第2章 晶闸管三相整流电路、
- 型号:LDX-K3050
- 输出电压:0-30V 输出电流:0-50A
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- 发布时间:2025-12-21 05:37:42
- 为得到零线,变压器二次绕组为星形。为给三次谐波提供通路,变压器一次绕组接成三角形。三个晶闸管的阴
为得到零线,变压器二次绕组为星形。为给三次谐波提供通路,变压器一次绕组接成三角形。三个晶闸管的阴极连在一起,为共阴极接法。
有uu>uv、uu>uw,u相电压最高,VT1承受正压。在ωt1时刻触发VT1使其导通,导通角θ=120º,输出电压ud=uu。其它两个晶闸管承受反压而不导通。VT1的电流iT1与变压器二次侧u相电流波形相同,大小相等。
有uv>uu,v相电压最高,VT2承受正压。在ωt2时刻触发VT2使其导通,ud=uv。VT1两端电压uT1=uu-uv=uuv0,晶闸管VT1承受反压关断。
在ωt2时刻发生的由一相晶闸管导通转换为另一相晶闸管导通的过程称为换流。
有uw>uv,w相电压最高,VT3承受正压。在ωt3时刻触发VT3使其导通,ud=uw。VT2两端电压uT2=uv-uw=uvw0,晶闸管VT2承受反压关断。在VT3导通期间VT1两端电压uT1=uu-uw=uuw0。这样在一个周期内,VT1只导通120度,在其余240度时间承受反压而处于关断状态。
任一时刻,只有承受最高压的晶闸管才能导通,输出电压ud是相电压波形的一部分,每周期脉动三次,是三相电源相电压正半波完整的包络线,输出电流id与电压ud波形相同、相位相同。
从图中还可看出:电阻性负载α=0º时,VT1在VT2、VT3导通时仅受反压,随着α的增加,晶闸管承受正向电压增加,其它两个晶闸管承受的电压波形相同,仅相位依次相差120º。增大α,则整流电压相应减小。
显然,α=150º时输出电压为零,所以三相半波整流电路电阻性负载的移相范围是0º~150º。
从波形可看出:晶闸管承受的最大正压是变压器二次相电压的峰值,UFM=U2;晶闸管承受的最大反压是二次线电压的峰值,URM=×U2=
α=30º是ud波形连续和断续的分界点。计算输出电压平均值Ud时应分两种情况进行。
(1)α=0º时,整流电压最大;增大α时,波形的面积减小,即整流电压减小;当α=150º时,整流电压为零。电阻性负载控制角α的移相范围为150º。
(2)当α≤30º时,负载电流连续,每个晶闸管在一个周期中持续导通;当α>30º时,负载电流断续,晶闸管的导通角为。
(4)晶闸管承受的最大电压是变压器二次线)输出整流电压ud的脉动频率为3倍的电源频率。
当α≤30º时,相邻两相的换流是在原导通相的交流电压过零变负之前,工作情况与电阻性负载同。由于负载电感的储能作用,电流id波形近似平直,晶闸管中分别流过幅度Id、宽度120º的矩形波电流,导通角θ=120º。
当α>30º时,假设α=60º,VT1已经导通,在u相交流电压过零变负后,由于未到VT2的触发时刻,VT2未导通,在负载电感作用下VT1继续导通,输出电压ud<0,直到VT2被触发导通,VT1承受反压而关断,输出电压ud=uv,然后重复u相的过程。
当α=90º时输出电压为零,三相半波整流电路阻感性负载(电流连续)的移相范围是0º~90º。
把三只晶闸管的阳极接成公共端连在一起就构成了共阳极接法的三相半波可控整流电路,由于阴极不同电位,要求三相的触发电路必须彼此绝缘。由于晶闸管只有在阳极电位高于阴极电位时才能导通,因此晶闸管只在相电压负半周被触发导通,换相总是换到阴极更负的那一相。
三相半波整流的变压器存在直流磁化问题,三相全控桥式整流电路可看作是三相半波共阴极接法(VT1,VT3,VT5)和三相半波共阳极接法(VT4,VT6,VT2)的串联组合,
一个周期内,晶闸管的导通顺序T1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6。将一周期相电压分为六个区间:
(1)在ωt1~ωt2区间:u相电压最高,VT1触发导通,v相电压最低,VT6触发导通,负载输出电压ud=uuv。
(2)在ωt2~ωt3区间:u相电压最高,VT1触发导通,w相电压最低,VT2触发导通,负载输出电压ud=uuw。
(3)在ωt3~ωt4区间:v相电压最高,VT3触发导通,w相电压最低,VT2触发导通,负载输出电压ud=uvw。
(4)在ωt4~ωt5区间:v相电压最高,VT3触发导通,u相电压最低,VT4触发导通,负载输出电压ud=uvu。
(5)在ωt5~ωt6区间:w相电压最高,VT5触发导通,u相电压最低,VT4触发导通,负载输出电压ud=uwu。
