异步电动机同步化运行节电线路.doc

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1、1 绪论1.1 异步电动机同步化运行的意义绕线式异步电动机同步化运行可以改善功率因数，是企业节电的重要措施之一。在电机实验室中，采用绕线式异步电动机不仅可以做异电机各种实验，而且同步化运行后可以完成同步发电机、同步电动机各种实验。这样使实验室设备费用和实验占地大大节省，具有很好的推广价值。绕线式异步电动机的同步化, 作为同步电动机运行, 可以改善电网的功率因数。作为电源使用, 运行于同步发电机状态, 可以代替小型同步发电机, 在实际应用中采用转子绕组两相串联的接线方式可以得到较大的输出功率。1.2 本文所做的工作本文将介绍130kw绕线式异步电动机同步化运行主线路及控制线路。控制线路主要采用继

2、电器对电动机进行异步启动控制及同步化运行过程的控制。线路简单实用，并能节约电能。首先将介绍基本相关的知识，如异步电动机的简单介绍，整流电路的介绍和原理等。绕线式异步电动机同步化运行后就成为一台同步电机。作为电动机运行时，它不仅同异步电动机一样可以带一定的有功负载，而且可以工作在正常励磁状态或过励磁状态，达到改善功率因数和节省电能的目的。这在工厂企业一定的场合已经得到较为广泛的应用。2 异步电动机的介绍2.1 异步电动机的用途交流电机分为同步电机和异步电机两大类，转子转速与旋转磁场转速相同的称为同步电机，不同的称为异步电机。异步电机主要用作电动机，应用领域极广，用来拖动各种各样的生产机械，在冶金

3、、机械、轻纺、化工以及矿山等各个工业部门都得到了广泛应用。也大量用于农业和民用等其他各个领域。20世纪70年代以前，约占电力拖动总容量80%的不调速和调速要求不高的生产机械都用交流电动机拖动，其中大多数用异步电动机，同步电动机只占其中很少一部分。其余要求调速性能较高的调速系统用直流电动机。20世纪70年代以来，由于电力电子器件和微电子技术的发展，交流变频调速发展很快，在一些领域已经开始取代直流调速系统。这其中同步电动机变频调速虽然也在发展，但至今为止多数还是用异步电动机。异步电动机所以能得到如此广泛的应用，这与它自身的优点有直接关系。异步电动机结构简单，价格低廉，运行可靠，坚固耐用并有较好的工

4、作特性。特别是笼型异步电动机，即使是用在周围环境较差、粉尘较大的场合，仍能很好地运行。异步电动机的不足之处是功率因数较差，运行时需从电网吸收滞后的无功功率，这一缺点在轻载和起动时更为突出，但现在各类晶闸管节能起动器已经陆续问世，有效地解决了这一问题，加之电网的功率因数也可用其它方法加以补偿，因此异步电动机的这一缺点对其广泛应用并无很大影响1。2.2 异步电动机的主要结构 异步电动机是由定子和转子两大部分组成，定转子之间有气隙，为减小励磁电流、提高功率因素，气隙应做得尽可能的小。按转子结构不同，异步电动机分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机两种。这两种电动机定子结构完全一样，只是转子结构不同。

5、1.定子部分异步电机定子是由铁心、定子绕组和机座三个主要部分组成。定子铁心是电机磁路的一部分，由涂有绝缘漆的0.5mm的硅钢片叠压而成。在定子铁心内圆周上冲满槽，槽内安放定子三相对称绕组，大、中容量的高压电动机常联结成星形，只引出三根线，而中、小容量的低压电动机常把三相绕组的六个出线头都引到接线盒中，可以根据需要结成星形或三角形。整个定子铁心装在机座内，机座主要起支撑和固定作用。图2-1是笼型异步电动机的结构图。2.转子部分异步电动机转子由铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是磁路的一部分，由0.5mm硅钢片叠成，铁心与转轴必须可靠固定，以便传动机械功率。转子铁心的外圆周上也是冲满槽，槽内安放

