第六章交流变换电路

第6章交流变换电路6.1交流变换器类型6.2晶闸管交流开关

6.3交流调压电路6.4交-交变频电路第6章交流变换电路交流变换电路是对交流电路的幅值、频率、相数等参数进行变换的电路。本章主要讲述晶闸管交流调压电路的拓扑结构、控制方式和工作原理及应用；晶闸管调功电路的接线形式、工作原理及应用；交-交变频电路的拓扑结构、工作原理。本章要求掌握晶闸管交流调压电路的控制方式和调功器的应用，交-交变频电路的工作原理。6.1交流变换器类型交流变换电路

交流电压控制电路

交-交变频电路

交流调压电路

交流调功电路

晶闸管交流开关

电压型电路

电流型电路

只改变输出电压的幅值而不改变频率的交流变换电路工频交流电直接变换成频率可调的交流电的交流变换电路

采用相位控制的交流电压控制电路

令交流调压器中的晶闸管在交流电流自然过零时关断或导通采用通断控制的交流电压控制电路

电压型直接变频电路是利用反并联整流电路的工作原理拓广而成电流型的电路结构也可看成是桥式整流电路的拓广

6.2晶闸管交流开关6.2.1简单交流开关及应用6.2.2由过零触发开关电路组成的单相交流调功器6.2.3固态开关6.2.1简单交流开关及应用单只普通晶闸管交流开关图6.1为只用一只普通晶闸管构成的交流开关电路，该电路包含一个由二极管组成的整流桥。晶闸管只受正压，不受反压。其缺点是由于串联元件多，其压降损耗较大。图6.1单只普通晶闸管交流开关

6.2.1简单交流开关及应用2.普通晶闸管反并联的交流开关图6.2为普通晶闸管反并联构成的交流开关。当S闭合时，两只晶闸管均以管子本身的阳极电压作为触发电压进行触发，具有强触发性质，即使对触发电流很大的管子也能可靠触发。随着交流电源的交变，两个晶闸管轮流导通，负载上得到的基本上是正弦电压。图6.2晶闸管反并联的交流开关6.2.1简单交流开关及应用3.采用光耦合器的交流开关电路如图6.3所示为采用光耦合器的交流开关电路。主电路由两只晶闸管VT1、VT2和两只二极管VD1、VD2组成。当控制信号未接通时，1、2端没有信号。B光耦合器中的光敏管截止，晶体管VT处于导通状态，晶闸管门极电路被晶体管VT旁路，因而VT1、VT2晶闸管处于截止状态，负载未接通。当1、2端接入控制信号时，B光耦合器中的光敏管导通，晶体管V截止，VT1、VT2晶闸管控制极得到触发电压而导通，主回路被接通。电源正半波时(例如、V)路为—VT1—VD2——。电源负半波时(、)，通路为——VT2—VD1—。负载上得到交流电压。因而只要控制光耦合器的通/断就能方便地控制电路的通/断，进而在负载上获得完整的交流电压。6.2.1简单交流开关及应用图6.3采用光耦合器的交流开关电路6.2.1简单交流开关及应用4.双向晶闸管交流开关图6.4为采用双向晶闸管的交流开关，双向晶闸管为I+、Ⅲ触发方式，其线路简单，但工作频率低(小于400Hz)。图6.4采用双向晶闸管的交流开关

6.2.1简单交流开关及应用图6.5为双向晶闸管控制三相自动温控电热炉的典型电路。当开关QS拨到“自动”位置时，炉温就能自动保持在给定温度。若炉温低于给定温度，温控仪KT(调节式毫伏温度计)使常开触点KT闭合，双向晶闸管触发导通。继电器KA得电，使主电路中VT1—VT3管导通，负载电阻接入交流电源，电热炉升温。若炉温达到给定温度，温控仪的常闭触点KT断开，VT4关断，继电器KA失电，双向晶闸管VT1～VT3关断，电阻与电源断开，电热炉降温。双向晶闸管仅用一只电阻(主电路为、控制电路为)构成本相强触发电路，其阻值可由实验确定。用电位器代替或，调节电位器阻值，使双向晶闸管两端电压减到2～5V，此时电位器阻值即为触发电阻值。6.2.1简单交流开关及应用图6.5双向晶闸管控制三相自动控温电热炉电路6.2.2由过零触发开关电路组成的单相交流调功器

