什么是交流电力电子开关?把晶闸管反并联后串入交流电路中,代替电路中的机械开关,起接通和断开电路作用的称为交流电力电子开关。和机械开关相比,这种开关响应速度快,没有触点,寿命长,可以频繁控制通断。

交流调功电路也可控制电路的接通和断开,其控制手段是改变控制周期内电路导通周波数和断开周波数的比值,但它以控制电路的平均输出功率为目的。而交流电力电子开关并不去控制电路的平均输出功率,通常也没有明确的控制周期,而只是根据需要控制电路的接通和断开。

一般情况下,交流电力电子开关的控制频率比交流调功电路的低得多。例如,电网进行无功功率补偿时,工业应用中就是采用交流电力电子开关来控制电容器的投人与切除要求器件切换的频率就不是很高。

什么是交流/交流变换电路?

交流/交流变换电路直接将电网固定频率的交流电变换为所需频率的交流电,这种交流装置称为交流/交流变频器,也称周波变换器 (Cycloconverter),它广泛应用于大功率、低转速的交流电动机调速传动,也用于电力系统无功补偿、感应加热用电源、交流励磁变速、恒频发电机的励磁电源等。因为没有中间的直流环节,减少了一次能量变换过程,消耗能量少。但这种变频电路的输出频率受到限制,它低于输人频率,而且输出电压频率与变频电路的具体结构有关。

1.单相交流/交流变换电路

(1)电路结构和工作原理 单相输出交流/交流变换电路组成如图 3-25a 所示,它由具

有相同特征的两组晶闸管整流电路反向并联构成。其中一组整流器称为正组整流器 (P组).另外一组称为反组整流器 (N组)。如果正组整流器工作,反组整流器被封锁,则负载端输出头电压为上正下负,负载电流为正;如果反组整流器工作,正组整流器被封锁,则负载端得到输出电压为上负下正,负载电流 ioa)为负。这样,只要交替地以低于uopap=号 输出电压Ap=0°平均输出电压Ap=电源的频率切换正反组整流器的工作状态,则在负载端就可以获得交变的输出电压。

如果在一个周期内触发延迟角 a 是固定不变的,则输出电压波形为矩形波此种方式控制简单,但矩形波中h)含有大量的谐波,对电动机负载工作很不利。如果触发延迟角 a不固定,在正组工作的半个周期内让触发延迟角a 按正弦规律从90°逐渐减小到0°,然后再由0°逐渐增大到90°,那么正组整流电路的输出电压的平均值就按正弦规律变化,从零增加到最大,然后从最大减小到零,如图 3-25b 所示 (三相交流输人)。在反组整流电路工作的半个周期内采用同样的控制方法就可以得到接近正弦波的输出电压。两组变流器按一定的频率交替工作,负载就得到该频率的交流电。

图 3-25 单向输出 AC/AC 变换电路及波形a) 电路 b)输出电压不难看出,在交流/交流变换电路中,改变两组变流器的切换频率,就可改变输出频率o;改变交流电路的触发延迟角 &,就可以改变交流输出电压的幅值。也就是说,通过控制电路能实现变频变压。

正反两细整流器切换时,不能简单地将原来工作的整流器封锁,同时将原来封锁的整流器立即导通。因为导通了的晶闸管并不能在触发脉冲取消的那一瞬间立即被关断,必须待晶闸管承受反压时才能关断,如果两组整流器切换时,触发脉冲的封锁和开放同时进行,原先导通的整流器不能立即关断,而原来封锁的整流器已经导通,就会出现两组桥同时导通的现象,将产生很大的短路电流,导致晶闸管损坏。为了防止在负载电流反向时产生环流,将原来工作的整流器封锁后,必须留有定死区时间,再将原来封锁的整流器开放工作,这就要求两组桥在任何时刻只有一组桥工作,且在两组桥之间不存在环流,这种控制方式称为无环流控制方式。

(2)变换电路的工作过程 交流/交流变换电路的负载可以是阻感负载、电阻负载或阻容负载,也可以是交流电动机负载。下面以阻感负载为例,说明组成变换电路的两组相控整流电路的工作过程将阻感负载的交流/交流变换电路理想化,忽略交流电路换相时。的脉动分量,就可把变换电路等效成如图 3-26a 所示的正弦波交流电源和二极管的串联电路,其中,交流电源表示变换电路可输出交流正弦电压,二极管体现了变流电路的电流单向性。设负载阻抗角为,即输出电流滞后输出电压· 角。两组变流电路工作时,采取直流可逆调速系统中的无环流工作方式,即一组变流电路工作时,封锁另一组变流电路的触发脉冲。其工作状态说明如下:

在t-t; 期间:负载电流,处于正半周,此时正组工作,反组被封锁,其中t-t,阶段,输出电压u。和电流均为正,正组整流,输出功率为正:tz-;阶段,输出电压uo反向变负,电流,仍为正,正组逆变,输出功率为负。

