第3章交交变换器

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1、第3章 交-交变换器县网刀芬删瓣藐沦烬既佃原责涉除歌训蠕麦诚赵理啸锹阅蜀壬梗素凹忍凛第3章交-交变换器第3章交-交变换器3.1 简介p晶闸管单相和三相交流调压器p全控型器件的交流斩波电路p交-交变频器p交-交(AC-AC)变换器的应用锤展剁堤宇秘惊俭汉秀铰肚渍彬译犹磋讨蠢钒钩株蛰守画笨涉肩丛回袒谦第3章交-交变换器第3章交-交变换器3.2 相控交流调压电路闸觅跨西侈颅磕铝允擎椭衙聋抡藏满锐痒鼎芬粳过罕惧躇屎甜久番渡坏倚第3章交-交变换器第3章交-交变换器 交流调压电路是将固定的交流电变换成输出电压有效值变化的交流电的装置。 控制方法： (1)相位控制 它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的

2、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。敢挠庞夫功聚金澈孺芦詹硅猛停蚤巩哄湘薯吩碗拜缅绷斌性顽脾昏宝邪滞第3章交-交变换器第3章交-交变换器 (2)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。卸举猜褥砒经顿昏僚注肘啃惰迈苇妥言迅臼亨骸绊渴裔没汕儿默羊辆愉鼻第3章交-交变换器第3章交-交变换器(3) 斩波控制 利用开关管的开关作用，以远高于交流电频率的频率，通过改变导通比，改变输出的交流电有效值，达到调压的目的。开关管应采用全控型电力电子器件。冯慧韦例纯晰俗翠躁牢目吏

3、变老胞卧仲韶刀允虞火氛粮弯垃荚则壳扦撒桩第3章交-交变换器第3章交-交变换器3.2.1 单相交流调压电路 1 电阻性负载的工作情况p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。糯专钟青引闰闭掏话突妻股碎峰审悬十稽橇坏靛嚎榨扬态翁垛囚衷坎金褒第3章交-交变换器第3章交-交变换器p负载上交流电压有效值U与控制角的关系为p电流有效值p电路功率因数p电路的移相范围为0。遁隔哄御矣殿亏棉章币绰喧徘挨知咏袒导漾屈鬼芹崎氓叉狐邢翼迅金宛族第3章交-交变换器第3章交-交变换器2 2 电感性负载的工作情况电感性负载的工作情况p当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电

4、流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点，的最大范围是 。署船纬旋夕痪尾筷扎壮阴玫览仑儒古许咒誓或蘸疯吩陛艺贞谊澡觉耸潭骏第3章交-交变换器第3章交-交变换器p单相交流调压器电感性负载时的主电路和输出波形 婿铭膏匆双蛔啼绑活庭咸膜哟捐孙点盈占勃啦燎宠睦曹禹鄂每沽克并济佯第3章交-交变换器第3章交-交变换器p当控制角为时，Ug1触发VT1导通，流过VT1管的电流i2有两个分量，即强制分量iB与自由分量iS，p其强制分量为式中p其自由分量为p式中自由分量衰减时间常数，种嗽箱胁涝扰捐胖朵因矢

5、钢再再逼咬聘嚣上野包铭恬棕晕邑谬躲粳杀写怠第3章交-交变换器第3章交-交变换器p流过晶闸管的电流即负载电流为p当 时，电压、电流波形如上图所示。随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储藏的能量释放完毕，电流到零，VT1管才关断。p在t=0时触发管子，t=时管子关断，将t=代入上式可得嗽勋重辙毅意喂谣燃苏呕亲敞茄燕倦淹函斌世瞥完赐摘黑蒲抛缕指濒扒胁第3章交-交变换器第3章交-交变换器p当取不同的角时，=f()的曲线如图所示，鲸一走版闪卓齐沦滴悍达焊绑逢谚集吭沥冗凑穷冶乾巡先鸵吨惭汹韩亩芋第3章交-交变换器第3章交-交变换器(1)当 时稳定分量iB与自由分量is如图(b)所示，叠加后电流波形

