【2019年整理】相控整流电路(20210130000632)

1、PWM整流 电路工作原 理，分析和 相控整流电 路的原理和 性能不同之 处 相控整流电路-正文 编辑本段回目录 采用相位控制方式以实现负载端直流电能控制的可控整流电路。可控是因为整流元件使 用具有控制功能的 晶闸管。在这种电路中，只要适当控制晶闸管触发导通瞬间的相位角，就 能够控制直流负载电压的平均值。故称为相控。 分类相控整流电路分为单相、三相、多相整流电路3种。 单相整流电路图1a为单相半波可控整流电路。 匡图中ug为晶闸管的触发脉冲， 其 工作过程如下：当 比负半周时，晶闸管不导通。在 匕正半周时，不加触发脉冲之前，晶闸 管也不导通，只有加触发脉冲之后，晶闸管才导通，这时负载Rd上流过电

2、流。在电流为零 时刻，晶闸管自动关断，为下一次触发导通作好准备，如此循环往复，负载上得到脉动的直 流电压Ud。晶闸管从开始承受正向电压起到开始导通这一角度称为控制角，以a表示。这样， 只要改变控制角a的大小，即改变触发脉冲出现的时刻，就改变了直流输出电压的平均值。 触发脉冲总是在电源周期的同一特定时刻加到晶闸管的控制极上，所以，触发脉冲和电源电 压在频率和相位上要配合好，这种协调配合的关系称为同步。图1b为单相桥式可控整流电 路。它与单相半波可控整流电路相比，其变压器利用系数较高，直流侧脉动的基波频率为交 流基波的二倍，故为小功率场合常用的整流电路之一。这里，脉波数 P的概念很重要。所 谓脉波

3、数就是在交流电源的一个周期之内直流侧输出波形的重复次数。通常脉波数越多，直 流侧输出越平滑，交流侧电流越接近正弦波。 为了增加脉波数，可以增加交流侧相数，但是， 一般相数增加越多，各相的通电时间变得越短，这样会使整流元件与整流变压器副边绕组的 利用率变坏，使装置体积变大，成本提高。图1c为单相桥式半控整流电路，由于可控的晶 闸管与不控的二极管混合组成 ，故称半控。F称续流二极管，若直流电压变为负值，它成为 直流侧环流的路径，维持输出电压为零。 单相整流电路比较简单，对触发电路的要求较低，相位同步问题很简单，调整也比较容 易。但它的输出直流电压的纹波系数较大。由于它接在电网的一相上， 易造成电网

4、负载不平 衡,所以一般只用于4kW以下的中小容量的设备上。如果负载较大，一般都用三相电路。 三相整流电路当整流容量较大，要求直流电压脉动较小，对快速性有特殊要求的场 合，应考虑采用三相可控整流电路。这是因为三相整流装置三相是平衡的，输出的直流电压 和电流脉动小，对电网影响小，且控制滞后时间短。匡图2为三相桥式全控整流电路及其 W 3 * f 输出电压波形。在理想情况下, 晶闸管导通，一个是共阳极组的 们同时导通才能形成导电回路。 电路在任何时刻都必须有两个 ,另一个是共阴级组的，只有它 、T2、T3、T4、T5、T6 的触发 脉冲互差60 。因此，电路每隔 次序为2t3宀4宀56,每个晶闸管导

5、通 120。在整流电 路合闸后，共阴极和共阳级组各有一个晶闸管导通。因此,每个 60有一个晶闸管换流， 导通 触发脉冲的宽度应大于 60、小于120 ,或用两个窄脉冲等效地代替大于60的宽脉冲， 即在向某一个晶闸管送出触发脉冲的同时，向前一个元件补送一个脉冲，称双脉冲触发。整流 输出电压波形如图2所示。当Tl、T6导通时，Ud= Uab ；Tl、T2导通时，Ud=Uac；同理，依次为 Ubc, Uba , Uca, Ucb，均为线电压的一部分，脉动频率为300Hz，晶闸管Tl上的电压UT1波形分为 三段，在Tl导电的120中，UT1= 0 （仅管压降）；当 T3导通，Tl受反向电压关断，UT1

