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1、3.2 三相可控整流电路,交流测由三相电源供电负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时用。最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广的是三相桥式全控整流电路,3.2.1 三相半波可控整流电路3.2.2 三相桥式全控整流电路,带电阻负载带阻感负载,带电阻性载带阻感负载,1.电阻性负载,(1)工作原理为了得到零线，整流变压器二次绕组接成星形。为了给三次谐波电流提供通路，减少高次谐波对电网的影响，变压器一次绕组接成三角形。图中三个晶闸管的阴极连在一起，为共阴极接法。,3.2.1 三相半波可控整流电路,每个晶闸管的阴极电位相同，所以只有阳极电位最高且门极加触发脉冲的晶闸管才能被触发导通,t1t2期
2、间：ua最高，VD1导通，ud=ua。t2t3期间：ub最高，VD2导通，迫使VD1关断，ud=ub。t3t4期间：VD3导通,迫使VD2关断，ud=uc。,VD1,2,3轮换导通各120，ud为三相电压在正半周的包络线，三脉波整流。,t1，t2，t3时刻均发生二极管换流，电流由一只向另一只转移,二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a=0。,=0时的iVT1波形每个周期导通120,课程回顾(1),三相可控整流电路应用场合：电路形式,最基本的是：,应用最广的是：,负载容量大，直流电压脉动小,三相半波,三相桥式,三相半波可控整流电路(
3、电阻负载)1.电路图,变压器绕组接法晶闸管的连接方法,课程回顾(2),三相半波可控整流电路(电阻负载)2.工作情况(先以不可控整流电路为例来讲),课程回顾(2),图3 三相半波不可控整流电路共阴极接法带电阻负载时的电路图,二极管导通规律：VD1,2,3轮换导通各120；输出ud波形：ud为三相电压在正半周的包络线，三脉波整流。,二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算晶闸管触发角a的起点，即a=0。,ua ub uc,课程回顾(2),工作情况分析：,1.电阻性负载,(1)工作原理,3.2.1 三相半波可控整流电路,每个晶闸管的阴极电位相同，所以只有阳极电位最高
4、且门极加触发脉冲的晶闸管才能被触发导通,t1t2期间：ua最高，VT1承受正向电压，t1时刻触发导通，ud=ua。t2t3期间：ub最高，VT2承受正向电压最高，t2时刻触发导通，迫使VT1关断，ud=ub。t3t4期间：VT3导通,迫使VT2关断，ud=uc。一个周期完成。,思考：一周期中每个晶闸 管导通多少度？,a=0时的工作原理分析：,晶闸管VT1的电压波形，由3段组成：第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为uT1=0第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，uT1=ua-ub=uab，为一段线电压。第3段，VT2关断后，VT3导通期间，uT1=ua-uc=uac为另一段线电压。其他
5、两管上电压波形形状相同，相位依次相差120。,结论：晶闸管电压由一段管压降、两段线电压组成。,a=0时，VT1的电压波形分析：,图3-13 三相半波电阻负载，a=0波形,图3-14 三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30 时的波形,=30o处VT1触通，经过自然换相点后ub虽最高，但VT2并未触通，故只有VT1继续导通，直到ua过零时关断.id与ud波形相同，各相仍导电120 结论：负载电流处于连续和断续之间的临界状态临界断续。,a=30时的工作原理分析：,O,w,t,O,w,t,O,w,t,u,ab,u,ac,w,t,1,i,VT,1,u,VT,1,u,ac,结论：a 30的情况负载电流断
6、续，晶闸管导通角小于120。,图3-15三相半波可控整流电路，电阻负载，a=60 时的波形,=60o波形：ua过零时VT1关断，至VT2触通之前，三只管子均不导通，ud=0，id断续，各管子导通角=90o。,a=60时的工作原理分析：,通过三种波形的分析可得出结论：增大a，则整流电压相应减小。a=30是输出电压、电流连续和断续的临界点。当30时，后一相的晶闸管导通使前一相的晶闸管关断。当a 30时，导通的晶闸管由于交流电压过零变负而关断后，后一相的晶闸管未到触发时刻，此时三个晶闸管都不导通，直到后一相的晶闸管被触发导通。a=150时输出电压为零，所以三相半波整流电路电阻性负载移相范围是0150
7、。,整流电压平均值的计算：a=30是ud波形连续和断续的分界点。因此，计算输出电压平均值Ud时应分两种情况进行。1）a 30时，负载电流连续，有：,当a=0时，Ud最大，为 Ud=Ud0=1.17U2 2）a 30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,当a=150时，Ud=0,(2)数量关系,负载电流平均值为,晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即,晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即,晶闸管电流平均值,L对Ud波形的影响主要是通过延续SCR的导通时间而作用的，而在电流连续时无需延续。,特点：阻感负载，L值很大，整流电流id波形基本平直，流过晶闸
8、管的电流接近矩形波。,2.阻感负载,2.阻感负载,工作情况分析：a 30时,整流电压波形与电阻负载时相同a 30时,ua过零时，VT1不关断，直到VT2 的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。,随增大，ud中负面积增大,直到=90，正负面积相等，ud=0。阻感负载时的移相范围为90,每只SCR导通角=120，电流近似为120方波。,数量关系分析：由于负载电流连续，即,变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为,晶闸管的额定电流,晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电
