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1、第第4章章 交流交流-交流变换电路交流变换电路 机械工业出版社机械工业出版社本章要点本章要点交流开关、交流调功和交流电压调节的基本工作原交流开关、交流调功和交流电压调节的基本工作原理和应用电路分析；理和应用电路分析；相位控制和通断控制的概念；相位控制和通断控制的概念；不同负载时，单相和三相交流调压电路的结构、工不同负载时，单相和三相交流调压电路的结构、工作原理、波形分析；作原理、波形分析；单相和三相交单相和三相交-交变频电路的电路结构、工作原理。交变频电路的电路结构、工作原理。4.1、晶闸管交流调压器、晶闸管交流调压器 交交流流调调压压电电路路常常由由晶晶闸闸管管组组成成，用用于于调调节节输输
2、出出电电压压的的有有效效值值。晶晶闸闸管管交交流流调调压压器器具具有有体体积积小小、重重量量轻轻的的特特点点。输输出出是是交交流流电电压压，但但不不是是正正弦弦波波形形，谐谐波分量大，功率因数也较低。波分量大，功率因数也较低。 交交流流调调压压控控制制常常用用相相位位控控制制。它它是是使使晶晶闸闸管管在在电电源源电电压压每每一一周周期期中中、在在选选定定的的时时刻刻将将负负载载与与电电源源接接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。通，改变选定的时刻可达到调压的目的。 4.1.1、单相交流调压电路、单相交流调压电路1、单相调压电路的结构和工作原理、单相调压电路的结构和工作原理(电阻性负载电阻性负载
3、)图图4-1（1）电路结构和工作原理波形）电路结构和工作原理波形（2）仿真与实验波形）仿真与实验波形 (a) =30 (b) =60图图4-2 (c)=90 (d)=120单相交流相交流调压器器带电阻性阻性负载不同控制角不同控制角时的仿真和的仿真和实验波形波形图图4-22、单相调压电路的结构和工作原理、单相调压电路的结构和工作原理(阻阻-感负感负载载)图图4-3（1）电路结构和工作原理波形）电路结构和工作原理波形（2）电感性负载的工作情况）电感性负载的工作情况当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应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流变化，故电流不能立即为零，此电动势阻止
4、电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角时晶闸管导通角的大小，不但与控制角的大小，不但与控制角有关，有关，而且与负载阻抗角而且与负载阻抗角有关。两只晶闸管门极的起有关。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，始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点，的最大范围是的最大范围是。 （3）仿真与实验波形）仿真与实验波形 (a) =30(b) =60图图4-4 (c) =90(d)=120单相交流相交流调压器器带阻阻-感性感性负载不同控制角不同控制角时的仿真和的仿真和实验波形波形图图4-5 单相交流调压可归纳以下三点：单相交流调压可归纳以下三点： 带带电电阻阻性性负负载载时时
5、，负负载载电电流流波波形形与与单单相相桥桥式式可可控控整整流流交交流流侧侧电电流流波波形形一一致致，改改变变控控制制角角可可以改变负载电压有效值。以改变负载电压有效值。 带带电电感感性性负负载载时时，不不能能用用窄窄脉脉冲冲触触发发，否否则则当当150以以后后，负负载载上上没没有有交交流流电电压压输输出出。当当Ug1触触发发VT1时时，尽尽管管VT6的的触触发发脉脉冲冲仍仍存存在在，但但由由于于uUuV，即即VT1、VT6承承受受反反向向电电压压，不不可可能能导导通通，因因此此输出电压为零。输出电压为零。因因此此=0时时输输出出全全电电压压，增增大大则则输输出出电电压压减减小小，=150时输出
