电子技术第五章 电力电子器件及应用

第五章电力电子器件及应用5.1常用电力电子器件5.2可控整流电路5.3晶闸管触发电路5.4逆变电路5.5交流电力控制电路5.6变频电路第一节常用电力电子器件一、电力二极管1.结构及工作原理电力二极管与普通半导体二极管结构相同，由一个面积较大的结和两端引线封装而成，外形如图5-1所示，图中〔a〕为螺栓型，〔b〕为平板型。阳极与型半导体相连，阴极与型半导体相连，其符号与普通二极管符号相同。电力二极管的PN结也具有单向导电性，正向偏置时导通，反向偏置时截止。2．元件特性电力二极管的外特性分为静态特性和动态特性。〔1〕静态特性静态特性又称伏安特性，电力二极管的伏安特性曲线如图5-2〔a〕所示，与普通二极管伏安特性曲线相同。图5-2电力二极管特性〔a〕伏安特性曲线〔b〕关断特性曲线〔c〕开通特性曲线〔2〕动态特性动态特性又称开关特性，是电力二极管的通态和断态之间转换时的特性，分为关断特性和开通特性。〔1〕普通二极管普通二极管又称为整流管，多用于开关频率在1kHz以下的整流电路中，其反向恢复时间较长〔约几十微秒〕，额定电流可达数千安，反向电压可达数千伏以上。3．主要类型〔3〕肖特基二极管快恢复二极管的恢复时间很短，特别是反向恢复时间很短，其正向导通电压较高。快恢复二极管主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路二极管和阻塞二极管。肖特基二极管是一种以金属与半导体接触形成的PN结为根底的二极管，反向恢复时间很短〔约为几十纳秒〕，导通压降较低〔约为0.3～0.6V〕，但是其漏电流较大、耐压能力低，通常用于高频低压仪表和开关电源中。〔2〕快恢复二极管4．主要参数（1）额定正向平均电流（2）反向重复峰值电压（3）正向压降（4）反向漏电流

（5）最高工作结温

二、晶闸管晶闸管是晶体闸流管的简称，最初被称为可控硅(SCR)。晶闸管于1956年诞生在美国，至今已成为电力器件中品种最多的一种，包括普通晶闸管〔SCR〕、快速晶闸管〔FST〕、双向晶闸管〔TRIAC〕、逆导晶闸管〔RCT〕、可关断晶闸管〔GTO〕和光控晶闸管等。其中普通晶闸管问世最早，广泛应用于整流、逆变、直流回路开关和调压等方面，本书主要介绍普通晶闸管〔SCR〕。1．结构图5-3晶闸管的外形与符号

晶闸管封装形式有平板式、螺旋式和小电流塑封式等，三个电极分别为阳极、阴极和控制极，其外形及符号如图5-3所示。图5-4晶闸管内部结构及等效电路图晶闸管内部结构如图5-4〔a〕所示。2．工作原理〔1〕晶闸管的阻断状态当晶闸管控制极不加电压，控制极电流时，如果在阳极A和阴极K之间加正向电压，则晶闸管内部PN结反向偏置，和正向偏置，参看图5-4（a），晶闸管不导通，称其工作在正向阻断状态。当阳极A和阴极K之间加反向电压时，PN结正向偏置，和反向偏置，晶闸管仍不能导通，称其工作在反向阻断状态。〔2〕晶闸管的导通状态图5-5晶闸管内部电流的形成在阳极A和阴极K之间加正向电压UA

，同时在控制极G与阴极K之间加正向电压UG

，晶闸管内部电压与电流关系可用图5-5所示电路来说明。晶闸管导通之后，导通状态完全依靠自身的正反响来维持，即使控制极电流IG消失，晶闸管仍能处于导通状态。所以控制极G的作用仅仅是触发晶闸管使其导通，导通后控制极就失去了对晶闸管的控制作用。〔3〕晶闸管导通后的关断晶闸管导通后，增大外电路电阻可以减小晶闸管阳极电流IA，当阳极电流IA降低到不能维持正反响过程时，晶闸管将自行关断，恢复到阻断状态。对应于关断瞬间的阳极电流称为维持电流，用IH表示，它同时也是维持晶闸管导通的最小电流。如果将晶闸管的阳极电压降低到零或在阳极与阴极之间加反向电压也能够关断晶闸管。需指出，当阳极A和阴极K间加有反向电压时，由于V1、V2的发射结处于反向偏置，无论控制极是否加有电压，晶闸管均不能导通。综上所述，晶闸管具有可控的单向导电特性。晶闸管导通条件为：阳极加正向电压〔即UA>0〕且控制极加正向电压〔即UG>0〕，关断条件为：阳极电流小于维持电流〔即IA<IH〕或阳极加反向电压〔即UA<0〕。

