交流調(diào)壓和交交變頻

第四章.交流調(diào)壓和交交變頻交流調(diào)壓是指交流電壓幅值的變換（其頻率不變)。交流調(diào)壓有廣泛的應(yīng)用，它在交流調(diào)壓、交流調(diào)功和交流開關(guān)三種交流電力控制器中廣泛應(yīng)用。交流電力控制器通常是指接在交流電源與負(fù)載之間，用以實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓有效值和功率調(diào)節(jié)或開關(guān)控制的電力電子裝置。它們可以采用相位控制或通斷控制，相應(yīng)的裝置也稱為交流調(diào)壓器、交流調(diào)功器和交流電力

開關(guān)。4.1.交流調(diào)壓14.1.1.單相交流調(diào)壓1）.電阻性負(fù)載2輸出有功功率：根據(jù)波形可求得負(fù)載電壓的有效值：式中：Ua是輸入交流電壓的有效值。負(fù)載電流有效值：3有功功率與視在功率（S=UaIR）之比定義為輸入功率因數(shù)λ：輸入功率因數(shù)λ與控制角α的關(guān)系見下圖：42）.電感性負(fù)載交流調(diào)壓電路工作在電感性負(fù)載時(shí)，由于控制角α和負(fù)載阻抗角ψ的關(guān)系不同，晶閘管每半周導(dǎo)通時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的過渡過程，因而出現(xiàn)一些要特別注意的問題。5根據(jù)KVL：i0取決于控制角α和負(fù)載電路參數(shù)R、L.（1）.α＞ψ電路工作于（穩(wěn)定的）周期性的過渡狀態(tài),但電流波形既非正弦又不連續(xù)。67（2）.α=ψ電流直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值。閘管導(dǎo)通角θ=180O，負(fù)載電流波形變成了連續(xù)的正弦波，這種情況輸出電壓達(dá)最大值，即為輸入電壓（忽略晶閘管壓陣），相當(dāng)于晶閘管巳被短接，交流電源直接加于負(fù)載。8（3）.α＜ψ電流衰減到零的時(shí)間拖長．導(dǎo)電角θ＞180O

。a.用窄觸發(fā)脈沖電路如同感性半波整流，只有一個(gè)晶閘管工作。這對變壓器、電機(jī)繞組

一類負(fù)載就會(huì)造成鐵心飽和，或因線圈直流電阻很小．而產(chǎn)生很大的直流電流．燒斷熔斷器，甚至損壞晶閘管。910b.用寬觸發(fā)脈沖：經(jīng)一過渡過程后，電路工作狀態(tài)與α=ψ時(shí)相同。寬脈沖觸發(fā)，晶閘管總有觸發(fā)脈沖，就和二極管一樣了，也就沒有控制了。11根據(jù)以上分析可知α≤ψ時(shí)，晶閘管已不再起調(diào)壓作用；α=ψ時(shí)輸出電壓達(dá)最大值；單相交流調(diào)壓觸發(fā)脈沖的移相范圍為180O－ψ。通常設(shè)計(jì)成把觸發(fā)脈沖后沿固定在π處，使脈沖寬度不越過工作的半波，即τ=180O－α，使脈沖寬度僅隨α而變。124.1.2.三相交流調(diào)壓13圖（a）相當(dāng)三個(gè)單相分別接于相電壓上，不過其零線中會(huì)流過有害的三次諧波（各次三次諧波的代數(shù)和）；圖（b）、（C）、（d）即可用于Y形負(fù)載，也可用于Δ負(fù)載；圖（a）、（b）可獲得三相對稱輸出，圖（C）的三相相輸出不平衡，諧波含量大；圖（d）則正、負(fù)半波不對稱，還會(huì)出現(xiàn)偶次諧波。下面對諧波較小、用得最多的三相全波Y形連接的調(diào)壓電路進(jìn)行分析：14

