第3章交變換器

1、第3章 交-交變換器 3.1 簡(jiǎn)介p晶閘管單相和三相交流調(diào)壓器p全控型器件的交流斬波電路p交-交變頻器p交-交(ac-ac)變換器的應(yīng)用3.2 相控交流調(diào)壓電路 交流調(diào)壓電路是將固定的交流電變換成輸出電壓有效值變化的交流電的裝置。 控制方法： (1)相位控制 它是使晶閘管在電源電壓每一周期中、在選定的時(shí)刻將負(fù)載與電源接通，改變選定的時(shí)刻可達(dá)到調(diào)壓的目的。 (2)通斷控制 即把晶閘管作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)改變通斷時(shí)間比值達(dá)到調(diào)壓的目的。這種控制方式電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)高，適用于有較大時(shí)間常數(shù)的負(fù)載；缺點(diǎn)是輸出電壓或功率調(diào)節(jié)不平滑。(3) 斬波控制 利用開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)作用，以遠(yuǎn)高于交流電頻率的頻率，通過(guò)改變導(dǎo)

2、通比，改變輸出的交流電有效值，達(dá)到調(diào)壓的目的。開(kāi)關(guān)管應(yīng)采用全控型電力電子器件。3.2.1 單相交流調(diào)壓電路 1 電阻性負(fù)載的工作情況p正半周時(shí)刻觸發(fā)管，負(fù)半周時(shí)刻觸發(fā)管，輸出電壓波形為正負(fù)半周缺角相同的正弦波。p負(fù)載上交流電壓有效值u與控制角的關(guān)系為p電流有效值p電路功率因數(shù)p 電路的移相范圍為0 。 2sin21)(sin21222utdtuualrui iuuisp2sin21cos22 2 電感性負(fù)載的工作情況電感性負(fù)載的工作情況p當(dāng)電源電壓反向過(guò)零時(shí)，由于負(fù)載電感產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時(shí)晶閘管導(dǎo)通角的大小，不但與控制角有關(guān)，而且與負(fù)載阻抗角?有關(guān)。兩只晶閘管

3、門(mén)極的起始控制點(diǎn)分別定在電源電壓每個(gè)半周的起始點(diǎn)，的最大范圍是 。p單相交流調(diào)壓器電感性負(fù)載時(shí)的主電路和輸出波形 p當(dāng)控制角為時(shí)，ug1 觸發(fā)vt1導(dǎo)通，流過(guò)vt1管的電流i2有兩個(gè)分量，即強(qiáng)制分量ib與自由分量is，p其強(qiáng)制分量為式中p其自由分量為p式中 自由分量衰減時(shí)間常數(shù)， tzuisin22brlarctglrz,22tgttezuezuisin2sin222srlp流過(guò)晶閘管的電流即負(fù)載電流為p當(dāng) ?時(shí)，電壓、電流波形如上圖所示。隨著電源電流下降過(guò)零進(jìn)入負(fù)半周，電路中的電感儲(chǔ)藏的能量釋放完畢，電流到零，vt1管才關(guān)斷。p在t=0時(shí)觸發(fā)管子，t= 時(shí)管子關(guān)斷，將t= 代入上式可得tgt

4、etzuiiisinsin22bs2tgesinsinp當(dāng)取不同的?角時(shí)， =f()的曲線如圖所示， (1) 當(dāng) ? 時(shí) 穩(wěn)定分量ib與自由分量is如圖(b)所示，疊加后電流波形i2的導(dǎo)通角 180，正負(fù)半波電流斷續(xù)， 愈大愈小，波形斷續(xù)愈嚴(yán)重。(2) 當(dāng) ?時(shí) 如果觸發(fā)脈沖為窄脈沖，則當(dāng)ug2出現(xiàn)時(shí)，vt1的電流還未到零， vt2管受反壓不能觸發(fā)導(dǎo)通；待vt1中電流變到零關(guān)斷， vt2承受正壓時(shí)，脈沖已消失， 無(wú)法導(dǎo)通。這樣使負(fù)載只有正半波，電流出現(xiàn)很大的直流分量，電路不能正常工作。 所以，帶電感性負(fù)載時(shí)，晶閘管應(yīng)當(dāng)采用寬脈沖，這樣在 ?時(shí)，雖然在剛開(kāi)始觸發(fā)晶閘管的幾個(gè)周期內(nèi)，兩管的電流波形

