第六章交流交流ACAC变换.docx
《第六章交流交流ACAC变换.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章交流交流ACAC变换.docx（33页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
第六章交流交流ACAC变换
第六章交流一交流（AC—AC）变换
AC-AC变换是一种可以改变电压大小、频率、相数的交流一交流电力变换技术。
只改变电压大小或仅对电路实现通断控制而不改变频率的电路，称为交流调压电路和交流调功电路、或交流无触点开关。
从一种频率交流变换成列一种频率交流的电路则称为交一交变频器,它有别于交一宜一交二次变换的间接变频，是一种直接变频电路。
为了解决相控式晶闸管型交一交变频器输入、输出波形差、谐波严重的弊病，在基于双向自关断功率开关的基础上目前正在研丸一种所谓的矩阵式变换器，它是一种具有十分优良输入、输出特性的特殊形式交一交变频器.本章将分节介绍交流调压（交流调功或交流无触点开关）、交一交变频及矩阵式变换器的相关内容。
6.1交流调压电路
交流调压电路采用两单向晶闸管反并联（图6-1（a））或双向晶闸（图6-1（引），实现对交流电正、负半周的对称控制，达到方便地调节输出交流电压大小的目的，或实现交流电路的通、断控制。
因此交流调压电路可用于异步电动机的调压调速、恒流软起动，交流负载的功率调节，灯光调节，供电系统无功调节，用作交流无触点开关、固态继电器等，应用领域十分广泛。
（b）
（A）
图6・1交流调床电路
交流调圧电路一般有三种控制方式，其原理如图6-2所示。
图6・2交流调压电路控制方式
（1）通断控制
通断控制是在交流电压过零时刻导通或关断晶闸皆•使负载电路与交流电源接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变导通周波数与关断周波数的比值，实现调节交流电圧大小的目的。
通断控制时输出电压波形基本正弦，无低次谐波，但由于输出电压时有时无，电压调节不连续，会分解出分数次谐波。
如用于异步电机调压调速，会因电机经常处于重合闸过程而出现大电流冲击，因此很少采用。
一般用于电炉调温等交流功率调节的场合。
（2）相位控制
与可控整流的移相触发控制相似，在交流的正半周时触发导通正向晶闸管、负半周时触发导通反向晶闸管，且保持两晶闸的移相角相同■以保证向负救输出正、负半周对称的交流电压波形。
相位控制方法简单，能连续调节输出电压大小。
但输出电压波形非正弦，含有丰富的低次谐波，在异步电机调压调速应用中会引起附加谐波损耗，产生脉动转矩等.
（3）斩波控制
斩波控制利用脉宽诚制技术将交流电压波形分割成脉冲列，改变脉冲的占空比即可调节输出电压大小。
斩波控制输出电压大小可连续调节，谐波含量小，基本上克服了相位及通断控制的缺点。
由于实现斩波控制的调压电路半周内需要实现较高频率的通、断，不能采用晶闸管，须采用高频自关断器件，如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。
实际应用中，采取相位控制的晶闸管型交流调压电路应用最广，本章将分别讨论单相及三相交流调压电路。
6.1,1单相交流调压电路
单相交流调压电路原理图如图6—1所示，其工作情况与负载性质密切相关。
1.电阻性负载
纯电阻负载时交流调压电路输岀电压吗、输出电流4波形如图6-3所示。
电路工作过程是:
在电源电压旳正半周、移相控制角《时刻，触发导通晶闸管VT..使正半周的交流电圧施加到负载电阻上，电流、电压波形相同。
当电压过零时,VT,因电流为零而关断。
在控制角为（兀+□）时触发导通VT2，旳负半周交流电圧施加在负载上，当电压再次过零时，VT2因电流为零而关断,完成一个周波的对称输出。
'■I«=0时，输出电压吗=珂最大；当0=席时呦改变控制角a大小可获得大小可调的交流电压输出，集波形为“缺块"正弦波。
正因为电压波形有缺损，才改变了输出电压有效值,达到了调压的目的，但也因波形非正弦带来了谐波问题。
交流输出电压吗有效值D与控制角比的关系为
（6-1）
U=j丄[：
sin皿）力祖=S挡sin.
