[語文]山東大學(xué)電力電子技術(shù)教材.doc

第三章 三相可控整流電路內(nèi)容提要與目的要求1了解三相半波（零式）、三相全控橋（三相半控橋）式整流電路的工作原理。2掌握不同整流電路的波形分析，區(qū)別不同性質(zhì)負(fù)載的特點(diǎn)。3掌握Ud=f()的關(guān)系及有關(guān)參數(shù)計算。4掌握三相半波、三相全控橋電感負(fù)載整流變壓器容量的計算。5掌握三相半波整流電路的換相分析。6了解大功率可控整流電路的結(jié)構(gòu)形式和基本原理。直流負(fù)載容量超過4kw,要求的直流電壓脈動較小時,應(yīng)采用三相可控整流電路,這樣可以避免因單相電路造成的三相電網(wǎng)不平衡,提高整流電路的供電質(zhì)量。三相可控整流電路的形式很多,有三相半波（三相零式）、三相全波（三相全控橋式和三相半控橋式）、雙反星形和多相整流電路等。三相半波是三相可控整流電路中最基本的電路結(jié)構(gòu),其它形式的電路都是三相半波電路的串聯(lián)或并聯(lián)組合。第一節(jié) 三相半波可控整流電路三相半波（三相零式）可控整流電路有兩種基本的結(jié)構(gòu)形式：三相半波共陰極組和三相半波共陽極組。為了得到零線,整流變壓器二次繞組必須接成星形。為了給三次諧波電流提供通路,減少高次諧波的影響,變壓器一次繞組應(yīng)當(dāng)接成三角形。 一、三相半波共陰極組可控整流電路三相半波共陰極組可控整流電路是三個單相半波可控整流電路的并聯(lián)組合,把三只晶閘管VT1、VT3、VT5的陰極接在一起成為共陰極,其陽極分別接在三相電源的 a、b、c相。共陰極作為輸出電壓ud的正極,三相電源的零點(diǎn)作為輸出電壓ud的負(fù)極。 （一）電阻性負(fù)載 三相半波共陰極組可控整流電路電阻性負(fù)載電路結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖中的Ra是變阻器,用來測量晶閘管通過的電流iT和變壓器二次側(cè)電流i2的波形。圖3-1 三相半波共陰極組可控整流電路電阻性負(fù)載 1.工作原理 自然換相點(diǎn) 在各相相電壓的/6處,即t1、t2、t3、t4點(diǎn),=0o 稱為自然換相點(diǎn)。 三相半波共陰極組自然換相點(diǎn)是三相相電壓正半周波形的交叉點(diǎn),自然換相點(diǎn)之間互差2/3,三相脈沖ug1、ug3、ug5也互差2/3。（1）=0o 時的波形分析圖3-2 三相半波共陰極組電阻性負(fù)載=0o 時的波形 三相半波共陰極組電阻性負(fù)載=0o 時的輸出電壓波形如圖3-2所示。三相脈沖ug1、ug3、ug5 分別在各對應(yīng)的自然換相點(diǎn)t1、t2、t3點(diǎn)觸發(fā)晶閘管VT1、VT3、VT5。任一時刻,只有承受高電壓的晶閘管元件才能被觸發(fā)導(dǎo)通,輸出電壓ud波形是相電壓的一部分,每周期脈動三次,是三相電壓正半波完整包絡(luò)線,輸出電流id與輸出電壓ud波形相同、相位相同（id=ud/Rd）。其它元件因VT1導(dǎo)通承受反向電壓而關(guān)斷。 t1點(diǎn): ug1觸發(fā)VT1,在t1t2區(qū)間, uaub、uauc, a相電壓最高,VT1 承受正向電壓而導(dǎo)通, 導(dǎo)通角T2/3, 輸出電壓udua。其它晶閘管承受反向電壓而不能導(dǎo)通。VT1通過的電流iT1與變壓器二次側(cè)電流i2a波形相同,大小相等,可由Ra兩端測得。 t2點(diǎn): ug3觸發(fā)VT3, 在t2t3區(qū)間, 由于uaub, VT3導(dǎo)通, udub。VT1兩端電壓uT1=ua-ub=- uab。 t3點(diǎn): ug5觸發(fā)VT5, 在t2t4區(qū)間, 由于uauc, VT5導(dǎo)通, uduc。VT1兩端電壓 uT1= ua-uc=- uac。一周期內(nèi),VT1只導(dǎo)通2/3, 其余4/3承受反向電壓而關(guān)斷。 共陰極組晶閘管承受反向電壓的規(guī)律是: 導(dǎo)通相依次減后兩相。根據(jù)這條規(guī)律,不用畫波形圖,就可以迅速判斷出晶閘管所承受的反向電壓。 當(dāng)0o時,觸發(fā)脈沖出現(xiàn)在自然換相點(diǎn)之前且脈沖寬度較窄時,會出現(xiàn)輸出電壓由高電壓突然變小的現(xiàn)象,三只晶閘管輪流間隔導(dǎo)通, 輸出電壓ud波形是（ua-uc-ub-ua）斷續(xù)的缺相波形,使電路工作不正常,為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生,電路不能工作在=0o。