第6章 交流—交流变换电路

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6.5.1 单相相控交-交变频电路
◆基本原理 当正组变流器工作时，晶闸管触发角 p =0，平均电压Ud最大。随着的 p增大，Ud 值减小，当 p π 2 时，Ud=0。半周内平均输出电压如图6-17所示，为一正弦波。由
于整流电压波形上部包围的面积比下部面积大，总的功率为正，从电源供向负载，
组相控整流电路反并联构成，如图6-17
所示，将其中一组整流器称为正组变流 器P，另外一组称为反组变流器N。如果
正组变流器工作，反组变流器被封锁，
负载端得到输出电压为上正、下负；如 果反组变流器工作，正组变流器被封锁 ，则负载端得到输出电压为上负、下正 。
6-17 相控单相交-交变频电路阻感负载时的输出波形
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6.5.1 单相相控交-交变频电路
◆基本原理 反组变流器的工作原理类似。 由此得出结论，正弦波交-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α角要不断加以调制，使输出电压平均值为正弦波；同时，
正、反两组变流器也需按规定频率不停地进行切换，以输出可变频率交流。 正、反两组整流器切换时，不能简单地将原来工作的整流器封锁，同时将原来封 锁的整流器立即开通。因为己开通的晶闸管并不能在触发脉冲消失的那一瞬间立即 被关断，必须等待晶闸管承受反压时才能关断。如果两组整流器切换时触发脉冲的 封锁和开放同时进行，原先导通的整流器不能立即关断，而原来封锁的整流器己经 开通，于是出现两组整流器同时导通的现象，将会产生很大的短路电流，使晶闸管 损坏。为了防止在负载电流反向时产生环流，将原来工作的整流器封锁后，必须留 有一定死区时间，再开通另一组整流器。这种两组整流器任何时刻只有一组工作， 在两组之间不存在环流，称为无环流控制方式。
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6.5.1 单相相控交-交变频电路
◆相控交-交变频电路的工作过程 交–交变频电路的负载可以是电感性、电阻性或电容性。下面以常用的电感性 负载为例，说明组成变频电路的两组可控整流电路的工作过程。对于电感性负载，
输出电压超前电流，单相相交-交变频电路输出电压和电流波形如图6-18所示。
图6-18
单相相控交-交变频电路输出电压和电流波形
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第6章 交流-交流变换电路
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第9章 电力电子技术的应用
6.1 概述
6.2 交流调压电路
6.3 斩控式交流调压电路
6.4 其他交流电力控制电路
6.5 交-交变频电路 本章小结
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学习指导
※ 交流斩控调压电路构成的基本思想、单相相控式交流调压 电路的工作原理、星形连接的三相相控式交流调压电路的 工作原理和电路工作特点。 ※ 交流调功电路的工作原理、晶闸管投切电容器电路的工作 特点。 ※ 相控式单相交-交变频器的电路构成特点、工作原理、调 制方法以及输入输出特性；相控式三相交-交变频器的电 路接线特点；矩阵式交-交变频器的基本概念、电路构成 的基本思想及基本工作原理。
☞以控制周期为基准，对图6-12的波形进行傅 里叶分析，可以得到图6-14的频谱图。图中In为 n次谐波有效值，Iom为导通时电路电流幅值。
图6-13 交流调功的电路波形
图6-14 交流调功电路的电流频谱
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6.5 交-交变频电路
6.5.1 单相相控交-交变频电路 6.5.2 三相相控交-交变频电路
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6.1
概述
■交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形 式交流的电路，可以改变交流电电压大小、频率或相数 的变换。 ■在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方 便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电 路。交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流 调压电路。以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断， 改变通态周期数和断态周期数的比，可以方便地调节输 出功率的平均值，这种电路称为交流调功电路。 ■交–交变频电路也称直接变频电路(或周波变流器)，包 括相控式交–交变频电路和PWM交-交变频电路，主要用 于大功率交流电机调速系统。
此时正组变流器工作在整流状态。 当正组变流器的触发角在
π 2 π π 变化，变流器输出平均电压为负值。由于整 2
流电压波形下部包围的面积比上部大，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。 改变的 p 变化范围(调制深度)，使它们在 0 波幅值也会改变，从而达到调压目的。
π 范围内调节，输出平均电压正弦 2
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6.5.1 单相相控交-交变频电路
◆基本原理 对于有环流控制方式，当正、反组需要换流时，不需要逻辑切换电路，控制相对 简单。但是环流使晶闸管负担加重、损耗增大。为了减小环流，应在两个变流器输
出端之间设置环流电抗器限制环流。环流电流只在两组变流器之间流动，环流电流
的大小由正、反组瞬时电压差和限制环流的电抗值确定。 由于两组变流器之间流过环流，有可能避免出现电流断续现象，并可消除电流死区 ，从而使变频电路的输出电压、电流特性得以改善。但是在两组变流电路之间设置 环流电抗器，会使设备成本增加。此外，在运行时有环流方式的输入功率比无环流 方式略有增加，使效率有所降低。因此，交流-交流直接变频器大多采用无环流运 行方式。
(6-3)
功率因数
图6-1 带电阻负载单相交流调压 电路及其波形

