可控整流电路的基本分析步骤
已有 244 次阅读 2012-03-31 22:53概述
一,可控整流电路的基本分析步骤
1,等效电路构成的条件与方法
三相桥式整流电路结构如下(图2-2a ):
六个晶闸管可视为六只开关,当任一只晶闸管的Ugk0,Uak>0时,开关导通,否则视为关断.当VT1,VT2导通时,前面的电路可以等效为如下电路(图2-2b ) :
2,等效电路的时间性
三相整流电路中的六只晶闸管是轮流导通的,在交流电源一个周期内每只晶闸管只是导通一定时间,当前述VT1,VT2导通改变为VT3,VT2导通时,等效电路转变为如下(图2-2c ) :
3,等效电路的线性分析条件
等效电路作为线性电路分析是有条件的,也是有适用范围的.首先把器件开关状态看作理想,即导通时视作理想短路,关断时视作理想开路,这样的条件不能用来分析器件本身的损耗.其次,其它电路元件也看作完全线性.
从前面的分析可以看出,整流电路的分析主要依据晶闸管的的导通情况,因此,分析过程必须关注以下条件:
1)电网电压的分布情况(主要影响Uak的条件)
2)晶闸管门极脉冲状态(导通必要条件之一)
3)电路的结构状态(不同的结构有不同的电路条件)
4)负载的性质(不同负载对晶闸管的导通有不同的影响)
整流系数的定义:整流电路最高输出平均电压和输入交流电压峰值之比.
DB = Udo / Um
Udo:整流电路最高输出平均电压
Um:输入交流电压峰值
二,整流电路的基本分析方法
1,谐波分析法(稳态过程分析)
由于晶闸管的单向导电性,整流电路输入是正弦波,输出是非正弦周期函数.下图是三相整流电路某一工况下的输出电压波形:(图2-3 )
其中:在2π/3 π 区间ud表达式为:
波形的特点:
1)非正弦周期函数,一个周期包含六次脉动,脉波数m=6
2)在每一脉动区,Ud 按正弦规律变化,并与电网线电压相等.
波形分析:
根据傅里叶级数,可以表达为:
2,微分方程法(瞬态过程分析)
当电路处于开通或关断瞬间,或者电路中的开关元件(如晶闸管)开关瞬间,整个电路处于动态过程,此时需要采用微分方程法分析.
例:三相桥式整流电路按照图2—4的状态
假定id=Id=constant,则电路有初始条件:
(图2-4a)
(图2-4a)
(VT2导通未表示出来) (图2-4b)
(图2-4b)
对于VT1,VT3之间的环流i,可以建立方程(图2-4b状态)
根据电路的初始状态,可以解出电流i方程表达
注意:由于晶闸管的单向导电性,环流 i 是一个虚拟的概念,实际是流过VT1,VT3的电流的增量Δi.
根据方程和初始条件,可以计算环流i,最终计算出iVT1和iVT3的时间函数.
谐波分析法和微分方程法是电路分析的两种基本方法,实际应用时必须注
意电路条件,选择合适的方法.
三,晶闸管的导通条件和自然换流点
晶闸管的导通条件:
和 同时满足
自然换流点的认识:
以二极管代替晶闸管,桥路上二极管导通支路更换的时刻就是自然换流点.
例:分析单相,三相桥式,零式整流电路的自然换流点和自然整流波形.
(1)单相整流电路自然换流点与自然整流波形
(2)三相零式整流电路自然换流点与自然整流波形
R S T
(3)三相桥式整流电路自然换流点与自然整流波形
R S T R S T
U V W U V W
3,触发角的定义:
在自然换流点作为晶闸管触发脉冲起始位置,此时定义触发角 .
四,三相电路的向量关系与波形图
1,三相电路的向量图与向量运算之间的关系
2,向量关系的函数表达,依据向量图绘制相关波形的方法
第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析
一,理想条件
1,理想器件:
a) 晶闸管具有理想开关的特性,无惯性和损耗.
b) 变压器具有理想输出特性,无漏抗和内阻.
2,理想电源:
a) 交流电网容量无穷大,输入电压理想正弦波.
b) 三相电源恒频,恒压,对称,无寄生电感.
3,理想负载:
a) 滤波电抗L ∞ ,直流内阻为零.
b) 负载为纯阻性.
4,理想运行条件:
电路稳态工作,每一工作循环中各瞬时量的边值相等.
二,时的工作情况
1,电路形式:
2,自然换流点与触发角α
如下图所示,R,S,T,U,V,W点上,相邻两相电压相等,在交点的右侧满足以下条件:
R—U之间:ua > uc > ub VT1,VT6 的 UAK > 0 符合导通条件
U—S之间:ua > ub > uc VT1,VT2 的 UAK > 0 符合导通条件
S—V之间:ub > ua > uc VT3,VT2 的 UAK > 0 符合导通条件
V—T之间:ub > uc > ua VT3,VT4 的 UAK > 0 符合导通条件
T—W之间:uc > ub > ua VT5,VT4 的 UAK > 0 符合导通条件
W—R之间:uc > ua > ub VT5,VT6 的 UAK > 0 符合导通条件
R,S,T,U,V,W点称为自然换流点.
