第5章 交流調(diào)壓電路和變頻電路

1、第5章交流調(diào)壓電路和變頻電路 主編5.1交流調(diào)壓電路5.1.1單相交流調(diào)壓電路 把一只雙向晶閘管或兩只普通晶閘管反并聯(lián)后，串聯(lián)在交流電路中，在每半個(gè)周期內(nèi)通過對(duì)晶閘管導(dǎo)通相位的控制，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。交流調(diào)壓電路也可由電力晶體管等全控型器件構(gòu)成，它廣泛應(yīng)用于燈光控制、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速以及電焊、電鍍、電解等需要調(diào)壓的場(chǎng)合。5.1交流調(diào)壓電路1.帶電阻性負(fù)載 圖5 1為帶電阻性負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路及其波形。圖中雙向晶閘管VT也可用兩只普通晶閘管反并聯(lián)替代。交流電源正半周時(shí)刻觸發(fā)VT導(dǎo)通，電流流過負(fù)載電阻R；交流電源電壓過零，電流io=0，VT自行關(guān)斷；交流電源負(fù)

2、半周時(shí)刻，再次觸發(fā)VT導(dǎo)通，電流反方向流過負(fù)載電阻R；電源電壓過零時(shí)，VT又自行關(guān)斷。下個(gè)周期重復(fù)上述過程，在負(fù)載電阻R上便得到正、負(fù)半周缺角的正弦電壓波形，如圖5 1b所示。通過改變觸發(fā)延遲角，就可以改變輸出電壓的有效值。5.1交流調(diào)壓電路5.1交流調(diào)壓電路圖5-2調(diào)光臺(tái)燈的實(shí)用電路5.1交流調(diào)壓電路2.帶阻感性負(fù)載 帶阻感性負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路及其波形如圖5 3所示。阻感性負(fù)載電路中電流滯后于電壓，當(dāng)電源電壓由正半周過零時(shí)，電流還未到零，晶閘管不能關(guān)斷，還要繼續(xù)導(dǎo)通到負(fù)半周。此時(shí)晶閘管導(dǎo)通角的大小不僅與觸發(fā)延遲角有關(guān)，而且與負(fù)載的阻抗角（=arctanL/R）有關(guān)。圖5 3為導(dǎo)通角、觸發(fā)

3、延遲角和負(fù)載阻抗角的關(guān)系曲線。圖5-3帶阻感性負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路及其波形圖a)電路圖b)負(fù)載阻抗三角形c)d)=e)5.1交流調(diào)壓電路1)帶電阻性負(fù)載時(shí)，負(fù)載得到缺角的正弦電壓、電流波形。2)帶阻感性負(fù)載時(shí)，觸發(fā)脈沖寬度必須足夠，否則當(dāng)時(shí)一個(gè)晶閘管無法導(dǎo)通，將出現(xiàn)波形丟失現(xiàn)象，使負(fù)載帶有較大直流分量而燒壞晶閘管。3)帶阻感性負(fù)載時(shí)，最小觸發(fā)延遲角=，所以的移相范圍為180；帶電阻性負(fù)載時(shí)，的移相范圍為0180。5.1交流調(diào)壓電路5.1.2三相交流調(diào)壓電路 三相交流調(diào)壓電路依其接線方式的不同有多種形式，下面介紹常用的三相四線交流調(diào)壓電路和三相三線交流調(diào)壓電路。1.三相四線交流調(diào)壓電路 三相四

4、線星形接線交流調(diào)壓電路如圖5 4a所示。有中性線的三相星形接線交流調(diào)壓電路，可以視為三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，其工作原理和波形分析與單相交流調(diào)壓電路相同。但是在交流調(diào)壓電路中，包含有較大的高次諧波。有些諧波不能在各相之間流動(dòng)，全部流過中性線。諧波分量的大小與觸發(fā)延遲角有關(guān)，當(dāng)=90時(shí)，諧波分量最大，此時(shí)中性線電流甚至接近各相電流的有效值。所以在選擇中性線的截面積時(shí)，應(yīng)充分考慮諧波電流的影響。5.1交流調(diào)壓電路圖5-4三相交流調(diào)壓電路a)三相四線星形接線b)三相三線三角形接線5.1交流調(diào)壓電路2.三相三線交流調(diào)壓電路 圖5 4b所示為三相三線三角形接線交流調(diào)壓電路。把圖5 4a三相四線星形接線