1.过零触发的概念前述可控整流和有源逆变电路都采用移相触发控制，这种触发方式使得电路输出为缺角的正弦波，包含大量的高次谐波。为了弥补这种不足，可采用过零触发或称零触发。过零触发是指在正弦交流电压过零时，触发晶闸管，使晶闸管或者处于全导通或者处于全阻断，使负载得到完整的正弦波。2.交流调功器(周波控制器)的工作原理交流过零触发开关电路就是利用零触发方式来控制晶闸管的导通与关断。交流零触发开关使电路在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，这种开关对外界的电磁干扰最小。6.2.2由过零触发开关电路组成的单相交流调功器交流过零触发开关电路就是利用零触发方式来控制晶闸管的导通与关断。交流零触发开关使电路在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，这种开关对外界的电磁干扰最小。由过零触发开关电路组成的单相交流调功器，是通过改变输出电压有效值来改变输出功率的。如在设定的周期内导通的周波数为n，每个周波的周期为T(50Hz，)，则调功器的输出功率和输出电压有效值为因此，改变导通周波数，即可改变电压或功率。3.零触发的两种工作模式1)全周波连续式2)全周波断续式6.2.2由过零触发开关电路组成的单相交流调功器图6.6全周波过零触发输出电压波形(全周波连续式)图6.9全周波过零触发输出电压波形(全周波断续式)6.2.3固态开关1.固态开关的概念固态开关(SolidStateSwitch)，简称SSS，是近年来发展起来的一种以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件。它包括固态继电器(SolidStateRelay，SSR)和固态接触器(SolidStateContactor，SSC)。6.2.3固态开关2.固态开关的类型1)采用光电三极管耦合器的“0”电压固态开关图6.10为采用光电三极管耦合器的“0”电压固态开关电路。1、2为输入端，相当于继电器或接触器的线圈；3、4为输出端，相当于继电器或接触器的一对触点，与负载串联后接到交流电源上。输入端接上控制电压，使发光二极管发光。紧靠着的光敏管阻值减少，适当选取、的比例，可使晶体管在零电压附近截止，晶闸管被触发导通。输出端交流电源通过负载、二极管～、以及构成通路，在电阻上产生电压降作为双向晶闸管的触发信号，使导通，负载得电。6.2.3固态开关图6.10采用光电三极管耦合器的“0”电压固态开关内部电路6.2.3固态开关2)采用光电晶闸管耦合器的“0”电压开关图6.11为光电晶闸管耦合器的“0”电压开关。由输入端1、2输入信号，光电晶闸管耦合器B中的光控晶闸管导通；电流经3－－－－－4构成回路；借助上的电压降向双向晶闸管的控制极提供分流，使导通。由、与1组成“0”电压开关功能电路。即当电源电压过0并升至一定幅值时，V1导通，光控晶闸管则被关断。图6.11光电晶闸管耦合器的“0”电压开关6.2.3固态开关3)采用光电双向晶闸管耦合器的非“0”电压开关图6.12为光电双向晶闸管耦合器非“0”电压开关。输入端1、2有信号时，光电双向晶闸管耦合器B导通；3————4回路有电流通过，两端压降为双向晶闸管VT提供触发信号。这种电路相对于输入信号的任意相位交流电源均可同步接通，因而称为非“0”电压开关。3.固态开关的优点固态开关一般采用环氧树脂封装，具有体积小、工作频率高的特点，适用于频繁工作或潮湿、有腐蚀性以及易燃的环境中。图6.12光电双向晶闸管耦合器非“0”电压开关

6.3交流调压电路6.3.1单相交流调压电路6.3.2三相交流调压电路6.3.1单相交流调压电路1.电阻性负载1）电路若正、负半周以同样的移相角触发VT1和VT2，则负载电压有效值可以随角而改变，实现交流调压。图6.13单相交流调压器主电路6.3.1单相交流调压电路2）波形图6.14单相交流调压电路电压波形

6.3.1单相交流调压电路3）公式晶闸管电流平均值晶闸管电流有效值负载电阻电压的有效值负载电阻电流的有效值功率因数

控制角的移相范围为≤≤

6.3.1单相交流调压电路2.电阻—电感负载当电源电压由正半周过零反向时，由于负载电感中产生感应电动势阻止电流变化，电流还未到零，即电压过零时晶闸管关不断，还将继续导通到负半周。在一个晶闸管导电时，它的管压降成为另一晶闸管的反向电压而使其截止。图6.15带感性负载的单相调压电路

