交流變換電路課件

概述交流變換電路：把交流電能的參數(shù)（幅值、頻率、相數(shù)）加以轉(zhuǎn)換的電路。交流變換電路第六章交流電力控制電路

交一交變頻電路（直接變頻電路）維持頻率不變改變輸出電壓的幅值。將電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成較低頻率的交流電直接變頻的同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)電壓變換。分類概述交流變換電路：把交流電能的參數(shù)（幅值、頻率、相數(shù)）加以1交流調(diào)壓電路

6.1

3、交流調(diào)壓電路應(yīng)用：

電爐的溫度控制燈光調(diào)節(jié)（如舞臺(tái)燈光控制）異步電機(jī)軟起動(dòng)異步電機(jī)調(diào)速調(diào)節(jié)整流變壓器一次側(cè)電壓

2、交流調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)方法：通過控制晶閘管在每一個(gè)電源周期內(nèi)的導(dǎo)通角的大?。ㄏ辔豢刂疲﹣碚{(diào)節(jié)輸出電壓的大小。1、交流調(diào)壓電路:是用來變換交流電壓幅值（或有效值）的電路。交流調(diào)壓電路6.13、交流調(diào)壓電路應(yīng)用：電爐的溫2單相交流調(diào)壓器主電路特點(diǎn)：

1）電源正半周：T1觸發(fā)導(dǎo)通，電源的正半周施加到負(fù)載上；2）電源負(fù)半周：T2觸發(fā)導(dǎo)通，電源負(fù)半周便加到負(fù)載上；3）電源過零：T1、T2交替觸發(fā)導(dǎo)通，電源電壓全部加到負(fù)載；4）關(guān)斷T1、T2：電源電壓不能加到負(fù)載上。6.1.1單相交流調(diào)壓電路圖6.1.1單向交流調(diào)壓器電路T1、T2構(gòu)成無觸點(diǎn)交流開關(guān)。單向交流電壓電路的工作情況與它的負(fù)載性質(zhì)有關(guān)單相交流調(diào)壓器主電路特點(diǎn)：1）電源正半周：T1觸發(fā)導(dǎo)通，31）電源正半周：晶閘管T1承受正向電壓，當(dāng)ωt=α?xí)r，觸發(fā)T1使其導(dǎo)通，負(fù)載上得到缺α角的正弦半波電壓；2）電源電壓過零：T1管電流下降為零而關(guān)斷；3）電源電壓負(fù)半周：晶閘管T2承受正向電壓，當(dāng)ωt=π+α?xí)r，觸發(fā)T2使其導(dǎo)通，則負(fù)載上又得到了缺α角的正弦負(fù)半波電壓。持續(xù)這樣控制，在負(fù)載電阻上便得到每半波缺α角的正弦電壓；單相交流調(diào)壓電路6.1.1圖6.1.1電阻性負(fù)載時(shí)單向交流電壓電路及輸出電壓波形

改變?chǔ)两堑拇笮。愀淖兞溯敵鲭妷河行е档拇笮　?、電阻性負(fù)載工作原理：1）電源正半周：晶閘管T1承受正向電壓，當(dāng)ωt=α?xí)r，觸發(fā)T46.1.1單相交流調(diào)壓電路

電阻性負(fù)載數(shù)量關(guān)系：（6.1.1）

負(fù)載電壓的有效值

負(fù)載電流的有效值（6.1.2）

調(diào)壓器的功率因數(shù)

（6.1.3）

圖6.1.1電阻性負(fù)載時(shí)單向交流電壓電路及輸出電壓波形

總結(jié)：隨著α角的增大，U0逐漸減小。當(dāng)α=π時(shí)，U0=0。因此，單相交流電壓器對(duì)于電阻性負(fù)載，其電壓可調(diào)范圍為0～U，控制角α的移相范圍為0～π。6.1.1單相交流調(diào)壓電路電阻性負(fù)載數(shù)量關(guān)系：（5單相交流調(diào)壓電路帶電阻負(fù)載時(shí)，輸出電壓波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以不含直流分量和偶次諧波，故6.1.1單相交流調(diào)壓電路

電阻性負(fù)載諧波分析：基波和各次諧波有效值：負(fù)載電流基波和各次諧波有效值：在上面關(guān)于諧波的表達(dá)式中n=1為基波，n=3,5,7,…為奇次諧波。隨著諧波次數(shù)n的增加，諧波含量減少。(6.1.4)(n=3,5,7,…)單相交流調(diào)壓電路帶電阻負(fù)載時(shí)，輸出電壓波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以66.1.1單相交流調(diào)壓電路感性負(fù)載（R-L負(fù)載）圖6.1.2帶阻感負(fù)載單向交流調(diào)壓電路及輸出波形

單相交流電壓器帶阻感負(fù)載時(shí)，工作情況同可控整流電路帶電感負(fù)載相似；當(dāng)電源電壓反向過零時(shí)，負(fù)載電感產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻止電流的變化，故電流不能立即為零；晶閘管的導(dǎo)通角θ的大小與控制角a、負(fù)載阻抗角φ都有關(guān)。6.1.1單相交流調(diào)壓電路感性負(fù)載（R-L負(fù)載）圖6.1.76.1.1單相交流調(diào)壓電路

阻感負(fù)載的工作情況分析：

晶閘管VT1導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流Io滿足：

(6.1.5)

式中

利用邊界條件：，i0=0

可求得θ：(6.1.6)

