语文山东大学电力电子技术教材3Word文档下载推荐.docx
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ug1触发VT1,在ωt1～ωt2区间,ua＞ub、ua＞uc,a相电压最高,VT1承受正向电压而导通,导通角θT＝2π/3,输出电压ud＝ua。
其它晶闸管承受反向电压而不能导通。
VT1通过的电流iT1与变压器二次侧电流i2a波形相同,大小相等,可由Ra两端测得。
ωt2点:
ug3触发VT3,在ωt2～ωt3区间,由于ua＜ub,VT3导通,ud＝ub。
VT1两端电压uT1=ua-ub=-uab。
ωt3点:
ug5触发VT5,在ωt2～ωt4区间,由于ua＜uc,VT5导通,ud＝uc。
VT1两端电压uT1=ua-uc=-uac。
一周期内,VT1只导通2π/3,其余4π/3承受反向电压而关断。
共阴极组晶闸管承受反向电压的规律是:
导通相依次减后两相。
根据这条规律,不用画波形图,就可以迅速判断出晶闸管所承受的反向电压。
当α＜0o时,触发脉冲出现在自然换相点之前且脉冲宽度较窄时,会出现输出电压由高电压突然变小的现象,三只晶闸管轮流间隔导通,输出电压ud波形是（ua-uc-ub-ua…）断续的缺相波形,使电路工作不正常,为了防止这种现象的发生,电路不能工作在α=0o。
在实际应用中,必须对最小控制角αmin进行限制。
（2）α≠0o时的波形分析
选用白炽灯泡作为电阻负载接入主回路。
利用示波器观察不同α角时的ud、uT、iT1等有关波形。
用双踪示波器,可以同时观察两个波形,此时,应注意双踪示波器的共地线问题,只用一根地线或把两根地线接在一起,否则容易造成短路。
1）α=30o,脉冲ug1、ug3、ug5分别在自然换相点ωt1、ωt2、ωt3点往后移相30o触发晶闸管VT1、VT3、VT5,输出电压ud波形连续,VT1导通角θT＝2π/3,如图3-3所示。
图3-3三相半波电阻性负载α=30o时的波形
2）α=60o,脉冲ug1、ug3、ug5分别在自然换相点ωt1、ωt2、ωt3点往后移相60o触发晶闸管VT1、VT3、VT5,输出电压ud波形断续,VT1导通角减小θT＝π/2,晶闸管在电源电压由正到负过零点自然关断,输出电压ud波形不连续,出现了30o的断续平台,在ud断续区间,晶闸管承受相电压。
断续状态下晶闸管的导通角θT=5π/6-α＜2π/3。
如图3-4所示。
图3-4三相半波电阻性负载α=60o时的波形
3）α=90o,ug1、ug3、ug5分别在自然换相点ωt1、ωt2、ωt3点往后移相90o触发晶闸管VT1、VT3、VT5,输出电压ud波形仍然断续,VT1导通角θT=π/3,如图3-5所示。
图3-5三相半波电阻性负载α=90o时的波形
4）α=120o,ug1、ug3、ug5分别在自然换相点ωt1、ωt2、ωt3点往后移相120o触发晶闸管VT1、VT3、VT5,输出电压ud波形仍然断续,VT1导通角θT=π/6,如图3-6所示。
图3-6三相半波电阻性负载α=120o时的波形
当α=150o时,输出电压Ud=0,晶闸管元件关断,两端电压uT1是电源相电压正弦波形。
三相半波共阴极组电阻性负载,移相范围是0o～150o（5π/6）。
2.参数计算
（1）输出电压平均值Ud
α=30o是ud波形连续和断续的分界点。
α≤30o,输出电压ud波形连续,α＞30o,ud波形断续,因此,计算输出电压平均值Ud时应分两种情况进行。
1）α≤30o时,
Ud=
U2sinωtd（ωt）=1.17U2cosα
当α=0o时,Ud=Ud0=1.17U2
2）α＞30o时,
U2sinωtd（ωt）=0.675U2〔1+cos（π/6+α）〕
