1、第第4章章 交流交流-交流变换电路交流变换电路1.交流调压：交流电力控制电路只改变交流电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，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、交流调功和交流调压等。2.交-交变频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。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
2、源接通）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。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）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。的。单相交流调压
3、电路三相交流调压电路4.1.1、单相交流调压电路、单相交流调压电路1、单相调压电路的结构和工作原理、单相调压电路的结构和工作原理(电阻性负载电阻性负载)图图4-1（1）电路结构和工作原理波形）电路结构和工作原理波形（2）仿真与实验波形）仿真与实验波形由于正、负半波对称，频谱中将不含直流及偶次谐波应用电路：电风扇无极调速器 P1722、单相调压电路的结构和工作原理、单相调压电路的结构和工作原理(阻阻-感负载感负载)图图4-3（1）电路结构和工作原理波形）电路结构和工作原理波形综上所述，交流调压器带电感电阻负载时，为使电路工作正常，需保证：1） ；2）采用宽度大于60o的宽脉冲或后沿固定、前沿可调
4、、最大宽度可达180o的脉冲列触发。 （2）电感性负载的工作情况）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，此时晶闸管导通角时晶闸管导通角的大小，不但与控制角的大小，不但与控制角有关，有关，而且与负载阻抗角而且与负载阻抗角有关。两只晶闸管门极的起有关。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，始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点，的最大范围是的最大范围是 。 单相交流调压可归纳以下三点：单相交流调压可归纳以下三点： 带电阻性负载时
5、，负载电流波形与单相桥式带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角可可以改变负载电压有效值。以改变负载电压有效值。 带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当当时会发生有一个晶闸管无法导通的现象，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。电流出现很大的直流分量。 带电感性负载时，带电感性负载时，的移相范围为的移相范围为 180180度度 ，带电阻性负载时移相范围为带电阻性负载时移相范围为0 0 180180度。度。 4.1.2 三相交流调压器三相交流调压器工业中交流电源
6、多为三相系统，交流电机也多为三相电机，应采用三相交流调三相交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。Y0型型1、负载、负载Y形连接带中性线的三相交流调压电路形连接带中性线的三相交流调压电路 图图4-7 它由它由3个单相晶闸管交流调压器组合而成，其公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。流调压相同。 在晶闸管交流调压电路中，每相负载电流为正在晶闸管交流调压电路中，每相负载电流为正负对称的缺
7、角正弦波，它包含有较大的奇次谐波负对称的缺角正弦波，它包含有较大的奇次谐波电流，电流，3次谐波电流的相位是相同的，中性线的次谐波电流的相位是相同的，中性线的电流为一相电流为一相3次谐波电流的三倍，且数值较大，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。这种电路的应用有一定的局限性。 2 2、Y Y型：型： 这是一种最典型、最常用的三相交流调压电路图图4-10它的正常工作须满足： 三相中至少有两相导通才能构成通路，且其中三相中至少有两相导通才能构成通路，且其中一相为正向晶闸管导通，另一相为反向晶闸管导一相为正向晶闸管导通，另一相为反向晶闸管导通；通； 三相正三相正(或负或负)触发
8、脉冲依次间隔触发脉冲依次间隔120度，而每度，而每一相正、负触发脉冲间隔一相正、负触发脉冲间隔180度。度。从从VT1到到VT6相相邻触发脉冲相位应互差邻触发脉冲相位应互差60 为保证任何情况下的两个晶闸管同时导通，为保证任何情况下的两个晶闸管同时导通，应采用宽度大于应采用宽度大于60o的宽脉冲（列）或双窄脉冲的宽脉冲（列）或双窄脉冲来触发来触发（2）三相调压电路在电感性负载时的工作情况）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单相电路复杂得多，很难用数学表达式进行描述从实验
9、可知，当三相交流调压电路带电感性负载从实验可知，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，而脉冲移相范时，同样要求触发脉冲为宽脉冲，而脉冲移相范围为：围为：0150 。随着。随着增大则输出电压减小。增大则输出电压减小。 2、其它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。2.1 .交流调功电路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节，称为交流调功电路，由于晶闸管导通都在电源电压过零时刻，这样负载电
