交流交流变换器

第3章交流-交流变换器

通过电力电子变换装置把一种频率和电压的交流电直接变换成另一种频率和电压的另一种交流电的变换称之为交流-交流直接变换。通过电力电子变换装置把一种交流电直接变成另一种同频率不同电压交流电的变换称之为交流调压。

通过电力电子变换装置把一种交流电直接变换成另一种不同频率交流电的变换称之为交-交变频。由于这种交流-交流的变频是不通过中间直流环节的，故也称交-交直接变频，也有称之为周波变换器、周期变换器（Cycloconverter）。

3.1交流调压器概述交流调压器的控制方式有三种：①整周波通断控制。②相位控制。③斩波控制。

图3-1交流调压三种控制方式的输出电压波形a)整周波通断控制

b)相位控制

c)斩波控制相位控制交流调压又称相控调压，是交流调压中的基本控制方式，应用最广。

交流调压器的输出仍是同频率的交流电，原则上可应用于一切需要调压的交流负载上，也可通过变压器再调压。交流调压器是通过改变电压波形来实现调压的，因此输出的电压波形不再是完整的正弦波，谐波分量较大。从调压器输入端所观察到的调压器及其负载的总体功率因数也随着输出电压的降低而降低。但这种交流调压器控制方便、体积小、投资省，因此广泛应用于需调温的工频加热、灯光调节及风机、泵类负载的异步电机调速等场合。3.2相控单相交流调压器3.2.1电阻性负载

带有电阻性负载的单相交流调压器

图3-2单相交流调压器电路及波形图3-3单相交流调压器电阻性负载时的电压谐波3.2.2电感电阻性负载图3-4单相交流调压器电感电阻性负载时的电路及波形

①当=时，=0，负载电流只有稳态分量，且可解得导通角，电流连续。电路一开通就进入稳态，调压器处于直通状态，不起调压作用，=。②当<<时，可得到的曲线族如图3-5所示。图3-5

③当0且触发脉冲为单窄脉冲时，。由于与的触发脉冲相位相差，故在得到触发时电路中的电流仍为正方向，这时的并不能开通。当电流过零关断后，的触发脉冲已经消失，因此还是不能开通。待第二个脉冲到来后，又将重复导通、正向电流流过负载的过程。这个过程与单相半波整流的情况完全一样，这将使整个回路中有很大的直流分量电流，它会对交流电机类负载及电源变压器的运行带来严重危害。④当0触发脉冲为宽脉冲或脉冲列时，则当负载电流过零、关断后，的触发脉冲依然存在，能接着导通，电流能一直保持连续。首次开通所产生的电流自由分量，在衰减到零以后，电路中也就只存在电流稳态分量。由于电流连续，=，调压器直通。晶闸管的首次触发起了一次“合闸”的作用。综上所述，交流调压器带电感电阻性负载时，控制角能起调压作用的移相范围为，电压有效值调节范围为。为避免

时出现电流直流分量，触发脉冲应采用宽脉冲或脉冲列。、不同关系时的输出电压、电流波形见图3-6。图3-6不同、时的输出电压电流波形3.3相控三相交流调压器3.3.1三相交流调压器的几种形式若把三个单相调压器接在对称的三相电源上，让其互差2/3相位工作，则构成了一个三相交流调压器

图3-7三相交流调压器电路的联接a)

YN联接

b)Y联接

c)负载与晶闸管的联的三角形联接d)晶闸管三角联接

e)三相半控Y联接

◤图3-7a）为带有中性线的联结，每个单相交流调压器分别接在自己的相电源上，每相的工作过程与单相交流调压器完全一样。各相电流的所有谐波分量都能经中性线流通而加在负载上。由于三相中的3倍频谐波电流的相位相同，因此它们在中线中将叠加而使中性线流过相当大的三次谐波电流，这会给电源变压器及其他负载带来不利的影响，故很少采用。◢◤图3-7c）为三角形联接，每个带负载的单相交流调压器跨接在线电压上，每相工作时的电压电流波形也与单相交流调压器相同，但三及三倍频的谐波电流在线电流中无法流通而在三角形内自成环流流通，故线电流中将不出现三及三倍频的谐波电流。但负载必须是三个独立的线路，要有6个线头引出才能应用。◢◤图3-7b）为无中性线的Y联接，它的波形正负对称，负载中及线路中都无三次谐波电流，因此得到广泛的应用。◢◤图3-7d）、图3-7e）两种电路的优点是所用的晶闸管只要三只，但其缺点是电压电流的正负半周不对称，谐波分量大。◢3.3.2Y形三相交流调压器(一)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。与三相可控整流器不同，三相交流调压器控制角是从各自的相电压过零点开始算起。三个正向晶闸管VT1、VT3、VT5的触发信号应互差/3，三个反向晶闸管VT2，VT4，VT6的触发信号也应互差，同一相的两个触发信号应互差。总的触发顺序是VT1，VT2、VT3、VT4，VT5、VT6，其触发信号依次各差/6。图3-8电阻负载Y联结的三相交流调压器

