第7章 AC-AC变换技术.ppt

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1、第第7 7章章 AC-ACAC-AC变换技术变换技术n n7.1 交流控制器n n7.2 周波变换器返回n nAC-AC AC-AC 变换常用的有两大类，直接变换（变换常用的有两大类，直接变换（direct direct conversionconversion）和间接变换）和间接变换(indirect conversion)(indirect conversion)。n n所谓直接变换就是输入交流通过开关器件与输出连接，通所谓直接变换就是输入交流通过开关器件与输出连接，通过开关器件的通断控制，得到同频率或不同频率的输出交过开关器件的通断控制，得到同频率或不同频率的输出交流电源。不改变输出频率

2、的直接变换器称之为交流控制器；流电源。不改变输出频率的直接变换器称之为交流控制器；改变输出频率的直接变换器称之为周波变换器改变输出频率的直接变换器称之为周波变换器（cycloconvertercycloconverter），周波变换器的输出频率远低于输入），周波变换器的输出频率远低于输入频率，一般取输入交流频率的频率，一般取输入交流频率的1/n1/n，n n一般取整数。通常应一般取整数。通常应用于大功率（大于用于大功率（大于100Kw100Kw）工业设备。）工业设备。n n间接变换器通过中间环节，即间接变换器通过中间环节，即AC-DC-ACAC-DC-AC，即要进行，即要进行AC-DCAC-D

3、C变换和变换和DC-ACDC-AC变换。开关器件一般采用可关断器件如变换。开关器件一般采用可关断器件如POWEMOSFETPOWEMOSFET和和IGBTIGBT等。其输出频率可以大于或小于输入频等。其输出频率可以大于或小于输入频率，最小频率可接近于零，最大频率只受开关器件工作频率，最小频率可接近于零，最大频率只受开关器件工作频率限制。这种变换器又称逆变器，通常在中等功率范围内率限制。这种变换器又称逆变器，通常在中等功率范围内应用，其工作原理在应用，其工作原理在DC-ACDC-AC变换中已有讲述。变换中已有讲述。7.1 7.1 交流控制器交流控制器n n交流信号的三要素即频率、幅度和相位，交流

4、控交流信号的三要素即频率、幅度和相位，交流控制器不改变输出频率，只改变交流的幅度。制器不改变输出频率，只改变交流的幅度。n n改变交流输出的幅度，有三种方法可以实现：改变交流输出的幅度，有三种方法可以实现：n n1 1）周期性开通和关断输入电源；通过控制通断时）周期性开通和关断输入电源；通过控制通断时间调节输出的平均幅度。间调节输出的平均幅度。n n2 2）如第二章所述的控制晶闸管的延迟角，从而控）如第二章所述的控制晶闸管的延迟角，从而控制输出平均幅度。制输出平均幅度。n n3 3）输入电源采用高频开关，调节输入电源的脉冲）输入电源采用高频开关，调节输入电源的脉冲宽度控制输出幅度。宽度控制输出

5、幅度。n n1 1 开关控制（开关控制（ON-OFF CONTROLON-OFF CONTROL）n n单相开关控制电路入图单相开关控制电路入图7-17-1所示，由于输入为交流所示，由于输入为交流电源，理想开关作为开关器件可以双向传递功率，电源，理想开关作为开关器件可以双向传递功率，而电力半导体器件为单向导电器件，因此必须采而电力半导体器件为单向导电器件，因此必须采用器件反并联才能实现双向通电。设导通用器件反并联才能实现双向通电。设导通n n个周期，个周期，关断关断m m个周期，其输出电源周期为个周期，其输出电源周期为n+mn+m，定义占空，定义占空比为比为 。n n当用晶闸管作为开关时，在导