6、电压为零。时输出电压为零。每每相相负负载载上上的的电电压压已已不不是是正正弦弦波波，但但正正、负负半半周周对对称称。因因此此，输输出出电电压压中中只只有有奇奇次次谐谐波波，以以三三次次谐谐波波所所占占比比重重最最大大。由由于于这这种种线线路路没没有有零零线线，故故无无三三次次谐波通路，减少了三次谐波对电源的影响。谐波通路，减少了三次谐波对电源的影响。（2）三相调压电路在电感性负载时的工作情况）三相调压电路在电感性负载时的工作情况三三相相交交流流调调压压电电路路在在电电感感性性负负载载下下的的情情况况要要比比单相电路复杂得多，很难用数学表达式进行描述单相电路复杂得多，很难用数学表达式进行描述。从
7、从实实验验可可知知，当当三三相相交交流流调调压压电电路路带带电电感感性性负负载载时时，同同样样要要求求触触发发脉脉冲冲为为宽宽脉脉冲冲，而而脉脉冲冲移移相相范围为：范围为：0150。随着。随着增大则输出电压减小。增大则输出电压减小。4.1.3、晶闸管交流调功器和交流开关、晶闸管交流调功器和交流开关交交流流电电力力控控制制电电路路只只改改变变交交流流电电压压、电电流流的的幅幅值值或或对对交交流流电电路路进进行行通通断断控控制制，而而不不改改变变交交流流电电的的频频率率。它它包包括括交交流流开开关关、交交流流调调功功和和交交流流调调压压等等；交交流流电电力力控控制制电电路路主主要要采采用用通通断断
8、控控制制或或相相位位控控制制方方式式。交交流流开开关关和和交交流流调调功功主主要要采采用用通通断断控控制制，而交流调压通常采用相位控制。而交流调压通常采用相位控制。1）通通断断控控制制。即即把把晶晶闸闸管管作作为为开开关关，将将负负载载与与交交流流电电源源接接通通几几个个周周期期，然然后后再再断断开开一一定定周周期期，通通过过改改变变通通断断时时间间比比值值达达到到调调压压目目的的。这这种种控控制制方方式式电电路路简简单单，功功率率因因数数高高，适适用用于于较大时间常数的负载；缺点是输出电压或功率调节不平滑。较大时间常数的负载；缺点是输出电压或功率调节不平滑。2）相相位位控控制制。它它使使晶晶
9、闸闸管管在在电电源源电电压压每每一一周周期期内内选选定定的的时时刻刻将将负负载载与与电电源源接接通通，改改变变选选定定的的导导通通时时刻刻就就可可达达到到调调压压的的目目的。的。1 1、晶闸管交流调功器、晶闸管交流调功器 使晶闸管交流开关在端电压为零或零附近瞬间接使晶闸管交流开关在端电压为零或零附近瞬间接通，利用管子电流小于维持电流使管子自行关断，通，利用管子电流小于维持电流使管子自行关断，就可使电路波形为正弦整周期形式，这样可以避免就可使电路波形为正弦整周期形式，这样可以避免高次谐波的产生。这种触发方式称为过零触发或零高次谐波的产生。这种触发方式称为过零触发或零触发。交流零触发开关对外界的电
10、磁干扰最小。触发。交流零触发开关对外界的电磁干扰最小。 实现功率调节的方法如下：在设定的周期实现功率调节的方法如下：在设定的周期TC内，内，用零电压开关接通几个周波然后断开几个周波，改用零电压开关接通几个周波然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内的通断时间比例，可调节负变晶闸管在设定周期内的通断时间比例，可调节负载上的交流平均电压，即可达到调节负载功率的目载上的交流平均电压，即可达到调节负载功率的目的。这种装置也称为调功器或周波控制器。的。这种装置也称为调功器或周波控制器。过零触零触发输出出电压波形波形图图4-17 设在设在Tc内导通的周波数为内导通的周波数为n，每个周波的周期为每个周波的周