（θ為晶閘管的導(dǎo)通角）VT2導(dǎo)通時(shí)，上述關(guān)系完全相同，只是iO相差1800

圖（6.1.3)單相交流調(diào)壓器以φ為參變量時(shí)θ與a的關(guān)系曲線6.1.1單相交流調(diào)壓電路阻感負(fù)載的工作情況分析：晶閘86.1.1

1、α>ф，導(dǎo)通角θ?1800，正負(fù)半波電流斷續(xù)。α愈大，θ愈小，波形斷續(xù)愈嚴(yán)重。負(fù)載電壓的有效值UO、晶閘管電流平均值IdT、電流有效值IT以及負(fù)載電流有效值IO分別為：(6.1.7)

(6.1.8)(6.1.10)(6.1.9)單相交流調(diào)壓電路調(diào)壓電路的工作情況（α>ф

、

α=ф、α<ф）6.1.11、α>ф，導(dǎo)通角θ?1800，正負(fù)半波電流96.1.1單相交流調(diào)壓電路2、α=ф可得：θ=1800

此時(shí)，晶閘管輪流導(dǎo)通，相當(dāng)于晶閘管被短接。負(fù)載電流處于連續(xù)狀態(tài)，為完全的正弦波。

由調(diào)壓電路的工作情況（α>ф

、α=ф、α<ф）(6.1.11)

6.1.1單相交流調(diào)壓電路2、α=ф可得：θ=1800106.1.1單相交流調(diào)壓電路

圖（6.1.4）窄脈沖觸發(fā)時(shí)的工作波形

θ＞18001）如果采用窄脈沖觸發(fā)，會(huì)出現(xiàn)先觸發(fā)的一只晶閘管導(dǎo)通，而另一只管子在電流下降為零時(shí)，因其門極脈沖已經(jīng)消失不能導(dǎo)通的失控現(xiàn)象?；芈分袑⒊霈F(xiàn)很大的直流電流分量，無法維持電路的正常工作。2）采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)，使第二個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角θ<π。隨后T1導(dǎo)通角逐漸減小，T2逐漸增大，最終使兩個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角θ=1800達(dá)到平衡。解決失控現(xiàn)象。

3、α<ф調(diào)壓電路的工作情況（α>ф

、

α=ф、α<ф）6.1.1單相交流調(diào)壓電路圖（6.1.4）θ＞1116.1.1單相交流調(diào)壓電路

圖（6.1.4）窄脈沖觸發(fā)時(shí)的工作波形

總結(jié)：當(dāng)時(shí)，并采用寬脈沖觸發(fā)，負(fù)載電壓、電流總是完整的正弦波，改變控制角a,負(fù)載電壓、電流的有效值不變，即電路失去交流調(diào)壓的作用。在電感負(fù)載時(shí)，要實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓的目的，則最小控制角（負(fù)載的功率因數(shù)角）。所以的移相范圍為φ～1800

6.1.1單相交流調(diào)壓電路圖（6.1.4）126.1.1單相交流調(diào)壓電路

1）電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相同，也只含3、5、7…等次諧波；2）隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少；3）和電阻負(fù)載時(shí)相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量少一些；4）a角相同時(shí)，隨著阻抗角的增大，諧波含量有所減少；單相交流電壓器帶阻感負(fù)載時(shí)電流諧波分析：

6.1.1單相交流調(diào)壓電路1）電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相136.1.2三相交流調(diào)壓電路

1、三相四線制調(diào)壓電路特點(diǎn)：

圖6.1.5(a)三相四線制調(diào)壓電路1）相當(dāng)于三個(gè)獨(dú)立的單相交流調(diào)壓電路組合而成的；2）存在中性線，但是3次諧波在中線中的電流大，故中線的導(dǎo)線截面要求與相線一致；3）晶閘管的門極觸發(fā)脈沖信號(hào)，同相間兩管的觸發(fā)脈沖要互差180°。4）各晶閘管導(dǎo)通順序?yàn)門1～T6，依次滯后間隔60°；5）因存在中線，可采用窄脈沖觸發(fā)；

6.1.2三相交流調(diào)壓電路1、三相四線制調(diào)壓電路特點(diǎn)：146.1.2三相交流調(diào)壓電路

1、三相四線制調(diào)壓電路特點(diǎn)：

圖6.1.5(a)三相四線制調(diào)壓電路

6）該電路工作時(shí)，零線上諧波電流較大，含有三次諧波，控制角a=90°時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。若變壓器采用三柱式結(jié)構(gòu)，則三次諧波磁通不能在鐵心中形成通路，產(chǎn)生較大的漏磁通，引起發(fā)熱和噪音。

7）該電路中晶閘管上承受的峰值電壓為(為線電壓)。6.1.2三相交流調(diào)壓電路1、三相四線制調(diào)壓電路特點(diǎn)：156.1.2三相交流調(diào)壓電路

2、三相三線制交流調(diào)壓電路的特點(diǎn)：

圖6.1.5(b)三相三線制交流調(diào)壓電路1）每相電路必須通過另一相形成回路；2）負(fù)載接線靈活，且不用中性線；3）晶閘管的觸發(fā)電路必須是雙脈沖，或者是寬度大于600的單脈沖；4）觸發(fā)脈沖順序和三相全控橋一樣，為T1～T6，依次間隔600；