②脉宽条件。Y联接时三相中至少要有两相导通才能构成电流通路，因此单窄脉冲是无法“起动”三相交流调压器的。为了保证起始工作电流的流通并在控制角较大、电流不连续的情况下仍能按要求使电流流通，触发信号应采用大于/6的宽脉冲(或脉冲列)或采用间隔/6的双窄脉冲。

(二)分析方法

交流调压器是靠改变施加到负载上的电压波形来实现调压的，因此得到负载电压波形是最重要的。对Y形联接的三相交流调压器中的一相来说，只要两个晶闸管之中有一个导通，则该支路是导通的。从三相来看，任何时候电路只可能是下列三种情况中的一种：①三相全不通，调压器开路，每相负载的电压都为零。②三相全导通，调压器直通，则每相负载的电压是所接相的相电压。③其中二相导通，在电阻负载时，导通相负载上的电压是该两相线电压的1/2，非导通相负载的电压为零；在电机类负载时，则可由电机的约束条件（电机方程）来推得各相的电压值。因此，只要能判别各晶闸管的通断情况，就能确定该电路的导通相数，也就能得到该时刻的负载电压值，判别一个周波就能得到负载电压波形，根据波形就可分析交流调压器的各种工况。(三)电阻性负载Y形联接三相交流调压器在电阻性负载时的电路如图3-8所示

图3-8图3-9电阻性负载Y形联结三相交流调压器

=0时的波形1。=0时可见，从t=/6开始，调压器一直处于三相导通即恒直通的状态，三相负载电压为各自的电源相电压=30波形见图3-10.从波形图可看到，U相的关断时刻是在U相的相电压过零时刻，这是因为在关断前有三相导通，各相负载受到的是各相自己的相电压，相电压过零时电流也过零而使晶闸管关断。U相的开通时刻是在U相的触发信号到来的时刻。

图3-10电阻负载Y联结三相交流调压器=30时的波形图3-11电阻负载Y联结三相交流调压器波形a)=60b)=90c)=120由波形图可以看出：◤=60是由“三相与二相轮流导通工作”向“二相导通工作”的转变点。◢

◤=90时的工作与=60时的情况类似，电路也一直在二相导通状态下工作。◢

◤=120时，电路以“二相断续导通工作”的方式工作。

◢=60，90，120>150故VT1，VT6承受反压而无法开通。后面的情况同样，以至调压器始终不能开通，输出电压为0。

3.4两组晶闸管整流器反并联的可逆电路

用三相半波可控整流电路或三相桥式全控整流电路给他励直流电动机电枢供电，则电动机能实现二象限运行，即正转电动机运行和反转发电制动运行。在生产实际中，有许多场合要求电机能进行快速四象限运行，对他励直流电动机在磁场不变的情况下作四象限运行，就要求其电枢电压和电流都能改变方向，但晶闸管整流器只允许电流从一个方向通过，所以一组晶闸管整流器不能满足直流电动机四象限运行的要求。为此，可以用二组晶闸管整流器反并联，构成所谓可逆电路，其中一组整流器为一个方向的电流提供通路，而另一个方向的电流由另一组整流器提供。

图3-12两组晶闸管反并联的可逆电路a)半波整流反并联可逆电路

b)双桥反并联可逆电路3-12a)是用二组晶闸管三相半波可控整流电路反并联构成的可逆电路。图3-12b）是用二组三相桥式全控整流电路反并联构成的可逆电路。用它门控制直流电动机运行，当直流电动机需要正向电枢电流时，由桥Ⅰ供电；需要反向电枢电流时，由桥Ⅱ供电。两组整流器极性相反地并联在一起，故称反并联可逆电路。通过两组变流器的整流、逆变运行状态的配合，就可使电动机在正、反两个转向上作电动或制动运行，即实现四象限运行。由于两组整流器反并联，如果它们同时工作，则两组晶闸管整流器之间就会构成环路，如环路中有环路电压存在，将产生很大的只经过两组整流桥而不经过电动机的环流。环流不做功，流过变流装置时占用了装置容量，严重时造成短路事故，烧毁元件，因而在反并联可逆电路中必须要消除或限制环流。目前应用最广的控制环流的方法有逻辑控制无环流和配合控制有环流两种3.4.1逻辑控制无环流可逆电路

◤该电路通过逻辑电路控制使任何时间内两组变流器中只有一组投入工作，另一组完全阻断，并根据电机所需的运行方式决定投入工作的一组变流器的具体工作状态整流或逆变。无环流可逆系统的控制原则是在任何时刻两组桥中只允许一组投入工作，另一组必须关闭。由于任何时刻只有一组桥工作，从而避免了反并联的两桥间环流的产生，故称为无环流可逆电路。

◢

◤实际系统中是采用控制触发脉冲的办法来实现上述控制功能的，即给一组变流器(整流或逆变)发出触发脉冲，而对需关闭的一组封锁脉冲，使触发脉冲不能送到该桥的晶闸管元件上。◢

