第5章交流-交流變換電路

第5章交流-交流變換電路本章要點交流開關(guān)、交流調(diào)功和交流電壓調(diào)節(jié)的基本工作原理和應(yīng)用電路分析；相位控制和通斷控制的概念；不同負載時，單相和三相交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析；單相和三相交-交變頻電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理。5.2、晶閘管交流調(diào)壓器

交流調(diào)壓電路常由晶閘管組成，用于調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。晶閘管交流調(diào)壓器具有體積小、重量輕的特點。輸出是交流電壓，但不是正弦波形，諧波分量大，功率因數(shù)也較低。交流調(diào)壓控制常用相位控制。它是使晶閘管在電源電壓每一周期中、在選定的時刻將負載與電源接通，改變選定的時刻可達到調(diào)壓的目的。

5.2.1、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(電阻性負載)圖5-7（1）電路結(jié)構(gòu)和工作原理波形（2）仿真與實驗波形

(a)α=30?

(b)α=60?

(c)α=90?

(d)α=120?單相交流調(diào)壓器帶電阻性負載不同控制角時的仿真和實驗波形2、單相調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)和工作原理(阻-感負載)圖4-3（1）電路結(jié)構(gòu)和工作原理波形

（2）電感性負載的工作情況當電源電壓反向過零時，由于負載電感產(chǎn)生感應(yīng)電動勢阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時晶閘管導(dǎo)通角θ的大小，不但與控制角α有關(guān)，而且與負載阻抗角φ有關(guān)。兩只晶閘管門極的起始控制點分別定在電源電壓每個半周的起始點，α的最大范圍是。

（3）仿真與實驗波形

(a)α=30?(b)α=60?

(c)α=90?(d)α=120?單相交流調(diào)壓器帶阻-感性負載不同控制角時的仿真和實驗波形

單相交流調(diào)壓可歸納以下三點：

①帶電阻性負載時，負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可以改變負載電壓有效值。

②帶電感性負載時，不能用窄脈沖觸發(fā)，否則當α<φ時會發(fā)生有一個晶閘管無法導(dǎo)通的現(xiàn)象，電流出現(xiàn)很大的直流分量。

③帶電感性負載時，α的移相范圍為φ~180度

，帶電阻性負載時移相范圍為0

~180度。

5.2.3、三相交流調(diào)壓電路

1、負載Y形連接帶中性線的三相交流調(diào)壓電路

圖5-14它由3個單相晶閘管交流調(diào)壓器組合而成，其公共點為三相調(diào)壓器中線，每一相可以作為一個單相調(diào)壓器單獨分析，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，每相負載電流為正負對稱的缺角正弦波，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、晶閘管與負載連成內(nèi)三角形的三相交流調(diào)壓電路電路優(yōu)點：因晶閘管串接在三角形內(nèi)部，流過的是相電流，在同樣線電流情況下，管子的容量可降低，另外線電流中無3的倍數(shù)次諧波分量。缺點是：只適用于負載是三個分得開的單元的情況，其應(yīng)用范圍有一定的局限性。圖5-153、晶閘管接于Y形負載中性點的三相交流調(diào)壓電路要求負載是三個分得開的單元，從圖中電流波形可見，輸出電流出現(xiàn)正負半周波形不對稱，但其面積是相等的，所以沒有直流分量。此電路使用元件少，觸發(fā)線路簡單，但由于電流波形正負半周不對稱，存在偶次諧波，對電源干擾較大。圖5-164、三對反并聯(lián)晶閘管連成三相三線交流調(diào)壓電路圖5-17對觸發(fā)脈沖電路的要求是：①

三相正(或負)觸發(fā)脈沖依次間隔120度，而每一相正、負觸發(fā)脈沖間隔180度。②

為了保證電路起始工作時能兩相同時導(dǎo)通，以及在感性負載和控制角較大時，仍能保持兩相同時導(dǎo)通，與三相全控整流橋一樣，要求采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。③為了保證輸出電壓對稱可調(diào)，應(yīng)保持觸發(fā)脈沖與電源電壓同步。（1）三相調(diào)壓電路在純電阻性負載時的工作情況

①控制角α=0o在各相的正半周正向晶閘管導(dǎo)通，而負半周反向晶閘管導(dǎo)通，所以負載上獲得的調(diào)壓電壓仍為完整的正弦波。α=0o時如果忽略晶閘管的管降壓，此時調(diào)壓電路相當于一般的三相交流電路，加到其負載上的電壓是額定電源電壓。下圖為U相負載電壓波形。歸納α=0o時的導(dǎo)通特點如下：每管持續(xù)導(dǎo)通180o

