交流调压与直流斩波

4.3.1 单相交-交变频电路
1、基本结构和工作原理
单相交-交变频电路由两组反并联 的晶闸管整流器构成。
•（1）方波型交-交变频器
•图4-27
•图4-28
（2）正弦波型交-交变频器
正弦波型交-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 型变频器输出波形谐波成分大的缺点。
1、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。
•图4-23
2、固态开关
固态开关是一种晶闸管交流开关，是近年迅速发展起来的一 种固态无触点开关。它包括固态继电器和固态接触器,是一 种以双向晶闸管为基础构成的无触点开关组件。
在正组桥整流工作时，使控制角α从
，
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α从
，就可
以获得平均值可变的负向逆变电压。
•图4-29
正弦型交-交变频器的输出电压波形
2、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 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。
2、晶闸管与负载连成内三角形的三相交流调压电路
•图48
•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。
3、晶闸管接于Y形负载中性点的三相交流调压电路
④ 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。
•图4-14
三相全波星形无中线调压电路90度时的波形
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
•图4-18
• 3、KC06触发器触发的晶闸管交流调压电路
• 2、单结晶体管触发的交流调压电路
•图4-12 三相全波星形无中线调压电路α=30º时的波形
③ 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。
•图4-13 三相全波星形无中线调压电路α=60º时的波形
•图42
•
•(c)α=90˚
•
•图42
•(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
2、单相调压电路的结构和工作原理(阻-感负载 )•（1）电路结构和工作原理波
形
•图43
（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
•图4-11
三相全波星形无中线调压电路α=0º时的波形
② 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。
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。
•图49
•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 。
4、三对反并联晶闸管连成三相三线交流调压电路
•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
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
•图47
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。
•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。
•图4-21
•4.2.3、晶闸管交流开关应用电路
每一相正、负触发脉Biblioteka Baidu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
•图4-17
• 过零触发输出电压波形
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。
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44
•
•(c) α=90˚
•图45
•(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
为工业加热、灯光控制用的交流调压器。
2.系统原理图
•图4-26
4.3 晶闸管交-交变频器
交-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，故又称为直接变频器或 周波变换器。因为没有中间直流环节，仅用一次变换就实 现了变频，所以效率较高。
目前，自关断型变频器受自关断器件容量的限制，功率还 不能做得很大。强制关断型功率受到换相电容的换相能力 限制，同样功率不能做得很大。而普通晶闸管容量大，价 格便宜，自然换相可靠，所以对于大功率变频器来说，一 般采用由普通晶闸管组成的、采用自然换相方式的变频器 。所以，交-交变频器大多数由普通晶闸管元件构成。
正弦波型交-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1/3或1/2。
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)
•（1）电路结构和工作原理波形
•图41 •（2）仿真与实验波形
•
•(a) α=30˚
•
•(b) α=60˚
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。
2、晶闸管交流开关
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 。
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
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。
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α<φ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。
。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。
•图4-24
3、晶闸管交流开关在电动机控制中的应用
1）电动机的正反转控制 2）电动机的反接制动与能耗制动
•图4-25
4.2.4 晶闸管三相交流调压应用实例
KJF系列双向晶闸管调压调速装置
1.主要技术指标
1）控制对象：三相异步电动机、交流输入三相50Hz，进 线电压380V
2）装置功率：小于40kW 3）调速范围：5：1左右，对力矩电机可达10：1 4）稳态精度：静态误差不大于2.5%~5.5% 5）控制电压：0~8V 6）交流输出：交流三相电压连续可调 该调压装置既能对异步电动机实现无级平滑调速，也能作
•图4-15
三相全波星形无中线调压电路α=120º时的波形
⑥ 控制角α ≥ 150º时 α>150º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 uU<uV，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。
交流调压与直流斩波
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。