9、压峰值,折合为正弦半波通态平均电流,Ud/U2 函数曲线(图3-16曲线2，余弦关系)。,若L不很大，当30 时，电流不连续，ud中负面积减小，Ud略增，Ud/U2 关系将介于曲线1和2之间，即曲线3(上述Ud计算公式不再适用)。,三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。,通常id有脉动，选L保证电流连续即可。为简化计算。可将id近似为一条水平线。,3.2 三相桥式全控整流电路,三相桥是应用最广的整流电路,图3-18 三相桥式全控整流电路原理图,共阴极组 阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组 阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT
10、2）导通顺序：VT1VT2VT3 VT4VT5VT6导通规律：自然换向时，每时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。,1.带电阻负载时的工作情况,假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发角a=0 时，各晶闸管均在自然换相点换相。共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低的一个导通。任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。,图3-7 三相桥式全控整流电路带电阻负载 a=0 时的波形,u,2L,u,d,u,ab,u,ac,u,bc,u,b
11、a,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,O,w,t,u,2L,u,d,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,O,w,t,从线电压波形共阴极组处于通态的晶闸管对应最大的相电压共阳极组处于通态的晶闸管对应最小的相电压输出整流电压ud为这两个相电压相减输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线,图3-7 三相桥式全控整流电路带电阻负载 a=0 时的波形,从相电压波形共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线共阳极组晶闸管导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线总的整流输出电压 ud=ud1-ud2 是两条包络线的差值将其
12、对应在线电压波形上，即线电压在正半周的包络线,图3-7 三相桥式全控整流电路带电阻负载 a=0 时的波形,6个晶闸管导通顺序 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6,表2-1 三相桥式全控整流电路电阻负载 a=0 时晶闸管工作情况,三相桥式全控整流电路的特点（1）2个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同1相器件,（2）ud一周期脉动6次，每次脉动波形一样，故该电路为6脉波整流电路。,（3）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。,晶闸管一周期中有1200处于通态，2400处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电
13、流波形与相应时段的Ud波形相同。,（4）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极 组VT1、VT3、VT5脉冲依次差120。共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。,宽脉冲触发双脉冲触发（常用）,可采用两种方法,（5）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲,u,2L,u,d,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,O,w,t,u,2,u,d1,u,d2,u,a,u,c,u,b,w,t,1,O,w,t,a,=30
14、,u,u,u,u,u,u,u,u,u,ab,u,ac,ab,ac,bc,ba,ca,cb,ab,ac,O,w,t,u,VT,1,三相桥式全控整流电路带电阻负载 a=300 时的波形,每一段导通晶闸管的编号仍符合表3-1的规律区别在于：晶闸管起始导通时刻推迟了300,组成ud的每一段线电压因此推迟300，ud平均值降低。,三相桥式全控整流电路带电阻负载 a=300 时的波形,u,d1,u,d2,a,=30,i,a,O,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,u,d,u,ab,u,ac,u,a,u,b,u,c,w,t,1,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u
15、,ac,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,VT,1,Ud波形中每段线电压的波形继续向后移，平均值降低。a=600 时Ud出现了零点,三相桥式全控整流电路带电阻负载 a=600 时的波形,当a 60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续,a 60时，ud波形每600中有一段为零一旦ud降为零，id也降为零，流过晶闸管的电流即降为零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，波形ud不能出现负值。带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120,三相桥式全控整流电路带电阻负载 a=900 时的波形,图3-9 三相桥式全控
16、整流电路带阻感负载 a=0时的波形,晶闸管VT1导通段，iVT!波形由负载电流波id形决定，与ud波形不同,2阻感负载时的工作情况,给出了变压器二次侧a相电流id波形,三相桥式全控整流电路带阻感负载 a=300 时的波形,当a 60时，ud波形均连续，电路的工作情况与带电阻负载十分相似 各晶闸管的通断情况 输出整流电压ud波形 晶闸管承受的电压波形区别:负载不同时，同样的整流输出电压加在负载上，得到的负载电流id波形不同，电阻负载时id波形与的ud波形形状一样。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流id的波形可近似为一条水平线。,一样,若电感足够大，
