1、第六章(Chapter 6)AC-AC变换技术(AC-AC Convertion)LOGO6.1 AC-AC 变换电路概述变换电路概述LOGO AC-AC变换，即是把一种形式的交流电变换成另一变换，即是把一种形式的交流电变换成另一种形式的交流电，它可以是电压幅值的变换，也可以是频种形式的交流电，它可以是电压幅值的变换，也可以是频率或相数的变换，能实现这种变换的电路称为率或相数的变换，能实现这种变换的电路称为AC-AC变变换器或换器或AC-AC变换电路。根据变换参数的不同，变换电路。根据变换参数的不同，AC-AC变换电路可以分为变换电路可以分为交流调压电路交流调压电路、交流调功器交流调功器和和无
2、触点开无触点开关以及交关以及交-交变频电路交变频电路。6.1.1 交流电力控制电路(AC Power Controller)根据控制方式可分为交流调压电路、交流根据控制方式可分为交流调压电路、交流调调功电路和功电路和交流无触点开关交流无触点开关3种形式。种形式。1.交流调压电路 晶闸管相控式调压电路，它与相控式整流电路的控制原理相同，即改变控制角来改变输出电压的大小，从而达到交流调压的目的。交流调压电路的应用较为广泛。根据输入、输出的相数可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路两种。单相交流调压电路常用于小功率单相电动机控制、照明、电加热控制等；三相交流调压电路常用于三相异步电动机的调压调速或
3、软起动控制。在供电系统中，实现对无功功率的连续调节。另一种交流调压电路是运用全控型开关器件在电源的一个周期内接通和断开若干次，把正弦波电压变成若干个脉冲电压，通过改变开关器件的占空比来实现交流调压。它与直流斩波电路的控制相类似，因此也称为交流斩波调压电路。其优点是深控下的功率因数较高，谐波含量小，输出电压的大小可连续可调，响应速度快，基本上克服了相控方式的缺点。随着全控型器件的发展和成熟，它将取代传统的相控晶闸管调压电路，具有很好的发展前景。2.交流调功电路 采用整周期的通/断控制方式，使电路输出几个电源电压周期，再断开几个电源电压周期。通过控制导通周期数和断开周期数的比值来调节交流输出功率的
4、平均值，从而达到交流调功的目的。其优点是控制简单，电流波形为正弦波，输出无高次谐波；缺点是响应速度较慢，对电网会造成较大的负载脉动及低次谐波的影响。对电加热等不需要高速控制的大惯性负载效果较好，如金属热处理、化工合成加热、钢化玻璃热处理等各种需要加热或进行温度控制的应用场合。3.晶闸管交流开关 根据负载或电源的需要接通或断开电路，它的工作是随机发生的，其作用就相当于机械或电磁式的开关一样，与有触点的开关相比它具有开关速度快、使用寿命长、控制功率小、灵敏度高等优点。因此，通常用来控制交流电动机的正反转、频繁起动、间歇运行等。因其属于无触点开关，不存在火花及拉弧等现象，对化工、冶金、煤炭、纺织、石
5、油等要求无火花防爆场合极为适用。在电力系统中交流无触点开关还与电容器一起构成无功功率补偿器，用于对无功功率和功率因数进行动态调节。6.1.2 变频电路 变频电路分为交-交变频电路和交直交变频电路两种形式。1.交-交变频电路 交-交变频电路是直接将一定频率的交流电变换成另一种频率固定或可调的交流电，中问没有任何环节(如直流环节)的单极电路结构，故也称为直接变频电路(或周波变换器)。2.交-直-交变频电路 交-直-交变频电路是先把工频交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率固定或可变的交流电。这种通过中间直流环节的变频电路也称为间接变频电路。由于电路结构简单，技术也较成熟，在实际生产中已得到广泛应