6、= Uab； T5导通时，T3关断，UT1= Uac。因此晶闸承受的最大正、反向电压为线电压的峰值。 采用三相全控桥式整流电路时，输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍，交流 分量与直流分量之比也较小，因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。 另外，晶闸管的额定电压值也较低。因此，这种电路适用于大功率变流装置。 多相整流电路随着整流电路的功率进一步增大（如轧钢电动机，功率达数兆瓦），为 了减轻对电网的干扰，特别是减轻整流电路高次谐波对电网的影响，可采用十二相、十八相、 二十四相，乃至三十六相的多相整流电路。區图3a为两组三相桥串联组成的十二相整流电 路。为了获得十二相波形，每

7、个波头应该错开30。所以采用三绕组变压器，次级的两个 绕组一个接成星形，另一个接成三角形，分别供给两组三相桥。两组整流桥串联后再接到负 载。由于两组整流桥输出的电压的相位彼此差30，因此在负载上得到十二脉波的整流电 压，合成电压中最低次谐波频率为600Hz，输出电压Ud=Ud1+Ud2,电流id=id1=id2。图3b是两组 三相桥并联组成大电流的十二相整流电路。两桥变压器次级绕组电压依次相差30。若两 组桥的交流线电压相等，各自的控制角也相等，则两组桥的整流平均电压也相等，只要极性相 符合，就可以并联运行。但是两组整流电压的瞬时值是不等的，两组电源间会出现交流环流。 为了限止环流，延长晶闸管

8、的导通时间，需要加入平衡电抗器，输出电压Ud=（ Ud1+Ud2）/2，电流 i d = i d1+i d2。 采用多相整流电路能改善 功率因数，提高脉动频率，使变压器初级电流的波形更接近正 弦波，从而显著减少谐波的影响。理论上，随着相数的增加，可进一步削弱谐波的影响。但 这样做增加了设备费用， 在技术上对精确地得到相同的控制角提出了较严格的要求。因而需 对方案的技术经济指标进行全面分析，最后作出选择。 主要特性相控整流电路具有以下几个主要特性。 输出直流平均电压 Ud，在脉波数为P的整流电路中一般有 Ud= Uda- kXI d（1） 式中U为考虑了负载电流引起的电压降时的直流电压， k是与

9、电路有关的常数， X是换相电 抗，Id为直流平均电流。由式（1）可见，电压降主要由交流侧电抗引起，由换相重叠现象引起 的电压降与换相结束时的直流 的作用。 侧电流成正比。从直流侧看， 交流侧电抗起着一个等效电阻 式中Ua为相位控制时的空载 * * 沖软戌0 1 Uda=UoCOS a (2) 訂二叭 P苹 P-Pv 电压，a为控制角。 式中Uo为空载无相位控制时电压; U2为交流电压有效值， 在P相半波整流电路中为相电压, 在P2相桥式整流电路中为线电压。 当控制角为a时,式（2）适用于全控桥式电路，式（3） 适用于半控桥式电路。 整流变压器容量和整流功率 Pd的关系：变压器平均计算容量 S为

10、 S= （ S + S）/2 S2= maU2l2；m、m2分别为变压器初、次级绕组 式中S为初级容量，S = miUIi；S2为次级容量, 相数。带有大电感负载的三相半波电路如图 可以分解成直流分量i 2=和交流分量K O 由于直流分量i 只能产生直流磁通势，所以它无 法影响初级电流作相应变化。而交流分量 K将通过变压器的磁耦合反映到初级电流中去。 4所示。囹由图可见，变压器次级绕组电流i2 这样，初、次级电流有效值分别为I 1=I d/3、I 2=I d/ -。在a= 0。和不考虑电网电压波动 等情况下，得S=1.48Fd、S= 1.21 Pd、S= 1.345 Pd,其中Pd为整流功率。