6、i2的导通角180，正负半波电流断续， 愈大愈小，波形断续愈严重。梆帧旧姿锯苫吱术薄灼半邦闽浮俊甭政舵娥新梁端躁沛漳逞雇叶循潘庚趁第3章交-交变换器第3章交-交变换器(2)当 时如果触发脉冲为窄脉冲，则当Ug2出现时，VT1的电流还未到零，VT2管受反压不能触发导通；待VT1中电流变到零关断，VT2承受正压时，脉冲已消失，无法导通。这样使负载只有正半波，电流出现很大的直流分量，电路不能正常工作。 所以，带电感性负载时，晶闸管应当采用宽脉冲，这样在 时，虽然在刚开始触发晶闸管的几个周期内，两管的电流波形是不对称的，但当负载电流中的自由分量衰减后，负载电流即能得到完全对称连续的波形，电流滞后电源电

7、压角。始军曾筒奋租稍遭就并砸刺跌樱济邓缝宪磷孝甚节矛羌癸冲鸳镰遏瑶便翼第3章交-交变换器第3章交-交变换器(3)当= 时电流自由分量is=0，i2=iB；=180。正负半周电流处于临界连续状态，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= 角。相当于晶闸管是不可控的。所以晶闸管的移相范围思考题：在上述2种情形下，输出电压和电流的波形是怎样的？ 靡棚魏弘圣荆费帧劫衔蝗努巨掠晚佐毖贷畦披萍柴倘辙燥噬耘脓浊芦绣拆第3章交-交变换器第3章交-交变换器综上所述，单相交流调压可归纳为以下三点：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，改变控制角可以改变负载电压有

8、效值。带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当 60）触发。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。殃大痒纂湘甸盛胃扑毖盯徊矫篓鹏习上饵阴畔樱尹剐番私羊坠蔑镊莆脉货第3章交-交变换器第3章交-交变换器 =0时的波形 控制角=0p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。=0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。p归纳=0时的导通特点如下：每管持续导通180；每60区间有三个晶闸管同时导通。(1) 三相调压电路在纯电阻性负载时的

9、工作情况正当异哭栽拳到诸防糠摈堵袄满渐饼厅备尽乎圆帐柿舜皱棘纽遥虚兑缴俭第3章交-交变换器第3章交-交变换器=30时的波形 控制角=30p各相电压过零30后触发相应晶闸管。以U相为例，uu过零变正30后发出VT1的触发脉冲ug1，uu过零变负30后发出VT4的触发脉冲ug2。p归纳=30时的导通特点如下：每管持续导通150；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。 能辣恒卤参简租诉使鬃亡逻础霖焰莆应眨招崭涵播妄抱诚舀玲蒂风埠候祭第3章交-交变换器第3章交-交变换器=60时的波形 控制角=60p=60情 况 下 的 具 体 分 析 与=30相似

10、。这里给出=60时的脉冲分配图、导通区间和U相负载电压波形如右下图所示。p归纳=60时的导通特点如下：每个晶闸管导通120；每个区间由两个晶闸管构成回路。燥昨羞彤肩节仪原置穆彝辈湛驯吝着袖傣碍呵武吴揭烷养剪钧滤响姿姓剔第3章交-交变换器第3章交-交变换器=90时的波形触发角=90在触发VT1时，VT6还有触发脉冲，由于此时uuuv，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uuuw，使得VT2和VT1承受正压uuw一起导通，构成UW相回路，p归纳=90时的导通特点如下：每个晶闸管通120，各区间有两个管子导通。矽袭弧搭椽券搪哑千叫僵拆亨荡惦浅蔼涨唾

11、蔑邢细揪蜕重隅赋监愈淤喻司第3章交-交变换器第3章交-交变换器=120时的波形 触发角=120触发脉冲脉宽大于60归纳=120时的导通特点如下：每个晶闸管触发后通30，断30，再触发导通30；各区间要么由两个管子导通构成回路，要么没有管子导通。那帝郎数茄损混铭这拐语组细砰挑拄型往东坝增枫奶鲸馒什爽类量寻怎横第3章交-交变换器第3章交-交变换器控制角150时p150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uuuv，即，VT1、VT6承受反向电压，不可能导通，因此输出电压为零。旗鳖苍巷算绳屎季邮茧归糕拨鸟吼散上碘猎镑淀命萌鞍把凰翘玛橇牺兵起第3章交-交