R S T R S T
U V W U V W
R U S V T W R U S V T
3, =0时触发脉冲规律
R—S 之间: Ug1 > 0 VT1 触发
U—V 之间: Ug2 > 0 VT2 触发
S —T 之间: Ug3 > 0 VT3 触发
V—W 之间: Ug4 > 0 VT4 触发
T—R 之间: Ug5 > 0 VT5 触发
W—U 之间: Ug6 > 0 VT6 触发
1) 脉冲宽度:2π/3 每个晶闸管允许导通时间为2π/3
2) 脉冲起点:分别在R,S,T,U,V,W自然换流点,其中R,S,T
对应VT1,VT3,VT5;U,V,W对应VT2,VT4,VT6.
4,波形分析(理想条件下,La,Lb,Lc影响忽略,以下同)
区间 1:Ug1 > 0,Ug6 > 0, ua > uc > ub ,VT1,VT6导通,输出电压uab
区间 2:Ug1 > 0,Ug2 > 0, ua > ub > uc ,VT1,VT2导通,输出电压uac
区间 3:Ug3 > 0,Ug2 > 0, ub > ua > uc ,VT3,VT2导通,输出电压ubc
区间 4:Ug3 > 0,Ug4 > 0, ub > uc > ua ,VT3,VT4导通,输出电压uba
区间 5:Ug5 > 0,Ug4 > 0, uc > ub > ua ,VT5,VT4导通,输出电压uca
区间 6:Ug5 > 0,Ug6 > 0, uc > ua > ub ,VT5,VT6导通,输出电压ucb
特点:1)任一瞬间,上,下桥臂各只有一只管子导通.
2)每一器件导电角度为120 .
3)理想状态,负载电流为恒定直流.
图形结果见上
5,相关参数计算
1)输出直流电压:
输出波形为周期函数,直流电压为一个周期的平均值,周期π/3.
U2为相电压有效值.
2)网侧线电流有效值:
以ia为例,与 a 相相连的器件有VT1,VT4,在R—S时间段,VT1导通,电流 Id;在V—W时间段,VT4导通,电流 –Id; ia电流为周期2π,以此循环的周期函数.
3)网侧线电流基波有效值:
以 a 相电流正,负两个半波的中点为时间零点,按傅立叶级数展开函数有:
基波的有效值:
各次谐波的有效值: n = 6k ± 1 k = 1,2,3, …..
4)晶闸管电流平均值:
5)晶闸管端压:
以VT1为例:
VT1导通时,UVT1≈ 0V,
VT3导通时,UVT1 = uab ,
VT5导通时,UVT1 = uac ,
U2为相电压有效值
三,( = 30( 时的工作情况:
触发脉冲起始时间在自然换流点之后30 时间,即在R',S',T',U',V',W'
时间处发生脉冲,其余不变,波形如下:
(1)(=30 时触发脉冲规律
R'—S' 之间: Ug1 > 0 VT1 触发
U'—V' 之间: Ug2 > 0 VT2 触发
S'—T' 之间: Ug3 > 0 VT3 触发
V'—W' 之间: Ug4 > 0 VT4 触发
T'—R' 之间: Ug5 > 0 VT5 触发
W'—U' 之间: Ug6 > 0 VT6 触发
1) 脉冲宽度:2π/3 每个晶闸管允许导通时间为2π/3
2) 脉冲起点:分别在R',S',T',U',V',W',从自然换流点后移30 ,
其中R',S',T'对应VT1,VT3,VT5,U',V',W'对应
VT2,VT4,VT6.
(2)波形分析
区间Ⅰ:Ug1 > 0,Ug6 > 0, R'—U区间:ua > uc > ub ,VT1,VT6导通,输出电压uab,U—U'区间:虽然ua > ub > uc,但此时Ug2 =0,只能VT6继续导通,继续输出电压uab;其他区段的分析也类似.
区间Ⅱ:Ug1 > 0,Ug2 > 0,初始ua > ub > uc ,VT1,VT2导通,输出电压uac
区间Ⅲ:Ug3 > 0,Ug2 > 0,初始ub > ua > uc ,VT3,VT2导通,输出电压ubc
区间Ⅳ:Ug3 > 0,Ug4 > 0,初始ub > uc > ua ,VT3,VT4导通,输出电压uba
区间Ⅴ:Ug5 > 0,Ug4 > 0,初始uc > ub > ua ,VT5,VT4导通,输出电压uca
区间Ⅵ:Ug5 > 0,Ug6 > 0,初始uc > ua > ub ,VT5,VT6导通,输出电压ucb
R R' S S' T T'
U U' V V' W W'
R' U' S' V' T' W'
三,( = 60( 时的工作情况:
触发脉冲起始时间在自然换流点之后60 时间,即在R',S',T',U',V',W'
时间处发生脉冲,其余不变,波形如下:
(1)(=60 时触发脉冲规律
R'—S' 之间: Ug1 > 0 VT1 触发
U'—V' 之间: Ug2 > 0 VT2 触发
S'—T' 之间: Ug3 > 0 VT3 触发
V'—W' 之间: Ug4 > 0 VT4 触发
T'—R' 之间: Ug5 > 0 VT5 触发
W'—U' 之间: Ug6 > 0 VT6 触发
1) 脉冲宽度:2π/3 每个晶闸管允许导通时间为2π/3
2) 脉冲起点:分别在R',S',T',U',V',W',从自然换流点后移60
其中R',S',T'对应VT1,VT3,VT5,U',V',W'对应
VT2,VT4,VT6.
