北京交通大學(xué)電力電子技術(shù)第09章交流調(diào)壓和交交變頻電路

1、第九章 交流調(diào)壓和交交變頻電路本章內(nèi)容9.1概述9.2單相交流調(diào)壓電路9.3三相交流調(diào)壓電路9.4 三相交交變頻電路9 . 1概述 交交變換電路分為：交流電力控制電路：只改變輸出電壓、輸出電流、輸出功率或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，不改變輸出頻率交交變頻電路：輸出電壓、輸出電流和輸出頻率都改變1、交流電力控制電路基本類型基本電路單元：反并聯(lián)的功率開關(guān)基本類型按控制方式分為： 交流調(diào)壓電路、交流調(diào)功電路、交流電力電子開關(guān)和交流斬波調(diào)壓電路（1）交流調(diào)壓電路：采用相位控制方式，以控制交流輸出電壓的有效值為目的 主要應(yīng)用：燈光控制 異步電動機(jī)軟起動器 無功調(diào)節(jié)（補(bǔ)償）電路晶閘管控制電抗器型無功補(bǔ)償裝置單線

2、原理圖（2）交流調(diào)功電路： 采用周期控制方式，以控制交流輸出功率的平均值為目的 主要應(yīng)用：導(dǎo)通比 D = n / m 交流調(diào)功電路輸出電壓波形（a）固定周期控制（b）可變周期控制爐溫控制、電加熱等大慣性場合（3）交流電力電子開關(guān)：采用通斷控制方式 其作用相當(dāng)于無觸點(diǎn)的交流接觸器 主要應(yīng)用：無功補(bǔ)償 無觸點(diǎn)開關(guān) TSC基本原理圖（a）基本電路單元（b）分組投切簡圖TSC運(yùn)行特性曲線（4）交流斬波調(diào)壓電路：采用斬波控制方式，以控制交流輸出電壓的有效值為目的 2、交交變頻電路基本類型及其應(yīng)用交交變頻電路主要用于大功率、低轉(zhuǎn)速三相交流電機(jī)調(diào)速，因此其電路一般采用三相輸入、三相輸出的電路形式，簡稱為三相

3、交交變頻電路 三相交交變頻電路的基本類型按整流單元形式分：三相零式、三相橋式電路 按工作方式分：有環(huán)流、無環(huán)流電路 其它類型的相交交變頻電路：如三倍倍頻電路、負(fù)載換流的倍頻電路、矩陣式交交變頻電路等9 . 2單相交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路的基本形式1、反并聯(lián)電路 輸出波形對稱，負(fù)載 電流無直流分量 適用范圍廣 ，應(yīng)用最 廣泛此電路應(yīng)重點(diǎn)掌握2、混合反并聯(lián)電路 控制電路相對簡單 輸出波形不對稱，存在直流分量只適用于無變壓器的小容量交流系統(tǒng)3、二極管橋式電路 4、 混合橋式電路 輸出波形對稱，晶閘管不承受反向電壓，但 使用元件數(shù)量較多 二、電阻負(fù)載工況分析（以反并聯(lián)電路為例）單相交流調(diào)壓電路

4、（電阻負(fù)載）1、工作原理正半周控制T1導(dǎo)通，負(fù)半周控制T2導(dǎo)通，在電源電壓的過零點(diǎn)T1 （或T2 ）自然關(guān)斷。輸出電流與輸出電壓同相位調(diào)節(jié)觸發(fā)角（控制角） 便可控制輸出電壓移相范圍：0 單相交流調(diào)壓電路（電阻負(fù)載）波形二、電阻負(fù)載工況分析（續(xù)）2、基本電量關(guān)系（各電量參數(shù)與的關(guān)系）交流輸出電壓有效值 負(fù)載電流有效值 晶閘管電流平均值晶閘管電流有效值 晶閘管通態(tài)平均電流電源側(cè)功率因數(shù)三、感性負(fù)載工況分析（以反并聯(lián)電路為例）負(fù)載阻抗角=arctan(L / R )（一） 工況分析1、工作原理及特點(diǎn)輸出電流滯后輸出電壓，且不連續(xù)導(dǎo)通角 、 輸出電壓、輸出電流波形與、有關(guān)調(diào)節(jié)觸發(fā)角（控制角） 便可控制

