课题二 直流调速装置

课题二直流调速装置第1页，共70页，2023年，2月20日，星期四一、学习目标1.掌握单相桥式可控整流电路的工作原理。2.掌握有源逆变电路的工作原理。3.识别GTO的器件，了解其功能和作用。4.掌握GTO的工作原理。5.分析晶闸管直流调速装置的工作原理。第2页，共70页，2023年，2月20日，星期四二、课题描述本课题将以直流调速装置为例，让大家了解单相桥式可控整流电路和有源逆变电路在直流调速装置中的应用。内圆磨床外形图第3页，共70页，2023年，2月20日，星期四图2－1内圆磨床及主轴电动机直流调速装置电气线路图

稳压电路：提供给定电压 单结晶体管触发电路：VT1、VT2提供触发脉冲 单相桥式半控整流电路：提供电枢电压 单相桥式不可控整流电路：提供励磁电压第4页，共70页，2023年，2月20日，星期四三、相关知识点1单相桥式整流电路2有源逆变电路3可关断晶闸管第5页，共70页，2023年，2月20日，星期四1单相桥式整流电路1.1单相桥式全控整流电路1.2

单相桥式半控整流电路

第6页，共70页，2023年，2月20日，星期四1.1单相桥式全控整流电路1)带电阻负载的工作情况a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构第7页，共70页，2023年，2月20日，星期四电源电压u2正半波：

0～α区间：VT1,4和VT2,3关断

ud=0

，

uT1、4=1/2u2,uT2、3=-1/2u2

。α

～π区间：VT1,4导通，VT2,3关断

a→VT1→R→VT4→b流通

ud=u2，

uT1、4=0

，

uT2、3=-u2

。

ωt=π处：因电源电压过零，晶闸管VT1、VT4阳极电流也下降为零而关断。

a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形第8页，共70页，2023年，2月20日，星期四电源电压u2负半波：π～π+α：VT1,4和VT2,3关断ud=0

uT1、4=1/2u2,uT2、3=-1/2u2。π+α～2π：VT1,4关断，VT2,3导通

b→VT3→R→VT2→a

ud=-u2；

uT1、4=u2，uT2、3=0ωt=2π：电源电压再次过零VT2、VT3阳极电流也下降为零而关断a)c)a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4第9页，共70页，2023年，2月20日，星期四数量关系a角的移相范围为180。②．负载电流平均值的计算公式：pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4①．输出电压平均值的计算公式：第10页，共70页，2023年，2月20日，星期四③．输出电压的有效值的计算公式：④．负载电流有效值的计算公式：⑤．流过每只晶闸管的电流的平均值的计算公式：⑥．流过每只晶闸管的电流的有效值的计算公式：⑦．晶闸管可能承受的最大电压为：第11页，共70页，2023年，2月20日，星期四2）带阻感负载的工作情况

u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4单相全控桥带阻感负载时的电路及波形工作原理：①0～π：u2＞0

α～π

：VT1和VT4导通，VT2和VT3关断，ud=u2；a→VT1→R→VT4→b流通uT1,4=0，uT2,3=-u2；

②π～2π：u2＜0π～π+a：VT1和VT4继续导通，ud=u2；a→VT1→R→VT4→b流通uT1,4=0，uT2,3=-u2。

π+a

～2π：

VT1和VT4关断，VT2和VT3导通ud=-u2；b→VT3→R→VT2→auT2,3=0，uT1,4=u2。2π

～2π+a：VT2和VT3继续导通，ud=-u2；b→VT3→R→VT2→a

uT2,3=0，uT1,4=u2。第12页，共70页，2023年，2月20日，星期四

数量关系①．输出电压平均值的计算公式：②．负载电流平均值的计算公式：③．流过一只晶闸管的电流的平均值和有效值的计算公式：④．晶闸管可能承受的最大电压为：第13页，共70页，2023年，2月20日，星期四电路结构

