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第6章交流 交流變換器 6 0引言6 1晶閘管交流電壓控制器的類型6 2單相交流電壓控制器6 3三相全波交流電壓控制器 6 4變壓器抽頭電壓控制器 6 5晶閘管相控交流 交流直接變頻器 6 6矩陣式交流 交流變頻器6 7本章小結(jié) 6交流 交流變換器 本章主要講述交流 交流變流電路把一種形式的交流電變成另一種形式交流電的電路 交流電壓控制器 頻率不變 僅改變電壓大小 交流調(diào)壓電路相位控制交流調(diào)功電路通斷控制 變頻器 實現(xiàn)頻率變換亦可改變電壓大小 交交變頻直接交直交變頻間接 采用晶閘管作開關(guān)器件時 依靠交流電源瞬時值過零及反向來關(guān)斷晶閘管 晶閘管開關(guān)器件的開通則可采用移相控制 改變控制角調(diào)控變換器輸出電壓的大小 單相電壓控制器常用于小功率單相電動機 照明和電加熱控制 三相交流 交流電壓控制器的輸出是三相恒頻變壓交流電源 通常給三相交流異步電動機供電 實現(xiàn)異步電動機的變壓調(diào)速 或作為異步電動機的啟動器使用 6 0引言 6 1 1單相全控6 1 2帶中線星形聯(lián)結(jié)6 1 3無中線的三相連接6 1 4三角形聯(lián)結(jié)的控制器 6 1晶閘管交流電壓控制器的類型 a 單相全控 通態(tài)時 斷態(tài)時 負載電壓 負載功率的大小由控制角a確定 6 1 1單相全控 b 帶中線星形聯(lián)接 時 中線電流約等于相電流 三個單相交流電壓控制器可組合成帶中線的三相交流電壓控制器 缺點中線電流大 6 1 2帶中線星形聯(lián)結(jié) c 無中線的三相聯(lián)接 輸入電流中沒有3次及3的倍數(shù)次諧波電流 6 1 3無中線的三相連接 d 聯(lián)接的交流電壓控制器 只適用于允許斷開6根出線端子的三角形負載 6 1 4三角形聯(lián)結(jié)的交流電壓控制器 6 2 1電阻負載6 2 2電阻 電感性負載 6 2 3PWM交流電壓控制器 6 2單相交流電壓控制器 利用傅立葉級數(shù)可求出基波及各次諧波 6 2 1電阻負載 6 2 1電阻負載 續(xù) 圖6 3電阻負載 不同觸發(fā)角 時基波及諧波幅值分布圖 6 2 1基波及諧波分布圖 a 電路 1 a f時 均為正弦波 6 2 2電阻 電感性負載 續(xù)1 2 a f時 同a f 6 2 2電阻 電感性負載 續(xù)2 3 a f時 e 導(dǎo)通角與控制角的關(guān)系曲線 以負載阻抗角為參變量 6 2 2電阻 電感性負載 續(xù)3 f 晶閘管電流的標么值與控制角的關(guān)系曲線 6 2 2電阻 電感性負載 續(xù)4 例6 1 單相交流調(diào)壓器控制230v交流電源的輸出功率 負載電阻為23 感抗為23 求 1 a角控制范圍 2 最大電流有效值 3 最大功率和功率因數(shù) 解 1 2 時 最大電流有效值 為 3 最大功率 時 注 在a amin的非正弦電流工作下 功率因數(shù) 基波相移因數(shù) S3 S4 負載續(xù)流開關(guān) S1 S4 自關(guān)斷功率器件 優(yōu)點 輸出電壓諧波含量少 6 2 3PWM交流電壓控制器 6 3 1三相星形聯(lián)結(jié)交流電壓控制器6 3 2三相開口三角形交流電壓控制器 6 3三相全波交流電壓控制器 6 3 1三相Y聯(lián)結(jié)電壓控制器 a 電路 b 矢量圖 控制角a 0 三相同時導(dǎo)電 180 導(dǎo)電 六個晶閘管T1 T6的觸發(fā)信號依序相差60 脈寬大于60 各相電源由負變正的過零點為控制角a的計算起點 a 電路 兩相同時導(dǎo)電 導(dǎo)電角120 6 3 1三相Y聯(lián)結(jié)電壓控制器 續(xù)1 a 60 a 電路 a 150 完全不能導(dǎo)電 a 120 兩相間斷導(dǎo)電 導(dǎo)電角小于120 6 3 1三相Y聯(lián)結(jié)電壓控制器 續(xù)2 工作狀態(tài)小結(jié) 1 a 30 處于第一類工作狀態(tài) 三相同時導(dǎo)電 2 30 a 60 每隔30 交替地出現(xiàn)第一類和第二類工作狀態(tài) 3 60 