电力电子技术 课件 项目3 交-交变换电路

电力电子技术项目3交-交变换电路知识点23.1

双向晶闸管和交流开关及应用3.2

交流调压电路3.3交-交变频电路双向晶闸管3.1双向晶闸管和交流开关及应用

双向晶闸管有塑装型、螺旋型和平板型等几种不同的结构。双向晶闸管的内部结构如图3.1(a)所示，可以等效为图3.1(b)所示的两只普通晶闸管反并联。三个引出端分别是第一主极T1、第二主极T2和门极G，其电气符号如图3.1(c)所示。双向晶闸管的伏安特性曲线可看作是由两只普通晶闸管的特性曲线组合而成，如图3.2所示。结构特性3图3.1双向晶闸管(a)内部结构(b)等效电路(c)电气符号图3.2双向晶闸管伏安特性双向晶闸管3.1双向晶闸管和交流开关及应用

要使双向晶闸管流过交流电流，必须在每半个周期内对门极触发一次，只有在流过双向晶闸管的电流大于擎住电流后，去掉触发脉冲后才能维持其继续导通；只有流过双向晶闸管的电流下降到维持电流以下时，其才能关断并恢复阻断能力。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正、反向电流都可以流过，所以它的额定电流不是用平均值而是用有效值(均方根值)来表示，定义为：在标准散热条件下，当器件的单向导通角大于170°时，允许流过器件的最大正弦交流电流的有效值，用IT(RMS)表示。特性主要参数

双向晶闸管的型号规定为：型号KS[额定通态电流值]-[断态重复峰值电压等级]-[断态电压临界上升率等级]-[换向电流临界下降率等级]

其中K代表晶闸管，S表示双向型。如KS100-8-21，表示双向晶闸管，其额定电流100A，断态重复峰值电压8级(800V)，断态电压临界上升率(du/dt)为2级(不小于200V/us)，换向电流临界下降率(di/dt)为1级●参数双向晶闸管其他参数定义与普通晶闸管类似。●参数选择①

额定通态电流IT(RMS选择

要考虑起动或反接电流峰值来选取。②额定电压UTn的选择电压裕量通常取2倍。③

换相能力(du/dt)的选择

一般选200V/us。4双向晶闸管3.1双向晶闸管和交流开关及应用

双向晶闸管两个方向都能导通，门极加正负信号都能触发，因此有四种触发方式：触发方式●Ⅰ+触发方式主端子T1为正，T2为负；门极电压是G为正，T2为负，特性曲线在第Ⅰ象限，为正触发。●Ⅰ-触发方式主端子T1为正，T2为负；门极电压是G为负，T2为正，特性曲线在第Ⅰ象限，为负触发。●Ⅲ+触发方式主端子T1为负，T2为正；门极电压是G为正，T2为负，特性曲线在第Ⅲ象限，为正触发。●Ⅲ-触发方式主端子T1为负，T2为正；门极电压是G为负，T2为正，特性曲线在第Ⅲ象限，为负触发。

四种触发方式中，Ⅲ+触发方式的触发灵敏度最低，尽量不用。5交流开关及应用3.1双向晶闸管和交流开关及应用

交流开关是一种快速、较理想的双向开关，同时，由于晶闸管总是在电流过零时关断，这种情况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和多粉尘的场合。简单交流开关及应用

交流开关的基本形式如图3.3所示。

交流开关的图3.3(a)为普通晶闸管反并联的交流开关，当Q合上时，靠管子本身的阳极电压作为触发电压，具有强触发性质，即使对触发电流很大的管子也能可靠触发，负载上得到的基本上是正弦电压。图3.3(b)采用双向晶闸管，为Ⅰ+、Ⅲ-触发方式，线路简单，但工作频率低。图3.3(c)只用一只普通晶闸管，管子不受反压。由于串联元件多、压降损耗较大。6图3.3晶闸管交流开关的基本形式交流开关及应用3.1双向晶闸管和交流开关及应用