15由于沒有中線，如同三相全控橋式整流電路一樣，若要負(fù)載通過電流，至少要有兩相構(gòu)成通路。即在三相電路中，至少要有一相正向晶閘管與另一相的反向晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。為了保證在電路工作時(shí)能使兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，要求采用大于60O的寬脈沖或雙脈沖的觸發(fā)電路；為保證輸出電壓三相對稱并有一定的調(diào)節(jié)范圍，要求晶間管的觸發(fā)信號(hào)，除了必須與相應(yīng)的交流電源有一致的相序外，各觸發(fā)信號(hào)之間還必須嚴(yán)格地保持一定的相位關(guān)系。16對圖4.12（a）主電路，要求A．B、C三相電路中正向晶閘管VT1、VT3、VT5的觸發(fā)信號(hào)相位互差120O，反向晶閘管VT4、VT6、VT2、的觸發(fā)信號(hào)相位也互差120O，而同一相中反并聯(lián)的兩個(gè)正、反向晶閘管的觸發(fā)脈沖相位應(yīng)互差180O。各晶閘管觸發(fā)脈沖的序列應(yīng)按VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的次序，相鄰兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)信號(hào)相位差60O。所以原則上，三相全控橋式整流電路的觸發(fā)電路均可用于三相全波交流調(diào)壓。a.α=0O：見圖4.12。17b.α≠0O有時(shí)會(huì)出現(xiàn)三相均有晶閘管導(dǎo)通，有時(shí)只兩相有晶閘管導(dǎo)通。對于前種情況，三相負(fù)載Y連接的中點(diǎn)N與三相電源的中點(diǎn)0等電位；對于后種情況，導(dǎo)通的兩相每相負(fù)載上的電壓為其線電壓的一半，不導(dǎo)通相的負(fù)載電壓為零。下面是不同α角度的交流調(diào)壓波形：18管1沒通，ua=0三相導(dǎo)通，ua=uA

兩相導(dǎo)通，ua=0.5uAB

19α≥60O時(shí)，1脈沖來后，5將關(guān)斷—三相導(dǎo)通時(shí)中點(diǎn)電位為零，故輸出總是線電壓的一半。兩相導(dǎo)通，ua=0.5uAB

202122由以上分析:交流調(diào)壓所得的負(fù)載電壓和電流波形都不是正弦波，且隨著α角增大，負(fù)載電壓相應(yīng)變小，負(fù)載電流開始出現(xiàn)斷續(xù)。負(fù)載為電感性時(shí)，交流調(diào)壓輸出的波形及諧波既與α有關(guān)，也與負(fù)載的阻抗角有關(guān)，分析復(fù)雜。這時(shí)負(fù)載電流和電壓波形也不再同相。23交流調(diào)壓電路采用的是相位控制方式，使電路中出現(xiàn)缺角正弦波形，它包含高次諧波電流并導(dǎo)致電源波形畸變；晶閘管在α?xí)r刻以微秒級(jí)速度導(dǎo)通，電阻負(fù)載時(shí)電流的變化率很大，對電感性負(fù)載，即使電路的電感量很小，也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的反電勢，形成高頻電磁輻射。因此移相觸發(fā)的交流調(diào)壓要求電源容量大大超過裝置容量，或者采取濾波和防干擾措施。244.1.3.異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)(1)無沖擊電流。軟啟動(dòng)器在啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，通過逐漸增大晶閘管導(dǎo)通角，使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流從零線性上升至設(shè)定值。(2)恒流啟動(dòng)。軟啟動(dòng)器可以引入電流閉環(huán)控制，使電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中保持恒流，確保電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。（3）電壓斜坡起動(dòng)。輸出電壓以斜坡線性上升，使傳統(tǒng)降壓起動(dòng)由有級(jí)變無級(jí)，主要用于重載起動(dòng)(4)根據(jù)負(fù)載情況及電網(wǎng)繼電保護(hù)特性選擇，可自由地?zé)o級(jí)調(diào)整至最佳的啟動(dòng)電流。254.1.4.晶閘管調(diào)功器交流調(diào)功器的主電路與交流調(diào)壓一樣，但采用的是通斷控制。這種控制方式是在設(shè)定的周期范圍內(nèi)，將電路接通幾個(gè)周波，然后斷開幾個(gè)周波，通過改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通斷周波的比例，來調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的功率。這種方式相當(dāng)于相位控制時(shí)的α=0O，所以也稱為“零觸發(fā)”。由于晶閘管是在電源電壓過零時(shí)就被觸發(fā)導(dǎo)通，所以負(fù)載上得到的是完整的正弦波，調(diào)節(jié)的是在設(shè)定周期內(nèi)的通斷比（亦稱占空比）。對感性負(fù)載，為了防止過大的暫態(tài)電流，有時(shí)也采用電流過零觸發(fā)。26過零觸發(fā)可以有全周波連續(xù)式和全周波間隔式兩種，分別如圖4.14（a）和（b）所示。27圖中TC為設(shè)定的周期，它是交流電源周期T的整數(shù)倍，N為TC內(nèi)的導(dǎo)通周波數(shù)．則調(diào)功器的輸出電壓有效值：輸出功率：式中：Un和Pn為設(shè)定周期TC內(nèi)全部周波都導(dǎo)通時(shí)的輸出有效值電壓和輸出功率。可見，只要改變導(dǎo)通周波數(shù)見就可改變輸出電壓和功率。28調(diào)功器觸發(fā)電路構(gòu)成框圖如下圖所示：29由波形圖可知，只要改變ur的大小就可改變S的閉合時(shí)間，從而控制加于晶閘管的脈沖數(shù)量。通斷控制方式晶閘管在電壓過零的瞬間開通，波形為正弦，電網(wǎng)功率因數(shù)高，克服了相位