6、用；其缺点是功率变换次数多，电路总效率较低。这种电路在前面已作过介绍。6.2 单相交流调压电路 交流调压电路广泛应用于工业加热、灯光控制、感应电动机调压调速，以及电焊、电解、电镀、交流侧调压等场合。单相交流调压电路用于小功率调节，广泛用于民用电气控制。用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便地调节输出电压有效值，可用于电路温控、灯光调节、异步电动机的起动和调速等；也可用作调节整流变压器一次侧电压(其二次测为低压大电流或高压小电流负载)。交流调压器与常规的调压变压器相比，它的体积和重量都要小得多。交流调压器的输出仍是交流电压，但它不是正弦波形，其谐波分量较大，功率因数也较低。6.2.1 电阻性负
7、载1)工作原理图6-1 电阻性负载单相交流调压电路及波形2）数量关系数量关系根据图6-1(b)所示波形可得负载电压有效值 式中：U1为输入交流电源电压的有效值。负载电流有效值 201111(2sin)d()sin22UUttU 0101sin22UUIRR 晶闸管电流平均值晶闸管电流的有效值由式(6-4)可知，当 时，晶闸管电流有效值最大为。因 此在选择晶闸管额定电流时，可以通过最大有效值确定晶闸管的通态平均电流0max10.707/TIUR112112sind()(1 cos)22dTUIUttRR21102sin11sin21d()12222TUtUItIRR(6-4)m ax10.4 5
8、1.5 7TT AIUIR交流电源输入侧的功率因数式(6-6)中略去了交流调压电路的损耗，因此输入的有功功率等于输出到负载上的有功功率。由于相位控制产生的基波电流滞后电压，再加上高次谐波的影响，使得交流调压电路的功率因数较低。尤其在深控(角大)、输出电压较小时，功率因数更低。由图6-1和式(6-1)可知，单相交流调压电路电阻性负载时，的移相范围为0，调压范围为0U1。00 0011 011cossin22PU IUPSSU IU 3)谐波分析谐波分析由图6-1可知，输出电压 式中：k=0，1，2，010 ()2sin ()ktkuuUtktk 由于为正、负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波，
9、其傅里叶级数展开为 01,3,5,cossinnnnuAn tBn t00002cosd()2sind()nnAun ttBun tt基波电压系数，即n=1时 基波电压幅值 11112(cos21)22sin22()2UAUB222111121 cos2()()sin22mUUABn次谐波电压系数11211cos(1)1cos(1)1211211sin(1)sin(1)211nnUAnnnnUBnnnnn次谐波电压幅值 22mnnnUAB根据以上分析，可以绘出输出电压的基波和各次谐波的标幺值随 的变化曲线，如图6-2所示。其中，基准电压为 的基波电压有效值。图6-2 电阻性负载时输出电压谐波6
10、.2.2 电感性负载1)工作原理电感性负载单相交流调压电路及其波形如图6-3所示。由于电感的作用，电流的变化要滞后电压的变化，因而和电阻性负载相比工作状态有所不同。当电源电压由正半周过零反向时，由于负载电感中产生感应电动势阻止电流变化，即电压过零时，电流还未到零，晶闸管关不断，故还要续流导通到负半周，当电流过零时晶闸管才关断。晶闸管导通角的大小不仅与控制角口有关，而且还与负载的阻抗角 有关。下面分3种情况进行讨论。(arctan/)L R图6-3 电感性负载单相交流调压电路及波形(1)。当电源电压为正半周，时触发VTl，VTl导通，输出电压u0=u，电流从零开始上升。当电压到达过零点时，电流并
11、不为零，VTl仍然导通，输出电压出现负值。直到电流下降到零时，VT1自然关断，输出电压等于零。但此时VT2的触发脉冲尚未到达，因此出现了电流的断续，晶闸管的导通角时，180，并随着的增加而减小；当 时，=180。当负半周VT2导通时，上述关系完全不变，只是i0的极性相反或相位相差l80。(2)=。当正半周VTl关断时，VT2恰好触发导通，在一个周期中两只晶闸管轮流导通 l80。此时负载电流 临界连续，由式(6-15)可知，负载电流是一个滞后电源电压角的纯正弦电流，如图6-3(c)所示。即任何时刻电源电压都加在负载上，负载电压为完整的正弦波，相当于晶闸管失去控制，无调压作用。(3)这种情况可以看