图3.4为双向晶闸管控制三相自动控温电热炉的电路。当开关Q拨到“自动”位置时，炉温就能自动保持在给定温度。若炉温低于给定温度，温控仪(调节式毫伏温度计)使常开触点KT闭合，小容量双向晶闸管VT4触发导通，继电器KA得电，使主电路中的双向晶闸管VT1~VT3导通，触发方式为Ⅰ+、Ⅲ-，负载电阻RL(电热丝)接通电源使炉子升温。当炉温到达给定温度，温控仪触点KT断开，VT4关断，继电器KA失电，双向晶闸管VT1~VT3关断，炉子降温。因此电热炉温度在给定温度附近小范围内波动。简单交流开关及应用双向晶闸管仅用一只电阻(主电路为R1*、控制电路为R2*)构成本相强触发电路，其阻值可由试验决定。用电位器代替R1*和R2*，调节电位器，使双向晶闸管两端电压(用交流电压表测量)减小到2~5V，此时电位器阻值即为触发电阻值，通常为30Ω~3KΩ，功率小于2W。7图3.4自动控温电热炉电路图交流开关及应用3.1双向晶闸管和交流开关及应用

固态开关(SolidStateSwitch)，简称SSS，它包括固态继电器(SolidStateRelay)简称SSR、固态接触器(SolidStateContactor)简称SSC，是一种以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件，图3.5为几种常用的固态开关电路。固态开关图3.5a为光电双向晶闸管耦合器非过零电压开关。输入端1、2输入信号时，光电双向晶闸管耦合器B导通，门极由R2、B形成回路以Ⅰ+、Ⅲ-方式触发双向晶闸管。这种电路的输入信号在交流电源的任意相位均可同步接通，称为非过零交流开关。图3.5b为光电晶闸管耦合的零电压开关，1、2端输入信号时，光控晶闸管门极不短接时，耦合器B中的光控晶闸管导通，电流经整流桥与导通的光控晶闸管提供门极电流，使VT导通。由R3、R2、V1组成零电压开关功能电路，当电源电压过零并升至一定幅值时V1导通，光控晶闸管被关断。图3.5c为零电压接通零电流断开的理想无触点开关，1、2端加上输入信号时(交直流电压均可)，适当选取R2与R3的比值，使交流电压在接近零值区域(±25V)且有输入信号时，V2管截止，无输入信号时V2管饱和导通。因此不管什么时候加上输入信号，开关只能在电压过零附近使晶闸管VT1导通，也就是双向晶闸管只能在零电压附近加出入信号使开关闭合。8图3.5几种常用的固态开关电路交流开关及应用3.1双向晶闸管和交流开关及应用

晶闸管过零触发开关在电源电压为零或零附近的瞬时被触发而导通，在流过的电流小于其维持电流而自然关断，这种开关对外界的电磁干扰最小。过零触发开关电路与交流调功器

功率的调节方法如下：在设定的周期TC内，用过零电压开关接通几个周波后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内的通断时间比例，以调节负载上的交流平均电压，即可达到调节负载功率的目的。因而这种装置称为调功器或周波控制器。

图3.6为设定周期TC内过零触发输出电压波形的两种工作方式，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(f=50Hz时，T=20ms)，则调功器的输出功率和输出电压有效值分别为。9图3.6过零触发输出电压波形(a)全周波连续式(b)全周波断续式交流开关及应用3.1双向晶闸管和交流开关及应用

图3.7为全周波连续式过零触发电路，它由锯齿波产生、信号综合、直流开关、过零脉冲输出以及同步电压五部分组成，其工作波形如图3.8所示。过零触发开关电路与交流调功器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，使照明出现人眼能觉察到的闪烁、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。10图3.7过零触发电路图3.8过零触发电路工作波形单相交流调压电路3.2交流调压电路

