第4章 交流-交流变换电路

第4章交流-交流变换电路机械工业出版社本章要点交流开关、交流调功和交流电压调节的基本工作原理和应用电路分析；相位控制和通断控制的概念；不同负载时，单相和三相交流调压电路的结构、工作原理、波形分析；单相和三相交-交变频电路的电路结构、工作原理。4.1、晶闸管交流调压器交流调压电路常由晶闸管组成，用于调节输出电压的有效值。晶闸管交流调压器具有体积小、重量轻的特点。输出是交流电压，但不是正弦波形，谐波分量大，功率因数也较低。交流调压控制常用相位控制。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。4.1.1、单相交流调压电路1、单相调压电路的结构和工作原理(电阻性负载))(g2uuu00ttg1Ug2Ug1U12(b)1VT2VTg1Ug2URRuu(a)2u2u图4-1（1）电路结构和工作原理波形（2）仿真与实验波形(a)α=30˚(b)α=60˚图4-2(c)α=90˚(d)α=120˚单相交流调压器带电阻性负载不同控制角时的仿真和实验波形图4-22、单相调压电路的结构和工作原理(阻-感负载)图4-3（1）电路结构和工作原理波形1VT2VTg1Ug2Uu(a)2uRL2i)(g2uuu0ttg1Ug2Ug1U(b)tBi2isi2i2i00i（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。（3）仿真与实验波形(a)α=30˚(b)α=60˚图4-4(c)α=90˚(d)α=120˚单相交流调压器带阻-感性负载不同控制角时的仿真和实验波形图4-5单相交流调压可归纳以下三点：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αφ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~180度，带电阻性负载时移相范围为0~180度。4.1.2、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5-141VT2VT5VT4VT6VT3VTURVRWRUiViWiNiUVWNUVWNURVRWR1VT2VT3VT145632图4-7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、晶闸管与负载连成内三角形的三相交流调压电路RRRUVW1VT2VT5VT4VT6VT3VT5-15电路优点：因晶闸管串接在三角形内部，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：只适用于负载是三个分得开的单元的情况，其应用范围有一定的局限性。图4-83、晶闸管接于Y形负载中性点的三相交流调压电路RRR1VT2VT3VTUiUVW0UuUi)(iut5-16要求负载是三个分得开的单元，从图中电流波形可见，输出电流出现正负半周波形不对称，但其面积是相等的，所以没有直流分量。此电路使用元件少，触发线路简单，但由于电流波形正负半周不对称，存在偶次谐波，对电源干扰较大。图4-94、三对反并联晶闸管连成三相三线交流调压电路UVW1VT2VT5VT4VT6VT3VTURVRWRUVRVWRWUR图4-10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120度，而每一相正、负触发脉冲间隔180度。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，要求采用双脉冲或宽脉冲触发。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。（1）三相调压电路在纯电阻性负载时的工作情况①控制角α=0º在各相的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。下图为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。三相全波星形无中线调压电路α=0º时的波形uuuvuwuguttt0001234561VT2VT5VT3VT4VT6VT(a)(b)(c)(d)RUu图4-11②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。三相全波星形无中线调压电路α=30º时的波形uuuvuwuguRUuttt0001234511VT2VT5VT3VT4VT6VT(a)(b)(c)(d)3/ππ2π6uuRUu图4-12③控制角α=60ºα=60º情况下的具体分析与α=30º相似。下图是α=60º时的脉冲分配图、导通区间和U相负载电压波形。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。三相全波星形无中线调压电路α=60º时的波形uuuvuwuguRUuttt0001234561VT2VT5VT3VT4VT6VT(a)(b)(c)(d)3/ππ2π6uuRUu图4-13④触发角α=90º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。