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1、第6章 交流电力控制电路和交交变频电路,6.1 交流调压电路 6.1.1 单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路 6.2 其他交流电力控制电路 6.2.1 交流调功电路 6.2.2 交流电力电子开关 6.3 交交变频电路 6.3.1 单相交交变频电路 6.3.2 三相交交变频电路,1,工学电力电子技术,概 述,交流-交流变流电路,一种形式的交流变成另一种形式交流的电路， 可改变相关的电压、电流、频率和相数等,交流电力控制电路,变频电路,只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率,改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的,交流调压电路相位控制（或斩控式） 交流调功电路及交流无触点开关通
2、断控制,交交变频电路 交直交变频电路,1.晶闸管交交变频电路 2.矩阵式变频电路,先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频电路,2,工学电力电子技术,6.1 交流调压电路,交流电力控制电路的结构,两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管 就可控制交流电力,交流电力控制电路的类型,交流调压电路:,交流调功电路:,交流电力电子开关:,每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值,以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值,并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路。,3,工学电力电子技术,交流调压电路的应用： 灯光
3、控制（如调光台灯和舞台灯光控制） 异步电动机软起动 异步电动机调速 供用电系统对无功功率的连续调节 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压,4,工学电力电子技术,6.1.1 单相交流调压电路,1 电阻负载,原理分析,在 u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压,正负半周a 起始时刻（a =0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a 相等,负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同,5,工学电力电子技术,电阻负载单相交流调压电路及其波形,数量关系 负载电压有效值 负载电流有效值 晶闸管电流有效值 功率
4、因数,6.1.1 单相交流调压电路,R,O,u,1,u,o,i,o,VT,1,VT,2,u,1,u,o,i,o,u,VT,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,6,工学电力电子技术,2 阻感负载 阻感负载时a的移相范围 负载阻抗角：j = arctan(wL / R) 稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j a =0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j a ,阻感负载单相交流调压电路及其波形,6.1.1 单相交流调压电路,7,工学电力电子技术,单相交流调压器电感性负载时的主电路和输出波形,8,工学电力电子技术,当控制角为时，Ug1 触发VT1导通，流过VT1管的电流i2
5、有两个分量，即强制分量iB与自由分量iS， 其强制分量为 式中 其自由分量为 式中 自由分量衰减时间常数，,9,工学电力电子技术,流过晶闸管的电流即负载电流为 当 时，电压、电流波形如上图所示。随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储藏的能量释放完毕，电流到零，VT1管才关断。 在t=0时触发管子，t= 时管子关断，将t= 代入式(3-5)可得,10,工学电力电子技术,(1) 当 时 稳定分量iB与自由分量is如图3-2(b)所示，叠加后电流波形i2的导通角 180，正负半波电流断续， 愈大愈小，波形断续愈严重。 (2) 当 =时 电流自由分量is=0，i2=iB；=180。正负半周电流
6、处于临界连续状态，相当于晶闸管失去控制，负载上获得最大功率，此时电流波形滞后电压角。 (3) 当 时 如果触发脉冲为窄脉冲，则当Ug2出现时，VT1的电流还未到零， VT2管受反压不能触发导通；待VT1中电流变到零关断， VT2承受正压时，脉冲已消失， 无法导通。这样使负载只有正半波，电流出现很大的直流分量，电路不能正常工作。 带电感性负载时，晶闸管应当采用宽脉冲列，这样在 时，虽然在刚开始触发晶闸管的几个周期内，两管的电流波形是不对称的，但当负载电流中的自由分量衰减后，负载电流即能得到完全对称连续的波形，电流滞后电源电压角，但实际是晶闸管是不可控的。所以晶闸管的移相范围 。,11,工学电力电
7、子技术,综上所述，单相交流调压可归纳为以下三点： 带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角可以改变负载电压有效值。 带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当 时会发生有一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量。 带电感性负载时， 的移相范围为 180 ，带电阻性负载时移相范围为0 180。,12,工学电力电子技术,a = ,13,工学电力电子技术,a j 时,单相交流调压电路,aj时阻感负载交流调压电路工作波形,波形分析:,VT1提前通，L被过充电，放电时间延长， VT1的导通角超过,触发VT2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不通io过零
8、后， VT2开通， VT2导通角小于,方程式(6-5)和(6-6)所得io表达式仍适用，只是at ,过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在t =a (a j)时合闸的过渡过程相同,io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量,衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通 时间渐长,稳态的工作情况和a =j时完全相同,p,w,t,w,t,w,t,w,t,a,a,q,O,O,O,u,G1,G2,j,T1,T2,14,工学电力电子技术,图4-7 斩控式交流调压电路,4斩控式交流调压电路,一般采用全控型器件作为开关器件,原理分析,基本原理和直流斩波电路有类似之处,u1正半周,u1负半周,设斩波器
9、件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a = ton/T，改变a 可调节输出电压,斩波控制,斩波控制,续流通道,续流通道,6.1.1 单相交流调压电路,15,工学电力电子技术,图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形,6.1.1 单相交流调压电路,单相-斩控式交流调压电路波形,16,工学电力电子技术,6.1.2 三相交流调压电路,根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式,a) 星形联结 b) 线路控制三角形联结 c) 支路控制三角形联结 d) 中点控制三角形联结,17,工学电力电子技术,三相四线 基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120工作。