(2) 波形分析
区间Ⅰ:Ug1 > 0,Ug6 > 0,ua > ub > uc,由于Ug2 = 0,VT2不能导通,因此VT1,VT6导通,输出电压uab,
区间Ⅱ:Ug1 > 0,Ug2 > 0,ub > ua > uc,由于Ug2 > 0触发脉冲的初始时刻存在VT6导通,,,VT2承受正向电压,满足导通条件,当Ug2 > 0后,VT2导通,拉低,使VT6承受反压关断,VT6向VT2换流,最终结果VT1,VT2导通,输出电压uac,其他区间分析类似.
区间Ⅲ:Ug3 > 0,Ug2 > 0, ub > uc > ua ,VT3,VT2导通,输出电压ubc
区间Ⅳ:Ug3 > 0,Ug4 > 0, uc > ub > ua ,VT3,VT4导通,输出电压uba
区间Ⅴ:Ug5 > 0,Ug4 > 0, uc > ua > ub ,VT5,VT4导通,输出电压uca
区间Ⅵ:Ug5 > 0,Ug6 > 0, ua > uc > ub ,VT5,VT6导通,输出电压ucb
R' U' S' V' T' W'
四,输出平均电压变化规律
当 > 0时,
U2为相电压有效值
90° > > 0 时, Ud > 0,整流状态
180 > > 90°时, Ud > 0°范围内,从前节的分析可以了解,输出电压 ud0,电流始终连续,( = 60°时,电流临界连续,无电感时电流波形与电压完全相同 .
当 ( > 60°时,电压有过零现象,而电流不能反向,导致晶闸管关断,下面分析( = 90°时电流连续与不连续两种状态的波形作为比较.
状态下的波形分析
R'～S区间: ,VT1,VT6导通,输出电压为Uab .
S ～U'区间: ,VT1,VT6承受反压关断,输出电压为0 .
U'～V区间: ,VT1,VT2导通,输出电压为Uac .
V～S' 区间: ,VT1,VT2承受反压关断,输出电压为0 .
其他区段以此类推
二,理想状态()的情况
状态下的波形分析
R'～S区间: ,VT1,VT6导通,输出电压为Uab .
S ～U'区间: 虽然 ,但由于电感Ld续流作用导致VT1,VT6继续导通(由于Ld的反电势作用,使VT1,VT6承受正向电压),输出电压仍然为Uab .
U'～V区间: ,VT1,VT2导通(VT2,VT6换流),输出电压为Uac .
V～S' 区间: 虽然 ,但由于电感Ld续流作用导致VT1,VT2继续导通,输出电压仍然为Uac .
其他区段以此类推
对比以上两种情况可以得出:
(1)对于状态
1,电流断续时,每个器件实际导通两次(门极脉冲宽度足够),总的导通时间小于120°.
2,触发脉冲的有效移相角范围在:.
3,由于不存在输出电压过零,纯阻负载输出电压平均值高于电感负载.
(2)对于状态
1,的有效变化范围理论上为(超过1800就无法换流),
2,当时,VT1～VT6的导通时间始终为1200 .
三,感性负载(0 < Ld < () 时的工作情况
1,电流连续状态
三相整流电路简图如下,感性负载电流连续时,局部波形如图(图2-9a ) :
1)θ1< ( ud',id 增长,ud'随电流同步增长,电感储能,在θ2 时两者相等,θ1时刻VT4,VT6换流.
2)θ2< ( <θ3区间:
ud < ud',id 衰减,ud'随电流同步衰减,电感释能,在θ3 时ud达到过零点.
3)θ3< ( 0, id 继续衰减,电感释能,整流电路吸收能量.
4)θ4时刻( VT1,VT5换流, VT1,VT6 导通):
ud = uab > ud', id, ud', ud再次开始上面的循环.
2,负载电流断续的情况
在到达换流点之前,当电感储能不足以维持电流的连续时,id 出现断续
现象,如下图(图2-9d ) :
θu:称为断流角; θ0:为晶闸管的导通角
在 时,
在 时, ud = 0
输出电压平均值:
可以看出,电流断续角与输出电压之间存在函数关系,具体计算可以用微
分方程借助边界条件来确定.
第四节 换流过程及其对整流电路性能的影响
一,实际电路与理想状态的区别
1,变压器输出存在漏抗
2,线路传输存在寄生电感
3,晶闸管的开通与关断都需要一定的时间,因此,存在换流过程和叠流时间.
二,实际电路的换流过程分析
1,假设:整流电路具有大电感,换流期中叠流时间 tr 0
注意:此图与前面的整流波形分析图的区别,此处坐标以
为基准设置,此处α不是通常的触发角度,仅代表触发时间.
2) 换流过程(α+~ γ时段)
Ug3 > 0, VT3导通,由于uBA (α) > 0,有uB > uA,导致iVT1减小, iVT3增加, 形成环流 i.
