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1、电 力 电 子 技 术Power Electronic Technology,大功率可控整流电路有源逆变,8.2 大功率可控整流电路,在某些工业场合，如电解电镀中，常常使用低电压大电流（例如几十伏，几千至几万安）可调直流电源。此时若采用三相桥式整流电路，由于有两个管压降损耗，降低了效率。若采用两组三相半波可控整流电路并联，使每组电路只承担一半的负载电流，同时对变压器次级采用合适的连接方式，以消除三相半波可控整流器的直流磁化，则可以满足低电压大电流的负载要求，下面介绍带平衡电抗器的双反星形可控整流电路。,变压器二次侧每相有两个匝数相同的绕组绕在同一铁芯上，分别构成a,b,c和a,b,c两套绕组，
2、且每相两个绕组极性相反（同名端相反），故称为双反星形电路。由于同一铁芯两个绕组上的相电压相位差180，两组相电流在相位上也差180，对铁芯磁化方向相反，因而直流磁势互相抵消，没有直流磁化。,8.2 大功率可控整流电路,双反星形可以看作是两个三相半波整流电路并联运行，两个直流电源并联时，只有当输出电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流。双反星形电路与六相半波可控整流电路等效，两组整流电压平均值相等，但它们的脉动波相差60，瞬时值不等。在任一瞬间，六相绕组中只有相电压最高的那一相晶闸管可以导通，其余的晶闸管均承受反压而关断，每个晶闸管的最大导通角为60，并未达到并联运行提供大电流的要求。六相半
3、波整流电路晶闸管导电时间短，变压器利用率低。,8.2 大功率可控整流电路,为解决并联问题，将两个二次侧绕组的中点用平衡电抗器连接，即构成如上图所示的带平衡电抗器的双反星形整流电路。平衡电抗器Lp可使得任一时刻两组三相半波整流电路能同时导电，每组只供给负载电流的一半，即每一相如ia和ia的平均值都为1/6Id。与三相桥式整流电路相比，在采用相同晶闸管的条件下，带平衡电抗器的双反星形整流电路的输出电流可增大一倍。,8.2 大功率可控整流电路,设某时刻ub和ua均为正值，且ubua，由于VT1和VT6共阴极，则以n为基准，O2的电位比O1的电位更低，则在电感Lp两端产生电流ip，由O1流向O2，产生
4、的感应电动势up的方向要阻止电流ip增大，方向如图中所示。正是由于O1、O2间的电位差加在Lp的两端，补偿了ub和ua的电动势差，使得ua和ub两相的晶闸管VT1和VT6能同时导电。,8.2 大功率可控整流电路,两个星形的中点O1和O2间的电压等于ud1和ud2之差。该电压加在Lp上，产生电流ip，它通过两组星形电路自成回路，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可以均流为Id/2 ip（负载电流平均值为Id）。否则由于平衡电抗器的作用会使得感应电压不一致，而重新平衡。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。
5、在结构上，平衡电抗器一分为二，每组整流电路各占一半。电抗器的两个绕组都绕在同一铁芯上，由于两组变流器共同向负载供电，直流磁势互相抵消，电抗器的铁芯不会产生直流磁化和饱和的问题，因此电抗器的体积不用做很大。,8.2 大功率可控整流电路,图2-37 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,8.2 大功率可控整流电路,=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，
6、=90时,输出电压波形正负面积相等，Ud=0，移相范围是90；,图2-39 当=30、60、90时，双反星形电路的输出电压波形,8.2 大功率可控整流电路,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120。每相的触发脉冲，从第一个正自然换相点开始计算起，分别为1,3,5和2,4,6。这样，在不同的时刻导通的SCR分别为6,1、1,2、2,3、3,4、4,5、5,6、6,1。如果是电阻负载，则ud波形不应出现负值，仅保留波形中正的部分。同样可以得出，当=120时，Ud=0，因而电阻负载移相范围为120。整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，负载电流连续时,整流电压平均值为:Ud=
7、1.17U2cos 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）当变压器二次有效值U2相等时，双反星形整流电路的整流电压平均值Ud是三相桥式整流电路的1/2；若采用相同的晶闸管，双反星形整流电路允许的整流电流平均值Id是三相桥式整流电路的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。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,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，为整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路；实例：电力机车下坡行驶，
8、机车的位能转变为电能，反送到交流电网中去，有助于刹车；有源逆变电路交流侧和电网连结，即电网为负载。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；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。既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路（converter）。无源逆变变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到普通负载，将在第5章介绍。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,两个直流电源联接,图a中，E1E2，则电流从E1流向E2。E1发出功率P1=E1*I，E2接受功率P2=E2*I，电阻消耗的功率为PR=(E1-E2)*I
