矿井维修电工技师培训2

•礦井維修電工•技師培訓班•大家好!第二章：晶闸管变流技术•第一节：三相桥式全控整流电路•第二节：斩波器•第三节：逆变电路第一节：三相桥式全控整流电路•可控整流电路从相数来分，有单相、两相、三相、六相等多种；从控制方式来分，有半控、全控两种.•一、电阻负载•图2-1为a＝０°它是由三相半波晶闸管共阴极整流电路和三相半波晶闸管共阳极整流电路串联组成的。为使6个晶闸管按ＶＴ1→ＶＴ2→ＶＴ3→ＶＴ4→ＶＴ5→ＶＴ6→ＶＴ1…的顺序触发导通，晶闸管的编号顺序为：ＶＴ1和ＶＴ4接Ｕ相，ＶＴ3和ＶＴ6接Ｖ相，ＶＴ5和ＶＴ2接Ｗ相。其中，ＶＴ1、ＶＴ5组成共阴极组，ＶＴ2、ＶＴ4、ＶＴ6组成共阳极组。图2-1三相桥式全控电阻负载整流电路图2－2所示为三相桥式全控电阻负载整流电路在触发延迟角a＝０°时的输出电压波形和触发脉冲顺序。触发延迟角a＝０°，表示共阴极组和共阳极组的每个晶闸管在各自的自然换相点触发换相。在a＝０°的情况下，对共阴极组晶闸管而言，只有阳极电位最高一相的晶闸管在有触发脉冲时才能导通；对共阳极组晶闸管而言，只有阴极电位最低一相的晶闸管在有触发脉冲时才能导通。图2－2三相桥式全控电阻负载整流电路的输出电压波形和触发脉冲顺序（a＝０°）•分析三相桥式全控整流电路时，根据晶闸管的换相情况，把一个交流电周期分成六个相等的期间（即ωt1～ωt2，ωt2～ωt3，ωt3～ωt4，ωt4～ωt5，ωt5～ωt6，ωt6～ωt7，）来讨论。•当触发延迟角a＝０°时，整流电路的六个相等的期间如图2－2所示。电路的工作过程如下：•在ωt1～ωt2期间，Ｕ相电压最高，Ｖ相电压最低，若在ＶＴ1、ＶＴ6门极上加上触发脉冲，则ＶＴ1、ＶＴ6同时导通，电流的流向为Ｕ相→ＶＴ1→Ｒｄ→ＶＴ6→Ｖ相，负载Ｒｄ上得到Ｕ、Ｖ相线电压，即ｕd＝ｕｕｖ。•在ωt2～ωt3期间，Ｕ相电压仍保持最高，所以ＶＴ1继续导通。由于此时Ｗ相电压较Ｖ相电压更低，故触发ＶＴ2，则ＶＴ2导通。ＶＴ2导通后，使ＶＴ6承受反向电压而关断，电流从ＶＴ6换到ＶＴ2。电流从Ｕ相→ＶＴ1→Ｒｄ→ＶＴ2→Ｗ相，负载Ｒｄ上得到Ｕ、Ｗ相线电压，即ｕd＝ｕｕw。••依此类推，可分析出电路在ωt4～ωt5（ＶＴ3、ＶＴ4导通）、ωt5～ωt6（ＶＴ4、ＶＴ5导通）、ωt6～ωt7（ＶＴ5、ＶＴ6导通）期间的工作情况，如图2－2所示。电路在ωt7以后的工作情况将重复上述过程。•因此，三相桥式全控整流电路中，晶闸管循环导通的顺序是：ＶＴ6、ＶＴ1→ＶＴ1、ＶＴ2→ＶＴ2、ＶＴ3→ＶＴ3、ＶＴ4→ＶＴ4、ＶＴ5→ＶＴ5、ＶＴ6→ＶＴ6、ＶＴ1…。•当触发延迟角a＞０°时，每个晶闸管的换相（或称换流）都不在自然换相点进行，而是从各自然换相点向后移一个a角开始，故整流输出电压ｕd的波形与a＝０°时有所不同。当改变a时，输出电压的波形随之发生变化，其平均值的大小因此跟着改变，从而达到可控整流的目的，如图2－3所示。当a≤6０°时，ｕd波形是连续的；a＞6０°时,ｕd波形断续;触发延迟角a的允许变化范围（即移相相范围）为0°～120°。图2－3电阻性负载时输出电压波形a）ａ＝60°ｂ）ａ＝90°•三相桥式全控整流电路在纯电阻性质负载时，负载中流过的电流波形与负载上的电压波形相同。电路中，有关电压、电流的数量关系如下：•负载两端的整流输出电压平均值为Ｕd为•Ｕd＝2.34Ｕ2ＣＯＳa（当0°≤a≤60°时，即当电压和电流波形连续时）（2－1）•Ｕd＝2.34Ｕ2［1＋ＣＯＳ（60°＋a）］（当60°≤a≤120°时，即当电压和电流波形断续时）（2－2）•式中Ｕ2——变压器二次侧三相交流电的相电压（有效值）。•流过电阻负载的直流电流平均值Ｉｄ为•Ｉd＝2.34cosa（当0°≤a≤60°）（2－3）•Ｉd＝2.34［1+cos（60°+a）］（当60°≤a≤120°）（2－4）•流过每个晶闸管的平均电流ＩＴＡＶ为负载电流Ｉｄ的三分之一即•ＩＴＡＶ＝Ｉｄ／3（2－5）•每个晶闸管可能承受的最高正、反向电压ＵTm为三相交流电线电压的峰值，即•ＵTm＝×（Ｕ2）＝Ｕ2（2－6）236•二、电感性负载•在工业生产中，三相桥式全控整流电路的负载多数是电感性负载如电动机的励磁绕组、电感线圈、滤波电抗器等。