17、正负面积相等，平均值近似为零,三相桥式全控整流电路带阻感负载 a=900 时的波形,a 60时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电阻负载时，ud波形不会出现负的部分 阻感负载时，ud波形会出现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90,当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a 60时）的平均值为：带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为：Id=Ud/R,3定量分析,线电压过零点为时间坐标零点,a 30时，负载电流连续,a 30时，负载电流断续,阻感负载,当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a 60时）的平均值为：,带电阻负
18、载且a 60时，整流电压平均值为,输出电流平均值为：Id=Ud/R,线电压过零点为时间坐标零点,L-R-E负载时,当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图所示为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为：,晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。三相桥式全控整流电路L-R-E负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与L-R负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：,3.3 变压器漏感对整流电路的影响,前面我们介绍的各种整流电路都是在理想工作状态下的工作情况，即假设：(1)变压
19、器的漏抗、绕组电阻和励磁电流都可忽略；(2)晶闸管元件是理想的。但实际的交流供电电源总存在电源阻抗，如电源变压器的漏电抗、导线电阻以及为了限制短路电流而加上的交流进线电抗器等。由于电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬时完成。,VT1换相至VT2的过程：,因a、b两相均有漏感,故 ia、ib均不能突变。于是 VT1和VT2同时导通，换流重叠：ia+ib=Id 相当于将a、b两相短 路，两相间电压差为ub ua在两相组成的回路中产 生环流ik。ik=ib逐渐增大，ia=Id-ik 逐渐减小。当ik增大到等 于Id时，ia=0，VT1关断,换流过程结束。,LB为变压器折合到副边的绕组总漏感。,假设三
20、相漏抗相等，忽略交流侧的电阻，负载电感足够大，则负载电流连续且平直,换相重叠角 换相过程持续的时间，用电角度g 表示。,整流输出电压瞬时值为,ib凹升，ia凸降。,ik=ib，ia=Id-ib=Id-ik,算术平均值,换相压降 换相导致ud均值降低多少，用Ud 表示,由波形可以看出：与不考虑变压器漏抗的情况比较，整流电压波形少了一块阴影部分，缺少部分为：,m为整流输出每周期的脉波数,单相全波电路m=2，三相半波m=3，三相桥式电路m=6,平均值Ud的损失值,g 随其它参数变化的规律：1）Id越大则g 越大；2）XB越大g 越大；3）当a 90时，越小则g 越大。,角的计算通式：设阴影面积为S,
21、控制角为角不考虑换向重叠角影响时，在1/m周期上的面积为S，+角时的面积为S。(m为脉波数）,注：单相全控桥电路中，每周期换相2次(m=2)，但换相过程中ik是从-Id增加到Id，所以对式中的Id应该带入2Id，XB在一周的两次换相中都起作用,等效为m=4,相当于XB以2 XB代入.故对于单相全控桥有：三相桥等效为相电压等于3U2 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按3U2 代入。,cos a-cos(a+g),变压器漏感对各种整流电路的影响,m可视为器件数,变压器漏感对整流电路影响的一些结论:1)出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud降低。2)整流电路的工作状态增多。3)晶闸管的di/dt
22、 减小，有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。4)换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。5)换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。,3.4 晶闸管的相控触发电路相控触发电路的作用：保证触发脉冲与主电路同步，必须每周同步一次，且有足够的调节范围。两种触发电路：锯齿波同步型、正弦波同步型。,晶闸管对触发电路的要求,1.触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。2.触发脉冲应满足要求的移相范围。3触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步。4触发脉冲的应有足够的宽度，脉冲前沿陡度应大于1A/us。5为满足三相
23、全控桥的要求，触发电路应能输出双窄脉冲或宽脉冲。6为满足反并联可逆电路的要求，触发电路应有min、min 限制。,同步信号为锯齿波的触发电路,脉冲形成与放大环节,锯齿波的形成和脉冲移相环节,同步环节,强触发环节,1 脉冲形成与放大环节脉冲形成环节由V4、V5 V6构成；复合功率放大环节由V7、V8组成。控制电压uco加在V4基极上，触发脉冲由脉冲变压器TP二次输出，经整流提供。,当V4的基极电压ub4-13.3，V5又重新导通。，使V7、V8截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度由时间常数R11C3决定。,使V6 V5饱和导通。,6,5,4,3,U6=-13.7V,V7
24、、V8处于截止状态，无脉冲输出,C3充电，充满后Uc=28.3V,2 锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成电路由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。,射极跟随器,积分器,当V2导通时，R4很小,C2迅速放电，ub3电位迅速降到零伏附近。V2周期性地导通和关断时，ub3便形成一锯齿波。V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。V4基极电位由 锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up 三者叠加所定,当V2截止时，恒流源电流I1C对电容C2充电，所以C2两端的电压uC为,uC按线性增长,即ub3按线性增长。调节电位器RP2，可以改变C2的