6、通的当用晶闸管作为开关时，在导通的n n个输入电源周个输入电源周期，电源的正半周，触发晶闸管期，电源的正半周，触发晶闸管T T1 1导通，负半周导通，负半周时，触发晶闸管时，触发晶闸管T T2 2导通，在关断的导通，在关断的m m个输入电源周个输入电源周期，两个晶闸管均无触发信号。输出电源的功率期，两个晶闸管均无触发信号。输出电源的功率周期为周期为m+nm+n个输入电源周期。个输入电源周期。a 理想开关 b 晶闸管开关图7-1 通断控制图7-2 单相通断控制输出波形n n从能量守恒角度出发，假设晶闸管为理想器件，从能量守恒角度出发，假设晶闸管为理想器件，导通期间，输入电源流过负载导通期间，输入

7、电源流过负载Z Z，在导通的，在导通的n n个输个输入电源周期其输入能量与输出电压有效值在入电源周期其输入能量与输出电压有效值在n+mn+m个个输入电源周期内输出的能量相等：输入电源周期内输出的能量相等：n n电压传输比电压传输比n n输入电压有效值为输入电压有效值为220V220V，D=0.6D=0.6，n=6n=6（即（即m=4m=4）时，）时，其输出波形如图其输出波形如图7-27-2所示。对输出波形进行谐波分所示。对输出波形进行谐波分析后可以看出，这种控制方法输出谐波较大。析后可以看出，这种控制方法输出谐波较大。n n2 延迟角控制n n交流调压通常采用两个反并联晶闸管或双向晶闸管作为一

8、交流调压通常采用两个反并联晶闸管或双向晶闸管作为一相电流的通断开关，通过调节延迟角控制电压幅度，在灯相电流的通断开关，通过调节延迟角控制电压幅度，在灯光、温度等小容量控制中有着广泛的用途。单相交流调压光、温度等小容量控制中有着广泛的用途。单相交流调压电路图和图电路图和图7-17-1相同。相同。n n1)1)单相延迟角控制单相延迟角控制 n n负载为纯阻性负载时，其工作过程为，交流电压正半周时，负载为纯阻性负载时，其工作过程为，交流电压正半周时，经过延迟角经过延迟角 ，在，在 时触发晶闸管时触发晶闸管T1T1，在，在 时刻触时刻触发晶闸管发晶闸管T2T2，T1T1、T2T2导通角为导通角为 。图

9、。图7-37-3示出其电示出其电压和电流输出波形。设输入电压压和电流输出波形。设输入电压220V220V，负载电阻，负载电阻1010，延迟，延迟角角 。n n输出有效值输出有效值n n电压传输比：电压传输比：n n图图7-47-4电压传输比与延迟角关系图，从图可以看出，增大电压传输比与延迟角关系图，从图可以看出，增大延迟角，电压传输比减小，即输出电压有效值减小，也就延迟角，电压传输比减小，即输出电压有效值减小，也就是说可以通过调节延迟角调节输出电压，在延迟角为是说可以通过调节延迟角调节输出电压，在延迟角为1 1弧弧度到度到2.52.5弧度内近似线性降低，其斜率绝对值较大，即改弧度内近似线性降低

10、，其斜率绝对值较大，即改变一点延迟角就可以较大的改变电压传输比，改变输出电变一点延迟角就可以较大的改变电压传输比，改变输出电压。因此通常在压。因此通常在9090度临近调节延迟角，输出变化反应大。度临近调节延迟角，输出变化反应大。7-4电压传输比与延迟角关系n n R-L负载,当电源电压过零时，负载电感产生的电动势使晶闸管继续导通，此时导通角 ，也就是说当输入电压过零时，输出电流并不等于零。在 时刻触发晶闸管T1导通，在 时刻，晶闸管T1电流为零，T1自然关断，为熄灭角。电压平衡方程：n n解得n n输入电压为交流输入电压为交流220V220V，输出电压和电流如图，输出电压和电流如图7-57-5