三相桥式全控整流电感性负载电路如图2－4所示。图2－4三相桥式全控整流电感性负载电路•实际感性负载一般满足ωＬｄ＞＞Ｒｄ，为大电感负载。图2－5所示为三相桥式全控整流电路大电感负载在a＝30°、60°、90°时的输出电压波形。由图2－5可见，当0°≤a≤60°时，其工作情况和输出电压ud的波形与电阻负载时相同，ud的波形均为正值；当60°＜a＜90°时，由于电感的的自感电动势的作用，输出电压ud的波形出现负值，但ud的波形的正面积大于面积，故平均电压Ｕｄ较电阻负载时要小，但Ｕｄ仍为正值；当a＝90°时，ud的波形的正负面积相等，故平均电压Ｕｄ＝0。因此，三相桥式全控整流大电负载电路工作于整流状态下，a最大的移相范围为0°～90°。图2－5三相桥式全控整流电路的输出电压波形（电感性负载）a）ａ＝60°ｂ）ａ＝60°c）ａ＝90°•大电感负载时,整流电路的输出电流ｉd的波形与电阻性负载时不同,当a≤90°时，ｉd的波形近似为一条水平直线。•三相桥式全控整流电路在大电感负载时，电压、电流的数量关系如下：•整流输出电压平均值Ｕｄ为•Ｕd＝2.34Ｕ2ＣＯＳa（0°≤a≤90°）（2－7）•负载中直流电流平均值Ｉｄ为•Ｉd＝2.34cosa（0°≤a≤90°）（2－8）•流过晶闸管的平均电流ＩＴＡＶ为•ＩＴＡＶ＝Ｉｄ／3（2－9）•流过晶闸管电流的有效值ＩＴ为•ＩＴ＝Ｉd（2－10）RdU231应当注意，若大电感负载并接了续流二极管，由于此续流二极管的作用，使电路中的晶闸管能够得到及时关断，从而使整流输出电压ud的波形不再出现负值，因此这种电路输出电压平均值Ｕd的计算公式将与电阻负载时相同。•三、三相桥式全控整流电路对触发脉冲的要求•1、三相全控桥电路在任何时刻，共阴极组和共阳极组中必须各有一个晶闸管同时被触发导通，才能形成电流通路。•2、共阴极组晶闸管和共阳极组晶闸管的组内换相间隔为120°，即每组中各晶闸管的触发脉冲之间相位差为120°。•3、接在同一相上的两个晶闸管的触发脉冲扔相位差为180°。•4、共阴极组晶闸管和共阳极组晶闸管的换相点之间相隔60°，即三相全控桥每隔60°就要进行一次换相，因此每隔60°要触发一个晶闸管。触发脉冲顺序是1→2→3→4→5→6→1…依次下去，而相邻两个脉冲之间相位差为60°。•5、为了保证整流装置能合闸起动工作及在电流断续后能使晶闸管再次导通，必须对共阴极组和共阳极组中应导通的一对晶闸管同时加上触发脉冲。•为此，三相全控桥一般采用两种触发脉冲：宽触发脉冲和双窄触发脉冲，如图2－6所示。•三相桥式全控整流电路输出电压脉动小、脉动频率（6ƒ＝300ＨＺ）高，在输出相同的直流电压下，晶闸管承受的最大正、反向电压较小，变压器的容量也较小，同时三相电流平衡，适用于大功率、高电压的负载。但电路中要用6只晶闸管，触发电路也较复杂。因此，三相桥式全控整流电路一般用于有源逆变负载或要求可逆调速的中大量直流电动机负载。对于一般负载，可以采用三相桥式半控整流电路。图2－6三相全控桥的触发脉冲a）宽触发脉冲b）双窄触发脉冲第二节斩波器•一、斩波器•1．斩波器的基本工作原理斩波器是接在直流电源与负载电路之间，用以改变加到负载电路上的直流平均电压的一种装置。有时，也称之为直流-直流变压器。在晶闸管斩波器中，把晶闸管作为直流开关，通过控制其通断时间的比值，在负载上便可获得大小可调的直流平均电压Ｕd，如图2-7所示。图2-7晶闸管直流斩波器•斩波器的输出电压平均值Ｕd为•Ｕd＝Ｔ（2-11）•式中Ｅ—直流电源电压；•Ｔ—斩波器的通断周期；•—斩波器的导通时间。•由上式可知，改变电路导通比/Ｔ，就可以改变斩波形输出的直流平均电压。