直流斬波與交流電力控制電路

第3章直流斬波電路與

交流電力控制電路3.1

DC–DC變換電路概述3.2非隔離型DC–DC變換電路3.3隔離型DC–DC變換電路*3.4交流電力控制電路13.1

DC–DC變換電路概述3.1.1DC–DC變換電路的功能及其應(yīng)用3.1.2DC–DC變換電路的分類3.1.3DC–DC電路開關(guān)器件的選用3.1.4DC–DC電路開關(guān)器件的控制方式

23.1.1DC–DC變換電路的功能及其應(yīng)用城市無軌電車、軌道交通中的地鐵直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。工廠廠區(qū)內(nèi)以及旅游景區(qū)中的電瓶車驅(qū)動(dòng)用直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。（1）功能DC－DC變換電路是利用開關(guān)器件的通斷控制，直接實(shí)現(xiàn)直流電壓平均值的改變（降低或升高）。由于控制方式為通斷控制，故又被稱為直流斬波電路。間接的直流變換電路一般是指DC－AC－DC電路。（2）應(yīng)用33.1.2DC–DC變換電路的分類非隔離型DC－DC變換電路降壓型斬波電路升壓型斬波電路混合型（即可升壓又可降壓）斬波電路隔離型DC－DC變換電路（1）根據(jù)輸入與輸出間的聯(lián)系不同分為兩大類其中最為基本的是降壓型與升壓型斬波電路。正激型斬波電路反激型斬波電路推挽型斬波電路半橋型斬波電路全橋型斬波電路（2）重點(diǎn)掌握非隔離型DC－DC變換電路43.1.3DC–DC電路開關(guān)器件的選用早年均采用晶閘管作為開關(guān)器件。但是晶閘管需要專門為其設(shè)置關(guān)斷的輔助電路，控制相對(duì)復(fù)雜且開關(guān)頻率較低。目前較多采用開關(guān)頻率較高的全控型器件，如IGBT。提高器件的開關(guān)頻率對(duì)減少低頻諧波分量十分有益。另外高頻化還可縮小裝置體積，減小裝置重量。53.1.4DC–DC電路開關(guān)器件的控制方式開通時(shí)間：ton

關(guān)斷時(shí)間：toff開關(guān)周期：T=ton+toff

開關(guān)頻率：f=1?T導(dǎo)通比（占空比）：D=ton?T

定頻調(diào)寬：T不變而ton

改變，又稱為脈寬調(diào)制。定寬調(diào)頻：ton

不變而T改變，又稱為頻率調(diào)制。調(diào)寬調(diào)頻：T與ton

均改變，因控制相對(duì)復(fù)雜，故一般較少采用。（1）相關(guān)名詞（2）控制方式63.2

非隔離型DC–DC變換電路3.2.1降壓斬波電路3.2.2升壓斬波電路3.2.3升降壓斬波電路3.2.4其他升降壓斬波電路7強(qiáng)調(diào)注意四點(diǎn)電感的作用：可減小電流的波動(dòng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)電感兩端的電壓，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零。電容的作用：可減小電壓的脈動(dòng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)電容充放電電流，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零。3.2.1降壓斬波電路（1）電路結(jié)構(gòu)由全控型器件構(gòu)成的電子開關(guān)續(xù)流二極管83.2.1降壓斬波電路（2）工作原理（電流連續(xù)）

t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)S導(dǎo)通，電源通過電感開始向負(fù)載供電。在0<t<t1區(qū)段負(fù)載電流（電感電流）按指數(shù)規(guī)律上升，且電感兩端電壓uL=Ui

?