图3.9为单相交流调压器电阻负载的电路图和工作波形。电源电压正半波期间，ωt=α时触发VT1晶闸管，VT1导通。负载上有电流io通过，输出电压uo=ui。ωt=π时刻，电源电压ui过零，io=0，VT1自行关断，uo=0。电阻性负载●电路结构和工作原理电源电压负半波期间，ωt=π+α时，触发VT2导通，uo变为负值。ωt=2π时刻，io=0，VT2自行关断，uo=0。若正负半周以同样的移相角α触发VTl和VT2，则负载上电压有效值可以随α角而改变，实现交流调压。负载电阻上得到缺角的交流电压波形。由于是电阻性负载，所以负载电流波形和电压波形相同。正负半周α起始时刻(a=0)均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的α相等；两只晶闸管的控制角α应保持180°的相位差，使输出电压不含直流成分。11图3.9单相交流调压电路电阻负载原理图和工作波形(a)两只普通晶闸管反并联结构(b)一只双向晶闸管结构(c)工作波形单相交流调压电路3.2交流调压电路

①

输出电压有效值Uo与输出电流有效值Io电阻性负载●数量关系

②

流过晶闸管电流有效值IT

③

输入功率因数PF12单相交流调压电路3.2交流调压电路

电路如图3.10所示。当交流调压器的负载是电动机、变压器一次侧绕组等电感性负载时，晶闸管的工作情况与具有电感性负载的整流情况相似。电感性负载●电路结构和工作原理

电路负载中含有电感成分时，晶闸管中电流(负载电流)的过零时刻将滞后于电压过零时刻，滞后的电角度等于负载的功率因数角。这种关断滞后现象对交流调压器工作产生很大影响。此时，晶闸管的导通角θ，不但与控制角α相关，而且与负载阻抗角φ有关。导通角θ与控制角α、负载阻抗角φ之间的定量关系表达式为。

①当α>φ时，由式(3-5)可以判断出导通角θ<180°，当电路中电感储能释放完毕，管子电流到零关断，其负载电流正负半波断续。负载电流与电压波形如图3.11(a)所示。此时电路工作于周期性的过渡状态，晶闸管每导通一次，就出现一次过渡过程，且相邻两次的过渡过程完全一样，这就是电路的稳定工作状态。α越大，θ越小，波形断续愈严重。13图3.10单相交流调压电感负载电路图图3.11(a)α>φ工作波形单相交流调压电路3.2交流调压电路

②当α=φ时，由式(3-5)可以计算出每只晶闸管的导通角θ=180°。此时，每只晶闸管轮流导通180°，相当于两只晶闸管轮流被短接。电流的正、负半周连续，直接进入稳态值，电流是完整的正弦波。相当于晶闸管失去控制，负载上获得最大功率，此时，电流波形滞后电压波形α角,如图3.11(b)所示。输出电流的表达式只有稳态分量：电感性负载●工作原理

③

当α<φ时，电源接通后，在电源的正半周，如果先触发V1，则根据式(3-5)可判断出它的导通角θ>180°。如果采用窄脉冲触发，当VT1的电流下降为零而关断时，VT2的门极脉冲已经消失，VT2无法导通。到了下一周期，VT1又被触发导通重复上一周期的工作，结果形成单相半波整流现象，回路中出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。根据以上分析，当α≤φ并采用宽脉冲触发时，负载电压、电流总是完整的正弦波，改变控制角α，负载电压、电流的有效值不变，电路失去交流调压作用。因此在感性负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角α=φ(负载的功率因素角)，所以α的移相范围为φ~180°。14图3.11单相交流调压电感负载工作波形(b)α=φ(c)α<φ单相交流调压电路3.2交流调压电路

①

当α>φ时，非正弦负载电压的有效值Uo，负载电流有效值Io，流过晶闸管电流有效值IT的计算式如下:电感性负载●数量关系

②

流过晶闸管电流有效值IT

③

负载电流有效值Io15单相交流调压电路3.2交流调压电路●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，达到交流调压的目的。单相交流调压的触发电路完全可套用整流触发电路。单相交流调压的特点●带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当α<φ时会发生有一只晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量。。●带电感性负载时，最小控制角为αmin=φ(负载功率因数角)，所以的移相范围为φ~180°。而带电阻性负载时移相范围为0°~180°。16三相交流调压电路3.2交流调压电路

