电力电子技术笔记-整流电路

目录

• 零碎知识点
• 整流电路类型
• 整流电路详解
  1. 单相半波可控电路
  2. 单相桥式全控（半控）整流电路
  3. 单相全波可控整流电路
  4. 三相半波可控整流电路
  5. 三相桥式全控整流电路
• 变压器漏感
• 逆变

零碎知识点

1. 在整流电路中，变压器起 变换电压 和 隔离 的作用。
2. 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

整流电路类型

已经学习的整流电路可以分为以下几种：

1. 单相半波可控整流电路
2. 单相全波可控整流电路
3. 单相全控（半控）桥整流电路
4. 三相半波可控整流电路
5. 三相全控桥式整流电路

整流电路详解

0.公式符号含义

符号	解释
$U_d$	输出直流电压平均值
$I_d$	输出直流电流平均值
$U_2$	二次侧电压有效值
$\alpha$	触发角（控制角）
$R_L$	负载电阻

1.单相半波可控整流电路

基本电路图

可在负载两端反向并联续流二极管。

知识点及公式

1. 电阻负载时，触发角α的移相范围为0~180°。
2. 电阻负载时，触发角α的移相范围为0~180°。
3. 整流时，晶闸管承受的最大反向电压为$\sqrt{2}{U}_2$。
4. 变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。

$U_d=0.45U_2\frac{1+cos\alpha }{2}$
$I_d=\frac{U_d}{R_L}$

波形

（1）电阻负载

（2）阻感负载

2.单相桥式全控（半控）整流电路

基本电路图

知识点及公式

1. 带纯电阻负载时，α的移相范围为0~180°。
2. 带大电感阻感负载时，α的移相范围为0~90°。
3. 晶闸管承受的最大正向电压为$\frac{\sqrt{2}}{2}{U}_2$（因为有两个晶闸管共同承受正向电压）。
4. 晶振管承受最大反向电压为$\sqrt{2}{U}_2$。
5. 为了克服电流断续，可在直流输出测串联一个平波电抗器。
6. 在带纯电阻负载时，半控桥电路与全控桥电路的工作情况相同；但在带大电感负载时，在$U_2$负半周，若此时另一相回路上的晶闸管未导通，之前那一相上的一个晶闸管和一个晶体管会发生续流，使得输出电压为0。
7. 若无续流二极管，则当α突然增大至180°或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，使$u_d$成为正弦半波，另外半周期$u_d$为0，成为失控。

$U_d=0.9U_2\frac{1+cos\alpha }{2}$（纯电阻负载）
$U_d=0.9U_{2}cos\alpha$ （阻感负载）

波形

（1）带电阻负载

（2）带大电感阻感负载

3.单相全波可控整流电路

基本电路图

知识点及公式

• 变压器不存在直流磁化问题。
• 适用于低输出电压的场合。
• 晶闸管承受的最大正向电压为$\sqrt{2}{U}_2$，最大反向电压为$2\sqrt{2}{U}_2$。

4.三相半波可控整流电路

基本电路图

知识点及公式

1. 触发角α=30°时，输出电压临界连续；在带纯电阻负载时，触发角α的移相范围为0~150°；在带大电感负载时，α移相范围为0-90°。
2. 晶闸管承受的最大反向电压为$\sqrt{6}{U}_d$。
3. 缺点：其变压器二次侧电流中含有直流分量，会造成铁心直流磁化。

• 电阻负载触发角小于30°或阻感负载（输出电压连续）：
  $U_d=1.17U_{2}cos\alpha$

• 电阻负载且触发角大于30度（输出电压断续）：
  $U_d=0.675[1+cos(\frac{\pi }{6}+\alpha )]$

波形

α=0°

5. 三相桥式全控整流电路

基本电路图

知识点及公式

1. 晶闸管导通顺序为VT1->VT2->VT3->VT4->VT5->VT6。
2. 带纯电阻负载时，触发角α的移相范围为0~120°；带大电感负载时，触发角α的移相范围为0-90°。在触发角α为60°时出现输出电压为0的点。
3. 晶闸管承受的最大正反向电压均为$\sqrt{6}{U}_2$。
4. 实际在电路启动过程中或电流断续时，会使用宽脉冲触发或双脉冲触发的方式；宽脉冲触发要使脉冲宽度大于60°（一般取80°-100°）；双脉冲触发要使双窄脉冲相位差60°，宽度通常取20°-30°。

• 带纯电阻负载且触发角α≤60°，或带阻感负载时（即输出电压连续）：
  $U_d=2.34U_{2}cos\alpha$
• 带电阻负载且触发角α>60°时（即输出电压不连续）：
  $U_d=2.34U_2[1+cos(\frac{\pi }{3}+\alpha )]$

波形

α=0°

α=60°，输出电压为第一幅图中绿色包络线减去蓝色包络线部分。

变压器漏感

实际变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感$L_B$表示，并将其折算到变压器二次侧。
这里以三相半波可控整流电路为例来讨论漏感对电路的影响，在这里认为负载为大电感负载，输出电流为一条直线。

图中$L_B$即为变压器漏感折算到二次侧的电感，该电感会在换相过程中阻碍该相电流的变化。于是在换相重叠角$\gamma$中时，a、b两相短路，两相之间产生环流$i_k$。

知识点与公式

1. 换相重叠角$\gamma$与其他参数的关系：
   $I_d$越大，$\gamma$越大；
   $X_B$越大，$\gamma$越大；
   当$\alpha \le 90°$时，$\alpha$越小，$\gamma$越大。
2. 换相重叠角$\gamma$会使整流输出电压$U_d$降低。

三相半波可控电路中

• 换相过程中，整流输出电压瞬时值
  $u_d=\frac{u_a+u_b}{2}$
• 换相压降（与不考虑漏感相比）
  $\Delta U_d=\frac{3}{2\pi }{X}_B{I}_d$

三相全控桥整流电路换相压降情况

逆变

知识点

1. 交流侧与电网连结实，为有源逆变电路。
2. 交流侧不与电网而与负载连接时（即直接供给负载），称为无源逆变。
3. 对于可控整流电路，满足一定条件可工作于有源逆变状态。
   条件1：有直流电动势，且其极性必须与晶闸管导通方向一致。
   条件2：晶闸管控制角$\alpha >\frac{\pi }{2}$，是输出电压$U_d$为负值（也即是说必须为阻感负载）。
   条件3：直流电动势必须大于输出电压，即$|E|>|U_d|$。
4. 在逆变状态时，通常把$\alpha >\frac{\pi }{2}$时的控制角用$\beta =\pi -\alpha$表示，成为逆变角。（可看出$\beta$从右往左计量）

逆变波形

还是有图片会好理解的多。下图为三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形。

逆变失败

逆变失败的原因

1. 触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，导致晶闸管不能正常换相。
2. 晶闸管发生故障，在应该阻断期间，器件失去阻断能力。
3. 逆变工作时，交流电源发生缺相或突然消失。
4. 换相裕量角不足，引起换相失败。

最小逆变角的限制

逆变时允许采用的最小逆变角：
${\beta }_{min}=\delta +\gamma +{\theta }^{\prime }$
其中$\delta$是晶闸管关断时间换算成的电角度，约为4°-5°；
$\gamma$是换相重叠角，约为15°-20°；
${\theta }^{\prime }$是安全裕量角，可达5°，通常取10°；
所以最小逆变角通常取30°-35°。