Uo

。t=t1時(shí)刻控制S關(guān)斷，續(xù)流二極管VD開始續(xù)流。在t1<t<t2區(qū)段，負(fù)載電流通過二極管按指數(shù)規(guī)律下降，且電感兩端電壓uL=?Uo

。9稱為占空比3.2.1降壓斬波電路（3）數(shù)值分析（電流連續(xù)）根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)（脈沖寬度一定）電感兩端電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值等于零，可得：其中：即：根據(jù)功率平衡可得電流關(guān)系。103.2.2升壓斬波電路（1）電路結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存電能維持電壓斬波升壓原理先由電感將電源電壓泵升。再由電容將泵升電壓維持住。關(guān)鍵問題在于：電感是如何將電源電壓泵升的？113.2.2升壓斬波電路（2）工作原理（電流連續(xù)）分析假設(shè)：L足夠大可使電流恒定，C足夠大可使電壓恒定。S通態(tài)，電源向電感儲(chǔ)能，電容向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定。電感兩端電壓uL=Ui

。S斷態(tài)，電源和電感同時(shí)向電容充電，并向負(fù)載R提供能量。電感兩端電壓uL=Ui?Uo

。S斷態(tài)時(shí)自感電動(dòng)勢(shì)與電源疊加，使電容上電壓高于電源電壓，這一現(xiàn)象稱為“電壓泵升”。123.2.2升壓斬波電路（3）數(shù)值分析（電流連續(xù)）根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)電感兩端電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零，可得：即：當(dāng)D趨近于1時(shí)，輸出電壓趨近于無窮大，應(yīng)用中應(yīng)注意避免。根據(jù)功率平衡可得電流關(guān)系。133.2.3升降壓斬波電路（1）電路結(jié)構(gòu)（2）工作原理（電流連續(xù)）S通態(tài)，自感電動(dòng)勢(shì)“上正下負(fù)”，VD反偏截至，電源向電感儲(chǔ)能，此時(shí)uL=Ui

。S斷態(tài)，自感電動(dòng)勢(shì)“上負(fù)下正”，VD正偏導(dǎo)通，電感向負(fù)載釋能，此時(shí)uL=Uo

。（或：?

uL=?Uo

）看圖僅需注意開關(guān)器件、電感以及二極管三者所處的位置。143.2.3升降壓斬波電路（3）數(shù)值分析（電流連續(xù)）

仍考慮穩(wěn)態(tài)時(shí)電感兩端電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零。顯然，當(dāng)：降壓；升壓。電壓關(guān)系得：則：當(dāng)：特別須注意，此種升降壓斬波電路的輸入電壓與輸出電壓的極性相反。153.2.3升降壓斬波電路（3）數(shù)值分析（電流連續(xù)）電流關(guān)系功率關(guān)系可見：升降壓斬波器可看成輸出電壓可升可降的直流變壓器。163.2.4其他升降壓斬波電路（自學(xué)）（1）Cuk

斬波電路（3）Zeta斬波電路（2）Sepic

斬波電路173.3隔離型DC-DC變換電路*3.3.1正激型電路3.3.2反激型電路3.3.3半橋型電路3.3.4全橋型電路3.3.5推挽型電路18

本節(jié)主要講述：AC－AC變換電路，即將一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。具體又分兩大方面：變頻電路改變交流電頻率的電路，在變頻時(shí)也可改變電壓交－交變頻：直接變頻

交直交變頻：間接變頻交流電力控制電路只改變電壓、電流大小或控制電路的通斷，而不改變頻率的電路交流調(diào)壓電路：相位控制交流調(diào)功電路：通斷控制交流無觸點(diǎn)開關(guān)：通斷控制3.4交流電力控制電路將在第四章討論193.4交流電力控制電路3.4.1單相交流調(diào)壓電路3.4.2三相交流調(diào)壓電路3.4.3交流調(diào)功電路3.4.4交流無觸點(diǎn)開關(guān)3.4.5交–交變頻電路*3.4.6矩陣式變頻電路*20兩只晶閘管反并聯(lián)后串接在交流電路中。通過對(duì)晶閘管的移相控制就可實(shí)現(xiàn)交流電力控制。注意：當(dāng)其中某一只晶閘管導(dǎo)通時(shí)，其管壓降使另外一只晶閘管承受反向電壓。兩個(gè)晶閘管的反并聯(lián)可用一只雙向晶閘管代替。（1）基本電路單元3.4.1單相交流調(diào)壓電路等效21燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)。異步電動(dòng)機(jī)恒流軟起動(dòng)裝置。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速裝置。供用電系統(tǒng)對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)（TCR）。在高電壓小電流或低電壓大電流的直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器的一次電壓。3.4.1單相交流調(diào)壓電路單相與三相分別討論電阻負(fù)載與阻感負(fù)載分別討論（2）典型應(yīng)用（3）分析步驟22輸出電壓與a