在實(shí)際應(yīng)用中,必須對最小控制角min進(jìn)行限制 。 （2）0o時的波形分析 選用白熾燈泡作為電阻負(fù)載接入主回路。利用示波器觀察不同角時的ud、uT、iT1等有關(guān)波形。用雙蹤示波器,可以同時觀察兩個波形,此時,應(yīng)注意雙蹤示波器的共地線問題,只用一根地線或把兩根地線接在一起,否則容易造成短路。 1）=30o,脈沖ug1、ug3、ug5分別在自然換相點(diǎn)t1、t2、t3點(diǎn)往后移相30o觸發(fā)晶閘管VT1、VT3、VT5,輸出電壓ud波形連續(xù), VT1導(dǎo)通角T2/3,如圖3-3所示。圖3-3 三相半波電阻性負(fù)載=30o 時的波形 2）=60o,脈沖ug1、ug3、ug5分別在自然換相點(diǎn)t1、t2、t3點(diǎn)往后移相60o觸發(fā)晶閘管VT1、VT3、VT5, 輸出電壓ud波形斷續(xù),VT1導(dǎo)通角減小T/2,晶閘管在電源電壓由正到負(fù)過零點(diǎn)自然關(guān)斷,輸出電壓ud波形不連續(xù), 出現(xiàn)了30o的斷續(xù)平臺, 在ud斷續(xù)區(qū)間, 晶閘管承受相電壓。斷續(xù)狀態(tài)下晶閘管的導(dǎo)通角T=5/6-2/3。如圖3-4所示。 圖3-4 三相半波電阻性負(fù)載=60o時的波形3）=90o, ug1、ug3、ug5分別在自然換相點(diǎn)t1、t2、t3點(diǎn)往后移相90o觸發(fā)晶閘管VT1、VT3、VT5, 輸出電壓ud波形仍然斷續(xù), VT1導(dǎo)通角T=/3,如圖3-5所示。圖3-5 三相半波電阻性負(fù)載=90o 時的波形 4）=120o, ug1、ug3、ug5分別在自然換相點(diǎn)t1、t2、t3點(diǎn)往后移相120o觸發(fā)晶閘管VT1、VT3、VT5, 輸出電壓ud波形仍然斷續(xù), VT1導(dǎo)通角T=/6,如圖3-6所示。 圖3-6 三相半波電阻性負(fù)載=120o時的波形當(dāng)=150o時, 輸出電壓Ud=0,晶閘管元件關(guān)斷,兩端電壓 uT1是電源相電壓正弦波形。 三相半波共陰極組電阻性負(fù)載,移相范圍是0o150o（5/6）。 2.參數(shù)計算 （1）輸出電壓平均值Ud =30o是ud波形連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn)。30o,輸出電壓ud波形連續(xù), 30o, ud波形斷續(xù),因此,計算輸出電壓平均值Ud時應(yīng)分兩種情況進(jìn)行。1）30o時,Ud=U2sintd（t）=1.17 U2cos 當(dāng)=0o時, Ud= Ud 0 =1.17 U2 2）30o時, Ud=U2sintd（t）= 0.675U21+ cos（/6+） 當(dāng)=150o時, Ud =0 （2）輸出電流平均值IdId = （3）晶閘管電流平均值IdTIdT = Id （4）晶閘管電流有效值IT1） 30o時IT =2）30o時 IT =（5）晶閘管元件兩端承受的電壓 最大正向電壓是變壓器二次相電壓的峰值,即晶閘管陽極與零線間的最高電壓。UFM =U2 最大反向電壓是變壓器二次線電壓的峰值。URM= U2 =U2。（二）電感性負(fù)載把直流電機(jī)的勵磁繞組或電抗器接入主回路,取代電阻性負(fù)載白熾燈泡,就構(gòu)成了電感性負(fù)載。三相半波共陰極組電感性負(fù)載如圖3-7所示。1.工作原理 （1）30o 時的波形分析 30o時, 輸出電壓ud波形、uT波形與電阻負(fù)載完全相同, 如圖3-2、圖3-3所示。由于負(fù)載電感的儲能作用, 輸出電流id是近似平直的直流波形,VT元件中分別流過幅度Id、寬度2/3的矩形波電流,導(dǎo)通角T=2/3。（2）30o 時的波形分析 1）=60o時的波形如圖3-8所示。負(fù)載電流id的大小變化,在負(fù)載電感Ld上產(chǎn)生了極性可以改變的感應(yīng)電勢EL,EL總是阻止id的變化。id趨于減小,EL極性改變以阻止id的減小,即使在電源電壓由正到負(fù)過零點(diǎn)進(jìn)入負(fù)半周以后，EL仍能使晶閘管承受正向電壓而導(dǎo)通,輸出電壓ud波形連續(xù),并出現(xiàn)負(fù)波形,沒有電阻負(fù)載時的波形斷續(xù)現(xiàn)象, 導(dǎo)通角仍然是T=2/3。圖3-8 =600時的波形2）=90o時的波形如圖3-9所示。=90o時, ud波形正負(fù)面積相等, 輸出電壓平均值Ud0。90o時, 仍然是Ud=0。此時,電路遵循單相半波可控整流電路電感負(fù)載時的導(dǎo)通規(guī)律。