牵引变电站用整流器设计
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图 ! ,! 脉波整流电路波形
产生了均压均流的问题 & (! % 快速熔断器选用
用线电压的有效值 &!’ 表示为 &()*+,-$.&!’ 在三相桥式整流电路中 ! 共 阴 极 组 整 流 二 极 管 与 共 阳 极组整流二极管共用一套变压器 的 二 次 绕 组 ! 共 阴 极 组 在 一个周期的正半周导电 " 共阳极 组 在 负 半 周 导 通 ! 二 者 导 通角相等 # 接在同一相上的两个 整 流 二 极 管 的 电 流 相 位 相 差 ,/"0 ! 大 小 相 等 ! 方 向 相 反 # 两 个 三 相 桥 并 联 组 成 ,! 脉波整流 # 利 用 两 台 整 流 变 压 器 ! 一 台 移 相 1%-.0 ! 一 台 移 相 2
)"* $ 当 ’+ 过零时电流 &" 和磁通 " 最大 ! 这 时 如 果 突 然 拉
闸 $ 则电流 &" 中断 $ 铁心内的磁通 " 的变化很大 $ 因而在 二次感应出很高的瞬时过电压 ! 在变压器二次并联电 容 和 电 阻 $ 可 以 把 变 压 器 铁 心 的 磁场能量释放出来 $ 转化成 电 容 器 的 电 场 能 量 ! 由 于 电 容 器两端的电压不能突变 $ 能 够 抑 制 过 电 压 $ 串 联 电 阻 可 以 在 能 量 转 化 的 过 程 中 消 耗 一 部 分 能 量 $ 同 时 抑 制 ,- 回 路 的振荡 ! 通常情况下 $ 增大电 容 容 量 能 够 降 低 作 用 于 器 件 的 过 电压和电压上升率 % 但如果 电 容 容 量 增 大 $ 电 容 器 体 积 增 大$ 电阻损耗增加$ 整流二极管导通时的电流上升率增 大 ! 串联电阻阻值也要合理 选 择 $ 既 能 抑 制 振 荡 $ 又 要 使 电阻损耗小 !
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收稿日期 ! !""# " "( " "%
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机电工程技术 !""# 年第 $$ 卷第 % 期
研究与开 发
图 $ 整流系统方案设计
好整流二极管必须考虑好以下因素 )
! 负载的性质 ( 感性负载和阻性负载 %& " 整流后的直流电压 & # 整流后的电流 & $ 整流电源自文库的联结形式 &
$ 硬件设计
$, % 整流二极管选用 整流二极管是整流装置的 核 心 部 件 ! 整 流 二 极 管 质 量 的好坏直接影响着整流装置供电 质 量 & 近 年 来 由 于 硅 制 造 工艺的改进 ! 高电压 ’ 大电流的 整 流 二 极 管 相 继 问 世 ! 给 制造大功率 ’ 高质量的整流装置 提 供 了 可 拓 展 的 空 间 # 正 确的选择整流二极管 ! 能够使整 流 装 置 在 保 证 可 靠 运 行 的 前提下降低制造成本 # 整流器件 的 选 择 主 要 指 合 理 的 选 择 器 件 的 额 定 工 作 的 电 压 和 电 流 ( 通 态 平 均 电 流 %& 要 选 择
牵引变电站用整流装 置 对 感 性 负 载 供 电 ! 瞬 间 过 压 过 流经常发生 ! 从供电可靠性 的 角 度 和 对 整 流 二 极 管 的 保 护 出发 ! 我们选取按整流二极 管 额 定 电 压 和 平 均 电 流 必 须 留 有足够的裕度 & 使用中可以 采 取 几 个 整 流 二 极 管 并 联 或 串 联使用来解决大电流高电压 的 大 型 整 流 装 置 的 生 产 ! 由 此
! 网侧过电压保护
采用高压电源供电的 变 压 器 $ 在 合 闸 的 瞬 间 $ 由 于 一 次绕组和二次绕组之间存在 分 布 电 容 $ 一 次 绕 组 的 高 压 经 此分布电容耦合二次绕组造 成 过 电 压 ! 如 果 没 有 相 应 的 保 护措施就会产生较高的过电 压 ! 变 压 器 采 用 附 加 屏 蔽 绕 组 或在星形中点和地串联附加电容器都可以有效抑制过电 压 ! 对于牵引变电站用整流 装 置 $ 不 管 变 压 器 的 过 电 压 保 护如何 $ 首先在整流器的输 入 并 联 适 当 的 电 容 器 吸 收 能 量 进行过电压抑制 $ 这种做法 也 就 相 当 于 在 整 流 变 压 器 的 二 次绕组上并联电容进行保护 ! 在变压器空载情况下 $ 当 电 源 电 压 过 零 时 $ 是 变 压 器 突然拉闸所造成的过电压很 严 重 ! 如 果 没 有 任 何 的 保 护 措 施 $ 也会产生较高的过电压 ! 由 于 变 压 器 空 载 时 $ 一 次 绕 组 内 只 有 激 磁 电 流 &"$ 而 电 流 &" 落 后 于 电 源 电 压 ’( 接 近 行过电压保护 ! 可以采用阻容吸收和压敏电阻同时保护 !