角的關(guān)系當(dāng)a=0時(shí)，輸出電壓最大，Uo=U1。隨a角的增大，Uo降低。當(dāng)a

=p時(shí)，Uo=0。所以，移相范圍為0≤a≤p

。功率因數(shù)l與

a角的關(guān)系當(dāng)a=0時(shí)，功率因數(shù)l

=1。隨著a

角的增大，輸入電流越滯后于輸入電壓，并且波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致功率因數(shù)降低。3.4.1單相交流調(diào)壓電路（4）單相純電阻負(fù)載233.4.1單相交流調(diào)壓電路（4）單相純電阻負(fù)載數(shù)值分析243.4.1單相交流調(diào)壓電路（4）單相純電阻負(fù)載相關(guān)結(jié)論移相范圍0≤a

≤p。輸出電壓雖然為交流，但是輸出電壓的波形非正弦，含有諧波，與變壓器降壓有所不同。功率因數(shù)與移相觸發(fā)角有關(guān)。輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系流過晶閘管電流的有效值25若將晶閘管視為短接，負(fù)載電流為正弦波，穩(wěn)態(tài)時(shí)其相位滯后于u1的電角度為j

。當(dāng)采用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，即需要a≥j

，結(jié)果使負(fù)載電流更為滯后于電源電壓。晶閘管的通斷相當(dāng)于R?L串聯(lián)電路的過渡過程。分析過程中應(yīng)重點(diǎn)注意暫態(tài)電流的變化及影響。并且應(yīng)記住電感中的電流不能突變。3.4.1單相交流調(diào)壓電路簡述負(fù)載阻抗角為：（5）單相阻感負(fù)載

263.4.1單相交流調(diào)壓電路負(fù)載電流的數(shù)學(xué)描述（5）單相阻感負(fù)載

導(dǎo)通角可由電流表達(dá)式利用邊界條件求得觀察電流暫態(tài)分量有三種可能請(qǐng)同學(xué)回答。273.4.1單相交流調(diào)壓電路波形分析（5）單相阻感負(fù)載

其一：此時(shí)電流直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，電路沒有調(diào)壓作用。觀察電流暫態(tài)分量存在三種可能。由：得：283.4.1單相交流調(diào)壓電路波形分析（5）單相阻感負(fù)載

其二：此時(shí)具有調(diào)壓作用。觀察電流暫態(tài)分量存在三種可能。293.4.1單相交流調(diào)壓電路波形分析（5）單相阻感負(fù)載

其三：觀察電流暫態(tài)分量存在三種可能。此時(shí)對(duì)觸發(fā)脈沖有特殊要求，如右圖所示。303.4.1單相交流調(diào)壓電路波形分析（5）單相阻感負(fù)載

當(dāng)a<j

時(shí)電路工作情況進(jìn)一步說明

因電流中暫態(tài)分量的作用，VT1導(dǎo)通時(shí)間延長，其導(dǎo)通角大于p

。觸發(fā)VT2時(shí)，電流未過零VT1仍導(dǎo)通，其正向壓降使VT2反偏，故VT2不會(huì)導(dǎo)通。313.4.1單相交流調(diào)壓電路波形分析（5）單相阻感負(fù)載

當(dāng)a<j

時(shí)電路工作情況進(jìn)一步說明

當(dāng)電流過零后，在有觸發(fā)的情況下VT2才能開通，結(jié)果使VT2的導(dǎo)通角小于p

。323.4.1單相交流調(diào)壓電路波形分析（5）單相阻感負(fù)載

當(dāng)a<j

時(shí)電路工作情況進(jìn)一步說明

隨著電流中暫態(tài)分量的衰減，VT1導(dǎo)通時(shí)間漸漸縮短，VT2導(dǎo)通時(shí)間漸漸延長。最終結(jié)果，相當(dāng)于a