10、 问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。a=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近,三相三线,三相四线,1星形联结电路,6.1.2 三相交流调压电路,18,工学电力电子技术,三相三线，电阻负载时的情况 任一相导通须和另一相构成回路 电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发 触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1 VT6,依次相差60 相电压过零点定为a的起点， a角移相范围是0 150,6.1.2 三相交流调压电路,19,工学电力电子技术,a =30，分析a相波形。,5.6通 0,1.5.6通,Ua,1.6通 Uab/2,1.2.6通,
11、Ua,1.2通 Uac/2,1.2.3通,Ua,20,工学电力电子技术,a =60，分析a相波形。,5.6通 0,1.6通 Uab/2,1.2通 Uab/2,21,工学电力电子技术,a =120，分析a相波形。,4. 5 通 Uac/2,无器件导通,5. 6 通 0,无器件导通,1. 6 通 Uab/2,无器件导通,22,工学电力电子技术,a) a =30 b) a =60 c) a =120,6.1.2 三相交流调压电路,(1) 0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a 。但a =0时一直是三管导通,(2) 60 a 90：两管导通，每管导通120,(3) 90 a 150：两
12、管导通与无晶闸管导通交替，每相每管导通150- a，两管共导通角度为3002 a,23,工学电力电子技术,谐波情况 电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同 谐波次数越低，含量越大 和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路,6.1.2 三相交流调压电路,24,工学电力电子技术,6.2 其他交流电力控制电路,以交流电源周波数为控制单位交流调功电路 对电路通断进行控制交流电力电子开关,25,工学电力电子技术,6.2.1 交流调功电路,异,同,与交流调压电路的,电路形式完全相同,控制方式不同：将负载与电源接
13、通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均,应用,常用于电炉的温度控制,因其直接调节对象是电路的平均输出功率,所以称为交流调功电路,控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可 通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载 电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常 意义的谐波污染,26,工学电力电子技术,电阻负载时的工作情况 控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期 导通，后MN个周期关断,交流调功电路典型波形(M =3、N =2),当M=3、N=2时的电路波形如图,6.2.1 交流调功电路,27,工学电力电子技术,交流调功电路,28,工学电力电子技术,6.2
14、.2 交流电力电子开关,作用： 优点： 与交流调功电路的区别 并不控制电路的平均输出功率 通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开 控制频度通常比交流调功电路低得多,代替机械开关，起接通和断开电路的作用,响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断,29,工学电力电子技术,晶闸管投切电容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）,TSC基本原理图 a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图,交流电力电子开关,作用 对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。 性能优于机械开关投切的电容器。 结构和原理 晶闸管反并联后串入交流电路。 实际常
15、用三相，可三角形联结，也可星形联结。,30,工学电力电子技术,晶闸管的投切 选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流。 理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。,TSC理想投切时刻原理说明,交流电力电子开关,31,工学电力电子技术,TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式,2 交流电力电子开关,由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值。 成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。,图4-16 TS
16、C理想投切时刻原理说明,32,工学电力电子技术,6.3 交交变频电路,本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor) 交交变频电路把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，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，实用的主要是三相输出交交变频电路,33,工学电力电子技术,直接变频器,按波形的不同又可分为两类:,34,工学电力电子技术,方波形直接变频器,改变正反组切换频率,可以改变输出交流电的频率.,改变a的大小,即可改变输出交流电的幅值.,这种方式控制,谐波分量大.,35,工学电力电子技术, 正弦波直接变频器,改变正反组切换频率,可以改变输出交流电的频
17、率.,改变a的大小,即可改变输出交流电的幅值.,这种方式控制,谐波分量少.适用于低速大容量的场合.,36,工学电力电子技术,Z,O,w,t,方波交交变频,正弦波交交变频,37,工学电力电子技术, 输出正弦波形的调制方法 最常用的方法是余弦交点法. 正弦波型交-交变频器适合于低频大功率的电气传动系统，最高输出频率是输入频率的1/3或1/2。 输出电压有效值和频率的调节 交-交变频电路的输出电压是由若干段电源电压拼接而成的。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。 使控制角从 ，改变0，就改变了输出电压的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变变化的速率，也就改变了输
18、出电压的频率。,38,工学电力电子技术,三相交交变频电路,三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成。 如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。,39,工学电力电子技术,三相交交变频器的基本结构（接法）,40,工学电力电子技术,输出星形联结方式三相交交变频电路,41,工学电力电子技术,三相桥式交交变频电路,42,工学电力电子技术,交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟。 这类交-交变频器的主要缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2。,直接变频的特点：,43,工学电力电子技术,本章重点,单相交流调压电路的结构及工作原理（相控、斩控） 单相交流调压电路相控方式下的有效移相范围。（纯阻、阻感负载） 三相三线制调压电路的结构及波形分析。 交交变频电路的类型及控制方式。,44,工学电力电子技术,