◤在二组桥切换时首先使原工作的一组桥处于逆变状态(本桥逆变)，将回路电感储能反馈回电网，待电流真正为零后再加上一定的时间裕量(如10ms)才使原来封锁的一组桥开放并投入工作，这过程可通过逻辑电路控制来实现。◢

3.4.2配合控制有环流可逆电路图3-13Ⅰ=Ⅱ=/6时的环流电压和电流

◤所以，这种“有环流”控制方法仅是允许由环流电压交流分量产生的瞬时脉动环流存在◢◤由于环流电压作用在两组变流器之间，而组间的阻抗一般是很小的，如不采取措施，出现的环流可能会达到很大的数值。为此，通常在两组变流器之间接有限流电抗器◢3.罪5粗交暗-交巴变频渴器3.差5.寒1梯忙形电座压波潜交-碗交变许频器图3羊-1诱4三竿相交目-交封变频喷器由两访组三厘相可话控整钓流电缠路反第并联颗组成演的可冻逆电籍路，奋其输屑出电员压和万电流们的方星向及殖大小寄是可惜以任伐意改等变的堵。若心使其页输出因的电涉压或潮电流插以膜的频托率正悟负交卵替变住化，俱这就糠得到叨了一旧个单铲相交总-交叶变频品器。蠢若以枪这样洒的三隙个单龄相交拍-交基变频弓器互驼差1育20工作霸，就谱构成蜘了一点个三府相交饶-交贯变频都器输出液波形厘的周育期T2可由掀每半练周中盖的电崭压波寻顶数n来确芹定。首设电税源周比期为T1，当只孤有一铜个波吐顶时纺，T2=叫T1，以后怠每增福加一定个波鞋顶则沟输出颂电压械的半始周期您增加T1/3胜，所以压输出切电压防的周骗期为输出纹频率登与输猫入频服率之强比为图3静-1例5泼梯停形电亮压波率交-司交变羞频器勤的输角出波浸形对输线出为丛三相熄的系洽统，信为保帖证三狱相对构称，迅每个T2周期仆的等告效波能顶数Z应能坝被3血整除盖。每挑个T2周期继中的瘦实际喇波顶缩慧数为陕2n，切换秆过渡眠阶段鸣占1智个波报顶数边，所经以等贞效波喇顶数Z=验2n十l。可见形，n的最殖小值沃为4搭。这涌时的喜输出域频率移为1绕6.吩7Hz猫，是这碎种三警相交捆-交贞变频瓣器要时求正评负波嘉形对纲称时酱的最删高输伙出频示率。3.何5.剂2守正超弦电昌压波赌交-添交变屑频器在上隶述的星变-阳交变街频器迹中，辫假如贵在输圈出电精压的芽每个企半周栏期中恋不断需地改色变整故流桥型的控路制角，这算就意辽味着焦每一销小段赞(约T1/3奴)的电腰压平瓜均值颗也在圣不断株改变巩。以径一定霜的规寒律控泛制的碰变化兆，就蔑能使舍输出察电压怒的平馅均值挪呈正纤弦规缴律变倒化。尊同样逃也可装得到锅按正逝弦规校律变楼化的他负半烘周期刊电压闯。这分样就诸输出稻了一宏个电渐压平烧均值看呈正窄弦规红律变胜化的落电压姥波。杏改变的变之化周北期，届就可迹改变忧所输呆出的赖正弦粘电压疲的频倡率；亿改变饿最小俘移相桨角的骑数值辉，就傍可改滚变所雾输出擦正弦棚电压贷的幅押值。疮这就播是正份弦电粘压波虹交-宜交变令频器侮的工砍作原息理。图3却-1厦6渐正应弦电宋压波尖交-宝交变诞频器铃的电逝压输恐出波藏形图3时-1拥7茎交遗-交馆变频任器的渣工作庄状态图3尘-1暮8柳带限训制环明流电顾抗器动的U相电伞路图3阴-1橡9蔬余减弦交矩点法超的电炊压波理形a)主电恢路中妇的电挂压波韵形b)控制宴电路嗓中的惜电压军波形3.纤5.县3疤正弦脖电流通波交便-交眠变频谁器上节腔所述属的正册弦电见压波锅交-耗交变占频器央，其敞负载藏是电贫动机刚时，施由于汽电机正的功腰率因视数变群化很魔大，输使电烦流过筹零点干变化贴无常影，这锦给换须组控晓制带京来很彩大困胃难。丑特别剧在无曲环流兔运行锯方式葵时，健半周幅中的钻电流德也常微常是蚂不连任续的迟，这助时的猴电流怜过零耻点还丽不能株作为评选组挠的充尺要条歇件。漂再则谦，上乘述的甲系统赚其控以制目胃标是勒输出甘电压狭的波披形及思其幅欣值，意而在闭电力司拖动最系统头中真狗正起福作用蛋的却泊是电寒机的污电流犁波形尺及其仔幅值天，因优此最当终仍羊不得倚不去笑严格肠控制茧电流升的大杂小及穿其过跟零点垦。既缸然是妈这样泽，那烟就放醒弃电绵压的巷要求迹