10、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。22调功器的输出功率调功器输出电压有效值设定周期Tc内导通的周波数为n，每个周波的周期为T nCPTnTP nCUTnTU 图图7-4 过零触发调节周波电压的波形过零触发调节周波电压的波形把把晶闸管晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。，起接通和断开电路的作用。优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。断。 与交流调功电路的区别与交流调功电路的区别 并不控制电路的平均输出功率。并不控制电路的平均
11、输出功率。 通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通常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。通和断开。 控制频度通常比交流调功电路低得多。控制频度通常比交流调功电路低得多。 2、交流电力电子开关交流电力电子开关自动控温电热炉电路采用光耦合器的交流开关电路4.2 晶闸管交晶闸管交-交变频器交变频器交交-交变频电路是不通过中间环节而把工频交流电直接变交变频电路是不通过中间环节而把工频交流电直接变换成不同频率交流电的变频电路，故又称为换成不同频率交流电的变频电路，故又称为直接变频器或直接变频器或周波变换器周波变换器。因为没有中间直流环节，仅用一次变换就实。因为没有中间直流环
12、节，仅用一次变换就实现了变频，所以效率较高。现了变频，所以效率较高。交交-交变频器大多数由普通晶闸管元件构成。交变频器大多数由普通晶闸管元件构成。4.2.1 单相交单相交-交变频电路交变频电路 1、基本结构和工作原理、基本结构和工作原理单相交单相交-交变频电路由两组反并联交变频电路由两组反并联的晶闸管整流器构成。的晶闸管整流器构成。（1）方波型交）方波型交-交变频器交变频器图图4-27图图4-28bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1d2wtu2udwtiVT1wtwtuVT1d1uaubuct1t3t5t6t2t4 （2）正弦波型交）正弦波型交-交变频器交变频
13、器正弦波型交正弦波型交- -交变频器的主电路与方波型相同，但交变频器的主电路与方波型相同，但其输出电压的平均值按正弦规律变化，克服了方波其输出电压的平均值按正弦规律变化，克服了方波型变频器输出波形谐波成分大的缺点。型变频器输出波形谐波成分大的缺点。在正组桥整流工作时，使控制角在正组桥整流工作时，使控制角从从 ， 输出的平均电压由低到高再到低变化。而在正组桥输出的平均电压由低到高再到低变化。而在正组桥逆变工作时，使控制角逆变工作时，使控制角从从 ，就可，就可以获得平均值可变的负向逆变电压。以获得平均值可变的负向逆变电压。 2/02/2/2/ 正弦型交正弦型交- -交变频器的输出电压波形交变频器的
14、输出电压波形 图图4-29 2 2、输出正弦波形的获得方法、输出正弦波形的获得方法常用的方法是余弦交点法，该方法的原则是：触发角的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。压的瞬时值误差最小。正弦波型交正弦波型交-交变频器适合于低频大功率的电气传动系统，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最高输出频率是输入频率的1/3或或1/2。 3 3、输出电压有效值和频率的调节、输出电压有效值和频率的调节交交-交变频电路的输出电压是由若干段电源电压拼接而成交
15、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。越多，其波形就越接近正弦波。使控制角从使控制角从 ，改变，改变0，就改变了输出电压，就改变了输出电压的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变变化的速变化的速率，也就改变了输出电压的频率。率，也就改变了输出电压的频率。 2/2/0 交交- -交变频器的特点交变频器的特点：交交- -交变频器由于其直接变换的优点：效率较高，可交变频器由于其直接变换的优点：效率较高，可方便地进行可逆运行。方便地进
16、行可逆运行。主要缺点是：主要缺点是：功率因数低。功率因数低。主电路使用晶闸管元件数目多，控制电路复杂。主电路使用晶闸管元件数目多，控制电路复杂。变频器输出频率受到其电网频率的限制，最大变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。频范围在电网二分之一以下。 交交- -交变频器一般只适用于球磨机、矿井提升机、电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。动车辆、大型轧钢设备等低速大容量拖动场合。 4.2.2 三相三相-单相交单相交-交变频电路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。将两组三相可逆整流器反并联即可构成
