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1、电 力 电 子 技 术Power Electronic Technology,整流与有源逆变,9.3 晶闸管直流电动机系统,晶闸管直流电动机系统晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一；对该系统的研究包括两个方面：其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况，其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本节主要从第二个方面进行分析。,9.3.1 电动机工作于整流状态时,1、不考虑电动机的电枢电感时：只有晶闸管导通相的变压器二次侧电压瞬时值大于反电动势时才有电流输出，此时负载电流断续，对整流电路和电动机的工作都不利，要尽量避免；所以普遍在电
2、枢回路串联一平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续，如图2-48。,图2-48 三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形,9.3.1 电动机工作于整流状态时,2、电动机稳态时，虽然Ud波形脉动较大，但由于电动机有较大的机械惯量，故其转速和反电动势都基本无脉动。此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均电流Id所引起的各种电压降所平衡。整流电压的交流分量则全部降落在电抗器上。由Id引起的压降有下列四部分：变压器的电阻压降IdRB，其中RB 为变压器的等效电阻，它包括变压器二次绕组本身的电阻以及一次绕组电阻折算到二次侧的等效电阻；晶闸管本身的管压降U，它基本上是一恒值；电枢
3、电阻压降IdRM；由换相重叠角引起的电压降3XBId/(2)（三相半波）。此时，整流电路直流电压的平衡方程为:系统的两种工作状态：电流连续工作状态和电流断续工作状态,9.3.1 电动机工作于整流状态时,3.电流连续时电动机的机械特性在电机学中，已知直流电动机的反电动势为 式中，Ce 由电动机结构决定的电动势常数；为电动机磁场每对磁极下的磁通量，单位为（Wb）；n为电动机的转速，单位为（r/min）。可根据整流电路电压平衡方程式，作出不同控制角时EM与Id的关系（三相半波）：转速与电流的机械特性关系式为：,第二项较小，可见一个角度对应一个转速n。,9.3.1 电动机工作于整流状态时,做出不同角时
4、n与Id的关系，如图2-49所示。图中U的值一般为1V左右，可以忽略。可见其机械特性与由直流发电机供电时的机械特性是相似的，是一组平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。调节角，即可调节电动机的转速。而负载加大时，电流加大，转速变化不大。,同理，可列出三相桥式全控整流电路电动机负载时的机械特性方程为：,图2-49 三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性,9.3.1 电动机工作于整流状态时,4.电流断续时电动机的机械特性当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性。,三相半波整流电路电动机负载,具体推导过程见许大中编电机控制,9.3.1
5、 电动机工作于整流状态时,4.电流断续时电动机的机械特性,电动机的实际空载反电动势都是。时为：。Why?,如当=60时，Id=0，此时的反电动势E0=1.17U2cos60,实际上当Id减小至某一定值Id min以后，电流变为断续。这个E0是不存在的，真正的理想空载点远大于此值。,图2-50 电流断续时电动势的特性曲线,解释因为60时晶闸管触发导通后最大相电压瞬时值为，大于E0。因此如果反电势为E0，则必然产生电流，从而与空载的前提矛盾，所以实际空载点的反电势是。当60时，晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 为此时实际空载点的反电势。,9.3.1 电动机工作于整流状态时,电流断续时电动机机械特性
6、的特点：电动机的理想空载转速抬高；机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化；随着 的增加，进入断续区的电流值加大。(Why?),由于 愈大，变压器加给晶闸管阳极上的负电压时间愈长，电流要维持连续，必须要求平波电抗器储存较大的磁能。在电抗器的L为一定值的情况下，要有较大的电流Id才能使得电流连续。,图2-51 考虑电流断续时不同a 时反电动势的特性曲线,9.3.1 电动机工作于整流状态时,一般只要主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理。当轻载时，断续作用显著，可改用另一段较陡的特性来近似处理，其等效电阻比实际的电阻R要大一个数量级。整流电路为三相半波时，在最小负载电
7、流为Idmin时，为保证电流连续所需的主回路电感量为：（mH）对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有（mH）,L中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。前者数值都较小，有时可忽略。Idmin一般取电动机额定电流的5%10%。因为三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波的高一倍，因而所需平波电抗器的电感量也可相应减小约一半，这也是三相桥式整流电路的一大优点。,9.3.2 电动机工作于有源逆变状态时,1.电流连续时电动机的机械特性主回路电流连续时的机械特性由电压平衡方程式 决定。逆变时由于，EM反接，得：同时因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式：,Ud0为0时的整流
8、输出平均电压值,2.电流断续时电动机的机械特性电流断续时电动机的机械特性方程可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，只要把上式，便可得EM、n与Id的表达式，求出三相半波电路工作于逆变状态且电流断续时的机械特性。,9.3.2 电动机工作于有源逆变状态时,逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：,图2-52 电动机在四象限中的机械特性,理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性。逆变状态的机械特性是整流状态的延续。纵观控制角 由小变大，电动机的机械特性则逐渐的由第1象限往下移，进而到达第4象限。逆变状态的机械特性同样还可表示在第2象限里，与它对应的整流状态的机械特性则表示在第3象限
9、里。,第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以正组和反组变流器。,9.3.3 直流可逆电力拖动系统,图2-53 两组变流器的反并联可逆线路,图2-53a与b是两组反并联的可逆电路,a)三相半波有环流接线b)三相全控桥无环流接线c)对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况,9.3.3 直流可逆电力拖动系统,1、电动机反转过程：电动机在第1象限正转，电动机从正组桥取得电能，欲使电动机反转，必须首先正转迅速制动。此时EM的方向保持为上正下负，而对于正向桥来说，电流方向是不能改变的，为此需切换到反组桥工作，同时要求反组桥工作在逆变状态，此时
10、电动机进入第2象限作正转发电运行，机械能转化为电能送给电网。随着电动机转速的下降，不断地调节，使之由小变大直至2/2，如继续增大，即/2，反组桥将转入整流状态下工作，电动机开始反转进入第3象限的电动运行。,注意：电动机的反电势的方向和转向保持一致。,9.3.3 直流可逆电力拖动系统,两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论：,环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。根据对环流的处理方法，反并联可逆电路又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流（）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。,9.3.3 直
