第5章 交流-交流變換電路

第5章交流-交流變換電路本章要點(diǎn)交流開關(guān)、交流調(diào)功和交流電壓調(diào)節(jié)的基本工作原理和應(yīng)用電路分析；相位控制和通斷控制的概念；不同負(fù)載時(shí)，單相和三相交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析；單相和三相交-交變頻電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理。5.1交流電力控制電路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(jìn)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即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(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期，然后再斷開一定周期，通過改變通斷時(shí)間比值達(dá)到調(diào)壓目的。這種控制方式電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)高，適用于較大時(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。它使晶閘管在電源電壓每一周期內(nèi)選定的時(shí)刻將負(fù)載與電源接通，改變選定的導(dǎo)通時(shí)刻就可達(dá)到調(diào)壓的目的。5.1.1晶閘管交流開關(guān)及其應(yīng)用

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(jī)械開關(guān)對(duì)電路進(jìn)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(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。1、晶閘管交流開關(guān)的基本型式

晶閘管交流開關(guān)的特點(diǎn)是：門極毫安級(jí)電流的通斷，可控制晶閘管陽極幾十到幾百安培大電流的通斷。晶閘管在承受正半周電壓時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，在電源過零后的負(fù)半周在管子上施加反壓而使其自然關(guān)斷。常見的幾種晶閘管交流開關(guān)型式如下圖所示。

2、固態(tài)開關(guān)固態(tài)開關(guān)是一種晶閘管交流開關(guān)，是近年迅速發(fā)展起來的一種固態(tài)無觸點(diǎn)開關(guān)。它包括固態(tài)繼電器和固態(tài)接觸器,是一種以雙向晶閘管為基礎(chǔ)構(gòu)成的無觸點(diǎn)開關(guān)組件。3、晶閘管交流開關(guān)的應(yīng)用1）電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制2）電動(dòng)機(jī)的反接制動(dòng)與能耗制動(dòng)5.1.2晶閘管交流調(diào)功器及其應(yīng)用

1、晶閘管交流調(diào)功器的原理如果使晶閘管交流開關(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(duì)外界的電磁干擾最小。用交流零觸發(fā)開關(guān)實(shí)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(gè)周波然后斷開幾個(gè)周波，改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)的通斷時(shí)間比例，可調(diào)節(jié)負(fù)載上的交流平均電壓，即可達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載功率的目的。這種裝置也稱為調(diào)功器或周波控制器。

過零觸發(fā)輸出電壓波形

上圖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 則調(diào)功器的輸出功率是

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。Un—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

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。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(hào)綜合、直流開關(guān)、過零脈沖輸出以及同步電壓等部分組成。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(diǎn)。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(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。

5.2.1單相交流調(diào)壓電路1、電阻性負(fù)載的工作情況負(fù)載上交流電壓有效值U與控制角α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~π。

2、電感性負(fù)載的工作情況當(dāng)電源電壓反向過零時(shí)，由于負(fù)載電感產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時(shí)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(fù)載阻抗角φ有關(guān)。兩只晶閘管門極的起始控制點(diǎn)分別定在電源電壓每個(gè)半周的起始點(diǎn)，α的最大范圍是。

單相交流調(diào)壓器電感性負(fù)載時(shí)的主電路和輸出波形

當(dāng)控制角為α?xí)r，Ug1

觸發(fā)VT1導(dǎo)通，流過VT1管的電流i2有兩個(gè)分量，即強(qiáng)制分量iB與自由分量iS，其強(qiáng)制分量為式中其自由分量為式中τ—自由分量衰減時(shí)間常數(shù)，流過晶閘管的電流即負(fù)載電流為當(dāng)α>φ時(shí)，電壓、電流波形如上圖所示。隨著電源電流下降過零進(jìn)入負(fù)半周，電路中的電感儲(chǔ)藏的能量釋放完畢，電流到零，VT1管才關(guān)斷。在ωt=0時(shí)觸發(fā)管子，ωt=

θ時(shí)管子關(guān)斷，可得當(dāng)取不同的φ角時(shí)，θ=f(α)的曲線如圖所示

單相交流調(diào)壓可歸納以下三點(diǎn)：

①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α可以改變負(fù)載電壓有效值。

②帶電感性負(fù)載時(shí)，不能用窄脈沖觸發(fā)，否則當(dāng)α<φ時(shí)會(huì)發(fā)生有一個(gè)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(fù)載時(shí)，α的移相范圍為φ~180度

，帶電阻性負(fù)載時(shí)移相范圍為0

~180度。

5.2.2單相交流調(diào)壓應(yīng)用電路晶閘管單相交流調(diào)壓電路廣泛用于工業(yè)加熱、燈光控制、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)u2調(diào)壓調(diào)速以及電焊、電解、電鍍的交流側(cè)調(diào)壓等場(chǎng)合。單相交流調(diào)壓用于小功率調(diào)節(jié)，廣泛用于民用電氣控制。1、觸發(fā)二極管觸發(fā)的交流調(diào)壓電路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5.2.3三相交流調(diào)壓電路