! 整流器过电压的产生原因
凡是元件在运行过程 中 ! 在 整 流 二 极 管 两 端 的 超 过 其
!"
研 究与开发
机电工程技术 !""# 年第 $$ 卷第 % 期
正常工作时的最大峰值电压 的 任 何 电 压 都 是 过 电 压 ! 常 见 的过电压有两种 " 操作过电 压 和 浪 涌 过 电 压 ! 操 作 过 电 压 通常由整流装置的拉闸 # 合 闸 等 电 磁 过 程 引 起 的 ! 这 种 过 电压是不可避免的 $ 也是经 常 发 生 的 ! 浪 涌 电 压 主 要 是 由 于雷击等原因由供电电网侵入整流装置的偶尔性的过电 压 ! 虽然是偶尔性的 $ 但这 种 浪 涌 电 压 的 幅 值 会 比 操 作 过 电压要高的多 ! 进行过电压 保 护 的 原 则 是 采 取 有 效 的 保 护 措施 $ 使经常发生的操作过 电 压 被 限 制 在 整 流 二 极 管 的 额 定工作电压以下 % 并且使偶 然 发 生 的 浪 涌 电 压 限 制 在 整 流 二极管器件的反向不重复峰值电压以下 ! 过电压保护按保护的 部 分 划 分 为 网 侧 过 电 压 保 护 # 阀 侧过电压保护和整流二极管器件保护 !
%-.0! 两台与整流装置联接后并联联接便可组成 !# 脉波整
流 # !# 脉波整流原理与 ,! 脉波整流类似 ! 这里不再赘述 # $! % 设计方案 整流器主电路采用 ! 个三 相 桥 并 联 ! 组 成 图 $ 所 示 整 流系统 & 整流臂内部由快速熔断 器 进 行 过 电 流 保 护 ! 阻 容 过电压保护 &
;(< ;!<
高 压 电 网
% 对于移相整流变压器的有
图 ( (! 脉波整流器原理图
关参数计算的论述已经很详尽 % 本文重点介绍大功率机车
;$<
电动机供电的整流器 % 由于供电的电能质量要求较高 % 研究 制造性能可靠 # 波形平滑稳定脉动小的整流器切实可行 %
整流波形图 ! 中 + , > 为整流变压器的一个二次绕阻 端子 & +? ,? >? 为另外的二次绕阻端子 & ! 个三相桥并联组 成 )! 脉波整流电路 % 由波形图可以看出 $ 根 据 瞬 间 电 压 的 大 小 $ 在 任 何 时 刻总有 ! 个整流二极管导通 % 整流二极管中通过的平均电流为 !") 如图 >:! 则 !")@#$ A 3 式中 #$ 为整流器输出电流 % 整流二极管承受的反向电压如图 B: ! 则
整流二极管在短时间 内 能 够 承 受 一 定 的 过 电 流 而 不 损 坏 & 但是如果短路或过载时 电 流 数 值 较 大 ! 而 切 断 的 时 间 较慢! 就会造成整流二极管的损坏& 发生过电流的原因 有 ) 生产机械过负载 " 整流 装 置 阀 侧 短 路 " 可 逆 系 统 中 产 环流和逆流失败 " 某一半导 体 器 件 击 穿 短 路 ! 引 起 相 邻 半 导体器件过电流等 & 过电流保护有以下几 种 ) 网 侧 进 线 串 接 电 抗 器 ’ 网 侧 进线接过流继电器 ’ 阀侧接 过 流 继 电 器 ! 通 过 自 动 开 关 跳 闸网侧和阀侧连接的快速开 关 ’ 快 速 熔 断 器 等 & 本 整 流 器 采用整流二极管器件串联快 速 熔 断 器 进 行 过 流 保 护 & 因 流 过的电流与半导体器件流过 的 电 流 相 同 ! 