式中
为输入交流电压旳的有效值。
负载电流4有效值为'=%,则交流调压电路输入功率因数为
PU1U[1.C—戏-8
（6-2）
对图6-3所示电阻负载下输出电压吗进行谐波分析。
由于正、负半波对称，频谱中将不含宜流及偶次谐波，英富里叶级数表示为
SUJU\乜花
C6-4）
根据式（6-4）,.4以绘出基波和各次谐波电压标么值随控制角a的变化曲线，其电压基值取为可以看出，随C增大,波形畸变严重，谐波含量増大。
由于电阻负载下电流、电压同相位，图6-4关系也适合于电流谐波分析。
综上所述，单相交流调压电路带电阻性负载时，控制角比移相范围为（°~広），晶闸管导通角输出电压有效值调右范帀为可以采用单窄脉冲实现有效控制e
2.电感一电阻性负载单相交流调压电路带电感一电阻性负载及^$处波形如图6-5所示。
由于电感的储能作用，负载电流力会在电源电压旳过零后再延迟一段时间后才能降为
<5*=
零，延迟的时间与负载的功率因数角有关。
晶闸管的关断是在电流过零时
刻，因此，晶闸管的导通时间T不仅与触发控制角比有关，还与负载功率因数角卩有关,必须根据比与卩的关系分别讨论。
为分析方便，将VTi导通时刻取作时间坐标2?
^=0的原点,这样电源电压可以表达为U|=\/227|sin创+a）在VTi导通的&角范I科内，可写出电路方程
£生+施=屈閒（叫+a）
（6-6）
dt
（6-5）
在初始条件曲=0丿。
（0）=°下，方程解为
*VT,
（6-7）
m6-5电感一电阻负载时>单相交眾调压电路
（fl）R蚯电流波形®
图6-5电感一电阻负载时，相交流调压电路
（«）及电压、电流波形（切
式中，‘0】是负载电流的稳态分量，它滞后于电压一个功率因数角卩：
-2为以时间常数£=%衰减的自由分量，其初始值与（◎一卩）有关；-、,01、'必波形如图6-5中所示。
由于Q^=e时=代入这个边界条件可得
0
\丿（6-8）
这是一个关于&的超越方程,表达了导通角日=/（□，耐的关系。
由于0=篦时意味负载电流-连续，时意味®断续，因此也表达了电流连续与否的运行状态。
根据5©大小关系，日角或电路运行状态不同。
1）当@55时，利用卩作参变量，可得不同负载特性下T=（©卩）曲线族;如图6-6所示。
对于任一阻抗角卩的负载，当0"时日=°吗=°；当G从坯至卩逐步减小时（不包括0=晋这个点），f逐步从零增大到接近席，负载上电压有效值5也从零增大到接近5,负载电流-断续，输出电压''。
为缺块正弦波，电路有调压功能，如图6-7（a）所示。
2）当0=晋时，◎电流中只有稳态分:
g'。
】，电流正弦、连续，0=J电路一工作便进入稳态，％="1,输出电压波形正弦，调压电路不起调压作用，处于“失控”状态。
此时日=/（爲耐关系如图6-6中0=180。
的孤立点所示，波形如图6-7（b）所示。
116-S当时，空、卩与石•关系
3）当晋且采用窄脉冲触发时，由式（6-8）可解出0A兀，即每个晶闸管导通时间将超过半周期。
由于反并联的两晶闸管触发脉冲"曰'"《2相位严格互差180。
，故在"g?
到来时VTi仍在导通，其管压降构成对VT’的反向阳极电压,V二不能导通。
而当VT’关断后虽使VT=反偏电压消失，但"g?