三相半波共陰極組電感性負(fù)載的移相范圍是0o90o（/2）。 圖3-9 =900時的波形 2.參數(shù)計算 （1）輸出電壓平均值 由于 ud波形是連續(xù)的,所以計算輸出電壓 Ud 時只需一個計算公式:Ud=U2sintd（t）=1.17 U2cos =0o時, Ud=1.17 U2 （2）輸出電流平均值Id =1.17 U2cos （3）晶閘管電流平均值IdT = Id （4）晶閘管電流有效值IT = I2 = Id =0.577 Id （5）晶閘管通態(tài)平均電流IT（AV）= IT/1.57=0.368 Id （6）晶閘管元件兩端承受的電壓最大正反向電壓是變壓器二次線電壓的峰值。UFM =URM= U2 =U2=2.45 U2。 （三） 三相半波共陰極組可控整流電路的特點(diǎn) 1.晶閘管主要工作在電源電壓正半周,主要承受反向電壓。 2.晶閘管換相總是換到陽極電位高的那一相。 3.三相脈沖互差120o,每2/3換相一次。 4.=30o是電阻性負(fù)載ud波形連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn);電感性負(fù)載ud波形連續(xù),沒有分界點(diǎn)。 二、三相半波共陽極組可控整流電路 把三只晶閘管VT4、VT6、VT2的陽極接成公共點(diǎn),陽極可以固定在同一個散熱器上,其陰極分別接在三相電源的 a、b、c相。共陽極作為輸出電壓的負(fù)極, 三相電源的零點(diǎn)作為輸出電壓的正極。三相半波共陽極組可控整流電路如圖3-10所示。圖3-10 三相半波共陽極組可控整流電路1.工作原理 自然換相點(diǎn) 三相半波共陽極組自然換相點(diǎn)是三相電源負(fù)半波的交叉點(diǎn),在各相相電壓的+/6處,即t1、t2、t3點(diǎn), 自然換相點(diǎn)之間互差2/3,三相脈沖ug4、ug6、ug2互差2/3。 （1）=0o 時的波形分析 如圖3-11 所示。三相脈沖 ug4、ug6、ug2分別在各對應(yīng)的自然換相點(diǎn)t1、t2、t3點(diǎn)觸發(fā)晶閘管VT4、VT6、VT2。任一時刻,只有陰極電位低的晶閘管才能被觸發(fā)導(dǎo)通, 輸出電壓ud波形是相電壓的一部分, 每周期脈動三次,是電源電壓負(fù)半周的完整包絡(luò)線, 其它元件承受反向電壓而關(guān)斷。圖3-11 三相半波共陽極組=00 時的波形 ug4在t1點(diǎn)觸發(fā)晶閘管VT4,在t1t2區(qū)間, uaub、uauc,VT4承受正向電壓而導(dǎo)通,導(dǎo)通角T2/3, 輸出電壓ud-ua,其它晶閘管承受反向電壓而關(guān)斷。 t2點(diǎn), ug6觸發(fā)晶閘管VT6, 在t2t3區(qū)間, 由于ubua, VT6導(dǎo)通, ud-ub, VT4兩端電壓 uT4= ub- ua =-uba。t3點(diǎn), ug2觸發(fā)晶閘管VT2, 在t2t4區(qū)間, 由于ucua, VT2導(dǎo)通, ud-uc, VT1兩端電壓 uT1= uc- ua =-uca。一周期內(nèi),每只晶閘管只導(dǎo)通2/3, 其余4/3承受反向電壓而關(guān)斷。 共陽極組晶閘管承受反向電壓的規(guī)律是: 后兩相依次減導(dǎo)通相。 （2）=30o 時的波形分析 ug4、ug6、ug2分別在各對應(yīng)自然換相點(diǎn)t1、t2、t3點(diǎn)后移30o觸發(fā)晶閘管VT4、VT6、VT2。輸出電壓ud波形連續(xù), VT4導(dǎo)通角T2/3,如圖3-12所示。30o,電阻性負(fù)載和電感性負(fù)載的ud、uT波形相同,只是通過的電流波形不同。圖3-12 三相半波共陽極組=300 時的波形 （3）30o 時的波形分析30o, 電阻性負(fù)載輸出電壓ud波形斷續(xù), VT4導(dǎo)通角T2/3,移相范圍是150o。 電感性負(fù)載輸出電壓ud波形連續(xù),VT4導(dǎo)通角仍然是T2/3, 移相范圍是90o,如圖3-13所示。（a）=600 （b）=90o圖3-13 三相半波共陽極組電感性負(fù)載30o 時的波形2.參數(shù)計算 電感性負(fù)載時輸出電壓平均值是Ud=U2sintd（t）=-1.17 U2cos 當(dāng)=90o時, Ud=0。 3. 三相半波共陽極組可控整流電路的特點(diǎn) （1）晶閘管主要工作在電源電壓負(fù)半波,主要承受反向電壓。 （2）晶閘管元件換相總是換到陰極電位低的那一相。 （3）三相脈沖互差120o,每2/3換相一次。