第3章交-交变换器整理完毕

第3章交-交变换器整理完毕第一页，共48页。3.1简介■交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。■交流-交流变流电路可以分为直接方式（即无中间直流环节）和间接方式（有中间直流环节）两种。分类：交流电力控制电路交—交（直接）变频电路第二页，共48页。3.1简介■交流电力控制电路（不改变频率的电路）

◆交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。

◆交流调功电路：以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。

◆交流电力电子开关（固态继电器/接触器）：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。■交—交变频电路

改变电压同时改变频率的电路。第三页，共48页。3.2交流调压电路

交流调压电路是将固定的交流电变换成输出电压有效值可控的交流电的装置。通常由双向可控硅或凡并联的晶闸管组成，用于调节输出电压的有效值。与常规的调压变压器相比，晶闸管交流调压电路有体积小、重量轻,可完成自动调节的特点。

其输出是交流电压，但它不是正弦波形，其谐波分量较大，功率因数也较低。第四页，共48页。

交—交变换器常用控制方法：

(1)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。

(2)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。

第五页，共48页。3.2.1相位控制的单相交流调压电路

1电阻性负载的工作情况正半周时刻触发管，负半周时刻触发管，输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波。Ou2uoiouVT1wtOwtOwtOwt第六页，共48页。负载上交流电压有效值U与控制角α的关系为电流有效值

电路功率因数电路的移相范围为0~180°。

第七页，共48页。2电感性负载的工作情况阻感负载二极管反并联晶闸管反并联

1

1

1

1

2

2

2

2φα2ππ3π4π5π6π◆<时的工作情况到达稳态后电感能量平衡，电流波形是正弦波。电压、电流相位差为负载的阻抗角φ。晶闸管相当于被短路。电路不调压！动态过程合闸启动第八页，共48页。<φθ2电感性负载的工作情况◆工作过程☞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。

☞设负载的阻抗角为

稳态时的移相范围应为≤≤。☞在t=时刻开通晶闸管VT1，可求得进而求的φ、α、θ

的关系第九页，共48页。2电感性负载的工作情况φ、α、θ

的关系当取不同的α角时，导通角θ=f(α)可由曲线得出。α=θ第十页，共48页。综上所述，单相交流调压可归纳为以下三点：①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α可以改变负载电压有效值。②带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当α<φ时会发生有一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量。③带电感性负载时，α的移相范围为φ～180o

，带电阻性负载时移相范围为0～180o。第十一页，共48页。3.2.2相位控制的三相交流调压电路

几种典型的接线形式如下图，

a)带中性线星形联结b)支路控制三角形联结c)中点控制三角形联结（双向开关角形联结）

123456如果触发脉冲相位按照60°间隔，1、2、3、4、5、6顺序排列，则晶闸管标号如图。第十二页，共48页。1负载Y形连接带中性线的三相交流调压电路

由3个单相交流调压器组合而成，公共点为三相调压器中线，每一相可作为一个单相调压器单独分析，其工作原理和波形与单相交流调压相同。阻性负载时，每相电流为正负对称的缺角正弦波，它包含有较大的奇次谐波电流，3次谐波电流的相位是相同的，中性线的电流为一相3次谐波电流的三倍，且数值较大，这种电路的应用有一定的局限性。

第十三页，共48页。2用三对反并联晶闸管连接成三相三线交流调压电路

第十四页，共48页。对触发脉冲电路的要求是：①

三相正(或负)触发脉冲依次间隔120，而每一相正、负触发脉冲间隔180。②

为了保证电路起始工作时能两相同时导通，以及在感性负载和控制角较大时，仍能保持两相同时导通，与三相全控整流桥一样，要求采用双脉冲或宽脉冲触发。③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。

第十五页，共48页。(1)三相调压电路在纯电阻性负载时的工作情况①控制角α=0º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。α=0º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3-9(d)为U相负载电压波形。归纳α=0º时的导通特点如下：每管持续导通180º

；每60º区间有三个晶闸管同时导通。第十六页，共48页。图3-9三相全波星形无中线调压电路α=0º时的波形

第十七页，共48页。②控制角α=30º各相电压过零30º后触发相应晶闸管。以U相为例，uU过零变正30º后发出VT1的触发脉冲ug1，uU过零变负30º后发出VT4的触发脉冲ug2

。归纳α=30º时的导通特点如下：每管持续导通150º

；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。第十八页，共48页。图3-10三相全波星形无中线调压电路α=30º时的波形

第十九页，共48页。③控制角α=60ºα=60º情况下的具体分析与α=30º相似。这里给出α=60º时的脉冲分配图、导通区间和U相负载电压波形如图3-11所示。归纳α=60º时的导通特点如下：每个晶闸管导通120º

