電子及基礎應用 7

第5章交流-交流變換電路概述

將一種交流電能轉換成具有另種參數交流電能的電路泛稱交流變換電路（AC/AC變換電路）。分為交流電力控制和頻率變換兩大類。

電路結構：1、直接交流-交流變換；2、間接交流-交流變換。控制方式：1、相位控制或通斷控制；2、斬波控制。用途：交流調壓、交流調功、變頻5.1交流無觸點雙向開關

不僅能控制交流電路的通斷，并且能雙向導電，利用電力電子器件的可控性對交流電進行控制，和普通的機械式開關相比，無機械觸點和零件，開關頻率高，開關無火花，響應快，便于自動控制。交流無觸點開關也稱固體開關。1.晶閘管交流無觸點開關2.全控型器件交流無觸點開關

全控型器件交流無觸點開關有兩種形式，圖a的交流開關有兩個全控器件Q1和Q2，在Q1驅動時，正向電流經Q1、D1流通；Q2驅動時，反向電流經Q2、D2流通。圖b的交流開關只用一個全控器件Q，正向電流經D1、Q、D2流通，電流反向時從D3、Q、D4流通，而開關Q始終是單向電流，Q在正反向電流時都要進行通斷控制。5.2單相交流調壓5.2.1相控式單相交流調壓1．電阻負載

2．感性負載設感性負載RL的基波阻抗角φ=arctanωL/R，阻抗角反映了阻感負載電感作用的大小。（1）φ≤α≤π時

在α=φ時，負載電壓電流的正負半周連接呈完整的正弦波，這相當于交流開關被短接，負載直接連接電源的情況，這時負載電流io滯后于u1的電角度為φ。

在α＞φ條件下，負載側電壓電流都是斷續的，隨α減小，電壓和電流的間斷也縮小。（2）0≤α≤φ時

因為在α=φ時，負載電壓已經是連續完整的正弦波，在α≤φ時，負載電壓電流波形就不會再隨α變化，保持著完整的正弦波

從輸出電壓和電流的波形可以看出，對R負載和RL負載，前者在α=0，后者在α≤φ時，電壓電流是正弦波外，其它情況輸出電壓電流都不是正弦波，電壓電流除基波外還含有大量諧波，并且諧波的含量隨控制角變化。5.2.2斬控式單相交流調壓S1和S2為雙向開關，S1為主開關器件，S2為續流器件，采用PWM控制方式，S1和S2的控制極信號時序為互補，電路輸出電壓uo的波形如圖b所示。利用傅里葉級數分析，uo除包含基波分量DUNmsinωt之外，還包含其它諧波，改變占空比D即可改變基波幅值，實現調壓的目的。單相PWM交流調壓電路電路電壓增益AV定義為輸出電壓基波幅值U01m與輸入電壓幅值UNm的比值，即

采用IGBT作為開關元件的單相斬控式交流調壓電路如圖所示，交流開關采用雙器件型。IGBT柵壓時序分布如圖c所示。由圖可見，在u1的正半軸，ugVT2和ugVT3恒為正值，而ugVT4=0，ugVT1則為正脈沖列，重復周期為Tc。純阻性負載輸出電壓uo在一個電網周期T中的波形如圖d所示，由圖可見，uo的基波分量uo1可表示為

改變ugVT1的脈寬τ即可改變基波幅值DU1m，實現調壓目的。2、感性負載

設電路具有感性負載，基波阻抗角為φ1，此時輸出電壓uo波形如圖e所示.3、有電流檢測的非互補控制

為消除輸出電壓在非阻性負載下的失控現象，采用有電流檢測控制方案，即通過輸出電流和電壓的極性來決定控制信號的時序分布。5.3斬控式（PWM）三相交流調壓5.4交流調功電路

交流調功電路以交流電源周波數為控制單位，對電路通斷進行控制。

把晶閘管作為開關，使負載與電源在M個周期中，接通N個電源周期后關斷（M－N）個電源周期，改變通斷周波數的比值來調節負載所消耗的平均功率。5.5間接交流-交流變換電路

整流電路把電網的恒頻恒壓交流電變換成直流電，再經過逆變電路將直流變換成大小、頻率均可變的交流電，所以間接交流-交流變換又叫做交-直-交變頻電路，其基本結構框圖見圖。5.5.1變壓變頻電源—變頻器

式中：n0為電動機同步轉速，P為極對數，

f1為供電電源頻率，以工頻交流電供電時，f1=50Hz，s為轉差率：s=（n0－n）/n0，或：n0=60f1/P。

從式可知，改變供電電源的頻率即可以改變異步電動機的同步轉速no，從而改變電機轉速。額定頻率稱為基頻，變頻調速時，可以從基頻向上調，也可以從基頻向下調。由三相異步電動機的轉速表達式1.基頻以下的變頻調速

如果降低電源頻率時還保持電源電壓為額定值，則隨著f1下降，氣隙每極磁通

m增加。電動機在設計制造時，為了增大電磁轉矩，已使氣隙磁通接近飽和，

m增加，磁路過飽和，勵磁電流會急劇增加，鐵芯損耗增大，嚴重時導致繞組過熱燒壞。

因此，在降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓，以保證氣隙磁通基本不變。如果使U1/f1=常數，則在調速過程中可維持

m基本不變，這就是基頻以下調速的恒壓頻比控制方式。

從電機學理論可知，當改變頻率f1時，若保持E1/f1=常數，最大轉矩Tm=常數，與頻率無關，并且最大轉矩對應的轉速降落相等，也就是不同頻率的各條機械特性是平行的，硬度相同。基頻以下變頻調速時的機械特性曲線如圖4-21所示。保持U1/f1=常數，電機最大允許輸出轉矩不變，降低頻率調速為恒轉矩調速。2.基頻以上變頻調速（弱磁升速）

在基頻以上調速時，頻率應該從f1N向上升高，但定子電壓U1

卻不可能超過額定電壓U1N

，最多只能保持U1

=U1N

，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況，頻率升高時，最大轉矩Tm減小，最大轉矩對應的轉速降落近似為常數，根據電機電磁轉矩方程式可畫出升高電源頻率的機械特性曲線，其運行段近似平行，如圖4-22所示。在升頻升速過程中，最大允許輸出轉矩與速度成反比，電機輸出功率近似不變，為恒功率調速。

把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如圖所示。異步電機變壓變頻調速的控制特性2.間接交流-交流變換電路的控制方式3.變頻器的電路結構交-直-交電壓型變頻器主電路

該電路只能從交流電源向中間直流電路傳輸功率，進而再向交流電動機傳輸功率，而不能從直流中間電路向交流電源反饋能量。當負載電動機由電動狀態轉入制動運行時，電動機變為發電狀態，其能量通過逆變電路中的反饋二極管流入直流中間電路，使直流電壓升高而產生過電壓，這種過電壓稱為泵升電壓。Q0和能耗電阻R0組成泵升電壓限制電路，當泵升電壓超過一定數值時，使Q0導通，把電動機反饋的能量消耗在R0上。

在要求電動機頻繁快速加、減速的場合，上述帶有泵升電壓限制電路的變頻電路耗能較多，能耗電阻R0也需較大的功率。因此，希望在制動時把電動機的動能反饋回電網。這時，需要增加一套有源逆變電路以實現再生制動，在電容兩端反并聯了一組可控整流器，在電動機制動時，切斷不控整流器，使可控整流器工作在有源逆變狀態。可以再生制動的變頻電路5.5.2恒壓恒頻電源—UPS

恒壓恒頻（CVCF）電源主要用作不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply，UPS）。不間斷