当α=150o时,Ud=0
（2）输出电流平均值Id
Id=
（3）晶闸管电流平均值IdT
IdT=
Id
（4）晶闸管电流有效值IT
1）α≤30o时
IT=
=
2）α＞30o时
（5）晶闸管元件两端承受的电压
最大正向电压是变压器二次相电压的峰值,即晶闸管阳极与零线间的最高电压。
UFM=
U2
最大反向电压是变压器二次线电压的峰值。
URM=
×
U2=
U2。
（二）电感性负载
把直流电机的励磁绕组或电抗器接入主回路,取代电阻性负载白炽灯泡,就构成了电感性负载。
三相半波共阴极组电感性负载如图3-7所示。
1.工作原理
（1）α≤30o时的波形分析
α≤30o时,输出电压ud波形、uT波形与电阻负载完全相同,如图3-2、图3-3所示。
由于负载电感的储能作用,输出电流id是近似平直的直流波形,VT元件中分别流过幅度Id、宽度2π/3的矩形波电流,导通角θT=2π/3。
（2）α＞30o时的波形分析
1）α=60o时的波形如图3-8所示。
负载电流id的大小变化,在负载电感Ld上产生了极性可以改变的感应电势EL,EL总是阻止id的变化。
id趋于减小,EL极性改变以阻止id的减小,即使在电源电压由正到负过零点进入负半周以后，EL仍能使晶闸管承受正向电压而导通,输出电压ud波形连续,并出现负波形,没有电阻负载时的波形断续现象,导通角仍然是θT=2π/3。
图3-8α=600时的波形
2）α=90o时的波形如图3-9所示。
α=90o时,ud波形正负面积相等,输出电压平均值Ud≈0。
α＞90o时,仍然是Ud=0。
此时,电路遵循单相半波可控整流电路电感负载时的导通规律。
三相半波共阴极组电感性负载的移相范围是0o～90o（π/2）。
图3-9α=900时的波形
（1）输出电压平均值由于ud波形是连续的,所以计算输出电压Ud时只需一个计算公式:
α=0o时,Ud=1.17U2
（2）输出电流平均值
1.17U2cosα
（3）晶闸管电流平均值
（4）晶闸管电流有效值
IT=I2=
Id=0.577Id
（5）晶闸管通态平均电流
IT（AV）=IT/1.57=0.368Id
（6）晶闸管元件两端承受的电压
最大正反向电压是变压器二次线电压的峰值。
UFM=URM=
U2=2.45U2。
（三）三相半波共阴极组可控整流电路的特点
1.晶闸管主要工作在电源电压正半周,主要承受反向电压。
2.晶闸管换相总是换到阳极电位高的那一相。
3.三相脉冲互差120o,每2π/3换相一次。
4.α=30o是电阻性负载ud波形连续和断续的分界点;
电感性负载ud波形连续,没有分界点。
二、三相半波共阳极组可控整流电路
把三只晶闸管VT4、VT6、VT2的阳极接成公共点,阳极可以固定在同一个散热器上,其阴极分别接在三相电源的a、b、c相。
共阳极作为输出电压的负极,三相电源的零点作为输出电压的正极。
三相半波共阳极组可控整流电路如图3-10所示。
图3-10三相半波共阳极组可控整流电路
自然换相点三相半波共阳极组自然换相点是三相电源负半波的交叉点,在各相相电压的π+π/6处,即ωt1、ωt2、ωt3点,自然换相点之间互差2π/3,三相脉冲ug4、ug6、ug2互差2π/3。
（1）α=0o时的波形分析
如图3-11所示。
三相脉冲ug4、ug6、ug2分别在各对应的自然换相点ωt1、ωt2、ωt3点触发晶闸管VT4、VT6、VT2。
任一时刻,只有阴极电位低的晶闸管才能被触发导通,输出电压ud波形是相电压的一部分,每周期脉动三次,是电源电压负半周的完整包络线,其它元件承受反向电压而关断。
图3-11三相半波共阳极组α=00时的波形
ug4在ωt1点触发晶闸管VT4,在ωt1～ωt2区间,ua＜ub、ua＜uc,VT4承受正向电压而导通,导通角θT＝2π/3,输出电压ud＝-ua,其它晶闸管承受反向电压而关断。