6、转子绕组。转子绕组分绕线型和笼型两种，绕线型转子为三相对称绕组，常联结成星形，三条出线通过轴上的三个集电环及压在其上的三个电刷把电路引出。这种电动机在起动和调速时，可以在转子电路中串入外接电阻，或进行串级调速。绕线转子异步电动机转子绕组联结如图2-2所示。 图2-1 笼型异步电机结构图 图2-2 绕线转子异步电动机转子绕组联结图2.3 异步电动机的工作原理 图2-3绘制出了异步电动机的示意图。当向电机送电之后，定子三相对称绕组流过三相对称电流，这时在电机气隙周围产生一个旋转磁场。这个旋转磁场的转速称为同步转速，它与电源频率f1及电机极对数p有如下关系： （2-1） 这个磁场旋转时，在转子短路绕

7、组中产生感应电动势，假定磁场顺时针方向旋转，当转到图2-3所示位置时，由右手定则可知，转子导体感应电动势的方向是上半部为，下半部为。因转子绕组是短路的，所以在转子绕组中有电流通过，转子电流的方向在大多数导体中与电动势方向是一致的，根据左手定则可知，这些载流导体在磁场中受力所形成的总电磁力矩方向是顺时针的。这个力矩就是拖动电动机旋转的电磁转矩，它使转子沿旋转磁场方向旋转。当电动机的电磁转矩与负载的阻转矩在某一转速下相等时，电动机就在这一转速下正常运行。电机在电动状态下运行，转子转速n总要比旋转磁场n1低一些，这是因为假如转子转速n赶上了n1，转子与旋转磁场不再有相对运动，导体不在切割磁场，就没有

8、感应电动势产生，也就没有了转子电流和电磁转矩，无法维持电动机继续运行。因此异步电动机工作在正常的电动状态时n总是小于n1，不可能达到同步，这就是称为“异步”的原因。我们把n=n1-n为转速差，而把n与n1之比称为转差率，用s表示。这是异步电动机的一个重要参数，在很多情况下用s表示电动机的转速要比直接用转速n表示方便得多，使很多运算大为简化。一般异步电动机的额定转差率在0.02-0.05之间。图2-3 三相异步电动机工作原理示意图2.4 异步电动机的机械特性2.4.1 三相异步电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系，即n=f(Tem)。由于异步电动

9、机的转速n与转差率S之间存在着一定的关系，所以异步电动机的机械特性也常用Tem=f(s)的表达式。当同步转速n1为正时，机械特性曲线(如图2-4第一、二象限)。在第一象限，0nn1,0sn1,s0,s1,n为负值，电动机处于电磁制动状态。三相异步电动机机械特性的实用表达式为： （2-2）S为电动机运行时的转差率，Sm为对应最大转矩的转差率2.4.2 三相异步电动机的固有机械特性三相异步电动机的固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线。特性曲线如图2-5 图2-5 三相异步电动机固有机械特性曲线 a.启动点A：电动机接通电源瞬间，其工作点位于A点，此时n=0，s=1,T

10、m=Tst,定子电流I1=Ist=(4-7)IN(IN为额定电流) b.最大转矩点B：B点是机械特性曲线中线性段(D-B)与非线性段(B-A)的分界点，此时S=Sm,Tem=Tm。通常电动机在线性段上工作是稳定的，而在非线性段上工作是不稳定的。所以B点也是电动机稳定运行的临界点。 c.额定运行点C:电动机额定运行时，工作点位于C点，此时n=nN,S=SN,Tem=TN,I1=IN。额定转差率很小，一般Sn=0.01-0.06。2.4.3 三相异步电动机的人为机械特性 人为机械特性曲线是指人为地改变电源参数或电动机的参数而得到的机械特性1.降低定子电压的人为机械特性降低定子电压的人为机械特性是仅

11、降低定子电压，其他参数都与固定机械性时相同。从式(2-3)可以看出，降低定子电压的人为机械特性曲线与固有机械特性相比较，在相同的转差率s下，电动机产生的电磁转矩将与(U1/U2)2成正比，即 (2-3)式中，T为固有机械特性上转差率为s时的电磁转矩；T为在同一s下定子电压降为U1时的电磁转矩。由此可见，只要把固有机械特性上某点A的电磁转矩T乘以(U1/UN)2，即可得到在同一转差率s下定子电压为U1的人为机械特性曲线上的一点B，如图2-6。图中曲线1为固有机械特性曲线；曲线2为定子电压降至U时的人为机械特性曲线。不难看出，降低定子电压的人为机械特性曲线具有如下特点：1） 同步转速n1不变。2）