5、輸出電壓單相交流調(diào)壓電路（電感負(fù)載）和波形圖（ 工況）2、以 為參變量，與的關(guān)系曲線 當(dāng)=0（電阻性負(fù)載）時： =180- 當(dāng) 0（感性負(fù)載）時： 當(dāng)時，=180 當(dāng)時，隨著的的增加而減小3、基本電量關(guān)系（各電量參數(shù)與的關(guān)系）輸出電壓有效值 負(fù)載電流有效值 其中：I0max為在=0 ，=時，負(fù)載電流的最大有效值IT*為晶閘管電流有效值的標(biāo)幺值晶閘管電流有效值4、以 為參變量， IT* 與的關(guān)系曲線 當(dāng)、已知時，可由該曲線查出晶閘管電流標(biāo)幺值，進(jìn)而求出負(fù)載電流有效值I0及晶閘管電流有效值IT （二） =工況分析特點(diǎn)導(dǎo)通角=180，負(fù)載電流i0連續(xù) ，無調(diào)壓作用 （三） 180電路不能正常工作寬脈

6、沖觸發(fā)：=180電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，相當(dāng)于=工況，無調(diào)壓作用 帶感性負(fù)載時，要求1800并采用寬脈沖觸發(fā) 9 . 3三相交流調(diào)壓電路一、三相交流調(diào)壓電路的基本形式1、反并聯(lián)電路 輸出波形對稱負(fù)載電流中不包含三次及 三的倍數(shù)次諧波 負(fù)載連接形式可以是形 或形適用范圍廣 ，應(yīng)用最廣泛 此電路應(yīng)重點(diǎn)掌握2、混合反并聯(lián)電路負(fù)載電流中不包含三次及三的倍數(shù)次諧波 負(fù)載連接形式可以是形 或形輸出波形不對稱，負(fù)載電流中存在偶次諧波分量3、 形負(fù)載內(nèi)接反并聯(lián)電路 相當(dāng)于由三個單相反并聯(lián)交流調(diào)壓電路組合而成 輸出波形對稱晶閘管承受電源線電壓，對器件的耐壓要求較高 只適用于形負(fù)載4、 形負(fù)載內(nèi)接 形反并聯(lián)電路 輸出波形

7、對稱晶閘管承受電源線電壓，對器件的耐壓要求較高 晶閘管接在負(fù)載后面 ，受電源浪涌電壓的影響較小只適用于Y形負(fù)載5、 形負(fù)載內(nèi)接三個可控元件電路 輸出波形不對稱，負(fù)載電流中存在偶次諧波分量只適用于Y形負(fù)載電路較簡單，在小容量三相負(fù)載中有一定的應(yīng)用二、三相反并聯(lián)交流調(diào)壓電路的分析（一）控制原則（or對觸發(fā)系統(tǒng)的要求） 相電壓過零點(diǎn)定為的起點(diǎn)， 角移相范圍是0 150 觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為T1 T6,依次相差60 相電流通路中至少有兩個晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)（二）電阻負(fù)載下典型波形分析波形分析要點(diǎn) 三相導(dǎo)通時，電路處于平衡工作狀態(tài)，負(fù)載上的相電壓波形等于電源相電壓，各

8、相晶閘管在該相相電壓過零點(diǎn)時關(guān)斷 兩相導(dǎo)通時，導(dǎo)通相的負(fù)載相電壓等于兩相之間電源線電壓的一半，未導(dǎo)通相的負(fù)載電壓為零，導(dǎo)通的晶閘管在線電壓的過零點(diǎn)時關(guān)斷 應(yīng)將每半個周期分成若干個區(qū)間來分析負(fù)載電壓波形，區(qū)間分隔點(diǎn)一般取電壓過零點(diǎn)和脈沖觸發(fā)時刻1、=0工況 電路處于自然工作狀態(tài) ，任何時刻都有三個晶閘管同時導(dǎo)通 晶閘管的導(dǎo)通角為180 輸出電壓始終等于電源相電壓，即： uao = uA 此工況三相導(dǎo)通！特例！2、=30工況 t =0時，uA過零，T4關(guān)斷， B、C相導(dǎo)通 ，uao = 0 t =30時，T1觸發(fā)導(dǎo)通，A、 B、C三相導(dǎo)通，uao = uA t =60時， uC過零，T5關(guān)斷， A

