交流电压变换电路.ppt

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1、梁南丁,电力电子技术,第4章交流电压变换电路,第4章 交流电压变换电路,4.1 交流调压电路4.2 交流调功电路和交流电力电子开关4.3 交-交变频电路4.4 晶闸管交-交变换器的应用 本章小结 习题及思考题,本章主要讲述 交流-交流变换电路 把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路,概述:,4.1交流调压电路,原理两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电力。,电路图,应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。2 异步电动机软起动。3 异步电动机调速。4 供用电系统对无功功率的连续调节。5 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。,4.1.

2、1 相位控制的单相交流调压电路,1电阻性负载的工作情况,图4.1 单相交流调压器电阻性负载时的主电路和输出波形,电路如图4.1（a）所示，它用两只反并联的普通晶闸管或一只双向晶闸管与电阻负载RL串联组成主电路。以反并联电路为例进行分析，正半周时刻触发VT1管，负半周时刻触发VT2管，输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波，如图4.1（b）所示。,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。,2电感性负载的工作情况,图4.2 单相交流调压器械电感性负载时 的主电路和输出电压、电流波形,若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为，当用晶闸管控

3、制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。,a=0时刻仍定为u1过零的时刻，a 的移相范围应为a。,负载阻抗角：=arctan(wL/R),当时，电压、电流波形如图4.2（b）所示。随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感存储的能量释放完毕，电流到零，VT1管才关断。wt=a 时刻开通晶闸管VT1，t=时管子关断可求得,当取不同的角时，=f（a）的曲线如图4.3所示，由图可见：当时，180，其负载电路处于电流断续状态；当=时，=180，电流处于临界连续状态；当，仍维持180，电路已不起调压作用。,图4.3 导通角、控制角及 阻抗角的关系,（1）当 时180，正负半波电流断续，愈大，愈小，

4、波形断续愈严重。（2）当=时=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。,（3）当时180，如果触发脉冲为如图4.4所示的窄脉冲，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开始承受正压时，Ug2脉冲已消失，所以VT2无法导通。第三个半周Ug1又触发VT1管，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。,图4.4 窄脉冲时的电流波形,综上所述，单相交流调压可归纳为以下3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

5、以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。带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则，当时会出现有一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量。带电感性负载时，最小控制角为min=（负载阻抗角），所以的移相范围为180，而带电阻性负载时移相范围为0180。,4.1.2 交流斩波调压电路,1交流斩波调压原理,利用S交流开关的斩波作用，在负载R上获得可调的交流电压u。图中开关S2是续流器件，为负载提供续流回路，交流开关S1受控制信号G的控制，其中，G定义为：S1闭合，S2打开时，G=1；S1打开，S2闭合时，G=0。G随时间变化的波形如图4.5（b）

6、所示，设交流开关S1接通时间为ton，关断时间为toff，则交流斩波器的导通比为,改变脉冲宽度ton或者改变斩波周期TC就可改变导通比，从而实现交流调压。,图4.5 交流斩波调压电路原理及其波形图,2交流斩波控制,用VT2进行斩波控制,用VT1n给负载电流提供续流通道,在交流电源u1的负半周,图4.6 交流斩波调压电路,图4.7 交流斩波时的输出电压、电流波形,纯电阻负载，负载电流i的基波波形与负载电压波形同相。且有电压脉冲时电流产生，当电压脉冲为零时电流也为零。波形如图4.7（a）所示。电感性负载，负载电流i滞后电源电压，且有电压脉冲时电流缓慢上升，当电压脉冲为零时电流缓慢下降，形成锯齿。波

7、形如图4.7（b）所示。,在正半周期间，晶体管VT1按斩波方式工作，VT1n关断，VT2和VT2n给予导通信号。在负半周期间，VT2进行斩波工作，VT2n关断，VT1和VT1n给予信号。在0t1期间，负载电流i0，通过 VT2将负载功率送回电源侧，这时 VT1并不需要再按斩波方式工作。在t1t2期间，负载电流i0，像直流斩波一样，VT1斩波，VT1n起续流作用。电压下半周的动作过程参见表4-1。,表4-1 交流斩波器对电感性负载的控制方法,特点,电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。功率因数接近1。,4.1.3 相位控制的三相

8、交流调压电路,图4-9 三相交流调压电路,根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式,1负载Y形连接带中性线的三相交流调压电路,图4.8 Y形带中线的晶闸管三相交流调压电路,三相四线基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。因存在中线，可采用窄脉冲触发；各晶闸管导通顺序为VT1VT6，依次滞后间隔60。,问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过中性线。中线有很大3倍次谐波电流。a=90时，中线电流甚至和各相电流的有效值接近，故中线的导线截面要求与相线一致。因而这种电路的应用有一定的局限性。,2晶闸管与负载连接成