3．伏安特性图5-6晶闸管伏安特性曲线反向伏安特性曲线与一般二极管反向特性相似，当反向电压低于某一数值时，晶闸管阳极只有很小的反向漏电流流过，晶闸管工作于反向阻断状态。当反向电压升高到某一数值，反向漏电流急剧增大，这时所对应的阳极电压称为反向击穿电压。晶闸管伏安特性曲线是晶闸管阳极与阴极间电压UA与阳极电流IA之间的关系曲线，如图5-6所示，第一象限为正向特性，第三象限为反向特性。正向特性曲线分为阻断状态和导通状态。4．主要参数〔l〕正向断态重复峰值电压UDRM。控制极开路〔IG=0〕且额定结温下，允许重复加在晶闸管阳极上的正向峰值电压。〔2〕反向重复峰值电压URRM。控制极开路〔IG=0〕且额定结温下，允许重复加在晶闸管阳极上的反向峰值电压。〔3〕额定电压UD。通常取UDRM和URRM中较小的一个数值定义为“正反向重复峰值电压〞，并标为器件的额定电压。〔4〕通态平均电流IT。在规定环境温度和标准散热条件下，允许通过工频正弦半波电流的平均值，也称为额定正向平均电流，简称正向电流。该电流值与环境温度、散热条件、导通角及每个周期内元件的导通次数有关。〔5〕维持电流IH。在规定环境温度，控制极开路〔IG=0〕情况下，维持晶闸管持续导通所需的最小电流称为维持电流。如果通过晶闸管阳极的电流小于IH，元件将自行关断。5．晶闸管的派生器件〔1〕快速晶闸管快速晶闸管的外形、根本结构、特性及符号与普通晶闸管相同，只是普通晶闸管的开通和关断时间较长，主要用于工频电路中，而通过特殊工艺制造的快速晶闸管那么缩短了晶闸管的开关时间，主要应用于斩波器、中频逆变电源等电力电子装置中。通常快速晶闸管的关断时间小于50微秒，工作频率高于400Hz，其中工作频率在10kHz以上的又称为高频晶闸管。〔2〕逆导晶闸管逆导晶闸管是一个反向也能导通的晶闸管，即将一个普通晶闸管与一个二极管反并联集成在同一个硅片上构成的新器件，其内部结构、等效电路及电气符号如图5-7所示。〔3〕双向晶闸管双向晶闸管的符号如图5-8〔a〕所示。双向晶闸管具有正反两个方向都能控制导通的特性，因此它有两个主电极〔T1和T2〕和一个控制极〔G〕，其内部为五层结构，如图5-8〔b〕所示。图5-8双向晶闸管〔a〕电气符号〔b〕内部结构与等效电路〔c〕特性曲线〔4〕光控晶闸管光控晶闸管是一种光控器件，在晶闸管的控制极区域中集成了一个光电二极管。在光照射下，光电二极管漏电流增加，此电流成为控制极触发电流使晶闸管导通。除此之外，光控晶闸管的工作原理、结构和特性与普通晶闸管相同，其符号如图5-9所示。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个电极，大功率光控晶闸管的控制极那么带有光缆，光缆上有发光二极管或半导体激光器件作为触发光源。光控晶闸管一旦导通，即使无光照，也不会自行关断，且转折电压随光照强度的增大而降低。由于光信号与电信号被很好隔离，绝缘性和抗干扰性优越，所以光控晶闸管主要应用于高压直流输电和高压核聚变装置等大功率设备中。图5-9光控晶闸管符号第二节可控整流电路整流电路能够将交流电转换为直流电。按整流元件不同，整流电路分为不可控整流和可控整流两种，其中不可控整流利用电力二极管的单向导电性，将交流电变成电压固定的直流电，可控整流是利用晶闸管可控的单向导电性，通过控制其触发角，将交流电转换成大小可调的直流电。目前，可控整流电路广泛应用于直流电动机调速、同步发电机励磁等场合。可控整流电路类型很多，按输入交流电源的不同分为单相、三相和多相可控整流电路；按电路结构不同分为半波、全波和桥式可控整流电路。此外，整流电路输出端所接负载的性质对整流电路输出电压和电流的波形影响很大，常见负载有电阻性负载、电感性负载、反电动势负载等。本节主要介绍晶闸管组成的单相半控桥式整流和三相半控桥式整流电路。图5-10电阻性负载单相半控桥式整流电路图5-11电阻性负载单相半控桥式整流电路波形图1．电阻性负载一、单相半控桥式整流电路