把3个单相交流调压电路接在对称的三相交流电源上，让其互差120°相位工作，则构成一个三相交流调压电路。三相交流调压电路具有多种形式，较常用的形式有以下几种，如图3.12所示。。基本形式

单相交流调压适用于单相负载。如果单相负载容量过大，就会造成三相不平衡，影响电网供电质量，因而容量较大的负载大都分为三相。要适应三相负载的要求，就需用三相交流调压。17图3.12三相交流调压电路的基本形式(a)带中性线星形连接(b)无中线的星形连接(c)支路控制的三角形连接(d)星形中心控制连接三相交流调压电路3.2交流调压电路

把3个单相如图3.12(a)所示。每个单相交流调压电路分别接在各自的相电源上，每相的工作过程与单相交流调压电路完全相同。这种电路的缺点是在中性线中流过相当大的3次谐波电流。因为3次及其整数倍次谐波电流是同相位的，不能在各相之间流动，只能全部流过中性线。当α=90°时，中性线中的电流最大，近似等于各相电流的有效值。这会给电源变压器和其他负载带来不利的影响，在实际中较少采用。基本形式●带中性线星形连接电路

如图3.12(b)所示。其负载的连接形式可以是星形，也可以是三角形。该电路的特点是每相负载都需要通过另一相才能构成电流回路，因此同三相桥式全控整流电路一样，必须保证不同相的两只晶闸管同时导通，负载中才有电流通过，因而晶闸管的触发脉冲必须是宽脉冲或双窄脉冲。对于星形连接负载，由于3次谐波电流均为同相位，不能在各相之间流动，因此在线路和负载电流中不包含3次及其整数倍次谐波电流。由于该调压电路的负载接线形式灵活，而且不需要中线，因此其应用范围较广。●无中性线星形连接电路18三相交流调压电路3.2交流调压电路

如图3.12(c)。每个带负载的单相交流调压电路跨接在线电压上，每相工作时的电压、电流波形也与单相交流调压电路相同。由于晶闸管与负载串联接成三角形，在负载容量相同的情况下，流过晶闸管的电流比较小，但晶闸管承受电源线电压，耐压要求比较高。另外，线电流中不包含3次及其整数倍次谐波电流，该电路只适用于三角形连接负载，并且由于晶闸管接在负载内部，每相负载都要能单独接线，对三相电动机负载而言不够方便。因此，使其应用范围存在一定的局限性。基本形式●支路控制的三角形(也称内三角形)连接电路

如图3.12(d)所示。用接成三角形的3只晶闸管来代替负载星形接法的中点。与其他电路相比使用的晶闸管最少，但是在同样的负载电流下，晶闸管中流过的电流最大。由于晶闸管只能控制单一方向的电流，使得输出电压正负半周不对称，因而含有偶次谐波。若负载为电动机，偶次谐波将产生与基波转矩方向相反的负转矩，使电动机输出转矩减小并产生脉动，效率也随之降低。但是输出波形的正负半周面积相等，不存在直流分量。由于晶闸管接在负载之后，受电源浪涌电压的影响较小。该电路仅适用于星形连接负载，且该星形的中点不能事先连接好，必须有6个引出端。另外，即使晶闸管处于阻断状态，各相负载都与电源同电位。基于上述特点，该电路只在小容量的三相负载中有一定的应用。●星形中心控制连接电路19三相交流调压电路3.2交流调压电路

①

相位条件。触发信号应与电源电压同步。无论是单相或三相交流调压电路，控制角从各自相电压由负变正的过零点开始算起，即ωt=0时，α=0，这与三相桥式可控整流电路是不同的。晶闸管VT1、VT3、VT5的触发信号应互差120°，VT4、VT6、VT2的触发信号也应互差120°，同一相两只晶闸管的触发信号应互差180°。这样晶闸管VT1~VT6的触发信号依次相差60°，这与三相桥式可控整流电路是相同的。星形连接三相交流调压电路●对触发信号的要求

