第3章 交-交變換器整理完畢

1、第3章 交-交變換器 3.1 簡(jiǎn)介交流交流-交流變流電路：把一種形式的交流變流電路：把一種形式的交流交流變成另一種形式變成另一種形式交流交流的電路。的電路。交流交流-交流變流電路可以分為交流變流電路可以分為直接方式直接方式（即無(wú)中間直流環(huán)（即無(wú)中間直流環(huán)節(jié)）和節(jié)）和間接方式間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）兩種。（有中間直流環(huán)節(jié)）兩種。分類：分類：交流電力控制電路交流電力控制電路交交交（直接）變頻電路交（直接）變頻電路3.1 簡(jiǎn)介交流電力控制電路（交流電力控制電路（不改變頻率的電路）不改變頻率的電路） 交流調(diào)壓電路：交流調(diào)壓電路：在每半個(gè)周波內(nèi)通過(guò)對(duì)晶閘管開(kāi)通相位的控制，在每半個(gè)周波內(nèi)通過(guò)對(duì)晶閘管開(kāi)通

2、相位的控制，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的電路。的電路。 交流調(diào)功電路：交流調(diào)功電路：以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變通態(tài)周期數(shù)和斷態(tài)周期數(shù)的比，變通態(tài)周期數(shù)和斷態(tài)周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率平均值調(diào)節(jié)輸出功率平均值的電路。的電路。 交流電力電子開(kāi)關(guān)交流電力電子開(kāi)關(guān)（固態(tài)繼電器（固態(tài)繼電器/接觸器）：串入電路中根據(jù)接觸器）：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開(kāi)電路的晶閘管。需要接通或斷開(kāi)電路的晶閘管。交交交交變頻電路變頻電路 改變電壓同時(shí)改變頻率的電路。改變電壓同時(shí)改變頻率的電路。3.2 交流調(diào)壓電路 交流調(diào)壓電路是將固定的交流電變換成交流調(diào)壓電路

3、是將固定的交流電變換成輸出電壓輸出電壓有效值有效值可控的交流電的裝置?？煽氐慕涣麟姷难b置。 通常由雙向可控硅或凡并聯(lián)的晶閘管組成，用于通常由雙向可控硅或凡并聯(lián)的晶閘管組成，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，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)壓電路有體積小、重量輕晶閘管交流調(diào)壓電路有體積小、重量輕, ,可完成自可完成自動(dòng)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。動(dòng)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。 其輸出是交流電壓，但它不是正弦波形，其諧波其輸出是交流電壓，但它不是正弦波形，其諧波分量較大，功率因數(shù)也較低。分量較大，功率因數(shù)也較低。 交交交變換器常用交變換器常用控制方法：控制方法： (1) 通斷控制：即把晶

4、閘管作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)改變通斷時(shí)間比值達(dá)通斷控制：即把晶閘管作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)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(jiǎn)單，功率因數(shù)高，適用于有到調(diào)壓的目的。這種控制方式電路簡(jiǎn)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)不平滑。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。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。 3.2.1 3.2.1 相位控制的單相交流調(diào)壓電路相位控制的單相交流調(diào)壓

5、電路 1 電阻性負(fù)載的工作情況電阻性負(fù)載的工作情況p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)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。半周缺角相同的正弦波。Ou2uoiouVT1wtOwtOwtOwtp負(fù)載上交流電壓有效值U與控制角的關(guān)系為p電流有效值p電路功率因數(shù)p 電路的移相范圍為0 180 。 ww2sin21)(sin21222UtdtUUaLRUI IUUISP2sin21cos22 電感性負(fù)載的工作情況電感性負(fù)載的工作情況阻感負(fù)載阻感負(fù)載二極管反并聯(lián)二極管反并聯(lián)晶閘管反并聯(lián)晶閘管反并聯(lián)051015202530-1-0.8-0.6-0.