；每60o區(qū)間有三個晶閘管同時導(dǎo)通。

三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=0o時的波形

圖5-18

②控制角α=30o各相電壓過零30o后觸發(fā)相應(yīng)晶閘管。以U相為例，uU過零變正30o后發(fā)出VT1的觸發(fā)脈沖ug1，uU過零變負30o后發(fā)出VT4的觸發(fā)脈沖ug2

。歸納α=30o時的導(dǎo)通特點如下：每管持續(xù)導(dǎo)通150o

；有的區(qū)間由兩個晶閘管同時導(dǎo)通構(gòu)成兩相流通回路，也有的區(qū)間三個晶閘管同時導(dǎo)通構(gòu)成三相流通回路。

三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=30o時的波形

圖5-19

③控制角α=60oα=60o情況下的具體分析與α=30o相似。下圖是α=60o時的脈沖分配圖、導(dǎo)通區(qū)間和U相負載電壓波形。歸納α=60o時的導(dǎo)通特點如下：每個晶閘管導(dǎo)通120o

；每個區(qū)間由兩個晶閘管構(gòu)成回路。

三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=60o時的波形

圖5-20

④觸發(fā)角α=90o

歸納α=90o時的導(dǎo)通特點如下：每個晶閘管通120o

，各區(qū)間有兩個管子導(dǎo)通。⑤

觸發(fā)角α=120o

歸納α=120o時的導(dǎo)通特點如下：每個晶閘管觸發(fā)后通30o，斷30o，再觸發(fā)導(dǎo)通30o；各區(qū)間要么由兩個管子導(dǎo)通構(gòu)成回路，要么沒有管子導(dǎo)通。三相全波星形無中線調(diào)壓電路90度時的波形

圖5-21三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=120o時的波形

圖5-22

⑥控制角α≥150o時α>150o以后，負載上沒有交流電壓輸出。當Ug1觸發(fā)VT1時，盡管VT6的觸發(fā)脈沖仍存在，但由于uU<uV，即VT1、VT6承受反向電壓，不可能導(dǎo)通，因此輸出電壓為零。因此α=0o時輸出全電壓，α增大則輸出電壓減小，α=150o時輸出電壓為零。每相負載上的電壓已不是正弦波，但正、負半周對稱。因此，輸出電壓中只有奇次諧波，以三次諧波所占比重最大。由于這種線路沒有零線，故無三次諧波通路，減少了三次諧波對電源的影響。（2）三相調(diào)壓電路在電感性負載時的工作情況三相交流調(diào)壓電路在電感性負載下的情況要比單相電路復(fù)雜得多，很難用數(shù)學(xué)表達式進行描述。從實驗可知，當三相交流調(diào)壓電路帶電感性負載時，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。5.1、晶閘管交流調(diào)功器和交流開關(guān)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行通斷控制，而不改變交流電的頻率。它包括交流開關(guān)、交流調(diào)功和交流調(diào)壓等；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。即把晶閘管作為開關(guān)，將負載與交流電源接通幾個周期，然后再斷開一定周期，通過改變通斷時間比值達到調(diào)壓目的。這種控制方式電路簡單，功率因數(shù)高，適用于較大時間常數(shù)的負載；缺點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)選定的時刻將負載與電源接通，改變選定的導(dǎo)通時刻就可達到調(diào)壓的目的。1、晶閘管交流調(diào)功器使晶閘管交流開關(guān)在端電壓為零或零附近瞬間接通，利用管子電流小于維持電流使管子自行關(guān)斷，就可使電路波形為正弦整周期形式，這樣可以避免高次諧波的產(chǎn)生。這種觸發(fā)方式稱為過零觸發(fā)或零觸發(fā)。交流零觸發(fā)開關(guān)對外界的電磁干擾最小。實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的方法如下：在設(shè)定的周期TC內(nèi)，用零電壓開關(guān)接通幾個周波然后斷開幾個周波，改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)的通斷時間比例，可調(diào)節(jié)負載上的交流平均電壓，即可達到調(diào)節(jié)負載功率的目的。這種裝置也稱為調(diào)功器或周波控制器。

過零觸發(fā)輸出電壓波形圖5-4

設(shè)在Tc內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)為n，每個周波的周期為T，輸出電壓有效值是 則調(diào)功器的輸出功率是

Pn—設(shè)定周期Tc內(nèi)全部周波導(dǎo)通時裝置輸出的功率。Un—設(shè)定周期Tc內(nèi)全部周波導(dǎo)通時，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)改變導(dǎo)通周波數(shù)n即可改變電壓和功率。晶閘管交流開關(guān)的基本原理是將兩只反并聯(lián)的普通晶閘管串入交流電路中，替代傳統(tǒng)的機械開關(guān)對電路進行通斷控制。晶閘管交流開關(guān)是一種快速、理想的交流開關(guān)。它總是在電流過零時關(guān)斷，在關(guān)斷時不會因負載或線路電感儲存能量而造成暫態(tài)過電壓和電磁干擾，因此特別適用于操作頻繁、可逆運行及有易燃氣體、多粉塵的場合。2、晶閘管交流開關(guān)晶閘管交流調(diào)壓、調(diào)壓、開關(guān)電路應(yīng)用