；每个区间由两个晶闸管构成回路。

第二十页，共48页。图3-11三相全波星形无中线调压电路α=60º时的波形

第二十一页，共48页。④触发角α=90º认为正半周或负半周结束就意味着相应晶闸管的关断是错误的。首先假设触发脉冲有大于60º的脉宽。则在触发VT1时，VT6还有触发脉冲，由于此时uu>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uu<uv时刻，VT1、VT6才能同时关断。同样，当Ug2到来时，VT1的触发脉冲Ug1还存在，又由于uu>uw，使得VT2和VT1承受正压uUW一起导通，构成UW相回路，……归纳α=90º时的导通特点如下：每个晶闸管通120º

，各区间有两个管子导通。第二十二页，共48页。图3-12三相全波星形无中线调压电路α=90º时的波形第二十三页，共48页。⑤触发角α=120º触发脉冲脉宽大于60º

归纳α=120º时的导通特点如下：每个晶闸管触发后通30º，断30º，再触发导通30º；各区间要么由两个管子导通构成回路，要么没有管子导通。第二十四页，共48页。图3-13三相全波星形无中线调压电路α=120º时的波形

第二十五页，共48页。⑥控制角α

≥150º时α>150º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uU<uV，即，VT1、VT6承受反向电压，不可能导通，因此输出电压为零。第二十六页，共48页。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≤α≤60º60º

<α≤90º90º

<α≤150º

因此，α

=0º时输出全电压，α

增大则输出电压减小，α=150º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影响。第二十七页，共48页。(2)三相调压电路在电感性负载时的工作情况三相交流调压电路在电感性负载下的情况要比单相电路复杂得多，很难用数学表达式进行描述。从实验可知，当三相交流调压电路带电感性负载时，同样要求触发脉冲为宽脉冲，而脉冲移相范围为：0≤α≤150º

。随着α增大则输出电压减小。第二十八页，共48页。3.2.3晶闸管交流调功器和交流开关

1晶闸管交流调功器前面介绍移相触发控制，使得电路中的正弦波形出现缺角，包含较大的高次谐波。为了克服这种缺点，可采用过零触发的通断控制方式。这种方式的开关对外界的电磁干扰最小。控制方法如下：在设定的控制周期内，使晶闸管开关接通几个周波然后断开几个周波，改变通断时间比，改变了负载上的交流平均电压，可达到调节负载功率的目的。因此这种装置也称为交流调功器。

第二十九页，共48页。图3-14过零触发通断控制时的输出电压波形

第三十页，共48页。

图3-14为二种通断工作方式，如在设定周期Tc内导通的周波数为n，每个周波的周期为T，输出电压有效值是 （3-8）则调功器的输出功率是（3-9）式中Pn

—设定周期Tc内全部周波导通时，装置输出的功率Un—设定周期Tc内全部周波导通时，装置输出的电压有效值

n—在设定周期Tc内导通的周波数因此改变导通周波数n即可改变电压和功率。

第三十一页，共48页。2晶闸管交流开关晶闸管交流开关是一种快速、理想的交流开关。晶闸管交流开关总是在电流过零时关断，在关断时不会因负载或线路电感储存能量而造成暂态过电压和电磁干扰，因此特别适用于操作频繁、可逆运行及有易燃气体、多粉尘的场合。调功器的过零触发虽然没有移相触发时的高次谐波干扰，但其通断频率比电源频率低，特别当通断比太小时，会出现低频干扰，使照明出现人眼能察觉到的闪烁、电表指针出现摇摆等。所以调功器通常用于热惯性较大的电热负载。第三十二页，共48页。3.2.4晶闸管交流调功器和交流开关

几个概念：交流调压和交流调功及它们的控制方式阻感性负载，控制角和负载阻抗角的关系对负载电压、电流波形的影响三相交流调压器件标号与触发脉冲相序关系第三十三页，共48页。小结第三十四页，共48页。3.3交-交变频电路

第三十五页，共48页。3.3.1单相交-交变频电路

1基本结构和类型单相交-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。图3-18单相交-交变频器的主电路及输出电压波形

第三十六页，共48页。(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α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α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。第三十七页，共48页。2工作状态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。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方向是否相同确定。第三十八页，共48页。3工作原理和波形在正组桥整流工作时，使控制角α从，输出的平均电压由低到高再到低的变化。而在正组桥逆变工作时，使控制角α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。使控制角从，改变α0，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α变化的速率，也就改变了输出电压的频率。第三十九页，共48页。图3-20正弦型交-交变频器的输出电压波形

第1段io

<0，uo

>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6段io

<0，uo<0，为反组整流第四十页，共48页。4输出正弦波形的获得方法最常用的方法是余弦交点法，该方法的原则是：触发角的变化和切换应使得整流输出电压的瞬时值与理想正弦电压的瞬时值误差最小。正弦波型交-交变频器适合于低频大功率的电气传动系统，最高输出频率是输入频率的1/3或1/2。第四十一页，共48页。5．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1/3~1/2。(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，α角是从α0到90º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。第四十二页，共48页。6无环流控制及有环流控制为保证负载电流反向时无环流，系统必须留有一定的死区时间，这就使得输出电压的波形畸变增大。为了减小死区的影响，应