5、中的中性線去掉，就構(gòu)成三相三線的星形接線電路。由于沒有中性線，任一相晶閘管導(dǎo)通時(shí)必須與另外至少一相晶閘管構(gòu)成通路，即三相中至少有兩相的各一支晶閘管導(dǎo)通，因此和三相橋式全控整流電路一樣，須采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)。5.1交流調(diào)壓電路3. 三相交流調(diào)壓電路實(shí)例 圖5 5所示為由雙向晶閘管組成的軟起動(dòng)器主電路。軟起動(dòng)器可用于三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與制動(dòng)控制，電動(dòng)機(jī)容量可以較大。采用軟起動(dòng)器可抑制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的電流，降低對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，提高機(jī)電系統(tǒng)壽命，減少故障。軟起動(dòng)器適用于控制輕載起動(dòng)的用電設(shè)備，如水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等。圖5-5軟起動(dòng)器主電路5.2交交變頻電路5.2.1單相交交變頻電路1.

6、電路的構(gòu)成與工作原理 三相交流電源輸出為單相的交交變頻電路原理和電壓波形如圖5 6所示。電路由兩組結(jié)構(gòu)相同的晶閘管變流器反向并聯(lián)構(gòu)成，其中一組變流器稱為正組變流器，另外一組稱為反組變流器。如果正組變流器工作，則反組變流器被封鎖；如果反組變流器工作，則正組變流器被封鎖。當(dāng)正組變流器工作時(shí)，負(fù)載電流為正；反組變流器工作時(shí)，負(fù)載電流為負(fù)。5.2交交變頻電路2.橋式變頻電路 圖5 7a所示為帶阻感性負(fù)載的三相橋式單相交交變頻電路。設(shè)負(fù)載電流io滯后負(fù)載電壓uo，其相位差為。電路采取無環(huán)流工作方式，即一組變流器工作時(shí)，封鎖另一組變流器的觸發(fā)脈沖。由于電路的單向?qū)щ娦?，在io正半周時(shí)，只能是正組變流器工作

7、，反組變流器被封鎖；而在io負(fù)半周時(shí)，反組變流器工作，正組變流器被封鎖。負(fù)載電流io與負(fù)載電壓uo的波形如圖5 7b所示。圖5-7三相橋式單相交交變頻電路及其波形圖a)三相橋式單相交交變頻電路圖b)波形圖5.2交交變頻電路5.2.2三相交交變頻電路1.接線方式 三相交交變頻電路由三組輸出電壓相位互差120的單相交交變頻電路組成。其接線方式主要有兩種，即公共交流母線接線方式和輸出星形接線方式。 (1)公共交流母線接線方式圖5-8為公共交流母線接線方式變頻電路，它由三個(gè)彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位互差120的三個(gè)單相交交變頻電路組合而成，電源進(jìn)線通過進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上。 (2)輸出星形接線

8、方式圖5-9所示為輸出星形接線方式變頻電路，三組單相交交變頻電路的輸出端采用星形聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)繞組也接成星形。5.2交交變頻電路圖5-9輸出為星形聯(lián)結(jié)方式的三相交交變頻電路圖5-8公共交流母線接線方式的三相交交變頻電路 由于變頻電路輸出端中性點(diǎn)不與負(fù)載中性點(diǎn)連接，所以六組橋式電路中，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。與整流電路一樣，同一組橋內(nèi)的兩個(gè)晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時(shí)導(dǎo)通；而兩組橋之間則靠各自觸發(fā)脈沖的寬度保證同時(shí)導(dǎo)通。5.2交交變頻電路2.交交變頻器的優(yōu)缺點(diǎn)交交變頻器的優(yōu)點(diǎn)：1)交交變頻電路不經(jīng)過直交逆變環(huán)節(jié)，所以換相損耗小、變流效率高。2)交交變頻為電網(wǎng)自然換相

