第6章 交流变换电路.ppt

1、第6章 交流变换电路,将一种形式的交流电变换为另一种形式交流电的电路称为交流变换电路。 交流电的形式大小、频率和相数等。 类型：1.交流电力控制电路：只改变大小或仅对电路实现通 断控制，而不改变频率的电路； 2.变频电路（直接变频）：把一种频率的交流电变换 为另一种频率固定或可变的交流电。在变频的同时 兼有调压的功能。 教学要求： 1.掌握交流调压电路的基本类型、分析方法、调压原理和 基本性能； 2.掌握交流调功电路和交流无触点开关的控制原理。 3.了解交交直接变频电路的拓扑结构、工作原理和特性；,6.1 概 述,6.1.1 交流电力控制电路 根据控制方式可分为： 1交流调压电路 （1）用晶闸

2、管仅改变交流电压的大小，而频率不变。 优点：电路简单，电压调节平滑，系统响应速度较快； 缺点：深控时功率因数低，输出电压的谐波含量较高。,单相交流调压电路：用于小功率负载，如照明、电加热等； 三相交流调压电路：用于三相异步电动机的软起动控制。,（2）运用全控型开关器件在电源的一个周期内接通和断开若干次，把正弦波电压变成若干个脉冲电压，通过改变开关器件的占空比来实现交流调压。,特点：深控下的功率因数较高，谐波含量小，输出电压的大 小可连续可调，响应速度快。,2交流调功电路 通过控制导通和断开周期数的比值来调节交流输出功率的平均值。,特点：控制简单，输出无高次谐波，响应速度较慢，对电网会 造成较大

3、的负载脉动及低次谐波的影响。 3交流无触点开关 根据负载或电源的需要接通或断开电路。 特点：开关速度快、使用寿命长、控制功率小、灵敏度高等。,6.1.2 变频电路 1. 交交变频电路（直接变频电路或周波变换器） 直接将一定频率的交流电变换成另一种频率固定或可调的交流电。,特点：结构较复杂，效率高，功率等级较高，低频输出性能较好，易于实现功率回馈等。,2交直交变频电路（间接变频电路） 先把工频交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率固定或可变的交流电。 优点：电路结构简单，技术成熟。 缺点：电路总效率较低。,6.2 单相交流调压电路,6.2.1 相控单相交流调压电路 1. 电阻性负载,（1）工作

4、原理 负载上得到的电压波形是电源电压的一部分。通过改变控制角就可以调节输出电压的大小。,（2）数量关系 负载电压有效值,式中，U1为输入交流电源电压的有效值。 负载电流有效值和网侧相同,晶闸管电流的有效值,交流电源输入侧的功率因数,调压范围0u。,的控制范围,晶闸管的通态平均电流,（3）谐波分析,其中，K=0,1,2, 按对称性化简,基波电压系数,基波电压幅值,n次谐波电压系数,n次谐波电压幅值,结论： 谐波次数越低，谐波幅值越大； 3次谐波的最大值出现在 时，幅值约占基波分 量的31.8%； 5次谐波的最大值出现在 和 的对称位置。,正负半周的角不相等时，输出电压（或电流）波形不对称，将会产

5、生偶次谐波分量和直流分量，使变压器或电动机产生直流磁化。,2. 电感性负载,（1）工作原理,可完成正常的交流调压功能。,其初始条件为,式中， ，为负载阻抗。,当 时， ，可得,当 时，,负载电压为完整的正弦波，相当于晶闸管失去控制，无调压作用。,会形成只有一个晶闸管导通的“单相半波整流现象”。 措施：应采用宽脉冲或脉冲列（频率在2030kHZ）触发方式。 输出电压和电流波形都是完整的正弦波，电路失去调压的 功能，也处于“失控”状态。,总之,当单相交流调压电路带感性负载时,为了实现调压的功能，控制角的移相范围 。,（2）数量关系,晶闸管电流有效值,负载电压有效值,若以 为晶闸管电流的基 准值，则

6、标么值为,当、已知时，由曲线查出晶闸管电流标么值，进而可求出晶闸管电流有效值和负载电流有效值。,例题 用单相交流调压电路控制电感性负载的功率，已知交流电源电压有效值为220V，负载的等效电阻为44，感抗为44 ，试求： （1）移相控制范围； （2）负载电流的最大有效值； （3）最大输出功率和功率因数； 解：（1）单相交流调压电路在电感性负载时，最小控制角决定于负载的阻抗角，当输出最大电压时， 。此时,当输出电压为零时， ； 。,故移相控制范围为,（3）,1交流斩波调压基本原理 图示为交流斩波电路的原理 图。开关S1称为斩波开关，开关 S2是为负载提供续流回路称为续 流开关，二者通常在开关时序上

