电子及基础应用 7

第5章交流-交流变换电路概述

将一种交流电能转换成具有另种参数交流电能的电路泛称交流变换电路（AC/AC变换电路）。分为交流电力控制和频率变换两大类。

电路结构：1、直接交流-交流变换；2、间接交流-交流变换。控制方式：1、相位控制或通断控制；2、斩波控制。用途：交流调压、交流调功、变频5.1交流无触点双向开关

不仅能控制交流电路的通断，并且能双向导电，利用电力电子器件的可控性对交流电进行控制，和普通的机械式开关相比，无机械触点和零件，开关频率高，开关无火花，响应快，便于自动控制。交流无触点开关也称固体开关。1.晶闸管交流无触点开关2.全控型器件交流无触点开关

全控型器件交流无触点开关有两种形式，图a的交流开关有两个全控器件Q1和Q2，在Q1驱动时，正向电流经Q1、D1流通；Q2驱动时，反向电流经Q2、D2流通。图b的交流开关只用一个全控器件Q，正向电流经D1、Q、D2流通，电流反向时从D3、Q、D4流通，而开关Q始终是单向电流，Q在正反向电流时都要进行通断控制。5.2单相交流调压5.2.1相控式单相交流调压1．电阻负载

2．感性负载设感性负载RL的基波阻抗角φ=arctanωL/R，阻抗角反映了阻感负载电感作用的大小。（1）φ≤α≤π时

在α=φ时，负载电压电流的正负半周连接呈完整的正弦波，这相当于交流开关被短接，负载直接连接电源的情况，这时负载电流io滞后于u1的电角度为φ。

在α＞φ条件下，负载侧电压电流都是断续的，随α减小，电压和电流的间断也缩小。（2）0≤α≤φ时

因为在α=φ时，负载电压已经是连续完整的正弦波，在α≤φ时，负载电压电流波形就不会再随α变化，保持着完整的正弦波

从输出电压和电流的波形可以看出，对R负载和RL负载，前者在α=0，后者在α≤φ时，电压电流是正弦波外，其它情况输出电压电流都不是正弦波，电压电流除基波外还含有大量谐波，并且谐波的含量随控制角变化。5.2.2斩控式单相交流调压S1和S2为双向开关，S1为主开关器件，S2为续流器件，采用PWM控制方式，S1和S2的控制极信号时序为互补，电路输出电压uo的波形如图b所示。利用傅里叶级数分析，uo除包含基波分量DUNmsinωt之外，还包含其它谐波，改变占空比D即可改变基波幅值，实现调压的目的。单相PWM交流调压电路电路电压增益AV定义为输出电压基波幅值U01m与输入电压幅值UNm的比值，即

采用IGBT作为开关元件的单相斩控式交流调压电路如图所示，交流开关采用双器件型。IGBT栅压时序分布如图c所示。由图可见，在u1的正半轴，ugVT2和ugVT3恒为正值，而ugVT4=0，ugVT1则为正脉冲列，重复周期为Tc。纯阻性负载输出电压uo在一个电网周期T中的波形如图d所示，由图可见，uo的基波分量uo1可表示为

改变ugVT1的脉宽τ即可改变基波幅值DU1m，实现调压目的。2、感性负载

设电路具有感性负载，基波阻抗角为φ1，此时输出电压uo波形如图e所示.3、有电流检测的非互补控制

为消除输出电压在非阻性负载下的失控现象，采用有电流检测控制方案，即通过输出电流和电压的极性来决定控制信号的时序分布。5.3斩控式（PWM）三相交流调压5.4交流调功电路

交流调功电路以交流电源周波数为控制单位，对电路通断进行控制。

把晶闸管作为开关，使负载与电源在M个周期中，接通N个电源周期后关断（M－N）个电源周期，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。5.5间接交流-交流变换电路

整流电路把电网的恒频恒压交流电变换成直流电，再经过逆变电路将直流变换成大小、频率均可变的交流电，所以间接交流-交流变换又叫做交-直-交变频电路，其基本结构框图见图。5.5.1变压变频电源—变频器

式中：n0为电动机同步转速，P为极对数，

f1为供电电源频率，以工频交流电供电时，f1=50Hz，s为转差率：s=（n0－n）/n0，或：n0=60f1/P。

从式可知，改变供电电源的频率即可以改变异步电动机的同步转速no，从而改变电机转速。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。由三相异步电动机的转速表达式1.基频以下的变频调速

如果降低电源频率时还保持电源电压为额定值，则随着f1下降，气隙每极磁通

m增加。电动机在设计制造时，为了增大电磁转矩，已使气隙磁通接近饱和，

m增加，磁路过饱和，励磁电流会急剧增加，铁芯损耗增大，严重时导致绕组过热烧坏。

因此，在降低电源频率时，必须同时降低电源电压，以保证气隙磁通基本不变。如果使U1/f1=常数，则在调速过程中可维持

m基本不变，这就是基频以下调速的恒压频比控制方式。

从电机学理论可知，当改变频率f1时，若保持E1/f1=常数，最大转矩Tm=常数，与频率无关，并且最大转矩对应的转速降落相等，也就是不同频率的各条机械特性是平行的，硬度相同。基频以下变频调速时的机械特性曲线如图4-21所示。保持U1/f1=常数，电机最大允许输出转矩不变，降低频率调速为恒转矩调速。2.基频以上变频调速（弱磁升速）

在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压U1

却不可能超过额定电压U1N

，最多只能保持U1

=U1N

，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况，频率升高时，最大转矩Tm减小，最大转矩对应的转速降落近似为常数，根据电机电磁转矩方程式可画出升高电源频率的机械特性曲线，其运行段近似平行，如图4-22所示。在升频升速过程中，最大允许输出转矩与速度成反比，电机输出功率近似不变，为恒功率调速。

把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图所示。异步电机变压变频调速的控制特性2.间接交流-交流变换电路的控制方式3.变频器的电路结构交-直-交电压型变频器主电路

该电路只能从交流电源向中间直流电路传输功率，进而再向交流电动机传输功率，而不能从直流中间电路向交流电源反馈能量。当负载电动机由电动状态转入制动运行时，电动机变为发电状态，其能量通过逆变电路中的反馈二极管流入直流中间电路，使直流电压升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。Q0和能耗电阻R0组成泵升电压限制电路，当泵升电压超过一定数值时，使Q0导通，把电动机反馈的能量消耗在R0上。

在要求电动机频繁快速加、减速的场合，上述带有泵升电压限制电路的变频电路耗能较多，能耗电阻R0也需较大的功率。因此，希望在制动时把电动机的动能反馈回电网。这时，需要增加一套有源逆变电路以实现再生制动，在电容两端反并联了一组可控整流器，在电动机制动时，切断不控整流器，使可控整流器工作在有源逆变状态。可以再生制动的变频电路5.5.2恒压恒频电源—UPS

恒压恒频（CVCF）电源主要用作不间断电源（UninterruptiblePowerSupply，UPS）。不间断