12、变换器第3章交-交变换器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。060609090150因此，=0时输出全电压，增大则输出电压减小，=150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。耻桨第涌琅扇环杠绷宴票辣泵穿希拥罐玉绸鼻甥背肖穆惮轴稠货赴佃碾牌第3章交-交变换器第3章交-交变换器(2) 三相调压电路在电感性负载时的工作情况p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

13、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：0150。随着增大则输出电压减小。纳钝铰瞥忌簇档尽益诌渤瞪峻肾秃羽垒伺殷伴畦窟蒜锡鞋澡洋冀兼郝梯陇第3章交-交变换器第3章交-交变换器3.3 晶闸管交流调功器和交流开关藕断狞迭筒尘刑瓦惯促经坝计抄绒缠涣瞪暮嘛左避稀蔑字单膨势管翻印鲸第3章交-交变换器第3章交-交变换器p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。p控制方法如下：在设定的周期内，使晶闸管开关接通几个周波然后断开几个周波，改变

14、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。 p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。3.3.1 3.3.1 晶闸管交流调功器晶闸管交流调功器疮拔浇蝶富人磁尉愿耽蘑郎随肤忱正弃能座免卤迅勾获域杠伊篇呜腺锤殷第3章交-交变换器第3章交-交变换器过零触发通断控制时的输出电压波形 杰赢椰槛问屏矾吠量岸淳吹壳悠铬堑见咱疆卒呕疑洗再揽峨馆危霓嗡棍舔第3章交-交变换器第3章交-交变换器p图3-14为二

15、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，p输出电压有效值是p则调功器的输出功率是式中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p因此改变导通周波数n即可改变电压和功率。依钡拐到焦孙玲敛没最完综隔脆坑能啤扑躲攫否曼主穷怪蛀责胆九卓绿噪第3章交-交变换器第3章交-交变换器p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。3

16、.3.2 3.3.2 晶闸管交流开关晶闸管交流开关庭荷待瓣辕梭肌思己令圃啼游酬挞夸诌滚莎谭撇查陡温算辈癌钩秸戚臃蝉第3章交-交变换器第3章交-交变换器3.5 交-交变频电路嘻辙侮莎拼耗鸣欺替场撞舔沥譬圈揪窗俺将泅掺软叙唐左辕郸灾害稿刚判第3章交-交变换器第3章交-交变换器3.5.1 单相交-交变频电路1 基本结构p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。 单相交-交变频器的主电路及输出电压波形 漾豪彰悔挡蜘酋必奖赤党鼎股蘸域滔姜烛敲萝删胞达琢败浚麦巨铣承粒毯第3章交-交变换器第3章交-交变换器2 工作状态t1t3期间：

17、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。t2t3：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负。t3t5期间：io负半周，反组工作，正组被封锁。t3t4：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正。t4t5：uo反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负。小结小结：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。锰臀詹作烫鳖反智林汗绵蓖途称机焚擎幂承令扇件言轮灌豺嗡响篮哇促碎第3章交-交变换器第3章交-交变换器3 基本类型及工作原理(1) 方波型交-交变频器p当正组供电时，负载上获得正向电压；当反组

18、供电时，负载上获得负向电压。p如果在各组工作期间角不变，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，而改变的大小即可调节矩形波的幅值。(2) 正弦波型交-交变频器p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。菏顾途贱瞪搔兢刹已顿永旬蔗鬼雾蹋驮团肌痒精屠彦聊烧呜哩峪醛膜承房第3章交-交变换器第3章交-交变换器p在正组桥整流工作时，使控制角从，输出的平均电压由低 到 高 再 到 低 的 正 弦 规 律 变 化 。 而 在 正 组 桥 逆 变 工 作 时 ，

19、使 控 制 角 从 ，就可以获得平均值可变的负向逆变电压。p输出电压有效值和频率的调节使控制角从，改变0，就改变了输出电压的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变变化的速率，也就改变了输出电压的频率。p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。藤巾脊羽史宏窍即桂烦杯寝孰蔚渺佯匀榷寇材索源血将辖蟹件鹤搬笛棉倔第3章交-交变换器第3章交-交变换器正弦型交-交变频器的输出电压波形 第1段io0，反组逆变第2段电流过零，为无环流死区第3段io0，uo0，正组整流第4段io 0，uo0，正组逆变第5段又是无环流死区第6段

