斩波器与交流调压器、逆变

晶闸管斩波器作为一种直流调 压装置．常用于直流电动机的调压 调速。目前，斩波器已广泛应用于 电力牵引方面，如地铁、电力机车、 城市电车、蓄电池电动车等。 晶闸管斩波器，主要有采用普 通晶闸管的逆阻型斩波器和采用逆 导型晶闸管的逆导型斩波器两种。 下面仅介绍逆阻型斩波器。
二、交流调压电路 交流调压器是接在交流电源与负载之 间的调压装置。晶闸管交流调压器，可以 通过控制晶闸管的通断，方便地调节输出 电压的有效值。在交流调压器中，晶闸管 元件一般为反并联的两只普通晶闸管或双 向晶闸管，并常采用以下两种控制方式。
逆变器根据其直流电源的滤波方式可分为电 压型和电流型两种。 电压型逆变器，其直流电源由电容滤波，可 近似看成恒压源；其输出的交流电压为矩形波， 输出的交流电流在电动机负载时近似为正弦波； 其抑制浪涌电压能力强，频率可向上或向下调节， 效率高，适用于不经常起动、制动和反转的拖动 装置。 电流型逆变器，其直流电源由电感滤波，可 近似看成恒流源，其输出的交流电流近似为矩形 波，输出的交流电压在电动机负载时近似为正弦 波；其抑制过电流能力强，适用于经常要求起动、 制动与反转的拖动装置。
上述两个条件必须同时具备才能实现有 源逆变。半控桥式晶闸管电路或有续流二极 管的电路，因它们不能输出负电压，也不允 许直流侧接上反极性的直流电源，故不能实 现有源逆变。
二、无源逆变 在工业生产中，常要求把直流电或某一固定 频率的交流电变换成一频率可变的交流电，供给 某些负载使用，这种变流技术称为变频技术。早 期采用旋转变频机组或离子器件组成的静止变频 器来实现变频，但它们存在体积大、效率低、噪 声大、响应时间长等缺点。晶闸管作为较理想的 无触点开关元件，具有体积小、管压降小、响应 时间短的优点，晶闸管组成的静止变频器已取代 了旧式变频装置，在各种工业领域获得广泛应用， 如感应加热的中频电源、交流电动机的变频调速 电源、不间断电源(UPS)等。
图313c所示的三相三线交流调压电路负载可接成星形也可以接成三角形输出电流中谐波分量较小由于没有中性线每相电流必须和另一相构成回路因此这种电路与三相桥式全控整流电路一样晶闸管的触发脉冲应采用宽脉冲或双窄脉冲
斩波器与交流调压器、逆变
1 、 斩 波 器 的 基 本 工 作 原 理 。 斩波器是接在直流电源与负载电路之间， 用以改变加到负载电路上的直流平均电压的一种 装置。有时，也称之为直流—直流变换器。在晶 闸管斩波器中，把晶闸管作为直流开关，通过控 制其通断时间的比值，在负载上使可获得大小可 调的直流平均电压Ud，如图所示。
(2)下放重物时，变流器工作在逆变状态，如 图所示。为了使重物能匀速下降，电动机必须作发 电制动运行。由于下放重物时，电机反转，故Ed 的极性改变。若变流器仍处于整流状态(0o＜α＜ 90o)，则Ed和Ud为顺向串联，两者部输出功率， 电流Id=(Ud+Ed)／R，由于回路电阻R很小，故电 流Id很大，相当于短路。因此Ud的极性必须改变， 即Ud应为负值。
第三节
逆变电路
逆变是整流的逆向过程，即把直流电转变 为交流电。晶闸管逆变电路可以分为二大类； 第一类称为有源逆变，它将直流电逆变为与电 网同频率的交流电并反送到交流电网去，其工 作过程为直流电—逆变器—交流电—交流电网； 第二类称为无源逆变，它将直流电逆变为某一 频率或可变频率的交流电供给负载使用，其工 作过程为直流电—逆变器—交流电—用电器。
为使Ud为负值，应增大触发延迟角α，使α＞ 90。在下降重物带动下,电机反转并逐渐加速，其 反电动势Ea(Ed)也随之增大。当Ed＞Ud时，在Ed 的作用下，变流器中的晶闸管，在其阳极电位处于 交流电压负半周期间的导通时间能够大于正半周期 间的导通时间，使得ud波形的负面积大于正面积， 故平均电压Ud＜0，故此时Ud的实际极性与整流 状态时的极性相反，为上负下正。而回路电流Id＝ (Ed-Ud)／R，且其方向仍然保持原来整流状态时 的方向。
实用交流调压器较多采用相位控制方式。上图 所示为相位控制的双向晶闸管单相交流调压电路。 图中，R2、C2阻容电路，用来给C1增加了一个充 电电路，以保证在触发延迟角α较大时，双向触发 二极管能被C1上的充电电压击穿，使双向晶闸管 可靠导通，从而增大调压范围。
在功率较大的场合，一般采用三相交流调压。 图3—13c所示的三相三线交流调压电路，负载可 接成星形也可以接成三角形，输出电流中谐波分 量较小，由于没有中性线，每相电流必须和另一 相构成回路，因此这种电路与三相桥式全控整流 电路一样，晶闸管的触发脉冲应采用宽脉冲或双 窄脉冲。
由逆变器工作原理可知，逆变器正常工 作的关键在于换流，即按时把导通的晶闸管 关断，并使电流换到规定的晶闸管上去。由 于逆变器中的晶闸管工作在直流电中，不会 自行关断，故为使晶闸管由导通转为关断， 通常采用在阳极与阴极之间施加一定时间反 向电压的方法。逆变器常用的换流方法有两 种。