9、内的三相交流调压电路,图4.10 晶闸管接于Y形负载中 性点的三相交流调压器,图4.9 内连接的三相交流调压器,优点是：由于晶闸管串接在内部，流过的是相电流，在同样线电流情况下，管子的容量可降低，另外线电流中无3的倍数次谐波分量。缺点是：只适用于负载是3个分得开的单元的情况，因而其应用范围也有一定的局限性。,3三相晶闸管接于Y形负载中性点的三相交流调压电路,此种电路使用元件少，触发线路简单，但由于电流波形正负半周不对称，故存在偶次谐波，对电源影响与干扰较大。,4用3对反并联晶闸管连接成三相三线交流调压电路,图4.11 全波Y形连接的无中线三相调压电路,用3对反并联晶闸管作为开关元件，分别接至负

10、载就构成了三相全波Y形连接的调压电路。通过改变触发脉冲的相位控制角a，便可以控制加在负载上的电压的大小。负载可连接成Y形也可连接成，对于这种不带零线的调压电路，为使三相电流构成通路，任意时刻至少要有两个晶闸管同时导通。,1）每相电路必须通过另一相形成回路；2）负载接线灵活，且不用中性线；3）晶闸管的触发电路必须是双脉冲，或者是宽度大于600的单脉冲；4）触发脉冲顺序和三相全控桥一样，为VT1VT6，依次间隔600；5）电压过零处定为控制角的起点，a角移相范围是0150；6)输出谐波含量低,无3倍次谐波；,电路的特点：,1）三相三线交流调压电路在纯电阻性负载时的工作情况,(1)触发角=0,图4.

11、12 三相全波Y形无中线调压电路=0时的波形,每管持续导通180；每60区间有3个晶闸管同时导通。,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，也有的区间由3个晶闸管同时导通构成三相流通回路。,（2）触发角a=30,图4.13 三相全波Y形无中线调压电路a=30时的波形,表4-2 各区间晶闸管的导通、负载电压情况,（3）触发角a=60,图4.14 三相全波Y形无中线调压电 路a=60时的波形,每个晶闸管导通120；每个区间由两个晶闸管构成回路。,（4）触发角a=90,图4.15 三相全波Y形无中线调压电路a=90时的波形,每管导通120，每个区间有两个晶闸管导通。,表4-

12、3 各区间晶闸管的导通、负载电压情况,（5）触发角a=120,图4.16 三相全波Y形无中线调压电路a=120时的波形,每个晶闸管触发后导通30，关断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。,表4-4 各区间晶闸管的导通、负载电压情况,4.2 交流调功电路和交流电力电子开关,4.2.1交流调功电路,1、与调压电路的比较：,同,电路形式完全相同,异,控制方式不同：以交流电源周波数为控制单位,对电路通断进行控制，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。,应用,电炉的温度控制,交流调功电路直接调节对象是电路的平均输出功率；控制对象时间常数很大，以周波数为单位

13、控制；晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。,4.2.2交流电力电子开关,1）作用,将晶闸管反并联后串入交流电路代替机械开关，起接通和断开电路的作用；,2）优点,3）特点（与交流调功电路的区别）,1）响应速度快、无触点寿命长、可频繁控制通断；2）控制晶闸管总是在电流过零时关断，在关断时不会因负载或线路电感存储能量而造成过电压和电磁干扰；,只控制通断，并不控制电路的平均输出功率 没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开 控制频度通常比交流调功电路低,晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor

14、TSC）,TSC基本原理图,1）代替机械开关投切电容器，对电网无功进行控制 2）提高功率因数、稳定电网电压、改善用电质量 3）是一种很好的无功补偿方式,特点：,1、电路结构和工作原理（晶闸管反并联）,TSC基本原理图,2）反并联的晶闸管控制C并入电网或从电网断开，如图,1）实际常用三相TSC，可三角形联结，也可星形联结。,3）串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流。,4）为避免电容器组投切造成较大电流冲击，一般把电容器分成几组，如图所示，可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量。,电路特点：,晶闸管和二极管反并联方式的TSC,1）由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源

15、电压峰值；2）二极管不可控，响应速度要慢一些，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。,1、电路结构和工作原理（晶闸管和二极管反并联）,电路特点：,2、晶闸管投切时间的选择,1）选择原则：投入时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，防止冲击电流。,2）理想选择：理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。,TSC理想投切时刻原理说明,4.3 交一交变频电路,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（低于交流电源频率）交流电的变流电路。,主要用于大功率交流电动机调速系统。,单相交流输入时交交