假定:La = Lb=Lk 有
由于id = Id 恒定,Δid ≈0,交流电路状态P点视为开路
换流角γ:
由
当
从上分析可以看出,换流角大小与触发角度有相关性.
3) 换流结束( α+ γ以后)
VT1关断,VT3开通,电路进入稳态工作.
三,换流过程的影响
1,可靠换流的条件
安全开通:Lk限制
可靠关断: 反压时间
2,对输出的影响
1)输出波形变化
如下图所示,换流期内有三个器件导通,非换流期是两个器件导通.
以S'处换流为例,VT3触发,VT1,VT3换流,换流期P点输出电压
按前面分析应为:
(图2-2a)
P点为上组桥公共点,N点为下组桥公共点,O点为电源中点
换流期后电压波形恢复正常,其余各点的情况类似.
2)输出电压的变化
以U' 点的波形为例计算输出电压变化,U点相位为π/2,U'点相位为π/2+α .
换流期内( ):
换流期后( ):
输出电压平均值:
由于
可以得出:
换流导致输出直流电压下降,相当于增加电源的输出内阻Rd0.
3,对阀侧电压影响
根据图2-2的参考量表示,对于A相而言,在换流期内有:
VT1,VT3换流或VT4,VT6换流:uLa= uAB/2 ua = uA- uLa= -uC/2
VT1,VT5换流或VT2,VT4换流:uLa= uAC/2 ua = uA- uLa= -uB/2
其余正常.
4,对器件端压的影响(VT1为例)
1)器件导通: uVT1≈ 0
2)非叠流阻断期:
uVT1= uAB VT3导通 ;
uVT1= uAC VT5导通
3)叠流阻断期:
uVT1= 3uA/2 VT3,VT4,VT5导通
uVT1= -3uC/2 VT4,VT5,VT6导通
uVT1= -3uB/2 VT2,VT3,VT4导通
有源逆变电路
一, 什么是逆变
逆变(invertion):把直流电转变成交流电.
逆变电路:直流电逆变成交流电的电路
变流电路:一套电路,既工作在整流状态又工作在逆变状态,称为变流电
路或变流装置.
有源逆变:交流侧和电网连结,逆变时可把直流电逆变为50Hz的交流电.
无源逆变:变流电路的交流侧不与电网联接,而直接接到负载(如交流电
机,电炉等).
二,逆变电路的条件
1,半控式电路(图2-18):
由于输出电压和电流极性无法反向,功率流向恒定,不具有逆变功能.
2,全控式电路(图2-19a):
电流流向恒定,输出电压极性可以反向,功率可以双向流动,具有逆变
功能,如下图.
三,逆变电路正常工作的条件
1,Ud 90°时,Ud0, VT1,VT5换流,输出电压 ,uVT1≈ 0
3,(θ1+γ)~S' 之间, VT1,VT6导通, ud = uAB, uVT1≈ 0
其余分析相同,从图中分析可以看出,最大逆变触发角
五,逆变电路特点
1,逆变和整流的控制角不同.
时,电路工作在整流状态
时,电路工作在逆变状态
2,输出电压极性不同
整流输出 ,,电能从电网流向负载
逆变输出 ,,电能从负载流向电网
3,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
六,逆变颠覆现象
1,逆变颠覆(逆变失败):
逆变时,一旦换相失败,外接直流电源就会通过晶闸管电路短路,或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联,形成很大短路电流可以造成器件和变压器损坏.
2,逆变颠覆的原因 :
(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,致使晶闸管不能正常换相,使交流电源电压和负载直流电势顺向串联,形成短路.
(2)晶闸管发生故障,该断时不断,或该通时不通,造成逆变失败.
(3)交流电源缺相或突然消失,由于负载直流电势的存在,晶闸管仍可以导通,此时由于变流器的交流侧失去了同负载直流电势极性相反的交流电压,负载直流电势将通过晶闸管短路.
(4)反压角太小, ,器件反压时间不足,不能恢复阻断能力,引起换相失败.
3,逆变颠覆现象分析(图2-24 状态)
1) 时,VT1,VT2导通, ,,ug3 延迟.
2) 时,ug3出现, uVT3= uba>0,VT3导通,uVT1= uabω0,使负载呈现容性.
3,逆变电路的分析
不作要求,自学
作业 2-1～2-7
主要内容小结
1,波形分析法
(1)确定坐标系,对于三相电压确定坐标原点对应的相电压过零点或线电压过零点,以此画出各相,线电压的波形.
(2)确定自然换流点,以二极管代替晶闸管,器件自然换流的时刻就是自然换流点.
(3)依据脉冲条件分析各晶闸管的导通与关断状态:从而确定输出电压波形,晶闸管电流(相电流)波形,晶闸管的电压波形.
(4)依据波形计算相关参数
晶闸管平均电流:
输出直流电压:
电流有效值:
换流过程的影响
换流过程的影响,原因在于换流期内换流的两个管子同时导通,引起输出电压的异变,在换流过程中电压的异变要能分析计算,其他分析方法就利用波形分析法.
3,逆变状态与逆变颠覆现象
逆变状态分析:与整流状态分析相同,利用波形分析法.
逆变颠覆现象:晶闸管未能正常关断引起电路工作异常,要求能分析波形.
