交流-交流變換電路

第4章交流-交流變換電路交流調(diào)壓：交流電力控制電路只改變交流電壓、電流的幅值或?qū)涣麟娐愤M(jìn)行通斷控制，而不改變交流電的頻率。它包括交流開(kāi)關(guān)、交流調(diào)功和交流調(diào)壓等。交-交變頻交流電力控制電路主要采用通斷控制或相位控制方式。交流開(kāi)關(guān)和交流調(diào)功主要采用通斷控制，而交流調(diào)壓通常采用相位控制。1）通斷控制。即把晶閘管作為開(kāi)關(guān)，將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期，然后再斷開(kāi)一定周期，通過(guò)改變通斷時(shí)間比值達(dá)到調(diào)壓目的。這種控制方式電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)高，適用于較大時(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。2）相位控制。它使晶閘管在電源電壓每一周期內(nèi)選定的時(shí)刻將負(fù)載與電源接通，改變選定的導(dǎo)通時(shí)刻就可達(dá)到調(diào)壓的目的。單相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路4.1.1、單相交流調(diào)壓電路1、單相調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)和工作原理(電阻性負(fù)載)圖4-1（1）電路結(jié)構(gòu)和工作原理波形（2）仿真與實(shí)驗(yàn)波形由于正、負(fù)半波對(duì)稱(chēng)，頻譜中將不含直流及偶次諧波應(yīng)用電路：電風(fēng)扇無(wú)極調(diào)速器P1722、單相調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)和工作原理(阻-感負(fù)載)圖4-3（1）電路結(jié)構(gòu)和工作原理波形綜上所述，交流調(diào)壓器帶電感—電阻負(fù)載時(shí)，為使電路工作正常，需保證：1）

；2）采用寬度大于60o的寬脈沖或后沿固定、前沿可調(diào)、最大寬度可達(dá)180o的脈沖列觸發(fā)。

（2）電感性負(fù)載的工作情況當(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θ的大小，不但與控制角α有關(guān)，而且與負(fù)載阻抗角φ有關(guān)。兩只晶閘管門(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)，α的最大范圍是。

單相交流調(diào)壓可歸納以下三點(diǎn)：①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α可以改變負(fù)載電壓有效值。②帶電感性負(fù)載時(shí)，不能用窄脈沖觸發(fā)，否則當(dāng)α<φ時(shí)會(huì)發(fā)生有一個(gè)晶閘管無(wú)法導(dǎo)通的現(xiàn)象，電流出現(xiàn)很大的直流分量。③帶電感性負(fù)載時(shí)，α的移相范圍為φ~180度

，帶電阻性負(fù)載時(shí)移相范圍為0

~180度。

4.1.2三相交流調(diào)壓器工業(yè)中交流電源多為三相系統(tǒng)，交流電機(jī)也多為三相電機(jī)，應(yīng)采用三相交流調(diào)三相交流調(diào)壓電路與三相負(fù)載之間有多種聯(lián)接方式，其中以三相Y接調(diào)壓方式最為普遍。Y0型

1、負(fù)載Y形連接帶中性線的三相交流調(diào)壓電路

圖4-7

它由3個(gè)單相晶閘管交流調(diào)壓器組合而成，其公共點(diǎn)為三相調(diào)壓器中線，每一相可以作為一個(gè)單相調(diào)壓器單獨(dú)分析，其工作原理和波形與單相交流調(diào)壓相同。

在晶閘管交流調(diào)壓電路中，每相負(fù)載電流為正負(fù)對(duì)稱(chēng)的缺角正弦波，它包含有較大的奇次諧波電流，3次諧波電流的相位是相同的，中性線的電流為一相3次諧波電流的三倍，且數(shù)值較大，這種電路的應(yīng)用有一定的局限性。

