交流交流變換電路

關(guān)于交流交流變換電路第1頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三5.2、晶閘管交流調(diào)壓器

交流調(diào)壓電路常由晶閘管組成，用于調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。晶閘管交流調(diào)壓器具有體積小、重量輕的特點。輸出是交流電壓，但不是正弦波形，諧波分量大，功率因數(shù)也較低。交流調(diào)壓控制常用相位控制。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。

第2頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三5.2.1、單相交流調(diào)壓電路1、單相調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)和工作原理(電阻性負載)圖5-7（1）電路結(jié)構(gòu)和工作原理波形（2）仿真與實驗波形第3頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

(a)α=30?

(b)α=60?第4頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

(c)α=90?

(d)α=120?單相交流調(diào)壓器帶電阻性負載不同控制角時的仿真和實驗波形第5頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2、單相調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)和工作原理(阻-感負載)圖4-3（1）電路結(jié)構(gòu)和工作原理波形第6頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

（2）電感性負載的工作情況當(dāng)電源電壓反向過零時，由于負載電感產(chǎn)生感應(yīng)電動勢阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時晶閘管導(dǎo)通角θ的大小，不但與控制角α有關(guān)，而且與負載阻抗角φ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，α的最大范圍是。

第7頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

單相交流調(diào)壓可歸納以下三點：①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α可以改變負載電壓有效值。②帶電感性負載時，不能用窄脈沖觸發(fā)，否則當(dāng)α<φ時會發(fā)生有一個晶閘管無法導(dǎo)通的現(xiàn)象，電流出現(xiàn)很大的直流分量。③帶電感性負載時，α的移相范圍為φ~180度

，帶電阻性負載時移相范圍為0

~180度。

第8頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三5.2.3、三相交流調(diào)壓電路

1、負載Y形連接帶中性線的三相交流調(diào)壓電路

圖5-14第9頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

它由3個單相晶閘管交流調(diào)壓器組合而成，其公共點為三相調(diào)壓器中線，每一相可以作為一個單相調(diào)壓器單獨分析，其工作原理和波形與單相交流調(diào)壓相同。

在晶閘管交流調(diào)壓電路中，每相負載電流為正負對稱的缺角正弦波，它包含有較大的奇次諧波電流，3次諧波電流的相位是相同的，中性線的電流為一相3次諧波電流的三倍，且數(shù)值較大，這種電路的應(yīng)用有一定的局限性。

第10頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2、晶閘管與負載連成內(nèi)三角形的三相交流調(diào)壓電路電路優(yōu)點：因晶閘管串接在三角形內(nèi)部，流過的是相電流，在同樣線電流情況下，管子的容量可降低，另外線電流中無3的倍數(shù)次諧波分量。缺點是：只適用于負載是三個分得開的單元的情況，其應(yīng)用范圍有一定的局限性。圖5-15第11頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三3、晶閘管接于Y形負載中性點的三相交流調(diào)壓電路要求負載是三個分得開的單元，從圖中電流波形可見，輸出電流出現(xiàn)正負半周波形不對稱，但其面積是相等的，所以沒有直流分量。此電路使用元件少，觸發(fā)線路簡單，但由于電流波形正負半周不對稱，存在偶次諧波，對電源干擾較大。圖5-16第12頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三4、三對反并聯(lián)晶閘管連成三相三線交流調(diào)壓電路圖5-17第13頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三對觸發(fā)脈沖電路的要求是：①

三相正(或負)觸發(fā)脈沖依次間隔120度，而每一相正、負觸發(fā)脈沖間隔180度。②

為了保證電路起始工作時能兩相同時導(dǎo)通，以及在感性負載和控制角較大時，仍能保持兩相同時導(dǎo)通，與三相全控整流橋一樣，要求采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。③為了保證輸出電壓對稱可調(diào)，應(yīng)保持觸發(fā)脈沖與電源電壓同步。第14頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三（1）三相調(diào)壓電路在純電阻性負載時的工作情況

①控制角α=0o在各相的正半周正向晶閘管導(dǎo)通，而負半周反向晶閘管導(dǎo)通，所以負載上獲得的調(diào)壓電壓仍為完整的正弦波。α=0o時如果忽略晶閘管的管降壓，此時調(diào)壓電路相當(dāng)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。下圖為U相負載電壓波形。歸納α=0o時的導(dǎo)通特點如下：每管持續(xù)導(dǎo)通180o

；每60o區(qū)間有三個晶閘管同時導(dǎo)通。

第15頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=0o時的波形

圖5-18第16頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

②控制角α=30o各相電壓過零30o后觸發(fā)相應(yīng)晶閘管。以U相為例，uU過零變正30o后發(fā)出VT1的觸發(fā)脈沖ug1，uU過零變負30o后發(fā)出VT4的觸發(fā)脈沖ug2