11、所示。所示。7-5 延迟角控制的输出电压、电流图(负载)n nL L负载负载,当负载为电感负载（即电阻当负载为电感负载（即电阻R R非常小）、延迟角非常小）、延迟角 时，时，电压平衡方程电压平衡方程：n n由由 ，可以求出熄灭角：，可以求出熄灭角：n n晶闸管晶闸管T1T1在在 时刻到通，此时输入正弦电压加在负载电感时刻到通，此时输入正弦电压加在负载电感上，晶闸管电流从零开始上升，当输入电压小于零时，晶上，晶闸管电流从零开始上升，当输入电压小于零时，晶闸管电流开始减小，在闸管电流开始减小，在 时刻，晶闸管电流下降到零时刻，晶闸管电流下降到零时，晶闸管关断。时，晶闸管关断。n n由于晶闸管导通角

12、由于晶闸管导通角 小于熄灭角，因此即使在小于熄灭角，因此即使在 时时刻触发晶闸管刻触发晶闸管T2T2，由于，由于T1T1仍在导通，承受正向电压，即仍在导通，承受正向电压，即T2T2承受反向电压，因此晶闸管承受反向电压，因此晶闸管T2T2不会导通，输出电流为单向不会导通，输出电流为单向脉动电流。脉动电流。n n 时输出电压有效值及电压传输比：时输出电压有效值及电压传输比：n n输入电压为交流输入电压为交流220V220V，50Hz50Hz，L=0.005HL=0.005H，输出电压和电流如图输出电压和电流如图7-67-6所示。所示。图7-6 电感负载时输出电压和电流（）n n延迟角大于90度时，

13、熄灭角为 ，即在 区间晶闸管T1流过电流。在 区间输出电流为零，时刻导通晶闸管T2，其熄灭角为 ，即在 区间晶闸管T2流过电流，如此重复。输入电压为交流220V，50HZ，L=0.005H，输出电压和电流如图7-7所示。图7-7 电感负载时输出电压和电流（）n n2 2）三相延迟角控制三相延迟角控制 n n三相交流控制器一般用于交流电机控制，电路连接只是把三相交流控制器一般用于交流电机控制，电路连接只是把三相电源的三个端子分别串入双向晶闸管或采用两个反并三相电源的三个端子分别串入双向晶闸管或采用两个反并联晶闸管，负载一般采用星星连接。为了分析简单，只分联晶闸管，负载一般采用星星连接。为了分析简

14、单，只分析电阻负载，电路如图析电阻负载，电路如图7-87-8所示，负载连接公共点为，再所示，负载连接公共点为，再次写出三相交流电源的相电压和线电压表达式：次写出三相交流电源的相电压和线电压表达式：n n显然，如果不考虑晶闸管导通压降，所有晶闸管的门及触显然，如果不考虑晶闸管导通压降，所有晶闸管的门及触发信号均保持触发，就相当于发信号均保持触发，就相当于6 6个二极管，输出电压和输个二极管，输出电压和输入电压相同。输入三相电压、线电压波形如图入电压相同。输入三相电压、线电压波形如图7-97-9所示。所示。图7-8 负载为Y连接的三相交流控制器 图7-9 三相相电压和线电压波形n n晶闸管只有在承

15、受正向阳极电压、门极触发信号晶闸管只有在承受正向阳极电压、门极触发信号有效时才能导通，关断采用自然关断，即当晶闸有效时才能导通，关断采用自然关断，即当晶闸管电流小于维持电流时关断。因此管电流小于维持电流时关断。因此T1T1、T3T3、T5T5只只能在相应电压（能在相应电压（、）正半周时才能导通，）正半周时才能导通，T4 T4、T6T6、T2T2只能在相应电压（只能在相应电压（、）负半）负半周时才能导通。周时才能导通。n nT1T1、T3T3、T5 T5 要导通，其延迟角应分别为要导通，其延迟角应分别为 、，T4 T4、T6T6、T2T2的延迟角应分别为的延迟角应分别为 、，延迟角，延迟角 。n