单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。(1)电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。1.2单相桥式半控整流电路第14页，共70页，2023年，2月20日，星期四数量关系：①．输出电压平均值的计算公式：

的移相范围是0°～180°。②．负载电流平均值的计算公式：③．流过一只晶闸管和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：④．晶闸管可能承受的最大电压为：第15页，共70页，2023年，2月20日，星期四（2）单相半控桥带阻感负载的情况u2正半周：α

～π

：a→VT1→R→VD4→b流通ud=u2u2负半周：π～π+α

：由VT1和VD3续流，

a→VT1→R→VD3→a流通，ud=0π+α～2π：b→VT2→R→VD3→a流通ud=-u22π

～2π+α：由VT2和VD4续流b→VT2→R→VD4→b流通ud=0晶闸管：触发时刻换流二极管：电源过零时换流VD3负半周通VD4正半周通第16页，共70页，2023年，2月20日，星期四电路缺点：可能会发生失控。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，这使ud成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控。第17页，共70页，2023年，2月20日，星期四续流二极管的作用避免可能发生的失控现象。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，消除自然续流现象及时关断晶闸管。续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。第18页，共70页，2023年，2月20日，星期四带续流二极管时单相桥式半控整流电路续流过程由续流二极管完成，晶闸管导通角有变化即电流公式不同uOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR第19页，共70页，2023年，2月20日，星期四数量计算：①．输出电压平均值的计算公式：的移相范围是0°～180°。②．负载电流平均值的计算公式：③．流过一只晶闸管和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：④．流过续流二极管的电流的平均值和有效值分别为：⑤．晶闸管可能承受的最大电压为：第20页，共70页，2023年，2月20日，星期四单相桥式半控整流电路的另一种接法：相当于把图中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形单相桥式半控整流电路的另一接法第21页，共70页，2023年，2月20日，星期四练习题1．判断题1）在单相桥式半控整流带大电感负载不加续流二极管电路中，电路出故障时会出现失控现象。2）在单相全控桥整流电路中，晶闸管的额定电压应取U2。3）在单相桥式半控整流电路中，带大电感负载，不带续流二极管时，输出电压波形中没有负面积。2.填空题1）一个单相全控桥式整流电路，交流电压有效值为220V，流过晶闸管的大电流有效值为15A，则这个电路中晶闸管的额定电压可选为

；晶闸管的额定电流可选为

。2）单相桥式可控整流电路中，晶闸管承受的最大反向电压为

第22页，共70页，2023年，2月20日，星期四3．选择题1）单相半控桥整流电路的两只晶闸管的触发脉冲依次应相差

度。

A、180°，B、60°，C、360°，D、120°2）单相桥式全控整流电阻性负载电路中，控制角α的最大移相范围是()A、90°B、120°C、150°D、180°3）单相桥式全控整流电感性负载电路中，控制角α的最大移相范围是()A、90°B、120°C、150°D、180°4）单相全控桥式整流电路带电阻负载，当触发角α=0º时，输出的负载电压平均值为

。

A、0.45U2；B、0.9U2；

C、1.17U2；D、2.34U2；第23页，共70页，2023年，2月20日，星期四4．画图题单相桥式半控整流电路，电阻性负载。当控制角α=90º时，画出：负载电压ud、晶闸管VT1电压uVT1、整流二极管VD2电压uVD2，在一周期内的电压波形图。第24页，共70页，2023年，2月20日，星期四5.计算题已知电源电压是220V，负载是电感性负载，电阻为5Ω。晶闸管的移相角为60°，试画出晶闸管承受的电压波形，整流管和续流二极管每周期各导电多少度？并计算晶闸管、整流二极管以及续流二极管的电流平均值和有效值。

