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第四节大功率整流电路,xwl,2021/2/7,1,第16讲,大功率整流电路,电镀、电解工业应用中，经常要用到连续可调的低压大电流直流电源的情况。有的要求直流电压仅几伏到十几伏，而直流电流却要求高达几千安几万安,2021/2/7,2,,我们已经知道三相全桥整流电路适合于高压、小电流的情况。若用在此场合，管压降很大，功耗势必很大，降低了整流装置的效率。,2021/2/7,3,用什么样的电路呢,我们知道三相全桥整流电路实质上是由两组三相半波电路串联而成的.能否也用两组三相半波电路并联工作并联后，利用整流变压器绕组的适当连接，来消除三相半波整流变压器直流磁化的缺点能否实现呢,2021/2/7,4,大电感负载三相带平衡电抗器的双反星形可控整流电路,整流变压器的二次侧每相有两个匝数相同、极性相反的绕组，a和a、b和b、c和c同绕在一相铁芯上，“.”表示同名端，故称双反星形电路（六相电压矢量图是两个相反的星形）。,2021/2/7,5,其目的是,为了消除整流变压器铁芯直流磁化问题；另外整流变压器的二次侧的中性点通过平衡电抗连接在一起，保证了两组三相半波整流电路能正常导通来给负载分别提供一半电流。该电路构成六相半波可控整流电路。,2021/2/7,6,,为了较快地理解电路的工作原理，我们不妨分两步来说明（1）不带平衡电抗的双反星型整路（2）带平衡电抗的双反星型整路,2021/2/7,7,,不带平衡电抗的双反星型整路的电路。六相电压的顺序是，彼此间相隔60，六相并联，各有一个晶闸管导通。,2021/2/7,8,当α0时，电路波形如图，包络线上相电压的交点是自然换相点，是六个晶闸管相移角α的起点。每间隔60就相继触发一个晶闸管导通，电路输出的波形为六相电压的包络线。,,这是因为六相电压在每个瞬间虽然各不相同，但总有一相最高，该相晶闸管被触发导通，而相邻的前相导通的晶闸管就因承受反相电压而关断。在负载电流连续的情况下，每个晶闸管的电流最大值均为，且只导通60电流平均值为Id/6，电流有效值为Id/6。,2021/2/7,9,,,这个电路不存在直流磁化问题，但每个绕组在一个交流电周期内仅有时间工作，变压器的利用率很低。六相半波整流电路因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，故极少采用。为了提高变压器的利用率，提高整流效率，可以加上平衡电抗器。那么，平衡电抗怎样能使晶闸管多导通呢,2021/2/7,10,带平衡电抗的双反星型整路,当电路接上平衡电抗以后，由于Lp抽头两侧匝数相等，又是绕在同一根铁芯上，因此线圈中任一侧有电流流过时，都要在抽头两侧产生大小相等、方向相反的感应电动势。它的产生，促使电路不在六相轮流单独导通向负载供电流，而是两组中各有一个晶闸管导通并联工作，同时向负载供电。在图3-23中，,2021/2/7,11,如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路，在任一瞬间只能有一个晶闸管导电，其余五个晶闸管均承受反压而阻断，每管最大的导通角为60度，每管的平均电流为Id/6。,2021/2/7,12,,下面分析在平衡电抗器作用下，两组三相半波整流电路各有一相晶闸管能同时导电的原理。上图给出了α0时的波形。我们任取一瞬间ωt1时刻，这时Ub及Ua均为正值，然而Ub大于Ua，如果两组三相半波整流电路中点n1和n2直接相连，则必然只Ub相的晶闸管能导电。,2021/2/7,13,,接了平衡电抗器后，DT6触发导通后电流从无到有逐渐增加电流在流经Lp时，Lp上要感应一电动势up，它的方向是要阻止电流增大，是左正右负（见图中标出的极性）。,2021/2/7,14,,可见up的方向和u’b的方向相反，使DT6承受的正向电压降低；在Lp的左边绕组两端同样要产生感生电动势up，其方向和u‘a相同，它使DT1承受正向电压提高。,2021/2/7,15,,一个电压压低up/2仍使DT6承受正向电压；另一个电压提高up/2使DT1承受正向电压提高。同时触发DT6和DT1两个晶闸管，这就使DT6和DT1能同时触发导通。,2021/2/7,16,,,2021/2/7,17,,可见输出电压ud的波形是相电压波形两相和的一半。,2021/2/7,18,,双反星形电路是两组三相半波电路的并联，所以整流电压平均值就等于一组三相半波整流电路的整流电压平均值，在不同控制角α时Ud1.17U2cosα,2021/2/7,19,,α30时输出电压的波形。,2021/2/7,20,,α60时输出电压的波形。,2021/2/7,21,,α90时输出电压的波形。