交流变换电路

1、第三章 交流变换电路第一节 概述一、交流变换电路交流变换电路：一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路，可改变电压、电流、频率和相数等。交流电力控制电路：只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率；包括：1. 交流调压电路相位控制（或斩控式）；2. 交流调功电路及交流无触点开关通断控制。变频电路：改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的；交交变频电路：直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，属于直接变频电路；主要变频电路：1. 晶闸管交-交变频电路2. 矩阵式变频电路3. 交-直-交变频电路：先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频电路。二、交流电

2、力控制电路v两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管就可控制交流电力；v交流调压电路 每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值；v交流调功电路 以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值；v交流电力电子开关并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路。三、相控调压电路 相位控制交流调压又称相控调压，是交流调压中的基本控制方式，应用最广。 交流调压器的输出仍是同频率的交流电，原则上可应用于一切需要调压的交流负载上，也可通过变压器再调压。交流调压器是通过改变电压波形来实现调压的，因此输出的电压波形不再是完整的正弦波，谐波分量较大。从调压器输入

3、端所观察到的调压器及其负载的总体功率因数也随着输出电压的降低而降低。但这种交流调压器控制方便、体积小、投资省，因此广泛应用于需调温的工频加热、灯光调节及风机、泵类负载的异步电机调速等场合。 本章主要分析相控式交流调压电路。第二节 单相交流调压电路分析一、理想条件假定1）交流电源为恒频、恒压正弦波2）晶闸管具有理想开关特性3）负载为纯电阻4）忽略电路的引线电感5）电路工作已达稳态二、理想条件下单相交流调压电路分析1）工作原理v在 u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a 进行控制就可以调节输出电压；v正负半周a 起始时刻（a =0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a 相等；v负载

4、电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同。2）数量关系 负载电压有效值（正负半波对称）： 负载电流有效值： 晶闸管电流有效值（每个晶闸管流过半个波形）： 晶闸管电流平均值（每个晶闸管流过半个波形）：功率因数：输出电压与a 的关系: 移相范围为0 a 。 a = 0 时，输出电压为最大， Uo=U1。随a的增大，Uo 降低， a =时， Uo =0。与a 的关系： a = 0时，功率因数= 1， a 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低。3）谐波问题（简单了解）： 从波形可以看出，谐波含量与a 有关。三、感性负载下单相交流调压电路分析1、 基本电路（图3-1a

5、）2、 电路波形分析（图3-4）（1）时，ug1> 0、 uak1 > 0，VT1导通电流 i 从零开始增长， uVT10，输出电压 ，电感电压 逐步减小，在电流过最大值以后电压反向。 （2）时，电网电压过零，由于电感的续流作用，晶闸管继续导通， uVT10，输出电压 ，电感电压继续反向增大。（3）时，电流过零，晶闸管关断， uVT1 = u2 =0 输出电压 u 0。（4）时， ug4> 0、 uak4 > 0，VT4导通，开始负半周的工作，其过程与正半周相同。3、导电角分析以正半周为例分析：VT1导通，VT4关断。当时，有i0 = 0，可得：对于一定的a有： 即（3

6、-10）式当 时，i0 = 0，可以得到：对于特定a和，曲线图如图3-5 考虑器件最大导电角，代入上式可得： 结论：1） 时，输出电流临界连续，a角开始失去控制作用。2） 时，输出电流连续，导电角始终，a角失去控制作用。3） 时，输出电流断续，a角有控制作用，a与导电角 关系如图3-5。4、输出电流导通时：其余时间：i0 = 0有效值： 其中为标幺值，其与a关系如图3-6表示： 1） 时， 受控于a，电流可调 2） 时， 与a无关，电流连续为I 第三节 理想条件下三相交流调压电路分析一、理想条件假定1）三相电网为恒频、恒压和对称正弦波2）纯电阻负载，Y型联结，RA=RB=RC=R3）晶闸管具有

7、理想开关特性4）忽略电路寄生电感5）电路已达到稳态二、理想条件下三相交流调压电路分析1、晶闸管脉冲分布要求 晶闸管的脉冲分布由电路结构决定，根据图3-7可以分析： 1）VT1、VT4，VT3、VT6，VT5、VT2分别反向并联，门极脉冲互差180º 2）由于A、B、C各相电压相差为120º，各正向器件之间和各反向器件之间脉冲相差120º，因此各脉冲构成的序列依次相差60º。 3）观察电路结构，至少有两相导通才能构成回路，因此脉宽至少60º，最大为180º。 4）为防止器件承受反压时出现门极脉冲，控制脉冲后沿固定在相电压过零处，由于a角

8、可变，脉冲宽度为（180º- a），是前沿可变后沿固定的脉冲。注意：a）根据3）和4）的要求，脉冲控制角度范围为120º，实际情况可突破，对应于第4）条，元件反压时实际可以存在脉冲，因此控制脉冲宽度可以相应展宽。b）a角的计算以相电压正向过零点为起点。c）控制脉冲与电路形式关联，不同电路有不同要求。2、电路运行状态类型分析a）三相均导通，图3-8a VT1、VT4、VT3、VT6、VT5、VT2都导通，晶闸管管压降 uaN = uAO ubN = uBO ucN = uCO iA = uAO/ R uNO = 0Vb）两相导通，一相断开，图3-8b VT1、VT4、VT3、

