第4章交交变频电路

16 4.3 可控硅相控交-交变频电路 晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor),把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。 4.3.1可控硅相控单相-单相交-交变频技术

1、电路结构和基本工作原理 在共阴极双半波整流电路中，通过改变晶闸管的控制角可得到负载端上正下负大小可变的输出电压。在共阳极双半波整流电路中，通过改变晶闸管的控制角可在负载上得到极性相反的电压。

uA

uB

惓组

斀组

tUuAsin22 （a）电路图

（b）原理波形图 图4-18 双半波整流电路及其原理波形

2、整流与逆变工作状态 两组反并联的可逆整流电路及其原理波形，如图4-18所示。正组整流器工作（反组被封锁）时， 17

负载端输出电压为上正下负；反组整流器工作时（正组被封锁），负载端输出电压极性相反。只要交替地以低于输入电源的频率切换正反两组整流器的工作状态（工作或封锁），在负载端就可以获得交流电压，该输出电压显然包含了大量谐波。 如果在半周期中使导通工作的晶闸管的控制角由90逐渐减小到零，然后再增大到90，则该整流器的输出平均电压就从零增大到最大，然后再减小到零。因此，只要控制角在0～90之间以适当地规律性变化，即可获得按正弦规律变化的平均输出电压。 在实际的交－交变频电路中，常采用“余弦波交截控制法”控制角的变化以获得平均正弦波的输出。以控制电压Uc来控制角的变化，如果控制电压Uc的大小总是正比于控制角的余弦大小，即

coscmcUU

（4-15）

Ucm为Uc峰值，则输出电压平均值Ud随Uc呈线性变化。由于 cosdmdUU

（4-16）

Udm为＝0时Ud最大值，所以

cmdmcdUUU

U （4-17）

故有 ccmdmdUUUU （4-18）

在保证线性范围内，Uc最大值为Ucm=Udm，此时 cdUU （4-19）

因此，按余弦波交截控制法控制的相控整流器，是一个具有线性电压转换特性的功率放大器。可以想象，如果控制电压按正弦波变化，则输出平均电压也将按正弦波变化。 4.3.2 可控硅相控三相-单相交-交变频技术

1、电路构成和基本工作原理

如图4-19，由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。变流器P、N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流io为正，N组工作时，io为负。让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。改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率ωo。改变变流器工作时的控制角α，就可以改变交流输出电压的幅值。 为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a 角进行调制。在半个周期内让P组 a 角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零，如图中虚线所示。另外半个周期可对N组进行同样的控制。

ZPN输出电压平均输出电压

图4-18O

uo

uo



P=0



P=



2

P=



2

t

图4-19 单相交交变频电路原理图和输出 电压波形 18

图4-19是变流器P和N都是三相半波相控电路时的波形。Uo并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。因此，变流器通常采用6脉波的三相桥式电路或12脉波变流电路。本节后面的论述均以最常用的三相桥式电路为例进行分析。

2、整流与逆变工作状态 交交变频电路的负载可以是阻感负载、电阻负载、阻容负载和交流电动机负载，这里以阻感负载为例来说明电路的整流与逆变工作状态，也适用于交流电动机负载。 把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成图4-20a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。其中交流电源表示变流器可以输出交流正弦电压，二极管体现了变流电路的电流的单方向性。 设负载阻抗角为φ，则输出电流滞后输出电压φ角。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。 图4-20给出了一个周期中负载电压、电流波形及正反组 变流器的电压电流波形。 t1~t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁。 t1~ t2： uo和io均为正，正组整流，输出功率为正。 t2 ~ t3 ： uo反向， io仍为正，正组逆变，输出功率为负。 t3 ~ t5期间： io负半周，反组工作，正组被封锁。 t3 ~ t4 ：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正。 t4 ~ t5 ： uo反向， io仍为负，反组逆变，输出功率为负。 可以看出在阻感负载下，在一个输出电压周期内交交变频 器有4种工作状态。哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关。 工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。 图4-21是单相交交变频电路输出电压和电流的波形图。 考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段。 第1段io<0,uo>0,反组逆变。第2段电流过零，为无环流死区。 第3段io>0,uo>0，为正组整流。第4段，io>0,uo<0,为正组逆变。 第5段又是无环流死区。第6段，io<0,uo<0,为反组整流。

a)整流逆变阻断图4-19b)PNttttt整流逆变阻断

OOOOOuo,iou

oi

o

t1t2t3t4t

5

uou

P

uN

uo

iP

iN

uPuNuo

ioiNi

P

图4-20 理想化交交变频电路 的整流和逆变工作状态

1OO23456图4-20

uo

io

t

t

图4-21 单相交交变频电路输出电压和电流波形 19

当uo和io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，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，电动机为发电状态。

3、正弦波输出电压的调制方法 通过不断改变控制角a，使交交变频电路的输出电压波形基波为正弦波的调制方法有多种。这里介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法。

设Ud0为a = 0时整流电路的理想空载电压，则有 cos0doUu

(4-20)

每次控制时a角不同，表示每次控制间隔内uo的 平均值。

设要得到的正弦电压为tUuoomosin，应使

ttUUoodomsinsincos0 （4-21）

式中γ称为输出电压比，)10(doomUU 因此有 )sin(cos1to （4-22） 这就是余弦交点法基本公式。 图4-22是对余弦交点法的进一步说明。电网线电压uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 ~ u6表示。相邻两个线电压的交点对应于a =0。u1~u6所对应的同步信号分别用us1~us6表示。us1~us6比相应的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相应线电压a =0的时刻对应。以a =0为零时刻，则us1~us6为余弦信号。希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1~us6的下降段和uo的交点 来决定。 图4-23给出了在不同输出电压比γ的情况下，在输出 电压的一个周期内，控制角α随ωot变化的情况，图中

)sin(sin2)sin(cos11ttoo γ较小，即输出电压较低时，a只在离90°很近的范围 内变化，电路的输入功率因数非常低。余弦交接法用模拟

图4-21u2u3u4u5u6u1

us2us3us4us5us6us1

uo

P3P4

t

t

图4-22 余弦交点法原理  = 0

 = 0.1

相位

控

制角/(°)

输出相位 0 t图4-22

12015018030609000.1

0.20.30.80.91.0

0.80.20.3

0.91.0

22



23

图4-23 不同时和ot的关系