17、单相变频电路。 三相半波三相半波-单相交单相交-交变频电路交变频电路 三相桥式三相桥式-单相交单相交-交变频电路交变频电路 图图4-30图图4-314.2.3 三相交三相交-交变频电路交变频电路交交-交变频器主要用于交流调速系统中，因此实际交变频器主要用于交流调速系统中，因此实际使用的主要是三相交使用的主要是三相交-交变频器。三相交交变频器。三相交-交变频交变频器电路是由三组输出电压相位互差的单相交器电路是由三组输出电压相位互差的单相交-交变交变频电路组成的。频电路组成的。1 1、电路的接线方式、电路的接线方式三相交三相交-交变频电路主要有两种接线方式，即公共交变频电路主要有两种接线方式，即公
18、共交流母线进线方式和输出星形联结方式。交流母线进线方式和输出星形联结方式。 （1）公共交流母线进线方式）公共交流母线进线方式 它由三组彼此独立、输出电压相位互差它由三组彼此独立、输出电压相位互差120度的单相交度的单相交-交交变频电路组成，其电源进线通过电抗器接在公共的交流母变频电路组成，其电源进线通过电抗器接在公共的交流母线上。由于电源进线端公用，所以三组单相变频电路的输线上。由于电源进线端公用，所以三组单相变频电路的输出端必须隔离。为此，交流电机的三个绕组必须拆开，共出端必须隔离。为此，交流电机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。引出六根线。 图图4-32 （2 2）输出星形连接方式）输出星
19、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。四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。 图图4-332 2、具体电路结构、具体电路结构三相桥式整流器组成的三相三相桥式整流器组成的三相-三相交三相交-交变频电路，采用交变频电路，采用公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式 图图4-34三相桥式整流器组成的三相三相桥式整流器组成的三相-三相交三相交-交变频电路，给电动交变频电路，给电
20、动机负载供电，采用输出星形联结方式（负载未画出）机负载供电，采用输出星形联结方式（负载未画出） 图图4-35交交变频电路是一种交交变频电路是一种直接变频电路直接变频电路。 和交直交变频电路比较，优点是和交直交变频电路比较，优点是 只用只用一次一次变流，效率较高。变流，效率较高。 可方便地实现可方便地实现四象限四象限工作。工作。 低频输出波形接近低频输出波形接近正弦波正弦波。 缺点是缺点是 接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用要用36只晶闸管。只晶闸管。 受电网频率和变流电路脉波数的限制，受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较
21、低输出频率较低；输入功率因数较低输入功率因数较低。 输入电流输入电流谐波谐波含量大，频谱复杂。含量大，频谱复杂。 交交变频电路主要用于交交变频电路主要用于500kW或或1000kW以上以上的的大功率大功率、低转速低转速的交流调速电路中，目前已在轧机主传动装置、鼓风的交流调速电路中，目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合获得了较多的应用机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合获得了较多的应用，既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。，既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。 变频器的调速原理变频器的调速原理 改变输入频率 （无级调速）变频器变频器N=60F/
22、P P：极对数 F：频率N：转速改变极对数 （有级调速）调速原理：调速原理：调速方法：调速方法：交交-直直-交变频器的主要结构框图交变频器的主要结构框图整流器逆变器中间电路电动机控制电路交交-直直-交变频器原理图交变频器原理图M交交直RA 变频器制动方式变频器制动方式能耗制动能耗制动1.能耗制动能耗制动M当泵升电压超过一定值时，。导通，从而把负载反馈的能量消耗在R。上。R。RA 变频器制动方式变频器制动方式能量回馈制动能量回馈制动2.能量回馈制动能量回馈制动M当负载回馈能量是,可控变流器工作于有源逆变状态,将能量回馈电网 按照不同的控制方式，又可将间接变频装置分为下图中的(a)、(b)、(c)
23、3种。 过载能力强 效率高输出波形好 但输出频率低 使用功率器件多 输入无功功率大 高次谐波对电网影响大 结构简单 输出频率变化范围大 功率因数高 谐波易于消除 可使用各种新型大功率器件卢先胜 2009.1.1盛拓科技整流部分整流部分变频器是：变频器是： 将商用交流电源通过整流回路变换成直流，将商用交流电源通过整流回路变换成直流， 将变换后的直流经过逆变回路变换成电压、频率可调节的交流电，将变换后的直流经过逆变回路变换成电压、频率可调节的交流电， 利用交流三相异步电动机的转速与频率成正比的特点，通过改变电源的频率和幅度以达到改变利用交流三相异步电动机的转速与频率成正比的特点，通过改变电源的频率
24、和幅度以达到改变 电机转速的目的。电机转速的目的。 变频器的基本构成变频器的基本构成商用电源商用电源逆变部分逆变部分平平波波电电容容整流整流逆变逆变直流电压直流电压电源电压电源电压输出电压输出电压 变频器的电压波形变化变频器的电压波形变化输出电压的平均值是正弦波马达马达正弦波（正弦波（脉宽调制脉宽调制） ）控制控制方式方式卢先胜 2009.1.1盛拓科技 马达电源驱动回路保护回路控制回路防冲击防冲击回路回路（逆变回路）（逆变回路）DC/DCDC/DC电电源源变换变换回路回路u 变频器基本构成图变频器基本构成图MDBMDB（整流回路）整流回路）MDBMDB（整流回路）整流回路）平波电容平波电容制动回路制动回路操作面板