7、 互补。,式中，G为开关函数，其定义为,6.2.2 斩控单相交流调压电路,导通比 ，改变D可调节输出电压。,式中，,表明，u0除包含基波外，还含有其他谐波。谐波频率在开关频率及其整数倍两侧 处分布，开关频率越高，谐波与基波离的越远，越容易用滤波器滤除。,2交流开关的结构型式,图（a）所示电路结构的双向开关，控制电路简单，无同步要求。 图（b）、（c）所示的结构，控制电路必须有严格的同步要求，两个方向的开关可独立控制，因此控制方式比较灵活。图（c）中门极控制信号可以共地，提高电路的抗干抗能力；可用带反并联二极管的功率开关模块，使主电路接线简单，减少电路引线电感在高频运行时的影响。,3. 交流斩波

8、调压的控制,（1）互补控制方式 为了防止过电压需采取缓冲电路等其他措施。,（2）非互补控制方式 不会出现电源短路和负载电流断流的情况。 避免出现失控现象，在感性负载下，电路时序控制中应加入电流信号，由电压、电流的方向共同决定控制时序。,4.3 三相交流调压电路,4.3.1 基本形式 把三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。 图（a）为带中性线星形联接电路。 缺点：中性线中流过相当大的三次谐 波电流，当 时， 达到最大， 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。,图（b）为无中线的星形联接电路。 特点：必

9、须保证不同相的两个晶闸管同时导通，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。负载接线形式灵活，应用范围较广。,图（c）支路控制的三角形联接（也称内三角形联接）。,特点：在负载容量相同的情况下，流过晶闸管的电流比较小， 但晶闸管承受耐压比较高，线电流中不包含三次及其整数倍 次谐波电路，该电路只适用于三角形联接负载，应用范围存 在一定的局限性。,图（d）为星形中心控制联结。 特点：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。输出电压含有偶次谐波，不存在直 流分量。该电路仅适用于星形联接小容 量的三相负载中。,4.3.2 星形联接三相交流调压电路 1.

10、 对触发信号的要求,（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，控制角从负变正的过零点开始算起。,（2）脉宽条件 触发脉冲应用大于60的宽脉冲（或脉冲列）， 或采用间隔60的双窄脉冲。,2.电阻性负载时的工作情况,（1）,在任何时刻都有三个晶闸管 同时导通。负载上输出的电压等 于电源电压（略去管压降）。,（2）,有时会出现三相晶闸管同时导通，有时只有两相晶闸管同时导通，并且三相导通与二相导通轮流工作。前一种情况负载电压等于电源电压，后一种情况导通的两相每相负载上的电压为其线电压的一半，不导通相的负载电压为零。而且相电压的正、负半周反向对称，每管持续导通150。,（

11、3）,在任何时刻有两相的晶闸管导通， 第三相中的两个晶闸管都不导通。,电流从电源的其中一相流出从另一相回到电源，每管持续导通120。,（4）,（5）,（6）,综上所述，星形联接三相交流调压电路，在电阻性负载情况下，其控制角的移相范围 。电压调节范围 。,4.3.3 支路控制三角形联接电路,它相当于三个线电压供电 的单相交流调压电路单独工 作时的情况。,典型应用：静止无功补偿装置。,6.4 交流调功器和交流无触点开关,6.4.1 交流调功电路 将负载与交流电源接通几个整周期，再断开几个整周期， 通过改变接通与断开周期数的比值来调节负载上的平均功率。,式中，U1为输入交流电压的有效值； M为输出控

12、制周期；N为晶闸管导通周期。 输出功率,（P1为全电压输出时的最大输出功率),只要接通周期数和断开数周期数的比值不变，输出电压,输出电压的有效值,有效值和输出功率也不变，如图。,(1)全周期控制方式：输出电压中不含直流分量。对于电阻性负载，为了提高控制精度，也可采用半周期控制。 (2)零触发（或过零触发）：晶闸管的导通时刻通常都是在电源电压的零点或零点附近。,(3)不能平滑调节电压，不能用普通的电压表、电流表测量，不适用于调光等场合。 (4)主要用于时间常数较大的像电炉等电加热的温度控制系统。它与PID温度调节仪、温度传感器和电加热器组成的闭环温控系统，温控精度可达,把反并联的晶闸管或单个双向