5）電壓過零處定為控制角的起點(diǎn)，a角移相范圍是0°～150°；6)輸出諧波含量低,無3倍次諧波；

6.1.2三相交流調(diào)壓電路2、三相三線制交流調(diào)壓電路166.1.2三相交流調(diào)壓電路

圖6.1.6(a)a=30°時(shí)負(fù)載相電壓波形(1)0°≤a<60°時(shí)，三個(gè)晶閘管導(dǎo)通與兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180°－a

。但a=0°時(shí)一直是三管導(dǎo)通，3、三相三線制交流調(diào)壓電路改變a，電路中晶閘管的導(dǎo)電模式：圖6.1.6(a)所示a=30°時(shí)的負(fù)載電壓波形。6.1.2三相交流調(diào)壓電路圖6.1.6(a)a=176.1.2三相交流調(diào)壓電路

圖6.1.6(b)a=60°時(shí)負(fù)載相電壓波形(2)60°≤a<90°時(shí)，兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120°；3、三相三線制交流調(diào)壓電路改變a，電路中晶閘管的導(dǎo)電模式：圖5.1.6(b)所示為a=60°時(shí)負(fù)載電壓波形。6.1.2三相交流調(diào)壓電路圖6.1.6(b)a=186.1.2三相交流調(diào)壓電路

圖6.1.6(c)a=120°時(shí)負(fù)載相電壓波形

(3)90°≤a<150°時(shí)，兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為300°－2a，3、三相三線制交流調(diào)壓電路改變a，電路中晶閘管的導(dǎo)電模式：圖6.1.6(c)所示為a=120°時(shí)的負(fù)載電壓波形。6.1.2三相交流調(diào)壓電路圖6.1.6(c)a=196.2交流調(diào)功電路1、與調(diào)壓電路的比較：同電路形式完全相同

異控制方式不同：以交流電源周波數(shù)為控制單位,對(duì)電路通斷進(jìn)行控制，改變通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。

應(yīng)用

電爐的溫度控制

交流調(diào)功電路直接調(diào)節(jié)對(duì)象是電路的平均輸出功率；

控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)很大，以周波數(shù)為單位控制；晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻為電源電壓過零的時(shí)刻，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對(duì)電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。6.2交流調(diào)功電路1、與調(diào)壓電路的比較：同電路形式完全相206.2交流調(diào)功電路

2、電阻負(fù)載時(shí)的工作情況：

控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后M－N個(gè)周期關(guān)斷；

負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期；

M=3、N=2時(shí)的電路波形。

圖6.2.1交流調(diào)功電路典型波形6.2交流調(diào)功電路2、電阻負(fù)載時(shí)的工作情況：控制周期216.2交流調(diào)功電路

3、諧波分析：圖6.2.2為以控制周期為基準(zhǔn)的交流調(diào)功電路的頻譜圖，In為n次諧波有效值，Io為導(dǎo)通時(shí)電路電流幅值；

圖6.2.2交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)

電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。6.2交流調(diào)功電路3、諧波分析：圖6.2.2為以控226.3交流電力電子開關(guān)

1）作用將晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路代替機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用；

2）優(yōu)點(diǎn)

3）特點(diǎn)（與交流調(diào)功電路的區(qū)別）

只控制通斷，并不控制電路的平均輸出功率沒有明確的控制周期，只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開控制頻度通常比交流調(diào)功電路低1）響應(yīng)速度快、無觸點(diǎn)壽命長、可頻繁控制通斷；2）控制晶閘管總是在電流過零時(shí)關(guān)斷，在關(guān)斷時(shí)不會(huì)因負(fù)載或線路電感存儲(chǔ)能量而造成過電壓和電磁干擾；

6.3交流電力電子開關(guān)1）作用將晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路236.3交流電力電子開關(guān)

晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）

圖6.3.1TSC基本原理圖

1）代替機(jī)械開關(guān)投切電容器，對(duì)電網(wǎng)無功進(jìn)行控制2）提高功率因數(shù)、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、改善用電質(zhì)量3）是一種很好的無功補(bǔ)償方式

◆特點(diǎn)：6.3交流電力電子開關(guān)晶閘管投切電容器（Thyristor246.3交流電力電子開關(guān)◆1、電路結(jié)構(gòu)和工作原理（晶閘管反并聯(lián)）

圖6.3.1TSC基本原理圖

2）反并聯(lián)的晶閘管控制C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開，如圖6.3.1（a）。

1）實(shí)際常用三相TSC，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。3）串聯(lián)電感很小，用來抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)的沖擊電流。4）為避免電容器組投切造成較大電流沖擊，一般把電容器分成幾組，如圖6.3.1(b)所示，可根據(jù)電網(wǎng)對(duì)無功的需求而改變投入電容器的容量。電路特點(diǎn)：6.3交流電力電子開關(guān)◆1、電路結(jié)構(gòu)和工作原理（晶閘管反并256.3交流電力電子開關(guān)圖6.3.3晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC1）由于二極管的作用，在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值；2）二極管不可控，響應(yīng)速度要慢一些，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波?！?、電路結(jié)構(gòu)和工作原理（晶閘管和二極管反并聯(lián)）電路特點(diǎn)：6.3交流電力電子開關(guān)圖6.3.3晶閘管和二極管反并聯(lián)方266.3交流電力電子開關(guān)◆2、晶閘管投切時(shí)間的選擇

