電力電子技術（第2版） 第6章 交流變換電路

1第6章交流-交流變換電路

6.1交流調壓電路

6.2交流調功電路

6.3交流電力電子開關

6.4交交變頻電路26.1交流-交流變換電路概述

本章主要講述交流-交流變流電路將一種形式的交流電變成另一種形式交流電的電路，即把交流電能的參數(shù)（幅值、相位、頻率）進行變換的電路。

變頻電路改變頻率的電路

交交變頻直接交直交變頻間接交流電力控制電路只改變電壓,電流或控制電路的通斷,而不改變頻率的電路。交流調壓電路相位控制交流調功電路通斷控制36.1交流-交流變換電路概述

原理

兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可控制交流電力。、構成無觸點交流開關。電路通過控制晶閘管每個電源周期內導通角的大?。ㄏ辔豢刂疲┘纯烧{節(jié)輸出電壓的大小。

電路圖46.2交流電力控制電路6.2.1交流調壓電路6.2.2交流調功電路6.2.3交流電力電子開關56.2.1交流調壓電路

應用

1燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制)。

2異步電動機軟起動。

3異步電動機調速。◆交流調壓電路：在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制，調節(jié)輸出電壓有效值的電路。調節(jié)觸發(fā)延遲角，即可在負載上就可得到有效值可以變化的交流輸出電壓。

電阻性負載

在時，晶閘管承受正向電壓，在時，觸發(fā)使其導通，負載上輸出電壓為缺了角的正弦正半周電壓。當電源過零時，晶閘管截止。在時，晶閘管承受正向電壓。在時，觸發(fā)使其導通，負載上輸出電壓為缺了角的正弦負半周電壓。6.2.1交流調壓電路76.2.1交流調壓電路

負載電壓的有效值為

負載電流的有效值為

移相范圍為0≤a

≤π。

a

=0時，輸出電壓為最大。Uo=U1,隨a

的增大，Uo降低，a

=π時，Uo=0。8若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j

，當用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后。a

=0時刻仍定為u1過零的時刻，a的移相范圍應為j

≤a

≤π。6.2.1交流調壓電路1)

阻感負載

負載阻抗角：9當導通時，有6.2.1交流調壓電路1)

阻感負載

晶閘管導通角

的大小不僅與觸發(fā)延遲角

有關，而且與負載阻抗角

有關。初始條件解得負載電流為可以看出，負載電流由兩個分量組成，一個是正弦穩(wěn)態(tài)分量，一個是指數(shù)衰減分量。

時，負載電流，有6.2.1交流調壓電路關系曲線根據(jù)三個角度之間的關系，分三種情況討論調壓電路的工作：①當時，導通角，越小，越大，且正負半波電流均斷續(xù)。②當時，，兩個晶閘管輪流導通，負載電流處于連續(xù)狀態(tài)。③當時，采用寬脈沖或者雙窄脈沖觸發(fā)，負載電壓、電流就是完整的正弦波。在帶阻感負載時，要實現(xiàn)交流調壓的目的，觸發(fā)延遲角的移相范圍必須為11當阻感負載,a

<j時電路工作情況。VT1的導通時間超過π。觸發(fā)VT2時，

io尚未過零，VT1仍導通，VT2不會導通。io過零后，VT2才可開通，VT2導通角小于π。衰減過程中，VT1導通時間漸短，VT2的導通時間漸長，直到兩個晶閘管的導通角達到平衡。6.2.1交流調壓電路。126.2.1交流調壓電路

2.三相交流調壓電路根據(jù)三相聯(lián)結形式的不同，三相交流調壓電路具有多種形式a)星形聯(lián)結b)線路控制三角形聯(lián)結c)支路控制三角形聯(lián)結d)中點控制三角形聯(lián)結136.2.1交流調壓電路

2.三相交流調壓電路（1）三相四線制交流調壓電路

基本原理：相當于三個單相交流調壓電路的組合，三相互相錯開120°工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線。同一相上的兩個晶閘管門極觸發(fā)脈沖互差180°，六個晶閘管導通的順序依次間隔60°導通。星形聯(lián)結電路可分為三線三相和三線四相制該電路工作時，3次諧波在中線中的電流較大，當觸發(fā)角為90°時，中性線電流和相電流有效值接近，故中性線的導線截面積要求與相線一致。146.2.1交流調壓電路