=j

時(shí)的情況，電路失去調(diào)壓作用。333.4.1單相交流調(diào)壓電路數(shù)值分析（a

>j

）（5）單相阻感負(fù)載

343.4.1單相交流調(diào)壓電路以負(fù)載阻抗角j為參變量，移相觸發(fā)角a與導(dǎo)通角θ

的關(guān)系。（5）單相阻感負(fù)載

2010060180140j=90°75°60°45°30°15°0°02060100140180θ(°)a(°)由圖可見：當(dāng)a=j

時(shí)，θ=p。當(dāng)a>j

時(shí)，θ<p。當(dāng)j角一定時(shí)，a角越大，θ角越小。353.4.1單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路以j角為參變量時(shí)，流過晶閘管的電流有效值與a角間的關(guān)系。（5）單相阻感負(fù)載

j

=90°0.10.20.30.40.516018004012080

75°

60°45°j

=0a/(°)IVTN其中：363.4.1單相交流調(diào)壓電路純電阻負(fù)載（6）移相控制單相交流調(diào)壓電路的諧波分析由于輸出電壓（或電流）波形關(guān)于橫坐標(biāo)對(duì)稱，所以不含直流分量和偶次諧波。即僅含奇次諧波。電流基波和各次諧波的標(biāo)幺值隨a角變化的曲線（基準(zhǔn)電流為a=0°時(shí)電流的有效值）如右圖所示。060120180基波3次5次7次a/(°)In/I*/%20406080100由圖可見a=90°時(shí)三次諧波幅值最大。373.4.1單相交流調(diào)壓電路阻感負(fù)載（6）移相控制單相交流調(diào)壓電路的諧波分析電流所含的諧波次數(shù)與電阻負(fù)載時(shí)相同，只含3、5、7、9……等奇次諧波分量。隨著諧波次數(shù)的增加，諧波幅值相應(yīng)減小。在諧波電壓一定時(shí)，與電阻負(fù)載相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量較小。在a角一定時(shí)，阻感負(fù)載與電阻負(fù)載時(shí)相比，隨著阻抗角j的增大，諧波含量有所減小。38（7）斬波控制單相交流調(diào)壓電路*

電路圖3.4.1單相交流調(diào)壓電路控制V3、V4為負(fù)載續(xù)流控制V1、V2進(jìn)行斬波39續(xù)流導(dǎo)通－截止－得電－截止導(dǎo)通－負(fù)半波電源電壓續(xù)流－導(dǎo)通－截止得電截止－－導(dǎo)通正半波電源電壓負(fù)載情況V4V3V2V1電源情況

原理分析3.4.1單相交流調(diào)壓電路（7）斬波控制單相交流調(diào)壓電路*40續(xù)流常通常止截止截止得電常通常止導(dǎo)通導(dǎo)通負(fù)半波電源電壓續(xù)流常止常通截止截止得電常止常通導(dǎo)通導(dǎo)通正半波電源電壓負(fù)載情況V4V3V2V1電源情況開關(guān)器件實(shí)際工作情況3.4.1單相交流調(diào)壓電路（7）斬波控制單相交流調(diào)壓電路*41特點(diǎn)3.4.1單相交流調(diào)壓電路使負(fù)載上所得電壓斬成條狀，其有效值的大小由控制信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)。電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)等于1。電流不含低次諧波，只含有與斬控開關(guān)的開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波，濾波器參數(shù)較小。主要優(yōu)點(diǎn)：功率因數(shù)較高。當(dāng)為純電阻負(fù)載時(shí)，不需要V3、V4提供續(xù)流通路。（7）斬波控制單相交流調(diào)壓電路*42（1）三相交流調(diào)壓的電路聯(lián)結(jié)形式3.4.2三相交流調(diào)壓電路星形聯(lián)結(jié)：線路控制三角形聯(lián)結(jié)：支路控制三角形聯(lián)結(jié)：中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)：負(fù)載星形聯(lián)結(jié)線控；又分三相三線和三相四線兩種接線方式。負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)線控。負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)相控。負(fù)載星形聯(lián)結(jié)中點(diǎn)控制。最為常用43（2）星形聯(lián)結(jié)電路三相四線基本原理相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合。僅是三相依次互差120°工作。3.4.2三相交流調(diào)壓電路基波電流以及6k±1(k=1，2，3，…)的各次諧波電流在三相電源與負(fù)載之間流通，并不會(huì)流過中線。44三相四線

