第6章 交流变换电路

1 B R2 VT R C 4 3
R1 2
R3
图6.12 光电双向晶闸管耦合器非“0”电压开关
6.3 交流调压电路
6.3.1 单相交流调压电路
6.3.2 三相交流调压电路
6.3.1 单相交流调压电路
1. 电阻性负载 1）电路 若正、负半周以同样的移相角触发VT1和VT2， 则负载电压有效值可以随角而改变，实现交流调 VT 压。
B 1 R3 VD3 VT R VD4 3
V1 R1 2 R2
VD2 VD1
R4
C 4
图6.11 光电晶闸管耦合器的“0”电压开关
6.2.3 固态开关
3) 采用光电双向晶闸管耦合器的非“0”电压开关 图6.12为光电双向晶闸管耦合器非“0”电压开关。输入端1、2有信号 时，光电双向晶闸管耦合器B导通；3————4回路有电流通过，两 端压降为双向晶闸管VT提供触发信号。这种电路相对于输入信号的任 意相位交流电源均可同步接通，因而称为非“0”电压开关。 3. 固态开关的优点 固态开关一般采用环氧树脂封装，具有体积小、工作频率高的特点， 适用于频繁工作或潮湿、有腐蚀性以及易燃的环境中。
解该方程得
io
导通角可由边界条件求得。当时，，将此条件代 入式(6.8)，得
sin
2U 1 sin t sin ( )e Z
(6.8)

sin e


tg
(6.9)
以为参变量的与的关系，如图6.16所示。
6.2.3 固态开关
2. 固态开关的类型 1) 采用光电三极管耦合器的“0”电压固态开关 图6.10为采用光电Hale Waihona Puke Baidu极管耦合器的“0”电压固态 开关电路。1、2为输入端，相当于继电器或接触 器的线圈；3、4为输出端，相当于继电器或接触 器的一对触点，与负载串联后接到交流电源上。 输入端接上控制电压，使发光二极管V D 发光。紧 靠着的光敏管阻值减少，适当选取、的比例，可 使晶体管在零电压附近截止，晶闸管被触发导通。 输出端交流电源通过负载、二极管～、以及构成 通路，在电阻上产生电压降作为双向晶闸管的触 发信号，使导通，负载得电。
6.3.1 单相交流调压电路
0
θ (゜)
45
60
75
α(゜)
图6.16 单相交流调压器以 为参变量的 与 的关系
6.3.1 单相交流调压电路
负载电流波形如图6.17所示。 如图6.17(a)所示为 情况下的电流波形，既不连续，又非正弦。
u2 ug
u2 ug
u g1
u g2
u g1
u g2
u2 ug
u g1
u g2
O