控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波干擾的缺點(diǎn)。但調(diào)功器輸出電壓為斷續(xù)波，只適用于有較大時(shí)間常數(shù)的負(fù)載，而且晶閘管導(dǎo)通時(shí)間是以交流電的周期為基本單位，所以輸出電壓和功率的調(diào)節(jié)不太平滑。304.1.5.雙向晶閘管交流電力控制器中反并聯(lián)的兩只普通晶閘管可由雙向晶閘管（Triac）來代替。雙向晶閘管有兩個(gè)主電極（稱第1陽極T1，第2陽極T2）和一個(gè)門極G，在門極同側(cè)的第2陽極又稱參考電極，門極觸發(fā)電位以參考電極為基準(zhǔn)。雙向晶閘管在主電極正、反兩個(gè)方向，門極加正、負(fù)脈沖都能觸發(fā)導(dǎo)通，陽極伏安特性在

Ⅰ、Ⅲ象限對稱，共有4種觸發(fā)方式：Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+、Ⅲ-。3132四種觸發(fā)方式的靈敏度各不相同，其中Ⅲ+方式最低。在實(shí)際使用中，當(dāng)用直流或同向門極信號(hào)觸發(fā)時(shí)，宜用Ⅰ-、Ⅲ-方式（即用負(fù)門極信號(hào)觸

發(fā)），而用交流門極信號(hào)觸發(fā)時(shí)，宜用Ⅰ+、Ⅲ-方式。雙向晶閘管不論從結(jié)構(gòu)還是從特性，都可把它看成是一對反并聯(lián)的普通晶閘管。由于只有一個(gè)門極，且正負(fù)脈沖均能觸發(fā)，所以在交流開關(guān)和交流調(diào)壓應(yīng)用中能使主電路大大筒化，觸發(fā)電路設(shè)計(jì)也比較靈話。

33由于雙向晶閘管常用在交流電路中，所以額定通態(tài)電流不用平均值表示，而是以交流電流有效值表示，這點(diǎn)與普通晶閘管不同。例如，l00A的雙向晶閘管，其峰值電流為141A，而普通晶閘管的通態(tài)電流是以正弦半波平均值表示，一個(gè)峰值電流為14lA的正弦半波電流，它的平均值為141／π=45A。可見，一個(gè)100A的雙向晶閘管與兩個(gè)反并聯(lián)45A的普通晶閘管電流容量相當(dāng)。雙向晶閘管使用時(shí)承受正反兩個(gè)半波的電壓和電流，其重新施加du/dt的能力較差。關(guān)斷時(shí)間也較長。34雙向晶閘管工作時(shí)，由于正反向的觸發(fā)靈敏度不同，可能會(huì)出現(xiàn)正負(fù)電流波形不對稱，存在直流分量，因此，最好采用強(qiáng)觸發(fā)。雙向晶閘管器件參數(shù)的含義與普通晶閘管相同。354.2.交交變頻器364.2.交交變頻器交交變頻器是將固定頻率的交流電直接變成所需頻率的交流電，不需要中間的直流環(huán)節(jié)，而是一種直接變換器，亦稱周波變流器。交交變頻器依據(jù)相位控制角α的不同規(guī)律，其輸出可獲得正弦波、方波或梯形波，這里僅對正弦波交交變頻器作一介紹。

37正弦波交交變頻器已知，利用兩套反并聯(lián)晶閘管變流裝置，適當(dāng)對正反組進(jìn)行控制，在負(fù)載上就能獲得交變的輸出電壓uO，uO的幅值決定于整流裝置的相控角α，uO的頻率決定于兩組整流裝置的轉(zhuǎn)換頻率；變頻和調(diào)壓均由變頻器本身完成。