1）選擇原則：投入時(shí)刻交流電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，防止沖擊電流。

2）理想選擇：理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。圖6.3.3TSC理想投切時(shí)刻原理說明6.3交流電力電子開關(guān)◆2、晶閘管投切時(shí)間的選擇1）276.4交－交變頻電路

交－交變頻電路是不通過中間直流環(huán)節(jié)而把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成不同頻率（低于交流電源頻率）交流電的變流電路。

主要用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

1）定義2）應(yīng)用圖6.4.2

單相交流輸入時(shí)交－交變頻電路的波形圖6.4交－交變頻電路交－交變頻電路是不通過中間直流環(huán)節(jié)而286.4.1單相輸出交－交變頻電路1、電路結(jié)構(gòu)和工作原理

◆1）電路結(jié)構(gòu)

由具有相同特征的兩組晶閘管整流電路（正組整流器和反組整流器）反并聯(lián)構(gòu)成；圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路

◆2）工作原理

圖6.4.2

單相交流輸入時(shí)交－交變頻電路的波形圖

正組整流器工作，反組整流器被封鎖，負(fù)載端輸出電壓為上正下負(fù)；

負(fù)組整流器工作，正組整流器被封鎖，負(fù)載端得到輸出電壓上負(fù)下正；

以低于電源的頻率切換正反組整流器的工作狀態(tài),在負(fù)載端就可獲得交變的輸出電壓；（如圖6.4.2

）晶閘管的開通與關(guān)斷必須采用無環(huán)流控制方式，防止兩組晶閘管橋同時(shí)導(dǎo)通；6.4.1單相輸出交－交變頻電路1、電路結(jié)構(gòu)和工作原理296.4.1單相輸出交－交變頻電路

3）電路控制特點(diǎn)：

（1）一個(gè)周期內(nèi)控制角a固定不變時(shí)，輸出電壓為含有大量的諧波矩形波,(如圖6.4.2)對(duì)電機(jī)的工作很不利圖6.4.2

單相交流輸入時(shí)交－交變頻電路的波形圖

圖6.4.3交－交變頻電路的波形圖（a變化）

（2）為了讓輸出電壓波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對(duì)a進(jìn)行調(diào)制。

正組工作的半個(gè)周期內(nèi)讓控制角a按正弦規(guī)律從90°逐漸減小到0°，然后逐漸增加到90°。正組整流電流的輸出電壓的平均值就按正弦規(guī)律變化，從零增大到最大,然后從最大減小到零。反組工作的半個(gè)周期內(nèi)采用上述同樣的控制方法，就可以得到接近正弦波的輸出電壓。如圖6.4.36.4.1單相輸出交－交變頻電路3）電路控制特點(diǎn)：（1）306.4.1單相輸出交－交變頻電路

2、變頻電路的工作過程（電感性負(fù)載）

對(duì)于電感性負(fù)載，輸出電壓超前電流。

一個(gè)周期可以分為六個(gè)階段

第一階段：輸出電壓過零，u0為正，i0<0，反組整流器工作在有源逆變狀態(tài)，正組整流器被封鎖；圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路圖6.4.4交-交變頻電路電感性負(fù)載時(shí)的輸出電壓和電流波形6.4.1單相輸出交－交變頻電路2、變頻電路的工作過程（316.4.1單相輸出交－交變頻電路

2、變頻電路的工作過程（電感性負(fù)載）圖6.4.4交-交變頻電路電感性負(fù)載時(shí)的輸出電壓和電流波形

第二階段：電流過零。為無環(huán)流死區(qū)；圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路

第三階段：i0>0，u0>0。正組整流器工作在整流狀態(tài)，反組整流器被封鎖。6.4.1單相輸出交－交變頻電路2、變頻電路的工作過程（326.4.1單相輸出交－交變頻電路

第四階段：i0>0，u0<0。正組整流器工作有源逆變狀態(tài)，反組整流器仍被封鎖；第五階段：電流為零，為無環(huán)流死區(qū)；

第六階段：i0<0,u0<0，反組整流器工作在整流狀態(tài)，正組整流器被封鎖；圖6.4.4交-交變頻電路電感性負(fù)載時(shí)的輸出電壓和電流波形

圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路

6.4.1單相輸出交－交變頻電路第四階段：i0>0，u0336.4.1單相輸出交－交變頻電路

小結(jié)：

1、哪組整流器電路工作是由輸出電流決定，而與輸出電壓極性無關(guān)；2、變流電路是工作在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，則是由輸出電壓方向和輸出電流方向的異同決定；

圖6.4.4交-交變頻電路電感性負(fù)載時(shí)的輸出電壓和電流波形

圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路

6.4.1單相輸出交－交變頻電路小結(jié)：1、哪組整流器電346.4.1單相輸出交－交變頻電路

3、輸出正弦波電壓的控制方法（“余弦波交點(diǎn)法”）

設(shè)Ud0為a=0時(shí)整流電路的理想空載電壓，則有：（6.4.1）

希望輸出的正弦波電壓為（6.4.2）

每次控制時(shí)a不同，u0為每個(gè)控制間隔輸出的平均電壓比較式（6.4.1）與（6.4.2），則使（6.4.4）

g稱為輸出電壓比：

，式（6.4.4）為余弦交點(diǎn)法求角的基本公式。

6.4.1單相輸出交－交變頻電路3、輸出正弦波電壓的控制356.4.1單相輸出交－交變頻電路

圖6.4.5余弦交點(diǎn)法原理

2）相鄰兩個(gè)線電壓的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)于a=0；3）u1-u6所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)分別用us1-us6表示；4）us1-us6比相應(yīng)的u1-u6超前30°，us1-us6的最大值和相應(yīng)線電壓a=0的時(shí)刻對(duì)應(yīng)；