O


i
ωt



ωt
O


ωt
(b)
i

i
O
O
ωt
O
ωt
ωt
u
u
u
O
ωt
O
O
ωt
ωt
(a)
(b)
(c)
图6.17 带电感性负载单相交流调压电路波形
6.3.1 单相交流调压电路
6.2.1 简单交流开关及应用
U V R1 0.1μF 100? 100 47 k 1 50k 1 50k 150k? 150k? VD1 1 B 100 100? 100 100? VT VT 1 VT 2 VD 2 47 k 47k?
2
图6.3 采用光耦合器的交流开关电路
1
VT 2 u R uR
图6.13 单相交流调压器主电路
6.3.1 单相交流调压电路
2）波形
uR O ug O u T1 O a u g1 u g2 u g3
ωt
ωt
ωt
u T2 O
ωt
图6.14 单相交流调压电路电压波形
6.3.1 单相交流调压电路
3）公式
晶闸管电流平均值 晶闸管电流有效值 负载电阻电压的有效值 负载电阻电流的有效值 功率因数
图6.9 全周波过零触发输出电压波形 (全周波断续式)
6.2.3 固态开关
1. 固态开关的概念 固态开关(Solid State Switch)，简称SSS， 是近年来发展起来的一种以双向晶闸管为 基础构成的无触点通断组件。它包括固态 继电器(Solid State Relay，SSR)和固态接 触器(Solid State Contactor，SSC)。
VT
VD
1
1
S
VD
2
u
VT
2
RL
图6.2 晶闸管反并联的交流开关
6.2.1 简单交流开关及应用
3. 采用光耦合器的交流开关电路 如图6.3所示为采用光耦合器的交流开关电路。主电路由 两只晶闸管VT1、VT2和两只二极管VD1、VD2组成。 当控制信号未接通时，1、2端没有信号。B光耦合器中的 光敏管截止，晶体管VT处于导通状态，晶闸管门极电路 被晶体管VT旁路，因而VT1、VT2晶闸管处于截止状态， 负载未接通。 当1、2端接入控制信号时，B光耦合器中的光敏管导通， 晶体管V截止，VT1、VT2晶闸管控制极得到触发电压而 导通，主回路被接通。电源正半波时(例如、V)路为— VT1—VD2——。电源负半波时(、)，通路为——VT2— VD1—。负载上得到交流电压。因而只要控制光耦合器的 通/断就能方便地控制电路的通/断，进而在负载上获得完 整的交流电压。
VD1 1 VD VD3 VD 4
S Q
uu
VD2 VD 2
VD 3
RL
图6.1 单只普通晶闸管交流开关
6.2.1 简单交流开关及应用
2. 普通晶闸管反并联的交流开关
图6.2为普通晶闸管反并联构成的交流开关。当S闭合时， 两只晶闸管均以管子本身的阳极电压作为触发电压进行触 发，具有强触发性质，即使对触发电流很大的管子也能可 靠触发。随着交流电源的交变，两个晶闸管轮流导通，负 载上得到的基本上是正弦电压。
VT 1 io VT 2 R u1 uo L
图6.15 带感性负载的单相调压电路
6.3.1 单相交流调压电路
在一个晶闸管导电时，电路工作情况和单相半波 整流时相同，负载电流的表达式即为下述微分方 程式的解
L d io dt Ri 2U 1 s in t
t
tg
(6.7)