ωt2点,ug6触发晶闸管VT6,在ωt2～ωt3区间,由于ub＜ua,VT6导通,ud＝-ub,VT4两端电压uT4=ub-ua=-uba。
ωt3点,ug2触发晶闸管VT2,在ωt2～ωt4区间,由于uc＜ua,VT2导通,ud＝-uc,VT1两端电压uT1=uc-ua=-uca。
一周期内,每只晶闸管只导通2π/3,其余4π/3承受反向电压而关断。
共阳极组晶闸管承受反向电压的规律是:
后两相依次减导通相。
（2）α=30o时的波形分析
ug4、ug6、ug2分别在各对应自然换相点ωt1、ωt2、ωt3点后移30o触发晶闸管VT4、VT6、VT2。
输出电压ud波形连续,VT4导通角θT＝2π/3,如图3-12所示。
α≤30o,电阻性负载和电感性负载的ud、uT波形相同,只是通过的电流波形不同。
图3-12三相半波共阳极组α=300时的波形
（3）α＞30o时的波形分析
α＞30o,电阻性负载输出电压ud波形断续,VT4导通角θT＜2π/3,移相范围是150o。
电感性负载输出电压ud波形连续,VT4导通角仍然是θT＝2π/3,移相范围是90o,如图3-13所示。
（a）α=600
（b）α=90o
图3-13三相半波共阳极组电感性负载α＞30o时的波形
2.参数计算
电感性负载时输出电压平均值是
U2sinωtd（ωt）=-1.17U2cosα
当α=90o时,Ud=0。
3.三相半波共阳极组可控整流电路的特点
（1）晶闸管主要工作在电源电压负半波,主要承受反向电压。
（2）晶闸管元件换相总是换到阴极电位低的那一相。
（3）三相脉冲互差120o,每2π/3换相一次。
（4）电阻性负载Ud波形断续,α=30o是分界点,电感性负载ud波形连续,没有分界点。
三、三相半波可控整流电路的优、缺点
1.优点:
电路简单,容易调整,三相电源平衡,有时可不用整流变压器。
2.缺点:
变压器二次绕组流过单方向电流,存在直流磁化,变压器利用率低。
四、三相半波共阴极组可控整流电路的故障现象
1.α=0o时,有一相脉冲丢失或有一相电源缺相,ud波形只有两次脉动,即有一只元件不导通,输出电压就缺少一次脉动,如图3-14所示（a）、（b）。
2.α=0o,脉冲丢失晶闸管元件两端的波形如图3-14（c）所示。
（a）电阻性负载（b）电感性负载
（c）脉冲丢失时晶闸管元件两端的波形
图3-14电源缺相或脉冲丢失时的输出电压的波形
第二节三相全波可控整流电路
一、三相全控桥式整流电路
三相全控桥式整流电路是三相半波共阴极组和三相半波共阳极组的串联组合,共阴极是输出电压的正极,共阳极是输出电压的负极。
变压器二次绕组流过正负两个方向的电流,消除了变压器的直流磁化,提高了变压器的利用率。
（一）电感性负载
三相全控桥式整流电路电感性负载如图3-15所示。
图3-15三相全控桥式电感性负载
1.工作原理
（1）α=0o时的波形分析
自然换相点线电压自然换相点α=0o在各线电压的π/3处。
根据相电压自然换相点,将一周期相电压分为六个区间,然后在各个区间找出最高、最低相电压和各相对应的晶闸管元件,利用表格法分析三相全控桥的工作原理,如表2-1所示。
输出电压Ud每周期脉动六次,是线电压正半波完整包络线,Ud是各区间最高相电压与最低相电压瞬时值之差,α=0o时的波形如图3-16所示。
表3-1三相全控桥工作原理表格分析法
区间
最高电压
最低电压
导通元件
输出电压ud
换相元件
1
ua
ub
VT1、VT6
ua-ub=uab
2
uc
VT1、VT2
ua-uc=uac
3
VT3、VT2
ub-uc=ubc
4
VT3、VT4
ub-ua=uba
5
VT5、VT4