(6)在ωt6~ωt7区间:w相电压最高,VT5触发导通,v相电压最低,VT6触发导通,负载输出电压ud=uwv。
(2)共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5,按相序依次触发导通,相位互差120º,共阳极组VT2、VT4、VT6,相位相差120º,同一相的晶闸管相位相差180º。每个晶闸管导通角120º;
(3)输出电压ud由六段线电压组成,每周期脉动六次,每周期脉动频率为300HZ。
(4)晶闸管承受的电压波形与三相半波同,它只与晶闸管导通情况有关,其波形由3段组成:一段为零(忽略导通时的压降),两段为线电压。晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。
(5) 变压器二次绕组流过正负两个方向的电流,消除了变压器的直流磁化,提高了变压器的利用率。
(6)对触发脉冲的要求:要使电路正常工作,需保证应同时导通的2个晶闸管均有脉冲,常用的方法有两种:一种是宽脉冲触发,它要求触发脉冲的宽度大于60º(一般为80º~100º),另一种是双窄脉冲触发,即触发一个晶闸管时,向小一个序号的晶闸管补发脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大,易使脉冲变压器饱和,所以多采用双窄脉冲触发。
电阻性负载α≤60º时的ud波形连续,α>60º时ud波形断续。α=120º时,输出电压为零Ud=0,三相全控桥式整流电路电阻性负载移相范围为0º~120º。晶闸管两端承受的最大正反向电压是变压器二次线º是输出电压波形连续和断续的分界点,输出电压平均值应分两种情况计算:
当α≤60º时,电感性负载的工作情况与电阻负载相似,各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形都一样;不同之处在于由于电感的作用,使得负载电流波形变得平直,当电感足够大的时候,负载电流的波形近似为一条水平线º时,电感性负载时的工作情况与电阻负载不同,由于负载电感感应电势的作用,ud波形会出现负的部分。下图是带电感性负载α=90º时的波形,可看出,α=90º时,ud波形上下对称,平均值为零,因此带电感性负载三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90。
但实际的交流供电电源总存在电源阻抗,如电源变压器的漏电抗、导线电阻以及为了限制短路电流而加上的交流进线电抗器等。由于电感电流不能突变,因此换相过程不能瞬时完成。
假设三相漏抗相等,忽略交流侧的电阻,负载电感足够大,则负载电流连续且平直。以晶闸管从u相换到v相为例,VT1已导通。当α=30°时触发VT2,由于变压器漏抗的作用,VT1不立即关断,u相电流iu=Id- ik逐渐减小到零;VT2导通,iv=0逐渐增加到Id。换相过程中,两个晶闸管同时导通,在 uvu电压作用下产生短路电流ik,当 iu=0, iv= Id
由波形能够准确的看出:与不考虑变压器漏抗的情况相对来说比较,整流电压波形少了一块阴影部分,缺少部分为:
说明:对于单相全控桥,换相压降的计算上述通式不成立,因为单相全控桥虽然每周期换相2次(m=2),但换相过程中ik是从-Id增加到Id,所以上式)中的Id应该带入2Id,故对于单相全控桥有:
显然,当α一定时,XB、Id增大,则γ增大,换流时间增大;XB 、Id一定时,γ随α角的增大而减小。
(1) 对单相全控桥。与换相压降的讨论一样,对单相全控桥有m=2,Id应该带入2Id,故有
(2)对三相桥式电路,m=6,三相桥式电路等效为相电压为的六相半波整流电路,
变压器漏感LB的存在可以限制短路电流,限制电流变化率di/dt 。但也会引起电网波形畸变,使du/dt加大,影响其他负载;会使功率因数降低,输出电压脉动增大,降低电压调整率。
为满足三相桥式整流电路中晶闸管的导通要求,触发电路应能输出双窄脉冲或宽脉冲。下面讨论能够输出双窄脉冲或宽脉冲的触发电路。
脉冲形成环节由V4、V5构成;放大环节由V7、V8组成。控制电压uco加在V4基极上,触发脉冲由脉冲变压器TP二次输出,经整流提供。
当V4的基极电压uco=0时,V4截止。+E1电源通过R11供给V5基极电流,使V5饱和导通。所以V5集电极电压接近于-E1,V7、V8处于截止状态,无脉冲输出。电源+E1经R9、V5的发射极到-E1对电容C3充电,充满后电容端电压接近2E1,极性如图所示。
当uco≥0.7V时,V4导通。A点电位从+E1突降到1V,由于电容C3两端电压不能突变,所以V5基极电位也突降到-2E1,V5基射极反偏置,V5立即截止。它的集电极电压由-E1迅速上升到钳位电压2.1V时,使得V7、V8导通,输出触发脉冲。