16、 n延迟角不同，变换器工作状态相当不同。这里只延迟角不同，变换器工作状态相当不同。这里只分析延迟角分析延迟角 情况：情况：n n在电阻负载下，不考虑分布电感，电流换相在瞬在电阻负载下，不考虑分布电感，电流换相在瞬时完成，同时只有两个晶闸管导通，一个是正向时完成，同时只有两个晶闸管导通，一个是正向导通，一个是反向导通，这样才能把输入电压加导通，一个是反向导通，这样才能把输入电压加到负载上去。只有满足导通条件的晶闸管（到负载上去。只有满足导通条件的晶闸管（）才能触发导通，导通顺序和换向如图）才能触发导通，导通顺序和换向如图7-107-10所示。所示。图7-10 导通顺序和换向图n nT1T1在延迟

17、角等于在延迟角等于 时导通，时导通，T5T5承受反压关断，输出电流承受反压关断，输出电流沿着沿着 流动，负载两相通电（流动，负载两相通电（a a，b b），负载各相），负载各相电压：电压：n n在在 时刻，时刻，T2T2承受正向电压导通，承受正向电压导通，T6T6承受反压关断，承受反压关断，输出电流沿着输出电流沿着 流动，负载两相通电（流动，负载两相通电（a,ca,c），），负载各相电压：负载各相电压：n n同理同理n n可以看出，对每一相电压，其正向电压输出延迟可以看出，对每一相电压，其正向电压输出延迟角都是相对于各相电压正向过零点延迟角都是相对于各相电压正向过零点延迟 角，其角，其反向电压

18、输出延迟角均为反向电压输出延迟角均为 。以。以 为例，在为例，在正半周期其导通角为正半周期其导通角为 ，输出有两部分组成：，输出有两部分组成：n n在负半周期输出和正周半周期波形相同符号相反，在负半周期输出和正周半周期波形相同符号相反，时三相输出电压波形如图时三相输出电压波形如图7-117-11所示。所示。n n三相延迟角控制电路还有其它电路结构，如负载三相延迟角控制电路还有其它电路结构，如负载为三角形连接、为三角形连接、deltaldeltal连接（又称为内三角连接）连接（又称为内三角连接）、三开关连接等，这三种连接可查阅相关文献。、三开关连接等，这三种连接可查阅相关文献。图7-11 三相输

19、出电压波形n n3 PWM3 PWM控制控制 n n如前所述，相控电路的低次谐波较大，并且很难如前所述，相控电路的低次谐波较大，并且很难消除，为了改进相控电路的不足，消除，为了改进相控电路的不足，PWMPWM控制被提出。控制被提出。交流交流PWMPWM控制的基本思路为，把交流电源用理想开控制的基本思路为，把交流电源用理想开关控制导通、关断，其输出为一系列等宽不等高关控制导通、关断，其输出为一系列等宽不等高的脉冲，其包络和输入电源相同。电源输出幅度的脉冲，其包络和输入电源相同。电源输出幅度可以通过控制脉冲宽度（开关频率不变）来改变，可以通过控制脉冲宽度（开关频率不变）来改变，也就是前述的占空比控

20、制。理想电路如图也就是前述的占空比控制。理想电路如图7-127-12所所示，输出波形如图示，输出波形如图7-137-13所示。所示。图7-12 PWM控制图7-13 PWM控制室的输出波形n n输出电源每个周期用输出电源每个周期用2n2n个脉冲平分，个脉冲平分，n n一般取一般取3 3的的整数倍，占空比整数倍，占空比d d，则，则i i第个脉冲的中心点角度为第个脉冲的中心点角度为 ，每个脉冲宽度为，每个脉冲宽度为 ，因此第，因此第i i个脉冲起始角和个脉冲起始角和中止角为中止角为 和和 ，。n n由于电力半导体全控开关都是单向导电，并且都由于电力半导体全控开关都是单向导电，并且都反并联有二极管