的窄脉冲也已消失，VT：
仍不能导通，造成外个周期内只有同一个晶闸管VTl导通的“单管整流”状态，输出电流为单向脉冲波，含有很大直流分量，如图6-7（C）所示。
这会对电机、电源变压器之类小电阻、大电感性能负载带来严重危害,此时应考虑改用宽脉冲触发方式。
图6・9¥接三相交疣调压电路
2）负载电流垠大有效值"ax当Q=观时，电流连续，为正弦波，则
U_230
厶&蹴=
4）当“==%，查图6-8得晶闸管电流有效值标么值—呵:
J5>c230
晶闸管电流有效值基值为
—严-L后230一询,
A&2+a）2J（o23）2+（0.23）2
故晶闸管电流有效值为
^^=^Jj.^=0.31xl000=310
当《=%,©=%时，查图6-6得0=12?
输出电流有效值为
'%=越＞=屈310=43&4
电源输入有功功率
%=2^；=0.23x（4384）2=44.21乂13
电源侧功率因数
cos像=驚釁=glE二0.438
视在功率230x438.4
6.1.2三相交流调压电路
工业中交流电源多为三相系统,交流电机也多为三相电机，应采用三相交流调压器实现调压。
三柑殳流调压电路与三相负载之间有多种联接方式，其中以三相Y接调压方式最为普遍。
图6.9Y接三相交流谓压电路
1.Y型三相交流调压电路
图6—9为Y型三相交流调压电路，这是一种最典型、最常用的三相交流调压电路，它的正常工作须满足：
1）三柑中至少有两相导通才能构成通路，且夷中一相为正向晶闸管导通，列一相为反向晶闸管导通；
2）为保证任何情况下的两个晶闸管同时导通，应采用宽度大于60°的宽脉冲（列）或双窄脉冲来触发：
3）从VT1到VTs相邻触发脉冲相位应互差60'^。
为简单起见，仅分析该三相调压电路接电阻性负载（负载功率因数角俘=°）时，不同触
发控制角8下负载上的相电压、电流波形，如图6-10所示。
1）口=0时的波形如图6-10Gr）所示。
当口=0时触发导通VT,,以后每隔60°依次触发导通VT2、VTs、VT、VT,、VT“在型=0°〜60°区间内，比为正，匕B为负，VT八VTe.VT：
同时导通；在flj^=60°~120°区间内，VL.VL.VT=H时导通，O由于任何时刻均有三只晶闸管同时导通，且晶闸管全开放,负载上获得全电压。
各相电圧、电流波形正弦、三相平衡。
2）a=30°时波形如图6—10（b）所示。
此时情况复杂，须分子区间分析。
①型=0°〜30°：
2?
^=0时，^^£变正，V「关断，但％未到位，VT,无法导通，A相负载电压=
2型=30°〜60°：
a^=30°时，触发导通¥T,；B相VR、C相vj均仍承受正向阳极电压保持导通。
由于VTs、VTe.VTi同时导通，三相均有电流，此子区间内A相负载电
出副=勺1（电源相电压）。
3aj^=60°^90\祖=60。
时，叫过零，V"关断;VT：
无触发脉冲不导通，三相中仅
VTe.VT.导通。
此时线电压"血施加在兄、尼上,故此子区间内A相负载电压叫产吆。
4型=90°~120°：
a^=90°时，VT?
触发导通，此时VL.v「、VT?
同时导通,此子区间内A相负载电压临=%
5
型=120°〜1了0°：
型=120°时，以E过零,¥八关断：
仅VT’、VT?