4非正弦电路的功率和功率因数
一,可控整流电路的基本分析步骤
1,等效电路构成的条件与方法
三相桥式整流电路结构如下(图2-2a ):
六个晶闸管可视为六只开关,当任一只晶闸管的Ugk0,Uak>0时,开关导通,否则视为关断.当VT1,VT2导通时,前面的电路可以等效为如下电路(图2-2b ) :
2,等效电路的时间性
三相整流电路中的六只晶闸管是轮流导通的,在交流电源一个周期内每只晶闸管只是导通一定时间,当前述VT1,VT2导通改变为VT3,VT2导通时,等效电路转变为如下(图2-2c ) :
3,等效电路的线性分析条件
等效电路作为线性电路分析是有条件的,也是有适用范围的.首先把器件开关状态看作理想,即导通时视作理想短路,关断时视作理想开路,这样的条件不能用来分析器件本身的损耗.其次,其它电路元件也看作完全线性.
从前面的分析可以看出,整流电路的分析主要依据晶闸管的的导通情况,因此,分析过程必须关注以下条件:
1)电网电压的分布情况(主要影响Uak的条件)
2)晶闸管门极脉冲状态(导通必要条件之一)
3)电路的结构状态(不同的结构有不同的电路条件)
4)负载的性质(不同负载对晶闸管的导通有不同的影响)
整流系数的定义:整流电路最高输出平均电压和输入交流电压峰值之比.
DB = Udo / Um
Udo:整流电路最高输出平均电压
Um:输入交流电压峰值
二,整流电路的基本分析方法
1,谐波分析法(稳态过程分析)
由于晶闸管的单向导电性,整流电路输入是正弦波,输出是非正弦周期函数.下图是三相整流电路某一工况下的输出电压波形:(图2-3 )
其中:在2π/3 π 区间ud表达式为:
波形的特点:
1)非正弦周期函数,一个周期包含六次脉动,脉波数m=6
2)在每一脉动区,Ud 按正弦规律变化,并与电网线电压相等.
波形分析:
根据傅里叶级数,可以表达为:
2,微分方程法(瞬态过程分析)
当电路处于开通或关断瞬间,或者电路中的开关元件(如晶闸管)开关瞬间,整个电路处于动态过程,此时需要采用微分方程法分析.
例:三相桥式整流电路按照图2—4的状态
假定id=Id=constant,则电路有初始条件:
(图2-4a)
(图2-4a)
(VT2导通未表示出来) (图2-4b)
(图2-4b)
对于VT1,VT3之间的环流i,可以建立方程(图2-4b状态)
根据电路的初始状态,可以解出电流i方程表达
注意:由于晶闸管的单向导电性,环流 i 是一个虚拟的概念,实际是流过VT1,VT3的电流的增量Δi.
根据方程和初始条件,可以计算环流i,最终计算出iVT1和iVT3的时间函数.
谐波分析法和微分方程法是电路分析的两种基本方法,实际应用时必须注
意电路条件,选择合适的方法.
三,晶闸管的导通条件和自然换流点
晶闸管的导通条件:
和 同时满足
自然换流点的认识:
以二极管代替晶闸管,桥路上二极管导通支路更换的时刻就是自然换流点.
例:分析单相,三相桥式,零式整流电路的自然换流点和自然整流波形.
(1)单相整流电路自然换流点与自然整流波形
(2)三相零式整流电路自然换流点与自然整流波形
R S T
(3)三相桥式整流电路自然换流点与自然整流波形
R S T R S T
U V W U V W
3,触发角的定义:
在自然换流点作为晶闸管触发脉冲起始位置,此时定义触发角 .
四,三相电路的向量关系与波形图
1,三相电路的向量图与向量运算之间的关系
2,向量关系的函数表达,依据向量图绘制相关波形的方法
第二节 理想条件下三相桥式整流电路分析
一,理想条件
1,理想器件:
a) 晶闸管具有理想开关的特性,无惯性和损耗.
b) 变压器具有理想输出特性,无漏抗和内阻.
2,理想电源:
a) 交流电网容量无穷大,输入电压理想正弦波.
b) 三相电源恒频,恒压,对称,无寄生电感.
3,理想负载:
a) 滤波电抗L ∞ ,直流内阻为零.
b) 负载为纯阻性.
4,理想运行条件:
电路稳态工作,每一工作循环中各瞬时量的边值相等.
二,时的工作情况
1,电路形式:
2,自然换流点与触发角α
如下图所示,R,S,T,U,V,W点上,相邻两相电压相等,在交点的右侧满足以下条件:
R—U之间:ua > uc > ub VT1,VT6 的 UAK > 0 符合导通条件
U—S之间:ua > ub > uc VT1,VT2 的 UAK > 0 符合导通条件
S—V之间:ub > ua > uc VT3,VT2 的 UAK > 0 符合导通条件
V—T之间:ub > uc > ua VT3,VT4 的 UAK > 0 符合导通条件
T—W之间:uc > ub > ua VT5,VT4 的 UAK > 0 符合导通条件
W—R之间:uc > ua > ub VT5,VT6 的 UAK > 0 符合导通条件
R,S,T,U,V,W点称为自然换流点.