2、Y型：

這是一種最典型、最常用的三相交流調(diào)壓電路圖4-10它的正常工作須滿足：①

三相中至少有兩相導(dǎo)通才能構(gòu)成通路，且其中一相為正向晶閘管導(dǎo)通，另一相為反向晶閘管導(dǎo)通；②三相正(或負(fù))觸發(fā)脈沖依次間隔120度，而每一相正、負(fù)觸發(fā)脈沖間隔180度。從VT1到VT6相鄰觸發(fā)脈沖相位應(yīng)互差60③為保證任何情況下的兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，應(yīng)采用寬度大于60o的寬脈沖（列）或雙窄脈沖來(lái)觸發(fā)（2）三相調(diào)壓電路在電感性負(fù)載時(shí)的工作情況三相交流調(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：0≤α≤150o

。隨著α增大則輸出電壓減小。2、其它交流電力控制電路當(dāng)交流調(diào)壓電路采用通斷控制時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)交流調(diào)功和交流無(wú)觸類(lèi)開(kāi)關(guān)的功能。2.1.交流調(diào)功電路采用交流調(diào)壓電路，在交流電壓過(guò)零時(shí)刻將負(fù)載與電源接通幾個(gè)周波再斷開(kāi)幾個(gè)周波，實(shí)現(xiàn)交流電壓的整周波通斷控制。通過(guò)改變接通周波數(shù)與斷開(kāi)周波數(shù)的比例，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平均功率的調(diào)節(jié)，稱(chēng)為交流調(diào)功電路，由于晶閘管導(dǎo)通都在電源電壓過(guò)零時(shí)刻，這樣負(fù)載電壓、電流均為完整正弦波，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生高、低次諧波的污染。22調(diào)功器的輸出功率調(diào)功器輸出電壓有效值設(shè)定周期Tc內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)為n，每個(gè)周波的周期為T(mén)

圖7-4過(guò)零觸發(fā)調(diào)節(jié)周波電壓的波形把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械開(kāi)關(guān)，起接通和斷開(kāi)電路的作用?！鰞?yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，沒(méi)有觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可以頻繁控制通斷。■與交流調(diào)功電路的區(qū)別

◆并不控制電路的平均輸出功率。◆通常沒(méi)有明確的控制周期，只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開(kāi)?！艨刂祁l度通常比交流調(diào)功電路低得多。

2、交流電力電子開(kāi)關(guān)自動(dòng)控溫電熱爐電路采用光耦合器的交流開(kāi)關(guān)電路4.2晶閘管交-交變頻器交-交變頻電路是不通過(guò)中間環(huán)節(jié)而把工頻交流電直接變換成不同頻率交流電的變頻電路，故又稱(chēng)為直接變頻器或周波變換器。因?yàn)闆](méi)有中間直流環(huán)節(jié)，僅用一次變換就實(shí)現(xiàn)了變頻，所以效率較高。交-交變頻器大多數(shù)由普通晶閘管元件構(gòu)成。4.2.1單相交-交變頻電路

1、基本結(jié)構(gòu)和工作原理單相交-交變頻電路由兩組反并聯(lián)的晶閘管整流器構(gòu)成。（1）方波型交-交變頻器圖4-27圖4-28d2wtu2udwtiVT1wtwtuVT1d1uaubuc

t1t3t5t6t2t4

（2）正弦波型交-交變頻器正弦波型交-交變頻器的主電路與方波型相同，但其輸出電壓的平均值按正弦規(guī)律變化，克服了方波型變頻器輸出波形諧波成分大的缺點(diǎn)。在正組橋整流工作時(shí)，使控制角α從，輸出的平均電壓由低到高再到低變化。而在正組橋逆變工作時(shí)，使控制角α從，就可以獲得平均值可變的負(fù)向逆變電壓。

正弦型交-交變頻器的輸出電壓波形

圖4-29

2、輸出正弦波形的獲得方法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。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。

3、輸出電壓有效值和頻率的調(diào)節(jié)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。使控制角從，改變?chǔ)?，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?chǔ)磷兓乃俾?，也就改變了輸出電壓的頻率。

