完整版交流调压原理可控硅

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  1、6.1交流调压电路交流调压电路采用两单向晶闸管反并联(图6-1(a)或双向晶闸(图6-1 (b),实现对交流电正、负半周的对称限制,到达方便地调节输出交流电压大小的目的, 或实现交流电路的通、断限制.因此交流调压电路可用于异步电动机的调压调速、 恒流软起动,交流负载的功率调节,灯光调节,供电系统无功调节,用作交流无触 点开关、固态继电器等,应用领域十分广泛.同图6-1交流调压电路交流调压电路一般有三种限制方式,其原理如图6-2所示(hlIO图6-2交流调压电路限制方式(1)通断限制通断限制是在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管,使负载电路与交流电源接 通几个周波,然后再断开几个周波,通过改变导通

  2、周波数与关断周波数的比值,实 现调节交流电压大小的目的.通断限制时输出电压波形根本正弦,无低次谐波,但由于输出电压时有时无, 电压调节不连续,会分解出分数次谐波.如用于异步电机调压调速,会因电机经常 处于重合闸过程而出现大电流冲击,因此很少采用.通常用于电炉调温等交流功率 调节的场合.(2)相位限制与可控整流的移相触发限制相似,在交流的正半周时触发导通正向晶闸管、负 半周时触发导通反向晶闸管,且保持两晶闸的移相角相同,以保证向负载输出正、 负半周对称的交流电压波形.相位限制方法简单,能连续调节输出电压大小.但输出电压波形非正弦,含有 丰富的低次谐波,在异步电机调压调速应用中会引起附加谐波损耗,

  3、产生脉动转矩 等.(3)斩波限制斩波限制利用脉宽调制技术将交流电压波形分割成脉冲列,改变脉冲的占空比 即可调节输出电压大小.斩波限制输出电压大小可连续调节,谐波含量小,根本上克服了相位及通断控 制的缺点.由于实现斩波限制的调压电路半周内要实现较高频率的通、断,不能 采用晶闸管,须采用高频自关断器件,如 GTR、GTO、MOSFET、IGBT等.实际应用中,采取相位限制的晶闸管型交流调压电路应用最广,本章将分别讨 论单相及三相交流调压电路.图单相交流调压电阻负载时波形6.1.1单相交流调压电路单相交流调压电总&原理图如图 6-1所示,其工作情况与负载性质紧密关联.1.电阻性负载纯电阻负

  4、载时交流调压电路输出电压 “、输出电流引波形如图6-3所示.电路 工作过程是：在电源电压1正半周、移相限制角&时刻,触发导通晶闸管 VT1,使 正半周的交流电压施加到负载电阻上,电流、电压波形相同.当电压过零时,VT1因电流为零而关断.在限制角为伍十口)时触发导通VT2,四负半周交流电压施加在 负载上,当电压再次过零时,VT2因电流为零而关断,完成一个周波的对称输出.当逑二0时,输出电压为一1最大；当4二开时“广.改变限制角4大小可获 得大小可调的交流电压输出,其波形为“缺块正弦波.正由于电压波形有缺损,才改变了输出电压有效值,到达了调压的目的,但也

  6、)a -1号一 11口(再+1)仪一sin(w-l)a ( = 3,5；7, ) 月一 1基波和各次谐波电压有效值为4 = *收+片 (1.3/7 ) 64(6-4)根据式(6-4),可以绘出基波和各次谐波电压标么值随限制角 a的变化曲线, 其电压基值取为 兀 能够准确的看出,随&增大,波形畸变严重,谐波含量增大.由于电 阻负载下电流、电压同相位,图 6-4关系也适合于电流谐波分析.综上所述,单相交流调压电路带电阻性负载时,限制角 &移相范围为用,晶闸 管导通角8二7-a,输出电压有效值调节范围为(.UJ ,能够使用单窄脉冲实现 有效限制