9、、B相導(dǎo)通 ， uao = uAB /2 t =90時，T2觸發(fā)導(dǎo)通，A、 B、C三相導(dǎo)通，uao = uA t =120時， uB過零，T6關(guān)斷， A、 C相導(dǎo)通， uao = uAC /2 t =150時，T3觸發(fā)導(dǎo)通，A、 B、C三相導(dǎo)通，uao = uA t =180時，uA過零，T1關(guān)斷，B、C相導(dǎo)通 ，uao = 0 ，正半周期結(jié)束 此工況兩相、三相交替導(dǎo)通3、=60工況t =0時， uA過零， T4關(guān)斷，同時T6觸發(fā)，B、C相導(dǎo)通 ，uao = 0 t =60時， uC過零， T5關(guān)斷，同時T1觸發(fā)，A、B相導(dǎo)通，uao = uAB /2 t =120時， uB過零， T6關(guān)斷，

10、同時T2觸發(fā)，A、C相導(dǎo)通， uao = uAC /2 t =180時， uA過零， T1關(guān)斷，同時T3觸發(fā)，B、C相導(dǎo)通 ，uao = 0，正半周期結(jié)束此工況只有兩相導(dǎo)通！ 4、=90工況 t =0時， T4、T5延續(xù)導(dǎo)通，A、C相導(dǎo)通工作 ，uao = uAC /2 t =30時，uAC過零， T4關(guān)斷； T6觸發(fā)，同時T5仍然觸發(fā)， B、C相導(dǎo)通，uao = 0t =90時，uBC過零 ， T5關(guān)斷；T1觸發(fā)，同時T6仍然觸發(fā)， A、B相導(dǎo)通，uao = uAB /2 t =150時，uAB過零 ， T6關(guān)斷； T2觸發(fā)，同時T1仍然觸發(fā)， A、C相導(dǎo)通，uao = uAC /2 t =

11、210時，uAC過零 ，T1關(guān)斷，uao = 0此工況也只有兩相導(dǎo)通5、=120 工況t =0時，T5觸發(fā)，同時T4仍然觸發(fā)， A、C相導(dǎo)通 ，uao = uAC /2 t =30時，uAC過零， T4 、T5同時關(guān)斷， 無SCR導(dǎo)通 ，uao = 0t =60時，T6觸發(fā)，同時T5仍然觸發(fā)， B、C相導(dǎo)通 ， uao = 0t =90時，uBC過零 ， T5 、T6同時關(guān)斷，無SCR導(dǎo)通 ， uao = 0t =120時，T1觸發(fā)，同時T6仍然觸發(fā)， A、B相導(dǎo)通，uao = uAB /2 t =150時，uAB過零 ， T1 、T6同時關(guān)斷， 無SCR導(dǎo)通 ，uao = 0t =180時，

12、T2觸發(fā)，同時T1仍然觸發(fā)， A、C相導(dǎo)通，uao = uAC /2 ，正半周期結(jié)束t =210時，uAC過零 ， T1 、T2同時關(guān)斷 ，無SCR導(dǎo)通 ，uao = 0此工況兩相導(dǎo)通狀態(tài)和無SCR導(dǎo)通狀態(tài)交替出現(xiàn)電阻負(fù)載下波形分析總結(jié)移相范圍： 0 1500 60范圍內(nèi)電路處于兩相、三相交替工作狀態(tài)每個晶閘管導(dǎo)通角度為180 - 6090范圍內(nèi)任一時刻都是兩相工作每個晶閘管導(dǎo)通角度為120 90 0；負(fù)組工作時，i0 0。正、負(fù)組變流器交替工作輸出交流電改變正、負(fù)組變流電路的交替切換頻率：可改變交流輸出電壓的頻率、工作原理：改變正、負(fù)組變流電路的控制角：可改變交流輸出電壓的幅值為使uo波形接