存在問題三相中3及3的倍數(shù)次諧波電流大小相等且同相，全部流過中線。3.4.2三相交流調(diào)壓電路所以中線上有很大的3及3的倍數(shù)次諧波電流。由單相交流調(diào)壓電路的諧波分析可知，當(dāng)a

=

90°時(shí)三次諧波電流幅值最大。此時(shí)中線電流甚至和各相電流的有效值接近。（2）星形聯(lián)結(jié)電路45三相三線3.4.2三相交流調(diào)壓電路僅討論純電阻負(fù)載時(shí)的情況。任一相的導(dǎo)通必須與另外一相或兩相構(gòu)成回路，所以在負(fù)載電流通路中至少需要有兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。對(duì)觸發(fā)脈沖要求：相位及時(shí)序與三相橋式全控整流電路完全相同，并應(yīng)采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)。自然換流點(diǎn)：為電源各相電壓的過零點(diǎn)，此處有別于三相橋式全控整流電路。（2）星形聯(lián)結(jié)電路463.4.2三相交流調(diào)壓電路三相三線

換流情況當(dāng)a

≤30°時(shí)，是在同一相兩只管子間換流。當(dāng)a

>30°時(shí)，是在不同相的兩只管子間換流，且電流過零時(shí)自然關(guān)斷。三相橋式整流電路僅在接于交流不同相的兩只管子間換流。而三相交流調(diào)壓電路：（2）星形聯(lián)結(jié)電路473.4.2三相交流調(diào)壓電路三相三線

負(fù)載上的電壓情況三相均不導(dǎo)通時(shí)：負(fù)載相電壓為零。三相全導(dǎo)通時(shí)：負(fù)載相電壓即為電源相電壓。三相中僅有兩相導(dǎo)通時(shí)：導(dǎo)通相的負(fù)載相電壓為相應(yīng)線電壓的一半。非導(dǎo)通相的負(fù)載相電壓為零。不同a角時(shí)相電壓的波形分析。注意：負(fù)載電流及電源側(cè)電流波形在電阻負(fù)載時(shí)與負(fù)載相電壓波形一致。（2）星形聯(lián)結(jié)電路480°≤

a

≤60°三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通角為180°－a

。各晶閘管導(dǎo)通區(qū)間開始點(diǎn)當(dāng)a=0°三管一直導(dǎo)通三相三線星形聯(lián)結(jié)負(fù)載相電壓波形

（a=30°）4960°≤a

≤90°晶閘管依次兩兩交替導(dǎo)通，每管導(dǎo)通角為120°。各晶閘管導(dǎo)通區(qū)間三相三線星形聯(lián)結(jié)負(fù)載相電壓波形

（a=60°）開始點(diǎn)自測(cè)題：當(dāng)a=90°時(shí)，負(fù)載相電壓波形分析。5090°<a≤150°兩管導(dǎo)通與無管導(dǎo)通交替，負(fù)載電壓斷續(xù)，每個(gè)波頭寬度為150°－a