交-交變頻器的特點(diǎn)：交-交變頻器由于其直接變換的優(yōu)點(diǎn)：效率較高，可方便地進(jìn)行可逆運(yùn)行。主要缺點(diǎn)是：①功率因數(shù)低。②主電路使用晶閘管元件數(shù)目多，控制電路復(fù)雜。③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(chē)輛、大型軋鋼設(shè)備等低速大容量拖動(dòng)場(chǎng)合。

4.2.2三相----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

圖4-30圖4-314.2.3三相交-交變頻電路交-交變頻器主要用于交流調(diào)速系統(tǒng)中，因此實(shí)際使用的主要是三相交-交變頻器。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、電路的接線方式三相交-交變頻電路主要有兩種接線方式，即公共交流母線進(jìn)線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式。

（1）公共交流母線進(jìn)線方式它由三組彼此獨(dú)立、輸出電壓相位互差120度的單相交-交變頻電路組成，其電源進(jìn)線通過(guò)電抗器接在公共的交流母線上。由于電源進(jìn)線端公用，所以三組單相變頻電路的輸出端必須隔離。為此，交流電機(jī)的三個(gè)繞組必須拆開(kāi)，共引出六根線。圖4-32

（2）輸出星形連接方式

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。

圖4-332、具體電路結(jié)構(gòu)三相橋式整流器組成的三相----三相交-交變頻電路，采用公共交流母線進(jìn)線方式

圖4-34三相橋式整流器組成的三相-三相交-交變頻電路，給電動(dòng)機(jī)負(fù)載供電，采用輸出星形聯(lián)結(jié)方式（負(fù)載未畫(huà)出）

圖4-35■交交變頻電路是一種直接變頻電路。

◆和交直交變頻電路比較，優(yōu)點(diǎn)是

?只用一次變流，效率較高。?可方便地實(shí)現(xiàn)四象限工作。?低頻輸出波形接近正弦波。

◆缺點(diǎn)是

?接線復(fù)雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管。

?受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低；輸入功率因數(shù)較低。

?輸入電流諧波含量大，頻譜復(fù)雜。

◆交交變頻電路主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中，目前已在軋機(jī)主傳動(dòng)裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等場(chǎng)合獲得了較多的應(yīng)用，既可用于異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，也可用于同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。

變頻器的調(diào)速原理

改變輸入頻率（無(wú)級(jí)調(diào)速）——變頻器N=60F/PP：極對(duì)數(shù)F：頻率N：轉(zhuǎn)速改變極對(duì)數(shù)（有級(jí)調(diào)速）調(diào)速原理：調(diào)速方法：交-直-交變頻器的主要結(jié)構(gòu)框圖整流器逆變器中間電路電動(dòng)機(jī)控制電路～～～交-直-交變頻器原理圖M交交直RA變頻器制動(dòng)方式—能耗制動(dòng)1.能耗制動(dòng)M當(dāng)泵升電壓超過(guò)一定值時(shí)，Ｖ。導(dǎo)通，從而把負(fù)載反饋的能量消耗在R。上。R。Ｖ。ＣRA變頻器制動(dòng)方式—能量回饋制動(dòng)2.能量回饋制動(dòng)MＣ當(dāng)負(fù)載回饋能量是,可控變流器工作于有源逆變狀態(tài),將能量回饋電網(wǎng)按照不同的控制方式，又可將間接變頻裝置分為下圖中的(a)、(b)、(c)3種。4.3交-交與交-直-交變頻器之比較

交-交變頻器交-直-交變頻器過(guò)載能力強(qiáng)效率高輸出波形好但輸出頻率低使用功率器件多輸入無(wú)功功率大高次諧波對(duì)電網(wǎng)影響大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輸出頻率變化范圍大功率因數(shù)高諧波易于消除可使用各種新型大功率器件整流部分變頻器變頻器是：將商用交流電源通過(guò)整流回路變換成直流，將變換后的直流經(jīng)過(guò)逆變回路變換成電壓、頻率可調(diào)節(jié)的交流電，利用交流三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率成正比的特點(diǎn)，通過(guò)改變電源的頻率和幅度以達(dá)