同时电容C3由+E1经R11、VD4、V4放电并反向充电,使V5基极电位逐渐上升。直到V5基极电位ub5 -E1,V5又重新导通。这时V5集电极电压立即降到-E1,使V7、V8截止,输出脉冲终止。脉冲前沿由V4导通时刻确定,脉冲宽度由反向充电时间常数R11C3决定。
锯齿波电压形成电路由V1、V2、V3和C2等元件组成,其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。
uC按线按线性增长。调节电位器RP2,能改变C2的恒定充电电流I1C。
当V2导通时,因R4很小所以C2迅速放电,使得ub3电位迅速降到零伏附近。当V2周期性地导通和关断时,ub3便形成一锯齿波。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。
V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者叠加所定,它们分别通过电阻R6、R7、R8 与V4基极连接。
所以, 仍为一条与up平行的直线,但绝对值比up小; 仍为一条与uco平行的直线,但绝对值比uco小。
当V4不导通时,V4的基极b4的波形由 确定。当b4点电压等于0.7V后,V4导通。产生触发脉冲。改变uco便能改变脉冲产生时刻,脉冲被移相。加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。
以三相全控桥为例,当接反电势电感负载时,脉冲初始相位应定在α=90度;当uco=0时,调节up的大小使产生脉冲的M点对应α=90度的位置。当uco为0,α=90度,则输出电压为0;如uco为正值,M点就向前移,控制角α90度,处于整流工作状态;如uco为负值,M点就向后移,控制角α90度,处于逆变状态。
同步环节是由同步变压器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶体管V2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源上,用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用,这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。
同步是指锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关管V2控制的,也就是由V2的基极电位决定的。
同步电压uTS经二极管VD1加在V2的基极上。当电压波形在负半周的下降段时,因Q点为零电位,R点为负电位,VD1导通,电容C1被迅速充电。Q点电位与R点相近,故在这一阶段V2基极为反向偏置,V2截止。
在负半周的上升段,+E1电源通过R1给电容C1充电,其上升速度比uTS波形慢,故VD1截止,uQ为电容反向充电波形。当Q点电位达1.4V时,V2导通,Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来,VD1重新导通,C1放电后又被充电,V2截止。
如此循环往复,在一个正弦波周期内,包括截止与导通两个状态,对应锯齿波波形恰好是一个周期,与主电路电源频率和相位完全同步,达到同步的目的。能够准确的看出锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。
触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60度的脉冲,称内双脉冲电路。而在触发器外部通过脉冲变压器的连接得到双脉冲称为外双脉冲。
本触发电路属于内双脉冲电路。当V5、V6都导通时,V7、V8截止,没脉冲输出。只要V5、V6有一个截止,就会使V7、V8导通,有脉冲输出。因此本电路可产生符合标准要求的双脉冲。
第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角α使V4由截止变导通造成V5瞬时截止,使得V8输出脉冲。隔60度的第二个脉冲是由后一相触发单元通过连接到引脚Y使本单元V6截止,使本触发电路第二次输出触发脉冲。其中VD4和R17的作用主要是防止双脉冲信号相互干扰。
在三相桥式全控整流电路中,双脉冲环节的可按下图接线。六个触发器的连接顺序是:1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。
36V交流电压经整流、滤波后得到50V直流电压,经R15对C6充电,B点电位为50V。当V8导通时,C6经脉冲变压器一次侧R16、V8迅速放电,形成脉冲尖峰,由于有R15的电阻,且电容C6的存储能量有限,B点电位迅速下降。当B点电位下降到14.3V时,VD15导通,B点电位被15V电源钳位在14.3V,形成脉冲平台。C5组成加速电路,用来提高触发脉冲前沿陡度。