a 90 處于第二類工作狀態(tài) 兩相同時導(dǎo)電 4 90 a 150 交替處于第一類工作狀態(tài)和斷流狀態(tài) 5 a 150 電路全斷流 不能工作 所以電阻負載控制角a的調(diào)控范圍為 0 150 三相阻感性負載 分析方法與單相電路相同 6 3 1三相Y聯(lián)結(jié)電壓控制器 續(xù)3 圖6 7三相開口三角形電壓控制器 繞組相電流小于輸入線電流 可看作三個獨立的單相電路分別分析 6 3 2三相開口三角形電壓控制器 6 4變壓器抽頭電壓控制器 圖中輸出電壓Vo的包絡(luò)線為 OABDHKG 6 4變壓器抽頭電壓控制器 優(yōu)點 負載電壓 電流諧波可控性好 輸入電流的諧波含量少 k 0 1 2 6 5 1基本工作原理6 5 2實用電路結(jié)構(gòu)6 5 3交流 交流相控直接變頻的優(yōu)缺點 6 5晶閘管相控交流 交流直接變頻器 正反組單相全控橋變流器并聯(lián) 類似直流可逆主電路 構(gòu)成單相輸出的相控交交直接變頻器 控制正反組變流器的ap an隨時間周期性變化 負載端電壓就成為頻率可控的交流電壓 圖 d 表明 負載輸出電流與輸出電壓不同相位時 正反組變流器在不同時段工作在整流或有源逆變工況 所以 半控橋變流器不能構(gòu)成交交變頻器 6 5 1基本工作原理 改變相控角ap 或an 只能在輸出電壓一個脈波周期中得到一個輸出電壓平均值 因此 2 輸出相同頻率的交交變頻器 拓撲結(jié)構(gòu)輸入的相數(shù)越多 脈波數(shù)越多 輸出電壓的脈波數(shù)就越多 諧波含量越少 輸出電壓波形 改善相控交 交變頻器輸出波形的措施 1 相同拓撲結(jié)構(gòu)的相控交交變頻器輸出頻率越低 輸出電壓的脈波數(shù)越多 諧波含量越少 6 5 1基本工作原理 續(xù) 三相交交變頻器每相采用的晶閘管元件越多 輸出波形越好 6 5 2實用電路結(jié)構(gòu) 6 5 2實用電路結(jié)構(gòu) 續(xù)1 6 5 2實用電路結(jié)構(gòu) 續(xù)2 缺點 輸出頻率低晶閘管用量多 且控制復(fù)雜輸入功率因數(shù)低交流電源輸入電流諧波嚴重 且難于抑制 適用范圍 大功率可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng) 優(yōu)點 只需一級變換環(huán)節(jié)晶閘管工作在自然換流工況能量可雙向傳遞 易實現(xiàn)電機的四象限運行低頻輸出時可獲得較高質(zhì)量的正弦電壓波形 6 5 3交流 交流相控直接變頻的優(yōu)缺點 6 6 0概述6 6 1矩陣式交 交變頻器的控制方法6 6 3矩陣式交 交變頻器的優(yōu)缺點 6 6矩陣式交流 交流變頻器 6 6 0概述 交流 交流直接變頻器中的半控元件晶閘管改為全控元件 如IGBT 可構(gòu)成矩陣式交交直接變頻器 MatrixAC ACConverter 圖 a 中任一開關(guān)都是雙向可控開關(guān) 對圖 a 中的9個雙向開關(guān)器件進行高頻SPWM控制 就可獲得頻率 電壓均可調(diào)控的三相對稱的交流輸出電壓 圖 b 是構(gòu)成雙向開關(guān)的方案之一 圖6 11a中的輸出電壓滿足以下關(guān)系 矩陣中9個開關(guān)函數(shù)表明了圖6 11a中9個可控開關(guān) 18個IGBT 的工作狀態(tài) 其開通 關(guān)斷切換原則 滿足矩陣函數(shù)關(guān)系不造成交流電源兩相短路不引起感性負載開路過電壓 四步換流法是滿足上述要求的控制方案之一 6 6 1矩陣式交 交變頻器的控制方法 優(yōu)點 自關(guān)斷元件工作頻率高 采用SPWM波工作方式可獲得較理想的正弦電壓輸出波形交流輸入功率因數(shù)高交流輸入電流諧波頻率高 便于濾波抑制 缺點 采用價格偏高的自關(guān)斷元件自關(guān)斷元件耐沖擊能力不如半控元件晶閘管系統(tǒng)檢測 控制復(fù)雜 6 6 2矩陣式交 交變頻器的優(yōu)缺點 2 單相調(diào)壓器純電阻負載晶閘管控制角范圍0 p電阻電感性負載晶閘管控制角范圍j p 1 相控晶閘管構(gòu)成的
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