,2021/2/7,22,,图3-34画出了α30、α60和α90时输出电压的波形。分析各种控制角时的输出波形，可先求出两组三相半波电路的ud1和ud2波形，然后做出（ud1ud2）/2波形。,2021/2/7,23,,从图中可以看出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，f300Hz。在电感负载情况下，a90度时，输出电压波形正负面积相等，Ud0，因而要求的移相范围是90。,2021/2/7,24,,如果是电阻负载，则不应出现负压，仅保留波形的正半部分。同样可以看出，a120时，Ud0,因而电阻性负载要求的移相范围为120（指两组并联运行时，如果单组则为150）。,2021/2/7,25,,前面论述了n1、n2间的电位差加在平衡电抗器Lp的两端，它补偿了U‘b和Ua的电动势，使得U’b和Ua相的晶闸管能同时导电的原理。,2021/2/7,26,,随着时间推迟至u‘b与ua的交点时，由于U’bUa。两管继续导电，此时Up的极性与图示出的相反，Lp仍起平衡的作用，使DT6继续导电，,2021/2/7,27,,直到U‘cU’b，电流才从DT6转至DT2。此时变成DT1与DT2同时导电。每隔60有一个晶闸管换相。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。以平衡电抗器中点作为整流电压输出的负端。为了分析输出波形，不妨将ud1和ud2的波形用傅氏级数展开如下,2021/2/7,28,,负载电压ud中的谐波分量比直流分量要小的多，而且最低次谐波为六次谐波。其直流分量就是该式中的常数项，即直流平均电压Ud。,2021/2/7,29,输出电压Ud是ud1和ud2的一半。如下,平衡电抗器两端电压,up只包含交流成分，且主要是三次谐波。电压up的波形如下图。,2021/2/7,30,,即当ωtπ/2时ua的峰值减去u’c在30时的电压瞬时值,2021/2/7,31,2.Up产生的环流,DT1和DT6导通后，要各承担负载电流的一半。同时还流过UP所产生的环流IP，这时流过DT1和DT6的电流分别是,2021/2/7,32,显而易见，要保证两个晶闸管能同时并联工作，Lp的电感量要足够大，以ip抑制到小于最小负载电流的一半。否则DT1仍然无法触发导通。,,因为最大的环流为id/2，而环流实际上就是平衡电抗器的激磁电流，因此平衡电抗器的电感量亦可从规定的最小负载电流Idmin估算出（只考虑三次谐波），,2021/2/7,33,,由此可得双反星形整流电路的外特性当负载电流Id很小时，其外特性较陡，如图3-34所示。在小电流情况下，id值与环流相等时，运行中的一个晶闸管即阻断，电路失去并联导电的性能，由两个三相半波并联工作转为六相半波工作，Ud有1.17U2转为1.35U2。（指α0和Id0时）,2021/2/7,34,,当IdIdmin时，特性如图3-35曲线中1所示;当IdIdmin时，特性按曲线2变化。因此在使用中应尽量避免IdIdmin。，以保证电路能正常工作在双管同时提供负载电流状态。,2021/2/7,35,,双反星形整流电路中，由于每组三相半波整流是负载电流的50，故晶闸管的选择和变压器二次绕组额定容量的确定只要按Id/2计算即可。流过晶闸管和变压器二次绕组电流相同，在电感性负载时都是方波。,2021/2/7,36,感性负载时都是方波电流有效值为,其他如晶闸管承受的最大正反向电压的计算，与三相半波时相同。关于变压器所流过的电流，其二次绕组与三相半波时相同，一次绕组则与三相桥式时相同。考虑到大功率整流装置晶闸管并联运行时带来均流和保护的复杂性，在低电压大电流的整流装置中，亦可用变压器一次侧交流调压电路（见第五章），而二次侧采用硅整流管（双反星形），挑选性能接近的管子并联工作，可使设备大大简化。,2021/2/7,37,小总结,归纳起来，带平衡电抗器的双反星形整流电路有下列特点,2021/2/7,38,1两组三相半波电路双反星形并联工作，得到的整流电压波形与六相整流的波形相同，整流电压的脉动情况比三相半波时小的多。,,2同时有两相导电，变压器磁路平衡，不存在直流磁化问题。3与六相半波整流电路相比，变压器二次绕组的利用率提高了一倍，所以变压器的设备容量比六相半波整流时要小。,2021/2/7,39,,4每一整流器件承担负载电流Id的50，整流器件流过电流的有效值，电感性负载时为0.289Id，所以与其他整流电路相比，提高了整流器件承受负载的能力,2021/2/7,40,,以三相半波整流电路为基础，研究了整流电路的串联（三相桥式电路）和并联（双反星形电路）的工作情况。在串联和并联时，都利用了两组二次饶组的极性或相位差，或者共阴极组和共阳极组的极性差相位差来消除直流磁饱合。