11、期为T，输出电压有效值是输出电压有效值是则调功器的输出功率是则调功器的输出功率是Pn设定周期设定周期Tc内内全部周波导通时装置输出的功率。全部周波导通时装置输出的功率。Un设定周期设定周期Tc内内全部周波导通时，装置输出的电全部周波导通时，装置输出的电压有效值压有效值n在设定周期在设定周期Tc内内导通的周波数导通的周波数改变导通周波数改变导通周波数n即可改变电压和功率。即可改变电压和功率。 晶晶闸闸管管交交流流开开关关的的基基本本原原理理是是将将两两只只反反并并联联的的普普通通晶晶闸闸管管串串入入交交流流电电路路中中，替替代代传传统统的的机机械械开开关关对对电电路路进进行行通通断断控控制制。晶
12、晶闸闸管管交交流流开开关关是是一一种种快快速速、理理想想的的交交流流开开关关。它它总总是是在在电电流流过过零零时时关关断断，在在关关断断时时不不会会因因负负载载或或线线路路电电感感储储存存能能量量而而造造成成暂暂态态过过电电压压和和电电磁磁干干扰扰，因因此此特特别别适适用用于于操操作频繁、可逆运行及有易燃气体、多粉尘的场合。作频繁、可逆运行及有易燃气体、多粉尘的场合。2、晶闸管交流开关、晶闸管交流开关4.2、晶闸管交流调压、调压、开关电路应用、晶闸管交流调压、调压、开关电路应用4.2.1、晶闸管交流调压器应用电路、晶闸管交流调压器应用电路晶晶闸闸管管交交流流调调压压电电路路广广泛泛用用于于工工
13、业业加加热热、灯灯光光控控制制、感感应应电电动机调压调速以及电焊、电解、电镀的交流侧调压等场合。动机调压调速以及电焊、电解、电镀的交流侧调压等场合。1、触发二极管触、触发二极管触发的交流调压电路发的交流调压电路图图4-182、单结晶体管触发的交流调压电路、单结晶体管触发的交流调压电路3 3、KC06KC06触发器触发的晶闸管交流调压电路触发器触发的晶闸管交流调压电路图图4-19图图4-204.2.2、晶闸管交流调功器应用电路、晶闸管交流调功器应用电路交流调功器的主电路可用二只普通晶闸管反并联或双向晶闸交流调功器的主电路可用二只普通晶闸管反并联或双向晶闸管组成，下图为全周波连续式分立元件组成的过
14、零触发电路管组成，下图为全周波连续式分立元件组成的过零触发电路控制的交流调功器，它由主电路、锯齿波产生、信号综合、控制的交流调功器，它由主电路、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等部分组成。直流开关、过零脉冲输出以及同步电压等部分组成。图图4-211、晶闸管交流开关的基本型式、晶闸管交流开关的基本型式 晶闸管交流开关的特点：门极毫安级电流的通断可控制晶闸晶闸管交流开关的特点：门极毫安级电流的通断可控制晶闸管阳极几十到几百安培大电流的通断。晶闸管在承受正半周电管阳极几十到几百安培大电流的通断。晶闸管在承受正半周电压时触发导通，在电源过零后的负半周在管子上施加反压而使压时触发
15、导通，在电源过零后的负半周在管子上施加反压而使其自然关断。常见的几种晶闸管交流开关型式如下图所示。其自然关断。常见的几种晶闸管交流开关型式如下图所示。 4.2.3、晶闸管交流开关应用电路、晶闸管交流开关应用电路图图4-232、固态开关、固态开关固固态态开开关关是是一一种种晶晶闸闸管管交交流流开开关关，是是近近年年迅迅速速发发展展起起来来的的一一种种固固态态无无触触点点开开关关。它它包包括括固固态态继继电电器器和和固固态态接接触触器器,是是一一种以双向晶闸管为基础构成的无触点开关组件。种以双向晶闸管为基础构成的无触点开关组件。图图4-243、晶闸管交流开关在电动机控制中的应用、晶闸管交流开关在电