电流型电路
电流型的电路结构也可看成是桥式整流 电路的拓广
6.2 晶闸管交流开关
6.2.1 简单交流开关及应用
6.2.2 由过零触发开关电路组成的单相 交流调功器
6.2.3 固态开关
6.2.1 简单交流开关及应用
1. 单只普通晶闸管交流开关 图6.1为只用一只普通晶闸管构成的交流开关电 路，该电路包含一个由二极管组成的整流桥。晶 闸管只受正压，不受反压。其缺点是由于串联元 件多，其压降损耗较大。
2
6.2.3 固态开关
1 R1 R3 B 2
R2
R4
VT1 VD 4 VD 3 R6
3
V2
VD 6 VD 5 R 5
C 4
VD 2 V1
图6.10 采用光电三极管耦合器的“0”电压固态开关内部电路
6.2.3 固态开关
2) 采用光电晶闸管耦合器的“0”电压开关 图6.11为光电晶闸管耦合器的“0”电压开关。由输入端1、2 输入信号， 光电晶闸管耦合器B中的光控晶闸管导通；电流经3－－－－－4构成 回路；借助上的电压降向双向晶闸管的控制极提供分流，使导通。由、 与1组成“0”电压开关功能电路。即当电源电压过0并升至一定幅值时， V1导通，光控晶闸管则被关断。
6.2.2 由过零触发开关电路组成的单相交流调功器
交流过零触发开关电路就是利用零触发方式来控 制晶闸管的导通与关断。交流零触发开关使电路 在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，这种开关对外界的 电磁干扰最小。 由过零触发开关电路组成的单相交流调功器，是 通过改变输出电压有效值来改变输出功率的。 如在设定的周期内导通的周波数为n，每个周波的 周期为T(50Hz，)，则调功器的输出功率和输出电 nT nT P 压有效值为 P U U T T 因此，改变导通周波数，即可改变电压或功率。
6.2.1 简单交流开关及应用
QS FU 1 VT 1 VT 2 FU1 VT 3 KT R 1* R 1* R 1* KA RL RL RL KT 温控仪 KA R 2* 运行 停止 FU1 FU 2 SB 手动 停止 VT4 自动 KA
图6.5 双向晶闸管控制三相自动控温电热炉电路
6.2.2 由过零触发开关电路组成的单相交流调功器
n
n
c
c
6.2.2 由过零触发开关电路组成的单相交流调功器
3. 零触发的两种工作模式 1) 全周波连续式 2) 全周波断续式
u Tc
12.5% u Tc
O
u
O
t
25%
O u O u 50% O u O T
t t t t
u u
O
t t
100%
u
O
t
图6.6T 全周波过零触发输出电压波
形(全周波连续式)
1. 过零触发的概念 前述可控整流和有源逆变电路都采用移相触发控制，这种 触发方式使得电路输出为缺角的正弦波，包含大量的高次 谐波。为了弥补这种不足，可采用过零触发或称零触发。 过零触发是指在正弦交流电压过零时，触发晶闸管，使晶 闸管或者处于全导通或者处于全阻断，使负载得到完整的 正弦波。 2. 交流调功器(周波控制器)的工作原理 交流过零触发开关电路就是利用零触发方式来控制晶闸管 的导通与关断。交流零触发开关使电路在电压为零或零附 近瞬间接通，利用管子电流小于维持电流使管子自行关断， 这种开关对外界的电磁干扰最小。
6.1 交流变换器类型
只改变输出电压的幅值而不改变频率的 交流变换电路
交流调压电路
采用相位控制的交流电压控制电路
交流电压控制电路
交流调功电路
采用通断控制的交流电压控制电路
晶闸管交流开关 交流变换电路
令交流调压器中的晶闸管在交流电流自然过零时关断或导通
电压型电路 交-交变频电路
工频交流电直接变换成频率可调的 交流电的交流变换电路 电压型直接变频电路是利用反并联整 流电路的工作原理拓广而成
6.2.1 简单交流开关及应用
4. 双向晶闸管交流开关 图6.4为采用双向晶闸管的交流开关，双向晶闸管 为I+、Ⅲ触发方式，其线路简单，但工作频率低 (小于400Hz)。 R
L
R u Q
VT
R1
C1
图6.4 采用双向晶闸管的交流开关
6.2.1 简单交流开关及应用
图6.5为双向晶闸管控制三相自动温控电热炉的典型电路。 当开关QS拨到“自动”位置时，炉温就能自动保持在给 定温度。若炉温低于给定温度，温控仪KT(调节式毫伏温 度计)使常开触点KT闭合，双向晶闸管触发导通。继电器 KA得电，使主电路中VT1—VT3管导通，负载电阻接入交 流电源，电热炉升温。若炉温达到给定温度，温控仪的常 闭触点KT断开，VT4关断，继电器KA失电，双向晶闸管 VT1～VT3关断，电阻与电源断开，电热炉降温。 双向晶闸管仅用一只电阻(主电路为、控制电路为)构成本 相强触发电路，其阻值可由实验确定。用电位器代替或， 调节电位器阻值，使双向晶闸管两端电压减到2～5V，此 时电位器阻值即为触发电阻值。
cos
I dT
IT
2π
1 2π
1
π
2U 1 R

sin t d ( t )
2
2U 1 2 πR
(1 c o s )

1
π


π
2 U 1 s in t U1 d ( t ) R R
1 s in 2 1 2 π 2π
U0
π

2U 1 s in t

2
d ( t ) U 1
1 2π
s in 2
π π
I0
U0 R
U 0 I0 U 1I0

U0 U1

1 2π
s in 2
π π
控制角的移相范围为 0
≤

≤
π
6.3.1 单相交流调压电路
2. 电阻—电感负载 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，电流还未到零，即电压过零时晶 闸管关不断，还将继续导通到负半周。 在一个晶闸管导电时，它的管压降成为另一晶闸管的反向 电压而使其截止。
第6章 交流变换电路
6.1 交流变换器类型 6.2 晶闸管交流开关 6.3 交流调压电路 6.4 交-交变频电路
第6章 交流变换电路
交流变换电路是对交流电路的幅值、频率、相数 等参数进行变换的电路。 本章主要讲述晶闸管交流调压电路的拓扑结构、 控制方式和工作原理及应用；晶闸管调功电路的 接线形式、工作原理及应用；交-交变频电路的拓 扑结构、工作原理。 本章要求掌握晶闸管交流调压电路的控制方式和 调功器的应用，交-交变频电路的工作原理。