381）.如下圖，按一定規(guī)律控制正組P和反組N變流器的工作，在電感感性負(fù)載下，假設(shè)可得到正弦的負(fù)載電壓和電流波形。當(dāng)電流、電壓極性相同時(shí)，瞬時(shí)功率為正，變流器工作在整流狀態(tài)，功率從交流電網(wǎng)送入負(fù)載；反之，瞬時(shí)功率是負(fù)的，變流器工作在逆變狀態(tài)，吸收電能，功率被送回電網(wǎng)。392）.單相全波電路單相交交變頻器1→3→1→31→2→4→34041423）.三相半波電路無環(huán)流電路的單相交交變頻器4344

交交變頻器多由三相電網(wǎng)供電，只要電網(wǎng)頻率相對輸出頻率高出許多倍，便可得到由低到高，再由高到低接近正弦規(guī)律變化的交流輸出。圖5.59是電感性負(fù)載有最大輸出電壓時(shí)的波形，其周期為電網(wǎng)周期的五倍，電流滯后電壓，正反組均出現(xiàn)逆變狀態(tài)。輸出電壓波形是在每一電網(wǎng)周期控制相應(yīng)晶閘管開關(guān)在適當(dāng)時(shí)刻導(dǎo)通和阻斷，以便從輸入波形區(qū)段上建造起低頻輸出波形，或者通俗地說，輸出電壓是由交流電網(wǎng)電壓若干線段“拼湊”起來的。而且，輸出頻率相對輸入頻率比愈低和相數(shù)愈多，則輸出波形諧波含量就愈少。454）.三相一三相交交變頻電路464748由于電網(wǎng)電壓是交變的，當(dāng)用晶閘管作開關(guān)器件時(shí)，適當(dāng)安排觸發(fā)脈沖可使它承受反壓而關(guān)斷，所以大多數(shù)交交變頻電路可以采用電網(wǎng)換流。由于采用相位控制，晶閘管的觸發(fā)脈沖總是滯后，所以不論是電阻負(fù)載、電感負(fù)載或電容性負(fù)載，交流電源輸入電流總是滯后于相應(yīng)的電壓。用半控型器件晶閘管組成的交交變頻器最高輸出頻率一般不超過電網(wǎng)頻率的l／3－1／2（視整流相數(shù)而定），否則輸出波形畸變太大，會(huì)降低裝置的效率和功率因數(shù)。49交交變頻器的控制也有電壓控制型和電流控制型兩種。電壓型變頻器的輸出是電壓，其輸出電壓跟隨給定信號(hào)變化，受負(fù)載電流變化影響小；電流型變頻器的輸出是電流，其輸出電流跟隨給定信號(hào)變化，受負(fù)載電壓變化影響小。電壓源型變頻器容易實(shí)現(xiàn)電壓控制。余弦交點(diǎn)法是常用的方法之一。其移相角控制的規(guī)律，應(yīng)使得整流輸出電壓的瞬時(shí)值最接近于理想正弦電壓的瞬時(shí)值，即使得每一瞬時(shí)整流電壓值和理想輸出電壓相等。而整流輸出電壓Udo是由延遲角α的余弦cosα決定的，即晶閘管

整流裝置的平均輸出電壓：505152下圖是一種使兩組按間歇方式工作的交交變頻器控制框圖。由期望輸出正弦波與余弦同步信號(hào)的交點(diǎn)建立時(shí)基信號(hào)送到正反組觸發(fā)電路。電流檢測作禁止信號(hào)，即一組電流尚在流過時(shí)，另一組不得導(dǎo)通。53交交變頻與直交變頻相比，省去了中間直流環(huán)節(jié)和換流電路，減少了損耗，因而效率高；可運(yùn)行于整流和逆變兩種工作狀態(tài)，用于電機(jī)調(diào)速很容易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。但用晶閘管作功率開關(guān)器件時(shí)，其最高頻率受輸出電流諧波及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的限制（三相交交變頻器一般不能超過電網(wǎng)頻率的1/3），功率因數(shù)低，主回路器件數(shù)量多，故適用于低速、大容量的場合。采用交交變頻時(shí)，容量分別由三相可逆整流裝置承擔(dān)，在每個(gè)整流臂中就可能無須并聯(lián)器件。54習(xí)題和思考題1.題4.1、4.2、4.3、4.4（能說明雙向可控硅的符號(hào)、觸發(fā)、導(dǎo)通方式）、4.10、4.11、4.13。55穩(wěn)壓模塊

一、產(chǎn)品概述

晶閘管智能控制穩(wěn)壓模塊，內(nèi)含自動(dòng)調(diào)節(jié)電路、晶閘管和移相觸發(fā)電路，電壓采樣、穩(wěn)壓調(diào)整電路，具有對負(fù)載進(jìn)行調(diào)壓及穩(wěn)壓的功能。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