16、动机控制中的应用1）电动机的正反转控制）电动机的正反转控制2）电动机的反接制动与能耗制动）电动机的反接制动与能耗制动图图4-254.2.4 晶闸管三相交流调压应用实例晶闸管三相交流调压应用实例KJF系列双向晶闸管调压调速装置系列双向晶闸管调压调速装置1.1.主要技术指标主要技术指标1）控制对象：三相异步电动机、交流输入三相）控制对象：三相异步电动机、交流输入三相50Hz，进，进线电压线电压380V2）装置功率：小于）装置功率：小于40kW3）调速范围：）调速范围：5：1左右，对力矩电机可达左右，对力矩电机可达10：14）稳态精度：静态误差不大于）稳态精度：静态误差不大于2.5%5.5%5）控制
17、电压：）控制电压：08V6）交流输出：交流三相电压连续可调）交流输出：交流三相电压连续可调该调压装置既能对异步电动机实现无级平滑调速，也能作该调压装置既能对异步电动机实现无级平滑调速，也能作为工业加热、灯光控制用的交流调压器。为工业加热、灯光控制用的交流调压器。2.2.系统原理图系统原理图图图4-264.3 晶闸管交晶闸管交-交变频器交变频器交交-交变频电路是不通过中间环节而把工频交流电直接变交变频电路是不通过中间环节而把工频交流电直接变换成不同频率交流电的变频电路，故又称为直接变频器或换成不同频率交流电的变频电路，故又称为直接变频器或周波变换器。因为没有中间直流环节，仅用一次变换就实周波变换
18、器。因为没有中间直流环节，仅用一次变换就实现了变频，所以效率较高。现了变频，所以效率较高。目前，自关断型变频器受自关断器件容量的限制，功率还目前，自关断型变频器受自关断器件容量的限制，功率还不能做得很大。强制关断型功率受到换相电容的换相能力不能做得很大。强制关断型功率受到换相电容的换相能力限制，同样功率不能做得很大。而普通晶闸管容量大，价限制，同样功率不能做得很大。而普通晶闸管容量大，价格便宜，自然换相可靠，所以对于大功率变频器来说，一格便宜，自然换相可靠，所以对于大功率变频器来说，一般采用由普通晶闸管组成的、采用自然换相方式的变频器。般采用由普通晶闸管组成的、采用自然换相方式的变频器。所以，
19、交所以，交-交变频器大多数由普通晶闸管元件构成。交变频器大多数由普通晶闸管元件构成。4.3.1单相交单相交-交变频电路交变频电路 1、基本结构和工作原理、基本结构和工作原理单相交单相交-交变频电路由两组反并联交变频电路由两组反并联的晶闸管整流器构成。的晶闸管整流器构成。（1）方波型交）方波型交-交变频器交变频器图图4-27图图4-28 （2）正弦波型交）正弦波型交-交变频器交变频器正正弦弦波波型型交交- -交交变变频频器器的的主主电电路路与与方方波波型型相相同同，但但其其输输出出电电压压的的平平均均值值按按正正弦弦规规律律变变化化，克克服服了了方方波波型变频器输出波形谐波成分大的缺点。型变频器
20、输出波形谐波成分大的缺点。在正组桥整流工作时，使控制角在正组桥整流工作时，使控制角从从 ， 输输出出的的平平均均电电压压由由低低到到高高再再到到低低变变化化。而而在在正正组组桥桥逆逆变变工工作作时时，使使控控制制角角从从 ，就就可可以获得平均值可变的负向逆变电压。以获得平均值可变的负向逆变电压。 正弦型交正弦型交- -交变频器的输出电压波形交变频器的输出电压波形 图图4-292 2、输出正弦波形的获得方法、输出正弦波形的获得方法常常用用的的方方法法是是余余弦弦交交点点法法，该该方方法法的的原原则则是是：触触发发角角的的变变化化和和切切换换应应使使得得整整流流输输出出电电压压的的瞬瞬时时值值与与
21、理理想想正正弦弦电电压的瞬时值误差最小。压的瞬时值误差最小。正正弦弦波波型型交交-交交变变频频器器适适合合于于低低频频大大功功率率的的电电气气传传动动系系统统，最高输出频率是输入频率的最高输出频率是输入频率的1/3或或1/2。3 3、输出电压有效值和频率的调节输出电压有效值和频率的调节交交-交交变变频频电电路路的的输输出出电电压压是是由由若若干干段段电电源源电电压压拼拼接接而而成成的的。在在输输出出电电压压的的一一个个周周期期内内，所所包包含含的的电电源源电电压压段段数数越多，其波形就越接近正弦波。越多，其波形就越接近正弦波。使使控控制制角角从从，改改变变0，就就改改变变了了输输出出电电压压的