电阻性负载的单相半控桥式整流电路如图5-10所示，图中VT1、VT2为共阴极连接的两个晶闸管，VD1、VD2为共阳极连接的两个二极管，其工作波形如图5-11所示。在的正半周（a点电位高，b点电位低），晶闸管VT1和二极管VD2承受正向电压，如果在时，经控制极给VT1加上触发脉冲，则晶闸管VT1在时刻导通，形成的电流回路为：a→VT1→→VD2→b，同时晶闸管VT2和二极管VD1承受反向电压而截止。晶闸管VT1和二极管VD2的导通压降均很小，几乎全部降落在负载上，因此，在正半周，两端电压的波形与正半周从开始后的波形相同，如图5-11所示。当瞬时值接近于零时，VT1阳极电流小于维持电流，管子将自行关断，同时引起二极管VD2截止。在的负半周（a点电位低，b点电位高），晶闸管VT2和二极管VD1承受正向电压，如果在时，对晶闸管VT2加触发脉冲，VT2和VD1同时导通，则电路中电流回路为：b→VT2→→VD1→a，此时，VT1和VD2因承受反向电压而截止。当瞬时值接近于零时，VT2自行关断，同时引起二极管VD2也截止。因此，在的负半周，两端电压的波形与负半周从开始后的波形相同，但电压方向不变，值为正，如图5-11所示。根据图5-11中输出电压的波形，的平均值为:式中，为晶闸管承受正向电压而未导通的角度，称为控制角(触发角)，为晶闸管导通的角度，称为导通角。显然，通过改变触发脉冲的送入时间，可以改变控制角，使波形和平均值也随之改变。角越大，输出电压的平均值就越小。输出电流平均值为:

晶闸管及二极管中电流平均值为

输出电压有效值为

输出电流有效值为

通过整流元件的电流有效值为

【例5-1】某纯阻性负载，需要输出可调的直流电压，当在0～100V调节时，负载电流在0～10A范围变化。采用单相半控桥式整流电路，试求：(1)交流电压有效值；(2)选择整流元件；(3)在控制角时，输出电压平均值为多少。解:

（1）求交流电压有效值

为充分利用整流元件的承载能力，应尽可能使晶闸管在导通角接近最大值（）时达到最大输出电压，即时，。考虑到电网电压波动、晶闸管压降，且导通角一般只能达到，因此交流电压实际值要比计算值，故取。〔2〕选择整流元件流过晶闸管和二极管的平均电流为

为保证管子安全工作，一般情况下和应按下述关系确定

其中

因此

根据计算结果，可选用晶闸管KP10(通态平均电流10A，峰值电压500V)两只，整流二极管2CZ/500〔正向电流10A，最高反向电压500V〕两只。（3）时2．电感性负载图5-12电感性负载单相半控桥式整流电路图5-13电感性负载单相半控桥式整流电路波形图实际中，有些负载〔如电机励磁线圈、各种电感线圈等〕的电感与电阻数值相比不能忽略，称为电感性负载。电感性负载可以等效为电感L与电阻RL的串联，图5-12为电感性负载的单相半控桥式整流电路。图5-14接有续流二极管的单相半控桥式整流电路为了防止失控现象，可在负载两端并联续流二极管VD5，如图5-14所示。【例5-2】电感性直流负载由带续流二极管的单相半控桥式整流电路供电，负载电阻为，输入交流电压为220V，控制角，试求：（1）流过晶闸管的平均电流；（2）晶闸管所承受的最大电压；（3）续流二极管中电流的平均值。