第25页，共70页，2023年，2月20日，星期四第26页，共70页，2023年，2月20日，星期四2.有源逆变电路

2.1有源逆变的工作原理

2.2逆变失败与逆变角的限制

第27页，共70页，2023年，2月20日，星期四逆变的概念：

逆变是将直流电转变为交流电，是整流的逆过程。

逆变分为有源逆变和无源逆变。

有源逆变是将直流电逆变为与电网同频率的交流电，直接回送给电网，即其逆变电路的交流侧和电网相连。无源逆变则是将直流电逆变为某一频率或频率可调的交流电，直接供负载使用，即其逆变电路的交流侧和负载相连。第28页，共70页，2023年，2月20日，星期四整流与逆变的关系

前面讨论的是把交流电能变换为直流电能的可控整流电路。2.1有源逆变的工作原理实际中，常常需要将直流电变换为交流电。◆应用晶闸管的电力机车下坡时，机车上的直流电动机将作为直流发电机运行，此时就需要将直流电变换为交流电，并回送电网，以实现电机制动。第29页，共70页，2023年，2月20日，星期四◆又如，运转中的直流电机，要实现快速制动，需要将该直流电机作为直流发电机运行，并将变换的交流电能回送电网，从而实现直流电机的发电机制动。

◆此外，在各种直流电源电池向交流负载供电时，也需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置其电路的核心部分都是逆变电路。第30页，共70页，2023年，2月20日，星期四

逆变是整流的逆过程，整流也称为为顺变，则逆变的含义就十分明显了。整流装置在满足一定条件下可以作为逆变装置应用。即同一套电路，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，这样的电路统称为变流装置。变流装置如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上，将直流电能变换的交流电能回送到交流电网中，这样的逆变称为“有源逆变”。如果逆变装置的交流侧接至交流负载，将直流电变换为某一频率或可调频率的交流电供给负载，这样的逆变则称为“无源逆变”或变频电路。第31页，共70页，2023年，2月20日，星期四2.1.1有源逆变过程的能量转换分析有源逆变电路的关键是把握电源间的能量转换关系。整流与逆变的根本区别就是能量传递方向不同。下面电路分三种情况加以说明分析。注意这三个电路的连接有什么不同！第32页，共70页，2023年，2月20日，星期四图是直流发电机—直流电动机系统，M是他励直流电动机，G是直流发电机。控制发电机G电动势的大小和极性可实现直流电动机M的四象限运行，现就下面几种情况分析电路的能量关系。第33页，共70页，2023年，2月20日，星期四图（a）发电机G向电动机M供电，EG>EM，电流Id从G流向M。负载电流Id为：发电机输出功率：电动机吸收功率：电能由发电机流向电动机，转变为电动机的机械能。第34页，共70页，2023年，2月20日，星期四图（b）电动机M运行在发电制动状态，EG<EM，电流反向，Id从M流向G。故电动机输出功率，发电机吸收功率。电动机输出的机械能转变为电能反送给发电机第35页，共70页，2023年，2月20日，星期四图（c）改变电动机G励磁电流方向使EM与EG的方向一致。这时两个电动势顺向串联，向电阻RZ供电。发电机和电动机都输出功率，因电阻RZ一般都很小，形成很大的短路电流，这种情况是不允许的。第36页，共70页，2023年，2月20日，星期四

综上所述，可得出以下结论：(1)电流从电动势的正极流出，该电动势输出电能；而电流从电动势的正极流入，该电动势吸收电能。电源输出或吸收功率的大小由电势与电流的乘积来决定，若电势或者电流方向改变，则电能的传送方向也随之改变。P=IU第37页，共70页，2023年，2月20日，星期四

(2)两电动势同极性相连，电流总是从高电势流向低电势，其电流的大小取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。