5、是不對(duì)稱的，但當(dāng)負(fù)載電流中的自由分量衰減后，負(fù)載電流即能得到完全對(duì)稱連續(xù)的波形，電流滯后電源電壓?角。 (3) 當(dāng) = ?時(shí) 電流自由分量is=0，i2=ib；=180。正負(fù)半周電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)，相當(dāng)于晶閘管失去控制，負(fù)載上獲得最大功率，此時(shí)電流波形滯后電壓 = ?角。 相當(dāng)于晶閘管是不可控的。所以晶閘管的移相范圍 思考題：在上述2種情形下，輸出電壓和電流的波形是怎樣的？ 綜上所述，單相交流調(diào)壓可歸納為以下三點(diǎn)： 帶電阻性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流波形與單相橋式可控整流交流側(cè)電流波形一致，改變控制角可以改變負(fù)載電壓有效值。 帶電感性負(fù)載時(shí)，不能用窄脈沖觸發(fā)，否則當(dāng) 60）觸發(fā)。為了保證輸出電壓對(duì)稱可

6、調(diào)，應(yīng)保持觸發(fā)脈沖與電源電壓同步。 =0時(shí)的波形 控制角=0p由于各相在整個(gè)正半周正向晶閘管導(dǎo)通，而負(fù)半周反向晶閘管導(dǎo)通，所以負(fù)載上獲得的調(diào)壓電壓仍為完整的正弦波。=0時(shí)如果忽略晶閘管的管降壓，此時(shí)調(diào)壓電路相當(dāng)于一般的三相交流電路，加到其負(fù)載上的電壓是額定電源電壓。圖3-9(d)為u相負(fù)載電壓波形。p歸納=0時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)如下：每管持續(xù)導(dǎo)通180 ；每60區(qū)間有三個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。(1) 三相調(diào)壓電路在純電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況=30時(shí)的波形 控制角=30p各相電壓過(guò)零30后觸發(fā)相應(yīng)晶閘管。以u(píng)相為例，uu過(guò)零變正30后發(fā)出vt1的觸發(fā)脈沖ug1，uu過(guò)零變負(fù)30后發(fā)出vt4的觸發(fā)脈沖ug2 。p

7、歸納=30時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)如下：每管持續(xù)導(dǎo)通150 ；有的區(qū)間由兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通構(gòu)成兩相流通回路，也有的區(qū)間三個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通構(gòu)成三相流通回路。 =60時(shí)的波形 控制角=60p=60情況下的具體分析與=30相似。這里給出=60時(shí)的脈沖分配圖、導(dǎo)通區(qū)間和u相負(fù)載電壓波形如右下圖所示。p歸納=60時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)如下：每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120；每個(gè)區(qū)間由兩個(gè)晶閘管構(gòu)成回路。 =90時(shí)的波形 觸發(fā)角=90 在觸發(fā)vt1時(shí)，vt6還有觸發(fā)脈沖，由于此時(shí)uuuv， vt1和vt6承受正壓uuv而導(dǎo)通，電流流過(guò) vt1、u相負(fù)載、v相負(fù)載、 vt6，一直到uuuw，使得vt2和vt1承受正壓uuw一起導(dǎo)通，構(gòu)成uw

8、相回路，p歸納=90時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)如下：每個(gè)晶閘管通120 ，各區(qū)間有兩個(gè)管子導(dǎo)通。=120時(shí)的波形 觸發(fā)角=120觸發(fā)脈沖脈寬大于60 歸納=120時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)如下：每個(gè)晶閘管觸發(fā)后通30，斷30，再觸發(fā)導(dǎo)通30；各區(qū)間要么由兩個(gè)管子導(dǎo)通構(gòu)成回路，要么沒(méi)有管子導(dǎo)通。 控制角 150時(shí)p150以后，負(fù)載上沒(méi)有交流電壓輸出。當(dāng)ug1觸發(fā)vt1時(shí)，盡管vt6的觸發(fā)脈沖仍存在，但由于uuuv，即，vt1、vt6承受反向電壓，不可能導(dǎo)通，因此輸出電壓為零。輸出電壓表達(dá)式 由于輸出電壓的波形在不同觸發(fā)角范圍內(nèi)的組成不同，因此輸出電壓表達(dá)式也不同。 0 60 60 90 90 150 因此， = 0時(shí)輸出全

9、電壓， 增大則輸出電壓減小， = 150時(shí)輸出電壓為零。 每相負(fù)載上的電壓已不是正弦波，但正、負(fù)半周對(duì)稱。因此，輸出電壓中只有奇次諧波，以三次諧波所占比重最大。但由于這種線路沒(méi)有零線，故無(wú)三次諧波通路，減少了三次諧波對(duì)電源的影響。(2) 三相調(diào)壓電路在電感性負(fù)載時(shí)的工作情況p三相交流調(diào)壓電路在電感性負(fù)載下的情況要比單相電路復(fù)雜得多，很難用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行描述。從實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)三相交流調(diào)壓電路帶電感性負(fù)載時(shí)，同樣要求觸發(fā)脈沖為寬脈沖，而脈沖移相范圍為：0150 。隨著增大則輸出電壓減小。3.3 晶閘管交流調(diào)功器和交流開(kāi)關(guān) p前面介紹移相觸發(fā)控制，使得電路中的正弦波形出現(xiàn)缺角，包含較大的高次諧波。為了