6、4-0.200.20.40.60.81 1 1 1 1 2 2 2 223456時(shí)的工作情況到達(dá)穩(wěn)態(tài)后電感能量平衡，電流波形是正弦波。電壓、電流相位差為負(fù)載的阻抗角。晶閘管相當(dāng)于被短路。電路不調(diào)壓！動(dòng)態(tài)過(guò)程合閘啟動(dòng) 2 電感性負(fù)載的工作情況電感性負(fù)載的工作情況工作過(guò)程 當(dāng)用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后。 設(shè)負(fù)載的阻抗角為 穩(wěn)態(tài)時(shí)的移相范圍應(yīng)為。在wt=時(shí)刻開(kāi)通晶閘管VT1，可求得進(jìn)而求的、 的關(guān)系)/(tg1RLwtg)sin()sin(e2 電感性負(fù)載的工作情況電感性負(fù)載的工作情況tg)sin()sin(e、 的關(guān)系當(dāng)取不同的角時(shí)，導(dǎo)通角 =f()可由曲線得出。=綜上所

7、述，單相交流調(diào)壓可歸納為以下三點(diǎn)：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。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)帶電感性負(fù)載時(shí)，不能用窄脈沖觸發(fā)，否則當(dāng) uv， VT1和VT6承受正壓uUV而導(dǎo)通，電流流過(guò)： 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，p歸納=90時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)如下：每個(gè)晶閘管通120 ，各區(qū)間有兩個(gè)管子導(dǎo)通

8、。p圖3-12 三相全波星形無(wú)中線調(diào)壓電路=90時(shí)的波形 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(méi)有管子導(dǎo)通。p圖3-13 三相全波星形無(wú)中線調(diào)壓電路=120時(shí)的波形 控制角 150時(shí)p150以后，負(fù)載上沒(méi)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)式也不同。 0 6060 9090 150 因此， = 0

9、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(méi)有零線，故無(wú)三次諧波通路，減少了三次諧波對(duì)電源的影響。(2) 三相調(diào)壓電路在電感性負(fù)載時(shí)的工作情況p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。3.2.3 3.2.3 晶閘管交流調(diào)功器和交流開(kāi)關(guān)晶閘管交流調(diào)功器和交流開(kāi)關(guān) 1 晶閘管交流調(diào)功器晶閘管交

10、流調(diào)功器p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(guò)零觸發(fā)的通斷控制方大的高次諧波。為了克服這種缺點(diǎn)，可采用過(guò)零觸發(fā)的通斷控制方式。這種方式的開(kāi)關(guān)對(duì)外界的電磁干擾最小。式。這種方式的開(kāi)關(guān)對(duì)外界的電磁干擾最小。p控制方法如下：在設(shè)定的控制方法如下：在設(shè)定的控制周期控制周期內(nèi)，使晶閘管開(kāi)關(guān)接通幾個(gè)周波內(nèi)，使晶閘管開(kāi)關(guān)接通幾個(gè)周波然后斷開(kāi)幾個(gè)周波，改變通斷時(shí)間比，改變了負(fù)載上的交流平均電然后斷開(kāi)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

11、稱為交流調(diào)功器。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。 p圖圖3-14 過(guò)零觸發(fā)通斷控制時(shí)的輸出電壓波形過(guò)零觸發(fā)通斷控制時(shí)的輸出電壓波形 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）p則調(diào)功器的輸出功率是 （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pUn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p n在設(shè)定周期Tc內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)p因此改變導(dǎo)通周波數(shù)n即可改變電壓和功率。 ncUTnTU ncPTnTP2 晶閘管交流開(kāi)關(guān)晶閘管交流開(kāi)關(guān)p 晶閘管交流開(kāi)關(guān)是一種快速、理想的