13、近正弦波，可按正弦規(guī)律對角進(jìn)行調(diào)制：在半個周期內(nèi)讓P組角按一定規(guī)律從90減到0或某個值，再增加到90，每個控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零。另外半個周期可對N組進(jìn)行同樣的控制uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波三、輸出電壓的控制余弦交點(diǎn)法控制 交交變頻器的每相輸出電壓波形是由各段整流電壓拼接而成的，各段整流電壓 ：若讓各段整流電壓在時間上按正弦分布，交交變頻器的每相輸出電壓便接近正弦，即式中：U0m所要求的交流輸出電壓的幅值 0所要求的交流輸出 電壓的頻率余弦交點(diǎn)法：將具有所要求的交流輸出電壓頻率和幅值的調(diào)制信

14、號(Msin 0 t ) 與一組余弦信號相比較，在兩者的處產(chǎn)生各晶閘管的觸發(fā)脈沖改變調(diào)制信號的頻率和幅值，可控制輸出電壓的頻率和大小四、輸入功率因數(shù) 交交變頻電路的基本組成單元是可控整流電路，其輸入側(cè)相位移因數(shù)與控制角之間的關(guān)系為： 在一個輸出周期中，控制角在1800之間變化，因此各段電壓所對應(yīng)的瞬時相位移因數(shù)在之間變化，平均相位移因數(shù)比較低 輸出電壓越低，則平均相位移因數(shù)也越低 輸出頻率越高，輸出電壓中所包含的電壓段數(shù)則越少，畸變越嚴(yán)重f0 / fi = 1/2 時，半周期內(nèi)有 6 脈波，諧波大f0 / fi = 1/3 時，半周期內(nèi)有 9 脈波，諧波較小f0 / fi = 1/6 時，半周

15、期內(nèi)有 18 脈波，諧波小為了減小諧波含量， 降低負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動， 應(yīng)保證 f0 / fi 1 / 3 ， 即 f0 16.7 Hz 輸入功率因數(shù)低是交交變頻器的一個主要缺點(diǎn)輸出頻率與電源頻率不同時的電壓波形五、交交變頻器的特點(diǎn)（與交直交變頻器相比）1、優(yōu)點(diǎn)：無中間直流環(huán)節(jié)，損耗小，效率高采用電源自然換相，不需強(qiáng)迫換流電路，開關(guān)器件采用晶閘管，以利于大功率應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)能量反饋，使電機(jī)作四象限運(yùn)行低頻運(yùn)行時，諧波含量小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動低 因此，適用于大功率、低速交流傳動領(lǐng)域2、交交變頻器的缺點(diǎn)：晶閘管元件數(shù)量多，成本高，控制復(fù)雜最高輸出頻率受限制， f0 / fi 1 / 3 輸入側(cè)功率因數(shù)低，特別

16、是當(dāng)輸出電壓較低時，功率因數(shù)很低下列說法是否正確？、交流電力控制電路可以改變輸出電壓、電流和頻率。、交流調(diào)壓電路用于對電路的通斷進(jìn)行控制。、在交流電力控制電路中，交流調(diào)功電路最適合于用作調(diào)光臺燈電路。、交流電力控制電路包括交流調(diào)壓、交流調(diào)功和交交變頻等電路。、單相晶閘管交流調(diào)壓電路接電感性負(fù)載： 晶閘管通常采用寬脈沖觸發(fā) 控制角的移相范圍是：0180 隨著控制角增大，功率因數(shù)減小 隨著控制角增大，輸出電壓增大 課 堂 思 考 、晶閘管交變頻電路： 一般采用PWM方式工作 可四象限運(yùn)行 與交直交變頻電路相比輸入側(cè)功率因數(shù)較高 適合于低速大功率交流調(diào)速系統(tǒng) 若負(fù)載功率因數(shù)為，則交流輸入功率因數(shù)也為 輸出頻率越高，輸出電壓波形質(zhì)量越好 輸出電壓越高，功率因數(shù)越高 本章小結(jié)1、交流交流變換電路的分類及其基本概念2、單相交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)、工作原理，帶感性負(fù)載時對觸發(fā)脈沖的要求3、三相交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)、工作原理4、交交變頻電路的結(jié)構(gòu)、工作原理6、交交變頻電路與交直交變頻電路的特點(diǎn)比較習(xí) 題9-1 某單相交流調(diào)壓電路的負(fù)載為調(diào)光臺燈（可看作純電阻），設(shè)該電路在=0時