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1、第第3 3章章 交流交流-交流变换器交流变换器 通过电力电子变换装置把一种频率和电压的交流电直接变换成另一种频率和电压的另一种交流电的变换称之为交流-交流直接变换。通过电力电子变换装置把一种交流电直接变成另一种同频率不同电压交流电的变换称之为交流调压。通过电力电子变换装置把一种交流电直接变换成另一种不同频率交流电的变换称之为交-交变频。由于这种交流-交流的变频是不通过中间直流环节的，故也称交-交直接变频，也有称之为周波变换器、周期变换器（Cycloconverter）。3.1 3.1 交流调压器概述交流调压器概述交流调压器的控制方式有三种：整周波通断控制。相位控制。斩波控制。图3-1 交流调压
2、三种控制方式的输出电压波形a)整周波通断控制 b)相位控制 c)斩波控制相位控制交流调压又称相控调压，是交流调压中的基本控制方式，应用最广。交流调压器的输出仍是同频率的交流电，原则上可应用于一切需要调压的交流负载上，也可通过变压器再调压。交流调压器是通过改变电压波形来实现调压的，因此输出的电压波形不再是完整的正弦波，谐波分量较大。从调压器输入端所观察到的调压器及其负载的总体功率因数也随着输出电压的降低而降低。但这种交流调压器控制方便、体积小、投资省，因此广泛应用于需调温的工频加热、灯光调节及风机、泵类负载的异步电机调速等场合。3.2 3.2 相控单相交流调压器相控单相交流调压器 3.2.1 电
3、阻性负载电阻性负载 带有电阻性负载的单相交流调压器图3-2 单相交流调压器电路及波形 图3-3 单相交流调压器电阻性负载时的电压谐波3.2.2 电感电阻性负载电感电阻性负载图3-4 单相交流调压器电感电阻性负载时的电路及波形当 =时，=0，负载电流只有稳态分量 ，且可解得导通角 ，电流连续。电路一开通就进入稳态，调压器处于直通状态，不起调压作用，=。当 150 故VT1，VT6承受反压而无法开通。后面的情况同样，以至调压器始终不能开通，输出电压为0。3.4 两组晶闸管整流器反并联的可逆电路两组晶闸管整流器反并联的可逆电路 用三相半波可控整流电路或三相桥式全控整流电路给他励直流电动机电枢供电，则
4、用三相半波可控整流电路或三相桥式全控整流电路给他励直流电动机电枢供电，则电动机能实现二象限运行，即正转电动机运行和反转发电制动运行。在生产实际中，有电动机能实现二象限运行，即正转电动机运行和反转发电制动运行。在生产实际中，有许多场合要求电机能进行快速四象限运行许多场合要求电机能进行快速四象限运行 ，对他励直流电动机在磁场不变的情况下作四，对他励直流电动机在磁场不变的情况下作四象限运行，就要求其电枢电压和电流都能改变方向，但晶闸管整流器只允许电流从一个象限运行，就要求其电枢电压和电流都能改变方向，但晶闸管整流器只允许电流从一个方向通过，所以一组晶闸管整流器不能满足直流电动机四象限运行的要求。为此
5、，可以方向通过，所以一组晶闸管整流器不能满足直流电动机四象限运行的要求。为此，可以用二组晶闸管整流器反并联，构成所谓可逆电路，其中一组整流器为一个方向的电流提用二组晶闸管整流器反并联，构成所谓可逆电路，其中一组整流器为一个方向的电流提供通路，而另一个方向的电流由另一组整流器提供。供通路，而另一个方向的电流由另一组整流器提供。图3-12 两组晶闸管反并联的可逆电路a)半波整流反并联可逆电路 b)双桥反并联可逆电路 3-12a)是用二组晶闸管三相半波可控整流电路反并联构成的可逆电路。图3-12b）是用二组三相桥式全控整流电路反并联构成的可逆电路。用它门控制直流电动机运行，当直流电动机需要正向电枢电
6、流时，由桥供电；需要反向电枢电流时，由桥供电。两组整流器极性相反地并联在一起，故称反并联可逆电路。通过两组变流器的整流、逆变运行状态的配合，就可使电动机在正、反两个转向上作电动或制动运行，即实现四象限运行。由于两组整流器反并联，如果它们同时工作，则两组晶闸管整流器之间就会构成环路，如环路中有环路电压存在，将产生很大的只经过两组整流桥而不经过电动机的环流。环流不做功，流过变流装置时占用了装置容量，严重时造成短路事故，烧毁元件，因而在反并联可逆电路中必须要消除或限制环流。目前应用最广的控制环流的方法有逻辑控制无环流和配合控制有环流两种 3.4.1 逻辑控制无环流可逆电路逻辑控制无环流可逆电路 该电
7、路通过逻辑电路控制使任何时间内两组变流器中只有一组投入工作，另一组完全阻断，并根据电机所需的运行方式决定投入工作的一组变流器的具体工作状态整流或逆变。无环流可逆系统的控制原则是在任何时刻两组桥中只允许一组投入工作，另一组必须关闭。由于任何时刻只有一组桥工作，从而避免了反并联的两桥间环流的产生，故称为无环流可逆电路。实际系统中是采用控制触发脉冲的办法来实现上述控制功能的，即给一组变流器(整流或逆变)发出触发脉冲，而对需关闭的一组封锁脉冲，使触发脉冲不能送到该桥的晶闸管元件上。在二组桥切换时首先使原工作的一组桥处于逆变状态(本桥逆变)，将回路电感储能反馈回电网，待电流真正为零后再加上一定的时间裕量