。各晶閘管導(dǎo)通區(qū)間開始點(diǎn)三相三線星形聯(lián)結(jié)負(fù)載相電壓波形

（a=120°）當(dāng)a=150°輸出電壓為零51（2）星形聯(lián)結(jié)電路3.4.2三相交流調(diào)壓電路三相三線

電流諧波情況電流諧波次數(shù)為6k±1（k=1，2，3，…），與三相全控橋式整流電路交流側(cè)電流諧波次數(shù)完全相同。諧波次數(shù)越低，含量越大，故應(yīng)對(duì)低次諧波予以足夠重視。三相三線交流調(diào)壓與單相交流調(diào)壓（或三相四線）相比，不含3及3的倍數(shù)次諧波，因?yàn)?及3的倍數(shù)次諧波電流在三相三線電路中無法流通。52（3）支路控制三角形聯(lián)結(jié)電路3.4.2三相交流調(diào)壓電路電路特點(diǎn)由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路呈三角形聯(lián)結(jié)組成，每相分別是在互差120°的線電壓作用下工作。單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適用。輸入線電流（即電源電流）應(yīng)為與該線相聯(lián)的兩個(gè)負(fù)載相電流之和。533.4.2三相交流調(diào)壓電路諧波情況3及3的倍數(shù)次諧波大小和相位相同，只能在三角形回路的內(nèi)部流通，而不會(huì)出現(xiàn)在線電流之中。線電流中所含諧波次數(shù)為6k±1次（k為正整數(shù)）。在相同負(fù)載和移相觸發(fā)角時(shí)，線電流中諧波含量少于三相三線負(fù)載星形聯(lián)接電路。（3）支路控制三角形聯(lián)結(jié)電路543.4.2三相交流調(diào)壓電路典型應(yīng)用晶閘管控制電抗器（簡稱TCR）。電抗器可視為純電感負(fù)載，因此a角的移相范圍為90°~180°?？刂芶角可連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率的大小。當(dāng)a=90°晶閘管全導(dǎo)通，此時(shí)吸收的無功最大。當(dāng)a增大晶閘管導(dǎo)通角減小，吸收無功相應(yīng)減少。原因?yàn)楹危?）支路控制三角形聯(lián)結(jié)電路553.4.2三相交流調(diào)壓電路典型應(yīng)用TCR配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。整體稱為靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC），用來對(duì)電力系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，削弱電壓的波動(dòng)或閃變?？赏肚须娙萜鱉SC或TSCTCR固定電容器FC可兼作無源濾波器（3）支路控制三角形聯(lián)結(jié)電路56（1）工作原理電路與單相交流調(diào)壓完全相同?？刂品绞接兴煌?。3.4.3交流調(diào)功電路交流調(diào)壓電路是在每個(gè)電源周期內(nèi)都通過移相控制對(duì)輸入電壓波形進(jìn)行“裁剪”。交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周波后，再斷開幾個(gè)周波，通過通斷周波數(shù)的比例來調(diào)節(jié)負(fù)載上所消耗的平均功率。具體方法可采用晶閘管通斷控制及過零觸發(fā)。57（1）工作原理僅討論純電阻負(fù)載時(shí)的情況。有關(guān)名詞：3.4.3交流調(diào)功電路電源周期：T（50Hz時(shí)，T=20ms）。控制周期：Tc

=MT（注意：M為整數(shù)）?？刂浦芷趦?nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)：N（為整數(shù)）

