第3章电力电子技术王云亮第三版

1、第3章 交-交变换器 3.1 简介 晶闸管单相和三相交流调压器 交-交变频器 交-交(AC-AC)变换器的应用 交流调压电路是将固定的交流电变换成输出电压有效值变化的交流电的装置。 控制方法： (1) 相位控制 它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时刻将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。 (2)通断控制 即把晶闸管作为开关，通过改变通断时间比值达到调压的目的。这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于有较大时间常数的负载；缺点是输出电压或功率调节不平滑。 (3) 斩波控制 利用开关管的开关作用，以远高于交流电频率的频率，通过改变导通比，改变输出的交流电有效值，达到调压的目的。

2、开关管应采用全控型电力电子器件。3.2 相控交流调压电路 3.2.1 单相交流调压电路 1 电阻性负载的工作情况正半周时刻触发管1，负半周时刻触发管2，输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波。负载上交流电压有效值U与控制角的关系为电流有效值电路功率因数 电路的移相范围为0 。 2sin21)(sin21222UtdtUUaLRUI IUUISP2sin21cos22 电感性负载的工作情况当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角?有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点，的

3、最大范围是 。单相交流调压器电感性负载时的主电路和输出波形 当取不同的?角时， =f()的曲线如图所示， (1) 当 ? 时 稳定分量iB与自由分量is如图(b)所示，叠加后电流波形i2的导通角 180，正负半波电流断续， 愈大愈小，波形断续愈严重。(2) 当 ?时 如果触发脉冲为窄脉冲，则当Ug2出现时，VT1的电流还未到零， VT2管受反压不能触发导通；待VT1中电流变到零关断， VT2承受正压时，脉冲已消失， 无法导通。这样使负载只有正半波，电流出现很大的直流分量，电路不能正常工作。 所以，带电感性负载时，晶闸管应当采用宽脉冲，这样在 ?时，虽然在刚开始触发晶闸管的几个周期内，两管的电流

4、波形是不对称的，但当负载电流中的自由分量衰减后，负载电流即能得到完全对称连续的波形，电流滞后电源电压?角。 图4-5 j时阻感负载交流调压电路工作波形tttt图4-5OOOOu1iG1iG2iojiT1iT2 当阻感负载, j 时电路工作情况。图4-2 阻感负载单相交流调压电路 VT1的导通时间超过 。 触发VT2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不会导通。io过零后，VT2才可开通，VT2导通角小于。 衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通时间渐长。单相交流调压电路(3) 当 = ?时 电流自由分量is=0，i2=iB；=180。正负半周电流处于临界连续状态，相当于晶闸管

5、失去控制，负载上获得最大功率，此时电流波形滞后电压 = ?角。 相当于晶闸管是不可控的。所以晶闸管的移相范围 综上所述，单相交流调压可归纳为以下三点： 带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角可以改变负载电压有效值。 带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当 60）触发。为了保证输出电压对称可调，应保持触发脉冲与电源电压同步。 =0时的波形 控制角=0 由于各相在整个正半周正向晶闸管导通，而负半周反向晶闸管导通，所以负载上获得的调压电压仍为完整的正弦波。=0时如果忽略晶闸管的管降压，此时调压电路相当于一般的三相交流电路，加到其负载上的电压是额定电源电压。图3

6、-9(d)为U相负载电压波形。 归纳=0时的导通特点如下：每管持续导通180 ；每60区间有三个晶闸管同时导通。(1) 三相调压电路在纯电阻性负载时的工作情况=30时的波形 控制角=30 各相电压过零30后触发相应晶闸管。以U相为例，uu过零变正30后发出VT1的触发脉冲ug1，uu过零变负30后发出VT4的触发脉冲ug2 。 归纳=30时的导通特点如下：每管持续导通150 ；有的区间由两个晶闸管同时导通构成两相流通回路，也有的区间三个晶闸管同时导通构成三相流通回路。 l (1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180 。但 =0时一直是三管导通。 不同角时负载相电压波形a) =30=

