn同理同理dtdiLuucscnPn將上兩式相加后即得：將上兩式相加后即得：)(22dtdidtdiLuuucascnanpn下 頁上 頁返 回 設在換流期間設在換流期間ia+ic=Id為恒定值，因此，一個電流的為恒定值，因此，一個電流的增加量與另一個電流的減少量一定相等，即：增加量與另一個電流的減少量一定相等，即：dtdidtdica=式式 可簡化為：可簡化為：)(22dtdidtdiLuuucas

55、cnanpn2cnanpnuuu下 頁上 頁返 回 F uPn在換流期間在換流期間的波形如圖所示的波形如圖所示dtdiLuuasanPndtdiLuuasanPn和和2cnanpnuuu得：得： 222accnanasuuudtdiL合并合并Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下 頁上 頁返 回 假設假設tUuLLacwsin2可得：可得：sLLaLtUtddiwww2sin2)(Id35ia=i1w wt0upnucnubnuanic+ia=Id15246a aw wt=0w wtic=i50Ag g下

56、頁上 頁返 回 在換流期間在換流期間a aw wta a+g g時間段內(nèi)進行積分，并認為電時間段內(nèi)進行積分，并認為電流流ia在該時間段內(nèi)從零增大到在該時間段內(nèi)從零增大到Id，因此：，因此：sLLaLtUtddiwww2sin2)(對式對式aawww)(sin220ttdLUdisLLIad整理后得：整理后得： dLLsIUL22cos)cos(waga下 頁上 頁返 回 線電流線電流isw wt0ucna aia1uanucnia21gaFg gF圖中的圖中的ia波形大致波形大致為梯形波，在這種為梯形波，在這種近似條件下有：近似條件下有：)2/cos(gaDPF位移功率因數(shù)為：

57、位移功率因數(shù)為： )cos(cos21gaaDPFAa aAa aw wt0iduanubnucnuPn351uNn246iaUd0w wt=00w wtw wt=0a auanubnucnuPnuNnw wt0iaw wt0uabucbubcuduanubnucnudaa audaw wt0uda aw wtw wtw wtw wtw wtw wt000000ududududududa aa aa aa aa a 00a a 6060a a 3030a a 9090a a 120120a a 150150a a 180180下 頁上 頁返 回 5.4.4 三相橋式整流電路的逆變運行三相橋式整

58、流電路的逆變運行 udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6IdF假定整流電路直假定整流電路直流側(cè)電流源具有恒流側(cè)電流源具有恒定的幅值定的幅值Id。 下 頁上 頁返 回 w wt0ucna aia1uanubnidg gUdudiaw wts s352164F F1 1F控 制 角控 制 角90oa a180o時的電壓、時的電壓、電流波形。電流波形。 根據(jù)下式可知，當根據(jù)下式可知，當90oa a180o時，時，Ud的平均值為負的平均值為負值。值。 dsLLdILUUpwap3cos23下 頁上 頁返 回 udNnPb-+LsLsLsacT5T3T1T2T4T6Ed+-Ld+ uL

59、 -功率方向功率方向id整整流流0Uda a1a a0a a2A A3=90a a4a a5Id逆逆變變f在恒定直流電壓下晶閘管整流器的逆變運行在恒定直流電壓下晶閘管整流器的逆變運行 下 頁上 頁返 回 w wt0ucna auanubnidg gupns s3521644uT5ucaw wt0a ap pLLU2F圖中晶閘管的圖中晶閘管的封鎖角度封鎖角度s s =180o-a a-g g大于晶閘管的大于晶閘管的關斷角度關斷角度w wtq。 下 頁上 頁返 回 5.4.5 交流側(cè)電壓波形交流側(cè)電壓波形 udNnPb-+Ls1Ls1Ls1acT5T3T1T2T4T6idCsLs2Ls2Ls2id

60、連連續(xù)續(xù)CsCscab線路上的線路上的其它設備其它設備吸收吸收電路電路F三相橋式整流電路三相橋式整流電路 下 頁上 頁返 回 0uanubnucnw wt0a ag gAn=2w wLsIduabw wtw wt =0LLU2asin2LLnUU An/2=2w wLsId在每個換流在每個換流期間，三相電期間，三相電壓中就有兩相壓中就有兩相電壓都會經(jīng)過電壓都會經(jīng)過自身線路的自身線路的Ls發(fā)生短路。發(fā)生短路。 線電壓的電壓跌落線電壓的電壓跌落 下 頁上 頁返 回 大功率整流電路要求有高電壓和大電流，只用一大功率整流電路要求有高電壓和大電流，只用一個三相橋式整流電路無法滿足負載的需