13、晶闸管串联在交流电路中，起接通和断开电路的作用。 优点：交流无触点开关具有响应速度快、寿命长、控制功率小、灵敏度高、节能、无噪声等。,6.4.2 交流无触点开关,固态开关（包括固态继电器和固态接触器）是一种以双向晶闸管为基础构成的交流无触点开关组件。,如图为采用光电耦合器的零压固态开关 内部电路。,6.6 相控式交交直接变频电路,直接将某一固定频率的交流电变换成另一固定或可变频率交流电的变换电路。 相控式电路：用晶闸管作开关器件。 6.6.1 单相交交变频电路 1. 基本工作原理 当P工作时，可以输出正方向 电流；当N工作时，可以输出反方 向电流。改变两组变流器的切换 频率，就可以改变输出交流

14、的频 率，改变变流电路工作时的控制 角就可以改变输出交流电的幅值。,2.工作过程 以电感性负载为例 。 两组变流电路一组工作时，封锁另一组的触发脉冲。 哪一组工作是由输出电流的方向决定，与输出电压的极性无关。每组变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电,在一个周期内固定不变，则输出电压的波形近似为方波。 不固定，按正弦规律从90逐渐减小到零，然后再由零逐 渐增大到90，就可以得到接近正弦波的输出电压。,压方向和输出电流方向是否相 同来确定。,3无环流及有环流运行方式 反并联两组变流电路如果同时导通，将会在两组之间产生很大的短路电流称为环流，环流太大使晶闸管损坏。 （1）无环流运行方式

15、 正反两组变流器不同时工作，一组变流器有触发脉冲时，另一组的触发脉冲被封锁。但是原来导通工作的一组变流器，并不能在触发脉冲被封锁一瞬间立即可靠关断，必须待晶闸管承受反向电压后完全恢复阻断能力才能可靠关断。因此在开通另一组变流器之前，必须留有一定的死区时间。提高了运行的安全可靠性。但使负载电流出现了断续，输出电压、电流波形畸变加大，也限制了输出频率的提高。,（2）有环流运行方式 当两组的触发脉冲满足 的条件。由于加在负载上输出电压的平均值大小相等，所以正反组不会发生短路。但两组输出电压的瞬时值并不相等，两组间存在瞬时电压差，这将在两组之间形成环流。哪一组导通工作由当时的负载电流方向所决定。,正组

16、变流电路供给负载正半周电流，反组供给负载负半周电流，轮流供电，自然切换，不需要逻辑切换电路，控制相对简单。但是环流使晶闸管负担加重、损耗加大，为了将环流限制在允许的范围内，必须在两组变流器输出端之间串联一定大小的环流电抗器。环流的大小由正反两组变流电路输出的瞬时电压差和环流电抗器的电感确定。,在有环流运行方式时，由于正反两组变流电路随时都处于工作状态，负载电流的换向是自然完成的。因此可以保持负载电流连续，避免电流断流造成的死区现象，同时可以提高系统的稳态和动态性能，改善输出电压和电流的波形，控制方式上也比较简单。但由于设置了环流电抗器，增加了设备的成本、体积和重量，同时也存在环流损耗，使运行效

17、率有所降低，因此，交交直接变频电路大都采用无环流运行方式。,余弦交点控制法。 在负载电流连续的条件下，变流电路在每个控制间隔输出的平均电压,式中，Udo为 时变流电路输出的理想空载电压。 设要得到正弦波输出电压,式中，Uom为输出正弦波电压的幅值，0为输出正弦波电压的角频率。 控制角的变化规律,4输出正弦波电压的控制方法,式中，称为输出电压比， 。,在一个控制周期内，控制角按上式确定，则每个控制间隔输出电压的平均值按正弦规律变化。当根据负载的需要对输出电压的幅值或频率进行调 节时，可通过改变或0 来改变的大小实现。 输出电压幅值的调节范围 在 之间。 如图是不同输出电压 比时控制角与交流输出电