16、变频电路的波形图,4.3.1 单相交一交变频电路,1、电路基本结构和工作原理,1）电路结构,由具有相同特征的两组晶闸管整流电路（正组整流器和反组整流器）反并联构成；,图4.18 单相输出交交变频电路,2）工作原理,单相交流输入时交交变频电路的波形图,正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；,负组整流器工作，正组整流器被封锁，负载端得到输出电压上负下正；,以低于电源的频率切换正反组整流器的工作状态,在负载端就可获得交变的输出电压；晶闸管的开通与关断必须采用无环流控制方式，防止两组晶闸管桥同时导通；,3）电路控制特点：,（1）一个周期内控制角a固定不变时，输出电压为含有大量的谐

17、波矩形波,(如图)对电机的工作很不利,单相交流输入时交交变频电路的波形图,图4.19正弦型交-交变频电路 的输出电压波形图（a变化）,（2）为了让输出电压波形接近正弦波，可按正弦规律对a进行调制。,正组工作的半个周期内让控制角a按正弦规律从90逐渐减小到0，然后再由0逐渐增加到90。正组整流电流的输出电压的平均值就按正弦规律变化，从零增大到最大,然后从最大减小到零。反组工作的半个周期内采用上述同样的控制方法，就可以得到接近正弦波的输出电压。如图4.19,2、变频电路的工作过程（电感性负载）,对于电感性负载，输出电压超前电流。,一个周期可以分为六个阶段,第一阶段：输出电压过零，u0为正，i00，

18、反组整流器工作在有源逆变状态，正组整流器被封锁；第二阶段：电流过零。为无环流死区；,单相输出交交变频电路,交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形,第三阶段：i00，u00。正组整流器工作在整流状态，反组整流器被封锁。,第四阶段：i00，u00。正组整流器工作有源逆变状态，反组整流器仍被封锁；,第五阶段：电流为零，为无环流死区；,第六阶段：i00,u00，反组整流器工作在整流状态，正组整流器被封锁；,即:1、哪组整流器电路工作是由输出电流决定，而与输出电压极性无关；2、变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定；,单相输出交交变频电路,交-交变频电路

19、电感性负载时的输出电压和电流波形,3三相一单相交一交变频电路,3、输出正弦波电压的控制方法（“余弦波交点法”）,设Ud0为a=0时整流电路的理想空载电压，则有：,每次控制时a不同，u0为每个控制间隔输出的平均电压希望输出的正弦波电压为,比较两式，则使,g 称为输出电压比：,上式为余弦交点法求 角的基本公式。,2)相邻两个线电压的交点对应于a=0；3）u1-u6所对应的同步信号分别用us1-us6表示；4）us1-us6比相应的u1-u6超前30，us1-us6的最大值和相应线电压a=0的时刻对应；,4、余弦交点法图解,6）各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1-us6的下降段和输出电压uo的交

20、点来决定；,5）a=0为零时刻，则us1-us6为余弦信号；,改变给定正弦波的幅值和频率，它与余弦同步信号的交点也改变，从而改变了正、反组电源周期各相中的触发角a，从而达到调压和变频的目的。,4.3.2 三相交一交变频电路,由三组输出电压相位各相差1200的单相交交变频电路组成。,电路接线形式主要：1）公共交流母线进线方式 2）输出星形联结方式,交交变频器主要用于交流调速系统中，实际使用的主要是三相交交变频器。,1电路的接线方式,1）公共交流母线进线方式,图4.22 公共交流母线进线方式的 三相交交变频电路,由三组彼此独立的，输出电压相位相互错开1200的单相交-交变频电路组成。,电源进线通过

21、进线电抗器接在公共的交流母线上。,电源进线端公用,故三相单相变频电路的输出端必须隔离，为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，同时引出六根线。,主要用于中等容量的交流调速系统。,2)输出星形联结方式,图4.23 输出星形联结方式的三相 交交变频电路原理图,三组的输出端和电动机的三个绕组都是星形联结；,电动机中点和变频器中点接在一起，电动机只引三根线即可；,三组单相变频器连接在一起，其电源进线必须隔离，所以分别用三个变压器供电；,由于变频器输出中点不和负载中点相联结，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；,同一组桥内的两个晶闸管靠双

22、脉冲保证同时导通。两组桥之间依靠足够的脉冲宽度来保证同时有触发脉冲。,2.交交变频电路输出频率上限的限制,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从而使输出电压波形畸变。,一般的，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。电网频率为50HZ，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。,3.具体电路结构,图4.24 三相桥式整流器组成的三相三相交交变频电路（公共母线进线方式）,图4.25 三相桥式整流器组成的三相-三相交-交变频电路（星形连接方式）,4.交交变频器的优缺点,优点,只有一次变流，且使用电网换相，提高了变流效率；

