北京交通大學電力電子技術第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 主要應用：燈光控制 異步電動機軟起動器 無功調(diào)節(jié)（補償）電路晶閘管控制電抗器型無功補償裝置單線

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 主要應用：導通比 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：采用通斷控制方式 其作用相當于無觸點的交流接觸器 主要應用：無功補償 無觸點開關 TSC基本原理圖（a）基本電路單元（b）分組投切簡圖TSC運行特性曲線（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用交交變頻電路主要用于大功率、低轉(zhuǎn)速三相交流電機調(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，負載 電流無直流分量 適用范圍廣 ，應用最 廣泛此電路應重點掌握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、（電阻負載）1、工作原理正半周控制T1導通，負半周控制T2導通，在電源電壓的過零點T1 （或T2 ）自然關斷。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（電阻負載）波形二、電阻負載工況分析（續(xù)）2、基本電量關系（各電量參數(shù)與的關系）交流輸出電壓有效值 負載電流有效值 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、感性負載工況分析（以反并聯(lián)電路為例）負載阻抗角=arctan(L / R )（一） 工況分析1、工作原理及特點輸出電流滯后輸出電壓，且不連續(xù)導通角 、 輸出電壓、輸出電流波形與、有關調(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（電感負載）和波形圖（ 工況）2、以 為參變量，與的關系曲線 當=0（電阻性負載）時： =180- 當 0（感性負載）時： 當時，=180 當時，隨著的的增加而減小3、基本電量關系（各電量參數(shù)與的關系）輸出電壓有效值 負載電流有效值 其中：I0max為在=0 ，=時，負載電流的最大有效值IT*為晶閘管電流有效值的標幺值晶閘管電流有效值4、以 為參變量， IT* 與的關系曲線 當、已知時，可由該曲線查出晶閘管電流標幺值，進而求出負載電流有效值I0及晶閘管電流有效值IT （二） =工況分析特點導通角=180，負載電流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電路達到穩(wěn)態(tài)時，相當于=工況，無調(diào)壓作用 帶感性負載時，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 輸出波形對稱負載電流中不包含三次及 三的倍數(shù)次諧波 負載連接形式可以是形 或形適用范圍廣 ，應用最廣泛 此電路應重點掌握2、混合反并聯(lián)電路負載電流中不包含三次及三的倍數(shù)次諧波 負載連接形式可以是形 或形輸出波形不對稱，負載電流中存在偶次諧波分量3、 形負載內(nèi)接反并聯(lián)電路 相當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 只適用于形負載4、 形負載內(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 晶閘管接在負載后面 ，受電源浪涌電壓的影響較小只適用于Y形負載5、 形負載內(nèi)接三個可控元件電路 輸出波形不對稱，負載電流中存在偶次諧波分量只適用于Y形負載電路較簡單，在小容量三相負載中有一定的應用二、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） 相電壓過零點定為的起點， 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，應采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)（二）電阻負載下典型波形分析波形分析要點 三相導通時，電路處于平衡工作狀態(tài)，負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時關斷 兩相導通時，導通相的負載相電壓等于兩相之間電源線電壓的一半，未導通相的負載電壓為零，導通的晶閘管在線電壓的過零點時關斷 應將每半個周期分成若干個區(qū)間來分析負載電壓波形，區(qū)間分隔點一般取電壓過零點和脈沖觸發(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通 晶閘管的導通角為180 輸出電壓始終等于電源相電壓，即： uao = uA 此工況三相導通！特例！2、=30工況 t =0時，uA過零，T4關斷， B、C相導通 ，uao = 0 t =30時，T1觸發(fā)導通，A、 B、C三相導通，uao = uA t =60時， uC過零，T5關斷， A

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

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

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

12、T2觸發(fā)，同時T1仍然觸發(fā)， A、C相導通，uao = uAC /2 ，正半周期結(jié)束t =210時，uAC過零 ， T1 、T2同時關斷 ，無SCR導通 ，uao = 0此工況兩相導通狀態(tài)和無SCR導通狀態(tài)交替出現(xiàn)電阻負載下波形分析總結(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通角度為120 90 0；負組工作時，i0 0。正、負組變流器交替工作輸出交流電改變正、負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， 降低負載轉(zhuǎn)矩脈動， 應保證 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（與交直交變頻器相比）1、優(yōu)點：無中間直流環(huán)節(jié)，損耗小，效率高采用電源自然換相，不需強迫換流電路，開關器件采用晶閘管，以利于大功率應用可以實現(xiàn)能量反饋，使電機作四象限運行低頻運行時，諧波含量小，負載轉(zhuǎn)矩脈動低 因此，適用于大功率、低速交流傳動領域2、交交變頻器的缺點：晶閘管元件數(shù)量多，成本高，控制復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比較習 題9-1 某單相交流調(diào)壓電路的負載為調(diào)光臺燈（可看作純電阻），設該電路在=0時