交流变换电路

第五章晶闸管交流变换电路5.1

交－交变频器5.2

相控交流调压电路5.4

其他交流电力控制电路5.3

斩控交流调压电路概述交流-交流变流电路

一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，可改变相关的电压、电流、频率和相数等交流电力控制电路变频电路只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的交流调压电路——相位控制式、斩控式交流调功电路及交流无触点开关——通断控制，交交变频电路交直交变频电路1.晶闸管交交变频电路2.矩阵式变频电路，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。5.1

交－交变频器本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器交-交变频器实际上是由晶闸管全控整流电路组合而成的交流电路，通过对各全控整流电路输出电压大小和方向的组合控制，使负载得到一个电压和频率可控的交流电。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交-交变频电路单相交交变频电路主电路结构5.1.1单相交-交变频电路一.电路构成和工作原理1、电路构成由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成。变流器P和N都是相控整流电路。单相交交变频电路原理图5.1.1单相交-交变频电路一.电路构成和工作原理2、工作原理P组工作时，负载电流io为正N组工作时，io为负两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率wo改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电的幅值。单相交交变频电路原理图5.1.1单相交-交变频电路一.电路构成和工作原理3、分类根据输出波形的近似形状和控制角a的变化情况，可分为以下三类方波输出交-交变频器梯形波输出交-交变频器正弦波输出交-交变频器单相交交变频电路原理图和输出电压波形5.1.1单相交-交变频电路为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制在半个周期内让P组a

角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制。

uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波4、正弦波输出交-交变频器工作原理理想化交交变频电路工作状态5.1.1单相交交变频电路二.变频器为阻感负载的理性工作状态1、条件假设

以单相交－交变频器为例，研究带有阻感负载的工作特点：把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成图所示的正弦波交流电源和二极管的串联。设负载阻抗角为j，则输出电流滞后输出电压j角。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。2、理想工作过程及波形分析t1~t3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，输出功率为负理想化交交变频电路工作状态二.变频器为阻感负载理想工作状态5.1.1单相交交变频电路2、理性工作过程及波形分析

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：哪一组工作由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方向是否相同来确定。理想化交交变频电路工作状态二.变频器为阻感负载的工作状态5.1.1单相交交变频电路5.1.1单相交-交变频电路单相交交变频电路输出电压和电流波形三.实际工作波形考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段：123456工作状态

反组逆变死区正组整流正组逆变死区反组整流电流极性

io

<0

io

=0io

>0io

>0io

=0io

<0电压极性

uo

>0

——uo

>0uo

<0——

uo

<05.1.1单相交-交变频电路单相交交变频电路输出电压和电流波形当uo和io的相位差小于90°时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，若负载为电动机则工作在电动状态；当二者相位差大于90°时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，若负载为电动机则工作发电状态。三.实际工作波形5.1.2

三相交交变频电路交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，通常使用的是三相交交变频电路。三相交交变频电路由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成。按照电路接线方式的不同，分为：输出星形联结方式公共交流母线进线方式5.1.2

三相交交变频电路公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）一.公共交流母线进线方式由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120°的单相交交变频电路构成。电路特点：电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开(开三角形接法)。主要用于中等容量的交流调速系统中abc5.1.2

三相交-交变频电路二.输出星形联结方式a)b)输出星形联结方式三相交交变频电路

电路特点：三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结。电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电。PABCN5.1.2

三相交-交变频电路二.输出星形联结方式a)b)输出星形联结方式三相交交变频电路

电路特点：由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通。两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。三相交交变频电路交交变频电路的优点:只用一次变流，效率较高;可方便地实现四象限工作;低频输出波形接近正弦波。交交变频电路的缺点:接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管;受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低;一般不能超过电源频率的1/2；输入功率因数较低;输入电流谐波含量大，频谱复杂。5.2

交流调压电路交流电力控制电路的结构

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交流电力控制电路的类型交流调压电路:交流调功电路:交流电力电子开关:每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值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。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。5.2.1单相交流调压电路一．电阻负载电阻负载单相交流调压电路及其波形1、工作原理Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt2、数量关系负载电压有效值：负载电流有效值：输出电压与a的关系:

a=0时，输出电压为最大，Uo=U1。

随a的增大，Uo降低，

a=π时，Uo=0。移相范围为:0≤

a

≤。5.2.1单相交流调压电路一．电阻负载λ与a的关系:

a=0时，功率因数λ=1，

a增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低功率因数：晶闸管电流有效值：2、数量关系5.2.1单相交流调压电路一．电阻负载二．阻感负载1.阻感负载时a的移相范围负载阻抗角：j=arctan(wL

/R)若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1

的角度为j，当用晶闸管控制

时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。

a

=0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为

j≤a≤π5.2.1单相交流调压电路q020100601401802010060/(°)180140a/(°)j=90°75°60°45°30°15°0°

wt=a

时刻开通晶闸管VT1，可求得θ

（5－7）当a=j

时θ=π当a>j

时θ<π以j

为参变量，利用（5－7)可把a和θ的关系表示成右图。5.2.1单相交流调压电路2.工作过程分析（1）j≤a时j<a工作波形如左图。

=+j-a,<

j=a,电流io电过零时刚好有一个晶闸管得到脉冲导通。=.二．阻感负载5.2.1单相交流调压电路阻感负载2.工作过程分析（2）j>a时采用窄脉冲（脉冲宽度<j-a）时相当于半波整流。一个周期内只有一个器件导通。2.工作过程分析（2）j>a时宽脉冲采用宽脉冲或者脉冲列，经过调整后（一器件导通时间逐渐减少，一器件导通时间逐渐增加）最终工作状态与j=a一致，每个器件工作180度。二．阻感负载5.2.1单相交流调压电路图5-5a<j时阻感负载交流调压电路工作波形当阻感负载,a