所 以 对 半 导 体 器 件的保护最好 & 同时 ! 串联 的 快 速 熔 断 器 带 有 标 志 其 状 态 的信号指示 ! 能快速方便的 识 别 系 统 过 流 与 否 & 选 择 的 快 熔的额定电压应大于熔断器 熔 断 后 两 端 出 现 的 故 障 电 路 的 外加交流电压 " 额定电流的 选 择 依 据 安 装 电 路 中 通 过 的 工 作电流 & ($ % 过电压保护设计 硅元件虽然有很多优 点 ! 但 是 它 承 受 过 电 压 和 过 电 流 的能力较差! 较短时间内的过电压’ 过电流就会烧毁元 件 & 为能使器件能够可靠的 长 期 运 行 ! 必 须 针 对 实 际 应 用 中可能发生的过电压和过电流采取切实可行的保护措施 &
! 设计方案
’) ( 整流器原理 以 )! 脉波整流器为例介绍整流器的工作原理 %
$ 个 相 差 )!"= 的 三 相 电 源 电 压 $ 可 以 通 过 变 压 器 的 适 当 联
结 $ 能 够 获 得 一 组 相 位 依 次 相 差 36= 的 六 相 电 源 电 压 $ 从 而 得 到 六 相 整 流 电 压 % 为 获 得 )! 脉 波 整 流 装 置 $ 需 要 得 到 十 二 相 电 源 $ 我 们 采 用 由 ! 个 三 相 桥 并 联 构 成 的 )! 脉 波 整 流 电 路 $ 同 时 两 组 三 相 电 源 的 相 位 差 为 $6= % 在 三 相 电源是星形和三角形连接时$ 线电压超前相应的相电压
研 究与开发
机电工程技术 !""# 年第 $$ 卷第 % 期
牵引变电站用整流器设计
张 学 ! 杨祥江 ! 赵 毅 ! 蔡定国
&!’$""#
" 顺特电气有限公司 ! 广东佛山
摘要 ! 本文介绍了专为地铁 # 轻轨供电而设计制造的牵引变电站用整流器 $ 详细描述了 )! 脉波整流器原理 # 元件选择 # 电路保 护设计 % 应用图形编程软件 *+,-./0 作为与上位计算机的通信软件 % 关键词 ! 整流二极管 & 整流器 & 脉波 & 设计 中图分类号 ! 12#3)4$ 文献标识码 ! 5 文章编号 ! (66787#7! 9!""#: "%8""&’8"$
) 引言
随着国民经济的健康持续 发 展 $ 城 市 容 量 的 增 加 $ 对 城市交通的发展有着迫切的要求 $ 为 解 决 公 共 交 通 和 城 市 汽车污染问题 $ 许多大中城市也 相 继 使 用 了 地 铁 # 轻 轨 等 新型的交通方式 % 我国继北京 # 上 海 # 广 州 等 城 市 兴 建 地 铁后 $ 深圳 # 天津 # 重庆 # 武汉 # 南 京 # 长 春 # 青 岛 # 珠 三角等城市或地区也已经兴建或 即 将 兴 建 地 铁 或 轻 轨 % 作 为地铁牵引机车电源的整流系统 $ 单 台 容 量 大 $ 谐 波 含 量 大 $ 靠 近 负 荷 中 心 % 对 于 )! 脉 波 牵 引 变 电 站 的 谐 波 问 题 已经有很详细的分析研究
图 # 整流器上位计算机系统界面
$ 整流二极管器件保护
合 理选择整流二极管的反向重 复 峰 值 电 压 可 以 在 一 定 范围内保证器件不被击穿 $ 实际使用中可以根据运行情况等 因素 $考虑是否再进行整流二极管单个器件的过电压保护 !