6.3.1单相交流调压电路在一个晶闸管导电时，电路工作情况和单相半波整流时相同，负载电流的表达式即为下述微分方程式的解

(6.7)

解该方程得(6.8)导通角可由边界条件求得。当时，，将此条件代入式(6.8)，得(6.9)以为参变量的与的关系，如图6.16所示。6.3.1单相交流调压电路图6.16单相交流调压器以为参变量的与的关系6.3.1单相交流调压电路负载电流波形如图6.17所示。如图6.17(a)所示为情况下的电流波形，既不连续，又非正弦。图6.17带电感性负载单相交流调压电路波形

6.3.1单相交流调压电路当时，我们分两种情况来讨论：1)晶闸管门极用窄脉冲触发图6.15电路接通电源后，如果先触发VT1，且，则VT1的导通角，如图6.18所示。如果触发脉冲的宽度小于，则当的电流下降到零时，VT2的门极脉冲已经消失而无法导通。到第二个周期时，VT1又重复第一周期的工作，这样VT2将始终无法导电，回路中将出现直流分量的电流。

6.3.1单相交流调压电路2)晶闸管门极用宽脉冲或脉冲列触发如果触发脉冲的宽度大于，如图6.18所示，VT1的VT2可以在VT1之后接着导电，但VT2的起始导电角所以VT2的导通角。从第二个周期开始，VT1的导通角逐渐减小，VT2的导通角将逐渐增大，直到两个晶闸管的时达到平衡，这时电路的工作状态与时相同。之所以会逐渐过渡到平衡状态，是因为VT1被首次触发之后，电路的工作情况和两只晶闸管被短接时一样，电路的过渡过程和负载的普通单相交流电路在时合闸发生的过渡过程完全相同。该过渡过程的电流解亦即式(6.8)，电流解的适用区应改为≤＜∞，当→∞时，电路达到稳态，式(6.8)中的指数项等于零，这时，电流表达式即为式(6.10)，也就是电路工作在的状态。6.3.1单相交流调压电路图6.18＜

时阻感负载调压器的工作波形6.3.1单相交流调压电路一个周期内VT1导通输出的电压平均值为(6.11)

一个周期内流过VT1的电流平均值为(6.12)

一个周期内VT1电流平均值的标幺值为

(6.13)6.3.1单相交流调压电路流过晶闸管的电流有效值为(6.14)

负载电流有效值为(6.15) 晶闸管电流有效值的标么值为 (6.16)6.3.1单相交流调压电路综上所述，单相交流调压有如下特点：①电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧波形一致。改变控制角可以连续改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。单相交流调压的触发电路完全可以套用整流触发电路。②电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则当时，会产生很大的直流电流分量，烧毁熔断器或晶闸管。③电感性负载时，最小控制角(阻抗角)。所以的移相范围为，电阻性负载时，移相范围是。6.3.2三相交流调压电路当交流功率调节容量较大或者为某些三相负载控制方式时，通常采用三相交流调压器。三相交流调压器接线形式很多，各有其特点，其技术经济指标各不相同。三相交流调压器常用的电路接线方式有四种，即星形带中性线的三相交流调压电路，晶闸管与负载连接成内三角形的三相交流调压电路，三对反并联晶闸管(也可用三只双向晶闸管)连接成的单相三线交流调压电路和三相晶闸管接于星形负载中性点的三相交流调压电路。此外，由于双向晶闸管可看成是两只普通晶闸管的反并联，因而由普通晶闸管反并联组成的星形带中线的三相交流调压电路，晶闸管与负载连接成内三角形的三相交流调压电路，以及用三对反并联晶闸管连接成的三相三线交流调压电路，均可用一只双向晶闸管代替两只反并联的普通晶闸管，组成相应的三相交流调压电路。6.3.2三相交流调压电路1.负载按连接的三相交流调压电路如图

