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1、第第6章章 交交交变频器交变频器 交交交变频器不需要中间直流环节交变频器不需要中间直流环节,所以又称所以又称为直接变频器。这种变频器具有四象限运行能力。为直接变频器。这种变频器具有四象限运行能力。在低速、大功率的交流传动中得到了广泛使用。如在低速、大功率的交流传动中得到了广泛使用。如球磨机、矿井提升机、轧钢机和电动机车等的主传球磨机、矿井提升机、轧钢机和电动机车等的主传动。动。交交-交变频器的特点交变频器的特点1)因为是直接变换，没有中间环节，所以比一般的变频器效率要高。2)由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好。3
2、)由于变频器按电网电压过零自然换相，故可采用普通晶闸管。不需要强迫换流电路。4)由于输出上限频率不高于电网频率的1/31/2，因受电网频率限制，通常输出电压的频率较低。5)交-交变频电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。第第 1节节 交交交变频器的工作原理及分类交变频器的工作原理及分类根据变频器输出电压波形的不同，交根据变频器输出电压波形的不同，交交变频器交变频器分为：方波型及正弦波型两种。分为：方波型及正弦波型两种。一、方波型交一、方波型交交变频器主电路及工作原理交变频器主电路及工作原理1、
3、单相交、单相交交变频器主电路及工作原理交变频器主电路及工作原理n在一个控制周期内，当在一个控制周期内，当P组和组和N组整流桥组整流桥以不变以不变触触发角角轮流地向负载供电时，在轮流地向负载供电时，在负载上就会获得方波交流电压。负载上就会获得方波交流电压。n改变两组变流器的切换频率，就可改变改变两组变流器的切换频率，就可改变输出电压的频率，改变两组变流器的控输出电压的频率，改变两组变流器的控制触发角制触发角，就可改，就可改变输变输出出电压电压的幅的幅值值。以三相零式整流电路组成的单相交以三相零式整流电路组成的单相交交变交变频器为例说明工作原理及触发控制频器为例说明工作原理及触发控制1351352
4、4624666组选晶闸管号选0T/2TABn组选：组选：为了在负载上获得三相互差为了在负载上获得三相互差1200的对称电压波形的对称电压波形,每组导电每组导电时间应为时间应为T/3,并且应相隔并且应相隔T/6换组换组,同一时刻应有一个正组和一个同一时刻应有一个正组和一个反组同时导通反组同时导通,但不允许同一相同时导通但不允许同一相同时导通,否则将会造成电源短路。否则将会造成电源短路。2、三相交、三相交交变频器交变频器n可见，交可见，交交变频器输出频率总是低于交变频器输出频率总是低于电源频率。因此交电源频率。因此交交变频器应用于低交变频器应用于低速传动场合。速传动场合。我们把这种在控制上连续的按
5、特定规我们把这种在控制上连续的按特定规律改变控制角律改变控制角的方法称的方法称为调为调制式相制式相位触位触发发.调调制控制角制控制角的确定常采用的确定常采用“余弦交截法余弦交截法”去去实现实现 从上图可见，输出电压实际是由若干段电从上图可见，输出电压实际是由若干段电源电压拼接而成，在输出电压的一个周期源电压拼接而成，在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压波段越多，其波形内，所包含的电源电压波段越多，其波形就越接近正弦波。就越接近正弦波。3、如何调节输出正弦波电压频率？、如何调节输出正弦波电压频率？改变正、反组切换频率，即改变每半波的改变正、反组切换频率，即改变每半波的电源电压波段数，可改变输
6、出电压的频率。电源电压波段数，可改变输出电压的频率。每半波包含的电源电压波段数越多，输出正每半波包含的电源电压波段数越多，输出正弦波频率越低。弦波频率越低。对于三相桥式交对于三相桥式交交变频器，输出正弦波交变频器，输出正弦波最高频率最高频率 ，此时，此时每半个周期内包含每半个周期内包含6个电源电压波段。个电源电压波段。三、正、反组变流器工作状态分析三、正、反组变流器工作状态分析 正、反组变流器之间的切换，是以输出电流是否正、反组变流器之间的切换，是以输出电流是否改变方向为依据的。因此换组指令应由负载电流信号改变方向为依据的。因此换组指令应由负载电流信号过零点来控制过零点来控制。三相输出交三相输