10、克服這種缺點(diǎn)，可采用過(guò)零觸發(fā)的通斷控制方式。這種方式的開(kāi)關(guān)對(duì)外界的電磁干擾最小。p控制方法如下：在設(shè)定的周期內(nèi)，使晶閘管開(kāi)關(guān)接通幾個(gè)周波然后斷開(kāi)幾個(gè)周波，改變通斷時(shí)間比，改變了負(fù)載上的交流平均電壓，可達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載功率的目的。因此這種裝置也稱為交流調(diào)功器。 p過(guò)零觸發(fā)雖然沒(méi)有移相觸發(fā)時(shí)的高次諧波干擾，但其通斷頻率比電源頻率低，特別當(dāng)通斷比太小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)低頻干擾，使照明出現(xiàn)人眼能察覺(jué)到的閃爍、電表指針出現(xiàn)搖擺等。所以調(diào)功器通常用于熱慣性較大的電熱負(fù)載。3.3.1 3.3.1 晶閘管交流調(diào)功器晶閘管交流調(diào)功器過(guò)零觸發(fā)通斷控制時(shí)的輸出電壓波形 p圖3-14為二種通斷工作方式，如在設(shè)定周期tc內(nèi)導(dǎo)通的周

11、波數(shù)為n，每個(gè)周波的周期為t，p輸出電壓有效值是 p則調(diào)功器的輸出功率是 式中 pn 設(shè)定周期tc內(nèi)全部周波導(dǎo)通時(shí)，裝置輸出的功率 un設(shè)定周期tc內(nèi)全部周波導(dǎo)通時(shí)，裝置輸出的電壓有效值 n在設(shè)定周期tc內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)p因此改變導(dǎo)通周波數(shù)n即可改變電壓和功率。 ncutntu ncptntpp晶閘管交流開(kāi)關(guān)是一種快速、理想的交流開(kāi)關(guān)。晶閘管交流開(kāi)關(guān)總是在電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷，在關(guān)斷時(shí)不會(huì)因負(fù)載或線路電感儲(chǔ)存能量而造成暫態(tài)過(guò)電壓和電磁干擾，因此特別適用于操作頻繁、可逆運(yùn)行及有易燃?xì)怏w、多粉塵的場(chǎng)合。3.3.2 3.3.2 晶閘管交流開(kāi)關(guān)晶閘管交流開(kāi)關(guān)3.5 交-交變頻電路 3.5.1 單相交-交變頻電

12、路 1 基本結(jié)構(gòu)p單相交-交變頻電路由兩組反并聯(lián)的晶閘管整流器構(gòu)成，和直流可逆調(diào)速系統(tǒng)用的四象限變換器完全一樣，兩者的工作原理也相似。 單相交-交變頻器的主電路及輸出電壓波形 2 工作狀態(tài)t1t3期間：io正半周，正組工作，反組被封鎖。t1 t2： uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正。t2 t3 ： uo反向， io仍為正，正組逆變，輸出功率為負(fù)。t3 t5期間： io負(fù)半周，反組工作，正組被封鎖。t3 t4 ：uo和io均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正。t4 t5 ： uo反向， io仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)。小結(jié)小結(jié)：哪一組工作由io方向決定，與uo極性無(wú)關(guān)。工作在整流還是逆變，

13、則根據(jù)uo方向與io方向是否相同確定。3 基本類型及工作原理(1) 方波型交-交變頻器p當(dāng)正組供電時(shí)，負(fù)載上獲得正向電壓；當(dāng)反組供電時(shí)，負(fù)載上獲得負(fù)向電壓。p如果在各組工作期間角不變，則輸出電壓為矩形波交流電壓。改變正反組切換頻率可以調(diào)節(jié)輸出交流電的頻率，而改變的大小即可調(diào)節(jié)矩形波的幅值。(2) 正弦波型交-交變頻器p正弦波型交-交變頻器的主電路與方波型的主電路相同，但正弦波型交-交變頻器輸出電壓的平均值按正弦規(guī)律變化，克服了方波型交-交變頻器輸出波形高次諧波成分大的缺點(diǎn)。p在正組橋整流工作時(shí)，使控制角從 ，輸出的平均電壓由低到高再到低的正弦規(guī)律變化。而在正組橋逆變工作時(shí)，使控制角從 ，就可以