1、工藝先進(jìn)，質(zhì)量可靠

采用DCB（陶瓷覆銅）工藝，配合國外可靠的芯片，精心制作，熱循環(huán)負(fù)載次數(shù)達(dá)萬次以上，使用壽命長。

2、使用安全方便

⑴、采用0～10V（或0～12V）直流信號(hào)，即可對輸出電壓進(jìn)行平滑調(diào)節(jié),也可對穩(wěn)定電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

56⑵、可手動(dòng)、儀表和微機(jī)控制。⑶、觸發(fā)電路系統(tǒng)、晶閘管、導(dǎo)熱底板相互絕緣隔離，介電強(qiáng)度大于2500V。

⑷、三相模塊交流輸入端無相序限制。

⑸、適應(yīng)于阻性、感性、容性負(fù)載。

二、產(chǎn)品類別

晶閘管智能控制穩(wěn)壓模塊分兩種：通用式穩(wěn)壓模塊和專用式穩(wěn)壓模塊。

通用式穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓精度在3％以內(nèi)，專用式穩(wěn)壓模塊由于可以對特定電壓進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，電壓采樣精度高，穩(wěn)壓精度要高于通用式穩(wěn)壓模塊。通用式穩(wěn)壓模塊的規(guī)格、型號(hào)詳見表1－表2

57三相整流穩(wěn)壓模塊

MZKS－ZL－WY－24002400A450VMZKS－ZL－WY－18001800A450VMZKS－ZL－WY－12001200A450VMZKS－ZL－WY－800800A450VMZKS－ZL－WY－600600A450VMZKS－ZL－WY－400400A450VMZKS－ZL－WY－200200A450VMZKS－ZL－WY－100100A450VMZKS－ZL－WY－5050A450VMZKS－ZL－WY－2525A450V58

調(diào)功模塊

一、產(chǎn)品簡介

1、產(chǎn)品用途

廣泛應(yīng)用于調(diào)功，工業(yè)調(diào)溫及各種交流開關(guān)等用電場合。

2、產(chǎn)品特點(diǎn)

⑴、采用DCB（陶瓷覆銅）工藝，配合國外可靠芯片，精心制作。熱循環(huán)負(fù)載次數(shù)達(dá)萬次以上，使用壽命長。

⑵、采用過零觸發(fā)形式。

⑶、觸發(fā)電路、晶閘管、導(dǎo)熱底板互相絕緣隔離，介電強(qiáng)度大于2500V。591、模塊內(nèi)部電聯(lián)接形式

圖1

三相調(diào)功A模塊

60圖2單相調(diào)功A模塊61

SXTY三相交流調(diào)壓（閉環(huán)）觸發(fā)板用于三相交流調(diào)壓系統(tǒng)中可控硅的移相觸發(fā)單元，該觸發(fā)板含有同步信號(hào)檢測、閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器及脈沖變壓器輸出單元。可構(gòu)成具有穩(wěn)壓輸出功能的三相交流調(diào)壓系統(tǒng)。

SXTY三相交流調(diào)壓板技術(shù)參數(shù)

621、交流輸入電壓：雙18V（AC，50Hz）；輸入電流≤200mA；

2、主回路額定工作電壓：380V（AC，50Hz）；

3、三相同步信號(hào)輸入范圍：線電壓30V；輸入電流≤5mA；

4、觸發(fā)脈沖寬度：1.5mS；

5、脈沖移相范圍：0～180°；

6、輸入直流控制電壓：0～10V；輸入電流≤1mA；

7、各相脈沖不均衡度：＜±3°；

8、手動(dòng)控制電位器：10KΩ；

9、電壓反饋參數(shù)：交流反饋電壓輸入≤10VAC；

10、工作環(huán)境：環(huán)境溫度：—10℃～+45℃；

環(huán)境濕度：≤80﹪。

63SXTY三相交流調(diào)壓板的工作原理

SXTY三相交流調(diào)壓（閉環(huán)）觸發(fā)板采用高性能移相觸發(fā)電路TC787。是集同步信號(hào)檢測、閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器及脈沖變壓器輸出單元于一體，具有恒壓輸出功能的三相交流調(diào)壓系統(tǒng)的觸發(fā)控制單元。

.該觸發(fā)板的同步信號(hào)輸入，取自于與主回路同相的交流信號(hào)（信號(hào)輸入范圍：線電壓30VAC，50Hz）。移相控制電壓在0～10V范圍內(nèi)變化時(shí)，其輸出電壓將在0V～全壓范圍內(nèi)有相應(yīng)