21、，简单的反并联无法满足要求，反并联有二极管，简单的反并联无法满足要求，实际应用中理想开关必须用电力半导体开关构成实际应用中理想开关必须用电力半导体开关构成双向开关，以双向开关，以GTRGTR为例，连接形式如图为例，连接形式如图7-147-14所示。所示。图图7-14a7-14a为串联连接，图为串联连接，图7-14b7-14b为二极管组合连接，为二极管组合连接，因此运用可关断器件构成双向开关十分复杂，通因此运用可关断器件构成双向开关十分复杂，通常采用门极可关断常采用门极可关断GTOGTO反并联构成双向开关。反并联构成双向开关。a b c图7-14 电力半导体开关构成双向开关设输入电压为 ，输出电

22、压基波有效值由下式计算：对图7-13进行谐波分析可以发现，最低次谐波较电源输入频率高出很多（倍），因此虑除较为容易。返回7.2 7.2 周波变换器周波变换器n n将频率和幅值固定的市电直接变换为频率和幅值可变的交流电称为周波变换器（cycloconverter），一般应用于大功率（至少大于100Kw）、低频的应用场合。采用晶闸管作为开关元件，晶闸管自然换相，变换器输出频率一般远远低于输入电源频率。典型应用最大输出频率为输入频率的1/3，其特点是无中间环节，变换效率高，容易实现可逆运行，频率和幅值可控。n n1 1 单相周波变换器单相周波变换器 n n单相单相-单相四象限周波变换器如图单相四象限

23、周波变换器如图7-157-15所示。设输出频率所示。设输出频率为输入电源频率的为输入电源频率的1/31/3，在输出电压，在输出电压VOVO的正半周期（的正半周期（），晶闸管），晶闸管T T1 1、T T3 3 在延迟角在延迟角 、时刻导通，晶闸管时刻导通，晶闸管T T2 2、T T4 4在延迟角在延迟角 时刻导通，晶闸管时刻导通，晶闸管T T1 1、T T3 3、T T2 2、T T4 4总是关断的。总是关断的。n n在输出电压负半周期，晶闸管在输出电压负半周期，晶闸管T T1 1、T T3 3在延迟角在延迟角 时时刻导通，晶闸管刻导通，晶闸管T T2 2、T T4 4 在延迟角在延迟角 时刻

24、导通，晶时刻导通，晶闸管闸管T T1 1、T T3 3、T T2 2、T T4 4是关断的。是关断的。n n所有晶闸管都是自然换相，其输出波形如图所有晶闸管都是自然换相，其输出波形如图7-167-16所示。显所示。显然改变然改变 角就可以改变输出电压的基波幅度。图角就可以改变输出电压的基波幅度。图7-167-16采用采用固定固定 调制，谐波较大，如果让中间的波无延迟角导通，调制，谐波较大，如果让中间的波无延迟角导通，则输出电压谐波要小得多。则输出电压谐波要小得多。图7-15 单相-单相四象限周波变换器 图7-16单相-单相四象限周波变换器输出电压（）n n2 三相周波变换器 n n三相三相-三

25、相半波周波变换器如图三相半波周波变换器如图7-177-17所示，共六组，所示，共六组，每组三个晶闸管，共使用了每组三个晶闸管，共使用了1818个晶闸管，负载为个晶闸管，负载为星星连接，一般用于大功率变换中，星星连接，一般用于大功率变换中，整流器触发整流器触发角采用正弦调制获得，通过控制策略可以改变输角采用正弦调制获得，通过控制策略可以改变输出电压的频率和基波幅度。出电压的频率和基波幅度。n n三相三相-三相半波周波变换器三相半波周波变换器1818个晶闸管可分为正组个晶闸管可分为正组整流器（整流器（*1 1、*3 3、*5 5）和负组整流器（）和负组整流器（*4 4、*6 6、*2 2），每个正

26、组有三个晶闸管（），每个正组有三个晶闸管（T1T1、T3T3、T5T5），），每个负组也有三个晶闸管（每个负组也有三个晶闸管（T4T4、T6T6、T2T2）。）。*1 1、*4 4构成构成a a相组，相组，*3 3、*6 6构成构成b b相组，相组，*5 5、*2 2构成构成c c相相组。相组之间每次只有一正组晶闸管一个负组晶组。相组之间每次只有一正组晶闸管一个负组晶闸管导通。闸管导通。图7-17 三相-三相半波周波变换器n n如果希望得到输出电压周期为如果希望得到输出电压周期为T TO O，则两个相组之间正组互，则两个相组之间正组互差差 （即周期（即周期T TO O/3/3），负组互差），负