2.三相交流調壓電路三相三線制，主要分析阻負載時的情況任一相導通須和另一相構成回路。電流通路中至少有兩個晶閘管，應采用雙脈沖或寬脈沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1~VT6,依次相差60°。相電壓過零點定為a的起點，a角移相范圍是0°~150°。(1)0°≤a<60°：三管導通與兩管導通交替，每管導通180°－a

。但a=0°時一直是三管導通。16圖6-10不同a角時負載相電壓波形a)a=30°1760°≤a<90°：兩管導通，每管導通120°。(2)圖4-10不同a角時負載相電壓波形b)a

=60°186.2.1交流調壓電路

2.三相交流調壓電路(3)90°≤a<150°：兩管導通與無晶閘管導通交替，導通角度為300°－2a。

a

=90°196.2.2交流調功電路

交流調功電路與交流調壓電路的異同比較相同點

電路形式完全相同不同點

控制方式不同交流調壓電路在每個電源周期都對輸出電壓波形進行控制。交流調功電路是將負載與交流電源接通幾個周期,再斷開幾個周期,通過通斷周波數(shù)的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率。交流調功電路是以交流電源周波數(shù)為控制單位，從而對電路的通斷進行控制。交流調功電路廣泛應用于電爐的溫度控制，其直接調節(jié)對象是平均輸出功率。206.2.2交流調功電路

電阻負載時的工作情況2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12

交流調功電路典型波形(M=3、N=2)控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導通，后M－N個周期關斷。負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復周期為M倍電源周期。216.2.2交流調功電路

諧波情況01214諧波次數(shù)相對于電源頻率的倍數(shù)交流調功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m圖所示為交流調功電路的頻譜圖（以控制周期為基準）。In為n次諧波有效值，Io為導通時電路電流幅值。以電源周期為基準，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。交流調功電路的優(yōu)點是控制方式簡單，功率因數(shù)高；缺點是輸出電壓調節(jié)不平滑。適用于有較大時間常數(shù)的負載中。226.2.3交流電力電子開關概念把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機械開關，起接通和斷開電路的作用。優(yōu)點

響應速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷，適合于操作頻繁、易燃和多粉塵的場合

。與交流調功電路的區(qū)別并不控制電路的平均輸出功率。通常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?？刂祁l度通常比交流調功電路低得多。6.2.3交流電力電子開關典型應用：晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器（TSC）是一種利用晶閘管交流電力電子開關代替機械開關，實現(xiàn)對電網(wǎng)無功補償?shù)难b置?；驹恚簝蓚€反并聯(lián)的晶閘管起著把電容器投入電網(wǎng)或者從電網(wǎng)切除的功能，電感L的作用是抑制沖擊電流，其電感值很小。246.3交交變頻電路

6.3.1

交交變頻電路

6.3.2交直交變頻電路25交交變頻電路廣泛用于大功率、低轉速的交流電動機調速傳動系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。變頻電路交交變頻電路交直交變頻電路把電網(wǎng)頻率的交流電直接變成頻率可調的交流變換電路先經(jīng)過交流變直流，再把直流變交流的變頻電路6.3交交變頻電路

261單相交交變頻電路（1）電路結構和基本工作原理電路構成如圖，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構成。變流器P和N都是相控整流電路。271單相交交變頻電路工作原理P組工作時，負載電流io為正。N組工作時，io為負。兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率wo。改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值。281單相交交變頻電路為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a角進行調制。如果在一個周期內控制觸發(fā)延遲角固定不變，則輸出波形如圖所示，輸出電為矩形波。

故在半個周期內讓P組a

角按正弦規(guī)律從90°減到0°或某個值，再增加到90°，每個控制間隔內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。291單相交交變頻電路為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a角進行調制。從圖6.12波形圖中可以看出，輸出電壓并不是平滑的正弦波，而是由若干段電源電壓拼接而成的。在輸出電壓的一個周期中，所包含的電源電壓段數(shù)越多，輸出電壓波形就越接近正弦波所以交交變頻電路中的整流器通常采用橋式整流電路即6脈波整流電路或者12脈波整流電路。30（2）單相交交變頻電路的工作狀態(tài)理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)阻感負載為例，也適用于交流電動機負載。把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時uo的脈動分量，就可把電路等效成圖所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。31設負載阻抗角為j

，則輸出電流滯后輸出電壓j

角。兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式，即一組變流電路工作時，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。32工作狀態(tài)t1~t3期間：io正半周，正組工作，反組被封鎖。t1~t2：uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正。t2~t3