（4）電阻性負(fù)載Ud波形斷續(xù), =30o是分界點(diǎn),電感性負(fù)載ud波形連續(xù),沒有分界點(diǎn)。 三、 三相半波可控整流電路的優(yōu)、缺點(diǎn) 1.優(yōu)點(diǎn):電路簡單,容易調(diào)整,三相電源平衡,有時可不用整流變壓器。 2.缺點(diǎn):變壓器二次繞組流過單方向電流,存在直流磁化,變壓器利用率低。 四、 三相半波共陰極組可控整流電路的故障現(xiàn)象1. =0o時,有一相脈沖丟失或有一相電源缺相,ud波形只有兩次脈動,即有一只元件不導(dǎo)通,輸出電壓就缺少一次脈動,如圖3-14所示（a）、（b）。 2. =0o,脈沖丟失晶閘管元件兩端的波形如圖3-14（c）所示。（a）電阻性負(fù)載 （b）電感性負(fù)載 （c）脈沖丟失時晶閘管元件兩端的波形圖3-14 電源缺相或脈沖丟失時的輸出電壓的波形第二節(jié) 三相全波可控整流電路 一、 三相全控橋式整流電路 三相全控橋式整流電路是三相半波共陰極組和三相半波共陽極組的串聯(lián)組合, 共陰極是輸出電壓的正極, 共陽極是輸出電壓的負(fù)極。變壓器二次繞組流過正負(fù)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。 （一） 電感性負(fù)載 三相全控橋式整流電路電感性負(fù)載如圖3-15所示。圖3-15 三相全控橋式電感性負(fù)載 1.工作原理 （1）=0o時的波形分析 自然換相點(diǎn) 線電壓自然換相點(diǎn)=0o在各線電壓的/3處。根據(jù)相電壓自然換相點(diǎn),將一周期相電壓分為六個區(qū)間, 然后在各個區(qū)間找出最高、最低相電壓和各相對應(yīng)的晶閘管元件, 利用表格法分析三相全控橋的工作原理, 如表2-1所示。輸出電壓Ud每周期脈動六次,是線電壓正半波完整包絡(luò)線, Ud是各區(qū)間最高相電壓與最低相電壓瞬時值之差, =0o時的波形如圖3-16所示。表3-1 三相全控橋工作原理表格分析法區(qū) 間最高電壓最低電壓導(dǎo)通元件輸出電壓ud換相元件1uaubVT1、 VT6ua- ub= uabVT1、 VT62uaucVT1、 VT2ua- uc= uacVT1、 VT23ubucVT3、 VT2ub- uc=ubcVT3、 VT24ubuaVT3、 VT4ub- ua=ubaVT3、 VT45ucuaVT5、 VT4uc- ua=ucaVT5、 VT46ucubVT5、 VT6uc- ub=ucbVT5、 VT61uaubVT1、 VT6ua- ub=uabVT1、 VT6圖3-16 三相全控橋式電感性負(fù)載=00時的波形 晶閘管元件導(dǎo)通的規(guī)律: 任何時候共陰、共陽極組各有一只元件同時導(dǎo)通才能形成電流通路; 晶閘管導(dǎo)通角T=2/3,與控制角無關(guān); 共陰極組元件的換相順序是1、3、5,共陽極組的換相順序是4、6、2,全控橋電路的換相順序是1、2、3、4、5、6、1 對觸發(fā)脈沖寬度的要求: 60o120o。 60o,電流不能形成通路;120o,在逆變電路中會造成逆變失敗。實(shí)際應(yīng)用中采用寬脈沖和雙窄脈沖觸發(fā)方式。 觸發(fā)脈沖相位關(guān)系:相鄰相脈沖互差2/3; 同一相脈沖互差; 相鄰脈沖互差/3。 （2）0o時的波形分析 塑料廠大型吹塑機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備,主回路采用三相全控橋式整流電路。用雙蹤示波器觀察整流電路電感性（反電勢）負(fù)載0o時的波形。 =30o時的波形,如圖3-17所示。圖3-17 三相全控橋電感性負(fù)載=300時的波形 =60o時的波形,如圖3-18所示,自然換相點(diǎn)的相電壓瞬時值相等,所以線電壓為零,輸出電壓ud波形連續(xù),沒有出現(xiàn)負(fù)波形。 圖3-18 三相全控橋電感性負(fù)載=600時的波形=90o時,由于負(fù)載電感感應(yīng)電勢的作用,輸出電壓ud波形出現(xiàn)負(fù)波形,并正、負(fù)面積相等輸出電壓平均值為零, 如圖3-19所示。三相全控橋電感性負(fù)載移相范圍為0o90o。 圖3-19 三相全控橋式電感性負(fù)載=900時的波形2.參數(shù)計算（1）輸出電壓平均值 由于 ud波形是連續(xù)的,所以輸出電壓平均值的表達(dá)式為Ud=U2sintd（t）=2.34 U2cos=1.35 U2Lcos=0o時, Ud=2.34U2。