9、VT6导通，晶闸管管压降，VT5、VT2关断，晶闸管管压降 u = uCO-（uAO+ uBO）/2 = 3 uCO/2， uaN = uAB/2 ， ucN = 0 V ubN =- uAB/2= uBA/2 ， iA = uAB/ 2R , uNO =（ uAO+ uBO）/2 = -uCO/2 以上分析见表3-1，其余状态分析类似（作为自学）。3、a = 0时工作状态分析（注：与等效）条件：1）自然换流点（a = 0）产生触发脉冲，自然换流点判别方法同第二章，自然换流点在各相电压波形过零点。 2）桥臂端相电压正向过零时触发单号晶闸管，相电压反向过零时触发双号晶闸管。触发脉冲规律：1）RS

10、 Ug1>0 ；ST Ug3>0 ；TR Ug5>0UV Ug2>0 ；VW Ug4>0 ；WU Ug6>0 2）脉冲宽度1800，相邻序号脉冲相差600。状态：1）RU时刻，、，、，假定，则VT1、VT6导通，由于此前uC正向过零时，此时VT5仍导通，由于A、B、C三均导通，三相电压同时输出，N点电位为零，前面的假定成立。由于为纯电阻负载，晶闸管电流波形与电压波形相似。 2）US时刻，、，、，由于，VT1、VT2导通，此前VT6导通，由于电压极性不变，仍维持导通。三相电压同时输出，N点电位仍然维持为零，由于为纯电阻负载，晶闸管电流波形与电压波形相似。 其余

11、各点的波形分析方法类似。特点：1）晶闸管电流自然过零，无叠流现象-自然换流 2）晶闸管关断的反压是电网电压-电源换流 3）任意瞬间三个器件导通，三相输出均衡 4）器件导通角180º，反压时间10mS，可以可靠关断 5）每隔60º在自然换流点产生转换 6）输出电压、电流最大4、a = 30º 工作状态分析（脉冲条件同a = 0状态）（注：与等效）1）1） RU时刻，、，假定，则VT1导通，此前uC正向过零时，此时VT5仍导通，同理VT6亦维持导通。三相电压同时输出，N点电压为零，前面假定成立。由于为纯电阻负载，晶闸管电流波形与电压波形相似，A相负载电压为A相电压，电

12、流波形也一样（图中RU区间）。2）UU时刻，、，由于，则VT5承受反压关断，关断后N点电位改变为（uA+uB）/2，大于uC，VT5继续反压，可靠关断；由于，VT1、VT6继续导通，A相负载电压为uAB/2，电流波形也一样（图中UU区间）。 3）US时刻，、，由于，VT2承受正压，VT2开始导通，导致，则VT1、VT6继续可以导通，三相电压同时输出，N点电压维持为零。其他区间的分析类似，图c展示A相电压波形，图d展示N点电位uNO，图e展示A相电流，图f 展示A相晶闸管的波形。类似可以分析a = 60º 状态（图g）。特点：1）区间，电路具有两种运行状态，每隔30º交替变化

13、，电流波形有断续。2）不同状态的电流变化规律不同，电流有效值与a值相关，a增大，电流有效值减小。2） 电路处于三相导通状态的时间与a有关，当时只有两相导通状态，无三相导通状态。 （相关电流值的计算，仅要求了解具体计算方法）5、a = 90º 工作状态分析（脉冲条件同a = 0状态）（注：与等效）1）RS时刻，、，、，假定，则VT1、VT6导通，此前uC正向过零后90º 时，此时VT5反压关断，因此前面假定不成立，VT5处于关断状态。由于，VT1、VT6导通，A相负载电压为uAB/2 (图c)，B相负载电压为-uAB/2 (图d)，N点电位。3） 由于，上述状态延续到U，此后

14、uA< uB，VT1、VT6关断，此时、uC< uA，VT1、VT2导通，N点电位，由于，VT6承受反压可靠关断。 A相负载电压为UAC/2 (图c)，B相负载电压为0 (图d)。此种状态延续到S时刻。其余状态类似分析。特点：（ 60º< a<90º）1） 在60º< a<90º区间，任意时刻只有两相导通，每一器件导通角为120º。2）每一组正反器件换流间隔为60º。3）a增加，器件反压峰值加大，最大为相电压峰值的1.5倍。4）输出电压、电流有效值随a增加而减小。6、a = 120º 工作状态分析（注：与等效，教材中图312有误，U、V、W位置应前移300）1）R 时刻，、，VT1、VT6导通、R之前VT5可能导通，但由于， VT5关断，A相负载电压为uAB/2，B相负载电压为-uAB/2，N点电位uNO=(uA+ uB)/