解:

（1）当时，输出电压平均值为负载电流晶闸管导通角

晶闸管电流的平均值〔2〕晶闸管承受的最大正反向电压为〔2〕续流二极管电流的平均值图5-15三相半控桥式整流电路二、三相半控桥式整流电路

单向可控整流电路结构简单，维护方便，但输出的直流电压脉动较大，只适用于小功率场合。当负载容量较大或要求电压脉动较小时，常采用三相可控整流电路。三相可控整流电路输出电压高、脉动较小、脉动频率高、动态响应快，并且三相负荷比较均匀，在大功率场合得到广泛应用。本节主要介绍三相半控桥式整流电路。1.电路结构

2．工作原理

下面以电阻性负载为例，说明三相半控桥式整流电路的工作过程。（1）时变压器副边三相交流电压的一个周期被六个自然换流点划分为六段，如图5-16（a）所示，共阴极组三个晶闸管的自然换相点在、、时刻，共阳极组三个二极管的自然换相点在、、时刻。

任何时刻负载上电压为该时刻导通元件所连接的线电压，进而得到负载电压波形，如图5-16（a）所示。图5-16三相半控桥式整流电路波形图

（a）

（2）时晶闸管和二极管不在自然换相点换相，而是从自然换相点后移角时开始换相，其工作过程与时基本相同，图5-16（b）和（c）分别为和时输出电压的波形。

当时，一个周期内仍有六个波峰，波形是连续的，但脉动不均匀。当≥600时，一个周期内只有三个波峰，电压波形不连续，因此是波形连续的临界状态.

由波形可见，三相半控桥式整流电路的触发脉冲间隙是1200，每个脉冲的最大移相范围是1800，每个晶闸管的最大导通角为1200，调节控制角的大小可改变输出电压的波形及大小。图5-16三相半控桥式整流电路波形图

（b）

（c）

3．参数计算时，输出电压波形如图5-16（b）所示，整流输出电压的平均值等于期间曲线面积的平均值。为便于分析，以

点为坐标原点，输出电压平均值为

时，输出电压波形如图5-16（c）所示，整流输出电压的平均值等于期间曲线面积的平均值因此，时三相半控桥式整流电路输出电压平均值为：

负载电流平均值为：

流过整流元件的电流平均值和有效值分别为：

整流元件承受的最大正、反向电压等于三相线电压的最大值为：

【例5-3】三相半控桥式整流电路，带大电感负载并接有续流二极管。要求输出整流电压在30～100V可调，负载电阻为，最小控制角。求（1）最大控制角；（2）流过晶闸管及整流二极管的电流平均值和有效值。解:

（1）由最小控制角和最大整流输出电压可得变压器二次侧电压为当时，整流输出电压最小，即（2）晶闸管和整流二极管电流平均值的最大值发生在时，此时，流过晶闸管的电流平均值和有效值为

对于三相桥式半控整流电路而言，只有当时，续流二极管中才有电流流过。

第三节晶闸管触发电路在可控整流电路中，要使晶闸管导通，除需要在晶闸管阳极和阴极之间加正向电压外，还需同时在控制极和阴极之间加触发电压。能够按要求产生控制极触发电压的电路称为晶闸管触发电路。为保证晶闸管能够可靠稳定地工作，对晶闸管触发电路有如下几点要求：〔1〕触发信号可为直流、交流或脉冲信号。〔2〕触发电路应能提供足够大的触发电压和触发电流，即足够大的触发功率，以保证晶闸管能够可靠触发。〔3〕触发信号应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，以使晶闸管在触发导通后，阳极电流能迅速上升。〔4〕触发脉冲必须与晶闸管阳极交流电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。在可控整流电路中，为保证控制的规律性，要求每个晶闸管的阳极电压在相同的控制角触发导通，因此要求触发脉冲的频率必须与阳极电压一致，且触发脉冲的前沿与阳极电压应保持固定的相位关系，这称为触发脉冲与阳极电压同步。

