电力电子课件第3章

1、第3章 交-交变换器 3.1 简介 晶闸管单相和三相交流调压器 全控型器件的交流斩波电路 交-交变频器 交-交(AC-AC)变换器的应用 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。 (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。 (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

2、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。3.2 相控交流调压电路 3.2.1 单相交流调压电路 1 电阻性负载的工作情况 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。 负载上交流电压有效值U与控制角的关系为 电流有效值 电路功率因数 电路的移相范围为0 。 2sin21)(sin21222UtdtUUaLRUI IUUISP2sin21cos22 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电动势阻止电流变化，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。的最大范围是 。 单相交流调压

3、器电感性负载时的主电路和输出波形 流过晶闸管的电流即负载电流为 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。 在t=0时触发管子，t= 时管子关断，将t= 代入上式可得tgtetZUiiisinsin22BS2tgesinsin 当取不同的?角时， =f()的曲线如图所示， (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。(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

4、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，电流滞后电源电压?角。 (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

5、下，输出电压和电流的波形是怎样的？ 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。 =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18

6、0 ；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工作情况=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。 不同角时负载相电压波形a) =30=60时的波形 控制角=60p=60情况下的具体分析与=30相似。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：

7、每个晶闸管导通120；每个区间由两个晶闸管构成回路。 不同角时负载相电压波形b) =60=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。=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。 不同角时

8、负载相电压波形 c) =120 控制角 150时 150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。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。 0 60 60 90 90 150 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。3.5

9、 交-交变频电路 3.5.1 单相交-交变频电路 1 基本结构 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 1) 电路构成和基本工作原理ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoP=0P=2P=2t 单相交交变频电路原理图和输出电压波形u电路构成由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。变流器P和N都是相控整流电路。2 工作状态t1t3期间：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。t

10、2 t3 ： uo反向， io仍为正，正组逆变，输出功率为负。t3 t5期间： io负半周，反组工作，正组被封锁。t3 t4 ：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正。t4 t5 ： 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。3 基本类型及工作原理(1) 方波型交-交变频器 当正组供电时，负载上获得正向电压；当反组供电时，负载上获得负向电压。 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

11、) 正弦波型交-交变频器 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。 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，使控制角从 ，就可以获得平均值可变的负向逆变电压。 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。 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

12、近正弦波。2/02/2/2/2/2/0正弦型交-交变频器的输出电压波形 1OO23456图4-20uoiott第1段io 0，反组逆变 第2段电流过零，为无环流死区第3段io 0， uo 0，正组整流 第4段io 0， uo 0，正组逆变第5段又是无环流死区 第6段io 0， uo 0，为反组整流5输入输出特性(1) 输出上限频率 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 交-

13、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。6 无环流控制及有环流控制 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。 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

14、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。 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 3.5.2 三相交-交变频电路 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 (2) 输出星形连接方式 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。 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。 小 结 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