22、的峰峰值值，也也就就改改变变了了输输出出电电压压的的有有效效值值；改改变变变变化化的的速速率，也就改变了输出电压的频率。率，也就改变了输出电压的频率。 交交- -交变频器的特点交变频器的特点：交交- -交交变变频频器器由由于于其其直直接接变变换换的的优优点点：效效率率较较高高，可可方便地进行可逆运行。方便地进行可逆运行。主要缺点是：主要缺点是：功率因数低。功率因数低。主电路使用晶闸管元件数目多，控制电路复杂。主电路使用晶闸管元件数目多，控制电路复杂。变变频频器器输输出出频频率率受受到到其其电电网网频频率率的的限限制制，最最大大变变频范围在电网二分之一以下。频范围在电网二分之一以下。 交交- -
23、交交变变频频器器一一般般只只适适用用于于球球磨磨机机、矿矿井井提提升升机机、电电动车辆、大型轧钢设备等低速大容量拖动场合。动车辆、大型轧钢设备等低速大容量拖动场合。 4.3.2三相三相-单相交单相交-交变频电路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频电路。将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变频电路。 三相半波三相半波-单相交单相交-交变频电路交变频电路 三相桥式三相桥式-单相交单相交-交变频电路交变频电路 图图4-30图图4-314.3.3三相交三相交-交变频电路交变频电路交交-交交变变频频器器主主要要用用于于交交流流调调速速系系统统中中，因因此此实实际际使使用用的的主主要要是
24、是三三相相交交-交交变变频频器器。三三相相交交-交交变变频频器器电电路路是是由由三三组组输输出出电电压压相相位位互互差差的的单单相相交交-交交变变频电路组成的。频电路组成的。1 1、电路的接线方式、电路的接线方式三三相相交交-交交变变频频电电路路主主要要有有两两种种接接线线方方式式，即即公公共共交流母线进线方式和输出星形联结方式。交流母线进线方式和输出星形联结方式。 （1）公共交流母线进线方式）公共交流母线进线方式 它它由由三三组组彼彼此此独独立立、输输出出电电压压相相位位互互差差120度度的的单单相相交交-交交变变频频电电路路组组成成，其其电电源源进进线线通通过过电电抗抗器器接接在在公公共共
25、的的交交流流母母线线上上。由由于于电电源源进进线线端端公公用用，所所以以三三组组单单相相变变频频电电路路的的输输出出端端必必须须隔隔离离。为为此此，交交流流电电机机的的三三个个绕绕组组必必须须拆拆开开，共共引出六根线。引出六根线。 图图4-32 （2 2）输出星形连接方式输出星形连接方式 由由于于变变频频器器输输出出端端中中点点不不和和负负载载中中点点相相连连接接，所所以以在在构构成成三三相相变变频频器器的的六六组组桥桥式式电电路路中中，至至少少要要有有不不同同相相的的两两组组桥桥中中的的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。 图图4-332 2、
26、具体电路结构、具体电路结构三三相相桥桥式式整整流流器器组组成成的的三三相相-三三相相交交-交交变变频频电电路路，采采用公共交流母线进线方式用公共交流母线进线方式 图图4-34三三相相桥桥式式整整流流器器组组成成的的三三相相-三三相相交交-交交变变频频电电路路，给给电电动动机负载供电，采用输出星形联结方式（负载未画出）机负载供电，采用输出星形联结方式（负载未画出） 图图4-353 3、单相交、单相交- -交变频器的仿真交变频器的仿真图（a）是单相交-交变频器的负载端电压仿真曲线，图（b ）中光滑的是正弦参考信号曲线，图中带锯齿的曲线即为单相交-交变频器的电流输出实际波形。 (a)(b)单相交相交-交交变频器器输出出电流波形流波形 (b)三相交三相交-交交变频器仿真模型器仿真模型结构构图及及电流流输出波形出波形