导通，此子区
间内A相电压皿一
⑥型=150°~180°：
型=1了0°时,VT,触发导通，此时VTi、VT=.VT,同时导通，此子区间内A相电压出副=勺1。
负半周可按相同方式分子区间作出分析，从而可得如图（b）中阴影区所示一个周波的A相负载电压翼M波形。
A相电流波形与电压波形成比例。
3）用同样分析法可得a=60\90°、120°时A相电压波形，如图6-10（c）、（rf）、（e）所示。
a>1500时，因幻£<0,虽有触发脉冲但仍无法导通,交流调压器不工作，故控制角移相范围为（0~150。
）。
当三相调压电路接电感负载时，波形分析很复杂。
由于输出电压与电流间存在相位差，电压过零瞬间电流不为零，晶闸管仍导通，其导通角日不仅与控制角比有关，还和负载功率因数角卩有关。
如果负载是异步电动机，其功率因数角还随运行工况而变化。
2.其他型式三相交流调压电路
表6-1以列表形式集中地描述了几种典型三相及交流调压电路形式及其特征。
名称
表6-1几种典型的三相交流调压器比较
线路图
输出电压波形（电阻负裁）
实际上为三个敢相调圧器的组合。
只需有一个品闸管导通,负載上就有电流通过，戈电流波形正负对称。
零线上有三次谐波通过，在«=90。
时谐波电流最大.会在三柱式变压器中引起发热和噪声.对线路和电网均带來不利影响，因而工业上应用较少。
要求触发移相范用为180%可用笊窄脉冲（电阻負载几
晶闸管承受峰值迫压为
*3（th为线电压有效值）
三相Y型
ft-
0*
T«X0*d-■SO*
75
43电00*n-I2o«n=ISC
负裁形式可任意选用（丫或^接法）。
输出谐彼分fi低，没有三次谐波电流.对邻近通讯电路干扰小.W而应用较广。
W没有零线，必须保证两个晶闸管同时寻通负载中才有电流通过•因而必须是双脉冲或宽脉冲（>60°）•
要求移相范用为150。
晶闸管承受峰值电压为凤.
三相负载△型
C/i
n
d«0*
iTi
电rtw90*n—I20-n-IfiO*EHr\r\
30*0■6护
rtw0*<■•»20*«■RO*
4/、i小2
illDrzj—C7
电90・a=12护《«2）俨JKrVxr
i，［/''"■■■■
适用于输出接变乐器初级、变压器次级为低电压大电流的负载。
实际上也是三个敢相调压器组合而成。
毎相电流波形与敢相交流调圧器相同，其线电流-次谐波分S为零。
烛发移相范用为180^
晶闸管承受峰值电压为
负载必须为三个可拆开的笊相负栽.故应用较少。
由三个晶闸管组成，线路简笊，节约晶闸管元件0
三相负载必须为可拆开的个负载组成.品闸管放在负栽后ifiL可减小电网浪涌电压的冲击。
电流波形存在正负半周不对称的情况，谐波分fi大,对通讯干扰大，増加r对滤波的要求。
移相范用为210。
晶闸管承受峰值电压为忑5
SI6-11116-2（fl）ils断方式下
电阴负载竜流频诸
只用三个晶闸管和三个二极管组成，简化控制，降低成木。
每相中电尿和电流正负半波不对称。
电路谐波分§大・除有奇次谐波外，还有偶次谐波，使电动机输出转矩减小，对通讯等干扰大。
移相范用210\品闸管承受峰值电斥为忑\
适用于调斥范用不大，小容fi场合。
6,1.3其他交流电力控制电路
当交流调压电路采用通断控制时,还可以实现交流调功和交流无触类开关的功能。
1.交流调功电路
采用交流调压电路，在交流电压过零时刻将负载与电源接通几个周波再断开几个周波，实现交流电压的整周波通断控制。
通过改变接通周波数与断开周波数的比例，实现负载平均功率的调i芋，称为交流调功电路，其控制思想如图6-2（a）所示。
由于晶闸管导通都在电源电压过零时刻，这样负载电压、电流均为完整正弦波，不会对电网产生高、低次谐波的污染。
