第3章電力電子技術(shù)王云亮第三版

1、第3章 交-交變換器 3.1 簡介 晶閘管單相和三相交流調(diào)壓器 交-交變頻器 交-交(AC-AC)變換器的應用 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。 (2)通斷控制 即把晶閘管作為開關(guān)，通過改變通斷時間比值達到調(diào)壓的目的。這種控制方式電路簡單，功率因數(shù)高，適用于有較大時間常數(shù)的負載；缺點是輸出電壓或功率調(diào)節(jié)不平滑。 (3) 斬波控制 利用開關(guān)管的開關(guān)作用，以遠高于交流電頻率的頻率，通過改變導通比，改變輸出的交流電有效值，達到調(diào)壓的目的。

2、開關(guān)管應采用全控型電力電子器件。3.2 相控交流調(diào)壓電路 3.2.1 單相交流調(diào)壓電路 1 電阻性負載的工作情況正半周時刻觸發(fā)管1，負半周時刻觸發(fā)管2，輸出電壓波形為正負半周缺角相同的正弦波。負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 。 2sin21)(sin21222UtdtUUaLRUI IUUISP2sin21cos22 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)生感應電動勢阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時晶閘管導通角的大小，不但與控制角有關(guān)，而且與負載阻抗角?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，的

3、最大范圍是 。單相交流調(diào)壓器電感性負載時的主電路和輸出波形 當取不同的?角時， =f()的曲線如圖所示， (1) 當 ? 時 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的導通角 180，正負半波電流斷續(xù)， 愈大愈小，波形斷續(xù)愈嚴重。(2) 當 ?時 如果觸發(fā)脈沖為窄脈沖，則當Ug2出現(xiàn)時，VT1的電流還未到零， VT2管受反壓不能觸發(fā)導通；待VT1中電流變到零關(guān)斷， VT2承受正壓時，脈沖已消失， 無法導通。這樣使負載只有正半波，電流出現(xiàn)很大的直流分量，電路不能正常工作。 所以，帶電感性負載時，晶閘管應當采用寬脈沖，這樣在 ?時，雖然在剛開始觸發(fā)晶閘管的幾個周期內(nèi)，兩管的電流

4、波形是不對稱的，但當負載電流中的自由分量衰減后，負載電流即能得到完全對稱連續(xù)的波形，電流滯后電源電壓?角。 圖4-5 j時阻感負載交流調(diào)壓電路工作波形tttt圖4-5OOOOu1iG1iG2iojiT1iT2 當阻感負載, j 時電路工作情況。圖4-2 阻感負載單相交流調(diào)壓電路 VT1的導通時間超過 。 觸發(fā)VT2時， io尚未過零， VT1仍導通， VT2不會導通。io過零后，VT2才可開通，VT2導通角小于。 衰減過程中， VT1導通時間漸短， VT2的導通時間漸長。單相交流調(diào)壓電路(3) 當 = ?時 電流自由分量is=0，i2=iB；=180。正負半周電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)，相當于晶閘管

5、失去控制，負載上獲得最大功率，此時電流波形滯后電壓 = ?角。 相當于晶閘管是不可控的。所以晶閘管的移相范圍 綜上所述，單相交流調(diào)壓可歸納為以下三點： 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，改變控制角可以改變負載電壓有效值。 帶電感性負載時，不能用窄脈沖觸發(fā)，否則當 60）觸發(fā)。為了保證輸出電壓對稱可調(diào)，應保持觸發(fā)脈沖與電源電壓同步。 =0時的波形 控制角=0 由于各相在整個正半周正向晶閘管導通，而負半周反向晶閘管導通，所以負載上獲得的調(diào)壓電壓仍為完整的正弦波。=0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。圖3

6、-9(d)為U相負載電壓波形。 歸納=0時的導通特點如下：每管持續(xù)導通180 ；每60區(qū)間有三個晶閘管同時導通。(1) 三相調(diào)壓電路在純電阻性負載時的工作情況=30時的波形 控制角=30 各相電壓過零30后觸發(fā)相應晶閘管。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30后發(fā)出VT4的觸發(fā)脈沖ug2 。 歸納=30時的導通特點如下：每管持續(xù)導通150 ；有的區(qū)間由兩個晶閘管同時導通構(gòu)成兩相流通回路，也有的區(qū)間三個晶閘管同時導通構(gòu)成三相流通回路。 l (1)0 60：三管導通與兩管導通交替，每管導通180 。但 =0時一直是三管導通。 不同角時負載相電壓波形a) =30=

7、60時的波形 控制角=60 =60情況下的具體分析與=30相似。這里給出=60時的脈沖分配圖、導通區(qū)間和U相負載電壓波形如右下圖所示。 歸納=60時的導通特點如下：每個晶閘管導通120；每個區(qū)間由兩個晶閘管構(gòu)成回路。 60 uv， VT1和VT6承受正壓uuv而導通，電流流過 VT1、u相負載、v相負載、 VT6，一直到uuuw，使得VT2和VT1承受正壓uuw一起導通，構(gòu)成UW相回路 歸納=90時的導通特點如下：每個晶閘管通120 ，各區(qū)間有兩個管子導通。=120時的波形 觸發(fā)角=120觸發(fā)脈沖脈寬大于60 歸納=120時的導通特點如下：每個晶閘管觸發(fā)后通30，斷30，再觸發(fā)導通30；各區(qū)間

8、要么由兩個管子導通構(gòu)成回路，要么沒有管子導通。l (3)90 150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uuuv，即，VT1、VT6承受反向電壓，不可能導通，因此輸出電壓為零。輸出電壓表達式 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，因此輸出電壓表達式也不同。 0 60 60 90 90 150 因此， = 0時輸出全電壓， 增大則輸出電壓減小， = 150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。但由于這種線路沒有零線，故無三次諧波通路，減少了三次諧波對電源的

9、影響。3.5 交-交變頻電路 3.5.1 單相交-交變頻電路 1 基本結(jié)構(gòu)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。t3 t5期間： io負半周，反組工作，正組被封鎖。t3 t4 ：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正。t4 t5 ： uo反向， io仍為負，反組逆變，輸出功率為負。小結(jié)小結(jié)：哪一組

10、工作由io方向決定，與uo極性無關(guān)。工作在整流還是逆變，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-交變頻器當正組供電時，負載上獲得正向電壓；當反組供電時，負載上獲得負向電壓。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。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。在正組橋整流工作時，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

11、變化。而在正組橋逆變工作時，使控制角從 ，就可以獲得平均值可變的負向逆變電壓。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。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。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段電流過零，為無環(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段又是無環(huán)流死區(qū) 第

12、6段io 0， uo 0，為反組整流4輸入輸出特性(1) 輸出上限頻率交-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。一般認為，交流電路采用6脈波的三相橋式電路時，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)交-交變頻器的輸出是通過相位控制的方法來得到的，因此在輸入端需要提供滯后的無功電流。因為在輸出電壓的一個周期內(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。6 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 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) 公共交流母線進線方式 (2) 輸出星形連接方式 由于變頻器輸出端中點不和負載中點相連接，所以在構(gòu)成三相變頻器的六組橋式電路中，至少