除了这些根本要求外，还要求触发电路工作可靠、简单经济、体积小、重量轻等。触发电路种类很多，本节主要介绍单结晶体管触发电路。一、单结晶体管的结构和特性

1．结构

单结晶体管的外形与小功率三极管相似，有三个电极，分别为两个基极〔第一基极B1、第二基极B2〕和一个发射极E。单结晶体管的符号和结构如图5-17所示。图5-17单结晶体管结构与符号(a)结构(b)符号2．伏安特性单结晶体管的伏安特性是指当两个基极B1和B2间电压EBB不变时，发射极电流IE与发射极电压UE之间的关系。实验电路及等效电路如图5-18所示，特性曲线如图5-19所示。图5-18单结晶体管特性曲线测试电路〔a〕实验电路〔b〕等效电路图5-19单结晶体管特性曲线图5-20单结晶体管驰张振荡电路〔a〕电路图〔b〕电压波形图二、单结晶体管触发电路1．弛张振荡电路利用单结晶体管的负阻特性，接上适当的电阻、电容，即可构成单结晶体管驰张振荡电路，电路如图5-20〔a〕所示。单结晶体管两个基极分别串接了电阻R1和R2，其中R1用来输出频率可调的脉冲电压，R2用来进行温度补偿。当温度升高时，PN结的正向导通压降会有所降低(负温度系数)，当UBB一定时，UP便会随之降低。串接R2以后，当温度升高时，单结晶体管的内电阻RBB随之增大，因而在电压一定情况下，流过R2的电流会减小，UBB随之增大，从而限制了UP的下降。2.触发电路图5-21单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路如图5-21所示，图中上半局部是主电路，为半控桥式整流电路带阻性负载，下半局部为触发电路，从R1两端输出的触发脉冲uG直接加到晶闸管的控制极与阴极之间，为主电路中的晶闸管VT1和VT2提供控制极触发信号。图5-22单结晶体管触发电路各局部电压波形第四节逆变电路整流电路将交流电转换为直流电，完成AD/DC变换，逆变电路那么是将直流电转换为交流电，完成DC/AC变换，因此逆变为整流的逆过程。将直流电转换为交流电直接供给负载的逆变电路称为无源逆变电路〔无源逆变器〕；将直流电转换为交流电又馈送到交流电网的逆变电路称为有源逆变电路〔有源逆变器〕。一、无源逆变电路无源逆变常与变频的概念联系在一起，变频电路是指能改变交流电频率的电路。变频电路按电路转换情况分为两种：交—直—交变频和交—交变频。其中，交—直—交变频电路由交—直变换电路和直—交变换电路两局部组成，其中“直—交变换电路〞就属于无源逆变电路，是交—直—交变频电路的核心。无源逆变电路种类很多：按相数可分为单相逆变和三相逆变，单相逆变适用于小功率场合，三相逆变应用于中大功率场合；按输入直流电源的特点可分为电压型逆变〔输入电源为恒压源〕和电流型逆变〔输入电源为恒流源〕；按电路结构特点分为半桥式、全桥式和推挽式。本节以单相电压型并联逆变电路为例，说明无源逆变电路的工作原理。单相电压型并联逆变电路如图5-23所示。图中电源为输入电压源，负载经输出变压器与逆变电路相连，和为换流晶闸管，换向电容经二极管和与输出变压器原边并联，故称并联逆变电路。图5-23单相电压型并联逆变电路如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电能逆变成同频率的交流电能反送到交流电网去称为有源逆变。有源逆变在生产实际中有广泛的应用，如采用晶闸管变流器供电的电力机车，当下坡行驶时，使直流电动机运行在发电状态〔制动〕，将机车的势能转换成电能经逆变电路送到交流电源中去。此外，有源逆变还应用于交流绕线式异步电动机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等场合。有源逆变电路与可控整流电路的结构完全相同，可以看作是可控整流电路的另外一种工作方式，只是功率传递方向不同。下面以单相全控桥式整流电路〔如图5-24所示〕为例，分析电路的工作原理。二、有源逆变电路图5-24所示电路中，由直流电动机构成的卷扬机可提升和下放重物，电动机的直流输入电压由单相全控桥式整流电路提供。由于整流电路的负载是直流电动机，需在整流电路中串入大电感，以保持输出电流连续。为便于分析，忽略变压器线圈的阻抗和晶闸管正向压降。图5-24单相全控桥式整流与逆变电路〔a〕可控整流状态〔b〕有源逆变状态1．提升重物时电路工作在整流状态其输出电流为式中：UO—可控整流电路输出电压平均值；R—直流电动机电路总等效电阻。当提升重物时，角控制在00～900范围内，电路工作在整流状态，整流输出电压。