R S T R S T
U V W U V W
R U S V T W R U S V T
3, =0时触发脉冲规律
R—S 之间: Ug1 > 0 VT1 触发
U—V 之间: Ug2 > 0 VT2 触发
S —T 之间: Ug3 > 0 VT3 触发
V—W 之间: Ug4 > 0 VT4 触发
T—R 之间: Ug5 > 0 VT5 触发
W—U 之间: Ug6 > 0 VT6 触发
1) 脉冲宽度:2π/3 每个晶闸管允许导通时间为2π/3
2) 脉冲起点:分别在R,S,T,U,V,W自然换流点,其中R,S,T
对应VT1,VT3,VT5;U,V,W对应VT2,VT4,VT6.
4,波形分析(理想条件下,La,Lb,Lc影响忽略,以下同)
区间 1:Ug1 > 0,Ug6 > 0, ua > uc > ub ,VT1,VT6导通,输出电压uab
区间 2:Ug1 > 0,Ug2 > 0, ua > ub > uc ,VT1,VT2导通,输出电压uac
区间 3:Ug3 > 0,Ug2 > 0, ub > ua > uc ,VT3,VT2导通,输出电压ubc
区间 4:Ug3 > 0,Ug4 > 0, ub > uc > ua ,VT3,VT4导通,输出电压uba
区间 5:Ug5 > 0,Ug4 > 0, uc > ub > ua ,VT5,VT4导通,输出电压uca
区间 6:Ug5 > 0,Ug6 > 0, uc > ua > ub ,VT5,VT6导通,输出电压ucb
特点:1)任一瞬间,上,下桥臂各只有一只管子导通.
2)每一器件导电角度为120 .
3)理想状态,负载电流为恒定直流.
图形结果见上
5,相关参数计算
1)输出直流电压:
输出波形为周期函数,直流电压为一个周期的平均值,周期π/3.
U2为相电压有效值.
2)网侧线电流有效值:
以ia为例,与 a 相相连的器件有VT1,VT4,在R—S时间段,VT1导通,电流 Id;在V—W时间段,VT4导通,电流 –Id; ia电流为周期2π,以此循环的周期函数.
3)网侧线电流基波有效值:
以 a 相电流正,负两个半波的中点为时间零点,按傅立叶级数展开函数有:
基波的有效值:
各次谐波的有效值: n = 6k ± 1 k = 1,2,3, …..
4)晶闸管电流平均值:
5)晶闸管端压:
以VT1为例:
VT1导通时,UVT1≈ 0V,
VT3导通时,UVT1 = uab ,
VT5导通时,UVT1 = uac ,
U2为相电压有效值
三,( = 30( 时的工作情况:
触发脉冲起始时间在自然换流点之后30 时间,即在R',S',T',U',V',W'
时间处发生脉冲,其余不变,波形如下:
(1)(=30 时触发脉冲规律
R'—S' 之间: Ug1 > 0 VT1 触发
U'—V' 之间: Ug2 > 0 VT2 触发
S'—T' 之间: Ug3 > 0 VT3 触发
V'—W' 之间: Ug4 > 0 VT4 触发
T'—R' 之间: Ug5 > 0 VT5 触发
W'—U' 之间: Ug6 > 0 VT6 触发
1) 脉冲宽度:2π/3 每个晶闸管允许导通时间为2π/3
2) 脉冲起点:分别在R',S',T',U',V',W',从自然换流点后移30 ,
其中R',S',T'对应VT1,VT3,VT5,U',V',W'对应
VT2,VT4,VT6.
(2)波形分析
区间Ⅰ:Ug1 > 0,Ug6 > 0, R'—U区间:ua > uc > ub ,VT1,VT6导通,输出电压uab,U—U'区间:虽然ua > ub > uc,但此时Ug2 =0,只能VT6继续导通,继续输出电压uab;其他区段的分析也类似.
区间Ⅱ:Ug1 > 0,Ug2 > 0,初始ua > ub > uc ,VT1,VT2导通,输出电压uac
区间Ⅲ:Ug3 > 0,Ug2 > 0,初始ub > ua > uc ,VT3,VT2导通,输出电压ubc
区间Ⅳ:Ug3 > 0,Ug4 > 0,初始ub > uc > ua ,VT3,VT4导通,输出电压uba
区间Ⅴ:Ug5 > 0,Ug4 > 0,初始uc > ub > ua ,VT5,VT4导通,输出电压uca
区间Ⅵ:Ug5 > 0,Ug6 > 0,初始uc > ua > ub ,VT5,VT6导通,输出电压ucb
R R' S S' T T'
U U' V V' W W'
R' U' S' V' T' W'
三,( = 60( 时的工作情况:
触发脉冲起始时间在自然换流点之后60 时间,即在R',S',T',U',V',W'
时间处发生脉冲,其余不变,波形如下:
(1)(=60 时触发脉冲规律
R'—S' 之间: Ug1 > 0 VT1 触发
U'—V' 之间: Ug2 > 0 VT2 触发
S'—T' 之间: Ug3 > 0 VT3 触发
V'—W' 之间: Ug4 > 0 VT4 触发
T'—R' 之间: Ug5 > 0 VT5 触发
W'—U' 之间: Ug6 > 0 VT6 触发
1) 脉冲宽度:2π/3 每个晶闸管允许导通时间为2π/3
2) 脉冲起点:分别在R',S',T',U',V',W',从自然换流点后移60
其中R',S',T'对应VT1,VT3,VT5,U',V',W'对应
VT2,VT4,VT6.