  7、.2.电感一电阻性负载单相交流调压电路带电感一电阻性负载及各处波形如图6-5所示.由于电感的储能作用,负载电流会在电源电压.1过零后再延迟一段时间后才能降 为零,延迟的时间与负载的功率因数角 *二处(0%)有关.晶闸管的关断是在电 流过零时刻,因此,晶闸管的导通时间 8不仅与触发限制角口有关,还与负载功率 因数角伊有关,必须根据a与中的关系分别讨论.为分析方便,将VT1导通时刻取作时间坐标 加工0的原点,这样电源电压能表达为叫二啦牛in侬+6&5在vti导通的g角范围内,可写出电路方程L + Ri= Z2Z7j sin, + 曲6-6在初始条件破二二.下,方程

  8、解为1=小+张=T应/就+ & -必 抠+叫,W +g6-7因也5电感一电阻负载时*单相交流调压电路白及电压、电流波形&*4式中,指是负载电流的稳态分量,它滞后于电压一个功率因数角 中；加为以时 间常数汇二%衰减的自由分量,其初始值与3一0有关；心波形如图6-5 中所示.由于血H时通川,代入这个边界条件可得/ 上、sin +值一协=二蟒果口以一协 J6-8这是一个关于8的超越方程,表达了导通角的关系.由于.二开时 意味负载电流,已连续,gTT时意味断续,因此也表达了电流连续与否的运作时的状态. 根据a,中大小关系,g角或电路运作时的状态不同.

  9、1当k时,利用中作参变量,可得不同负载特性下8=a中曲线的负载,当口二tt时g = , = 0 ；当我人打至中逐 步减小时不包括a二中这个点,逐步从零增大到接近双,负载上电压有效值 % 也从零增大到接近 外,负载电流,0断续,输出电压 册为缺块正弦波,电路有调压功 能,如图6-7 a所示. I12当日二3时,电流中只有稳态分量电流正弦、连续,g二开.电路一 工作便进入稳态,%一41,输出电压波形正弦,调压电路不起调压作用,处于“失 控状态.此时 8 = /依 关系如图6-6中g二圆 的孤立点所示,波形如图6-7 b 所示.

  10、3当.:*且采用窄脉冲触发时,由式6-8可解出冗,即每个晶闸管导通时间将超过半周期.由于反并联的两晶闸管触发脉冲相位严格互差1800,故在.到来时VT1仍在导通,其管压降构成对 VT2的反向阳极电压,VT2Me不能导通.而当VT1关断后虽使VT2反偏电压消失,但1的窄脉冲也已消失,VT2 仍不能导通,造成各个周期内只有同一个晶闸管VT1导通的“单管整流状态,输出电流为单向脉冲波,含有很大直流分量,如图 6-7 c所示.这会对电机、电源 变压器之类小电阻、大电感性能负载带来严重危害,此时应考虑改用宽脉冲触发方图6-6时日=/3初关系图6-7不同&,歹时44波形4)当且采用宽脉

  11、冲触发时,特别是采用后沿固定、前沿可调、最大宽度可达180o的脉冲列触发时,能够保证反并联的两晶闸管均可靠导通, 电流波形 连续,如图6-7 (d)所示.与b二审时不同的是无论触发角d多大,晶闸管均在现二审 处导通.由于电流连续,州:“1无电压调节功能,也处于“失控状态.综上所述,交流调压器带电感一电阻负载时,为使电路工作正常,需保证：D/州心2)采用宽度大于60o的宽脉冲或后沿固定、前沿可调、最大宽度可达1800的脉冲列触发.6.1.2三相交流调压电路工业中交流电源多为三相系统,交流电机也多为三相电机,应采用三相交流调压器实现调压.三相交流调压电路与三相负载之间有多种联接方式,其中以三相 接

  12、调压方式最为普遍.图6-9 丫接三相交端调压电路时,不同触发限制角色下负载上的相电压、电流波形,如图 6-10所示1.Y型三相交流调压电路图6-9为Y型三相交流调压电路,这是一种最典型、最常用的三相交流调压电路,它的正常工作须满足:1三相中至少有两相导通才能构成通路, 且其中一相为正向晶闸管导通, 另一 相为反向晶闸管导通；2为保证任何情况下的两个晶闸管同时导通,应采用宽度大于60o的宽脉冲列或双窄脉冲来触发；3从VT1到VT6相邻触发脉冲相位应互差 600.为简单起见,仅分析该三相调压电路接电阻性负载负载功率因数角3二图6-10 Y接三相交流调压电路输出电压、电流波形电阻负载1