电流由正极性端流出，经EM的正极流入电动机，所以电动机工作在电动状态，消耗的电能由交流电网提供，通过可控整流电路传送至负载。2．重物下放时电路工作在逆变状态当重物下降时，由重物拖动电动机反转，则电动机定子线圈的反电动势EM方向也变为上负下正，如图5-24（b）所示。图中UO及EM箭头表示参考方向，通过改变控制角的大小，可以改变UO的方向。

当时，UO为正值，极性为上正下负，UO与EM形成顺向串联，交流电网和直流电动机都输出电能，等效电阻R中的电流为当时，UO波形的负面积大于正面积，其平均值为负，极性为下正上负，此时若，则电流为由此可见，在特定的场合，同一个晶闸管电路既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，这种电路称为“变流器〞。由上述分析可总结出有源逆变的条件是：1〕变流器直流侧必须外接直流电源EM，其方向与通过晶闸管的电流方向相同，其数值应大于整流输出电压平均值U0；2）变流器的控制角（即），输出电压U0为负值，即U0方向在直流侧与EM方向相反；

3〕回路要有足够大的电感，以维持电流连续和限制峰值电流，因此常在电路中串接平波电抗器；4〕有源逆变电路不能采用半控桥式电路，也不能接续流二极管，因为这两种情况下，不但不能输出负电压，而且会使EM短路，不能实现有源逆变。第五节交流电力控制电路交流调压电路是用来变换交流电压幅值的电路，通过控制接在交流电源与负载间的晶闸管来调节负载上的交流电压，其工作情况与负载性质有关。下面以单相交流调压电路带电阻性负载为例介绍电路的工作原理。交流电力控制电路的功能是维持交流电的频率不变，仅改变输出电压的幅值，包括交流调压器、交流调功器和交流电力电子开关。在电力系统中，交流电力控制电路主要用于交流电压的调节、有功功率与无功功率的调节及负载短路时的电流遮断控制〔在故障电流增长过程中迅速遮断短路电流以阻止电源供给能量〕等场合。此外，交流电力控制电路在电路温控、灯光调节、异步电动机软启动和调速等方面也得到了广泛应用。一、交流调压电路图5-25〔a〕为单相交流调压电路的主电路原理图，在负载RL和交流电源u2间用两个反向并联的普通晶闸管VT1、VT2或采用双向晶闸管VT相连，输出电压波形如图5-25〔b〕所示。图5-25单相交流调压电路带电阻性负载〔a〕电路图〔b〕波形图有效值为式中：U2——交流电压u2的有效值负载电流有效值为电路功率因数为

【例5-4】一调光台灯由单相交流调压电路供电，该台灯可看作电阻性负载，时输出功率为最大值，求当电路输出功率为最大输出功率的80%和50%时的控制角。

解:

时输出电压最大，为

此时负载电流最大，为因此最大输出功率为

输出功率为最大输出功率的80%时，有

此时由前式得即同理，输出功率为最大输出功率的50%时，有交流调功电路和交流调压电路的电路结构完全相同，只是控制方式不同。交流调功电路以晶闸管作为开关，在设定周期内，接通几个周期后再关断几个周期，通过改变通断周波比来调节负载两端的电压和功率，因此又称周波控制器。设控制周期为M倍的电源周期，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的重复周期为M倍的电源周期，当M=3、N=2时电路输出电压波形如图5-26所示。图5-26交流调功电路波形图二、交流调功电路交流电力电子开关在电路形式上与交流调压电路形式类似，但控制方式有所不同。交流调功电路以控制电路的平均输出功率为目的，通过改变晶闸管的导通和关断周期数调整输出电压和输出功率。交流电子开关不去控制电路的平均输出功率，而是根据负载的需要控制电路的接通与断开，从而实现相应的功能。交流电力电子开关通常没有明确的控制周期，启动方式随负载的不同而改变，其开关频率也比交流调功电路低得多。三、交流电力电子开关晶闸管投切电容器〔TSC〕是一种常用交流电力电子开关，用于交流电网中代替机械开关进行电容器的投切，对电网进行无功控制，其电路原理图如图5-27〔a〕所示。两个反向并联的晶闸管起着把电容C并入电网或从电网断开的作用，串联电感L用来抑制电容器投入电网时的冲击电流。实际使用中，为防止电容器投切时造成较大的电流冲击，可把电容器分成几组，如图5-27〔b〕所示，根据电网对无功功率的需求改变投入电容器的容量。图5-27TSC根本原理图第六节变频电路交流电机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、维修方便等优点，但由于其转速调整比较困难，因此在传统的调速系统中应用很少。近年来，随着电力电子技术的发展，由电力电子装置构成的交流调速装置已日趋成熟并得到广泛应用，在现代调速系统中，交流调速已占据主要地位。交流调速的主要发展方向为交流变频调速，根据交流电机转速公式，通过均匀改变电源电压的频率就可实现对电机转速的调节。一、变频调速的控制方式三相异步电动机每相电动势为式中，E——定子绕组每相感应电动势的有效值；

——定子电源频率；N——定子每相绕组串联匝数；

——基波绕组系数；——每极气隙磁通量。当忽略定子绕组的阻抗压降时，电机外加电源电压有效值U=E。当降低电源输入频率进行调速时，如果不改变电源电压有效值U，则气隙磁通将会相应增加。由于电机设计时已使气隙磁通接近饱和，如果再增加，会使磁路过饱和，相应的励磁电流增大，严重时会导致绕组过热而烧坏。所以，通过降低电源频率调速时，必须同时降低电源电压的大小，使=常数，以保证调速过程中保持不变，这种方式称为“恒压比控制方式”。

当通过增大频率进行调速时，需增大U以保持不变，但当等于额定频率时，电源电压U也达到额定电压值，此时不能再升高电压U。当电压U一定而增大时，电机气隙磁通随频率的升高成比例下降，类似直流电机的弱磁调速。这种控制方式称为“恒功率调速”。二、变频调速器的分类变频调速时，改变频率的同时须改变电压，因此变频装置通常又称为变压变频装置〔VariableVoltageVariableFrequency，VVVF〕，变频调速器种类很多。1．根据电路结构不同分类1〕间接变频调速器：又称为交—直—交变频器，首先将频率固定的交流电“整流〞成直流电，然后再把直流电“逆变〞成电压和频率可调的交流电。2〕直接变频器：又称为交—交变频器。使用一个变换环节，将电压和频率固定的交流电直接转换成电压和频率可调的交流电。2．根据直流电路的储能环节〔滤波方式〕分类1〕电压型变频器：储能元件为电容器。中、小容量变频器以电压型变频器为主。2〕电流型变频器：储能元件为电感线圈。3．根据电压的调制方式分类1〕正弦脉宽调制〔SPWM〕变频器：电压的大小是通过调节脉冲宽度与脉冲占空比来实现的。中、小容量的通用变频器几乎全都采用此类变频器。2〕脉幅调制〔PAM〕变频器：电压的大小是通过调节直流电压幅值来实现的。4．根据输入电源的相数分类1〕三进三出变频器：输入侧和输出侧都是三相交流电。绝大多数变频器都属此类。2〕单进三出变频器：输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电。家用电器里的变频器均属此类。图5-28“交—直—交〞变频器主电路三、中小容量通用型变频器交—直—交电压型变频器是中小容量、通用型变频器的主要形式，其主电路如图5-28所示。它由交—直变换电路、直—交变换电路和能耗制动电路组成。1．交—直变换电路

交—直变换电路的任务是将三相(或单相)交流电变换成平稳的直流电，包括整流电路、滤波电路和限流电路。整流电路由VD1～VD6构成，为三相桥式不可控整流，输出全波脉动直流电。滤波电路由电容器组CF1和CF2构成。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1和CF2的电容量不能完全相等，二者承受的电压UD1和UD2不相等。为使UD1和UD2相等，需在CF1和CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2。限流电路串接在整流桥和滤波电容器之间，由限流电阻RS和短路开关SS并联组成。变频器在接入电源之前，滤波电路输出的直流电压UD=0。变频器接入