交流變換電路

1、第三章 交流變換電路第一節(jié) 概述一、交流變換電路交流變換電路：一種形式的交流電變成另一種形式交流電的電路，可改變電壓、電流、頻率和相數(shù)等。交流電力控制電路：只改變電壓、電流或控制電路的通斷，不改變頻率；包括：1. 交流調(diào)壓電路相位控制（或斬控式）；2. 交流調(diào)功電路及交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)通斷控制。變頻電路：改變頻率，大多不改變相數(shù)，也有改變相數(shù)的；交交變頻電路：直接把一種頻率的交流變成另一種頻率或可變頻率的交流，屬于直接變頻電路；主要變頻電路：1. 晶閘管交-交變頻電路2. 矩陣式變頻電路3. 交-直-交變頻電路：先把交流整流成直流，再把直流逆變成另一種頻率或可變頻率的交流,間接變頻電路。二、交流電

2、力控制電路v兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，控制晶閘管就可控制交流電力；v交流調(diào)壓電路 每半個(gè)周波控制晶閘管開(kāi)通相位，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值；v交流調(diào)功電路 以交流電周期為單位控制晶閘管通斷，改變通斷周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率的平均值；v交流電力電子開(kāi)關(guān)并不著意調(diào)節(jié)輸出平均功率，而只是根據(jù)需要接通或斷開(kāi)電路。三、相控調(diào)壓電路 相位控制交流調(diào)壓又稱(chēng)相控調(diào)壓，是交流調(diào)壓中的基本控制方式，應(yīng)用最廣。 交流調(diào)壓器的輸出仍是同頻率的交流電，原則上可應(yīng)用于一切需要調(diào)壓的交流負(fù)載上，也可通過(guò)變壓器再調(diào)壓。交流調(diào)壓器是通過(guò)改變電壓波形來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的，因此輸出的電壓波形不再是完整的正弦波，諧波分量較大。從調(diào)壓器輸入

3、端所觀察到的調(diào)壓器及其負(fù)載的總體功率因數(shù)也隨著輸出電壓的降低而降低。但這種交流調(diào)壓器控制方便、體積小、投資省，因此廣泛應(yīng)用于需調(diào)溫的工頻加熱、燈光調(diào)節(jié)及風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載的異步電機(jī)調(diào)速等場(chǎng)合。 本章主要分析相控式交流調(diào)壓電路。第二節(jié) 單相交流調(diào)壓電路分析一、理想條件假定1）交流電源為恒頻、恒壓正弦波2）晶閘管具有理想開(kāi)關(guān)特性3）負(fù)載為純電阻4）忽略電路的引線電感5）電路工作已達(dá)穩(wěn)態(tài)二、理想條件下單相交流調(diào)壓電路分析1）工作原理v在 u1的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的開(kāi)通角a 進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓；v正負(fù)半周a 起始時(shí)刻（a =0）均為電壓過(guò)零時(shí)刻，穩(wěn)態(tài)時(shí)，正負(fù)半周的a 相等；v負(fù)載

4、電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓的波形相同。2）數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值（正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)）： 負(fù)載電流有效值： 晶閘管電流有效值（每個(gè)晶閘管流過(guò)半個(gè)波形）： 晶閘管電流平均值（每個(gè)晶閘管流過(guò)半個(gè)波形）：功率因數(shù)：輸出電壓與a 的關(guān)系: 移相范圍為0 a 。 a = 0 時(shí)，輸出電壓為最大， Uo=U1。隨a的增大，Uo 降低， a =時(shí)， Uo =0。與a 的關(guān)系： a = 0時(shí)，功率因數(shù)= 1， a 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低。3）諧波問(wèn)題（簡(jiǎn)單了解）： 從波形可以看出，諧波含量與a 有關(guān)。三、感性負(fù)載下單相交流調(diào)壓電路分析1、 基本電路（圖3-1a

5、）2、 電路波形分析（圖3-4）（1）時(shí)，ug1> 0、 uak1 > 0，VT1導(dǎo)通電流 i 從零開(kāi)始增長(zhǎng)， uVT10，輸出電壓 ，電感電壓 逐步減小，在電流過(guò)最大值以后電壓反向。 （2）時(shí)，電網(wǎng)電壓過(guò)零，由于電感的續(xù)流作用，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通， uVT10，輸出電壓 ，電感電壓繼續(xù)反向增大。（3）時(shí)，電流過(guò)零，晶閘管關(guān)斷， uVT1 = u2 =0 輸出電壓 u 0。（4）時(shí)， ug4> 0、 uak4 > 0，VT4導(dǎo)通，開(kāi)始負(fù)半周的工作，其過(guò)程與正半周相同。3、導(dǎo)電角分析以正半周為例分析：VT1導(dǎo)通，VT4關(guān)斷。當(dāng)時(shí)，有i0 = 0，可得：對(duì)于一定的a有： 即（3