# 软件设计
为保证整流器可靠正 常 运 行 $ 对 关 键 的 参 数 进 行 监 测 测量 $ 如温度量 # 输出电压 # 输 出 电 流 # 整 流 电 路 的 工 作 状态包括系统内串联的快速 熔 断 器 的 状 态 等 ! 控 制 器 主 要 实现状态量的检测采集和报警控制及输出信号 . 将故障信息 通过一定的通信规约向上位计算机传送! 本整流器采用
%&’@ ! $ )! ! ) %!@!C#&%!
式中 %! 为整流变压器二次相电压有效值 % 整流二极管自然换相 % 整 流 后 输 出 理 想 空 载 电 压 的 平 均值为 !
!
$6= $ 基于 这 个 原 理 $ 变 压 器 一 次 可 以 接 成 三 角 形 或 星 形 &
二次绕组为双绕组$ 其中之一接成星形$ 另一接成三角 形 % 两个二次绕组的线电压相等 % )! 脉波整流器原理及整 流输出直流电压波形如图 ) 所示 %
产生了均压均流的问题 & (! % 快速熔断器选用
用线电压的有效值 &!’ 表示为 &()*+,-$.&!’ 在三相桥式整流电路中 ! 共 阴 极 组 整 流 二 极 管 与 共 阳 极组整流二极管共用一套变压器 的 二 次 绕 组 ! 共 阴 极 组 在 一个周期的正半周导电 " 共阳极 组 在 负 半 周 导 通 ! 二 者 导 通角相等 # 接在同一相上的两个 整 流 二 极 管 的 电 流 相 位 相 差 ,/"0 ! 大 小 相 等 ! 方 向 相 反 # 两 个 三 相 桥 并 联 组 成 ,! 脉波整流 # 利 用 两 台 整 流 变 压 器 ! 一 台 移 相 1%-.0 ! 一 台 移 相 2
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闸 $ 则电流 &" 中断 $ 铁心内的磁通 " 的变化很大 $ 因而在 二次感应出很高的瞬时过电压 ! 在变压器二次并联电 容 和 电 阻 $ 可 以 把 变 压 器 铁 心 的 磁场能量释放出来 $ 转化成 电 容 器 的 电 场 能 量 ! 由 于 电 容 器两端的电压不能突变 $ 能 够 抑 制 过 电 压 $ 串 联 电 阻 可 以 在 能 量 转 化 的 过 程 中 消 耗 一 部 分 能 量 $ 同 时 抑 制 ,- 回 路 的振荡 ! 通常情况下 $ 增大电 容 容 量 能 够 降 低 作 用 于 器 件 的 过 电压和电压上升率 % 但如果 电 容 容 量 增 大 $ 电 容 器 体 积 增 大$ 电阻损耗增加$ 整流二极管导通时的电流上升率增 大 ! 串联电阻阻值也要合理 选 择 $ 既 能 抑 制 振 荡 $ 又 要 使 电阻损耗小 !
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图 $ 整流系统方案设计
好整流二极管必须考虑好以下因素 )
! 负载的性质 ( 感性负载和阻性负载 %& " 整流后的直流电压 & # 整流后的电流 & $ 整流电源自文库的联结形式 &
$ 硬件设计
$, % 整流二极管选用 整流二极管是整流装置的 核 心 部 件 ! 整 流 二 极 管 质 量 的好坏直接影响着整流装置供电 质 量 & 近 年 来 由 于 硅 制 造 工艺的改进 ! 高电压 ’ 大电流的 整 流 二 极 管 相 继 问 世 ! 给 制造大功率 ’ 高质量的整流装置 提 供 了 可 拓 展 的 空 间 # 正 确的选择整流二极管 ! 能够使整 流 装 置 在 保 证 可 靠 运 行 的 前提下降低制造成本 # 整流器件 的 选 择 主 要 指 合 理 的 选 择 器 件 的 额 定 工 作 的 电 压 和 电 流 ( 通 态 平 均 电 流 %& 要 选 择
牵引变电站用整流装 置 对 感 性 负 载 供 电 ! 瞬 间 过 压 过 流经常发生 ! 从供电可靠性 的 角 度 和 对 整 流 二 极 管 的 保 护 出发 ! 我们选取按整流二极 管 额 定 电 压 和 平 均 电 流 必 须 留 有足够的裕度 & 使用中可以 采 取 几 个 整 流 二 极 管 并 联 或 串 联使用来解决大电流高电压 的 大 型 整 流 装 置 的 生 产 ! 由 此