(2) 波形分析
区间Ⅰ:Ug1 > 0,Ug6 > 0,ua > ub > uc,由于Ug2 = 0,VT2不能导通,因此VT1,VT6导通,输出电压uab,
区间Ⅱ:Ug1 > 0,Ug2 > 0,ub > ua > uc,由于Ug2 > 0触发脉冲的初始时刻存在VT6导通,,,VT2承受正向电压,满足导通条件,当Ug2 > 0后,VT2导通,拉低,使VT6承受反压关断,VT6向VT2换流,最终结果VT1,VT2导通,输出电压uac,其他区间分析类似.
区间Ⅲ:Ug3 > 0,Ug2 > 0, ub > uc > ua ,VT3,VT2导通,输出电压ubc
区间Ⅳ:Ug3 > 0,Ug4 > 0, uc > ub > ua ,VT3,VT4导通,输出电压uba
区间Ⅴ:Ug5 > 0,Ug4 > 0, uc > ua > ub ,VT5,VT4导通,输出电压uca
区间Ⅵ:Ug5 > 0,Ug6 > 0, ua > uc > ub ,VT5,VT6导通,输出电压ucb
R' U' S' V' T' W'
四,输出平均电压变化规律
当 > 0时,
U2为相电压有效值
90° > > 0 时, Ud > 0,整流状态
180 > > 90°时, Ud > 0°范围内,从前节的分析可以了解,输出电压 ud0,电流始终连续,( = 60°时,电流临界连续,无电感时电流波形与电压完全相同 .
当 ( > 60°时,电压有过零现象,而电流不能反向,导致晶闸管关断,下面分析( = 90°时电流连续与不连续两种状态的波形作为比较.
状态下的波形分析
R'～S区间: ,VT1,VT6导通,输出电压为Uab .
S ～U'区间: ,VT1,VT6承受反压关断,输出电压为0 .
U'～V区间: ,VT1,VT2导通,输出电压为Uac .
V～S' 区间: ,VT1,VT2承受反压关断,输出电压为0 .
其他区段以此类推
二,理想状态()的情况
状态下的波形分析
R'～S区间: ,VT1,VT6导通,输出电压为Uab .
S ～U'区间: 虽然 ,但由于电感Ld续流作用导致VT1,VT6继续导通(由于Ld的反电势作用,使VT1,VT6承受正向电压),输出电压仍然为Uab .
U'～V区间: ,VT1,VT2导通(VT2,VT6换流),输出电压为Uac .
V～S' 区间: 虽然 ,但由于电感Ld续流作用导致VT1,VT2继续导通,输出电压仍然为Uac .
其他区段以此类推
对比以上两种情况可以得出:
(1)对于状态
1,电流断续时,每个器件实际导通两次(门极脉冲宽度足够),总的导通时间小于120°.
2,触发脉冲的有效移相角范围在:.
3,由于不存在输出电压过零,纯阻负载输出电压平均值高于电感负载.
(2)对于状态
1,的有效变化范围理论上为(超过1800就无法换流),
2,当时,VT1～VT6的导通时间始终为1200 .
三,感性负载(0 < Ld < () 时的工作情况
1,电流连续状态
三相整流电路简图如下,感性负载电流连续时,局部波形如图(图2-9a ) :
1)θ1< ( ud',id 增长,ud'随电流同步增长,电感储能,在θ2 时两者相等,θ1时刻VT4,VT6换流.
2)θ2< ( <θ3区间:
ud < ud',id 衰减,ud'随电流同步衰减,电感释能,在θ3 时ud达到过零点.
3)θ3< ( 0, id 继续衰减,电感释能,整流电路吸收能量.
4)θ4时刻( VT1,VT5换流, VT1,VT6 导通):
ud = uab > ud', id, ud', ud再次开始上面的循环.
2,负载电流断续的情况
在到达换流点之前,当电感储能不足以维持电流的连续时,id 出现断续
现象,如下图(图2-9d ) :
θu:称为断流角; θ0:为晶闸管的导通角
在 时,
在 时, ud = 0
输出电压平均值:
可以看出,电流断续角与输出电压之间存在函数关系,具体计算可以用微
分方程借助边界条件来确定.
第四节 换流过程及其对整流电路性能的影响
一,实际电路与理想状态的区别
1,变压器输出存在漏抗
2,线路传输存在寄生电感
3,晶闸管的开通与关断都需要一定的时间,因此,存在换流过程和叠流时间.
二,实际电路的换流过程分析
1,假设:整流电路具有大电感,换流期中叠流时间 tr 0
注意:此图与前面的整流波形分析图的区别,此处坐标以
为基准设置,此处α不是通常的触发角度,仅代表触发时间.
2) 换流过程(α+~ γ时段)
Ug3 > 0, VT3导通,由于uBA (α) > 0,有uB > uA,导致iVT1减小, iVT3增加, 形成环流 i.
假定:La = Lb=Lk 有
由于id = Id 恒定,Δid ≈0,交流电路状态P点视为开路
换流角γ:
由
当
从上分析可以看出,换流角大小与触发角度有相关性.