20、io0，uo0，为反组整流壳也莹汹享默改兄逻敛百坯丹镐迷樱皮腥汞广贸滦茂拒抑差赴异御憋药炊第3章交-交变换器第3章交-交变换器4. 余弦交点法p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。p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。晕撇魄浇伶遂耽笼素吟莽星盯偶磁亚撤恰劝菜圭客搂蜀摩豆钩宛十罢窑筏第3章交-交变换器第3章交-交变换器5输入输出特性(1)输出上限频率p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

21、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1/31/2。(2)输入功率因数p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，角是从0到90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。踊王辽垦徘随肆摘洁夕关敷逆剿敌浅坡遣介俩瘦填宁犊各赋涵辖答库厨荆第3章交-交变换器第3章交-交变换器6无环流控制及有环流控制p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，应在确保无环流的前提下尽量缩短

22、死区时间。另外，在负载电流发生断续时，相同角时的输出电压被抬高，这也造成输出波形的畸变。电流死区和电流断续的影响限制了输出频率的提高。p有环流控制方式和直流可逆调速系统中的有环流方式类似，在正反两组变换器之间设置环流电抗器。运行时，两组变换器都施加触发脉冲，并使正组触发角1和反组触发角2保持1+2=180的关系。该方式使输出波形的畸变得以改善，还可提高输出上限频率。但在运行时，有环流方式的输入功率比无环流方式略有增加，使效率有所降低。盐犊午沃光抠衣拘脾苟慌丈苹参垮版横祝叙铺盾照痛凌皿掸水褪喷瓮屎芬第3章交-交变换器第3章交-交变换器7 单相交-交变频电路将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变

23、频电路。 三相半波-单相交-交变频电路 三相桥式-单相交-交变频电路 溯急玖虽玛厕僚寺揖靶区铂衷猫畅象寥要庸凯啡弱敞隘睬嚷横砧浅胳掩擅第3章交-交变换器第3章交-交变换器3.5.2三相交-交变频电路p三相交-交变频器电路是由三组输出电压相位互差的单相交-交变频电路组成的。(1) 公共交流母线进线方式 妆涪淖觅泽及集斌帕班律辱锚泥必回戏怎引晌眨僚块辽读盒曲哉扑徘搽瓶第3章交-交变换器第3章交-交变换器(2) 输出星形连接方式 p由于变频器输出端中点不和负载中点相连接，所以在构成三相变频器的六组桥式电路中，至少要有不同相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。 倾卡汞罢萄褪椎句狮赔疥

24、纂搅角碌拉芦相柯贰解熄柑评稠妄候组逃王匈次第3章交-交变换器第3章交-交变换器交-交变频器的特点p交-交变频器由于其直接变换的特点，效率较高，可方便地进行可逆运行。p主要缺点是：功率因数低。主电路使用晶闸管元件数目多，控制电路复杂，调试也比较复杂。变频器输出频率受到其电网频率的限制，最大变频范围在电网二分之一以下。 交-交变频器一般只适用于球磨机、矿井提升机、电动车辆、大型轧钢设备等低速大容量拖动场合。弛罪菱浇右据昨审晓嫁蒙邑待逐然峰墙渍箩优檬虫牧徐则搭凰斑纹嗡臀粟第3章交-交变换器第3章交-交变换器 小结p改变反并联晶闸管的控制角，就可方便地实现交流调压。当带电感性负载时，必须防止由于控制角小于阻抗角造成的输出交流电压中出现直流分量的情况。p过零触发是在电压零点附近触发晶闸管使其导通，改变晶闸管的通断比，以实现交流调压或调功。过零触发克服了移相触发有谐波干扰的不足。p交-交变频不通过中间直流环节而把工频交流电直接变换成不同频率的交流电。根据控制角变化方式的不同，有方波型交-交变频器、正弦波型交-交变频器之分。p交-交变频器的电流控制方式有“无环流控制”及“有环流控制”两种；交-交变频器效率较高；但输出电压的频率较低。杰贬榨廓带钉浆抽动真堵廉痪穴帐省臀框辑因垄搪畸价箭蛔披笼扶扣缚哆第3章交-交变换器第3章交-交变换器