相控整流電路

圖1a為單相半波可控整流電路。圖中ug為晶閘管的觸發(fā)脈沖，其工作過程如下:當(dāng)u2負(fù)半周時，晶閘管不導(dǎo)通。在u2正半周時，不加觸發(fā)脈沖之前，晶閘管也不導(dǎo)通，只有加觸發(fā)脈沖之后，晶閘管才導(dǎo)通，這時負(fù)載Rd上流過電流。在電流為零時刻，晶閘管自動關(guān)斷，為下一次觸發(fā)導(dǎo)通作好準(zhǔn)備，如此循環(huán)往復(fù)，負(fù)載上得到脈動的直流電壓ud。晶閘管從開始承受正向電壓起到開始導(dǎo)通這一角度稱為控制 角，以α表示。這樣，只要改變控制角α的大小，即改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻，就改變了直流輸出電壓的平均值。觸發(fā)脈沖總是在電源周期的同一特定時刻加到晶閘管的控制極上，所以，觸發(fā)脈沖和電源電壓在頻率和相位上要配合好，這種協(xié)調(diào)配合的關(guān)系稱為同步。圖1b為單相橋式可控整流電路。它與單相半波可控整流電路相比，其變壓器利用系數(shù)較高，直流側(cè)脈動的基波頻率為交流基波的二倍，故為小功率場合常用的整流電路之一。 這里，脈波數(shù)P的概念很重要。所謂脈波數(shù)就是在交流電源的一個周期之內(nèi)直流側(cè)輸出波形的重復(fù)次數(shù)。通常脈波數(shù)越多，直流側(cè)輸出越平滑，交流側(cè)電流越接近正弦波。為了增加脈波數(shù)，可以增加交流側(cè)相數(shù),但是， 一般相數(shù)增加越多，各相的通電時間變得越短，這樣會使整流元件與整流變壓器副邊繞組的利用率變壞，使裝置體積變大，成本提高。圖1c為單相橋式半控整流電路，由于可控的晶閘管與不控的二極管混合組成,故稱半控。F稱續(xù)流二極管，若直流電壓變?yōu)樨?fù)值，它成為直流側(cè)環(huán)流的路徑，維持輸出電壓為零。

單相整流電路比較簡單,對觸發(fā)電路的要求較低,相位同步問題很簡單，調(diào)整也比較容易。但它的輸出直流電壓的紋波系數(shù)較大。由于它接在電網(wǎng)的一相上，易造成電網(wǎng)負(fù)載不平衡,所以一般只用于4kW以下的中小容量的設(shè)備上。如果負(fù)載較大，一般都用三相電路。

當(dāng)整流容量較大，要求直流電壓脈動較小,對快速性有特殊要求的場合,應(yīng)考慮采用三相可控整流電路。這是因為三相整流裝置三相是平衡的，輸出的直流電壓和電流脈動小，對電網(wǎng)影響小，且控制滯后時間短。圖2為三相橋式全控整流電路及其輸出電壓波形。在理想情況下，電路在任何時刻都必須有兩個晶閘管導(dǎo)通，一個是共陽極組的,另一個是共陰級組的,只有它們同時導(dǎo)通才能形成導(dǎo)電回路。T1、T2、T3、T4、T5、T6的觸發(fā)脈沖互差60°。因此,電路每隔60°有一個晶閘管換流，導(dǎo)通次序為1→2→3→4→5→6，每個晶閘管導(dǎo)通120°。在整流電路合閘后,共陰極和共陽級組各有一個晶閘管導(dǎo)通。因此,每個觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于60°、小于120°,或用兩個窄脈沖等效地代替大于60°的寬脈沖，即在向某一個晶閘管送出觸發(fā)脈沖的同時,向前一個元件補(bǔ)送一個脈沖,稱雙脈沖觸發(fā)。整流輸出電壓波形如圖2 所示。當(dāng)T1、T6導(dǎo)通時,ud=uab;T1、T2導(dǎo)通時，ud=uac;同理，依次為ubc，uba，uca，ucb,均為線電壓的一部分，脈動頻率為300Hz,晶閘管T1上的電壓uT1波形分為三段，在T1導(dǎo)電的120°中，uT1=0(僅管壓降);當(dāng)T3導(dǎo)通，T1受反向電壓關(guān)斷,uT1=uab;T5導(dǎo)通時,T3關(guān)斷，uT1=uac。因此晶閘承受的最大正、反向電壓為線電壓的峰值。

采用三相全控橋式整流電路時，輸出電壓交變分量的最低頻率是電網(wǎng)頻率的6倍,交流分量與直流分量之比也較小，因此濾波器的電感量比同容量的單相或三相半波電路小得多。另外，晶閘管的額定電壓值也較低。因此，這種電路適用于大功率變流裝置。