Ud也可以用共陰極組、共陽極組輸出電壓平均值直接相減:Ud=1.17U2cos-（-）1.17 U2cos=2.34 U2cos=1.35 U2Lcos （2）輸出電流平均值Id =2.34U2cos （3）晶閘管電流平均值IdT = Id （4）晶閘管電流有效值IT = Id =0.577 Id （5）變壓器二次電流有效值I2 = IT = Id =0.816 Id （6）晶閘管通態(tài)平均電流IT（AV）= IT/1.57=0.368 Id （7）晶閘管元件兩端承受的電壓 最大正反向電壓是變壓器二次線電壓的峰值。UFM =URM= U2 =U2=2.45 U2。 （二） 電阻性負(fù)載把三相全控橋式整流電路的輸出接上功率大于100W的白熾燈泡, 電阻性負(fù)載就變成了電阻性負(fù)載。用雙蹤示波器觀察不同角時的輸出電壓ud和元件兩端uT1波形。1. 工作原理60o時的ud、uT波形與電感性負(fù)載時相同,ud波形連續(xù),60o時ud波形斷續(xù)。=90o時的波形如圖3-20所示。=120o時, 輸出電壓為零ud=0。三相全控橋式電阻性負(fù)載移相范圍為0o120o。圖3-20 三相全控橋式電阻性負(fù)載=900時的波形 2.參數(shù)計算 由于=60o是輸出電壓Ud波形連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn),輸出電壓平均值應(yīng)分兩中情況計算: （1）60oUd=U2sintd（t）=2.34U2cos=1.35U2Lcos 當(dāng)=0o時, Ud= Ud 0 =2.34U2 （2）60oUd=U2sintd（t）= 2.34U21+ cos（/3+）當(dāng)=120o時, Ud =0（三）三相全控橋整流電路的特點(diǎn)1.任何時候共陰極組、共陽極組各有一只元件導(dǎo)通,才能形成電流通路。2. 共陰極組120o換相一次, 共陽極組120o換相一次,整個電路60o換相一次。3. 共陰極組換相順序是1、3、5, 共陽極組換相順序是4、6、2, 整個電路換相順序是: 1、2、3、4、5、6、1（四）三相全控橋整流電路故障波形分析1. 一只元件不通（如脈沖丟失或快熔熔斷）,ud波形缺少兩次脈動, =0o時的ud波形如圖3-21 所示。 2. 一相電源缺相（如快熔熔斷）, ud波形缺少四次脈動,相當(dāng)于線電壓的全波整流, =0o時的ud波形如圖3-22 所示。圖3-21 =0o一只元件不通時故障波形 圖3-22 =0o一相電源缺相時的故障波形三相半控橋式可控整流電路三相半波可控共陰極組與不控共陽極組串聯(lián)組合構(gòu)成了三相半控橋式可控整流電路,如圖3-23 所示。只需要三套觸發(fā)器。圖3-23 三相半控橋式可控整流電路 （一）電阻性負(fù)載1.工作原理=0o時, 工作原理與三相全控橋式可控整流電路相同,輸出電壓每周期脈動六次, ud波形是線電壓正半周完整包絡(luò)線。0o時, 共陰極組是可控?fù)Q相, 共陽極組是自然換相。=30o時的ud波形如圖3-24所示。圖3-24 =30o時的ud波形 =60o時的ud波形如圖3-25所示。=60o時輸出電壓每周期脈動三次,=60o是ud波形連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn)。 圖3-25 =60o時的ud波形 60o時輸出電壓波形斷續(xù), =90o時的ud波形如圖3-26所示。圖3-26 =90o時的ud波形 =120o時的ud波形如圖3-27所示。 圖3-27 =120o時的ud波形 2.參數(shù)計算 ud波形連續(xù)和斷續(xù),只有一個輸出電壓表達(dá)式, 輸出電壓平均值為Ud=2.34U2=1.35U2L （二）電感性負(fù)載輸出電壓波形與電阻性負(fù)載波形相同,不會出現(xiàn)負(fù)波形,輸出電壓平均值與電阻性負(fù)載計算相同。通過元件的電流波形為矩形波。線電壓過零變負(fù)時晶閘管元件不關(guān)斷,負(fù)載電感中的能量通過晶閘管和二極管的串聯(lián)回路續(xù)流。失控問題:觸發(fā)脈沖突然切除,會出現(xiàn)一只晶閘管元件不關(guān)斷,另三只二極管輪流導(dǎo)通的失控現(xiàn)象,解決失控的方法是加續(xù)流二極管。三相半控橋帶直流電動機(jī)負(fù)載,為保證電流連續(xù)需加平波電抗器,于是仍屬于電感性負(fù)載,分析方法與電感性負(fù)載相同,為防止失控,應(yīng)加續(xù)流二極管第三節(jié) 整流電路的換相分析與直流電動機(jī)的機(jī)械特性 一、換相分析 什么是換相? 換相是晶閘管的電流從一相換到另一相的過程。 理想換相不考慮變壓器漏感LB的影響,LB=0, 電流可以突變。而實(shí)際換相時,由于變壓器漏感不為零LB0,電流不能突變,兩相晶閘管有同時導(dǎo)電的重疊導(dǎo)通現(xiàn)象,于是產(chǎn)生換相電流ik。