在t;-t; 期间:负载电流处于负半周,此时反组工作,正组被封锁,其中t;-t4 阶段,输出电压u。和电流。均为负,反组整流,输出功率为正;ta-t阶段,输出电压反向变正,电流,仍为负,反组逆变,输出功率为负。

电路的整流和逆变工作状态输出电压u。和输出电流。波形如图 3-26b所a)AC/AC变频电路 b)电压、电流波形示,由此可确定哪组整流电路工作是由输出电流io的方向决定,而与输出电压“的极性无关。变流电路是工作于整流状态还是逆变状态,则是由输出电压方向和输出电流方向是否相同来确定的。

对于阻感负载,其输出电压超前电流。考虑无环流工作方式下输出电流过零的死区时间,可以将如图3-27 所示变换电路中一个周期输出的波形分为6个阶段。各阶段工作情况分析如下:

1)第一阶段。输出电压过零为正,由于电流滞后,输出电流<0,整流器的输出电流具有单向性,负载负电流必须由反组整流器输出,此阶段反组整流器工作,正组整流器被封锁。由于u。为正,故反组整流器必须工作在有源逆变状态。

2)第二阶段。电流过零,为无环流死区。

3)第三阶段。输出电流>0,输出电压uo>0。由于电流方向为正,反组电流须由正整流器输出,此阶段正组整流器工作,反组整流器被封锁。由于u为正,故正组整流器必须工作在整流状态

4) 第四阶段。输出电流>0,输出电压u<0。由于电流方向没有改变,正组整流器工作,反组整流器仍被封锁,由于电压反向为负,故正组整流器工作在有源逆变状态。5)第五阶段。电流为零,为无环流切换死区。

6) 第六阶段。输出电流,<0,输出电压u<0,电流方向为负,反组整流器必须作,正组整流器被封锁,此阶段反组整流器工作在整流状态。

输出电压和输出电流的相位差小于90°时,一周期内电网向负载提供能量的平均值为正,如果负载是电动机,则电动机工作在电动状态;当二者相位差大于90°时,一周期内电网向负载提供能量的平均值为负,电网吸收能量,则电动机工作在发电状态2。三相交流/交流变换电路交流/交流变换电路主要用于交流调速系统,因此,实际使用的主要是三相交流/交流变换器。三相交流/交流变换电路是由 3 组输出电压相位差为 120°的单相交流/交流变换电路组成的,电路接线形式主要有两种

(1)公共交流母线进线方式 图 3-28 所示的是采用公共交流母线进线方式的三相交流/交流变换电路原理,它由三相彼此独立的、输出电压相位差为 120°的单相交流/交流变换电路组成,它们的电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用,所以三相变换电路的输出端必须隔离。为此,交流电动机的3 个绕组必须拆开,同时引出6根线,采用公共交流母线进线方式的三相交流/交流变换电路主要用于中等容量的交流调速系统。

(2)输出星形联结方式 图3-29 所示的是采用输出星形联结方式的三相交流/交流变换电路原理,电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。三相交流/交流变换电路的输出端采用星形联结,电动机的3 个绕组也采用星形联结,电动机中点和变换器中点接在一起,电动机只引3 根线即可。因为三组单相变换器连接在一起,电源进线端公用,其电源进线就必须隔离,故3 组单相变换器分别用3 个变压器供电。和整流电路一样,同一组桥内的两个晶体管靠双触发脉冲保证同时导通,两组桥之间则靠各自的触发脉冲有足够的宽度,以保证同时导通。

三相交流/交流变换电路总的有功功率为各相有功功率之和,但是视在功率应由输入电压有效值和输人的总电流有效值来计算,比三相各自的视在功率之和要小。因此,三相交流交流变换电路总输入功率因数高于单相交流/交流变换电路。从另一方面来分析,单相、三相交流/交流变换电路输入位移因数相同,而构成三相电路的三个单相交流/交流变换电路的部分输人电流谐波相互抵销,三相电路的基波因数增大,使得总输人功率因数有所提高,这是相对单相而言的,功率因数低仍然是三相交流/交流变换电路的个主要缺点。

在采用输出星形联结的三相交流/交流变换电路中,各相输出的是相电压,而加在负载上的是线电压,如果在各相电压中叠加同样的直流分量或3 倍于输出频率的谐波分量,则它们不会在线电压中反映,也不会加到负载上,利用这一特性可以改善输入功率因数并提高输出电压。

在三相交流/交流变换电路中,如果使三组单相换电路的输入电压波形均为准梯形波(准梯形波的主要谐波为三次谐波),那么在线电压中三次谐波将抵销,线电压仍为正弦波在梯形波输出方式中,电路工作在高输出电压区域(梯形波平顶部分),时间增加,a 减小,可利用这种方法改善输人功率因数。

交流/交流变换电路的特点如下:直接一次变换,效率较高;可方便实现四象限工作:低频输出波形接近正弦波。

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