  13、&二Q时的波形如图6-10a所示.当a=0时触发导通VT1,以后每隔600a 60,0n 3(r(?依次触发导通VT2、VT3、VT4、VT5、VT6.在就二/区间内,% 为正,与为负,VT5、VT6、VT2同时导通；在 加二612区间内,VT6、VT1、VT2 同时导通,.由于任何时刻均有三只晶闸管同时导通,且晶闸管全开放,负载 上获得全电压.各相电压、电流波形正弦、三相平衡.2a二30时波形如图6-10 所示.此时情况复杂,须分子区间分析.加二0：皿二.时,町变正,VT4关断,但物未到位,VT1无法导通,A相负载电压为二.做二为预二打

  14、时,触发导通VT1 ; B相VT6、C相VT5均仍承受正向阳极电压保持导通.由于 VT5、VT6、VT1同时导通,三相均有电流,此子区 间内A相负载电压二 电源相电压.疝!二械-Kr ：四二6时,4过零,VT5关断；VT2无触发脉冲不导通, 三相中仅VT6、VT1导通.此时线电压以削施加在RA、RB上,故此子区间内A相 负载电压副二%.睚9.:12%做二财时,VT2触发导通,此时 VT6、VT1、VT2同时导 通,此子区间内A相负载电压 的二叮心120M5/：做二的时,的过零,VT6关断；仅 VT1、VT2导通,_ “AC此子区间内A相电压“期一力.就=150:18/：前=151时

  15、,VT3触发导通,此时VT1、VT2、VT3同时 导通,此子区间内A相电压切玛.负半周可按相同方式分子区间作出分析,从而可得如图b中阴影区所示一个 周波的A相负载电压“遵波形.A相电流波形与电压波形成比例.3用同样分析法可得.二61、9.、1时A相电压波形,如图6-10 c、 d、e所示. .1狙时,因“心,虽VT6、VT1有触发脉冲但仍无法导通,交流调压器不工作,故限制角移相范围为0150o当三相调压电路接电感负载时,波形分析很复杂.由于输出电压与电流间存在相位差,电压过零瞬间电流不为零,晶闸管仍导通,其导通角.不仅与限制角a有关,还和负载功率因数角 伊有关.如果负载

  16、是异步电动机,其功率因数角还随运行当交流调压电路采用通断限制时,还能轻松实现交流调功和交流无触类开关的功 能.1 .交流调功电路采取交流调压电路,在交流电压过零时刻将负载与电源接通几个周波再断开几 个周波,实现交流电压的整周波通断限制.通过改变接通周波数与断开周波数的比 例,实现负载平均功率的调节,称为交流调功电路,其限制思想如图6-2 (a)所示.由于晶闸管导通都在电源电压过零时刻, 这样负载电压、电流均为完整正弦波, 不会对电网产生高、低次谐波的污染.但是能以导通与关断总时间为周期分解出 分数次谐波来,因而从严格意义上讲还是有一定的谐波干扰,如图6-11为图6-2 (a)通、断周波数下(通

  17、二个周波、断一个周波)电阻性负载中电流频谱,图中人为上次 谐波有效值,/燃为导通时负载电流幅值.能够准确的看出,电流中不含整数倍电源频率的 谐波,但含有非整数倍频率谐波,且在电源频率附近非整数倍频率谐波含量较大.如前所叙,这种调功电路大多数都用在电炉的温度限制.2 .交流无触点开关如果将反并联的两单向晶闸管或单只双向晶闸管串入交流电路,代替机械开关 起接通和关断电路的作用,就构成了交流无触点开关.这种电力电子开关无触点, 无开关过程的电弧,响应快,其工作频率比机械开关高,有很多优点.但由于导通 时有管压降,关断时有阳极漏电流,因而还不是一种理想的开关,但已显示出其广 泛的应用前景.交流无触点开关主电路与