晶閘管重疊導(dǎo)通的角度稱為換相重疊角。換相重疊期間,輸出電壓波形減少一塊陰影面積,這快陰影面積的電壓稱為換相壓降,換相壓降Ud是由負(fù)載電流Id換相引起的,其大小與Id有關(guān)系。 1.換相過程分析以晶閘管從a相換到b相為例,VT1已觸發(fā)導(dǎo)通。當(dāng)30o時觸發(fā)VT3, VT1不立即關(guān)斷,ia=Id逐漸減小到零;VT3不立即導(dǎo)通,ib=0逐漸增加到Id,電流換相重疊時間為。換相過程中,兩個晶閘管同時導(dǎo)通,相當(dāng)于a、b兩相電壓短路,在 uba電壓作用下產(chǎn)生短路電流ik,a相電流ia=Id-ik,b相電流ib=ik,當(dāng) ia=0, ib= Id時, a 、b相之間完成了換流,如圖3-28 所示。a) 電路圖 b) 等效電路圖c) 波形圖圖3-28 變壓器漏感對整流電路的影響換相期間變壓器漏感LB兩端的電壓 ub-ua=2LB LB=1/2（ub-ua）2. 換相期間的整流電壓 根據(jù)換相等效電路寫出換相整流電壓ud = ub-LB = ua+LB=1/2（ub+ua） 因?yàn)?ua=u2sint， ub=u2sin（t-2/3） 所以 ud =u2sin（t-/3） 3. 換相壓降 已知換相期間的整流電壓 ud,用換相區(qū)間的相電壓 ub減去換相整流電壓 ud,然后在換相重疊角區(qū)間求出電壓平均值Ud:Ud=XBId=XBId式中: m=3,每周期換相次數(shù)。單相雙半波電路m=2,三相半波m=3, 三相橋式電路m=6。 XB=Udl, U2e,I2e為變壓器二次額定電壓電流, 變壓器短路比Udl=512。4.換相重疊角 根據(jù)負(fù)載電流表達(dá)式 Id=sincos-cos（+） 則 cos-cos（+）= 當(dāng) 一定時, XB 、Id增大,則增大,換流時間增大,大電流時更要考慮重疊角的影響。 XB 、Id一定時, 隨 角的增大而減小。 換相重疊角可直接由下式求得:= cos-1（cos-）- 5.變壓器漏感LB存在的優(yōu)、缺點(diǎn) （1）優(yōu)點(diǎn):限制短路電流,限制電流變化率di/dt 。 （2）缺點(diǎn):引起電網(wǎng)波形畸變,影響其它負(fù)載;出現(xiàn)電壓缺口,du/dt加大;功率因數(shù)降低。 （3）輸出電壓脈動大,降低了電壓調(diào)整率。 二、晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性反電勢負(fù)載的特點(diǎn): 對于反電勢負(fù)載,電動機(jī)除了自身的電阻、電感外,還存在有反電勢。因此,晶閘管加脈沖能否觸發(fā)導(dǎo)通的關(guān)鍵問題是變壓器二次電壓u2與電感電勢EL和反電勢E代數(shù)和的大小, u2EL+ E,則元件導(dǎo)通,否則,元件不通?；芈分胁煌笮〉碾姼辛恐苯佑绊憣?dǎo)通角,也就是影響負(fù)載電流是否連續(xù)。L=0,屬于純反電勢,負(fù)載電流不連續(xù),具有電阻性負(fù)載特點(diǎn),電流可以突變。L0,又不足夠大,導(dǎo)通角有所增大, 負(fù)載電流仍不連續(xù),電流不能突變。L, 反電勢負(fù)載,工作原理與電感性負(fù)載分析相同,電流連續(xù),導(dǎo)通角T=2/3。反電勢負(fù)載電路中,電流Id由負(fù)載轉(zhuǎn)矩決定。整流電路直流電壓平衡方程式為 Ud=E+（RB+Rm+）Id+U晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài):一種是負(fù)載電流較大時的電流連續(xù)狀態(tài); 另一種則是負(fù)載電流較小（輕載或空載）時的電流斷續(xù)狀態(tài)。 （一）電流連續(xù)時的機(jī)械特性 電流連續(xù)條件: T=2/3, id= Id。 三相半波整流電路直流電壓平衡方程式為Ud=E+（RB+Rm+）Id+U 式中: Ud=1.17 U2cos E=Cen 則 E = Ud -（RB+Rm+）Id-U 電流連續(xù)時的機(jī)械特性為n = -（RB+Rm+）Id+U = n0 - n式中: n0 理想空載轉(zhuǎn)速, n速降。電流連續(xù)時的直流電動機(jī)的機(jī)械特性是線性的, 機(jī)械特性硬,帶負(fù)載能力強(qiáng)。 隨著電動機(jī)負(fù)載電流的增大,轉(zhuǎn)降n增大,n越大,機(jī)械特性越軟,如圖3-29 所示。