8、(如10ms)才使原来封锁的一组桥开放并投入工作，这过程可通过逻辑电路控制来实现。3.4.2配合控制有环流可逆电路配合控制有环流可逆电路图3-13 =/6时的环流电压和电流所所以以，这这种种“有有环环流流”控控制制方方法法仅仅是是允允许许由由环流电压交流分量产生的瞬时脉动环流存在环流电压交流分量产生的瞬时脉动环流存在由于环流电压作用在两组变流器之间，而组由于环流电压作用在两组变流器之间，而组间的阻抗一般是很小的，如不采取措施，出现间的阻抗一般是很小的，如不采取措施，出现的环流可能会达到很大的数值。为此，通常在的环流可能会达到很大的数值。为此，通常在两组变流器之间接有限流电抗器两组变流器之间接有
9、限流电抗器 3.5 交交-交变频器交变频器 3.5.1 3.5.1梯形电压波交梯形电压波交-交变频器交变频器图3-14三相交-交变频器 由两组三相可控整流电路反并联由两组三相可控整流电路反并联组成的可逆电路，其输出电压和电流组成的可逆电路，其输出电压和电流的方向及大小是可以任意改变的。若的方向及大小是可以任意改变的。若使其输出的电压或电流以使其输出的电压或电流以 的频率正的频率正负交替变化，这就得到了一个单相交负交替变化，这就得到了一个单相交-交变频器。若以这样的三个单相交交变频器。若以这样的三个单相交-交交变频器互差变频器互差120120 工作，就构成了一个工作，就构成了一个三相交三相交-交
10、变频器交变频器 输出波形的周期T2可由每半周中的电压波顶数n来确定。设电源周期为T1，当只有一个波顶时，T2=T1，以后每增加一个波顶则输出电压的半周期增加T1/3，所以输出电压的周期为 输出频率与输入频率之比为 图3-15 梯形电压波交-交变频器的输出波形 对输出为三相的系统，为保证三相对称，每个对输出为三相的系统，为保证三相对称，每个T T2 2周期的等效波顶数周期的等效波顶数Z Z应能被应能被3 3整除。每个整除。每个T T2 2周期中的实周期中的实际波顶数为际波顶数为2 2n n，切换过渡阶段占切换过渡阶段占1 1个波顶数，所以等个波顶数，所以等效波顶数效波顶数Z=2nZ=2n十十l
11、l。可见，可见，n n的最小值为的最小值为4 4。这时的输。这时的输出频率为出频率为16.716.7HzHz，是这种三相交是这种三相交-交变频器要求正负交变频器要求正负波形对称时的最高输出频率。波形对称时的最高输出频率。3.5.2 正弦电压波交正弦电压波交-交变频器交变频器 在上述的变-交变频器中，假如在输出电压的每个半周期中不断地改变整流桥的控制角，这就意味着每一小段(约T1/3)的电压平均值也在不断改变。以一定的规律控制的变化，就能使输出电压的平均值呈正弦规律变化。同样也可得到按正弦规律变化的负半周期电压。这样就输出了一个电压平均值呈正弦规律变化的电压波。改变的变化周期，就可改变所输出的正
12、弦电压的频率；改变最小移相角的数值，就可改变所输出正弦电压的幅值。这就是正弦电压波交-交变频器的工作原理。图3-16 正弦电压波交-交变频器的电压输出波形图3-17 交-交变频器的工作状态 图3-18 带限制环流电抗器的U相电路 图3-19 余弦交点法的电压波形a)主电路中的电压波形 b)控制电路中的电压波形 3.5.3 正弦电流波交正弦电流波交-交变频器交变频器 上节所述的正弦电压波交-交变频器，其负载是电动机时，由于电机的功率因数变化很大，使电流过零点变化无常，这给换组控制带来很大困难。特别在无环流运行方式时，半周中的电流也常常是不连续的，这时的电流过零点还不能作为选组的充要条件。再则，上
13、述的系统其控制目标是输出电压的波形及其幅值，而在电力拖动系统中真正起作用的却是电机的电流波形及其幅值，因此最终仍不得不去严格控制电流的大小及其过零点。既然是这样，那就放弃电压的要求而把输出电流的波形及幅值选作交-交变频器的控制目标，使输出的电流为正弦波，这就是正弦电流波交-交变频器。控制电流的控制方式，不但简化了控制线路，而且工作可靠性大为提高。因此正弦电流波交-交变频器已在逐步取代正弦电压波交-交变频器。3.5.4 矩形电流波交矩形电流波交-交变频器交变频器若在主电路中加入大电感滤波环节，就得到如图若在主电路中加入大电感滤波环节，就得到如图3-203-20所示的电流源型交所示的电流源型交-交变频器。由于该系统交变频器。由于该系统无直流环节，因此需要无直流环节，因此需要6 6个电感线圈，分别接于个电感线圈，分别接于每一相的正负桥臂上。为加强耦合，每一相的正负桥臂上。为加强耦合，6 6个线圈应个线圈应绕于同一铁心柱上，构成一个无漏抗电抗器。这绕于同一铁心柱上，构成一个无漏抗电抗器。这种交种交-交变频器因要借助于负载换流，故所带负交变频器因要借助于负载换流，故所带负载往往是同步电动机或无换向器电动机。载往往是同步电动机或无换向器电动机。图3-20 电流源型交-交变频器图3-21 电流源型交-交变频器工作时的等效电路