! 网侧过电压保护
采用高压电源供电的 变 压 器 $ 在 合 闸 的 瞬 间 $ 由 于 一 次绕组和二次绕组之间存在 分 布 电 容 $ 一 次 绕 组 的 高 压 经 此分布电容耦合二次绕组造 成 过 电 压 ! 如 果 没 有 相 应 的 保 护措施就会产生较高的过电 压 ! 变 压 器 采 用 附 加 屏 蔽 绕 组 或在星形中点和地串联附加电容器都可以有效抑制过电 压 ! 对于牵引变电站用整流 装 置 $ 不 管 变 压 器 的 过 电 压 保 护如何 $ 首先在整流器的输 入 并 联 适 当 的 电 容 器 吸 收 能 量 进行过电压抑制 $ 这种做法 也 就 相 当 于 在 整 流 变 压 器 的 二 次绕组上并联电容进行保护 ! 在变压器空载情况下 $ 当 电 源 电 压 过 零 时 $ 是 变 压 器 突然拉闸所造成的过电压很 严 重 ! 如 果 没 有 任 何 的 保 护 措 施 $ 也会产生较高的过电压 ! 由 于 变 压 器 空 载 时 $ 一 次 绕 组 内 只 有 激 磁 电 流 &"$ 而 电 流 &" 落 后 于 电 源 电 压 ’( 接 近 行过电压保护 ! 可以采用阻容吸收和压敏电阻同时保护 !
! 整流器过电压的产生原因
凡是元件在运行过程 中 ! 在 整 流 二 极 管 两 端 的 超 过 其
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机电工程技术 !""# 年第 $$ 卷第 % 期
正常工作时的最大峰值电压 的 任 何 电 压 都 是 过 电 压 ! 常 见 的过电压有两种 " 操作过电 压 和 浪 涌 过 电 压 ! 操 作 过 电 压 通常由整流装置的拉闸 # 合 闸 等 电 磁 过 程 引 起 的 ! 这 种 过 电压是不可避免的 $ 也是经 常 发 生 的 ! 浪 涌 电 压 主 要 是 由 于雷击等原因由供电电网侵入整流装置的偶尔性的过电 压 ! 虽然是偶尔性的 $ 但这 种 浪 涌 电 压 的 幅 值 会 比 操 作 过 电压要高的多 ! 进行过电压 保 护 的 原 则 是 采 取 有 效 的 保 护 措施 $ 使经常发生的操作过 电 压 被 限 制 在 整 流 二 极 管 的 额 定工作电压以下 % 并且使偶 然 发 生 的 浪 涌 电 压 限 制 在 整 流 二极管器件的反向不重复峰值电压以下 ! 过电压保护按保护的 部 分 划 分 为 网 侧 过 电 压 保 护 # 阀 侧过电压保护和整流二极管器件保护 !
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高 压 电 网
% 对于移相整流变压器的有
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电动机供电的整流器 % 由于供电的电能质量要求较高 % 研究 制造性能可靠 # 波形平滑稳定脉动小的整流器切实可行 %
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整流二极管在短时间 内 能 够 承 受 一 定 的 过 电 流 而 不 损 坏 & 但是如果短路或过载时 电 流 数 值 较 大 ! 而 切 断 的 时 间 较慢! 就会造成整流二极管的损坏& 发生过电流的原因 有 ) 生产机械过负载 " 整流 装 置 阀 侧 短 路 " 可 逆 系 统 中 产 环流和逆流失败 " 某一半导 体 器 件 击 穿 短 路 ! 引 起 相 邻 半 导体器件过电流等 & 过电流保护有以下几 种 ) 网 侧 进 线 串 接 电 抗 器 ’ 网 侧 进线接过流继电器 ’ 阀侧接 过 流 继 电 器 ! 通 过 自 动 开 关 跳 闸网侧和阀侧连接的快速开 关 ’ 快 速 熔 断 器 等 & 本 整 流 器 采用整流二极管器件串联快 速 熔 断 器 进 行 过 流 保 护 & 因 流 过的电流与半导体器件流过 的 电 流 相 同 ! 