3) 换流结束( α+ γ以后)
VT1关断,VT3开通,电路进入稳态工作.
三,换流过程的影响
1,可靠换流的条件
安全开通:Lk限制
可靠关断: 反压时间
2,对输出的影响
1)输出波形变化
如下图所示,换流期内有三个器件导通,非换流期是两个器件导通.
以S'处换流为例,VT3触发,VT1,VT3换流,换流期P点输出电压
按前面分析应为:
(图2-2a)
P点为上组桥公共点,N点为下组桥公共点,O点为电源中点
换流期后电压波形恢复正常,其余各点的情况类似.
2)输出电压的变化
以U' 点的波形为例计算输出电压变化,U点相位为π/2,U'点相位为π/2+α .
换流期内( ):
换流期后( ):
输出电压平均值:
由于
可以得出:
换流导致输出直流电压下降,相当于增加电源的输出内阻Rd0.
3,对阀侧电压影响
根据图2-2的参考量表示,对于A相而言,在换流期内有:
VT1,VT3换流或VT4,VT6换流:uLa= uAB/2 ua = uA- uLa= -uC/2
VT1,VT5换流或VT2,VT4换流:uLa= uAC/2 ua = uA- uLa= -uB/2
其余正常.
4,对器件端压的影响(VT1为例)
1)器件导通: uVT1≈ 0
2)非叠流阻断期:
uVT1= uAB VT3导通 ;
uVT1= uAC VT5导通
3)叠流阻断期:
uVT1= 3uA/2 VT3,VT4,VT5导通
uVT1= -3uC/2 VT4,VT5,VT6导通
uVT1= -3uB/2 VT2,VT3,VT4导通
有源逆变电路
一, 什么是逆变
逆变(invertion):把直流电转变成交流电.
逆变电路:直流电逆变成交流电的电路
变流电路:一套电路,既工作在整流状态又工作在逆变状态,称为变流电
路或变流装置.
有源逆变:交流侧和电网连结,逆变时可把直流电逆变为50Hz的交流电.
无源逆变:变流电路的交流侧不与电网联接,而直接接到负载(如交流电
机,电炉等).
二,逆变电路的条件
1,半控式电路(图2-18):
由于输出电压和电流极性无法反向,功率流向恒定,不具有逆变功能.
2,全控式电路(图2-19a):
电流流向恒定,输出电压极性可以反向,功率可以双向流动,具有逆变
功能,如下图.
三,逆变电路正常工作的条件
1,Ud 90°时,Ud0, VT1,VT5换流,输出电压 ,uVT1≈ 0
3,(θ1+γ)~S' 之间, VT1,VT6导通, ud = uAB, uVT1≈ 0
其余分析相同,从图中分析可以看出,最大逆变触发角
五,逆变电路特点
1,逆变和整流的控制角不同.
时,电路工作在整流状态
时,电路工作在逆变状态
2,输出电压极性不同
整流输出 ,,电能从电网流向负载
逆变输出 ,,电能从负载流向电网
3,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
六,逆变颠覆现象
1,逆变颠覆(逆变失败):
逆变时,一旦换相失败,外接直流电源就会通过晶闸管电路短路,或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联,形成很大短路电流可以造成器件和变压器损坏.
2,逆变颠覆的原因 :
(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,致使晶闸管不能正常换相,使交流电源电压和负载直流电势顺向串联,形成短路.
(2)晶闸管发生故障,该断时不断,或该通时不通,造成逆变失败.
(3)交流电源缺相或突然消失,由于负载直流电势的存在,晶闸管仍可以导通,此时由于变流器的交流侧失去了同负载直流电势极性相反的交流电压,负载直流电势将通过晶闸管短路.
(4)反压角太小, ,器件反压时间不足,不能恢复阻断能力,引起换相失败.
3,逆变颠覆现象分析(图2-24 状态)
1) 时,VT1,VT2导通, ,,ug3 延迟.
2) 时,ug3出现, uVT3= uba>0,VT3导通,uVT1= uabω0,使负载呈现容性.
3,逆变电路的分析
不作要求,自学
作业 2-1～2-7
主要内容小结
1,波形分析法
(1)确定坐标系,对于三相电压确定坐标原点对应的相电压过零点或线电压过零点,以此画出各相,线电压的波形.
(2)确定自然换流点,以二极管代替晶闸管,器件自然换流的时刻就是自然换流点.
(3)依据脉冲条件分析各晶闸管的导通与关断状态:从而确定输出电压波形,晶闸管电流(相电流)波形,晶闸管的电压波形.
(4)依据波形计算相关参数
晶闸管平均电流:
输出直流电压:
电流有效值:
换流过程的影响
换流过程的影响,原因在于换流期内换流的两个管子同时导通,引起输出电压的异变,在换流过程中电压的异变要能分析计算,其他分析方法就利用波形分析法.
3,逆变状态与逆变颠覆现象
逆变状态分析:与整流状态分析相同,利用波形分析法.
逆变颠覆现象:晶闸管未能正常关断引起电路工作异常,要求能分析波形.
4非正弦电路的功率和功率因数
发表评论 评论 (0 个评论)