7、60时的波形 控制角=60 =60情况下的具体分析与=30相似。这里给出=60时的脉冲分配图、导通区间和U相负载电压波形如右下图所示。 归纳=60时的导通特点如下：每个晶闸管导通120；每个区间由两个晶闸管构成回路。 60 uv， VT1和VT6承受正压uuv而导通，电流流过 VT1、u相负载、v相负载、 VT6，一直到uuuw，使得VT2和VT1承受正压uuw一起导通，构成UW相回路 归纳=90时的导通特点如下：每个晶闸管通120 ，各区间有两个管子导通。=120时的波形 触发角=120触发脉冲脉宽大于60 归纳=120时的导通特点如下：每个晶闸管触发后通30，断30，再触发导通30；各区间

8、要么由两个管子导通构成回路，要么没有管子导通。l (3)90 150以后，负载上没有交流电压输出。当Ug1触发VT1时，尽管VT6的触发脉冲仍存在，但由于uuuv，即，VT1、VT6承受反向电压，不可能导通，因此输出电压为零。输出电压表达式 由于输出电压的波形在不同触发角范围内的组成不同，因此输出电压表达式也不同。 0 60 60 90 90 150 因此， = 0时输出全电压， 增大则输出电压减小， = 150时输出电压为零。 每相负载上的电压已不是正弦波，但正、负半周对称。因此，输出电压中只有奇次谐波，以三次谐波所占比重最大。但由于这种线路没有零线，故无三次谐波通路，减少了三次谐波对电源的

9、影响。3.5 交-交变频电路 3.5.1 单相交-交变频电路 1 基本结构单相交-交变频电路由两组反并联的晶闸管整流器构成，和直流可逆调速系统用的四象限变换器完全一样，两者的工作原理也相似。 单相交-交变频器的主电路及输出电压波形 2 工作状态t1t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁。t1 t2： uo和io均为正，正组整流，输出功率为正。t2 t3 ： uo反向， io仍为正，正组逆变，输出功率为负。t3 t5期间： io负半周，反组工作，正组被封锁。t3 t4 ：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正。t4 t5 ： uo反向， io仍为负，反组逆变，输出功率为负。小结小结：哪一组

10、工作由io方向决定，与uo极性无关。工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。3 基本类型及工作原理(1) 方波型交-交变频器当正组供电时，负载上获得正向电压；当反组供电时，负载上获得负向电压。如果在各组工作期间角不变，则输出电压为矩形波交流电压。改变正反组切换频率可以调节输出交流电的频率，而改变的大小即可调节矩形波的幅值。(2) 正弦波型交-交变频器正弦波型交-交变频器的主电路与方波型的主电路相同，但正弦波型交-交变频器输出电压的平均值按正弦规律变化，克服了方波型交-交变频器输出波形高次谐波成分大的缺点。在正组桥整流工作时，使控制角从 ，输出的平均电压由低到高再到低的正弦规律

11、变化。而在正组桥逆变工作时，使控制角从 ，就可以获得平均值可变的负向逆变电压。输出电压有效值和频率的调节 使控制角从 ，改变0，就改变了输出电压的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变变化的速率，也就改变了输出电压的频率。交-交变频电路的输出电压是由若干段电源电压拼接而成的。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。2/02/2/2/2/2/0正弦型交-交变频器的输出电压波形 1OO23456图4-20uoiott第1段io 0，反组逆变 第2段电流过零，为无环流死区第3段io 0， uo 0，正组整流 第4段io 0， uo 0，正组逆变第5段又是无环流死区 第

12、6段io 0， uo 0，为反组整流4输入输出特性(1) 输出上限频率交-交变频器的输出电压并不是平滑的正弦波形，而是由若干段交流电源电压拼接而成的。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。一般认为，交流电路采用6脉波的三相桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率的1/31/2。(2) 输入功率因数交-交变频器的输出是通过相位控制的方法来得到的，因此在输入端需要提供滞后的无功电流。因为在输出电压的一个周期内，角是从0到90之间不断变化的。输入功率因数较低，是交-交变频器的一大缺点。6 单相交-交变频电路将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变频电路。 三相半波-单相交-交变频电路 三相桥式-单相交-交变频电路 3.5.2 三相交-交变频电路 三相交-交变频器电路是由三组输出电压相位互差的单相交-交变频电路组成的。(1) 公共交流母线进线方式 (2) 输出星形连接方式 由于变频器输出端中点不和负载中点相连接，所以在构成三相变频器的六组桥式电路中，至少