11、在三相桥式电路中， 次级无直流分量电流，所以初、次级电流是波形相同的交流电，故S= 1.05 Pd,可见桥式接线 时变压器利用率提高。 重叠导电现象和电压降：图5所示为变压器漏抗存在时对整流电路波形的影响。囹当 T1处于导通状态，给直流侧提供电流I d时，触发T2,若UdV Ub,则T2变为导通状态。但由于交 流侧存在漏感，T2中的电流并不立即变为Id, T1中的电流也不立即降为零，因此出现T1和T2 同时导通的状态，这种状态称为换相重叠现象，这段时间以相角计算，称换相重叠角，用 u表 示。在重叠期中，输出电压为（Ud+Ub）/2,与不考虑漏抗时相比，输出电压降低了（Ub-Ud）/2。 重叠期

12、内直流电流一定的话，则T1、T2回路中流过环流i，这时a相电流i d=I d-i将逐渐减小， 而b相电流i b= i ,当ib增加到Id时，id就等于零，这样就完成了换相过程。关于电流i，2 X di /d 0 = Ub- Ud式成立，由于在控制角 a处i =0,在（a + U）处i =1 d，故有2X I d=（ Ub- Ud）u。 因此，交流电流在一周期内换相一次引起的平均输出电压降为dx= XId/2 n。重叠角U随a 不同而不同，但电压降是与a无关的常数。在三相桥式电路中，由于一周内换相 6次，换相 压降nx = 6XId/2 n，式中X是每相的电抗。 辐射单元 /移相器 / 功率分配

13、念,至发射机 S1 相控阵天坂示意图 整流电路的功率因数及谐波：功率因数入=P/S= (1 cos 0,卩称畸变因数，表征电流对正弦波的偏离度；cos 0称位移因数；0为电压和基波电流间的相位移。在不控整流 电路中，当重叠角很小时，交流侧基波电流与电压相位相同， 即cos 0 = 1。所以,功率因数可由图6中的电流波形计算求得， 匡其值分别为单相桥式电路是2、 I n疋0.900,三相桥式电路 是3I n疋0.955 ,在P= 12的电路中为0.989 ,故对于12脉波 以上的电路，实际上可以认为功率因数近似于1。采用晶闸管相位控制时，由于交流电流波 形形状不变，只是相位延迟了一个控制角a，所

14、以可控整流电路的功率因数入=1 cos a , 此时0 = a，即为不可控整流电路的功率因数乘以位移因数cos a，考虑重叠角时的功率因 数，由于存在重叠角 U,除电流相位延迟外，电流波形也由近似的方波变为近似的梯形波， 其有效值也有所改变，因而功率因数的计算趋于复杂。近似地可以只考虑相位延迟的影响。 如三相桥式电路的控制角为 a ,重叠角为U,则功率因数为0.955 cos( a + U/2)。在整流电 路产生的谐波中，若控制保持对称的话， 则仅有特定次数的谐波从交流电源侧流出。在三相 P脉波整流电路中仅产生 nP土 1次谐波(n= 1, 2,)。 选择整流电路时，主要从电性能好、结构简单、

15、经济实用、对电网影响小等方面考虑， 合理选用。 相控整流电路 整流电路；交流转换为直流。 相控整流电路：电压可调。 二极管整流电路：电压固定。 相控整流电路的类型：按照输入交流电源的相数：单相、三相和多相整流电路; 按电路中组成的电力电子器件控制特性：不可控、半控整流电路； 2.2单相相控整流电路 单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控整流电路，它 们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。 2.2.1单相半波相控整流电路 1.电阻性负载 图2.2.1单相半波可控整流 如图2.2.1 (a)所示是 单相半波相控整流带电阻性负载的 电路。图中Tr称为 整流变压器，其二次侧的输出电压为 u2 二、2U2 si nt( 2. 2.1) 在电源正半周，晶闸管 T承受正向电压，3t a期间由于未加触发脉冲 Ug , T处于正向阻断状态而承受全部电压U2，负载Rd中无电流通过，负载上 压Ud为零。在3 t = a时T被ug触发导通，电源电压 U2全部加在Rd上(忽略 管压降)，至U 3 t = n时，电压u2过零，在上述过程中， Ud=U2。随着电压的下降 电流也下降，当电流下降到小于晶闸管的维持电流时，晶闸管T关断，此时id、 Ud均为零。在U2的负半周，T承受反压，一直处于反相阻断状态，U2全部加在 T两端。直到下一个周期的