12、交流開(kāi)關(guān)。晶閘管交流晶閘管交流開(kāi)關(guān)是一種快速、理想的交流開(kāi)關(guān)。晶閘管交流開(kāi)關(guān)總是在電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷，在關(guān)斷時(shí)不會(huì)因負(fù)載或線路電感開(kāi)關(guān)總是在電流過(guò)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(guò)電壓和電磁干擾，因此特別適用于操作儲(chǔ)存能量而造成暫態(tài)過(guò)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(chǎng)合。頻繁、可逆運(yùn)行及有易燃?xì)怏w、多粉塵的場(chǎng)合。2 2 調(diào)功器的過(guò)零觸發(fā)雖然沒(méi)有移相觸發(fā)時(shí)的高次諧波干擾，但調(diào)功器的過(guò)零觸發(fā)雖然沒(méi)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

13、照明出現(xiàn)人眼能察覺(jué)到的閃爍、電表指針出現(xiàn)搖擺等。干擾，使照明出現(xiàn)人眼能察覺(jué)到的閃爍、電表指針出現(xiàn)搖擺等。所以調(diào)功器通常用于熱慣性較大的電熱負(fù)載。所以調(diào)功器通常用于熱慣性較大的電熱負(fù)載。3.2.4 3.2.4 晶閘管交流調(diào)功器和交流開(kāi)關(guān)晶閘管交流調(diào)功器和交流開(kāi)關(guān) 幾個(gè)概念：交流調(diào)壓和交流調(diào)功及它們的控制方式阻感性負(fù)載，控制角和負(fù)載阻抗角的關(guān)系對(duì)負(fù)載電壓、電流波形的影響三相交流調(diào)壓器件標(biāo)號(hào)與觸發(fā)脈沖相序關(guān)系 小小 結(jié)結(jié)3.3 交-交變頻電路 3.3.1 單相交-交變頻電路 1 基本結(jié)構(gòu)和類型基本結(jié)構(gòu)和類型p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

14、，兩者的工作原理也相似。p圖3-18 單相交-交變頻器的主電路及輸出電壓波形 (1) 方波型交-交變頻器p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。p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p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)。2 工作狀態(tài)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

15、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(fù)。t3 t5期間： io負(fù)半周，反組工作，正組被封鎖。t3 t4 ：uo和io均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正。t4 t5 ： uo反向， io仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)。小結(jié)小結(jié)：哪一組工作由io方向決定，與uo極性無(wú)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 工作原理和波形工作原理和波形p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。p輸出電壓有效值和頻率的調(diào)節(jié)p交-交變頻電路的輸出電壓是由

16、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。p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。2/02/2/2/2/2/0p圖3-20 正弦型交-交變頻器的輸出電壓波形 1OO23456圖4-20uoiowtwt第1段io 0，反組逆變 第2段電流過(guò)零，為無(wú)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(wú)環(huán)流死區(qū) 第6段io 0， uo 0，為反組整流4 輸出正弦波形的獲得方法輸出正弦波形的獲得方法p最常用的方法是余弦交點(diǎn)法，該

17、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。p正弦波型交-交變頻器適合于低頻大功率的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，最高輸出頻率是輸入頻率的1/3或1/2。5輸入輸出特性輸入輸出特性(1) 輸出上限頻率p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(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。一般認(rèn)為，交流電路采用6脈波的三相橋式電路時(shí)，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)p交-交變頻器的輸出是通過(guò)相位控制的方法來(lái)得到的，因此在輸入端需要提供滯后的無(wú)功電流。因?yàn)樵谳敵鲭妷旱囊粋€(gè)周

18、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(diǎn)。6 無(wú)環(huán)流控制及有環(huán)流控制無(wú)環(huán)流控制及有環(huán)流控制p為保證負(fù)載電流反向時(shí)無(wú)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?cè)龃?。為了減小死區(qū)的影響，應(yīng)在確保無(wú)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。p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(wú)環(huán)流方式略有增加，使效率有所降低。 7 單相交單相交-交變頻電路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。p圖3-21 三相半