9、。图b为E2E1，则电流反向，此时E1接受功率，E2发出功率。可见当两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，由于回路电阻很小，即使很小的电压差也能产生大的电流，两个电动势间交换很大的功率。图c中E1和E2串联，则此时E1和E2都输出功率，电阻消耗的功率为PR=(E1+E2)*I。如果R仅为回路电阻，则电流I将很大，实际为两个电源的短路，应避免这种事情发生。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,图d中，用直流电机替代电源E2，则E1为电动机提供电枢电源，M工作在电动状态。若电动机工作在制动状态，且EME1，则电流I反向，电机作为直流发电机来运行，如图e所示。在前面介绍的相控整流电路
10、中，直流电源E1是通过晶闸管对交流电源整流得来的，而晶闸管的单向导电性决定了电流I的方向不能改变，若想实现电机轴上的机械能转变为电能向电网回馈，则只能通过改变电机的电枢极性，如图f所示。此时若E1的极性不改变，则形成图c的短路状况，故E1的极性也要对调，当EME1时，即可实现电能回馈。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,3.逆变产生的条件使用单相全波替上述直流电源。（注意同时添加一个电抗器，以使电流连续，从而负载为大电感反电势负载）。,图2-45 单相全波电路的整流和逆变,交流电网输出电功率,电动机输出电功率,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,图2-45a M电动运行，全波电路工作在整流状
11、态，在0/2间，Ud为正值，并且只有当UdEM，才能输出Id交流电网输出电功率，电动机输入电功率。,图2-45b M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。电能（注意不是电流）的流向与整流时相反,M输出电功率,电网吸收电功率。Ud可通过改变来进行调节，逆变状态时Ud为负值，在/2间。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,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，其绝对值大于变流器直流侧平均电压；（2）
12、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（最小为零），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。,问题；半控桥能否实现有源逆变？,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,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时，电路工作在逆变状态。,可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题。把a 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a的计量方向相反，其大小自b=0的起始点向左方计量。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,三相半波有源逆
13、变电路和负载电压波形a)电路 b)波形,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,图2-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,有源逆变状态时各电量的计算：Ud=-2.34U2cos=-1.35U2Lcos输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即 Id=（Ud-EM)/R每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为从交流电源送到直流侧负载的有功功率为:Pd=RId2+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。,9.2 逆变失败与最小逆变角的限制,有源逆变正常运行时，外接的直流电源电压EM与逆变电路输
14、出的平均电压Ud极性相反，通常由于逆变回路的内阻很小，所以外接直流电源电压EM基本由逆变电路的输出平均电压Ud来平衡。若逆变时出现逆变输出电压减小、变零、甚至与直流电源顺极性串联等情况时，就会造成逆变回路过流，造成器件和变压器损坏。这种情况称为逆变失败，也称逆变颠覆。造成逆变失败的原因主要在四个方面：1晶闸管本身的原因晶闸管发生故障，不能正常导通和关断，会造成交流电源电压与直流电动势顺向串联，造成逆变失败。2交流电源的原因交流电源缺相或突然消失，此时交流侧由于失去与直流电动势极性相反的交流电压，使直流电动势通过晶闸管形成电路短路。3触发电路的原因触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分
15、配脉冲，致使晶闸管不能正常换相，使交流电源电压与直流电动势顺向串联，形成短路。4逆变角太小,9.2 逆变失败与最小逆变角的限制,图为三相半波有源逆变电路的逆变失败波形a)触发脉冲丢失 b)触发脉冲延迟如图a所示，在t1时刻，触发电路应对晶闸管VT3提供触发脉冲uG3，则VT3导通，VT2关断，实现正常换流。若由于某种原因造成uG3丢失，则VT3无法导通，而VT2继续导通到正半波。到t2时刻，由于此时ubua，VT1虽然有触发脉冲uG1，但承受反压而无法导通。输出电压ud为正值，和直流电动势同极性，造成短路。在图b中，触发电路应在t1时刻对晶闸管VT3提供触发脉冲uG3，但是由于uG3延迟到t2时刻才出现，这时ubuc，VT3承受反压无法导通，VT2继续导通到正半波，同样会造成逆变失败。,9.2 逆变失败与最小逆变角的限制,换相重叠角的影响：,图2-47 交流侧电抗对逆变换相过程的影响,当b g 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。,如果b g 时（从图2-47右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT1）会关断，而应关断的晶闸管（VT3)不能关断，最终导致逆变失败。,9.2 逆变失败与最小逆变角的限制,g 换相重叠角的确定：1)查阅有关手册，举例如下：,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,bmin一般取3035。,