5.2.2、晶閘管交流調(diào)壓器應(yīng)用電路晶閘管交流調(diào)壓電路廣泛用于工業(yè)加熱、燈光控制、感應(yīng)電動機調(diào)壓調(diào)速以及電焊、電解、電鍍的交流側(cè)調(diào)壓等場合。1、觸發(fā)二極管觸發(fā)的交流調(diào)壓電路圖5-112、單結(jié)晶體管觸發(fā)的交流調(diào)壓電路3、KC06觸發(fā)器觸發(fā)的晶閘管交流調(diào)壓電路圖5-12圖5-135.1.2、晶閘管交流調(diào)功器應(yīng)用電路交流調(diào)功器的主電路可用二只普通晶閘管反并聯(lián)或雙向晶閘管組成，下圖為全周波連續(xù)式分立元件組成的過零觸發(fā)電路控制的交流調(diào)功器，它由主電路、鋸齒波產(chǎn)生、信號綜合、直流開關(guān)、過零脈沖輸出以及同步電壓等部分組成。圖5-51、晶閘管交流開關(guān)的基本型式

晶閘管交流開關(guān)的特點：門極毫安級電流的通斷可控制晶閘管陽極幾十到幾百安培大電流的通斷。晶閘管在承受正半周電壓時觸發(fā)導(dǎo)通，在電源過零后的負半周在管子上施加反壓而使其自然關(guān)斷。常見的幾種晶閘管交流開關(guān)型式如下圖所示。

5.1.1、晶閘管交流開關(guān)應(yīng)用電路圖5-12、固態(tài)開關(guān)固態(tài)開關(guān)是一種晶閘管交流開關(guān)，是近年迅速發(fā)展起來的一種固態(tài)無觸點開關(guān)。它包括固態(tài)繼電器和固態(tài)接觸器,是一種以雙向晶閘管為基礎(chǔ)構(gòu)成的無觸點開關(guān)組件。圖5-23、晶閘管交流開關(guān)在電動機控制中的應(yīng)用1）電動機的正反轉(zhuǎn)控制2）電動機的反接制動與能耗制動圖5-35.2.4晶閘管三相交流調(diào)壓應(yīng)用實例KJF系列雙向晶閘管調(diào)壓調(diào)速裝置1.主要技術(shù)指標1）控制對象：三相異步電動機、交流輸入三相50Hz，進線電壓380V2）裝置功率：小于40kW3）調(diào)速范圍：5：1左右，對力矩電機可達10：14）穩(wěn)態(tài)精度：靜態(tài)誤差不大于2.5%~5.5%5）控制電壓：0~8V6）交流輸出：交流三相電壓連續(xù)可調(diào)該調(diào)壓裝置既能對異步電動機實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，也能作為工業(yè)加熱、燈光控制用的交流調(diào)壓器。2.系統(tǒng)原理圖圖5-235.3晶閘管交-交變頻器交-交變頻電路是不通過中間環(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，故又稱為直接變頻器或周波變換器。因為沒有中間直流環(huán)節(jié)，僅用一次變換就實現(xiàn)了變頻，所以效率較高。目前，自關(guān)斷型變頻器受自關(guān)斷器件容量的限制，功率還不能做得很大。強制關(guān)斷型功率受到換相電容的換相能力限制，同樣功率不能做得很大。而普通晶閘管容量大，價格便宜，自然換相可靠，所以對于大功率變頻器來說，一般采用由普通晶閘管組成的、采用自然換相方式的變頻器。所以，交-交變頻器大多數(shù)由普通晶閘管元件構(gòu)成。5.3.1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5-24圖5-25

（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。在正組橋整流工作時，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，使控制角α從

，就可以獲得平均值可變的負向逆變電壓。

正弦型交-交變頻器的輸出電壓波形

圖5-26

2、輸出正弦波形的獲得方法常用的方法是余弦交點法，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值與理想正弦電壓的瞬時值誤差最小。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α0，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α變化的速率，也就改變了輸出電壓的頻率。

交-交變頻器的特點：交-交變頻器由于其直接變換的優(yōu)點：效率較高，可方便地進行可逆運行。主要缺點是：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、礦井提升機、電動車輛、大型軋鋼設(shè)備等低速大容量拖動場合。

5.3.2三相----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5-27圖5-285.3.3三相交-交變頻電路交-交變頻器主要