12、 临界转差率sm与定子电压无关。3） 最大转矩Tmax、初始起动转矩Tst均与定子电压的平方成正比地降低。图2-6 降低定子电压的人为机械特性2.转子回路串三相对称电阻时的人为机械特性 绕线转子异步电动机转子回路中串入三相对称电阻时，相当于增加了转子绕组每相电阻值。图2-7是绕线转子异步电动机转子回路中串接三相对称电阻Rc时的线路图。 转子回路中串入三相对称电阻时，不影响电动机的同步转速n1的大小，其人为机械特性都通过同步运行点。 因为电动机的最大转矩Tmax与转子回路电阻无关，转子回路外串电阻Rc时不改变Tmax的大小，但临界转差率sm则随转子回路中电阻的增大而成正比地增加。 由于除转子回路

13、串接三相对称电阻Rc以外，其他参数都保持固有机械特性时的数值不变。因此要保持电磁转矩不变，只有保持 （2-4）不变才行，即： （2-5）式中，s为固有机械特性上电磁转矩为TL时的转差率；s为在同一电磁转矩下人为机械特性上的转差率，如图2-8所示2。 图2-7 转子回路串三相对称电阻线路图 图2-8 转子回路串三相对称电阻特性曲线3 同步电动机的介绍3.1 同步电动机工作原理同步电机是交流电机的一种，同步电机在运行时，其转速n与定子电网频率f1有着严格不变的关系，不会像感应电机一样，转速随负载的变化而变化，即： （3-1）式中，p为电机的极对数，n1为气隙旋转磁场的转速。由于同步电机的转子转速n

14、与气隙旋转磁场的转速n1相等，故称同步电机。 同步电机主要用作交流发电机。同步电机作电动机使用时，一般用于拖动转速不变的大功率生产设备，如球磨机、鼓风机、水泵等，随着电力电子技术的发展，尤其是变频技术的发展，可以广泛地代替感应电机。因为无论是同步发电机还是同步电动机，均可以通过改变励磁电流来调节功率因数。图3-1是一台同步电机的工作模型图。当同步电机作发电机运行时，直流电流通过电刷滑环装置流入转子励磁绕组，产生与转子相对静止的恒定磁场，磁力线从转子N极出来，经气隙、定子铁心、气隙，进入转子S极而形成闭合回路，如图4-1(a)中虚线所示。定子结构与三相感应电机基本相同，铁心槽内嵌放对称的三相绕组

15、AX、BY和CZ(图中未画出)。当转子在原动机驱动下沿逆时针方向恒速旋转时，则定子绕组导体将切割磁力线而感应电动势，设气隙磁通密度沿圆周方向按正弦规律分布，则三相对称感应电动势分别为： （3-2）定子绕组中感应的三相对称感应电动势用向量表示时，如图3-1(b)所示。当转子以n1速度旋转时，感应动势频率为： （3-3）当定子三相绕组与外接的三相负载接通时，就有对称的三相电流流通，发电机就将轴上输入的机械能转换成电能向负载输出。同时当对称电流通入对称的三相绕组时，产生圆形的电枢旋转磁动势，转速为n1=60f1/p，旋转方向与转子旋转方向一致，极对数与转子的相同。因此，由电枢旋转磁动势和转子励磁磁动

16、势合成产生的气隙磁动势也以同转向、同速度同步旋转，但在空间上气隙磁动势滞后于转子励磁磁动势一个相位角，如图3-2(a)所示，称为内功率角。可见，这时转子上将受到制动的电磁转矩T，原动机必须输入机械转矩T1以克服制动的电磁转矩，才能保持电机恒速运转，才能连续将机械能转换成电能。 图3-1 同步电机工作模型如同步发电机并联运行在电网上，则当发电机转子输入的机械功率逐渐减少时，转子将会瞬时减速，导致角减小；当功率角=0时，输入的机械功率只要抵消空载损耗，这时发电机处在空载运行状态，不再向电网输出电功率，如图3-2(b)所示。继续减小输入的机械功率，最后卸掉原动机并在轴上加上机械负载，内功率角将反向增

17、大，即变成气隙合成磁动势在前，转子励磁磁动势在后，如图3-2(c)。转子受到的电磁转矩起驱动作用，拖动生产机械转动。这时同步电机运行在电动状态，将从电网吸取的电功率输出给机械负载。因此，同步电机与其他旋转电机一样，在工作原理上来看，既可作发电机运行也可作电动机运行。当然，为了电机在运行时，有较好的运行特性，发电机通常是分别设计，并不通用的。 图3-2 同步发电机过渡到同步电动机的过程3.2 同步电动机的基本结构同步发电机、同步电动机和同步补偿机，它们的基本结构是一样的。与直流电机、异步电机一样，也是由定子和转子两大部分组成的。1.定子同步电机定子与异步电机定子结构基本相同，也是由铁心、电枢绕组

