第3章、交-交變換器.ppt

1、2020/8/7,第3章 交-交變換器,2020/8/7,主要內(nèi)容 晶閘管單相和三相交流調(diào)壓器； 全控型器件的交流斬波電路； 交-交變頻器； 交-交(AC-AC)變換器的應(yīng)用。,2020/8/7,3.1 交流調(diào)壓電路,2020/8/7,交流調(diào)壓電路通常由晶閘管組成，用于調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。與常規(guī)的調(diào)壓變壓器相比，晶閘管交流調(diào)壓器有體積小、重量輕的特點(diǎn)。其輸出是交流電壓，但它不是正弦波形，其諧波分量較大，功率因數(shù)也較低。 控制方法： (1) 通斷控制。即把晶閘管作為開關(guān)，通過改變通斷時(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

2、平滑。 (2) 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。,2020/8/7,3.1.1 相位控制的單相交流調(diào)壓電路,1 電阻性負(fù)載的工作情況 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。,2020/8/7,負(fù)載上交流電壓有效值U與控制角的關(guān)系為 電流有效值 電路功率因數(shù) 電路的移相范圍為0 。,2020/8/7,2 電感性負(fù)載的工作情況 當(dāng)電源電壓反向過零時(shí)，由于負(fù)載電感產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢阻止電流變化，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)。兩只晶閘管門極的

3、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 。,2020/8/7,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,2020/8/7,當(dāng)控制角為時(shí)，Ug1 觸發(fā)VT1導(dǎo)通，流過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， 其強(qiáng)制分量為 式中 其自由分量為 式中 自由分量衰減時(shí)間常數(shù)，,2020/8/7,流過晶閘管的電流即負(fù)載電流為 當(dāng) 時(shí)，電壓、電流波形如上圖所示。隨著電源電流下降過零進(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。 在t=0時(shí)觸發(fā)管子，t= 時(shí)管子關(guān)斷，將t= 代入式(3-5)可得,2020/8/7,當(dāng)取不同的角時(shí)， =f()的

4、曲線如圖所示，,2020/8/7,(1) 當(dāng) 時(shí) 穩(wěn)定分量iB與自由分量is如圖3-2(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) 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。 (3) 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。 帶電感性負(fù)載時(shí)

5、，晶閘管應(yīng)當(dāng)采用寬脈沖列，這樣在 時(shí)，雖然在剛開始觸發(fā)晶閘管的幾個(gè)周期內(nèi)，兩管的電流波形是不對(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，但實(shí)際是晶閘管是不可控的。所以晶閘管的移相范圍 。,2020/8/7,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) 時(shí)會(huì)發(fā)生有一個(gè)晶閘管無法導(dǎo)通的現(xiàn)象，電流出現(xiàn)很大的直流分量。 帶電感性負(fù)載時(shí)， 的移相范圍為 180 ，帶電阻性負(fù)載時(shí)移相范圍為0 180。,2020/8/

6、7,3.1.2 相位控制的三相交流調(diào)壓電路,1 負(fù)載Y形連接帶中性線的三相交流調(diào)壓電路,2020/8/7,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。,2020/8/7,2 晶閘管與負(fù)載連接成內(nèi)三角形的三相交流調(diào)壓電路,2020/8/7,該電路的優(yōu)點(diǎn)是：由于晶閘管串接在三角形內(nèi)部，流過的是相電流，在同樣線電

7、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(diǎn)是：只適用于負(fù)載是三個(gè)分得開的單元的情況，因而其應(yīng)用范圍也有一定的局限性。,2020/8/7,3 三相晶閘管接于Y形負(fù)載中性點(diǎn)的三相交流調(diào)壓電路,2020/8/7,電路如圖所示，它要求負(fù)載是三個(gè)分得開的單元，從圖3-7中電流波形可見，輸出電流出現(xiàn)正負(fù)半周波形不對(duì)稱，但其面積是相等的，所以沒有直流分量。 此種電路使用元件少，觸發(fā)線路簡單，但由于電流波形正負(fù)半周不對(duì)稱，故存在偶次諧波，對(duì)電源影響與干擾較大。,2020/8/7,4 用三對(duì)反并聯(lián)晶閘管連接成三相三線交流調(diào)壓電路,2020/8/7,對(duì)觸發(fā)脈沖電路的要求是： 三相正(或負(fù))

8、觸發(fā)脈沖依次間隔120，而每一相正、負(fù)觸發(fā)脈沖間隔180。 為了保證電路起始工作時(shí)能兩相同時(shí)導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載和控制角較大時(shí)，仍能保持兩相同時(shí)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)。 為了保證輸出電壓對(duì)稱可調(diào)，應(yīng)保持觸發(fā)脈沖與電源電壓同步。,2020/8/7,(1) 三相調(diào)壓電路在純電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況 控制角=0 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。 歸納=0時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)