应该注意到，串联和并联时，利用相位差不但消除了直流安匝，而且使整流电压的脉动频率增加了。,2021/2/7,41,,这就是说，串并联时，利用相位差还消除了某些次谐波电压，特别是低次的谐波电压，如三次谐波电压。由于消除了某些谐波电压，不单是脉动频率增加了，而且脉动幅度也减少了。在并联电路中，由于相位不同，所以必然出现交流电位差，必须采用平衡电抗器来限制交流环流，保证两组基本均流，同时工作，这就是并联整流电路的特点。,2021/2/7,42,,应该注意到串联时两组三相半波电路之间控制脉冲的分配关系，保证串联回路的畅通。如三相全控桥式电路，必须使两个晶闸管同时得到触发脉冲，这与并联时必须采用平衡电抗器来保证电流分配的平衡一样重要。在大功率整流设备中，常把整流电路串并联联结，常利用相位差来消除某些次谐波电压及电流，这是一个很重要的方法。,2021/2/7,43,十二相大电流整流电路,2010-5-20,2021/2/7,44,十二相大电流整流电路,1。六相整流的关键技术随着整流装置功率的进一步增大,对电网的干扰也日益严重,为了减轻整流装置对电网的影响,可采用十二相.甚至十二相以上的多相整流电路.为了获得大电流，在熟悉了带平衡电抗器的双反星形整流电路以后，可知有了三个相差120的三相电源，通过变压器的适当联接，可获得一组相位相差60的六相电源。,2021/2/7,45,2。十二相整流电路的引入,从而得到六相整流电压。相数愈多，整流电压中的最低次斜波频率愈高，其幅值愈小，与接近直流电压，滤波也愈容易。可以看出，如果得到一组相位相差30的电压，即可获得十二相整流装置了,2021/2/7,46,3。十二相整流电路的实现,为了获得十二相电源,需要两组六相电源,且两组电源间的相位差应是30。众所周知，三相桥式整流电路等效于六相整流电路，因此首先需要两组三相整流桥，其次是如何使这两组桥等效六相电源的相位相差30。左图给出了电路,2021/2/7,47,,在电工课中，我们知道，三相电源的星形和三角形联接时线电压超前相应的相电压30。基于这个原理，借助三相三绕组变压器，一次侧可接成三角形或者星形，二次侧之一接成星形，另一个接成三角形，就构成十二相的基本条件,2021/2/7,48,两组三相桥并联组成十二相整流电路,为了使两组整流桥的输出电压相等，要求两组交流电源的线电压相等，因此三角形联接的变压器二次绕组线电压应等于星形联接的绕组相电压的倍。,2021/2/7,49,两桥线电压矢量,为了得到十二相波形，每个波头应该错开30,所以采用三绕组变压器，其二次侧的两个绕组，一个联结成星形，另一个联结成三角形，分别供电给两组三相桥电路。1。星形联结的称桥为1.其供电电压为Ua1b1、Ub1c1、Uc1a1；2。三角形联结的称桥2，其供电电压为Ua2b2、Ub2c2、Uc2a2。,2021/2/7,50,,由两组三相桥并联共同给负载供电。因两组桥的交流线电压相等，当控制角相同时，两组桥的输出电压ud1和ud2也相等、极性相同。但两组交流电源的相位不同，所以两组桥输出电压ud1和ud2的瞬时值也不同。为了使两组整流桥能同时导电，实现并联运行且使得负载平衡，就需要像双反星形整流电路时那样，在两桥之间加入平衡电抗器Lp。,2021/2/7,51,,当1组桥的瞬时线电压高于2组桥而有整流电流输出时，在平衡电抗器的两端就感应电动势，其一半减小1组桥的电动势，另一半增加2组桥的电动势，维持两组桥各自的正常三相桥状态.。当1组桥的瞬时线电压等于2组桥的瞬时线电压时，两组桥当然并联运行，此时在平衡电抗器上感应的电动势为零。当2组桥的瞬时线电压大于1组桥时，则平衡电抗器上感应的电动势，其极性亦反过来，继续维持两桥正常导通。,2021/2/7,52,,与双反星形整流电路一样，估算平衡电抗器的电感量（只考虑六次谐波）。至于输出电压，亦与双反星形整流电路一样，并联后整流输出瞬时电压ud为两组桥输出瞬时值ud1与ud2的平均值，即,2021/2/7,53,,在分析不同控制角α的输出波形时，可以先分别做出两组三相桥是电路的相应输出波形ud1和ud2，然后做出（ud1ud2）/2，就是十二相（两桥并联时）的输出波形。无论从作图法还是谐波分析计算都能说明其脉动分量减少了，脉动频率比三桥时增大了一倍，f1250Hz600Hz。,2021/2/7,54,,由于是两组桥并联整流输出的电压平均值仍等于一组三相桥的整流电压平均值。,2021/2/7,55,每组桥承担Id/2的负载电流。,,整流变压器二次绕组的工作情况与三相桥时整流式相同，每周期导电240度，而一次绕组的利用率，要比三相桥时整流时更高些。,2021/2/7,56,,第16讲结束同学们，再见。,2021/2/7,57,
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