18、、机座和端盖等部分组成。铁心也是由硅钢片叠成，大型同步电机由于尺寸太大，硅钢片长制成扇形，然后对称圆形。电枢绕组也是三相对称绕组。大型高压同步电机定子绕组绝缘性能要求较高，常用云母绝缘。机座和端盖的作用也与异步电机相同。2.转子同步电机转子与异步电机转子有所不同，它的的转子有固定的磁极，由通过电刷和集电环送入的直流励磁电流励磁，产生固定极性的磁极。同步电机转子的结构有两种类型，即凸极式和隐极式。凸极式转子如图3-3a所示。磁极的形状与直流机磁极相似，铁心常由普通薄钢片冲压后叠成，磁极上装有成形的集中直流励磁绕组。绕组的联结应使N极和S极在电机圆周上交替排列。凸极式转子结构简单，制造方便，制成多

19、极比较容易，但机械强度较低，所以它适用于低速、多极的同步电机。在发电机中，水轮机属于低速机械，由式n1=60f1/p可知，当工业频率为50Hz时(个别国家为60Hz)，低速必然多极，所以水轮发电机都是低速、多极的凸极同步发电机。同步发电机大多数也是容量较大，转速较低的凸极同步电机。凸极电机的特点是气隙不均匀，转子磁极中心附近气隙最小，磁阻也小，磁导最大。而在转子磁极的几何中心线处气隙最大，磁阻也大，磁导最小。因此，磁通所走路径不同，所遇磁导不同，对应的电抗参数也不一致，这是凸极电机结构决定的。隐极式转子如图3-3b所示，转子呈圆柱形，无明显磁极，通常由整块铸钢制成，在圆周的三分之二部分先铣有槽

20、和齿，槽中有分布式直流励磁绕组，转子圆周没有开槽的三分之一部分称为大齿，是磁极的中心区域。隐极式转子制造工艺比较复杂，但它的机械强度较好，适用于极少数、高速度的同步电机。汽轮本身是高速机械，所以汽轮发电机都是极数较少、转速较高的隐极同步电机。隐极电机的气隙均匀，所以磁通无论走哪一路径，不管是在极中心处还是在几何中线处，所遇磁导相同，对应的电抗也无变化。此外，同步电机转子磁极表面都装有类似笼型异步电机转子的短路电阻，在发电机中称为阻尼绕组，在正常运行时起稳定作用；在电动机中称起动绕组，异步起动时它是起动绕组，同步运行时也起稳定作用。 图3-3 同步电动几组要结构类型 在同步电机发展初期磁极还有一

21、种电枢旋转式的，如图3-3c。电枢旋转式同步电机，磁极在定子上，它的定子结构与直流电机相似。转子上装着三相电枢绕组，三相电流通过集电环的电刷引出，转子结构与绕线转子异步电机的转子相似。这种结构的同步电机在容量较小时工作还可以，但当容量增大时，遇到了困难，主要是集电环和电刷流过的电流不能太大，所加电压也不能太高，因此，电枢旋转式同步电机已不能适应大容量的要求，逐渐变为现在这样磁极旋转式的。磁极旋转式转子加的是直流励磁电流，它的容量仅为电机容量的百分之几，电压不高，电流也不大，应用电刷和集电环引入没多大困难，因此现代的同步电机多为磁极旋转式，而电枢旋转式同步电机仅在小容量时偶尔遇到。4 继电器4.