(3)两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间的短路，实际中应避免发生这种情况。

如果回路电阻很小，则很小的电势差也足以形成较大的电流，两电动势之间发生较大能量的交换。

EG＞EMEG<EM第38页，共70页，2023年，2月20日，星期四两电源之间的能量传递

同极性相连;EG＞EM;同极性相连;EM＞EG;反极性相连

电动运行发电运行短路第39页，共70页，2023年，2月20日，星期四S掷向1：

在0~/2间：Ⅰ组工作在整流状态，Ud1为正值，并且Ud>E，才能输出Id；交流电网输出电功率，M则输入电功率，M电动运行；2.1.2有源逆变的工作原理第40页，共70页，2023年，2月20日，星期四S掷向2：由于机械惯性，M转速不变，则M的反电动势E不变上正下负，若＜90°，触发Ⅱ组晶闸管，则Ud2为下正上负，与E形成两电源顺串连接。S掷向2：M的反电动势E不变上正下负，若>90°，Ud2为上正下负，且|E|>|Ud

|，M则输出功率，M发电制动，Ⅱ组晶闸管吸收功率并将功率送回交流电网。这种情况就是有源逆变。第41页，共70页，2023年，2月20日，星期四直流卷扬系统(a)提升重物；(b)放下重物现以单相全控桥式整流电路对直流电动机供电系统的三种工作情况为例说明有源逆变原理。图中的直流电动机带动的负载设备为卷扬机。EGEM第42页，共70页，2023年，2月20日，星期四1．整流工作状态（0＜α＜π/2）

当控制角α在0～π/2之间触发晶闸管时，变流装置输出的直流平均电压为Ud=0.9U2cosα，因为此时α小于π/2，故Ud为正值。波形如图。此时，变流装置工作在整流工作状态。第43页，共70页，2023年，2月20日，星期四在整流状态下，直流电机转动，卷扬机将重物提升起来，直流电机转动产生的反电势为ED略小于Ud，此时电枢回路的电流为：

EG＞EM

注意：此时能量的传递方向！输出电能吸收电能第44页，共70页，2023年，2月20日，星期四在整流状态下，因，当减小α时，Ud增大，引起Id增大，电动机电磁转矩增大，导致电动机转速升高，提升加快。但同时，因转速升高，电动机的反电动势E也增大，使电流Id恢复到原来的值，这时电动机运行在新的较高转速。

所以改变α可以方便的改变提升速度。提升速度的控制第45页，共70页，2023年，2月20日，星期四2．有源逆变工作状态（π/2＜α＜π）卷扬系统放下重物时，因重力的作用，将牵动电机向与重物上升相反的方向转动，电机产生的反电势ED的极性也将随之反相。对负载电流Id来说，这时的反电动势ED成为正电动势。ED+-+-×第46页，共70页，2023年，2月20日，星期四当变流器工作在α＞π/2的状态时，其输出直流平均电压Ud为负（负面积大于正面积）。但因ED的作用，晶闸管仍导通。此时如果满足ED＞Ud，则回路中的电流为：(c)有源逆变状态α＞π/2+-ED+-第47页，共70页，2023年，2月20日，星期四(c)有源逆变状态α＞π/2+-ED+-电流的方向是从电势ED的正极流出，从电压Ud的正极流入，电流方向未变。这时电动机为发电状态运行，输出电能，变流器吸收电能并回送到交流电网，

此时，电路进入到有源逆变工作状态

吸收电能输出电能第48页，共70页，2023年，2月20日，星期四逆变时Id方向未变，电机产生的电磁转矩方向也不变。但电机转向变了，此时的电磁转矩成为制动转矩，防止重物下落加速。因此，起重机下放重物时，调α＞π/2