6.21

所示为负载按连接的三相交流调压电路(星形带中性线的三相交流调压路)，该电路各相通过零线自成回路，它相当于三只单相晶闸管交流调压器的组合。电路中晶闸管承受的电压、电流就是接于相电压的单相调压器需要考虑的数值，该电路的缺陷是在零线中三次谐波电流很大。由于三次谐波属于零序分量，它在零线中的电流值为各相三次谐波电流值的代数和。图6.21负载按连接的三相交流调压电路6.3.2三相交流调压电路2.三对反并联晶闸管接成的三相三线交流调压电路图6.22所示为用三对反并联晶闸管接成的三相三线交流调压电路。负载可以接成星形，也可接成三角形。由于没有零线，每相电流必须和另一相构成回路，与三相全控桥整流一样，应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。首先要确定电路中门极起始控制点，把图中的晶闸管换成二极管可看出，在电阻负载时，从相电压过零时刻开始，相应的二极管就导通。因此，的点应定在各相电压过零点。晶闸管VT1、VT3、VT5的触发相位依次相差120°，VT4、VT6、VT2的触发相位依次也相差120°，同相的两个晶闸管的触发相位相差180°。这样，自VT1至VT6的触发相位依次相差60°。图6.22用三对反并联晶闸管接成的三相三线交流调压电路6.3.2三相交流调压电路调压器有两种不同的工作状态：在同一时刻，每一相都有一只晶闸管导电，称为1类工作状态。在同一时刻，有一相两只晶闸管都不导电，另两相各有一只晶闸管导电，称为2类工作状态。1类工作状态，例如的工作状况即属此类工作状态，其波形如图6.23所示，每相都有一只晶闸管导电，三相电压、电流及所有晶闸管的都是对称的，因此三相电源中点与三相负载中点电位相等。2

类工作状态，有一相的两只晶闸管都不导电，所以电流只能在导电的两相间构成回路，电流通过两相负载电阻。这时，线电流峰值等于线电压峰值除以两倍电阻值。晶闸管两端可能承受的最大电压为，U为线电压有效值。6.3.2三相交流调压电路图6.23三相三线交流调压器电路时的波形6.3.2三相交流调压电路3.负载是三角形连接的交流调压电路该电路如图6.24所示，可以看成是三个由线电压供电的单相交流调压电路的组合。晶闸管点应定在线电压的零点上，VT1～VT6的触发脉冲依次相差60°。无论是电阻性负载还是电感性负载，每一相都可当作单相交流调压电路来分析，单相交流调压电路的方法和结果都可沿用，注意把单相相电压改成线电压即可。在作标么值与非标么值之间的换算时要注意这一点。图6.24负载是三角形连接的交流调压电路6.3.2三相交流调压电路4.三相晶闸管接于星形负载中性点的三相交流调压电路该电路如图6.25所示，用三角形连接的三个晶闸管来代替星形连接负载的中性点图6.25三相晶闸管接于星形负载中性点的三相交流调压电路6.4交-交变频电路6.4.1交-交变频电路的用途

6.4.2单相交-交变频电路6.4.3三相交-交变频电路6.4交-交变频电路交-交变频电路是不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电的变流电路。交-交变频电路也叫周波变流器(CycleConverter)。因为没有中间环节(直流环节)，仅用一次变换就实现了变频，所以效率较高。大功率交流电动机调速系统所用的变频器主要是交-交变频器。实际系统所用的交-交变频电路主要是三相输出交-交变频电路，但单相输出交-交变频电路是其基础。本节将分别介绍单相交-交变频电路和三相交-交变频电路的工作原理。6.4.1交-交变频电路的用途使用目的内容节能风机、泵类机械等可根据所要求流量调节转速，而挤压机、搅拌机等可根据负载状态来调节转速，可以减小电力传动功率自动化提高搬运机械的停止精度，提高生产线的速度控制精度，以及采用有反馈控制的流量控制等实现自动化提高产品质量生产时实现最佳生产线速度、加工时实现最佳加工速度，以及协调生产线内各装置间的速度来提高产品质量提高生产率根据产品种类实现生产线的最佳速度和加减速度，提高控制响应性以及提升生产线速度来提高生产率提高产品合格率在不影响产品质量和设备加速时间最小化前提下，实现对外界各种干扰的速度稳定性来提高产品合格率改善维修性采用对机械不产生冲击的起动、停止和空载、低速运转使设备寿命延长有利设备小型化增加设备使用灵活性，可使机械部分减少雨量来实现小型化增加舒适性电梯、电车等，采用平滑的加速、减速以提高乘坐的舒适性使环境舒适对于空调设备等改通/断控制为速度控制调节空调能力，以小功率连续运转实现舒适的环境植物、家畜的良好养育使空调设备在植物、家畜的最佳条件下运转，帮助发育低噪声化根据负载降低转速，以减小机械和风的噪声1)变频调速传动使用的目的6.4.1交-交变频电路的用途2)变频调速传动的应用领域表6-3给出了变频调速传动的应用领域。3)常用电动机调速传动方式的分类(1)直流电动机(调压调速)：晶闸管调压、斩波器调压、电阻降压。(2)步进电动机(调整驱动脉冲电压/电流/分配频率)。(3)交流电动机①机械式：变间距带轮、圆锥摩擦轮、金属环摩擦轮、球面摩擦轮、星形锥与环；②油压式：液压联轴节、液压变矩器、油压离合器；③电气式：电磁转差离合、调压调速、变频调速。6.4.2单相交-交变频电路1.基本结构和工作原理图6.27是单相交-交变频电路的原理图。电路由两组反并联的晶闸管变流电路构成。让两组变流电路按一定频率交替工作，就可以给负载输出该频率的交流电。改变两组变流电路的切换频率，就可以改变输出频率。改变变流电路工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。图6.27单相交-交变频电路原理图