<j时电路工作情况。图5-2阻感负载单相交流调压电路VT1的导通时间超过π。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π。衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。5.2.1单相交流调压电路5.2.2三相交流调压电路根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式

三相交流调压电路a)星形联结

b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结

d)中点控制三角形联结三相交流调压电路三相四线三相三线根据星形联结电路不同三相交流调压电路三相三线三相三线，电阻负载时的情况任一相导通须和另一相构成回路电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1~VT6,依次相差

60°

相电压过零点定为a的起点，a角移相范围是0°~150°三相交流调压电路三相交流调压电路三相四线三相四线基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120°工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。a=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。1、采用三相调压原理2、电流电压反馈闭环3、开关旁路三相交流调压电路应用——异步电机软启动器软启动器结构框图5.3斩控式交流调压器斩控式交流调压器特点

输入、输出都是交流电压，调幅不调频;

电力电子开关是双向导电的。分类

互补控制斩控式和非互补控制斩控式5.3.斩控式交流调压器双向电子开关结构

双向电力电子开关一般由多个电力电子器件组合而成，下图是几种双向电力电子开关的结构，不同结构的电力电子开关各有优缺点和适用场合。1.互补控制斩控式交流调压器主电路结构

S1、S2均为双向电力电子开关，其中S1为斩波开关，S2为续流开关。基本原理

通断规律是：S1闭合S2断开，S1断开时S2闭合。即S1和S2的动作规律在时间上是互补的，所以称为互补式控制方式。1.互补控制斩控式交流调压器基本原理

S1闭合、S2断开期间，u=u0；

S2闭合、S1断开期间，负载被S2短路，u=0对于电感性负载，S2为其提供续流通路。为便于分析，引入函数ε（t），在S1闭合S2断开时，ε（t）=1。在S2闭合S1断开时，ε（t）=0，ε（t）=1的持续时间为ton,ε（t）=0持续时间为toff。ton+toff

=T0,称为斩波周期，ton/T0=D称为占空比，ε（t）可用周期函数表示为负载电压可表示为

输出电压的波形如图所示，波形为一列幅度按正弦规律变化的脉冲，其包络线即为电源电压波形。改变占空比可以调节脉冲宽度，达到调节输出电压有效值的目的.2.非互补控制斩控式交流调压器互补式控制斩控式交流调压器在工作中必须严格执行互补控制，开通一个电子开关的同时必须关断另一个电子开关。S1、S2

同时导通则会造成电源短路。为了避免S1和S2

同时导通，通常要在驱动信号中设置一个时间间隔，在一个电子开关关断后，另一个电子开关延迟一定的时间后再开通，这一时间间隔称为死区。互补控制斩控式交流调压器存在问题2.非互补控制斩控式交流调压器互补控制斩控式交流调压器存在问题在死区中，S1和S2

均为阻断状态，对于感性负载，必须再为其电流提供一个通路，通常由器件的阻容式缓冲电路实现这一功能。在死区中，感性负载电流将使缓冲电路中的电容充以较高的电压。为此，必须加大电容的容量。这对于提高斩波器的效率、缩小体积都是不利的。主电路结构

VA1

、VA2

为电源电子开关；

VN1、VN2

为续流电子开关。基本互锁规律

为了防止交流电源短路，VA1,VN1互锁VA2,VN2互锁2非互补控制斩控式交流调压器2非互补控制斩控式交流调压器3、电源端与负载端的电气隔离

斩控式交流调压器的电源与负载有一个公共的端子，在要求电源与负载电气隔离的场合不能直接采用。为此，在电源与负载间可以接入高频变压器来实现电气隔离.

S1、S2、S3均为双向电力电子开关。电路采用互补控制方式，S1、S3同步动作，与S2互补。S1、S3闭合时S2断开；S1、S3断开时S2闭合。4、斩控式三相交流调压器

斩控式交流调压技术可用于三相电源调压。图7—38是一种三相斩控式交流调压器主电路原理图。电路中有3个用于斩控电源电压的双向电力电子开关SA、SB、SC，有3个续流开关SAB、SBC、SCA。在0≤t≤DT0期间，SA、SB、SC闭合，SAB、SBC、SCA断开，负载线电压为电源线电压。在DT0≤t≤T0期间，电力开关SA、SB、SC断开，续流开关SAB、SBC、SCA闭合，形成续流通路，负载电压均为零。5.4

其他交流电力控制电路以交流电源周波数为控制单位

交流调功电路对电路通断进行控制

交流电力电子开关5.5.1

交流调功电路异同与交流调压电路的电路形式完全相同控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率应用常用于电炉的温度控制因其直接调节对象是电路的平均输出功率,所以称为交流调功电路控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染电阻负载时的工作情况

控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后M－N个周期关断负载电压和负载电流（也即电源电流）的