22、1继电器的基本介绍4.1.1继电器的工作原理和特性 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。1 电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的

23、位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。2 热敏干簧继电器的工作原理和特性热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。 3 固态继电器（SSR）的工作原理和特性固态继电器是一种两个接线端

24、为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。 固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。4.1.2继电器主要产品技术参数1 额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。2 直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。3 吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电

25、压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。4 释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 5 触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。4.1.3继电器的电符号和触点形式 继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。另一种是按

26、照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号，并将触点组编上号码，以示区别。继电器的触点有三种基本形式：1.动合型（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字头“H”表示。2.动断型（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“D”表示。3.转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点

27、组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“z”表示。4.1.4继电器的选用1.先了解必要的条件控制电路的电源电压，能提供的最大电流；被控制电路中的电压和电流；被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。2.查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。3.注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产

28、品4。4.2几种继电器的简单介绍1.JZC1系列接触式继电器适用于交流50Hz或60Hz、额定电压至660V或直流额定电压至600V的控制电路中，用来控制各种电磁线圈，以使信号扩大或将信号同时传送给有关控制元件，其性能指标等同于3TH系列产品。继电器为E字形铁芯，双断点触点式的直动式结构。触点有多种组合，动作机构灵活，设计紧凑，可确保使用安全，安装方式可用螺钉坚固，也可卡装在35mm标准安装导轨上，具有装卸方便，迅速的优点。2.JZC4系列交流中间继电器、F4辅助触头组 适用于交流50Hz或60Hz、额定电压至380V及直流额定电压至220V的继电器控制、信号传递、隔离放大电路等电路中，作为接

29、通、分断、放大之用，是JZ7系列的更新换代产品。 触点采用摩擦接触方式。组合式结构，可方便地安装各种附件：辅助触头组、延时头、锁扣装置等增加不同功能。继电器端子均有防护结构、达到IP20级，使用时安全可靠。接线螺钉采用自升式瓦形垫圈的组合螺钉。继电器可用螺钉安装，也可安装在35mm宽的标准卡轨上。更换线圈时，只需将连接继电器上下两绝缘座地螺钉拧松，分开机壳上下两部分后，方便地更换线圈5。5 设计方案的选择5.1 整流电路方案 整流电路(Rectifier)是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电流变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。 可从各种角度对整流电路进行分类，主要分类

30、方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是双向或单相，又分为单拍电路和双拍电路。下面介绍几种常见的整流电路。5.1.1.单相半波可控整流电路1 带电阻负载的工作情况 图6-1所示为单相半波可控整流电路的原理图及带电阻负载时的工作波形。图5-1(a)中，变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次和二次电压瞬时值分别用u1和u2表示，有效值分别用U1和U2表示，其中U2的大小根据需要的直流输出电压ud的平均值Ud确定。 图5-1 单相半波可控整流电路及波形在晶闸管VT处于断态时，电路中无电流，负

31、载电阻两端电压为零，u2全部施加于VT两端。如在u2正半周VT承受正向阳极电压期间的时刻给VT门极加触发脉冲，如5-1(c)所示，则VT开通。忽略晶闸管通态压降，则直流输出电压瞬时指ud与u2相等。至=即u2降为零时，电路中电流亦降至零，VT关断，滞后ud,id均为零。图5-1(d)、图5-1(e)分别给出了ud和晶闸管两端电压uVT的波形。iD的波形与ud的相同。 改变触发时刻，ud和id波形随之改变，整流输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流。加之电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单脉冲波整流电路。 从晶闸管开始承受

32、正向阳极电压起带施加触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，用表示，也称触发角或控制角。晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角，用表示，。直流输出电压平均值为： （5-1）=0时，整流输出电压平均值为最大，用Ud0表示，Ud=Ud0=0.45U2。随着增大，Ud减小，当=时，Ud=0，该电路中VT的移相范围为180。可见，调节角即可控制Ud的大小。这种通过控制触发脉冲的相位来控制触发脉冲的相位来控制直流输出的电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。2 带阻感负载的工作情况 生产实践中，更常见的负载是既有电阻也有电感，当负载中感抗L与电阻R相比不可忽略时即为阻感负载。若L远远大于R，则

33、负载主要呈现为电感，称为电感负载，例如电机的励磁绕组。电感对电流的变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势，它的极性时阻滞电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小，这使得流过电的电流不能发生突变，这是阻感负载的特点。图5-2为带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形。当晶闸管VT处于断态时，电路中电流id=0，负载上的电压为0，u2全部加在VT两端。在时刻，即触发角处，触发VT使其开通，u2加于负载两端，因电感L的存在使id不能突变，id从0开始增加，如图5-2(e)所示，同时L的感应电动势试图阻止id增加。这时，交流电源一方面供给电阻R消耗的能量，另一方面供