4、余弦交點(diǎn)法圖解

6）各晶閘管觸發(fā)時(shí)刻由相應(yīng)的同步電壓us1-us6的下降段和輸出電壓uo的交點(diǎn)來決定；1）線電壓uAB、uAC、uBC、uBA、uCA和uCB依次用u1-u6表示；5）a=0為零時(shí)刻，則us1-us6為余弦信號(hào)；6.4.1單相輸出交－交變頻電路圖6.4.5余弦交點(diǎn)法原理366.4.1單相輸出交－交變頻電路

不同g

時(shí)，在u0一周期內(nèi)，a隨變化的情況如圖6.4.6，圖中

圖6.4.6不同g時(shí)a

和w0t變化的情況

g較小，即輸出電壓較低時(shí)，a只在離90°很近的范圍內(nèi)變化，電路的輸入功率因數(shù)非常低；6.4.1單相輸出交－交變頻電路不同g時(shí)，在u0一周期376.4.2三相輸出交－交變頻電路

由三組輸出電壓相位各相差1200的單相交－交變頻電路組成。

電路接線形式主要：1）公共交流母線進(jìn)線方式2）輸出星形聯(lián)結(jié)方式

交－交變頻器主要用于交流調(diào)速系統(tǒng)中，實(shí)際使用的主要是三相交－交變頻器。

6.4.2三相輸出交－交變頻電路由三組輸出電壓相位各相差386.4.2三相輸出交－交變頻電路

1、公共交流母線進(jìn)線方式圖6.4.7公共交流母線進(jìn)線方式的三相交－交變頻電路原理圖

由三組彼此獨(dú)立的，輸出電壓相位相互錯(cuò)開120

0的單相交-交變頻電路組成。

電源進(jìn)線通過進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上。

電源進(jìn)線端公用,故三相單相變頻電路的輸出端必須隔離，為此，交流電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組必須拆開，同時(shí)引出六根線。

主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。6.4.2三相輸出交－交變頻電路1、公共交流母線進(jìn)線方式39概述交流變換電路：把交流電能的參數(shù)（幅值、頻率、相數(shù)）加以轉(zhuǎn)換的電路。交流變換電路第六章交流電力控制電路

交一交變頻電路（直接變頻電路）維持頻率不變改變輸出電壓的幅值。將電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成較低頻率的交流電直接變頻的同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)電壓變換。分類概述交流變換電路：把交流電能的參數(shù)（幅值、頻率、相數(shù)）加以40交流調(diào)壓電路

6.1

3、交流調(diào)壓電路應(yīng)用：

電爐的溫度控制燈光調(diào)節(jié)（如舞臺(tái)燈光控制）異步電機(jī)軟起動(dòng)異步電機(jī)調(diào)速調(diào)節(jié)整流變壓器一次側(cè)電壓

2、交流調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)方法：通過控制晶閘管在每一個(gè)電源周期內(nèi)的導(dǎo)通角的大?。ㄏ辔豢刂疲﹣碚{(diào)節(jié)輸出電壓的大小。1、交流調(diào)壓電路:是用來變換交流電壓幅值（或有效值）的電路。交流調(diào)壓電路6.13、交流調(diào)壓電路應(yīng)用：電爐的溫41單相交流調(diào)壓器主電路特點(diǎn)：

1）電源正半周：T1觸發(fā)導(dǎo)通，電源的正半周施加到負(fù)載上；2）電源負(fù)半周：T2觸發(fā)導(dǎo)通，電源負(fù)半周便加到負(fù)載上；3）電源過零：T1、T2交替觸發(fā)導(dǎo)通，電源電壓全部加到負(fù)載；4）關(guān)斷T1、T2：電源電壓不能加到負(fù)載上。6.1.1單相交流調(diào)壓電路圖6.1.1單向交流調(diào)壓器電路T1、T2構(gòu)成無觸點(diǎn)交流開關(guān)。單向交流電壓電路的工作情況與它的負(fù)載性質(zhì)有關(guān)單相交流調(diào)壓器主電路特點(diǎn)：1）電源正半周：T1觸發(fā)導(dǎo)通，421）電源正半周：晶閘管T1承受正向電壓，當(dāng)ωt=α?xí)r，觸發(fā)T1使其導(dǎo)通，負(fù)載上得到缺α角的正弦半波電壓；2）電源電壓過零：T1管電流下降為零而關(guān)斷；3）電源電壓負(fù)半周：晶閘管T2承受正向電壓，當(dāng)ωt=π+α?xí)r，觸發(fā)T2使其導(dǎo)通，則負(fù)載上又得到了缺α角的正弦負(fù)半波電壓。持續(xù)這樣控制，在負(fù)載電阻上便得到每半波缺α角的正弦電壓；單相交流調(diào)壓電路6.1.1圖6.1.1電阻性負(fù)載時(shí)單向交流電壓電路及輸出電壓波形

改變?chǔ)两堑拇笮?，便改變了輸出電壓有效值的大小?、電阻性負(fù)載工作原理：1）電源正半周：晶閘管T1承受正向電壓，當(dāng)ωt=α?xí)r，觸發(fā)T436.1.1單相交流調(diào)壓電路