a) 電路圖 b) 連續(xù)機(jī)械特性圖3-29 電流連續(xù)時直流電動機(jī)的機(jī)械特性（二）電流斷續(xù)時的機(jī)械特性電流斷續(xù)條件: T2/3, id Idmin。電流斷續(xù)時,不存在晶閘管的重疊換相問題,mXB/2=0,換相壓降為零?；芈冯娮韬苄?在小電流（輕載）情況下可以忽略不計,即RB=0,Rm=0。三相半波整流電路瞬時電壓平衡方程式為ud=E+Ldi/dt 式中: ud=u2sint,則 L di/dt = u2sint- E求得n、Id表達(dá)式,即可作出電流斷續(xù)時的機(jī)械特性如圖 3-30 所示,呈現(xiàn)非線性。電流斷續(xù)時直流電動機(jī)的機(jī)械特性變軟,理想空載轉(zhuǎn)速升高,帶負(fù)載能力差。實(shí)際應(yīng)用中,主回路必須串平波電抗器,以減小最小連續(xù)電流,使電動機(jī)始終保持工作在電流連續(xù)狀態(tài),提高直流電動機(jī)的機(jī)械特性硬度。a)電路圖 b) 機(jī)械特性圖3-30 電流斷續(xù)時直流電動機(jī)的機(jī)械特性最小連續(xù)電流（臨界電流）Idmin : 電動機(jī)在最小負(fù)載情況下也能保持電流連續(xù)的電流叫做最小連續(xù)電流,即在機(jī)械特性上斷續(xù)和連續(xù)交界點(diǎn)。臨界電感L:=/2時,臨界電流最大,工程上規(guī)定為最小連續(xù)電流。保證最小電流連續(xù)的電感量叫做臨界電感。 三相半波主回路電感量:L=1.46 U2/ Idmin（mH） 三相全控橋主回路電感量:L=0.693 U2/ Idmin（mH） 式中: Idmin=（510）Id。 主回路電感量L包括變壓器的漏感LB,電動機(jī)的電樞電感Lm和平波電抗器的電感Ld。 平波電抗器的電感量為Ld= L- LB- Lm（mH） （三）機(jī)械特性變軟的原因電動機(jī)輕載或平波電抗器電感不足夠大,出現(xiàn)電流斷續(xù),斷續(xù)期間,Ud=E,電動機(jī)轉(zhuǎn)速n不能突變,反電勢E保持不變,使平均電壓增高,ud波形與反電勢E即轉(zhuǎn)速有關(guān),如圖3-31所示。圖3-31 電流斷續(xù)時的波形 1. id電流斷續(xù),ud 負(fù)面積減小或消失,斷續(xù)期間Ud=E,在輸出相同電流Id的情況下, Ud上升,轉(zhuǎn)速n上升,機(jī)械特性變軟。 2. id電流斷續(xù),T2/3, id為脈沖波,底部變窄,為產(chǎn)生一定的Id值, id 峰值必須加大,于是要求Ud-E的差值大,即反電勢E減小, 轉(zhuǎn)速n減小, 機(jī)械特性變軟。第四節(jié) 三相可控整流電路整流變壓器的參數(shù)計算 變壓器的參數(shù)計算方法 首先計算變壓器的二次容量S1,然后計算變壓器的一次容量S2,最后計算變壓器的設(shè)計容量SB, SB=1/2（S1+S2）。令=0o, Pd= Udmax Id。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮最小min，電網(wǎng)波動系數(shù)等。 一、三相半波整流電路變壓器參數(shù)計算 1.變壓器二次側(cè)相電壓有效值U2 Ud=1.17 U2cos 當(dāng)=0o時, Udmax= Ud0 =1.17 U2則 U2= Udmax/1.17 2.變壓器二次側(cè)相電流有效值I2I2= Id 3.變壓器二次側(cè)視在功率S2S2=3 U2 I2=3 Udmax/1.17 Id=1.48Pd 4.變壓器一次側(cè)相電壓有效值U1U1 =k U2= k Udmax/1.175.變壓器一次側(cè)相電流有效值I1I1 = Id=0.471 Id/k 6.變壓器一次側(cè)視在功率S1S1=3 U1 I1=3 k U2 Id = Udmax/1.17 Id=1.21 Pd 7.變壓器設(shè)計容量SBSB=1/2（S1+S2）=1/2（1.21+1.48）Pd=1.35 Pd變壓器二次容量大于一次容量是由于變壓器二次流過單方向電流,變壓器存在直流磁化,增大了變壓器的設(shè)計容量。 二、三相全控橋式整流電路變壓器參數(shù)計算 1.變壓器二次側(cè)相電壓有效值U2 Ud=2.34 U2cos 當(dāng)=0o時, Udmax= Ud0 =2.34 U2則U2= Udmax/2.34 2.變壓器二次側(cè)相電流有效值I2I2= Id 3.變壓器二次側(cè)視在功率S2 S2=3 U2 I2=3 Udmax/2.34 Id =1.05Pd 4.變壓器一次側(cè)相電壓有效值U1 U1 =k U2= k Udmax/2.34 5.變壓器一次相電流有效值I1 I1 = I2/k 6.