1、負(fù)載Y形連接帶中性線的三相交流調(diào)壓電路

它由3個(gè)單相晶閘管交流調(diào)壓器組合而成，其公共點(diǎn)為三相調(diào)壓器中線，每一相可以作為一個(gè)單相調(diào)壓器單獨(dú)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(fù)載電流為正負(fù)對(duì)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。

2、晶閘管與負(fù)載連成內(nèi)三角形的三相交流調(diào)壓電路電路優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)是：只適用于負(fù)載是三個(gè)分得開的單元的情況，其應(yīng)用范圍有一定的局限性。3、晶閘管接于Y形負(fù)載中性點(diǎn)的三相交流調(diào)壓電路電路如上圖，它要求負(fù)載是三個(gè)分得開的單元，從圖中電流波形可見，輸出電流出現(xiàn)正負(fù)半周波形不對(duì)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(jiǎn)單，但由于電流波形正負(fù)半周不對(duì)稱，故存在偶次諧波，對(duì)電源影響與干擾較大。4、三對(duì)反并聯(lián)晶閘管連成三相三線交流調(diào)壓電路對(duì)觸發(fā)脈沖電路的要求是：①

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

為了保證電路起始工作時(shí)能兩相同時(shí)導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載和控制角較大時(shí)，仍能保持兩相同時(shí)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(duì)稱可調(diào)，應(yīng)保持觸發(fā)脈沖與電源電壓同步。（1）三相調(diào)壓電路在純電阻性負(fù)載時(shí)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(fù)半周反向晶閘管導(dǎo)通，所以負(fù)載上獲得的調(diào)壓電壓仍為完整的正弦波。α=0o時(shí)如果忽略晶閘管的管降壓，此時(shí)調(diào)壓電路相當(dāng)于一般的三相交流電路，加到其負(fù)載上的電壓是額定電源電壓。下圖為U相負(fù)載電壓波形。歸納α=0o時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)如下：每管持續(xù)導(dǎo)通180o

；每60o區(qū)間有三個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=0o時(shí)的波形

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(fù)30o后發(fā)出VT4的觸發(fā)脈沖ug2

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

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

三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=30o時(shí)的波形

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(shí)的脈沖分配圖、導(dǎo)通區(qū)間和U相負(fù)載電壓波形。歸納α=60o時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)如下：每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120o

；每個(gè)區(qū)間由兩個(gè)晶閘管構(gòu)成回路。

三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=60o時(shí)的波形

④觸發(fā)角α=90o歸納α=90o時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)如下：每個(gè)晶閘管通120o

，各區(qū)間有兩個(gè)管子導(dǎo)通。

⑤觸發(fā)角α=120o

歸納α=120o時(shí)的導(dǎo)通特點(diǎn)如下：每個(gè)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(gè)管子導(dǎo)通構(gòu)成回路，要么沒有管子導(dǎo)通。三相全波星形無中線調(diào)壓電路90度時(shí)的波形

三相全波星形無中線調(diào)壓電路α=120o時(shí)的波形

⑥控制角α≥150o時(shí)α>150o以后，負(fù)載上沒有交流電壓輸出。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(shí)輸出全電壓，α增大則輸出電壓減小，α=150o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。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(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：0≤α≤150o

。隨著α增大則輸出電壓減小。

5.2.4三相交流調(diào)壓應(yīng)用電路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(duì)象：三相異步電動(dòng)機(jī)、交流輸入三相50Hz，進(jìn)線電壓380V2）裝置功率：小于40kW3）調(diào)速范圍：5：1左右，對(duì)力矩電機(jī)可達(dá)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(duì)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)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。2.系統(tǒng)原理圖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?yàn)闆]有中間直流環(huán)節(jié)，僅用一次變換就實(shí)現(xiàn)了變頻，所以效率較高。大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所用的變頻器主要是交-交變頻器。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(qiáng)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(jià)格便宜，自然換相可靠，所以對(duì)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。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

（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(diǎn)。在正組橋整流工作時(shí)，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(shí)，使控制角α從

，就可以獲得平均值可變的負(fù)向逆變電壓。

正弦型交-交變頻器的輸出電壓波形

2、輸出正弦波形的獲得方法常用的方法是余弦交點(diǎn)法，該方法的原則是：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。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。

3、輸出電壓有效值和頻率的調(diào)節(jié)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(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。使控制角從，改變?chǔ)?，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?chǔ)磷兓乃俾?，也就改變了輸出電壓的頻率。

4、無環(huán)流控制及有環(huán)流控制為保證負(fù)載電流反向時(shí)無環(huán)流，系統(tǒng)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)，應(yīng)在確保無環(huán)流的前提下盡量縮短死區(qū)時(shí)間。另外，在負(fù)載電流斷續(xù)時(shí)，相同α角時(shí)的輸出電壓被抬高，這也造成輸出波形的畸變。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α1和反組觸發(fā)角α2保持α1+α2=180o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環(huán)流方式略有增加，使效率有所降低。

交-交變頻器的特點(diǎn)：交-交變頻器由于其直接變換的優(yōu)點(diǎn)：效率較高，可方便地進(jìn)行可逆運(yùn)行。主要缺點(diǎn)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