電阻性負(fù)載數(shù)量關(guān)系：（6.1.1）

負(fù)載電壓的有效值

負(fù)載電流的有效值（6.1.2）

調(diào)壓器的功率因數(shù)

（6.1.3）

圖6.1.1電阻性負(fù)載時(shí)單向交流電壓電路及輸出電壓波形

總結(jié)：隨著α角的增大，U0逐漸減小。當(dāng)α=π時(shí)，U0=0。因此，單相交流電壓器對(duì)于電阻性負(fù)載，其電壓可調(diào)范圍為0～U，控制角α的移相范圍為0～π。6.1.1單相交流調(diào)壓電路電阻性負(fù)載數(shù)量關(guān)系：（44單相交流調(diào)壓電路帶電阻負(fù)載時(shí)，輸出電壓波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以不含直流分量和偶次諧波，故6.1.1單相交流調(diào)壓電路

電阻性負(fù)載諧波分析：基波和各次諧波有效值：負(fù)載電流基波和各次諧波有效值：在上面關(guān)于諧波的表達(dá)式中n=1為基波，n=3,5,7,…為奇次諧波。隨著諧波次數(shù)n的增加，諧波含量減少。(6.1.4)(n=3,5,7,…)單相交流調(diào)壓電路帶電阻負(fù)載時(shí)，輸出電壓波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以456.1.1單相交流調(diào)壓電路感性負(fù)載（R-L負(fù)載）圖6.1.2帶阻感負(fù)載單向交流調(diào)壓電路及輸出波形

單相交流電壓器帶阻感負(fù)載時(shí)，工作情況同可控整流電路帶電感負(fù)載相似；當(dāng)電源電壓反向過零時(shí)，負(fù)載電感產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻止電流的變化，故電流不能立即為零；晶閘管的導(dǎo)通角θ的大小與控制角a、負(fù)載阻抗角φ都有關(guān)。6.1.1單相交流調(diào)壓電路感性負(fù)載（R-L負(fù)載）圖6.1.466.1.1單相交流調(diào)壓電路

阻感負(fù)載的工作情況分析：

晶閘管VT1導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流Io滿足：

(6.1.5)

式中

利用邊界條件：，i0=0

可求得θ：(6.1.6)

（θ為晶閘管的導(dǎo)通角）VT2導(dǎo)通時(shí)，上述關(guān)系完全相同，只是iO相差1800

圖（6.1.3)單相交流調(diào)壓器以φ為參變量時(shí)θ與a的關(guān)系曲線6.1.1單相交流調(diào)壓電路阻感負(fù)載的工作情況分析：晶閘476.1.1

1、α>ф，導(dǎo)通角θ?1800，正負(fù)半波電流斷續(xù)。α愈大，θ愈小，波形斷續(xù)愈嚴(yán)重。負(fù)載電壓的有效值UO、晶閘管電流平均值IdT、電流有效值IT以及負(fù)載電流有效值IO分別為：(6.1.7)

(6.1.8)(6.1.10)(6.1.9)單相交流調(diào)壓電路調(diào)壓電路的工作情況（α>ф

、

α=ф、α<ф）6.1.11、α>ф，導(dǎo)通角θ?1800，正負(fù)半波電流486.1.1單相交流調(diào)壓電路2、α=ф可得：θ=1800

此時(shí)，晶閘管輪流導(dǎo)通，相當(dāng)于晶閘管被短接。負(fù)載電流處于連續(xù)狀態(tài)，為完全的正弦波。

由調(diào)壓電路的工作情況（α>ф

、α=ф、α<ф）(6.1.11)

6.1.1單相交流調(diào)壓電路2、α=ф可得：θ=1800496.1.1單相交流調(diào)壓電路

圖（6.1.4）窄脈沖觸發(fā)時(shí)的工作波形

θ＞18001）如果采用窄脈沖觸發(fā)，會(huì)出現(xiàn)先觸發(fā)的一只晶閘管導(dǎo)通，而另一只管子在電流下降為零時(shí)，因其門極脈沖已經(jīng)消失不能導(dǎo)通的失控現(xiàn)象?；芈分袑⒊霈F(xiàn)很大的直流電流分量，無法維持電路的正常工作。2）采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)，使第二個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角θ<π。隨后T1導(dǎo)通角逐漸減小，T2逐漸增大，最終使兩個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角θ=1800達(dá)到平衡。解決失控現(xiàn)象。

3、α<ф調(diào)壓電路的工作情況（α>ф

、

α=ф、α<ф）6.1.1單相交流調(diào)壓電路圖（6.1.4）θ＞1506.1.1單相交流調(diào)壓電路

圖（6.1.4）窄脈沖觸發(fā)時(shí)的工作波形

總結(jié)：當(dāng)時(shí)，并采用寬脈沖觸發(fā)，負(fù)載電壓、電流總是完整的正弦波，改變控制角a,負(fù)載電壓、電流的有效值不變，即電路失去交流調(diào)壓的作用。在電感負(fù)載時(shí)，要實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓的目的，則最小控制角（負(fù)載的功率因數(shù)角）。所以的移相范圍為φ～1800

6.1.1單相交流調(diào)壓電路圖（6.1.4）516.1.1單相交流調(diào)壓電路

1）電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相同，也只含3、5、7…等次諧波；2）隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少；3）和電阻負(fù)載時(shí)相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量少一些；4）a角相同時(shí)，隨著阻抗角的增大，諧波含量有所減少；單相交流電壓器帶阻感負(fù)載時(shí)電流諧波分析：