，重物下降带动电机反转并加速，所产生ED也逐步增大，当ED＞Ud时，Id产生制动转矩。

当制动转矩与下降机械转矩相等时，重物保持匀速下降。此时电动机工作在发电制动状态。

α在90o~180o之间调节时，可方便的改变匀速下降的速度。第49页，共70页，2023年，2月20日，星期四根据波形,逆变时的直流电压为：逆变公式与整流时的输出电压计算公式相同。因逆变时的α>90o，cosα计算不方便，所以引入逆变角β的概念，令β=180o-α。则：逆变角为β的触发脉冲，可看成是控制角α=180o的脉冲前移（左移）β角。第50页，共70页，2023年，2月20日，星期四3．中间状态（α=π/2）当卷扬机需在某个位置停住时，只要将控制角α调到等于π/2，变流器输出电压波形中，其正、负面积相等，输出电压平均值Ud为零，波形如图。此时，变流装置不输出电能，也不吸收电能。第51页，共70页，2023年，2月20日，星期四上述三种变流器的工作状态反映了随着控制角α的变化，变流装置分别从整流到中间状态，然后进入有源逆变的过程。

第52页，共70页，2023年，2月20日，星期四控制角α的变化，与变流装置工作状态的关系(b)中间状态等于π/2(a)整流状态α在0～π/2(c)有源逆变状态α＞π/2第53页，共70页，2023年，2月20日，星期四实现有源逆变的条件：

必要条件（1）要有直流电源E，且满足E的方向为使晶闸管导通的方向及E的数值应大于变流器直流侧的平均电压；（2）要求α＞90°，使Ud为负值。

充分条件：要有足够大的电感L，以使逆变连续进行。

逆变和整流的区别：控制角不同

0<<p

/2时，电路工作在整流状态。

p

/2<

p时，电路工作在逆变状态。第54页，共70页，2023年，2月20日，星期四有源逆变条件的获得，必须视具体情况进行分析。例如上述直流电机拖动卷扬机系统，电机电势ED的极性可随重物的“提升”与“下降”自行改变并满足逆变的要求。对于电力机车，上、下坡道行驶时，因车轮转向不变，故在下坡发电制动时，其电机电势ED的极性不能自行改变，为此必须采取相应措施，例如可利用极性切换开关来改变电机电势ED的极性，否则系统将不能进入有源逆变状态运行。

第55页，共70页，2023年，2月20日，星期四讨论：

以下电路哪些可以实现有源逆变？为什么？半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。第56页，共70页，2023年，2月20日，星期四练习题：

1）在单相桥式全控整流电路中，若U2＝220V，E＝100V，R＝2Ω，当β＝30°时，能否实现有源逆变？为什么？第57页，共70页，2023年，2月20日，星期四解：

E＝100V，所以无法实现有源逆变。第58页，共70页，2023年，2月20日，星期四

2）在单相桥式全控整流电路中，U2＝220V，E＝120V，R＝1Ω，当β＝60°时，能否实现有源逆变？为什么？求这时电动机的制动电流多大？画出这时的电压电流波形。第59页，共70页，2023年，2月20日，星期四3）有源逆变指的是把

能量转变成

能量后送给

装置。4）有源逆变指的是把直流电能转变成交流电能送给负载。5）变流器工作在逆变状态时，控制角α必须在

度。

A、0°-90°；B、30°-120°；C、60°-150°D、90°-150°第60页，共70页，2023年，2月20日，星期四逆变失败（逆变颠覆）——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

1.逆变失败的原因①触发电路故障。②晶闸管故障。③逆变状态时交流电源突然缺相或消失。④逆变角取值过小，造成换相失败。

2.2逆变失败与逆变角的限制第61页，共70页，2023年，2月20日，星期四

原本是VT2和VT3导通，输出电压；在换相时，应由VT2、VT3换相为VT1和VT4导通，输出电压为u2。但由于逆变角太小，小于换相重叠角，因此在换相时，两组晶闸管会同时导通。而在换相重叠完成后，已过了自然换相点，使得VT1和VT4因承受反压不能导通，VT2和VT3则承受正压继续导通，输出-u2,这样就出现了逆变失败。第62页，共70页，2023年，2月20日，星期四2.逆变失败的限制逆变时允许采用的最小逆变角b应等于：bmin=d+g+q′