  18、交流调压电路相同,但其开通与关断是随机的,可以 分为任意接通模式和过零接通模式.前者可在任何时刻使晶闸管触发导通,后者只 能在交流电源电压过零时才能触发晶闸管,因而有一定开通时延,如 50Hz交流电 网中,最大开通时延约10ms.关断时,由于晶闸管的掣住特性,不能在触发脉冲封 锁时立即关断；感性负载又要等到电流过零时才能关断,均有一定关断时延.图6-12 (a)是一种简单交流无触点开关.当限制开关 K闭合时,电源叫正、负半周分别通过二极管 VD1、VD2和K接通晶闸管VT1、VT2的门极,使相应晶 闸管交替导通.如果K断开,晶闸管因门极开路而不能导通,相当交流电路关断.图6-12晶闸管交流电力

  19、开关采用双向晶闸管作交流无触点开关电路如图6-12 (b)所示.在限制开关 K闭合时,电源1正半周双向晶闸管VT以1+方式触发导通,电源负半周时以田一方式 触发导通,负载上因此而获得交流电能.如果 K断开,VT因门极开路而不能导通, 负载上电压为零,相当交流开关断开.6.2交一交变频电路交一交变频电路是一种可直接将某固定频率交流交换成可调频率交流的频率变 换电路,无需中间直流环节.与交一直一交间接变频相比,提升了系统变换效率. 又由于整个变频电路直接与电网相连接,各晶闸管元件上承受的是交流电压,故可 采用电网电压自然换流,无需强迫换流装置,简化了变频器主电路结构,提升了换 流水平.交一交变频电

  20、路大范围的应用于大功率低转速的交流电动机调速转动,交流励磁变 速恒频发电机的励磁电源等.实际使用的交一交变频器多为三相输入一三相输出电 路,但其根底是三相输入一单相输出电路,因此本节首先介绍单相输出电路的工作 原理、触发限制、四象限运行特性,输入、输出特性等；然后介绍三相输出电路结 换、输入、输出特性及其改善举措；最后对于一种新型的绿色变频电路一一矩阵式 交一交变换器作出介绍,使读者了解交一交变频技术的最新开展动向.6.2.1 三相输入一单相输出交一交变频电路1 .根本工作原理三相输入一单相输出交一交变频器原理如图6-13所示,它是由两组反并联的三相晶闸管可控整流桥和单相负载组成.其中图a接入了足

  21、够大的输入滤波电感,输入电流近似矩形波,称电流型电路；图b那么为电压型电路,其输出电压可为矩 形波、亦可通过限制成为正弦波.图c为图b电路输出的矩形波电压,用以 说明交一交变频电路的工作原理.当正组变流器工作在整流状态时、反组封锁,以 实现无环流限制,负载Z上电压“.为上+、下-；反之当反组变流器处于整流 状态而正组封锁时,负载电压 %为上-、下+,负载电压交变.假设以一定频率 限制正、反两组变流器交替工作切换,那么向负载输出交流电压的频率 工就等于两组变流器的切换频率,而输出电压大小那么决定于晶闸管的触发角 d.图6-13三相输入一单相输出交一交变频器原理图交一交变频电路依据输出电压波形不同

  22、可分为方波型和正弦波型.方波型限制 简单,正、反两桥工作时维持晶闸管触发角4恒定不变,但其输出波形不好,低次谐波大,用于电动机调速传动时会增大电机损耗,降低运行效率,特别增大转矩脉 动,很少采用.因此以下仅讨论正弦型交一交变频电路.2 .工作状态三相一单相正弦型交一交变频电路如图6-14所示,它由两个三相桥式可控整流电路构成.如果输出电压的半周期内使导通组变流器晶闸管的触发角变化,如从 一 二90o逐渐减小到口二,然后再逐渐增大到a =90.,那么相应变流器输出电压的平均 值就可以按正弦规律从零变到最大、再减小至零,形成平均意义上的正弦波电压波 形输出,如图6-16中所示.能够准确的看出,输出电压的