隨著整流電路的功率進(jìn)一步增大(如軋鋼電動機(jī)，功率達(dá)數(shù)兆瓦)，為了減輕對電網(wǎng)的干擾，特別是減輕整流電路高次諧波對電網(wǎng)的影響，可采用十二相、十八相、二十四相，乃至三十六相的多相整流電 路。圖3a為兩組三相橋串聯(lián)組成的十二相整流電路。為了獲得十二相波形，每個波頭應(yīng)該錯開30°。所以采用三繞組變壓器，次級的兩個繞組一個接成星形，另一個接成三角形，分別供給兩組三相橋。兩組整流橋串聯(lián)后再接到負(fù)載。由于兩組整流橋輸出的電壓的相位彼此差30°，因此在負(fù)載上得到十二脈波的整流電壓,合成電壓中最低次諧波頻率為600Hz，輸出電壓ud=ud1+ud2,電流id=id1=id2。圖3b是兩組三相橋并聯(lián)組成大電流的十二相整流電路。兩橋變壓器次級繞組電壓依次相差30°。若兩組橋的交流線電壓相等,各自的控制角也相等,則兩組橋的整流平均電壓也相等,只要極性相符合,就可以并聯(lián)運行。但是兩組整流電壓的瞬時值是不等的，兩組電源間會出現(xiàn)交流環(huán)流。為了限止環(huán)流,延長晶閘管的導(dǎo)通時間,需要加入平衡電抗器,輸出電壓ud=(ud1+ud2)/2,電流id=id1+id2。

采用多相整流電路能改善功率因數(shù)，提高脈動頻率，使變壓器初級電流的波形更接近正弦波，從而顯著減少諧波的影響。理論上，隨著相數(shù)的增加，可進(jìn)一步削弱諧波的影響。但這樣做增加了設(shè)備費用，在技術(shù)上對精確地得到相同的控制角提出了較嚴(yán)格的要求。因而需對方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行全面分析，最后作出選擇。

選擇整流電路時，主要從電性能好、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實用、對電網(wǎng)影響小等方面考慮，合理選用。

對于整流電路的選擇，有多個可以考慮的力一而。通常情況下，在對其進(jìn)行選擇時，一般可以考慮其電性能的好壞，其設(shè)計的情況是結(jié)構(gòu)簡單還是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在經(jīng)濟(jì)適用性力一而，還應(yīng)考慮是否是物美價廉型的，在其副作用力一而，可以考慮其對電網(wǎng)的影響效果，是大還是小等。結(jié)合這些多力一而的因素，綜合考慮，相信可以合理選用，得到理想的結(jié)果。

相控整流電路要求輸出電壓的可調(diào)控范圍要大，脈動要小，對交流電源、器件導(dǎo)電性能都有影響，而且變壓器也需要注意。

相控整流電路是通過交流側(cè)輸入的相數(shù)的控制來進(jìn)行整流控制的電路，整流兀件使用具有控制作用的晶閘管所以帶有可控性。

整流電路整流輸出電壓是脈動的直流電壓，整流輸出電流波形對十大電感負(fù)載是平直的，但對十電阻、小電感負(fù)載仍然是脈動的。同時，交流電源的電流波形，即整流變壓器二次電流波形是畸變的、非正弦的。在非正弦電路中，有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同。公用電網(wǎng)中，通常電壓的波形畸變很小，但電流波形的畸變可能很大，因此研究電壓波形為正弦波，電流波形為非正弦波有實際意義。通常脈波數(shù)越多，直流側(cè)輸出越平滑，交流側(cè)電流越接近正弦波。為了增加脈波數(shù)，可以增加交流側(cè)相數(shù)，但是，一般相數(shù)增加越多，各相的通電時間變得越短，這樣會使整流兀件與整流變壓器副邊繞組的利用率變壞，使裝置體積變大，成本提高。

諧波和功率因數(shù)對電網(wǎng)的影響:

電力電子裝置產(chǎn)生諧波，對公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害:使供電電源電壓和電流波形畸變。供電電源電壓和電流波形不但影響電網(wǎng)的其他用戶，也會禍及電力電子裝置木身，例如同步電壓畸變將使觸發(fā)角不穩(wěn)定，導(dǎo)致整流波形不規(guī)則。增大負(fù)載和線路的電流，占用電源的容量，使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加損耗，功率因數(shù)下降，效率降低。諧波對電動機(jī)不產(chǎn)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩，引起附加諧波損耗與發(fā)熱，縮短設(shè)備使用壽命。對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。由十開關(guān)過程的快速性等因素，在高電壓大電流下，在一定范圍內(nèi)將產(chǎn)生電磁干擾，影響通信設(shè)備的正常工作。并聯(lián)在電源上用于補(bǔ)償功率囚數(shù)的電容器過熱。因為電容器的高頻阻抗低，很容易通過大量的諧波電流，造成高次諧波電流放大，嚴(yán)重的諧波過載會損壞電容器。可能產(chǎn)生諧波諧振過電壓使諧波放大，引起電纜擊穿事故。諧波的負(fù)序特性容易使繼電保護(hù)和自動裝置等敏感元件誤動作。使測量儀表的精度降低。大量的3次諧波和3的倍數(shù)次諧波流過中性線，會使線路中線過載。

電力電子裝置消耗無功功率，會對公用電網(wǎng)帶來不利影響:導(dǎo)致視在功率的增加，從而增加了電源的容量。使總電流增加，從而使線路的損耗增加。沖擊性無功負(fù)載會使電網(wǎng)電壓

劇烈波動。提高功率囚數(shù)的途徑卞要有:選擇合適的輸入電壓，在滿足控制和調(diào)節(jié)范圍的情況下盡可能減小控制角a。增加整流相數(shù)，改善交流電流的波形，減少諧波成分。設(shè)置補(bǔ)償電容器和濾波器。采用高功率因數(shù)的整流電路，如PWM整流電路。

① 三相全控橋式可控整流電路。② 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路。

③ 變壓器原邊交流調(diào)壓，副邊二極管整流電路。④ 三相零式整流電路。

⑤ 三相半控橋式可控整流電路。⑥ 三相交流相控調(diào)壓電路⑦三相五柱式雙反星形可控硅整流電路