。歸納α=30o時的導(dǎo)通特點如下：每管持續(xù)導(dǎo)通150o

；有的區(qū)間由兩個晶閘管同時導(dǎo)通構(gòu)成兩相流通回路，也有的區(qū)間三個晶閘管同時導(dǎo)通構(gòu)成三相流通回路。

第17頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=30o時的波形

圖5-19第18頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

③控制角α=60oα=60o情況下的具體分析與α=30o相似。下圖是α=60o時的脈沖分配圖、導(dǎo)通區(qū)間和U相負載電壓波形。歸納α=60o時的導(dǎo)通特點如下：每個晶閘管導(dǎo)通120o

；每個區(qū)間由兩個晶閘管構(gòu)成回路。

第19頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=60o時的波形

圖5-20第20頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

④觸發(fā)角α=90o

歸納α=90o時的導(dǎo)通特點如下：每個晶閘管通120o

，各區(qū)間有兩個管子導(dǎo)通。⑤觸發(fā)角α=120o

歸納α=120o時的導(dǎo)通特點如下：每個晶閘管觸發(fā)后通30o，斷30o，再觸發(fā)導(dǎo)通30o；各區(qū)間要么由兩個管子導(dǎo)通構(gòu)成回路，要么沒有管子導(dǎo)通。第21頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三三相全波星形無中線調(diào)壓電路90度時的波形

圖5-21第22頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=120o時的波形

圖5-22第23頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

⑥控制角α≥150o時α>150o以后，負載上沒有交流電壓輸出。當(dāng)Ug1觸發(fā)VT1時，盡管VT6的觸發(fā)脈沖仍存在，但由于uU<uV，即VT1、VT6承受反向電壓，不可能導(dǎo)通，因此輸出電壓為零。因此α=0o時輸出全電壓，α增大則輸出電壓減小，α=150o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。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影響。第24頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三（2）三相調(diào)壓電路在電感性負載時的工作情況三相交流調(diào)壓電路在電感性負載下的情況要比單相電路復(fù)雜得多，很難用數(shù)學(xué)表達式進行描述。從實驗可知，當(dāng)三相交流調(diào)壓電路帶電感性負載時，同樣要求觸發(fā)脈沖為寬脈沖，而脈沖移相范圍為：0≤α≤150o

。隨著α增大則輸出電壓減小。第25頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三5.1、晶閘管交流調(diào)功器和交流開關(guān)交流電力控制電路只改變交流電壓、電流的幅值或?qū)涣麟娐愤M行通斷控制，而不改變交流電的頻率。它包括交流開關(guān)、交流調(diào)功和交流調(diào)壓等；交流電力控制電路主要采用通斷控制或相位控制方式。交流開關(guān)和交流調(diào)功主要采用通斷控制，而交流調(diào)壓通常采用相位控制。1）通斷控制。即把晶閘管作為開關(guān)，將負載與交流電源接通幾個周期，然后再斷開一定周期，通過改變通斷時間比值達到調(diào)壓目的。這種控制方式電路簡單，功率因數(shù)高，適用于較大時間常數(shù)的負載；缺點是輸出電壓或功率調(diào)節(jié)不平滑。2）相位控制。它使晶閘管在電源電壓每一周期內(nèi)選定的時刻將負載與電源接通，改變選定的導(dǎo)通時刻就可達到調(diào)壓的目的。第26頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三1、晶閘管交流調(diào)功器

使晶閘管交流開關(guān)在端電壓為零或零附近瞬間接通，利用管子電流小于維持電流使管子自行關(guān)斷，就可使電路波形為正弦整周期形式，這樣可以避免高次諧波的產(chǎn)生。這種觸發(fā)方式稱為過零觸發(fā)或零觸發(fā)。交流零觸發(fā)開關(guān)對外界的電磁干擾最小。實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的方法如下：在設(shè)定的周期TC內(nèi)，用零電壓開關(guān)接通幾個周波然后斷開幾個周波，改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)的通斷時間比例，可調(diào)節(jié)負載上的交流平均電壓，即可達到調(diào)節(jié)負載功率的目的。這種裝置也稱為調(diào)功器或周波控制器。第27頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

過零觸發(fā)輸出電壓波形圖5-4第28頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

設(shè)在Tc內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)為n，每個周波的周期為T，輸出電壓有效值是 則調(diào)功器的輸出功率是

Pn—設(shè)定周期Tc內(nèi)全部周波導(dǎo)通時裝置輸出的功率。Un—設(shè)定周期Tc內(nèi)全部周波導(dǎo)通時，裝置輸出的電壓有效值

n—在設(shè)定周期Tc內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)改變導(dǎo)通周波數(shù)n即可改變電壓和功率。第29頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

晶閘管交流開關(guān)的基本原理是將兩只反并聯(lián)的普通晶閘管串入交流電路中，替代傳統(tǒng)的機械開關(guān)對電路進行通斷控制。晶閘管交流開關(guān)是一種快速、理想的交流開關(guān)。它總是在電流過零時關(guān)斷，在關(guān)斷時不會因負載或線路電感儲存能量而造成暫態(tài)過電壓和電磁干擾，因此特別適用于操作頻繁、可逆運行及有易燃氣體、多粉塵的場合。2、晶閘管交流開關(guān)第30頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三晶閘管交流調(diào)壓、調(diào)壓、開關(guān)電路應(yīng)用