27、组互差 （即周期（即周期T TO O/3/3）换）换流，不同相组正负组之间互差流，不同相组正负组之间互差 （即周期（即周期T TO O/6/6）换流。）换流。n n组间换流顺续：组间换流顺续：，三相三相-三相半波周波变换器换流次序如图三相半波周波变换器换流次序如图7-187-18所示。所示。图7-18三相-三相半波周波变换器换流次序n n图图7-187-18中每中每T TO O/30/30的三相输出电压可写为：的三相输出电压可写为：n n显然三相输出电压互差显然三相输出电压互差120120度电角度。度电角度。n n如果把三相-三相半波周波变换器每个晶闸管再反并联一个晶闸管，就形成了三相-三相全

28、桥（波）周波变换器，共需要36个晶闸管，其输出电压谐波要比三相-三相半波周波变换器小得多，其电路图如图7-19所示。n n这个电路相当于三个三相-单相周波变换器，其分析过程和前面分析方法基本相同，这里不再重复。有关周波变换器的其他内容可以参考相关技术文献。图7-19 全桥三相-三相周波变换器电路图n n练习题练习题练习题练习题n n1 1 开关控制（又称通断控制）常用于加热，输出电源的周开关控制（又称通断控制）常用于加热，输出电源的周期是多少？，通断控制的主要特点是什么？期是多少？，通断控制的主要特点是什么？n n2 2 电阻加热器（电阻加热器（R=10R=10），采用开关控制，输入电压为），

29、采用开关控制，输入电压为220V/50Hz220V/50Hz，输出电源周期为，输出电源周期为1515秒，秒，n n 若需要输出平均功率若需要输出平均功率2.4KW2.4KW，计算开通时间。，计算开通时间。n n 若输出功率为最大功率的若输出功率为最大功率的10%10%，计算计算开通时间。，计算计算开通时间。n n3 3 交流电源交流电源220V220V采用开关控制（又称通断控制），若占空采用开关控制（又称通断控制），若占空比为比为0.50.5，输出电压周期为输入电压周期的，输出电压周期为输入电压周期的9 9倍，计算输出倍，计算输出电压有效值和电压传输比。电压有效值和电压传输比。n n4 4 如

30、图如图7-37-3所示的延迟角控制，设电压幅值（峰值）为所示的延迟角控制，设电压幅值（峰值）为530V530V，阻型负载，阻型负载，R=20R=20，延迟角为，延迟角为3030度。度。n n画出输出电压波形；画出输出电压波形；n n计算输出电压有效值；计算输出电压有效值；n n计算电压传输比。计算电压传输比。n n5 5 为什么周波变换器的输出频率要比输入频率的为什么周波变换器的输出频率要比输入频率的低得多？低得多？n n6 PWM6 PWM控制方法中，比较图控制方法中，比较图7-147-14两种开关的特点，两种开关的特点，并说明原因。并说明原因。n n7 7 延迟角控制方法中，说明输出电压频率与输入延迟角控制方法中，说明输出电压频率与输入电压频率关系，输出电压有效值与输入电压有效电压频率关系，输出电压有效值与输入电压有效值关系。值关系。n n8 8 利用图利用图7-14b7-14b构成构成PWMPWM控制器，画出输出电压波控制器，画出输出电压波形（占空比为形（占空比为0.50.5、PWMPWM频率为输入频率的频率为输入频率的1212倍）。倍）。n n9 9 说明周波变换器的主要应用场合。说明周波变换器的主要应用场合。n n10 AC-AC10 AC-AC周波变换器功能可否用周波变换器功能可否用DC-ACDC-AC变换实现？变换实现？为什么？为什么？返回