  23、瞬时值波形不是平滑的正弦波, 而是由片段电源电压波形拼接而成.在一个输出周期中所包含的电源电压片段数越多,波形就越接近正弦,通常要采用六脉波的三相桥式电路或十二脉波变流电路来 构成交一交变频器.图6-14三相一单相交一交变频电路在无环流工作方式时,变频电路正、反两组变流器轮流向负载供电.为分析两组变流器的工作状态,忽略输出电压、电流中的高次谐波,因此可将图6-14电路等效成图6-15 (a)所示理想形式,其中交流电源表示变流器输出的基波正弦电压, 二极管表达电流的单向流动特征,负载 Z为感性,负载阻抗(功率因数)角为 伊.图6-15 (b)给出了一个周期内负载电压 场、负载电流入波形,正、反

  24、两组变 流器的电压的和电流%、加以及正、反两组变流器的工作状态.如下列图,在 负载电流的正半周功区间,正组变流器导通,反组变流器被封锁.在1广士 区间,正组变流器导通后输出电压、电流均为正,故正组变流器向外输出功率,工 作于整流状态；在占4区间,负载电流方向不变,仍是正组变流器导通,输出 电压却反了向,因此负载向正组变流器反响功率,正组变流器工作于逆变状态.在区间,负载电流反向,反组变流器导通、正组变流器被封锁,负载电压、电流均为负,故反组变流器处于整流状态.在,4区间,电流方向不变,仍为 反组导通,但输出电压反向,反组变流器工作在逆变状态.从以上分析可知,交一交变频电

  25、路中,正、反组变流器的导通由电流方向来决定,与电压极性无关；每组变流器的工作状态 整流或逆变,那么是由输出电压与电流是 否同极性来决定.3 .输出电压波形正弦型交一交变频电路实际输出电压波形如图6-16所示,图ad分别表示了正、反组变流器不同工作状态.图a表示正组变流器工作,A点处其晶闸管触发角 %二.,平均电压最 大.随着叫的增大,Ud值减小,当富尸%时,广.半周内平均输出电压如图 中虚线所示,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,此时正组变流器工作在整流状态.图b仍为正组变流器工作,但触发角 4在外间变化,变流器输 出平均电压为负值.由于整

  26、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.图c、 d为反组变流器工作.当其触发角 %,%时,反组变流器处于整流状态,总的功率由电源输向负载；当时,反组变流器处于逆变状态,负载将向电源反响功率.如果改变外物的变化范围调制深度,使它们在范围内调节, 输出平均电压正弦波幅值也会改变,从而到达调压目的.由此得出结论：正弦波交一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 4角要不断加以调制,使输出电压为正弦波；同时,正、 反组变流器也需按规定频率不停地进行切换,以输出频率可变交流.5.输入、输出特性(1)输出频率上限交一交变

  27、频电路输出电压是由多段电源电压片段“拼凑而成.一个输出周期 内拼接的电源电压段数越多,输出电压波形越接近正弦.当输出频率增高时,输出 电压一周内所包含的电源电压段数减少,波形将严重偏离正弦,致使输出电力谐波 增加,因而限制了最高输出频率.由于每段电源电压的平均维持的时间决定于变流电 路的脉波数,增加构成交一交变频电路的两组变流器脉波数可改善输出波形,提升 输出频率上限.常用6脉波三相桥式变频电路的上限频率不能高于电网频率的 %一为,约20Hz.(2)输入功率因数由于交一交变频电路采取移相触发限制,晶闸管换流时需要从电网吸收感性无 功,致使不管负载功率因数是领先还是滞后,输入功率因数总是滞后.图6

  28、-19不同了下,满口/Z关系 图6-20输入、输出功率因数间关系在正弦波交一交变频电路余弦交点法移相触发限制中,期望输出的理想正弦电 压为与二及“Sin期,每次触发时该触发角%下输出电压为“户口由亲&, Ua为 备时整流电压.当为 “I时能确定出(用1coso; = sin/ = % )(6-11 )其中_扃y =.由为输出电压比,它是一个影响输入功率因数的主要的因素.图6-19给出了不同y下,交一交变频电路输出电压在 /=.2的一个周期 内移相触发角仪的变化规律,它反映了输入功率因数的变化. y越小,输出电压越 低,半周期内看平均值越接近90.,位移因数或功率