6、-10）式當(dāng) 時(shí)，i0 = 0，可以得到：對(duì)于特定a和，曲線圖如圖3-5 考慮器件最大導(dǎo)電角，代入上式可得： 結(jié)論：1） 時(shí)，輸出電流臨界連續(xù)，a角開(kāi)始失去控制作用。2） 時(shí)，輸出電流連續(xù)，導(dǎo)電角始終，a角失去控制作用。3） 時(shí)，輸出電流斷續(xù)，a角有控制作用，a與導(dǎo)電角 關(guān)系如圖3-5。4、輸出電流導(dǎo)通時(shí)：其余時(shí)間：i0 = 0有效值： 其中為標(biāo)幺值，其與a關(guān)系如圖3-6表示： 1） 時(shí)， 受控于a，電流可調(diào) 2） 時(shí)， 與a無(wú)關(guān)，電流連續(xù)為I 第三節(jié) 理想條件下三相交流調(diào)壓電路分析一、理想條件假定1）三相電網(wǎng)為恒頻、恒壓和對(duì)稱(chēng)正弦波2）純電阻負(fù)載，Y型聯(lián)結(jié)，RA=RB=RC=R3）晶閘管具有

7、理想開(kāi)關(guān)特性4）忽略電路寄生電感5）電路已達(dá)到穩(wěn)態(tài)二、理想條件下三相交流調(diào)壓電路分析1、晶閘管脈沖分布要求 晶閘管的脈沖分布由電路結(jié)構(gòu)決定，根據(jù)圖3-7可以分析： 1）VT1、VT4，VT3、VT6，VT5、VT2分別反向并聯(lián)，門(mén)極脈沖互差180º 2）由于A、B、C各相電壓相差為120º，各正向器件之間和各反向器件之間脈沖相差120º，因此各脈沖構(gòu)成的序列依次相差60º。 3）觀察電路結(jié)構(gòu)，至少有兩相導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，因此脈寬至少60º，最大為180º。 4）為防止器件承受反壓時(shí)出現(xiàn)門(mén)極脈沖，控制脈沖后沿固定在相電壓過(guò)零處，由于a角

8、可變，脈沖寬度為（180º- a），是前沿可變后沿固定的脈沖。注意：a）根據(jù)3）和4）的要求，脈沖控制角度范圍為120º，實(shí)際情況可突破，對(duì)應(yīng)于第4）條，元件反壓時(shí)實(shí)際可以存在脈沖，因此控制脈沖寬度可以相應(yīng)展寬。b）a角的計(jì)算以相電壓正向過(guò)零點(diǎn)為起點(diǎn)。c）控制脈沖與電路形式關(guān)聯(lián)，不同電路有不同要求。2、電路運(yùn)行狀態(tài)類(lèi)型分析a）三相均導(dǎo)通，圖3-8a VT1、VT4、VT3、VT6、VT5、VT2都導(dǎo)通，晶閘管管壓降 uaN = uAO ubN = uBO ucN = uCO iA = uAO/ R uNO = 0Vb）兩相導(dǎo)通，一相斷開(kāi)，圖3-8b VT1、VT4、VT3、

9、VT6導(dǎo)通，晶閘管管壓降，VT5、VT2關(guān)斷，晶閘管管壓降 u = uCO-（uAO+ uBO）/2 = 3 uCO/2， uaN = uAB/2 ， ucN = 0 V ubN =- uAB/2= uBA/2 ， iA = uAB/ 2R , uNO =（ uAO+ uBO）/2 = -uCO/2 以上分析見(jiàn)表3-1，其余狀態(tài)分析類(lèi)似（作為自學(xué)）。3、a = 0時(shí)工作狀態(tài)分析（注：與等效）條件：1）自然換流點(diǎn)（a = 0）產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，自然換流點(diǎn)判別方法同第二章，自然換流點(diǎn)在各相電壓波形過(guò)零點(diǎn)。 2）橋臂端相電壓正向過(guò)零時(shí)觸發(fā)單號(hào)晶閘管，相電壓反向過(guò)零時(shí)觸發(fā)雙號(hào)晶閘管。觸發(fā)脈沖規(guī)律：1）RS

10、 Ug1>0 ；ST Ug3>0 ；TR Ug5>0UV Ug2>0 ；VW Ug4>0 ；WU Ug6>0 2）脈沖寬度1800，相鄰序號(hào)脈沖相差600。狀態(tài)：1）RU時(shí)刻，、，、，假定，則VT1、VT6導(dǎo)通，由于此前uC正向過(guò)零時(shí)，此時(shí)VT5仍導(dǎo)通，由于A、B、C三均導(dǎo)通，三相電壓同時(shí)輸出，N點(diǎn)電位為零，前面的假定成立。由于為純電阻負(fù)載，晶閘管電流波形與電壓波形相似。 2）US時(shí)刻，、，、，由于，VT1、VT2導(dǎo)通，此前VT6導(dǎo)通，由于電壓極性不變，仍維持導(dǎo)通。三相電壓同時(shí)輸出，N點(diǎn)電位仍然維持為零，由于為純電阻負(fù)載，晶閘管電流波形與電壓波形相似。 其余