34、给电感L吸收的磁场能量。到u2由正变负的过零处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。此后，L中储存的能量逐渐释放，一方面供给电阻消耗的能量，另一方面供给变压器二次绕组吸收的能量，从而维持id流动，至时刻，电感能量完全释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压，如图5-2(f)晶闸管VT两端电压uVT波形所示。由图5-2(b)的波形还可以看出，由于电感的存在延迟了VT关断时刻，使ud波形出现负的部分，使带电阻负载时相比其平均值Ud下降。 单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心

35、面积，增大了设备容量。 图5-2 带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形 5.1.2单相桥式全控整流电路 单相桥式电路中应用较多的是单相桥式全控整流电路，如图5-3(a)所示，所接负载为电阻负载，下面首先分析这种情况。1 带电阻负载的工作情况 在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在u2正半周(即a点电位高于b点电位)，若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、

36、VT4流回电源b端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。图5-3 单相桥式全控整流电路带阻感负载时的电路及波形 在u2负半周，仍在触发角处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此循环得工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT4两端波形分别如图6-2(b)和图5-2(c)所示，晶闸管承受的最大正向电压何反向电压分别为和。 由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流电路。在u2一个周期内，整流电压波形脉动2次，脉动

37、次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。变压器二次绕组中，正负半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，如图5-3(d)所示，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组利用率也高。 整流电压平均值为： （5-2）=0时，Ud=Ud0=0.9U2。=180时，Ud=0。可见，角的移相范围为180。 向负载输出的直流电流平均值为 （5-3） 晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即 （5-4） 为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等额定值，需要考虑发热问题，为此需计算电流效值。流过晶闸管的电流有效值为 （5-5） 变压器二

38、次电流有效值I2与输出电流有效值I相等，为 (5-6)由式(5-5)和(5-6)可见 （5-7） 不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。2 带阻感负载的工作情况电路如图5-4(a)所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳态。在u2正半周，触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一条水平线，其波形如图5-4(b)所示。u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。至时刻，图5-4 单相桥式全控整流电路带阻感负载时的电路及波形

39、给VT2和VT3加触发脉冲，因为VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。至下一周期重复上述过程，如此循环下去，ud波形如图5-4(b)所示，其平均值为 （5-8）当=0时，Ud0=0.9U2。=90时，Ud=0。角的移相范围为90。 单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管VT1、VT4两端的电压波形如图5-4(b)所示，晶闸管承受的最大正反向电压均为。晶闸管导通角与无关，均为180，其电流波形如图5-4(b)所示，平均值

40、和有效值分别为: 和。 （5-9） 变压器二次电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由角决定，有效值I2=Id5.1.2三相半波可控整流电路当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式全波整流电路。1 电阻负载三相半波可控整流电路如图5-5(a)所示。为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有公共端，连接方便。假设将电路中的晶闸管换作二

41、极管，并用VD表示，该电路就成为三相半波不可控整流电路当=0时，变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形如图5-5(e)所示，另两相电流波形形状相同，相位依次滞后120，可见变压器二次绕组电流有直流分量。图5-5 三相半波可控整流电路带电阻负载及=0时的波形图5-5(f)是VT1两端的电压波形，由3段组成：第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为uVT1=0;第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，uVT1=ua-ub=uab,为一段线电压；第3段，在VT3导通期间，uVT1=ua-uc=uac为另一段线电压。即晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成。由图可见，=0时，晶闸管承受的两段

42、线电压均为负值，随着增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。其他两管上的电压波形形状相同，相位依次差120。增大值，将脉冲后移，整流电路的工作情况相应地发生变化。图5-6是=30时的波形。从输出电压、电流的波可看出，这时负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120。如果30，例如=60时，整流电压的波形如图5-7所示，当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断。此时下一相晶闸管虽承受正电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，因此输出电压电流均为零，直到触发脉冲出现为止。这种情况下，负载电流断续，各晶闸管导通角为90，小于120。图5-6 三相半波可控整流电路带带电阻负载 图5-7 三相

43、半波可控整流电路带电阻负载=30时的波形 =60时的波形5.1.3三相桥式全控整流电路 目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图5-8所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1、VT3、VT5)称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4、VT6、VT2)称为共阳极组。1 带电阻负载时的工作情况 可以采用与分析三相半波可控整流电路时类似的方法，假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角=0时的情况。此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图5-9所示。 图5-8 三相桥式全控整流电路原理图 图5-9 三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的波形 =0时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二次绕组相电压与线电压波形的对应