  29、因数就越低.图6-20那么给出输入功率因数与负载功率因数间关系.能够准确的看出,即使负载功率 因数为1且满电压输出0=1),输入功率因数也低于1.随着负载功率因数的降低 和输出电压比7的减小,输入功率因数将会更低.(3)输出电压谐波交一交变频电路输出电压谐波成分很复杂,和输入频率1、输出频率/、电路脉波数均有关.采用三相桥式变流器的单相交一交变频电路输出电压中主要谐波 频率为6点力6庐46伊小,；12然力122立囱5, ;等等,包含有3次谐波,它们在构成三相输出时会被抵消. 如假设采用无环流限制时, 由于保证正、反两桥平安切换所需死区的影响,还将出现547工等次谐

  30、波.(4)输入电流谐波由于交一交变频电路输入电流波形及幅值均按正弦规律被调制,和可控整流电 路相比,其输入电流频谱要复杂得多.采用三相桥式变换器的单相交一交变频电路 的输入电流频率为4匠土口；二逝 (6-12)和4二 J2 济(6-13)式中上二12,3,/=0,12,.6.2.2 三相输入一三相输出交一交变频电路三相输出交一交变频电路由三个输出电压相位互差1200的单相输出交一交变频电路根据一定方式联接而成,大多数都用在低速、大功率交流电机变频调速传动.1 .三相输出联接方式三相输出交一交变频电路有两种主要接线 (a)、( b)所示.图6-21三相输出交一交变频电路

  31、联接方式(1)公共交流母线进线方式它是由三组彼此独立、输出电压互差1200的单相输出交一交变频电路构成, 其 电源进线经交流进线电抗器接至公用电源.因电源进线端公用,三组单相输出必须 隔离.这种接法大多数都用在中等容量交流调速系统.(2)输出Y接方式三组单相输出交一交变频电路 Y接,中点为O;三相交流电动机绕组亦为 Y接, 中点为O,.由于三组输出联接在一起,电源进线一定要采用变压器隔离.这种接法 可用于较大容量交流调速系统.2 .输入、输出特性三组输出交一交变频电路的输出频率上限和输出电压谐波成分与单相输出交一 交变频电路相同.三相输出交一交变频电路总的输入电流是由三个单相输出交一交变频电路同一

  32、相输入电流合成得到,此时有的谐波会因相位关系相互削弱或抵消,因此谐波种类 将有所减少,总谐波幅值也会降低.其谐波频率为时土以土织(6-14)和14 二工土阻(6-15)式中上=1,2,3,；.当正、反组变换器采用三相桥式电路时,输出电流谐波频率为：. 7/6,1/U微力倒,倒6/“於12等.其中更以次谐波幅值最大.三相输出交一交变频电路输入功率因数按以下定义式计算PF二,= 6 + 1S 6(6-16)即三相电路总有功功率可为每相电路有功功率之和,但视在功率不能简单相加,应由总输入电流、输入电压有效值之积来算.由于三相电路输入电流谐波有所减小, 三相总视在功率比三个单相视在功率之和小,故三相输出交一交变频电路总输入功 率因数比单相输出交一交变频电路有所改善.上一章中我们介绍了交一直一交变频电路,本章中介绍了交一交变频电路,两 者的比较参见表6-2.表6-2交一交变频电路与交一直一交变频电路比较变频电路类型交一交型交一直一交型比较内容换能形式一次换能,效率高两次换能,效率较低换流方式电网电压自然换流强迫或负载换流,或自关断器件使用器件数量多,利用率低较少,利用率高调频范围无限制输入功率因数较低般相控调压时,低频低压时低；不控整流时 PW亚变较高适用场合低速、大功率交流电机拖动系统各种交流电机拖动系统,稳压和不停电电源

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