變壓器一次側(cè)側(cè)視在功率S1 S1=3 U1 I1=3 k U2 I2/k =3 U2 I2 =1.05 Pd 7.變壓器設(shè)計容量SB SB=1/2（S1+S2）= S1= S2=1.05 Pd變壓器二次側(cè)容量等于一次容量是由于變壓器二次側(cè)流過正反兩個方向的電流,變壓器不存在直流磁化,降低了變壓器的設(shè)計容量。第五節(jié) 大功率可控整流電路在大功率整流設(shè)備中,為了得到高電壓、大電流,提高輸出電壓脈動率和供電質(zhì)量,常把基本整流電路單元（三相半波或三相全控橋）進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)聯(lián)結(jié)。 串聯(lián)聯(lián)結(jié),適合于高電壓小電流設(shè)備; 并聯(lián)聯(lián)結(jié), 適合于低電壓大電流設(shè)備。在串聯(lián)和并聯(lián)時,利用變壓器二次繞組的極性或相位差,或著共陰、共陽極組的極性差、相位差來消除直流安匝,增加輸出電壓脈動率,消除低次諧波電壓及電流。相位互差60o的電源電壓,可以得到六相整流電壓; 相位互差30o的電源電壓,可以得到十二相整流電壓; 相位互差10o的電源電壓,可以得到三十六相整流電壓。三相橋式整流電路等效于六相整流電路,兩組三相橋式電路相位互差300,則能獲得十二相整流。一、帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路在電解電鍍工業(yè)應(yīng)用中,經(jīng)常需要幾十伏、上萬安的低壓大電流可調(diào)直流電源,此時,可采用帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路。某些直流焊接設(shè)備,也采用這種電路結(jié)構(gòu)。（一）電路結(jié)構(gòu) 如圖3-32所示,雙反星形可控整流電路是兩個三相半波共陰極組的并聯(lián)組合。整流變壓器二次側(cè)有兩個三相繞組,一個三相繞組頭端接成星點(diǎn); 另一個三相繞組尾端接成星點(diǎn)。同一個鐵芯上的兩個繞組,匝數(shù)相等,極性相反,故稱雙反星形。兩個星點(diǎn)之間接一帶有中心抽頭的平衡電抗器Lp。中心抽頭是Ud的負(fù)極,共陰極點(diǎn)是Ud 的正極。圖3-32 雙反星形可控整流電路 （二）工作原理VT1、VT3、VT5陽極分別接三相電源的a、b、c相, 共陰極點(diǎn)為d1; VT4、VT6、VT2陽極分別接三相電源a、b、c相, 共陰極點(diǎn)為d2。平衡電抗器Lp的作用是利用Lp的平衡電壓up來保證兩個共陰極組各有一只晶閘管承受相同電壓而導(dǎo)通,每組通過50Id一半的負(fù)載電流,遵循三相半波共陰極組電路的工作規(guī)律。如圖3-33所示。3-33 雙反星形可控整流電路波形 t1點(diǎn): ubua, VT6導(dǎo)通,負(fù)載電流id上升。 id的電流回路: id電流由電源 b VT6 L RdLp02 形成電流回路。電流id上升, Lp阻止電流變化, Lp兩端感應(yīng)出左正右負(fù)極性的up電壓。 up分別與ub、 ua相電壓疊加, ub-up= ua+up,使VT6 、VT1同時承受相等的電壓而導(dǎo)通。 t2點(diǎn): ub =ua, up=0。 t2點(diǎn)后: ubua, up極性改變左負(fù)右正,仍能使VT6 、VT1承受相等電壓而同時導(dǎo)通。 t3點(diǎn): VT6換流到VT2。晶閘管均按三相半波電路規(guī)律導(dǎo)通,瞬時電壓差被Lp吸收。在雙反星形整流電路中,兩組輸出電壓平均值相等,Ud1=Ud2,但瞬時值不相等,ud1ud2,兩個星點(diǎn)之間的電壓就是平衡電抗器兩端的電壓up,其波形是三倍頻的近似三角波。up產(chǎn)生的環(huán)流ip又稱平衡電流,ip通過兩組星形自成回路,不經(jīng)過負(fù)載,環(huán)流實(shí)際上就是平衡電抗器的激磁電流,最大環(huán)流為1/2Id。因此,計算平衡電抗器的Lp時可根據(jù)最小負(fù)載電流Idmin求得。在小電流情況下, 如果Id與環(huán)流相等,工作中的一個晶閘管關(guān)斷,電路會失去并聯(lián)導(dǎo)電的性能而轉(zhuǎn)入六相半波的工作狀態(tài),輸出電壓平均值Ud增高。因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免IdIdmin。（三）參數(shù)計算1.輸出電壓表達(dá)式根據(jù)t1時的瞬時電壓方向,確定直流輸出電壓表達(dá)式