如图3.12(b)所示为无中线的星形连接三相交流调压电路。为了分析方便，各相上的晶闸管VT1、VT3、VT5的阳极和VT4、VT6、VT2的阴极依次接到三相交流电源U、V、W上。

②脉宽条件。星形连接的三相交流调压电路，由于没有中线，三相中至少要有两相导通才能构成电流的通路，因此单窄脉冲是无法启动电路的。为了保证起始工作电流的流通，并在控制角较大、电流断续的情况下仍能按要求使电流流通，触发脉冲应采用大于60°的宽脉冲(或脉冲列)，或采用间隔60°的双窄脉冲。20三相交流调压电路3.2交流调压电路

①

α=0°，即在相应每相电压过零处给晶闸管触发脉冲。例如，VT1在U相电压过零变正时导通，过零变负时承受反向电压而自然关断，随即VT4导通，晶闸管的导通角为180°，这时的晶闸管相当于二极管。V、W两相的导通情况与此完全相同。触发脉冲分布、各晶闸管的导通区域及U相负载上输出的电压波形如图3.13所示。由图可见，在任何时刻都有3只晶闸管同时导通。忽略晶闸管管压降，负载上输出的电压等于电源电压。星形连接三相交流调压电路●电阻性负载21图3.13α=0°工作波形图3.14α=30°工作波形图3.14α=60°工作波形三相交流调压电路3.2交流调压电路

星形连接三相交流调压电路在电阻性负载时，所得的负载电压和电流的波形都不是正弦波，且随着α角的增大，电流的不连续程度增加，而且正、负半周对称。因此所含的谐波次数为6K±1(K=1,2,3,…)，这和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同，而且也是谐波次数越低，含量越大。和单相交流调压电路相比，没有3次及其整数倍次谐波，因为这种线路无3次及其整数倍次谐波的通路。星形连接三相交流调压电路●谐波情况

在电感性负载下，三相交流调压电路的情况要复杂得多。因为需要同时考虑到三相电路的特点及控制角α和阻抗角φ的大小及其相互关系。若为异步电动机负载，其功率因数角随运行工况而变化，因此定量分析很困难。通常采用实验的方法来实际测量调压电路在不同控制角下的输出电压、电流波形及其有效值。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或双窄脉冲，控制角α的移相范围φ≤α≤150°。在电感性负载下谐波电流的含量比电阻性负载时相对小一些。22三相交流调压电路3.2交流调压电路图3.18所示为3个线电压供电的单相交流调压电路所组成。无论是电阻性负载还是电感性负载，每一相都可以当作单相交流调压电路来分析，前述单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用，只是把单相相电压改成线电压。输入的线电流(电源电流)为与该线相连两个负载相电流之和。支路控制三角形连接三相交流调压电路由于三相对称负载相电流中的3次及其整数倍次谐波的相位和大小都相同，所以它们在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。因此，线电流中谐波次数为6K±1(K为正整数)。在相同负载和控制角时，线电流中的谐波含量少于星形连接的三相交流调压电路。23图3.18支路控制的三角形连接交流调压电路单相交-交变频电路3.3交-交变频电路

单相输出交-交变频电路组成如图3.19所示。它由具有相同特征的两组晶闸管整流电路反向并联构成。其中一组整流器称为正组整流器(P组)，另外一组称为反组整流器(N组)。电路结构和工作原理

如果正组(P组)整流器工作，反组整流器(N组)被封锁，负载端输出电压为上正下负，负载电流io为正；正组(P组)整流器被封锁，则负载端得到输出电压为上负下正，负载电流io为负。这样，只要交替地以低于电源的频率切换正反组整流器的工作状态，则在负载端就可以获得交变的输出电压。如果控制角α不固定，在正组工作的半个周期内让控制角α按正弦规律从90°逐渐减小到0°，然后再由0°逐渐增加到90°，那么正组整流电路的输出电压的平均值就按正弦规律变化，从零增大到最大，然后从最大减小到零，如图3.19所示(三相