6.4.2单相交-交变频电路假设在一个周期内控制角是固定不变的，则输出电压波形为矩形波。矩形波中所含的大量谐波对电动机的工作很不利。如果让角不是固定值，而是如图6.28所示在半个周期内让正组变流电路的角按正弦规律从90°逐渐减小到0°，然后再逐渐增大到90°。那么，正组整流电路在每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增至最大，再逐渐减小到零，如图6.28中虚线所示。在另外半个周期内，对负组变流器进行同样的控制，就可以得到接近正弦波的输出电压。图6.28交-交变频电路的输出波形

6.4.2单相交-交变频电路6.4.2单相交-交变频电路2.整流与逆变工作状态如果把交-交变频电路理想化，忽略交流电路换相时输出电压的脉动分量，就可把它看成如图6.29(a)所示的正弦波交流电源和二极管的串联。图6.29(b)给出了一个周期内负载电压、电流波形及正反两组变流电路的电压、电流波形。由于变流电路的单向导电性，在t1-t3期间的负载电流正半周，只能是正组变流电路工作，反组变流电路被封锁。其中在t1～t2阶段，输出电压和电流均为正，故正组变流电路输出功率为正，工作在整流状态。在t2～t3阶段，负载电流仍为正，但输出电压已反向。故这一阶段正组变流电路输出功率为负，工作在逆变状态。6.4.2单相交-交变频电路图6.29理想交-交变频电路的工作状态6.4.2单相交-交变频电路3.输出正弦波电压的调制方法使交-交变频电路的输出电压波形为正弦波的调制方法有多种，这里主要介绍最基本的、广泛采用的余弦交点法。4.输入/输出特性1)输出上限频率交-交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的。当输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就要增加。这种输出电压的波形畸变是限制输出频率提高的主要因素之一。此外，负载功率因数也对输出特性有一定影响。就输出波形畸变和输出频率来看，难于确定一个明确的界限。一般认为，变流电路采用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1/3～1/2。电网频率为50Hz时，交-交变频电路的输出上限频率约为20Hz。6.4.2单相交-交变频电路2)输入功率因数交-交变频电路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。即使负载功率因数为1且输出电压比也等于1，输入端也许提供无功电流。因为在输出电压的一个周期内，角是从之间不断变化的，角的平均值总大于0。随着负载功率因数的降低或输出电压比的减小，所需要的无功电流都要增加。另外，不论负载的功率因数是滞后还是超前，输入的无功电流总是滞后的。图6.33给出了在不同输出电压比时的输入位移因数和负载功率因数的关系。输入位移因数是输入电压和输出电压中的基波分量相位差的余弦，其值比输入功率因数略大，因此，图6.33也大体反映了输入功率因数和负载功率因数的关系。输入功率因数较低，是交-交变频电路的一大缺点。图6.33交-交变频电路的输入位移因数6.4.2单相交-交变频电路5.无环流控制及有环流控制在无环流方式下，由于在负载电流反向时必须留一定的死区时间，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，应该采取一定的措施对其进行补偿。电流死区和电流断续的影响也限制了输出频率的提高。交-交变频电路也可以采用有环流控制方式。这种方式和直流可逆调速系统中的有环流方式类似，在正、反两组变流电路之间设置环流电抗器。运行时，两组变流电路都施加触发脉冲，并且使整组触发角和反组触发角保持的关系。由于两组变流电路之间流过环流，可以避免出现电流断续现象，并可消除电流死区，从而使变频电路的输出特性得以改善，还可提高输出上