uc-ua=uca
6
VT5、VT6
uc-ub=ucb
ua-ub=uab
图3-16三相全控桥式电感性负载α=00时的波形
①晶闸管元件导通的规律:
任何时候共阴、共阳极组各有一只元件同时导通才能形成电流通路;
晶闸管导通角θT=2π/3,与控制角α无关;
共阴极组元件的换相顺序是1、3、5,共阳极组的换相顺序是4、6、2,全控桥电路的换相顺序是1、2、3、4、5、6、1…
②对触发脉冲宽度的要求:
60o＜τ＜120o。
τ＜60o,电流不能形成通路;
τ＞120o,在逆变电路中会造成逆变失败。
实际应用中采用宽脉冲和双窄脉冲触发方式。
③触发脉冲相位关系:
相邻相脉冲互差2π/3;
同一相脉冲互差π;
相邻脉冲互差π/3。
（2）α≠0o时的波形分析
塑料厂大型吹塑机直流调速系统设备,主回路采用三相全控桥式整流电路。
用双踪示波器观察整流电路电感性（反电势）负载α≠0o时的波形。
α=30o时的波形,如图3-17所示。
图3-17三相全控桥电感性负载α=300时的波形
α=60o时的波形,如图3-18所示,自然换相点的相电压瞬时值相等,所以线电压为零,输出电压ud波形连续,没有出现负波形。
图3-18三相全控桥电感性负载α=600时的波形
α=90o时,由于负载电感感应电势的作用,输出电压ud波形出现负波形,并正、负面积相等输出电压平均值为零,如图3-19所示。
三相全控桥电感性负载移相范围为0o～90o。
图3-19三相全控桥式电感性负载α=900时的波形
（1）输出电压平均值由于ud波形是连续的,所以输出电压平均值的表达式为
U2sinωtd（ωt）=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα
α=0o时,Ud=2.34U2。
Ud也可以用共阴极组、共阳极组输出电压平均值直接相减:
Ud=1.17U2cosα-（-）1.17U2cosα=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα
2.34U2cosα
（5）变压器二次电流有效值
I2=
IT=
Id=0.816Id
（6）晶闸管通态平均电流
（7）晶闸管元件两端承受的电压
最大正反向电压是变压器二次线电压的峰值。
（二）电阻性负载
把三相全控桥式整流电路的输出接上功率大于100W的白炽灯泡,电阻性负载就变成了电阻性负载。
用双踪示波器观察不同α角时的输出电压ud和元件两端uT1波形。
1.工作原理
α≤60o时的ud、uT波形与电感性负载时相同,ud波形连续,α＞60o时ud波形断续。
α=90o时的波形如图3-20所示。
α=120o时,输出电压为零ud=0。
三相全控桥式电阻性负载移相范围为0o～120o。
图3-20三相全控桥式电阻性负载α=900时的波形
由于α=60o是输出电压Ud波形连续和断续的分界点,输出电压平均值应分两中情况计算:
（1）α≤60o
U2sinωtd（ωt）=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα
当α=0o时,Ud=Ud0=2.34U2
（2）α＞60o
U2sinωtd（ωt）=2.34U2〔1+cos（π/3+α）〕
当α=120o时,Ud=0
（三）三相全控桥整流电路的特点
1.任何时候共阴极组、共阳极组各有一只元件导通,才能形成电流通路。
2.共阴极组120o换相一次,共阳极组120o换相一次,整个电路60o换相一次。
3.共阴极组换相顺序是1、3、5,共阳极组换相顺序是4、6、2,整个电路换相顺序是:
1、2、3、4、5、6、1…
（四）三相全控桥整流电路故障波形分析
1.一只元件不通（如脉冲丢失或快熔熔断）,ud波形缺少两次脉动,α=0o时的ud波形如图3-21所示。