。58（2）數(shù)值分析（電阻負(fù)載）輸出電壓有效值3.4.3交流調(diào)功電路輸出功率其中:U1

與Pmax

為控制周期內(nèi)全部周波均導(dǎo)通時(shí)的負(fù)載電壓有效值及有功功率。59（3）優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：諧波含量小。3.4.3交流調(diào)功電路從以電源周期為基準(zhǔn)的電流頻譜圖中可見：相對(duì)于電源頻率倍數(shù)的諧波次數(shù)In為n次諧波電流的有效值，Iom為導(dǎo)通時(shí)電流的幅值。缺點(diǎn)：電壓與電流均不連續(xù)，僅適用于以平均功率為調(diào)節(jié)對(duì)象的場(chǎng)合，例如溫度控制。電流中不含電源頻率整數(shù)倍次諧波。僅含電源頻率非整數(shù)倍頻率次諧波。在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率的諧波含量較大。60（1）基本概念將晶閘管反并聯(lián)后接入交流電路中，代替電路中原有的機(jī)械開關(guān)或交流接觸器，僅起接通或斷開電路的作用。（小功率時(shí)又稱之為固體繼電器）3.4.4交流無觸點(diǎn)開關(guān)與交流調(diào)功電路的區(qū)別不以調(diào)節(jié)平均輸出功率為控制目標(biāo)。通常沒有明確的控制周期。只是根據(jù)實(shí)際需要，控制實(shí)現(xiàn)電路的接通或斷開。交流無觸點(diǎn)開關(guān)的控制頻繁程度（簡稱頻度），通常比交流調(diào)功電路低很多。61（2）優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)3.4.4交流無觸點(diǎn)開關(guān)缺點(diǎn)接通時(shí)存在管壓降。斷開后存在漏電流。畢竟存在開通延遲及關(guān)斷滯后。響應(yīng)速度快，無噪音（包括電磁噪音及離合機(jī)械噪音）。不會(huì)產(chǎn)生火花及拉弧現(xiàn)象。使用壽命長，可以頻繁控制其通斷。免維護(hù)且容易實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制62（3）典型應(yīng)用──晶閘管投切電容器（簡稱TSC）3.4.4交流無觸點(diǎn)開關(guān)作用單相原理圖抑制沖擊電流的小電感晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)電容接入交流電路。實(shí)際常用三相接線，又分三角形聯(lián)結(jié)和星形聯(lián)結(jié)。結(jié)構(gòu)對(duì)無功功率進(jìn)行控制，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高供電質(zhì)量。63（3）典型應(yīng)用──晶閘管投切電容器（簡稱TSC）3.4.4交流無觸點(diǎn)開關(guān)晶閘管開通時(shí)刻的選取希望電容預(yù)充電電壓為電源電壓峰值，此時(shí)電源電壓變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。理想狀態(tài)在交流電源電壓和電容預(yù)充電電壓相等時(shí)投入，此時(shí)電容電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，也就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。64分析采用晶閘管構(gòu)成的交—交變頻電路，又稱為周波變流器。該電路的作用是將公共電網(wǎng)額定頻率的交流電直接變換成頻率可調(diào)的交流，屬于直接變頻電路，有別于間接的交—直—交變頻電路。廣泛用于大功率同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。包括兩大內(nèi)容：單相交—交變頻電路與三相交—交變頻電路。實(shí)際應(yīng)用最多的還是三相交—交變頻電路，但是單相交—交變頻電路是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。3.4.5交—交變頻電路65（1）單相交─交變頻電路的構(gòu)成和基本工作原理電路構(gòu)成由P組變流器和N組變流器反并聯(lián)接負(fù)載構(gòu)成。P組和N組變流器均為晶閘管組成的相控整流電路。ZPNuo基本工作原理兩組變流器交替工作，若設(shè)P組工作負(fù)載電壓為正，則N組工作負(fù)載電壓為負(fù)，負(fù)載電壓為交流。兩組變流器的切換頻率決定了輸出電壓的頻率。兩組變流器的移相觸發(fā)角決定了輸出電壓的大小。3.4.5交—交變頻電路66為使輸出得到正弦電壓的方法在每組工作時(shí)讓a角按正弦規(guī)律從90°減到0°，再由0°增加到90°變化，則平均輸出電壓就按正弦規(guī)律變化。以三相半波為例，結(jié)果輸出電壓由若干段電源電壓拼湊而成。3.4.5交—交變頻電路顯然，在uo的一個(gè)周期內(nèi)所包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近于正弦。（1）單相交─交變頻電路的構(gòu)成和基本工作原理67（2）單相阻感負(fù)載時(shí)的工作狀態(tài)理想化模型分析過程中忽略變流電路在換相時(shí)造成輸出電壓的脈動(dòng)。3.4.5交—交變頻電路二極管體現(xiàn)了變流電路中電流的單向性，uP