9、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。,2020/8/7,圖3-9 三相全波星形無中線調(diào)壓電路=0時(shí)的波形,2020/8/7, 控制角=30 各相電壓過零30后觸發(fā)相應(yīng)晶閘管。以U相為例，uU過零變正30后發(fā)出VT1的觸發(fā)脈沖ug1，uU過零變負(fù)30后發(fā)出VT4的觸發(fā)脈沖ug2 。 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。,2020/8/7,圖3-10 三相全波星形無中線調(diào)壓電路=30時(shí)的波形,2020/8/7, 控制角=60 =60情況下的具體分析與=30相似。這里給出

10、=60時(shí)的脈沖分配圖、導(dǎo)通區(qū)間和U相負(fù)載電壓波形如圖3-11所示。 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。,2020/8/7,圖3-11 三相全波星形無中線調(diào)壓電路=60時(shí)的波形,2020/8/7, 觸發(fā)角=90 認(rèn)為正半周或負(fù)半周結(jié)束就意味著相應(yīng)晶閘管的關(guān)斷是錯(cuò)誤的。 首先假設(shè)觸發(fā)脈沖有大于60的脈寬。則在觸發(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： 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相回路， 歸納=90時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)如下：

11、每個(gè)晶閘管通120 ，各區(qū)間有兩個(gè)管子導(dǎo)通。,2020/8/7, 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，要么沒有管子導(dǎo)通。,2020/8/7,圖3-13 三相全波星形無中線調(diào)壓電路=120時(shí)的波形,2020/8/7, 控制角 150時(shí) 150以后，負(fù)載上沒有交流電壓輸出。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

12、同。 0 60 60 90 90 150 因此， = 0時(shí)輸出全電壓， 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。但由于這種線路沒有零線，故無三次諧波通路，減少了三次諧波對(duì)電源的影響。,2020/8/7,(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：0150 。隨著增大則輸出電壓減小。,2020/8/7,3.1.3

13、 晶閘管交流調(diào)功器和交流開關(guān),1 晶閘管交流調(diào)功器 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。為了克服這種缺點(diǎn)，可采用過零觸發(fā)的通斷控制方式。這種方式的開關(guān)對(duì)外界的電磁干擾最小。 控制方法如下：在設(shè)定的周期內(nèi)，使晶閘管開關(guān)接通幾個(gè)周波然后斷開幾個(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。,2020/8/7,圖3-14 過零觸發(fā)通斷控制時(shí)的輸出電壓波形,2020/8/7,圖3-14為二種通斷工作方式，如在設(shè)定周期Tc內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)為n，每個(gè)周波的周期為T， 輸出電壓有效值是 （3-8） 則調(diào)功器的輸出功

14、率是 （3-9） 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) 因此改變導(dǎo)通周波數(shù)n即可改變電壓和功率。,2020/8/7,2 晶閘管交流開關(guān) 晶閘管交流開關(guān)是一種快速、理想的交流開關(guān)。晶閘管交流開關(guān)總是在電流過零時(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、多粉塵的場合。 過零觸發(fā)雖然沒有移相觸發(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)人眼能察覺到的閃爍、電表指針出現(xiàn)搖擺等

15、。所以調(diào)功器通常用于熱慣性較大的電熱負(fù)載。,2020/8/7,3.2 交-交變頻電路,2020/8/7,3.2.1 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，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。 圖3-23 單相交-交變頻器的主電路及輸出電壓波形,2020/8/7,(1) 方波型交-交變頻器 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。 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，如圖3-23(b)所示。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

16、。 (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)。 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變化。而在正組橋逆變工作時(shí)，使控制角從 ，就可以獲得平均值可變的負(fù)向逆變電壓。,2020/8/7,圖3-24 正弦型交-交變頻器的輸出電壓波形,2020/8/7, 輸出正弦波形的獲得方法 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。 正弦波型交-交變頻器適合于低頻大

17、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。 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。,2020/8/7,2 無環(huán)流控制及有環(huán)流控制 為保證負(fù)載電流反向時(shí)無環(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增大。為了減小死區(qū)的影響，應(yīng)在確保無環(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

18、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。 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環(huán)流方式略有增加，使效率有所降低。,2020/8/7,交-交變頻器的特點(diǎn) 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。 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。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)備等低速大容量拖動(dòng)場合。,2020/8/7,3 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。 圖3-25 三相半波-單相交-交變頻電路 圖3-26 三相橋式-單相交-交變頻電路,2020/8/7,3.2.2 三相交-交變頻電路,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,2020/8/7,(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