11、流可逆电力拖动系统,第1象限：正转电动运行，此时1组工作于整流状态，由于12，2组工作于逆变状态，且Ud1=Ud2,但由于二极管的单相导电性，2组桥没有电流流过，工作在待逆变状态。,有环流控制条件：12,9.3.3 直流可逆电力拖动系统,第2象限：正转制动运行。当需要正转制动（刹车）时，将1和2增大但Ud1=Ud2，此时2组立刻工作于逆变状态。由二极管的单相导电性，1组桥没有电流流过，工作在待整流状态。,9.3.3 直流可逆电力拖动系统,第3象限：将2调节至90，Ud2变为上负下正，由于21，Ud1变为上负下正，由于二极管的单相导电性，2组桥有电流流过，工作在整流状态。1组桥没有电流流过，工作
12、在待逆变状态。此时电机反转，E电压为上负下正。,9.3.3 直流可逆电力拖动系统,第4象限：反转制动运行，和第二象限类似，当将2增大但保持Ud1=Ud2此时1组工作于逆变状态，由于二极管的单相导电性，2组桥没有电流流过，工作在待整流状态。,9.3.3 直流可逆电力拖动系统,图2-53 两组变流器的反并联可逆线路等效图,9.3.3 直流可逆电力拖动系统,2、1=2配合控制的有环流可逆系统对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证1=2的配合控制关系;假设正组为整流，反组为逆变，即有1=2，Ud1=Ud2，且极性相抵，两组变流器之间没有直流环流；两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生脉动的交流
13、环流。为防止环流只经晶闸管流过而使电源短路，必须串入环流电抗器LC限制环流。,9.3.3 直流可逆电力拖动系统,3、逻辑无环流可逆系统工程上使用较广泛，不需设置环流电抗器；控制原则是：只有一组桥投入工作（另一组关断），所以两组桥之间不存在环流；两组桥之间的切换不能简单地把原来工作着的一组桥的触发脉冲立即封锁，而同时把原来封锁着的另一组桥立即开通；首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理主回路内电感储存的能量，直到储存的能量释放完，主回路电流变为零，使原导通晶闸管恢复阻断能力；随后再开通原封锁着的晶闸管，使其触发导通；这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程由逻辑单元控制，称为逻辑控制无环流系
14、统。,10.2 相控电路的驱动控制,相控电路：晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。,相控电路的驱动控制为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲；三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。,图2-
15、54 同步信号为锯齿波的触发电路,强触发环节 强触发脉冲可以缩短SCR开通时间，提高承受di/dt能力，有利于并联时的动态均压和均流。强触发脉冲特点是在脉冲初期有一个大电流脉冲，以减小门极损耗。使用单相桥整流获得50V电源。在V8导通前，50V电源通过R15向C6充电，C7很大，C6很小。所以B点电位处于50V。V8导通，C6迅速放电形成强脉冲，当uB15V时，VD15导通。此时uB电位钳位在15V，进入触发脉冲平稳阶段。当V8截止后，50V电源重新向C6充电，使uB=50V。重复上面过程。,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,强触发环节,10.
16、2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,1)脉冲形成环节,V4、V5 脉冲形成V7、V8 脉冲放大控制电压uco加在V4基极上,图2-54 同步信号为锯齿波的触发电路,电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，一次绕组接在V8集电极电路中。,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,脉冲形成环节,脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,2)锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成采用恒流源电路。,恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成,V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路,图2-54 同步信号为锯齿波的触发
17、电路,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,工作原理：V2截止时，恒流源电流I1c对电容C2充电 V2导通时，因R4很小故C2迅速放电，ub3电位迅速降到零伏附近；V2周期性地通断，ub3便形成一锯齿波，同样ue3也是一个锯齿波。调节RP2，即改变C2的恒定充电电流I1c，可见RP2是用来调节锯齿波斜率的。,射极跟随器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三者作用的叠加所定；,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,M点是V4由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿；加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初
18、始相位；可令uco=0时，产生脉冲的M点位于锯齿波的中点，对应=90。,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,3)同步环节,同步要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关V2管来控制的。V2开关的频率就是锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定。V2由截止变导通期间产生锯齿波V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于充电时间常数R1C1。,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,二次电压波形在负半周的下降段，VD1导通，C1被迅速充电，因为O点接零电位，所以R点为负，Q点和R点接近，V2基极反向偏置，V2截止。在负半周的上升段，15V通过R1给电容C1反向
19、充电，VD1截止，当Q点电位达到1.4V时，V2导通，Q点电位钳位在1.4V直至下一个负半周。V2截止时间越长，锯齿波越宽。该截止时间由充电时间常数R1C1决定。,同步环节当uTS0时的等效电路和波形,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,双窄脉冲形成环节,内双脉冲电路 V5、V6构成“或”门当V5、V6都导通时，V7、V8 都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角 产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过V6）。,10.2.1 同步信号为锯齿波的触发电路,10.2.2 集成触发器KJ004（自学）,可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路 目前国内常用的有KJ系列和KC系列，下面以KJ004为例KJ004 与分立元件的锯齿波移相触发电路相似 分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节,图2-56 KJ004电路原理图,RP1为调节锯齿波斜率的电位器；RP4为同步输入微调电位器；调节RP1和RP4就能得到理想的三相平衡度。,10.2.2 集成触发器KJ004,