P Uo Io Uo S U1 I o U1
1 sin 2 2
(6-4) 6
6.4 其他交流电力控制电路
6.4.1 交流调功电路
6.3.2 交流电力电子开关
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6.4.1 交流调功电路
☞交流调功电路和交流调压电路的电路形式完 全相同，只是控制方式不同。交流调功电路不 是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行 控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波 ，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与 断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功 率。这种电路直接调节对象是电路的平均输出 功率，所以被称为交流调功电路。 ◆工作原理 设控制周期为M倍电源周期，其中晶闸管在 前N个周期导通，后M-N个周期关断。当M=3 、N=2时的电路波形如图6-13所示。可以看出， 负载电压和负载电流(也即电源电流)的重复周期 为M倍电源周期。在负载为电阻时，负载电流 波形和负载电压波形相同。
首先介绍单相输出相控交-交变频电路的构成、工作原理、控制方法及输人输
出特性，然后再介绍三相输出交-交变频电路。最后对矩阵变换器介绍。为了 叙述简便，本节把单相输出和三相输出交-交变频电路分别称为单相和三相交 -交变频电路。
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6.5.1 单相相控交-交变频电路
◆基本原理 单相相控交-交变频电路由相同的两

2U 1 sin t d t U 1
2

1 sin 2 2
(6-1)
负载电流有效值Io 晶闸管电流有效值IVT
IT 1 2 2U1 sin t d t U1 R R

2
Io
Uo R
பைடு நூலகம்
(6-2)
1 sin 2 (1 ) 2 2
4
6.2
交流调压电路
6.2.1 相控单相交流调压电路
6.2.2 相控三相交流调压电路
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6.2.1 相控单相交流调压电路
■电阻负载 ◆工作过程 ☞在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1 和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。 ◆基本的数量关系 负载电压有效值Uo
Uo

1
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6.5 交-交变频电路
三相输出相控交-交变频电路广泛应用于低速(600r/min以下)大功率
(500kW以上或1000kW以上)的交流电动机传动，交流励磁变速恒频发电机的励
磁电源、轧机、矿山卷扬、船舶推进、风洞等传动中也应用较多。 单相输出相控交-交变频电路是三相输出相控交交变频电路的基础。因此本节
6.5.3 矩阵式交-交变频电路
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6.5 交-交变频电路
交-交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变
流电路。因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路，系统变换效率较 高。交-交变频电路从控制方式上可分为相位控制方式和斩控方式两种。采用 相控式的晶闸管交-交变频电路也称为周波变流器(Cyclo-convertor)。近年 来出现了一种新颖的矩阵式变频电路，电路所用的开关器件是全控型的，控 制方式是斩控方式。相控式交-交变频电路由于变频电路直接与电网连接，各 晶闸管元件可采用电网电压自然换流，无需强迫换流装置。其优点是损耗小 效率较高，可以实现四象限运行；相控交-交变频器也存在一些固有缺点：调 速范围小，当电源为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz；另一方面，功率因 数低、谐波污染大，需要同时进行无功补偿和谐波治理。
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6.5.1 单相相控交-交变频电路
第1阶段：输出电压为正，由于电流滞后，io<0。因为整流器的输出电流具有单向 性，负载的负向电流必须由反组整流器输出，则此阶段为反组整流器工作，正组整 流器被封锁。由于uo为正，则反组整流器必须工作在有源逆变状态，反组整流器输
出负功率。
第2阶段：电流过零，为无环流死区。 第3阶段：io>0，uo>0。电流方向为正，此阶段正组整流器工作，反组整流器被封 锁。由于uo为正，则正组整流器必须工作在整流状态。正组整流器输出正功率。 第4阶段：io>0，uo<0。由于电流方向没有改变，正组整流器工作，反组整流器仍 被封锁，由于电压方向为负，则正组整流器工作在有源逆变状态。正组整流器输出 负功率。 第5阶段：电流为0，为无环流死区。 第6阶段：io<0，uo<0。电流方向为负，反组整流器工作，正组整流器被封锁。 此阶段反组整流器工作在整流状态。反组整流器输出正功率。
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6.5.1 单相相控交-交变频电路
◆基本原理 这样，只要交替地以低于电源的频率切换正、反组变流器的工作状态，则在负载 端就可以获得交变的输出电压。如果在一个周期内控制角α是固定不变的，则输出