7、出交-交变频电路主要应用于交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，三相输出交大功率交流电机调速系统，三相输出交-交变频电路是由三组输出电压相位各差交变频电路是由三组输出电压相位各差121200的的单单相相交交-交变频电路组成的，所以交变频电路组成的，所以其控制原理与其控制原理与单单相相交交-交变频电路相同。交变频电路相同。下面简单介绍一下三下面简单介绍一下三相相交交-交变频电路接交变频电路接线方式。线方式。四、四、三相输出交三相输出交-交变频电路交变频电路1 1 公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式 公共交流母线进线方式的三相交公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路简图交变频电路简图
8、2 输出星形联结方式输出星形联结方式输出星形联结方式的三相交输出星形联结方式的三相交-交变频电路原理图交变频电路原理图3 3 矩形波交矩形波交-交变频交变频三相零式交三相零式交-交变频电路交变频电路第第3节节 交交交变频器的环流处理方式交变频器的环流处理方式 交交交变频器正、反组变流器之间如果存在环交变频器正、反组变流器之间如果存在环流，将会造成电源短路的严重后果，因此环流的流，将会造成电源短路的严重后果，因此环流的处理问题至关重要。通常环流的处理方式有处理问题至关重要。通常环流的处理方式有：（1）无环流运行方式；）无环流运行方式；（2）有环流运行方式；）有环流运行方式；（3）局部环流运行方式
9、。）局部环流运行方式。一、无环流运行方式一、无环流运行方式 这种方式是对正、反组变流器的触发脉冲这种方式是对正、反组变流器的触发脉冲进行逻辑控制，即当一组工作时，另一组绝对进行逻辑控制，即当一组工作时，另一组绝对封锁。这样在两组变流器之间就不存在环流。封锁。这样在两组变流器之间就不存在环流。具体方法具体方法：检测负载电流，当电流正向过零时，同时检测负载电流，当电流正向过零时，同时封锁正、反组变流器触发信号一小段时间，这封锁正、反组变流器触发信号一小段时间，这段时间应大于变流器可靠关断时间。然后对正段时间应大于变流器可靠关断时间。然后对正组变流器进行触发控制。同样，当电流负向过组变流器进行触发控
10、制。同样，当电流负向过零时，同时封锁正、反组变流器触发信号一小零时，同时封锁正、反组变流器触发信号一小段时间后，再对负组变流器进行触发控制。段时间后，再对负组变流器进行触发控制。无环流运行方式的主要特点：无环流运行方式的主要特点：没有环流，不需要限环流电抗器。没有环流，不需要限环流电抗器。但它的输出电流在过零点附近一小段但它的输出电流在过零点附近一小段时间，输出波形畸变，动态过程较慢。时间，输出波形畸变，动态过程较慢。二、有环流运行方式二、有环流运行方式 为区别于局部环流运行方式，这种为区别于局部环流运行方式，这种方式又称为方式又称为连续环流运行方式连续环流运行方式，或，或自然自然环流运行方式
11、环流运行方式。具体实现具体实现：（1）在这种方式下，在这种方式下，为了限制环流为了限制环流，在，在P、N两组之间应接入两组之间应接入限环流电抗器，以将环流限制在允许的限环流电抗器，以将环流限制在允许的范围内。范围内。（2）同时对）同时对P、N组变流器施加触发组变流器施加触发脉冲，并保持脉冲，并保持自然环流运行方式下理想等值电路自然环流运行方式下理想等值电路t1 t2（3）当当tt2，随着，随着负载电流下降，流下降，环流流电抗器感抗器感应电动势极性翻极性翻转，N端端为正，正，M端端为负。迫使。迫使负组变流器流器导通，通，即出即出现正正组、负组变流器同流器同时导通情况。由于通情况。由于 所以，所以
12、，环流流电抗器在正抗器在正组、负组变流器同流器同时导通情况下通情况下两端两端电压等于零。等于零。设电抗器总匝数为设电抗器总匝数为w。按磁势平衡原理，则按磁势平衡原理，则同时负载支路电流同时负载支路电流t2时刻环流电抗器磁势时刻环流电抗器磁势（1）输出负载电流；（2）正变流器总电流，-正变流器输出的负载电流成分；（3）负变流器总电流，-正变流器输出的负载电流成分；（4）自感应环流（5）环流电抗器两端电压自然环流运行方式特点：自然环流运行方式特点：在换流过程保持电流的连续性。但由于在换流过程保持电流的连续性。但由于环流分量存在，使变流器分担的电流比负载环流分量存在，使变流器分担的电流比负载电流大的