因此，调节斩波器输出电压平均值的方法有以下三种：•1）定频调宽法这种方法又称为脉冲宽度调制（ＰＷＭ）方式，其特点是保持晶闸管触发频率ƒ不变（即Ｔ不变），通过改变晶闸管的导通时间来改变直流平均电压，见图2-8a。•2）定宽调频法这种方法又称为脉冲频率调制（ＰＦＭ）方式，其特点是保持晶闸管导通的时间不变，通过改变晶闸管触发频率ƒ来改变输出直流平均电压，见图2-8b。•3）调频调宽法这种方法又称为混合调制，其特点是同时改变晶闸管的触发频率ƒ和导通时间，来改变直流平均电压，见图2-8c。•图2-8直流斩波器输出电压波形a）定频调宽ｂ）定宽调频c）调频调宽•晶闸管斩波器作为一种直流调压装置，常用于直流电动机的调压调速。目前，斩波器已广泛应用于电力牵引方面，如地铁、电力机车、城市电车、蓄电池电动车等。•晶闸管斩波器，主要有采用普通晶闸管的逆阻型斩波器和采用逆导型晶闸管的逆导型斩波器两种。下面仅介绍逆阻型斩波器。•2．逆阻型斩波器图2-9所示为用于蓄电池电动车辆的逆阻型斩波器的主电路，它是由ＶＴ1主晶闸管、ＶＴ2副晶闸管、ＶＴ3换流晶闸管、换流电容Ｃ和电感Ｌ1、Ｌ2组成。Ｍ为串励式直流电动机，Ｌ3为电动机的串励绕组，ＶＤ为续流二极管。•斩波器的工作过程如下：图2-9逆阻型斩波器及其工作过程•1）主电路接通蓄电池后，给副晶闸管ＶＴ2加上触发脉冲Ｕｇ2，使之导通，电源对换流电容Ｃ充电，ＵＣ逐渐上升，其极性如图2-9a所示。当ＵＣ上升接近电源电压Ｅ，而充电电流小于ＶＴ2的维持电流时，ＶＴ2便自行关断。•2）由触发电路按一定的周期Ｔ，同时输出输出uｇ１、uｇ2，分别触发导通ＶＴ1、ＶＴ3，并起动内部延时电路（其延时时间可调节）。ＶＴ1、ＶＴ3导通后，电动机Ｍ得电，起动运转。同时，电容Ｃ通过导通的ＶＴ1、ＶＴ3与Ｌ1组成振荡回路，电容Ｃ便通过此回路释放其储能，形成振荡电流。振荡电流使电容Ｃ在放电结束后又被反向充电。经过约半个振荡周期，此振荡电流趋于零时，ＶＴ3便自行关断，而ＶＴ1依然继续导通，此时，电容Ｃ上电压ＵＣ的极性如图2-9b所示。•3）触发电路在输出uｇ１、uｇ3后，经过一段时间的延时，又输出uｇ2，使ＶＴ2触发导通。电容上的电压ＵＣ，通过ＶＴ2使ＶＴ1承受反向电压而关断，如图2-9c所示。负载电流通过ＶＴ2对电容Ｃ重新充电，充电完毕时，ＶＴ2又关断。ＶＴ2关断后，电动机Ｍ由二极管ＶＤ续流。此时，电容上电压ＵＣ的极性又如图2-9a所示，为下一个工作周期作好了准备。然后，再重复上述2）、3）的过程。•由上述分析可知，ＶＴ1是按一定的周期Ｔ进行通断工作的，即斩波器输出电压的周期是固定的。而从ＶＴ1触发导通到ＶＴ2触发导通（ＶＴ1关断）这段时间，就是斩波器输出电压的脉宽，它是由触发电路中的延时电路来决定的，因此调节触发延时时间，即可改变脉宽。脉宽越大，电动机的工作电压越高，转速也越高；反之，脉宽越小，电压就越低，转速也就越低。为使电动机升到最高速，可将ＶＴ２的触发脉冲uｇ2短接，使ＶＴ2无法导通而ＶＴ1始终导通，则电动机在全电压下以最高速运转。因此，该逆阻型斩波器为定频调宽式斩波器。•二、交流调压电路•交流调压器是接在交流电源与负载之间的调压装置。晶闸管交流调压器，可以通过控制晶闸管的通断，方便地调节输出电压的有效值。在交流调压器中，晶闸管元件一般为反并联的两只普通晶闸管或双向晶闸管，并常采用以下两种控制方式。•1）通断控制所谓通断控制，是把晶闸管作为开关，在设定的周期内，将负载与交流电源接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变晶闸管在设定周期内通断时间的比值，来实现交流调压或调功率。在设定周期内晶闸管导通的周波数越多，输出电压有效值越大，反之则越小。•这种控制方式一般采用过零触发，即在交流电源电压为零时触发晶闸管导通，因此输出电压为间断的数个完整的正弦波，这种调压器也称为调功器或周波控制器。它突出的优点是克服了通常移相触发产生的谐波干扰，缺点是输出电压或功率调节不平滑，故适用于有较大时间常数的负载，如电