(1)负载谐振式换流 利用负载回路的谐振特性 来实现晶闸管换流。当负载电路中的电阻、电感和 电容形成振荡时，其振荡电流具有自动过零的特性， 只要负载电流超前电压的时间大干晶闸管的关断时 间，就能使晶闸曾自然关断，从而实现电流换流。 目前，我国生产的晶闸管中额电源等装置常采用这 种换流方法。 (2)强迫换流(脉冲换流) 在电路中设置电感、 电容等元件，构成换流回路。换流前换流电容预先 储存一定的电能，换流时触发另一只晶闸管导通， 形成一个电容放电回路。利用换流电容的放电，使 换流回路产生一个脉冲，迫使原先导通的晶闸管承 受反向脉冲电压而关断。
因此，Ed是产生Id的电源，即电动机作发电 机运行，向外部输出电功率，而Ud却起着反电动 势的作用，这说明电网通过变流器吸收电功率．所 以变流器工作于有源逆变状态。由于电动机处于发 电制动状态，故当制动力矩增大到与重物产生的机 械力矩相等时，重物使保持匀速下降变下放 重物的速度。
一、有源逆变 在某些场合，同一套晶闸管电路在一 定条件下，既可工作于整流状态，又可工 作于逆变状态，这种装置称为交流装置或 变流器。若变流器逆变出的交流电被反送 回交流电网，即为有源逆变。有源逆变可 用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异 步电动机串级调速系统和高压直流输电等 方面。
1 、 有 源 逆 变 的 工 作 原 理 下面以直流拖动的起重机为例，说明有源逆变 的工作原理。晶闸管变流装置如图所示，用于为起 重机的直流电动机供电。图中平波电抗器Ld，用 于使负载电流连续并减小谐波的影响。现以起重机 提升和下放重物两种工作状态来分析变流器的工作 情况。
1、无源逆变的工作原理 逆变器的工作 原理如图所示。当VT1和VT4触发导通(VT2、 VT3关断)时，直流电源通过VT1和VT4向负载 供电、负载上电流的方向如图16a所示。当 VT2、VT3触发导通(VT1、VT4关断)时．直 流电源通过VT2和VT3，向负载供电，电流反 向流过负载．如图所示。按一定的频率、不 断地轮流切换两组晶闸管，便将电源的直流 电逆变成负载上的交流电，负载上的电压波 形如图所示。若改变两组晶闸管的切换频率， 便可改变交流电的频率。
1)通断控制 所谓通断控制，是把晶闸管作 为开关，在设定的周期内，将负载与交流电源接 通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变晶 闸管在设定周期内通断时间的比值，来实现交流 调压或调功率。在设定周期内晶闸管导通的周波 数越多，输出电压有效值越大．反之则越小。 2)相位控制 晶闸管在交流调压器中的相位 控制，类似于在可控整流电路中的相位控制。在 电源电压的每一个周期中(包括正、负半周)，控 制晶闸管的触发相位，实现交流调压或调功率。
斩波器的输出电压平均值Ud为：
式中 E——直流电源电压； T——斩波器的通断周期； τ——斩波器的导通时间。 由上式可知，改变电路的导通比τ／ T，就可以改变斩波器输出的直流平均电 压。因此，调节斩波器输出电压平均值 的方法有以下三种：
1)定频调宽法 这种方法又称为脉冲宽度 调制(PWM)方式，其特点是保持晶闸管触发 频率f不变(即T不变)，通过改变晶闸管的导通 时间τ来改变直流平均电压。见上图。 2)定宽调频法 这种方法又称为脉冲频率 调制(PFM)方式，其特点是保持晶闸管导通 的时间τ不变，通过改变晶闸管触发频率f来改 变 杨 出 直 流 平 均 电 压 ， 见 图 。 3)调频调宽法 这种方法又称为混合调制， 其特点是同时改变晶闸管的触发频率f和导通 时间τ，来改变直流平均电压，见图。
通过以上分析可知，实现有源逆变的条 件是： 1)变流器直流侧的负载，不仅要有大电 感而且还要有直流电源Ed，并要求电源电动 势Ed的极性必须与晶闸管导电电流方向一致 且其值要稍大于交流器直流侧的输出平均电 压Ud，即│Ed│＞│Ud│。 2)变流器必须工作在α＞900区域，使变 流器直流侧输出的直流平均电压Ud为负值。
(1)提升重物时，变流器工作在整流状态，如 图所示。触发延迟角α的移相范围为0o—90o，三 相半波可控整流器的输出电压Ud为：Ud＝ 1.17U2cosα。电动机工作在电动运行时，变流器 必须输出直流功率，故其输出电压Ud大于负载的 直流电动势Ed(即电枢电动势Ed)，即│Ud│＞ │Ed│，此时电流Id＝(Ud-Ed)／R，因回路电阻R 很小，故Ud≈Ed。设T为电动机的电磁转矩，TL为 负载转矩，电动机的调速过程为： 升速时，应减小触发延迟角α，其升速过程为： 直到T＝TL电机便以较高转速稳定运行。反之， 增大触发延迟角α，即可进行降速过程。
变频电路按其能量变换的情况，可分为 交—交变频器和交—直—交变频器两种。前 者是直接将工频交流电源变为所需频率的交 流电源，故也称为直接变频；后者则是先把 工频交流电整流为直流电，然后再由直流电 逆变为所需频率的交流电。在交—直—交变 频器中，用于把直流电逆变成交流电的装置 称为逆变器，由于逆变的交流电不反送到交 流电网，而是直接供给负载使用，因此也称 为无源逆变。显然，无源逆变是交—直—交 变频器的—个重要环节。