二极管 VD5阴极接零电位或负电位,使V7、V8截止,能轻松实现脉冲封锁。VD5用来防止接地端与负电源之间形成大电流通路。
初始脉冲是指Ud=0时,控制电压uco与偏移电压up为固定值条件下的触发脉冲。因此,必须根据被触发晶闸管阳极电压的相位,正确供给各触发电路特定相位的同步电压,才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲。这种选择同步电压相位以及得到要求的触发时刻的方法,称为触发电路的定相。
晶闸管VT1的阳极与uu相接,VT1所接主电路电压为+uu,触发脉冲从0°至180°对应的范围为ωt1~ωt2。
采用锯齿波同步的触发电路时,同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点,通常使锯齿波的上升段为240度,上升段起始的30度和终了段30度线性度不好,舍去不用,使用中间的180度。所以取同步波- uu。
三相桥整流电路大量用于直流电机调速系统,通常要求可实现再生制动,使Ud=0时的触发角α为90º。当α 90º时为整流工作,α90º时为逆变工作。将α=90º确定为锯齿波的中点,锯齿波向前向后各有90º的移相范围。α=0º对应于uu的30º的位置,说明VT1的同步电压应滞后于uu180º。对其他5个晶闸管,也存在同样的关系,即同步电压滞后于主电路电压180º。
因此一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法,即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。
为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰,可对同步电压进行R-C滤波,当R-C滤波器滞后角为60º时,同步电压选取结果见表
目前国内生产的集成触发器有KJ系列和KC系列,国外生产的有TCA系列,下面简要介绍由KC系列的KC04移相触发器和KC4lC六路双脉冲形成器所组成的三相全控桥集成触发器的工作原理。
(3)KC04移相触发器的内部线移相触发器的内部线路是由同步环节、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成及整形放大、脉冲输出等环节组成 。
V1~V4等组成同步环节,同步电压us经限流电阻R20加到V1、V2的基极。在同步电压正半波us>0.7V时,V1导通,V4截止;在同步电压负半波us<-0.7V时,V2、V3导通,V4截止;只有在│us│<0.7V时,V4导通。
V4截止时,C1充电,形成锯齿波的上升段,V4导通时,C1放电,形成锯齿波的下降段,每周期形成两个锯齿波。锯齿波宽度小于180°。
V6及外接元件组成移相环节,基极信号是锯齿波电压、偏移电压和控制电压的综合。改变V6基极电位,V6导通时刻随即改变,实现脉冲移相。
V7等组成脉冲形成环节,平时V7导通,电容C2充电为左正右负。V6导通时,其集电极电位突然下降,同时引起V7截止。电容C2放电并反充电为左负右正。当V7基极电位Ube7≥0.7V时,V7导通,V7集电极有脉冲输出。V7集电极每周期输出间隔180°的两个脉冲。
V8、V12组成脉冲分选环节,脉冲分选保证同步电压正半周V8截止,同步电压负半周V12截止,使得触发电路在一周内有两个相位上相差180°的脉冲输出。
KC04移相触发器大多数都用在单相或三相全控桥式装置。KC系列中还有KC0l,KC09等。KJ00l大多数都用在单相、三相半控桥等整流电路中的移相触发,可获得的宽脉冲。KC09是KC04的改进型,两者可互换,适用于单相、三相全控式整流电路中的移相触发,可输出两路相位差的脉冲。它们都具有输出负载能力大、移相性能好以及抗干扰能力强的特点。
KC4lC的输入信号通常是KC04的输出,把三块KC04移相触发器的l脚与15脚产生的6个主脉冲分别接到KC4lC集成块的1~6脚,经内部集成二极管完成“或”功能,形成双窄脉冲,再由内部6个集成三极管放大,从10~15脚输出,还可以在外部设置Vl~V6晶体管作功率放大,可得到800mA的触发脉冲电流,供触发大电流的晶闸管用。KC4lC不仅仅具备双窄脉冲形成功能,而且还具有电子开关控制封锁功能,当7脚接地或处于低电位时,内部集成开关管截止,各路正常输出脉冲;当7脚接高电位或悬空时,饱和导通,各路无脉冲输出。
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