所 以 对 半 导 体 器 件的保护最好 & 同时 ! 串联 的 快 速 熔 断 器 带 有 标 志 其 状 态 的信号指示 ! 能快速方便的 识 别 系 统 过 流 与 否 & 选 择 的 快 熔的额定电压应大于熔断器 熔 断 后 两 端 出 现 的 故 障 电 路 的 外加交流电压 " 额定电流的 选 择 依 据 安 装 电 路 中 通 过 的 工 作电流 & ($ % 过电压保护设计 硅元件虽然有很多优 点 ! 但 是 它 承 受 过 电 压 和 过 电 流 的能力较差! 较短时间内的过电压’ 过电流就会烧毁元 件 & 为能使器件能够可靠的 长 期 运 行 ! 必 须 针 对 实 际 应 用 中可能发生的过电压和过电流采取切实可行的保护措施 &
! 设计方案
’) ( 整流器原理 以 )! 脉波整流器为例介绍整流器的工作原理 %
$ 个 相 差 )!"= 的 三 相 电 源 电 压 $ 可 以 通 过 变 压 器 的 适 当 联
结 $ 能 够 获 得 一 组 相 位 依 次 相 差 36= 的 六 相 电 源 电 压 $ 从 而 得 到 六 相 整 流 电 压 % 为 获 得 )! 脉 波 整 流 装 置 $ 需 要 得 到 十 二 相 电 源 $ 我 们 采 用 由 ! 个 三 相 桥 并 联 构 成 的 )! 脉 波 整 流 电 路 $ 同 时 两 组 三 相 电 源 的 相 位 差 为 $6= % 在 三 相 电源是星形和三角形连接时$ 线电压超前相应的相电压
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" 顺特电气有限公司 ! 广东佛山
摘要 ! 本文介绍了专为地铁 # 轻轨供电而设计制造的牵引变电站用整流器 $ 详细描述了 )! 脉波整流器原理 # 元件选择 # 电路保 护设计 % 应用图形编程软件 *+,-./0 作为与上位计算机的通信软件 % 关键词 ! 整流二极管 & 整流器 & 脉波 & 设计 中图分类号 ! 12#3)4$ 文献标识码 ! 5 文章编号 ! (66787#7! 9!""#: "%8""&’8"$
) 引言
随着国民经济的健康持续 发 展 $ 城 市 容 量 的 增 加 $ 对 城市交通的发展有着迫切的要求 $ 为 解 决 公 共 交 通 和 城 市 汽车污染问题 $ 许多大中城市也 相 继 使 用 了 地 铁 # 轻 轨 等 新型的交通方式 % 我国继北京 # 上 海 # 广 州 等 城 市 兴 建 地 铁后 $ 深圳 # 天津 # 重庆 # 武汉 # 南 京 # 长 春 # 青 岛 # 珠 三角等城市或地区也已经兴建或 即 将 兴 建 地 铁 或 轻 轨 % 作 为地铁牵引机车电源的整流系统 $ 单 台 容 量 大 $ 谐 波 含 量 大 $ 靠 近 负 荷 中 心 % 对 于 )! 脉 波 牵 引 变 电 站 的 谐 波 问 题 已经有很详细的分析研究
图 # 整流器上位计算机系统界面
$ 整流二极管器件保护
合 理选择整流二极管的反向重 复 峰 值 电 压 可 以 在 一 定 范围内保证器件不被击穿 $ 实际使用中可以根据运行情况等 因素 $考虑是否再进行整流二极管单个器件的过电压保护 !
# 软件设计
为保证整流器可靠正 常 运 行 $ 对 关 键 的 参 数 进 行 监 测 测量 $ 如温度量 # 输出电压 # 输 出 电 流 # 整 流 电 路 的 工 作 状态包括系统内串联的快速 熔 断 器 的 状 态 等 ! 控 制 器 主 要 实现状态量的检测采集和报警控制及输出信号 . 将故障信息 通过一定的通信规约向上位计算机传送! 本整流器采用
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$6= $ 基于 这 个 原 理 $ 变 压 器 一 次 可 以 接 成 三 角 形 或 星 形 &
二次绕组为双绕组$ 其中之一接成星形$ 另一接成三角 形 % 两个二次绕组的线电压相等 % )! 脉波整流器原理及整 流输出直流电压波形如图 ) 所示 %