6.1.1單相交流調(diào)壓電路1）電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相526.1.2三相交流調(diào)壓電路

1、三相四線制調(diào)壓電路特點(diǎn)：

圖6.1.5(a)三相四線制調(diào)壓電路1）相當(dāng)于三個(gè)獨(dú)立的單相交流調(diào)壓電路組合而成的；2）存在中性線，但是3次諧波在中線中的電流大，故中線的導(dǎo)線截面要求與相線一致；3）晶閘管的門極觸發(fā)脈沖信號(hào)，同相間兩管的觸發(fā)脈沖要互差180°。4）各晶閘管導(dǎo)通順序?yàn)門1～T6，依次滯后間隔60°；5）因存在中線，可采用窄脈沖觸發(fā)；

6.1.2三相交流調(diào)壓電路1、三相四線制調(diào)壓電路特點(diǎn)：536.1.2三相交流調(diào)壓電路

1、三相四線制調(diào)壓電路特點(diǎn)：

圖6.1.5(a)三相四線制調(diào)壓電路

6）該電路工作時(shí)，零線上諧波電流較大，含有三次諧波，控制角a=90°時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。若變壓器采用三柱式結(jié)構(gòu)，則三次諧波磁通不能在鐵心中形成通路，產(chǎn)生較大的漏磁通，引起發(fā)熱和噪音。

7）該電路中晶閘管上承受的峰值電壓為(為線電壓)。6.1.2三相交流調(diào)壓電路1、三相四線制調(diào)壓電路特點(diǎn)：546.1.2三相交流調(diào)壓電路

2、三相三線制交流調(diào)壓電路的特點(diǎn)：

圖6.1.5(b)三相三線制交流調(diào)壓電路1）每相電路必須通過另一相形成回路；2）負(fù)載接線靈活，且不用中性線；3）晶閘管的觸發(fā)電路必須是雙脈沖，或者是寬度大于600的單脈沖；4）觸發(fā)脈沖順序和三相全控橋一樣，為T1～T6，依次間隔600；

5）電壓過零處定為控制角的起點(diǎn)，a角移相范圍是0°～150°；6)輸出諧波含量低,無3倍次諧波；

6.1.2三相交流調(diào)壓電路2、三相三線制交流調(diào)壓電路556.1.2三相交流調(diào)壓電路

圖6.1.6(a)a=30°時(shí)負(fù)載相電壓波形(1)0°≤a<60°時(shí)，三個(gè)晶閘管導(dǎo)通與兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180°－a

。但a=0°時(shí)一直是三管導(dǎo)通，3、三相三線制交流調(diào)壓電路改變a，電路中晶閘管的導(dǎo)電模式：圖6.1.6(a)所示a=30°時(shí)的負(fù)載電壓波形。6.1.2三相交流調(diào)壓電路圖6.1.6(a)a=566.1.2三相交流調(diào)壓電路

圖6.1.6(b)a=60°時(shí)負(fù)載相電壓波形(2)60°≤a<90°時(shí)，兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120°；3、三相三線制交流調(diào)壓電路改變a，電路中晶閘管的導(dǎo)電模式：圖5.1.6(b)所示為a=60°時(shí)負(fù)載電壓波形。6.1.2三相交流調(diào)壓電路圖6.1.6(b)a=576.1.2三相交流調(diào)壓電路

圖6.1.6(c)a=120°時(shí)負(fù)載相電壓波形

(3)90°≤a<150°時(shí)，兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為300°－2a，3、三相三線制交流調(diào)壓電路改變a，電路中晶閘管的導(dǎo)電模式：圖6.1.6(c)所示為a=120°時(shí)的負(fù)載電壓波形。6.1.2三相交流調(diào)壓電路圖6.1.6(c)a=586.2交流調(diào)功電路1、與調(diào)壓電路的比較：同電路形式完全相同

異控制方式不同：以交流電源周波數(shù)為控制單位,對(duì)電路通斷進(jìn)行控制，改變通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。

應(yīng)用

電爐的溫度控制

交流調(diào)功電路直接調(diào)節(jié)對(duì)象是電路的平均輸出功率；

控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)很大，以周波數(shù)為單位控制；晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻為電源電壓過零的時(shí)刻，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對(duì)電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。6.2交流調(diào)功電路1、與調(diào)壓電路的比較：同電路形式完全相596.2交流調(diào)功電路

2、電阻負(fù)載時(shí)的工作情況：

控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后M－N個(gè)周期關(guān)斷；

負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期；

M=3、N=2時(shí)的電路波形。

圖6.2.1交流調(diào)功電路典型波形6.2交流調(diào)功電路2、電阻負(fù)載時(shí)的工作情況：控制周期606.2交流調(diào)功電路

3、諧波分析：圖6.2.2為以控制周期為基準(zhǔn)的交流調(diào)功電路的頻譜圖，In為n次諧波有效值，Io為導(dǎo)通時(shí)電路電流幅值；

圖6.2.2交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)

電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。6.2交流調(diào)功電路3、諧波分析：圖6.2.2為以控616.3交流電力電子開關(guān)

1）作用將晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路代替機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用；

2）優(yōu)點(diǎn)