5.2.2、晶閘管交流調(diào)壓器應(yīng)用電路晶閘管交流調(diào)壓電路廣泛用于工業(yè)加熱、燈光控制、感應(yīng)電動機調(diào)壓調(diào)速以及電焊、電解、電鍍的交流側(cè)調(diào)壓等場合。1、觸發(fā)二極管觸發(fā)的交流調(diào)壓電路圖5-11第31頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2、單結(jié)晶體管觸發(fā)的交流調(diào)壓電路3、KC06觸發(fā)器觸發(fā)的晶閘管交流調(diào)壓電路圖5-12圖5-13第32頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三5.1.2、晶閘管交流調(diào)功器應(yīng)用電路交流調(diào)功器的主電路可用二只普通晶閘管反并聯(lián)或雙向晶閘管組成，下圖為全周波連續(xù)式分立元件組成的過零觸發(fā)電路控制的交流調(diào)功器，它由主電路、鋸齒波產(chǎn)生、信號綜合、直流開關(guān)、過零脈沖輸出以及同步電壓等部分組成。圖5-5第33頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三1、固態(tài)開關(guān)固態(tài)開關(guān)是一種晶閘管交流開關(guān)，是近年發(fā)展起來的一種以雙向晶閘管為基礎(chǔ)的無觸點開關(guān)組件。圖5-15.1.1、晶閘管交流開關(guān)應(yīng)用電路第34頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2、晶閘管交流開關(guān)在電動機控制中的應(yīng)用1）電動機的正反轉(zhuǎn)控制2）電動機的反接制動與能耗制動圖5-2第35頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三5.2.4晶閘管三相交流調(diào)壓應(yīng)用實例KJF系列雙向晶閘管調(diào)壓調(diào)速裝置1.主要技術(shù)指標(biāo)1）控制對象：三相異步電動機、交流輸入三相50Hz，進線電壓380V2）裝置功率：小于40kW3）調(diào)速范圍：5：1左右，對力矩電機可達10：14）穩(wěn)態(tài)精度：靜態(tài)誤差不大于2.5%~5.5%5）控制電壓：0~8V6）交流輸出：交流三相電壓連續(xù)可調(diào)該調(diào)壓裝置既能對異步電動機實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，也能作為工業(yè)加熱、燈光控制用的交流調(diào)壓器。第36頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2.系統(tǒng)原理圖圖5-23第37頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三5.3晶閘管交-交變頻器交-交變頻電路是不通過中間環(huán)節(jié)而把工頻交流電直接變換成不同頻率交流電的變頻電路，故又稱為直接變頻器或周波變換器。因為沒有中間直流環(huán)節(jié)，僅用一次變換就實現(xiàn)了變頻，所以效率較高。目前，自關(guān)斷型變頻器受自關(guān)斷器件容量的限制，功率還不能做得很大。強制關(guān)斷型功率受到換相電容的換相能力限制，同樣功率不能做得很大。而普通晶閘管容量大，價格便宜，自然換相可靠，所以對于大功率變頻器來說，一般采用由普通晶閘管組成的、采用自然換相方式的變頻器。所以，交-交變頻器大多數(shù)由普通晶閘管元件構(gòu)成。第38頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三5.3.1單相交-交變頻電路

1、基本結(jié)構(gòu)和工作原理單相交-交變頻電路由兩組反并聯(lián)的晶閘管整流器構(gòu)成。（1）方波型交-交變頻器圖5-24圖5-25第39頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

（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相同，但其輸出電壓的平均值按正弦規(guī)律變化，克服了方波型變頻器輸出波形諧波成分大的缺點。在正組橋整流工作時，使控制角α從，輸出的平均電壓由低到高再到低變化。而在正組橋逆變工作時，使控制角α從，就可以獲得平均值可變的負向逆變電壓。

第40頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

正弦型交-交變頻器的輸出電壓波形

圖5-26第41頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

交-交變頻器的特點：交-交變頻器由于其直接變換的優(yōu)點：效率較高，可方便地進行可逆運行。主要缺點是：①功率因數(shù)低。②主電路使用晶閘管元件數(shù)目多，控制電路復(fù)雜。③變頻器輸出頻率受到其電網(wǎng)頻率的限制，最大變頻范圍在電網(wǎng)二分之一以下。交-交變頻器一般只適用于球磨機、礦井提升機、電動車輛、大型軋鋼設(shè)備等低速大容量拖動場合。

第42頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三5.3.2三相----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

圖5-27圖5-28第43頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三5.3.3三相交-交變頻電路交-交變頻器主要用于交流調(diào)速系統(tǒng)中，因此實際使用的主要是三相交-交變頻器。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、電路的接線方式三相交-交變頻電路主要有兩種接線方式，即公共交流母線進線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式。第44頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三