2.一相电源缺相（如快熔熔断）,ud波形缺少四次脉动,相当于线电压的全波整流,α=0o时的ud波形如图3-22所示。
图3-21α=0o一只元件不通时故障波形
图3-22α=0o一相电源缺相时的故障波形
三相半控桥式可控整流电路
三相半波可控共阴极组与不控共阳极组串联组合构成了三相半控桥式可控整流电路,如图3-23所示。
只需要三套触发器。
图3-23三相半控桥式可控整流电路
α=0o时,工作原理与三相全控桥式可控整流电路相同,输出电压每周期脉动六次,ud波形是线电压正半周完整包络线。
α＞0o时,共阴极组是可控换相,共阳极组是自然换相。
α=30o时的ud波形如图3-24所示。
图3-24α=30o时的ud波形
α=60o时的ud波形如图3-25所示。
α=60o时输出电压每周期脉动三次,α=60o是ud波形连续和断续的分界点。
图3-25α=60o时的ud波形
α＞60o时输出电压波形断续,α=90o时的ud波形如图3-26所示。
图3-26α=90o时的ud波形
α=120o时的ud波形如图3-27所示。
图3-27α=120o时的ud波形
ud波形连续和断续,只有一个输出电压表达式,输出电压平均值为
Ud=2.34U2
=1.35U2L
（二）电感性负载
输出电压波形与电阻性负载波形相同,不会出现负波形,输出电压平均值与电阻性负载计算相同。
通过元件的电流波形为矩形波。
线电压过零变负时晶闸管元件不关断,负载电感中的能量通过晶闸管和二极管的串联回路续流。
失控问题:
触发脉冲突然切除,会出现一只晶闸管元件不关断,另三只二极管轮流导通的失控现象,解决失控的方法是加续流二极管。
三相半控桥带直流电动机负载,为保证电流连续需加平波电抗器,于是仍属于电感性负载,分析方法与电感性负载相同,为防止失控,应加续流二极管
第三节整流电路的换相分析与直流电动机的机械特性
一、换相分析
什么是换相?
换相是晶闸管的电流从一相换到另一相的过程。
理想换相不考虑变压器漏感LB的影响,LB=0,电流可以突变。
而实际换相时,由于变压器漏感不为零LB≠0,电流不能突变,两相晶闸管有同时导电的重叠导通现象,于是产生换相电流ik。
晶闸管重叠导通的角度称为换相重叠角γ。
换相重叠期间,输出电压波形减少一块阴影面积,这快阴影面积的电压称为换相压降,换相压降△Ud是由负载电流Id换相引起的,其大小与Id有关系。
1.换相过程分析
以晶闸管从a相换到b相为例,VT1已触发导通。
当α≤30o时触发VT3,VT1不立即关断,ia=Id逐渐减小到零;
VT3不立即导通,ib=0逐渐增加到Id,电流换相重叠时间为γ。
换相过程中,两个晶闸管同时导通,相当于a、b两相电压短路,在uba电压作用下产生短路电流ik,a相电流ia=Id-ik,b相电流ib=ik,当ia=0,ib=Id时,a、b相之间完成了换流,如图3-28所示。
a）电路图b）等效电路图
c）波形图
图3-28变压器漏感对整流电路的影响
换相期间变压器漏感LB两端的电压
ub-ua=2LB
LB
=1/2（ub-ua）
2.换相期间的整流电压
根据换相等效电路写出换相整流电压
ud=ub-LB
=ua+LB
=1/2（ub+ua）
因为ua=
u2sinωt，ub=
u2sin（ωt-2π/3）
所以ud=
u2sin（ωt-π/3）
3.换相压降
已知换相期间的整流电压ud,用换相区间的相电压ub减去换相整流电压ud,然后在换相重叠角区间求出电压平均值△Ud:
△Ud=
XBId=
XBId
式中:
m=3,每周期换相次数。
单相双半波电路
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