3）特點(diǎn)（與交流調(diào)功電路的區(qū)別）

只控制通斷，并不控制電路的平均輸出功率沒有明確的控制周期，只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開控制頻度通常比交流調(diào)功電路低1）響應(yīng)速度快、無觸點(diǎn)壽命長、可頻繁控制通斷；2）控制晶閘管總是在電流過零時(shí)關(guān)斷，在關(guān)斷時(shí)不會(huì)因負(fù)載或線路電感存儲(chǔ)能量而造成過電壓和電磁干擾；

6.3交流電力電子開關(guān)1）作用將晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路626.3交流電力電子開關(guān)

晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）

圖6.3.1TSC基本原理圖

1）代替機(jī)械開關(guān)投切電容器，對(duì)電網(wǎng)無功進(jìn)行控制2）提高功率因數(shù)、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、改善用電質(zhì)量3）是一種很好的無功補(bǔ)償方式

◆特點(diǎn)：6.3交流電力電子開關(guān)晶閘管投切電容器（Thyristor636.3交流電力電子開關(guān)◆1、電路結(jié)構(gòu)和工作原理（晶閘管反并聯(lián)）

圖6.3.1TSC基本原理圖

2）反并聯(lián)的晶閘管控制C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開，如圖6.3.1（a）。

1）實(shí)際常用三相TSC，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。3）串聯(lián)電感很小，用來抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)的沖擊電流。4）為避免電容器組投切造成較大電流沖擊，一般把電容器分成幾組，如圖6.3.1(b)所示，可根據(jù)電網(wǎng)對(duì)無功的需求而改變投入電容器的容量。電路特點(diǎn)：6.3交流電力電子開關(guān)◆1、電路結(jié)構(gòu)和工作原理（晶閘管反并646.3交流電力電子開關(guān)圖6.3.3晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC1）由于二極管的作用，在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值；2）二極管不可控，響應(yīng)速度要慢一些，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。◆1、電路結(jié)構(gòu)和工作原理（晶閘管和二極管反并聯(lián)）電路特點(diǎn)：6.3交流電力電子開關(guān)圖6.3.3晶閘管和二極管反并聯(lián)方656.3交流電力電子開關(guān)◆2、晶閘管投切時(shí)間的選擇

1）選擇原則：投入時(shí)刻交流電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，防止沖擊電流。

2）理想選擇：理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。圖6.3.3TSC理想投切時(shí)刻原理說明6.3交流電力電子開關(guān)◆2、晶閘管投切時(shí)間的選擇1）666.4交－交變頻電路

交－交變頻電路是不通過中間直流環(huán)節(jié)而把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成不同頻率（低于交流電源頻率）交流電的變流電路。

主要用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

1）定義2）應(yīng)用圖6.4.2

單相交流輸入時(shí)交－交變頻電路的波形圖6.4交－交變頻電路交－交變頻電路是不通過中間直流環(huán)節(jié)而676.4.1單相輸出交－交變頻電路1、電路結(jié)構(gòu)和工作原理

◆1）電路結(jié)構(gòu)

由具有相同特征的兩組晶閘管整流電路（正組整流器和反組整流器）反并聯(lián)構(gòu)成；圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路

◆2）工作原理

圖6.4.2

單相交流輸入時(shí)交－交變頻電路的波形圖

正組整流器工作，反組整流器被封鎖，負(fù)載端輸出電壓為上正下負(fù)；

負(fù)組整流器工作，正組整流器被封鎖，負(fù)載端得到輸出電壓上負(fù)下正；

以低于電源的頻率切換正反組整流器的工作狀態(tài),在負(fù)載端就可獲得交變的輸出電壓；（如圖6.4.2

）晶閘管的開通與關(guān)斷必須采用無環(huán)流控制方式，防止兩組晶閘管橋同時(shí)導(dǎo)通；6.4.1單相輸出交－交變頻電路1、電路結(jié)構(gòu)和工作原理686.4.1單相輸出交－交變頻電路

3）電路控制特點(diǎn)：

（1）一個(gè)周期內(nèi)控制角a固定不變時(shí)，輸出電壓為含有大量的諧波矩形波,(如圖6.4.2)對(duì)電機(jī)的工作很不利圖6.4.2

單相交流輸入時(shí)交－交變頻電路的波形圖

圖6.4.3交－交變頻電路的波形圖（a變化）

（2）為了讓輸出電壓波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對(duì)a進(jìn)行調(diào)制。

正組工作的半個(gè)周期內(nèi)讓控制角a按正弦規(guī)律從90°逐漸減小到0°，然后逐漸增加到90°。正組整流電流的輸出電壓的平均值就按正弦規(guī)律變化，從零增大到最大,然后從最大減小到零。反組工作的半個(gè)周期內(nèi)采用上述同樣的控制方法，就可以得到接近正弦波的輸出電壓。如圖6.4.36.4.1單相輸出交－交變頻電路3）電路控制特點(diǎn)：（1）696.4.1單相輸出交－交變頻電路

2、變頻電路的工作過程（電感性負(fù)載）

對(duì)于電感性負(fù)載，輸出電壓超前電流。

一個(gè)周期可以分為六個(gè)階段

第一階段：輸出電壓過零，u0為正，i0<0，反組整流器工作在有源逆變狀態(tài)，正組整流器被封鎖；圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路圖6.4.4交-交變頻電路電感性負(fù)載時(shí)的輸出電壓和電流波形6.4.1單相輸出交－交變頻電路2、變頻電路的工作過程（706.4.1單相輸出交－交變頻電路

2、變頻電路的工作過程（