9、，工作可靠性高。3)交交變頻器的變流器可實(shí)現(xiàn)整流和逆變兩種工作狀態(tài)，所以電力拖動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。交交變頻器的缺點(diǎn)：1)交交變頻器輸出電壓的最高頻率受電源頻率限制，且輸出電壓的波形隨其頻率的升高而變差，所以一般只用在低速、大容量的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中。2)功率因數(shù)低，而且隨輸出電壓頻率的降低而降低。3)控制電路復(fù)雜。5.3脈沖寬度調(diào)制技術(shù)5.3.1PWM的基本原理1. PWM控制技術(shù)的概念 PWM即脈沖寬度調(diào)制，就是按照一定的規(guī)則和要求對(duì)一系列脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，從而得到所需要的等效波形。因?yàn)榭刂七^程常常要將脈沖波形斬切為若干段，因此形象地稱這種控制技術(shù)為斬波控制技術(shù)。這種技術(shù)控制靈活，可以在很高

10、的頻率下工作，同時(shí)能有效地抑制諧波和各種干擾。2. SPWM控制技術(shù)的基本原理在窄脈沖下，只要窄脈沖面積相等而無論其形圖5-10SPWM波原理5.3脈沖寬度調(diào)制技術(shù)5.3.2SPWM逆變電路的控制方法 為了弄清SPWM控制方法，首先討論SPWM波形的形成方法及有關(guān)控制方式分類，然后以電壓型SPWM逆變電路為例具體討論這種控制方法。1. SPWM波形控制方法 形成SPWM波形的方法有計(jì)算法和調(diào)制法等多種。計(jì)算法是各矩形脈沖的寬度和間隙用理論計(jì)算得出，按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，得到所需要的SPWM波形。這種方法較繁瑣。5.3脈沖寬度調(diào)制技術(shù)圖5-11單極性控制方式的SPWM波形5

11、.3脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(1)單極性控制SPWM所謂單極性控制是指在輸出波形的半個(gè)周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩個(gè)開關(guān)器件只有一個(gè)處于不斷切換的開關(guān)狀態(tài)，另一個(gè)則始終處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)uCuT 時(shí)，器件導(dǎo)通；當(dāng)uCuT 時(shí)，器件關(guān)斷，形成的調(diào)制波是等幅、等距但不等寬的脈沖系列，經(jīng)半波倒相后輸出。改變控制信號(hào)uC的幅值時(shí)，調(diào)制波的脈沖寬度將隨之改變，從而改變輸出電壓的大小。改變控制信號(hào)uC的頻率，則輸出電壓的基波頻率也隨之改變，這樣就實(shí)現(xiàn)了既可調(diào)壓又可調(diào)頻的目的。5.3脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(2)雙極性控制SPWM與單極性控制方式相對(duì)應(yīng)的是雙極性控制方式，雙極性控制是指在輸出波形的半周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的

12、兩只器件均處于開關(guān)狀態(tài)，但它們之間的關(guān)系是互補(bǔ)的，即通斷狀態(tài)彼此是相互交替的；這樣輸出波形在任何半周期內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)極性電壓交替的情況，故稱為雙極性控制，其波形如圖5-12所示。5z12.tif5.3脈沖寬度調(diào)制技術(shù)2.單相橋式SPWM逆變電路 SPWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合之一是在逆變電路中，圖5 13所示為采用電力晶體管作為開關(guān)器件的電壓型單相橋式SPWM逆變電路。5z13.tif5.3脈沖寬度調(diào)制技術(shù)1.交流調(diào)壓電路只改變電路的電壓和電流，不改變交流電路的頻率。2.當(dāng)交流調(diào)壓電路為阻感性負(fù)載時(shí)，若觸發(fā)延遲角與負(fù)載阻抗角的關(guān)系為時(shí)，負(fù)載可得到連續(xù)可調(diào)的交流電壓，但電流隨增大，斷續(xù)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重；當(dāng)=時(shí)，晶閘管工作于全導(dǎo)通狀態(tài)，電路失去調(diào)壓作用；當(dāng)時(shí)，若脈沖寬度不夠則會(huì)出現(xiàn)輸出波形丟失現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的直流分量，引