⑤触发角α=120º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。三相全波星形无中线调压电路90度时的波形5-21uuuvuwuguRUuttt0001234561VT2VT5VT3VT4VT6VT(a)(b)(c)1t1VT2VT5VT3VT4VT6VT2tπ2πuuRUuuuuvuwuguRUuttt0001234561VT2VT5VT3VT4VT6VT(a)(b)(c)(d)π/3π2π6uuRUuuuuvuwuguRUuttt0001234561VT2VT5VT3VT4VT6VT(a)(b)(c)(d)3-13π/3π2π1t2t5RUuuuuuuvuwuguRUuttt0001234511VT2VT5VT3VT4VT6VT(a)(b)(c)(d)π/3π2π6uuRUu(d)（e）图4-14三相全波星形无中线调压电路α=120º时的波形uuuvuwuguRUuttt0001234561VT2VT5VT3VT4VT6VT(a)(b)(c)(d)3-133/ππ2π1t2t5RUuuu图4-15⑥控制角α≥150º时α150º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uUuV，即VT1、VT6承受反向电压，不可能导通，因此输出电压为零。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。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。4.1.3、晶闸管交流调功器和交流开关交流电力控制电路只改变交流电压、电流的幅值或对交流电路进行通断控制，而不改变交流电的频率。它包括交流开关、交流调功和交流调压等；交流电力控制电路主要采用通断控制或相位控制方式。交流开关和交流调功主要采用通断控制，而交流调压通常采用相位控制。1）通断控制。即把晶闸管作为开关，将负载与交流电源接通几个周期，然后再断开一定周期，通过改变通断时间比值达到调压目的。这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于较大时间常数的负载；缺点是输出电压或功率调节不平滑。2）相位控制。它使晶闸管在电源电压每一周期内选定的时刻将负载与电源接通，改变选定的导通时刻就可达到调压的目的。1、晶闸管交流调功器使晶闸管交流开关在端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，就可使电路波形为正弦整周期形式，这样可以避免高次谐波的产生。这种触发方式称为过零触发或零触发。交流零触发开关对外界的电磁干扰最小。实现功率调节的方法如下：在设定的周期TC内，用零电压开关接通几个周波然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内的通断时间比例，可调节负载上的交流平均电压，即可达到调节负载功率的目的。这种装置也称为调功器或周波控制器。0000cTttttuuuu%5.12%25%50%100T(a)0000cTttttuuuu%5.12%25%50%100T(b)过零触发输出电压波形图4-17设在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改变导通周波数n即可改变电压和功率。ncUTnTUncPTnTP晶闸管交流开关的基本原理是将两只反并联的普通晶闸管串入交流电路中，替代传统的机械开关对电路进行通断控制。晶闸管交流开关是一种快速、理想的交流开关。它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。2、晶闸管交流开关4.2、晶闸管交流调压、调压、开关电路应用4.2.1、晶闸管交流调压器应用电路晶闸管交流调压电路广泛用于工业加热、灯光控制、感应电动机调压调速以及电焊、电解、电镀的交流侧调压等场合。1、触发二极管触发的交流调压电路VTVDC1CRPRL2u5-11图4-182、单结晶体管触发的交流调压电路3、KC06触发器触发的晶闸管交流调压电路3VDTP2V2VD4R1V1RRP3R2R5-12~127VR1VD4VD5VDCRT5RVT16151413121110912345678KC06R4R1R3R2R5R6R7R8RVT1RP2RP1C2C3C~220V1VD图4-19图4-204.2.2、晶闸管交流调功器应用电路交流调功器的主电路可用二只普通晶闸管反并联或双向晶闸管组成，下图为全周波连续式分立元件组成的过零触发电路控制的交流调功器，它由主电路、锯齿波产生、信号综合、直流开关、过零脉冲输出以及同步电压等部分组成。同步电压过零脉冲输出直流开关信号综合锯齿波产生u1VT2VTLRTS1VD7V10R11R12R13R4VTP5V3V9R6Vg2ug1u8R2V7R6R5R8V2VD4R1V1R2RP3R2R+24V01RPcU5-51C图4-211、晶闸管交流开关的基本型式晶闸管交流开关的特点：门极毫安级电流的通断可控制晶闸管阳极几十到几百安培大电流的通断。晶闸管在承受正半周电压时触发导通，在电源过零后的负半周在管子上施加反压而使其自然关断。常见的几种晶闸管交流开关型式如下图所示。uLRR1R1CVTQLR1VT2VT1VD2VDu