11、各點(diǎn)的波形分析方法類(lèi)似。特點(diǎn)：1）晶閘管電流自然過(guò)零，無(wú)疊流現(xiàn)象-自然換流 2）晶閘管關(guān)斷的反壓是電網(wǎng)電壓-電源換流 3）任意瞬間三個(gè)器件導(dǎo)通，三相輸出均衡 4）器件導(dǎo)通角180º，反壓時(shí)間10mS，可以可靠關(guān)斷 5）每隔60º在自然換流點(diǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換 6）輸出電壓、電流最大4、a = 30º 工作狀態(tài)分析（脈沖條件同a = 0狀態(tài)）（注：與等效）1）1） RU時(shí)刻，、，假定，則VT1導(dǎo)通，此前uC正向過(guò)零時(shí)，此時(shí)VT5仍導(dǎo)通，同理VT6亦維持導(dǎo)通。三相電壓同時(shí)輸出，N點(diǎn)電壓為零，前面假定成立。由于為純電阻負(fù)載，晶閘管電流波形與電壓波形相似，A相負(fù)載電壓為A相電壓，電

12、流波形也一樣（圖中RU區(qū)間）。2）UU時(shí)刻，、，由于，則VT5承受反壓關(guān)斷，關(guān)斷后N點(diǎn)電位改變?yōu)椋╱A+uB）/2，大于uC，VT5繼續(xù)反壓，可靠關(guān)斷；由于，VT1、VT6繼續(xù)導(dǎo)通，A相負(fù)載電壓為uAB/2，電流波形也一樣（圖中UU區(qū)間）。 3）US時(shí)刻，、，由于，VT2承受正壓，VT2開(kāi)始導(dǎo)通，導(dǎo)致，則VT1、VT6繼續(xù)可以導(dǎo)通，三相電壓同時(shí)輸出，N點(diǎn)電壓維持為零。其他區(qū)間的分析類(lèi)似，圖c展示A相電壓波形，圖d展示N點(diǎn)電位uNO，圖e展示A相電流，圖f 展示A相晶閘管的波形。類(lèi)似可以分析a = 60º 狀態(tài)（圖g）。特點(diǎn)：1）區(qū)間，電路具有兩種運(yùn)行狀態(tài)，每隔30º交替變化

13、，電流波形有斷續(xù)。2）不同狀態(tài)的電流變化規(guī)律不同，電流有效值與a值相關(guān)，a增大，電流有效值減小。2） 電路處于三相導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間與a有關(guān)，當(dāng)時(shí)只有兩相導(dǎo)通狀態(tài)，無(wú)三相導(dǎo)通狀態(tài)。 （相關(guān)電流值的計(jì)算，僅要求了解具體計(jì)算方法）5、a = 90º 工作狀態(tài)分析（脈沖條件同a = 0狀態(tài)）（注：與等效）1）RS時(shí)刻，、，、，假定，則VT1、VT6導(dǎo)通，此前uC正向過(guò)零后90º 時(shí)，此時(shí)VT5反壓關(guān)斷，因此前面假定不成立，VT5處于關(guān)斷狀態(tài)。由于，VT1、VT6導(dǎo)通，A相負(fù)載電壓為uAB/2 (圖c)，B相負(fù)載電壓為-uAB/2 (圖d)，N點(diǎn)電位。3） 由于，上述狀態(tài)延續(xù)到U，此后

14、uA< uB，VT1、VT6關(guān)斷，此時(shí)、uC< uA，VT1、VT2導(dǎo)通，N點(diǎn)電位，由于，VT6承受反壓可靠關(guān)斷。 A相負(fù)載電壓為UAC/2 (圖c)，B相負(fù)載電壓為0 (圖d)。此種狀態(tài)延續(xù)到S時(shí)刻。其余狀態(tài)類(lèi)似分析。特點(diǎn)：（ 60º< a<90º）1） 在60º< a<90º區(qū)間，任意時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，每一器件導(dǎo)通角為120º。2）每一組正反器件換流間隔為60º。3）a增加，器件反壓峰值加大，最大為相電壓峰值的1.5倍。4）輸出電壓、電流有效值隨a增加而減小。6、a = 120º 工作狀態(tài)分析（注：與等效，教材中圖312有誤，U、V、W位置應(yīng)前移300）1）R 時(shí)刻，、，VT1、VT6導(dǎo)通、R之前VT5可能導(dǎo)通，但由于， VT5關(guān)斷，A相負(fù)載電壓為uAB/2，B相負(fù)載電壓為-uAB/2，N點(diǎn)電位uNO=(uA+ uB)/