但是可以以导通打关断总时间为周期分解出分数次谐波来,因而从严格意义上讲还是有一定的谐波干扰，如图6-11为图6-2（a）通、断周波数下（通二个周波、断一个周波）电阻性负载中电流频谱，图中4为上次谐波有效值，4税为导通时负载电流幅值。
可以看出，电流中不含整数倍电源频率的谐波,但含有非整数倍频率谐波，且在电源频率附近非整数借频率谐波含量较大。
如前所叙,这种调功电路主要用于电炉的温度控制。
2.交流无触点开关
如果将反并联的两单向晶闸管或单只双向晶闸管串入交流电路，代替机械开关起接通和关断电路的作用,就构成了交流无触点开关。
这种电力电子开关无触点，无开关过程的电弧，响应快，其工作频率比机械开关高，有很多优点。
但由于导通时有管压降,关断时有阳极漏电流，因而还不是一种理想的开关，但已显示出其广泛的应用前景。
交流无触点开关主电路与交流调压电路相同，但其开通与关断是随机的，可以分为任意接通模式和过零接通模式。
前者可在任何时刻使晶闸管触发导通，后者只能在交流电源电压过零时才能触发晶闸管，丙而有一定开通时延，如50Hz交流电网中，最大开通时延约10加
So关断时，由于晶闸管的掣住特性，不能在触发脉冲封锁时立即关断：
感性负载又要等到电流过零时才能关断,均有一宦关断时延。
图6-12（召）是一种简单交流无触点开关。
当控制开关K闭合时，电源旳正、负半周分别通过二极管VD1、VD=和K接通晶闸管VTi、VT=的门极，使相应晶闸管交替导通。
如果K断开，晶闸管因门极开路而不能导通,相当交流电路关断。
图6-12晶闸管交流电力开关
采用双向晶闸管作交流无触点开关电路如图6-12（6）所示。
在控制开关K闭合时,电源旳正半周双向晶闸管VT以I•方式触发导通，电源负半周时以【II方式触发导通，负载上因此而获得交流电能。
如果K断开，VT因门极开路而不能导通，负载上电压为零，相当交流开关断开。
6.2交一交变频电路
交一交变频电路是一种可直接将某固立频率交流交换成可调频率交流的频率变换电路,无需中间直流环节。
与交一直一交间接变频相比，提高了系统变换效率。
又由于整个变频电路宜接与电网相连接，各■晶闸管元件上承受的是交流电压，故可采用电网电压自然换流，无需强迫换流装置，简化了变频器主电路结构，提高了换流能力。
交一交变频电路广泛应用于大功率低转速的交流电动机调速转动,交流励磁变速恒频发电机的励磁电源等。
实际使用的交一交变频器多为三相输入一三相输出电路，但其基础是三相输入一单相输出电路，因此本节首先介绍单相输出电路的工作原理、触发控制、四象限运行特性，输入、输出特性等;然后介绍三相输出电路结构、输入、输岀特性及其改善措施;最后对于一种新型的绿色变频电路一-矩阵式交一交变换器作出介绍，使读考了解交一交变频技术的最新发展动向。
6.2.1三相输入一单相输出交一交变频电路
1.基本工作原理
三相输入一单相输出交一交变频器原理如图6-13所示，它是由两组反并联的三相晶闸管可控整流桥和单相负载组成。
其中图（a）接入了足够大的输入滤波电感,输入电流近似矩形波，称电流型电路：
图（方）则为电压型电路，其输岀电压可为矩形波、亦可通过控制成为正弦波。
图（C）为图（6）电路输出的矩形波电压，用以说明交一交变频电路的工作原理。
当正组变流器工作在整流状态时、反组封锁，以实现无环流控制，负载Z上电压吗为上（+）、
下（-）;反之当反组变流器处于整流状态而正组封锁时，负载电压"o为上（一〉、下（+）,负载电压交变。
若以一；^^频率控制正、反两组变流器交替工作（切换），则向负载输出交流电压的频率/•就等于两组变流器的切换频率，而输出电压吗大小则决泄于晶闸管的触发角
\7
7
\7
厂
EfH/,
（II
iff!
