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3.2相控交流调压电路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。3.2.1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α的关系为电流有效值电路功率因数电路的移相范围为0~π。2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θ的大小，不但与控制角α有关，而且与负载阻抗角ϕ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，α的最大范围是。单相交流调压器电感性负载时的主电路和输出波形当控制角为α时，Ug1触发VT1导通，流过VT1管的电流i2有两个分量，即强制分量iB与自由分量iS，其强制分量为式中其自由分量为式中τ—自由分量衰减时间常数，流过晶闸管的电流即负载电流为当α>ϕ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ωt=0时触发管子，ωt=θ时管子关断，将ωt=θ代入上式可得当取不同的ϕ角时，θ=f(α)的曲线如图所示，(1)当α>ϕ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θ<180，正负半波电流断续，α愈大θ愈小，波形断续愈严重。(2)当α<ϕ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α<ϕ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ϕ角。(3)当α=ϕ时电流自由分量is=0，i2=iB；θ=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α=ϕ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：①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α可以改变负载电压有效值。②带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当α<ϕ时会发生有一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量。③带电感性负载时，α的移相范围为ϕ～180o，带电阻性负载时移相范围为0～180o。3.2.2相位控制的三相交流调压电路1.负载Y形连接带中性线的三相交流调压电路它由3个单相晶闸管交流调压器组合而成，其公共点为三相调压器中线，每一相可以作为一个单相调压器单独分析，其工作原理和波形与单相交流调压相同。在晶闸管交流调压电路中，每相负载电流为正负对称的缺角正弦波，它包含有较大的奇次谐波电流，3次谐波电流的相位是相同的，中性线的电流为一相3次谐波电流的三倍，且数值较大，这种电路的应用有一定的局限性。2.用三对反并联晶闸管连接成三相三线交流调压电路对触发脉冲电路的要求是：① 三相正(或负)触发脉冲依次间隔120º，而每一相正、负触发脉冲间隔180º。② 为了保证电路起始工作时能两相同时导通，以及在感性负载和控制角较大时，仍能保持两相同时导通，与三相全控整流桥一样，要求采用双窄脉冲或宽脉冲（>60º）触发。③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。α=0º时的波形①控制角α=0º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。α=0º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。归纳α=0º时的导通特点如下：每管持续导通180º；每60º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α=30º时的波形②控制角α=30º各相电压过零30º后触发相应晶闸管。以U相为例，uu过零变正30º后发出VT1的触发脉冲ug1，uu过零变负30º后发出VT4的触发脉冲ug2。归纳α=30º时的导通特点如下：每管持续导通150º；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。α=60º时的波形③控制角α=60ºα=60º情况下的具体分析与α=30º相似。这里给出α=60º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。归纳α=60º时的导通特点如下：每个晶闸管导通120º；每个区间由两个晶闸管构成回路。α=90º时的波形④触发角α=90º在触发VT1时，VT6还有触发脉冲，由于此时uu>uv，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uu
uw，使得VT2和VT1承受正压uuw一起导通，构成UW相回路，……归纳α=90º时的导通特点如下：每个晶闸管通120º，各区间有两个管子导通。α=120º时的波形⑤触发角α=120º触发脉冲脉宽大于60º归纳α=120º时的导通特点如下：每个晶闸管触发后通30º，断30º，再触发导通30º；各区间要么由两个管子导通构成回路，要么没有管子导通。⑥控制角α≥150º时α>150º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uu
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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≤α≤60º60º<α≤90º90º<α≤150º因此，α=0º时输出全电压，α增大则输出电压减小，α=150º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。(2)三相调压电路在电感性负载时的工作情况三相交流调压电路在电感性负载下的情况要比单相电路复杂得多，很难用数学表达式进行描述。从实验可知，当三相交流调压电路带电感性负载时，同样要求触发脉冲为宽脉冲，而脉冲移相范围为：0≤α≤150º。随着α增大则输出电压减小。3.3晶闸管交流调功器和交流开关前面介绍移相触发控制，使得电路中的正弦波形出现缺角，包含较大的高次谐波。为了克服这种缺点，可采用过零触发的通断控制方式。这种方式的开关对外界的电磁干扰最小。控制方法如下：在设定的周期内，使晶闸管开关接通几个周波然后断开几个周波，改变通断时间比，改变了负载上的交流平均电压，可达到调节负载功率的目的。因此这种装置也称为交流调功器。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。所以调功器通常用于热惯性较大的电热负载。3.3.1晶闸管交流调功器过零触发通断控制时的输出电压波形图3-14为二种通断工作方式，如在设定周期Tc内导通的周波数为n，每个周波的周期为T，输出电压有效值是则调功器的输出功率是式中Pn—设定周期Tc内全部周波导通时，装置输出的功率Un—设定周期Tc内全部周波导通时，装置输出的电压有效值n—在设定周期Tc内导通的周波数因此改变导通周波数n即可改变电压和功率。晶闸管交流开关是一种快速、理想的交流开关。晶闸管交流开关总是在电流过零时关断，在关断时不会因负载或线路电感储存能量而造成暂态过电压和电磁干扰，因此特别适用于操作频繁、可逆运行及有易燃气体、多粉尘的场合。3.3.2晶闸管交流开关3.5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2工作状态t1~t3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。t2~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：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α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α大小即可调节矩形波的幅值。(2)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α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α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α0，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α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，其波形就越接近正弦波。正弦型交-交变频器的输出电压波形第1段io<0，uo>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4.余弦交点法最常用的方法是余弦交点法，该方法的原则是：触发角的变化和切换应使得整流输出电压的瞬时值与理想正弦电压的瞬时值误差最小。正弦波型交-交变频器适合于低频大功率的电气传动系统，最高输出频率是输入频率的1/3或1/2。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1/3~1/2。(2)输入功率因数交-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，α角是从α0到90º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α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脉冲，并使正组触发角α1和反组触发角α2保持α1+α2=180º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。主要缺点是：①功率因数低。②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。③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。当带电感性负载时，必须防止由于控制角小于阻抗角造成的输出交流电压中出现直流分量的情况。过零触发是在电压零点附近触发晶闸管使其导通，改变晶闸管的通断比，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。 交-交变频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。根据控制角变化方式的不同，有方波型交-交变频器、正弦波型交-交变频器之分。交-交变频器的电流控制方式有“无环流控制”及“有环流控制”两种；交-交变频器效率较高；但输出电压的频率较低。
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