13、多（占总电流的电流大的多（占总电流的57%），需额外增），需额外增加变流器容量。加变流器容量。三、局部环流运行方式三、局部环流运行方式 在负载电流趋于不连续时，通过控在负载电流趋于不连续时，通过控制让变流器按有环流方式运行，而在负制让变流器按有环流方式运行，而在负载电流连续时则按无环流方式运行，这载电流连续时则按无环流方式运行，这就是所谓的局部环流运行方式。就是所谓的局部环流运行方式。具体控制方法要点具体控制方法要点:(1)根据给定根据给定UR,按按URP和和URN特性特性确定正确定正组变流器和流器和负组变流器触流器触发角角P和和N。（2）设定局部环流运行控制条件：）设定局部环流运行控制条件：
14、且检测负载电流且检测负载电流 。当负载电流瞬时值大于当负载电流瞬时值大于+eT时，允许正组变流时，允许正组变流器触发导通，封锁负组变流器，使交器触发导通，封锁负组变流器，使交交变频器无交变频器无环流运行。环流运行。当负载电流瞬时值当负载电流瞬时值 时，同时开时，同时开放正组和负组变流器，使交放正组和负组变流器，使交交变频器局部环流运交变频器局部环流运行。行。当负载电流瞬时值小于当负载电流瞬时值小于-eT时，封锁正组变流器，时，封锁正组变流器，开放负组变流器触发逻辑门，使交开放负组变流器触发逻辑门，使交交变频器无环交变频器无环流运行。流运行。局部环流运行特点局部环流运行特点 既不增加变流器容量，
15、又保证了电既不增加变流器容量，又保证了电流连续，在各种条件下均能实现正确换流连续，在各种条件下均能实现正确换组，同时也有利于改善波形，降低谐波。组，同时也有利于改善波形，降低谐波。这是一种较好的方案。这是一种较好的方案。第第4节节 交交交变频器正弦波输出的触发控制交变频器正弦波输出的触发控制 对正组（或反组）的触发控制按对正组（或反组）的触发控制按从从900 min 900规律律进行控制，称行控制，称为调制式相位控制，制式相位控制，其其实现手段中最常用的方法是手段中最常用的方法是“余弦交截法余弦交截法”一、余弦交截法一、余弦交截法 用一系列用一系列“余弦同步余弦同步电压波波”UT与与给定定电压
16、（即（即预期理想期理想输出出电压）UR的交点去决定的交点去决定变流器相流器相应晶晶闸管的控制角的方法，称管的控制角的方法，称为余弦交余弦交截法。截法。余弦交截法原理余弦交截法原理 对应某一触发角对应某一触发角，变变流器的流器的输输出出电压值电压值在在电电流流连续连续的条件下有：的条件下有：以自然以自然换换相点相点为为=0计计，则则某某电电源源线电压线电压与其相与其相应应的整流器的整流器输输出出电压电压之之间间的相位关系的相位关系为为300，后者超前。，后者超前。设希望希望输出出电压希望输出电压应该是整流器各晶闸管轮流导通时希望输出电压应该是整流器各晶闸管轮流导通时输出的输出的UT族线在导通点的
17、连线。族线在导通点的连线。反过来讲，如果已知希望输出电压与各晶闸管轮反过来讲，如果已知希望输出电压与各晶闸管轮流导通时的输出余弦波电压的交点，便可确定流导通时的输出余弦波电压的交点，便可确定各晶闸管的触发导通触发角。这就是各晶闸管的触发导通触发角。这就是“余弦交余弦交截法截法”。二、余弦交截法触发脉冲器二、余弦交截法触发脉冲器 经分析，经分析，C相电源电压经滤波移相相电源电压经滤波移相600可可作为作为A相电源电压的余弦同步信号相电源电压的余弦同步信号;B相电源电压经滤波移相相电源电压经滤波移相600可作为可作为C相电源电相电源电压的余弦同步信号压的余弦同步信号;A相电源电压经滤波移相相电源电压经滤波移相600可作为可作为B相电源电相电源电压的余弦同步信号压的余弦同步信号.下面是方波型交下面是方波型交交变频器一组触发脉冲器组成交变频器一组触发脉冲器组成电路电路 可见可见,A、B、C三相中的晶闸管的触三相中的晶闸管的触发信号为发信号为1200方波，要实现对三相零式方波，要实现对三相零式整流桥所组成的三相交整流桥所组成的三相交-交变频器的触发，交变频器的触发，需要需要6套触发器。相当庞大。套触发器。相当庞大。