：uo反向，io仍為正，正組逆變，輸出功率為負。33t3~t5期間：io負半周，反組工作，正組被封鎖。t3~t4

：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正。t4~t5

：uo反向，io仍為負，反組逆變，輸出功率為負。小結：哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關。工作在整流還是逆變，則根據(jù)uo方向與io方向是否相同確定。34

當uo和io的相位差小于90°時，一周期內電網(wǎng)向負載提供能量的平均值為正，電動機工作在電動狀態(tài)。當二者相位差大于90°時，一周期內電網(wǎng)向負載提供能量的平均值為負，電網(wǎng)吸收能量，電動機為發(fā)電狀態(tài)。考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時間，一周期可分為6段。圖4-20單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形第1段

io

<0，

uo

>0，反組逆變第2段電流過零，為無環(huán)流死區(qū)第3段

io>0，

uo>0，正組整流

第4段

io>0，uo

<0，正組逆變

第5段又是無環(huán)流死區(qū)

第6段

io

<0，uo

<0，為反組整流

1單相交交變頻電路351單相交交變頻電路輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴重。電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和轉矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關系而言，很難確定一個明確的界限。當采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3~1/2。電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。（3）交交變頻輸出頻率特性如果采用12脈波整流電路呢？361單相交交變頻電路（4）輸出正弦波電壓的調制方法

介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點法。設Ud0為a

=0時整流電路的理想空載電壓，則有

每次控制時a角不同U0表示每次控制間隔內uo的平均值。

余弦交點法原理

(6-11)372三相交交變頻電路

由三組輸出電壓相位各差120°的單相交交變頻電路組成。1)

電路接線方式公共交流母線進線方式輸出星形聯(lián)結方式交交變頻電路主要應用于大功率交流電機調速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路。382三相交交變頻電路(1)公共交流母線進線方式圖6.16公共交流母線進線方式（簡圖）由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120°的單相交交變頻電路構成。電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上。因為電源進線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動機的三個繞組必須拆開。主要用于中等容量的交流調速系統(tǒng)。39圖4-25輸出星形聯(lián)結方式三相交交變頻電路a）簡圖b）詳圖因為三組的輸出聯(lián)接在一起，其電源進線必須隔離，因此分別用三個變壓器供電。由于輸出端中點不和負載中點相聯(lián)接，所以在構成三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中的四個晶閘管同時導通才能構成回路，形成電流。2三相交交變頻電路40圖4-25輸出星形聯(lián)結方式三相交交變頻電路a）簡圖b）詳圖和整流電路一樣，同一組橋內的兩個晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時導通。兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時導通。2三相交交變頻電路41交交變頻電路的優(yōu)缺點交交變頻電路的優(yōu)點：交交變頻電路的缺點：接線復雜，采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管。受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低。輸入功率因數(shù)較低。輸入電流諧波含量大，頻譜復雜。效率較高（一次變流）可方便地實現(xiàn)四象限工作低頻輸出波形接近正弦波交交變頻器主要用于500KW或1000KW以上、轉速在600r/min以下的大功率、低轉速的交流調速裝置中。目前已在礦石破碎機、球磨機、卷揚機、鼓風機等場合獲得較多的應用。6.3.2交直交變頻電路

交直交變頻電路是先把工頻交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率固定或可變的交流電，也稱為間接變頻電路。由于電路簡單，技術也較成熟，在實際生產(chǎn)中已得到廣泛應用，適用于要求輸出頻率較高的場合；其缺點是功率變換次數(shù)多，電路總效率較低。交直交變頻電路的使用將在下節(jié)異步電機變頻調速系統(tǒng)的應用中介紹。6.4交交變換電路的應用技術6.4.1交流調光臺燈電路6.4交交變換電路的應用技術6.4.2異步電動機軟起動器■基波分量的瞬時值6.4.3無功補償裝置

（8-7）增大觸發(fā)角

，相當于減小電感電流的基波分量，增大了TCR的等效電抗，減小了其吸收的無功功率。因此調整觸發(fā)角

可以平滑地調整并聯(lián)在系統(tǒng)的等效電抗的大小，從而調節(jié)TCR從系統(tǒng)吸收的無功功率。并聯(lián)電容器的其作用為發(fā)出無功功率給系統(tǒng)。因此通過控制與電抗器串聯(lián)的兩個反并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)角

，可以連續(xù)的調節(jié)TCR型SVC裝置產(chǎn)生無功功率的大小。其靈活性好，但缺點是TCR支路產(chǎn)生諧波電流，因此在固定電容支路串聯(lián)濾波電抗器，吸收TC