2f
（b）
"1正
-%
（c）
图6-13三相输入一单相输岀交一交变频器廉理图
交一交变频电路根据输出电压波形不同可分为方波型和正弦波型。
方波型控制简单•正、反两桥工作时维持晶闸管触发角a恒崔不变，但幷输出波形不好，低次谐波大，用于电动机迴速传动时会增大电机损耗，降低运行效率，特别增大转矩脉动，很少采用。
因此以下仅讨论正弦型交一交变频电路。
2.工作状态
三相一单相正弦型交一交变频电路如图6-14所示,它由两个三相桥式可控整流电路构成。
如果输出电压的半周期内使导通组变流器晶闸管的触发角变化，如从0=90°逐渐减小到
，然后再逐渐增大到c二90。
，则相应变流器输出电压的平均值就可以按正弦规律从零变到最大、再减小至零，形成平均意义上的正弦波电斥波形输出，如图6-16中所示。
可以看出，输出电压的瞬时值波形不是平滑的正弦波,而是由片段电源电压波形拼接而成。
在一个输出周期中所包含的电源电压片段数越多，波形就越接近正弦，通常要采用六脉波的三相桥式电路或十二脉波变流电路来构成交一交变频器。
（35外
er
圉&15交一交变频电略工作状态
（a）
5
a
B:
（b）
（C）
fig
（d）
"、n
国＜16正弦型交一交变频器输出电压波形
在无环流工作方式时，变频电路正、反两组变流器轮流向负载供电。
为了分析两组变流器的工作状态，忽略输出电压、电流中的高次谐波,因此可将图6-14电路等效成图6-15（a）所示理想形式，英中交流电源表示变流器输出的基波正弦电压,二极管体现电流的单向流动特征，负载Z为感性，负载阻抗（功率因数）角为J
图6-15（厉给出了一个周期内负载电压吗、负载电流4波形，正、反两组变流器的电压知、咖和电流小跖组变流器的工作状态。
如载电流的正半周
以及正、反两图所示，在负
区间，正组变流器导通,反组变流器被封锁。
在（区间，正组变流器导通后输出电压、电流均为正，故正组变流器向外输出功率，工作于整流状态：
在（‘2-5）区间，负载电流方向不变，仍是正组变流器导通，输岀电压却反了向，因此负载向正组变流器反馈功率，正组变流器工作于逆变状态。
在（4~迅区间，负载电流反向，反组变流器导通、正组变流器被封锁，负载电圧、电流均为负，故反组变流器处于整流状态。
在（区间，电流方向不变，仍为反组导通，但输出电压反向，反组变流器工作在逆变状态。
从以上分析可知,交一交变频电路中，正-反组变流器的导通由电流方向来决定，与电压极性无关;每组变流器的工作状态（整流或逆变），则是由输出电压与电流是否同极性来决
3.输出电压波形
正弦型交一交变频电路实际输出电斥波形如图676所示，图（£〜分别表示了正、反组变流器不同工作状态。
图（4）表示正组变流器工作,A点处其晶闸皆触发角I勺=°,平均电圧S最大。
随着吗^的增大，S值减小，当0*=%时，5=0。
半周内平均输出电压如图中虚线所示，为一正弦波。
由于整流电压波形上部包帀的而枳比下部而积大•总的功率为正.从电源供向负载,此时正组变流器工作在整流状态。
图6-16正弦型交一交变频器输出电压波形
图（0）仍为正组变流器工作，但触发角吗在间变化，变流器输出平均
电压为负值。
由于整流电压波形下部包用的而积比上部大,总的功率为负，从负载流向电源,此时正组变流器工作在逆变状态。
态，总的功率由电源输向负载；当販＞馈功率。
图（C）、（d）为反组变流器工作。
当其触发角张V%时，反组变流器处于整流状%时，反组变流器处于逆变状态，负载将向电源反
如果改变口厂如的变化范用（调制深度），使它们在范闱内调i'j,输出平均电压正弦波幅值也会改变，从而达到调压目的。
由此得出结论：
正弦波交一交变频电路是由两组反并联的可控整流器组成，运行中正、反两组变流器的C角要不断加以调制，使输出电压为正弦波；同时，正、反组变流器也需按规定频率不停地进行切换，以输出频率可变交流。
4.余弦交点控制法
要实现交一交变频电路输出电压波形正弦化，必须不断改变晶闸管的触发角《，其方法很多，但应用最为广泛的是余弦交点控制法。
该方法的基本思想是使构成交一交变频器的外可控整流器输出电压尽可能接近理想正弦波形，使实际输出电压波形与理想正弦波之间的偏差最小。
图6-17为余弦交点法波形控制原理图。
交一交变频电路中任一相负载在任一时刻都要经过一个正组和一个反组的整流器接至三相电源，根据导通晶闸管的不同,加在负载上的瞬时电压可能是%、"a、%、%、%、竝。
六种线电压，它们在相位上互差60%如用珂~兔来表示时，则有
眄=＞/2C7sin（Bi
升级会员 