12、成是阻抗角相对较大，负载的电感作用相对较强，使负载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间延长。此时式(6-15)仍然适用，公式右端小于零，只有当时左端才能小于零，因此。如果用窄脉冲触发晶闸管，在时VTl被触发导通，由于其导通角大于180，在负半周时为VT2发出触发脉冲时，VTl还未关断，VT2因承受反向电压不能导通。待VTl电流过零关断时，VT2的窄脉冲已消失，此时VT2管虽承受正向电压，但也无法导通，直到下一个周期VTl再次被触发导通。这样就形成只有一个晶闸管反复通断的不正常现象，这一现象称为“单相半波整流现象”。负载电流始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分量，如图6-3(d)所示。因此在
13、电感性负载时，为了避免这种现象的发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。采用宽脉冲或脉冲列(频率在2030kHz)触发方式，当VT1关断后，VT2立即导通，连续，在刚开始的几个剧期内负载电流正、负半波不对称。但经过几个周期后电路达到稳态时，负载电流为正弦波，滞后电压角，这与时的工作情况一样，输出电压和电流波形都是完整的正弦波，电路失去调压的功能，u0、i0的波形如图6-3(e)所示。综上所述，当单相交流调压电路带感性负载时，为了可靠、有效地工作，并实现调压的功能，控制角的移相范围保持在之间。同时为了避免出现电流直流分量，晶闸管的触发脉冲应采用宽脉冲或脉冲列。2.数量关系201111(2sin)d(
14、)sin2sin2()UUttU 根据以下分析所得 时的电压和电流波形，可得负载电压有效值负载电流有效值22tan1001211d()sin()sin()d()sincos(2)=costUIitttZUZ 晶闸管电流有效值010sincos(2)22 cos2IUIZ若以为晶闸管电流的基准值，则的标幺值为*11sincos(2)22 cos22TTIIUZ3）谐波分析谐波分析 在电感性负载下，根据电路的输出波形，可以用前面电阻负载下的分析方法进行谐波的分析，只是公式复杂得多。经分析可知，电源电流中谐波的次数和电阻性负载时相同，也只含有奇次谐波，同样是随着谐波次数的增加，谐波含量减小。和电阻负
15、载相比谐波电流的含量要少一些，而且在控制角不变时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减小。图6-5 电流标幺值与控制角的关系曲线【例6-2】用单相交流调压电路控制电感性负载的功率，已知交流电源电压有效值为220V，负载的等效电阻为55，感抗为55，试求：移相控制范围；负载电流的最大有效值；最人输出功率和功率因数；当 时，晶闸管的电流有效值、导通角和交流电源侧的功率因数。2/解 单相交流调压电路在电感性负载时，最小控制角 决定于负载的阻抗角 ，当输出最大电压时，此时min180minarctan4LR当输出电压为零时，；。故移相控制范围为 当时，输出的负载电压和电流的波形为相位相差的正弦波，此时负载
16、和电源直接相接，负载电流达到最大10max22222202.83()()5555UIARL0max4/20max0max440()PIRW0maxmax1 0max(cos)0.707PU I 当时，由图6-5中的曲线上可查得晶闸管电流的标幺值为 。晶闸管电流的基准值/2*0.31TI 1222204()55 2TBUIAZ故晶闸管电流的有效值为*1.24()TTTBIIIA当 时，查图6-4得，输出电流的有效值为电源输入的功率电源侧功率因数2/130)(75.124.1220AIIT)(44.1685575.12201WRIP44.075.122044.168cos011IUP单击此处添加文
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