18、 压相位角的变化关系。,5. 输入输出特性 （1）输出上限频率 主要受变流器元件换流次数及输出波形畸变的限制。增加构成交交变频电路的两组变流器脉波数，可改善输出波形，提高输出频率上限。当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的 。,（2）输入功率因数 输入功率因数总是滞后的。对于一定的输出电压比，负载功率因数越低，则输入位移因数也越低；对于一定负载功率因数，输出电压比越小，输入位移因数也越小。,6.6.2 三相交交变频电路,由三组输出电压相位互差120的单相交交变频电路，按一定的方式连接而成的。,（1）公共交流母线进线方式,1.电路接线方式,电源进线端公用，所以三组单相变频电路的

19、输出端必须隔离。这种接法主要用于中等容量交流调速系统。,（2）输出星形联接方式,三组单相变频电路的输出联接在一起，其电源进线就必须隔离，三组单相交交变频电路分别用三个变压器供电。,3）实用电路结构 两组晶闸管相控变流器构成的交交直接变频电路，通常用于输出频率较低的大功率变频变压电源，它对交流电动机供电可实现交流电力传动的四象限运行。,每组变频电路输出电压的脉波数为3，并在变流主电路中串接有环流电抗器，可运行在有环流方式下。,每组变频电路输出电压的脉波数为6。变流主电路中无环流电抗器，运行在无环流的控制方式下。,优点： （1）没有中间直流环节，只用一级能量变换，并可同时实现输出电压和频率的调节，

20、能量损耗小，变换效率高； （2）利用晶闸管电网自然换流，简化了主电路结构； （3）能量可以在电源与负载之间双向流动； （4）在输出频率较低时，输出电压为一个较高质量的正弦波。,4交交相控直接变频的特点,缺点： （1）输出最高频率受输入频率的限制； （2）晶闸管的数量较多，成本高，控制电路复杂； （3）采用相控方式，输入侧总功率因数低。 （4）输入电流的谐波含量大，且谐波情况复杂，难以控制。 概括地说，直接变频电路适合于低速可逆调速系统，间接变频电路适合于要求输出频率较高的场合。,6.7 矩阵式变频电路,矩阵式交交变频电路也是一种直接变频电路，电路所用的开关器件是全控型的，控制方式为PWM控制。

21、 优点： （1）无中间直流环节及其滤波元件，变换效率高，动态响应快； （2）输出的频率不受输入频率的限制，可以从零到高于输入频率的范围内变化； （3）可以获得正弦波形的输入电流、输出电压和输出电流； （4）输入功率因数高，可接近1，也可控制成所需要的功率因数； （5）能量可以双向流动，实现交流电动机的四象限运行。,6.7.1 电路的拓扑结构,输入侧的Lr、Cr滤波器，用于抑制开关频率的电流谐波流入输入电源。9个开关器件组成33矩阵。,6.6.2 换流特点 问题一：对于每相输出电路，当有两个开关同时导通时，可能导致电源短路，产生很大的短路电流，使开关器件损坏； 问题二：对于每相输出电路，当三个开

22、关都不导通时，负载电路出现开路现象，感性电流无续流通路而产生很大的感应电动势，可能将开关击穿。 1换流延时时间 用来解决输入端短路问题，当矩阵式变频电路要进行换流时，如果导通开关的方向与关断开关的方向相反时，导通开关的控制信号应延时一定的时间输出，以保证已导通开关的可靠关断，这个时间称为换流延时时间。 2换流重迭时间 由于引入了换流延时时间，在换流期间可能会出现负载回路的开路现象。在矩阵式变频电路的两个开关换流时，先将要导通的开关接通，接通方向与关断电流方向相同，在以后将要关断的开关断开。显然，在换流期间，两个开关的同一方向重迭导通，这个时间称为换流重迭时间。,矩阵式交交变频电路的基本工作原理是通过对开关器件进行高频斩波控制，即PWM控制，使各相输出电压瞬时值在三相输入电压之间切换，从而得到输出电压的基波幅值及频率均可调的三相交流电。 如果开关频率足够高，输出电压为,式中，us为交流输入电压瞬时值；TC为开关周期；,6.6.3 基本工作原理,为开关器件的导通占空比。,ton为一个开关周期内开关的导通时间；,通过控制开关器件导通比的方法来方便地获得三相幅值和频率不同的交流电压。,a相的输出电压为：,式中，11、12、13分别为一个开关周期中S11、S12、S13的导通占空比。,为了防止电源短路， S11、S12、S13 在任何时刻只能有