14、獲得平均值可變的負(fù)向逆變電壓。p輸出電壓有效值和頻率的調(diào)節(jié) 使控制角從 ，改變0，就改變了輸出電壓的峰值，也就改變了輸出電壓的有效值；改變變化的速率，也就改變了輸出電壓的頻率。p交-交變頻電路的輸出電壓是由若干段電源電壓拼接而成的。在輸出電壓的一個(gè)周期內(nèi)，所包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。2/02/2/2/2/2/0正弦型交-交變頻器的輸出電壓波形 1oo23456圖4-20uoiott第1段io 0，反組逆變 第2段電流過(guò)零，為無(wú)環(huán)流死區(qū)第3段io 0， uo 0，正組整流 第4段io 0， uo 0，正組逆變第5段又是無(wú)環(huán)流死區(qū) 第6段io 0， uo 0，為反組整流4. 余

15、弦交點(diǎn)法p最常用的方法是余弦交點(diǎn)法，該方法的原則是：觸發(fā)角的變化和切換應(yīng)使得整流輸出電壓的瞬時(shí)值與理想正弦電壓的瞬時(shí)值誤差最小。p正弦波型交-交變頻器適合于低頻大功率的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，最高輸出頻率是輸入頻率的1/3或1/2。5輸入輸出特性(1) 輸出上限頻率p交-交變頻器的輸出電壓并不是平滑的正弦波形，而是由若干段交流電源電壓拼接而成的。在輸出電壓的一個(gè)周期內(nèi)，所包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。一般認(rèn)為，交流電路采用6脈波的三相橋式電路時(shí)，最高輸出頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/31/2。(2) 輸入功率因數(shù)p交-交變頻器的輸出是通過(guò)相位控制的方法來(lái)得到的，因此在輸入端需要提供滯后的無(wú)功電

16、流。因?yàn)樵谳敵鲭妷旱囊粋€(gè)周期內(nèi)，角是從0到90之間不斷變化的。輸入功率因數(shù)較低，是交-交變頻器的一大缺點(diǎn)。6 無(wú)環(huán)流控制及有環(huán)流控制p為保證負(fù)載電流反向時(shí)無(wú)環(huán)流，系統(tǒng)必須留有一定的死區(qū)時(shí)間，這就使得輸出電壓的波形畸變?cè)龃?。為了減小死區(qū)的影響，應(yīng)在確保無(wú)環(huán)流的前提下盡量縮短死區(qū)時(shí)間。另外，在負(fù)載電流發(fā)生斷續(xù)時(shí)，相同角時(shí)的輸出電壓被抬高，這也造成輸出波形的畸變。電流死區(qū)和電流斷續(xù)的影響限制了輸出頻率的提高。p有環(huán)流控制方式和直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中的有環(huán)流方式類似，在正反兩組變換器之間設(shè)置環(huán)流電抗器。運(yùn)行時(shí)，兩組變換器都施加觸發(fā)脈沖，并使正組觸發(fā)角1和反組觸發(fā)角2保持1 +2 =180的關(guān)系。該方式使輸

17、出波形的畸變得以改善，還可提高輸出上限頻率。但在運(yùn)行時(shí)，有環(huán)流方式的輸入功率比無(wú)環(huán)流方式略有增加，使效率有所降低。 7 單相交-交變頻電路將兩組三相可逆整流器反并聯(lián)即可構(gòu)成單相變頻電路。 三相半波-單相交-交變頻電路 三相橋式-單相交-交變頻電路 3.5.2 三相交-交變頻電路 p三相交-交變頻器電路是由三組輸出電壓相位互差的單相交-交變頻電路組成的。(1) 公共交流母線進(jìn)線方式 (2) 輸出星形連接方式 p由于變頻器輸出端中點(diǎn)不和負(fù)載中點(diǎn)相連接，所以在構(gòu)成三相變頻器的六組橋式電路中，至少要有不同相的兩組橋中的四個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流。 交-交變頻器的特點(diǎn)p交-交變頻器由于其直接變換的特點(diǎn)，效率較高，可方便地進(jìn)行可逆運(yùn)行。p主要缺點(diǎn)是：功率因數(shù)低。主電路使用晶閘管元件數(shù)目多，控制電路復(fù)雜，調(diào)試也比較復(fù)雜。變頻器輸出頻率受到其電網(wǎng)頻率的限制，最大變頻范圍在電網(wǎng)二分之一以下。 交-交變頻器一般只適用于球磨機(jī)、礦井提升機(jī)、電動(dòng)車輛、大型軋鋼設(shè)備等低速