25、恒定充电电流I1C。,根据叠加原理，先设uh为锯齿波电压ue3单独作用在基极时的电压，其值为 所以uh仍为锯齿波，但斜率比ue3低。同理，直流偏移电压up单独作用在V4基极时的电压 为 控制电压uco单独作用在V4基极时的电压 为：所以，仍为一条与up平行的直线，但绝对值比up小；仍为一条与uco平行的直线，但绝对值比uco小。,当b4点电压等于0.7V后，V4导通，产生触发脉冲。改变uco便可以改变 脉冲产生时刻，脉冲 被移相。,uh,uh+up,uh,up,加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。,当V4不导通时，V4的基极b4的波形由 uh+up+uco 确定,如uco
26、增加，V4导通点就向前移，控制角减小,当移相角为0-180 时，uco=0对应180,当移相角为0-90 时，uco=0对应90,当b4点电压等于0.7V后，V4导通，产生触发脉冲。改变uco便可以改变脉冲产生时刻，脉冲被移相。加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。以三相全控桥为例，当接反电势电感负载时，脉冲初始相位应定在=90；当uco=0时，调节up的大小使产生脉冲的M点对应=90的位置。当uco为0，=90，则输出电压为0；如uco为正值，M点就向前移，控制角90，处于逆变状态。,当V4不导通时，V4的基极b4的波形由 确定,与主电路同步是指要求锯齿波的频率与主电路电
27、源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关管V2控制的，也就是由V2的基极电位决定的。,同步电压uTS经二极管VD1加在V2的基极上。当电压波形在负半周的下降段时，VD1导通，电容C1被迅速充电,下正上负。故在这一阶段V2基极为反向偏置，V2截止。锯齿波开始.,3 同步环节同步环节是由同步变压器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶体管V2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源，用同步变压器二次电压来控制V2的通断，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。,在负半周的上升段，+E1电源通过R1给电容C1反向充电，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止。当Q点电位达1.4V时，V2导通，Q点电位被钳
28、位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来，VD1重新导通，C1放电后又被充电，V2截止。如此循环往复，在一个正弦波周期内，包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。,4 双窄脉冲形成环节触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60的脉冲，称内双脉冲电路。而在触发器外部通过脉冲变压器的连接得到双脉冲称为外双脉冲。本触发电路属于内双脉冲电路。当V5、V6都导通时，V7、V8截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，就会使V7、V8导通，有脉冲输出。因此本电路可以产生符合要求的双
29、脉冲。,第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角使V4由截止变导通造成V5瞬时截止，使得V8输出脉冲。隔60的第二个脉冲是由后一相触发单元通过连接到引脚Y使本单元V6截止，使本触发电路第二次输出触发脉冲。其中VD4和R17的作用主要是防止双脉冲信号相互干扰。,Out in,在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按下图接线。六个触发器的连接顺序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。,5 强触发环节36V交流电压经 整流、滤波后得 到50V直流电压，经R15对C6充电，B点电位为50V。当V8导通时，C6经脉冲变压器一次侧 R16、V8迅速放电，形成脉冲
30、尖峰，由于有R15的电阻，且电容C6的存储 能量有限，B点电位迅速下降。当B点电位下降到14.3V时，VD15导通，B点电位被15V电源钳位在14.3V，形成脉冲平台。,6 脉冲封锁二极管 VD5阴极接零电位或负电位，使V7、V8截止，可以实现脉冲封锁。,触发电路的定相,初始脉冲是指Ud0时，控制电压uco与偏移电压up为固定值条件下的触发脉冲。因此，必须根据被触发晶闸管阳极电压的相位，正确供给各触发电路特定相位的同步电压，才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲。这种选择同步电压相位以及得到要求的触发时刻的方法，称为触发电路的定相。,现以三相全控桥为例说明定相的方法。晶闸管VT
31、1的阳极与ua相接，VT1所接主电路电压为+ua，触发脉冲从0至180对应的范围为t1t2。采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240，上升段起始的30 和终了段30 线性度不好，舍去不用，使用中间的180。所以取同步波-ua。,三相桥整流电路大量用于直流电机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使Ud=0时的触发角为90。当 90时为逆变工作。将=90确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90的移相范围。=0对应于ua的30的位置，说明VT1的同步电压应滞后于ua 180。对于其他5个晶闸管，也存在同样的关系，即同步电压滞后于主电路电压180。因此一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。,同步变压器和整流变压器的接法及矢量图,同步变压器和整流变压器的接法及矢量图,Usu,Usv,Usw,Usuv,Usvw,Uswu,同步电压的选取结果,为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波器滞后角为60时，同步电压选取结果见表,