正半波負(fù)載得電，uN

負(fù)半波負(fù)載得電。僅僅只有一組變流器工作，即一組工作時(shí)另一組脈沖閉鎖。這一工作方式稱為無環(huán)流工作方式。阻感負(fù)載的分析結(jié)果同樣適用于交流電動(dòng)機(jī)。設(shè)負(fù)載阻抗角為j

，即為輸出電流滯后于輸出電壓的角度為。68（2）單相阻感負(fù)載時(shí)的工作狀態(tài)工作狀態(tài)分析3.4.5交—交變頻電路t1~t3期間：i0為正半周，正組工作，反組閉鎖。其中：t1~t2：u0和i0均為正，正組整流，換流器輸出功率為正。t2~t3：u0反相為負(fù)，i0仍為正，正組逆變，換流器輸出功率為負(fù)。

69（2）單相阻感負(fù)載時(shí)的工作狀態(tài)工作狀態(tài)分析3.4.5交—交變頻電路t3~t5期間：i0為負(fù)半周，正組閉鎖，反組工作。其中：t3~t4：u0和i0均為負(fù)，反組整流，換流器輸出功率為正。t4~t5：u0反相為正，i0仍為負(fù)，反組逆變，換流器輸出功率為負(fù)。

70（3）移相觸發(fā)角的調(diào)制方法──

余弦交點(diǎn)法3.4.5交—交變頻電路整流輸出電壓：對(duì)于三相全控橋：交-交變頻輸出電壓：令兩者相等：得：則有：其中：稱為輸出電壓比。71（4）其它相關(guān)說明3.4.5交—交變頻電路有關(guān)輸出頻率的問題輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓在一周期內(nèi)所含電網(wǎng)電壓波形段數(shù)減少，輸出波形畸變嚴(yán)重。當(dāng)采用6脈波三相全控橋式電路時(shí)，一般要求輸出上限頻率不應(yīng)高于電網(wǎng)頻率的1/3～1/2。當(dāng)電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)，交─交變頻電路的輸出頻率上限約為20Hz左右。增多脈波可增加輸出上限頻率，但裝置變得復(fù)雜。所以，交─交變頻一般適用于大型同步電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速情況下的調(diào)速運(yùn)行。72（4）其它相關(guān)說明3.4.5交—交變頻電路有關(guān)輸入功率因數(shù)問題因采用移相控制方式，輸入電流相位總是滯后于輸入電壓，與負(fù)載的性質(zhì)無關(guān)。即需要電網(wǎng)提供無功功率。因?yàn)椋核?，?dāng)輸出電壓較低時(shí)，移相觸發(fā)角越接近于90°；然而移相深度越大，輸入功率因數(shù)則越低。73（4）其它相關(guān)說明3.4.5交—交變頻電路有關(guān)輸出電壓諧波成分問題輸出電壓的諧波頻譜非常復(fù)雜，既與電網(wǎng)頻率以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān)，又與輸出頻率有關(guān)。當(dāng)采用6脈動(dòng)三相全控橋式電路時(shí)，輸出電壓所含主要諧波的頻率為：采用無環(huán)流控制方式時(shí)，由于電流改變方向時(shí)死區(qū)的影響，還會(huì)增加5fo、7fo等次諧波。74（4）其它相關(guān)說明3.4.5交—交變頻電路有關(guān)輸入電流諧波成分問題輸入電流波形與可控整流電路的輸入電流波形相類似，但其幅值和相位均按正弦規(guī)律被調(diào)制。當(dāng)采用6脈動(dòng)三相全控橋式電路時(shí)，輸入電流所含主要諧波的頻率為：75是由輸出電壓相位互差120°的三組單相交─交變頻電路組合而成。具體方式接線方式公共交流母線進(jìn)線方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式3.4.5交—交變頻電路（5）三相交─交變頻電路763.4.4交—交變頻電路（5）三相交─交變頻電路公共交流母線進(jìn)線方式由三組彼此獨(dú)立、輸出電壓相位相互差120°的單相交─交變頻電路構(gòu)成。電源進(jìn)線通