23、可以很方便的实现四象限工作；低频时输出波形接近正弦波；,缺点,接线复杂，使用的晶闸管数目较多；受电网频率和交流电路各脉冲数的限制，输出频率低；采用相控方式，功率因数较低；,交交变频器主要用于500kW或1000kW以上，转速在600r/min以下的大功率低转速的交流调速装置中。目前已在矿石碎机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及扎机主传动装置中获得了较多的应用。它既可用于异步电动机传动，也可以用于同步电动机传动,应用,4.4 晶闸管交一交变换器的应用,4.4.1 晶闸管交流调压应用电路,1触发二极管触发的交流调压电路,2单结晶体管触发的交流调压电路,当双向晶闸管VT阻断时，电容C1经电位器RP充电，

24、当uC1达到一定数值时，触发二极管击穿导通，双向晶闸管也触发导通，改变RP的阻值可改变控制角a。电源反向时，触发二极管 VD反向击穿，VT属+、-触发方式，负载上得到的是正负缺角正弦波。,电路工作在+、-触发状态，热敏电阻用于温度补偿。,3KC06触发器触发的晶闸管交流调压电路,该触发电路主要适用于交流直接供电的双向晶闸管或反并联普通晶闸管的交流移相控制。由交流电网直接供电，而不需要外加同步信号、输出脉冲变压器和外接直流工作电源。,RP1可调节触发电路锯齿波斜率，R5，C2调节脉冲的宽度，RP2是移相控制电位器。,4.4.2 晶闸管交流调功器应用电路,图4.29 过零触发电路控制的交流调功器,

25、由主电路、锯齿波产生、信号综合、直流开关、过零脉冲输出及同步电压等部分组成。,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，通常用于热惯性较大的电热负载。,4.4.3 晶闸管交流开关应用电路,1晶闸管交流开关的基本形式,如图4.31（a）所示为普通晶闸管反并联的交流开关，当S合上时，靠VD1，VD2分别给晶闸管VT1，VT2提供触发电压，使管子可靠触发，负载上得到的基本上是正弦电压。如图4.31（b）所示采用双向晶闸管，为+、-触发方式，线路简单，但工作频率比反并联电路低。如图4.

26、31（c）所示只用一只普通晶闸管，管子不受反压。由于串联元件多，压降损耗较大。,2固态开关,图4.32 3种固态开关电路,固态开关也是一种晶闸管交流开关，是近年来发展起来的一种固态无触点开关，简称 SSS。它包括固态继电器（简称 SSR）和固态接触器（简称 SSC），是一种以双向晶闸管为基础构成的无触点开关组件。,如图4.32（a）所示为光电双向晶闸管耦合器非零电压开关。,如图4.32（b）所示为光电晶闸管耦合的零电压开关。,如图4.32（c）所示为零电压接通与零电流断开的理想无触点开关。,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、有腐蚀性及易燃的环境中

27、。,3晶闸管交流开关在电动机控制中的应用,图4.33 晶闸管交流调压调速系统可逆运行和制动原理图,1）电动机的正反转控制,如图4.33所示采用了5组反并联的晶闸管来实现无触点的切换。图中晶闸管16供给电动机定子正相序电源；而晶闸管710及1，4则供给电动机定子反相序电源，从而可使电动机正、反向旋转。,2）电动机的反接制动与能耗制动,当电机要进行耗能制动时，可根据制动电路的形式不对称地控制某几个晶闸管工作。如仅使1，2，6三个元件导通，其他元件都不工作，这样就可使电机定子绕组中流过直流电流，而对旋转着的电机产生制动转矩，所以调压调速系统具有良好的制动特性。,本章小结,1)交流电压调节、交流调功与

28、交流开关是交流一交流变换的重要内容，单相电路的基本接线方式是一对反并联的普通晶闸管或一只双向晶闸管与负载串联接在交流电路中。改变反并联晶闸管或双向晶闸管的控制角a，就可方便地实现交流调压。,过零触发是在电压零点附近触发晶闸管使其导通，在设定的周期内改变晶闸管导通的周期数，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。晶闸管交流开关像普通接触器一样，用门极小电流的通断去控制阳极大电流的通断，完全消除了电磁继电器、接触器所存在的触点粘着、弹跳、磨损等问题，开关频率可以显著提高。,2)交一交变频是交流一交流变换的另一重要内容，它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。交一交变频器效率较高。生产中所用的交一交变频器大多是三相交一交变频电路，而单相输出的交一交变频电路是其基础。,功率较大时，可采用三相交流调压。,习题及思考题,1、3、5、7、8、9、11、13、14、15、16、17,