交流變換電路

第5章交流變換電路5.1交流電力電子開關(guān)電路5.2交流調(diào)壓電路與交流調(diào)功電路5.3交交變頻電路

本章小結(jié)1交流變換電路（AC/AC變換）功能：將一種形式的交流電變換成另一種形式交流電。交流電力控制電路變頻電路概述交流變換電路的分類交流調(diào)壓電路交流調(diào)功電路交流電力電子開關(guān)交直交變頻電路交交變頻電路2交流電力控制電路的基本原理利用兩只晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過控制晶閘管就可實現(xiàn)對交流電力的控制。概述交流調(diào)壓：采用相控方式，只改變交流輸出電壓的大小。交流調(diào)功：采用通斷控制方式，改變輸出平均功率的大小。交流開關(guān)：僅起開關(guān)作用，只對電路進(jìn)行通斷控制。變頻電路的基本特點交直交變頻電路：交交變頻電路：把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率或可變頻率的交流電。——直接變頻電路——間接變頻電路先將交流電整流成直流電，再把直流電逆變成另一種頻率或可變頻率的交流電。3第5章交流變換電路5.1交流電力電子開關(guān)電路5.2交流調(diào)壓電路與交流調(diào)功電路5.3交交變頻電路

本章小結(jié)45.1交流電力電子開關(guān)電路交流電力電子開關(guān)

主要優(yōu)點（與機(jī)械開關(guān)相比）響應(yīng)速度快

無觸點壽命長開關(guān)頻率高起接通或斷開電路作用——交流開關(guān)把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中5當(dāng)S閉合時，兩只晶閘管均以管子本身的陽極電壓作為觸發(fā)電壓進(jìn)行觸發(fā)。在交流電源的正負(fù)半周內(nèi)，兩個晶閘管輪流導(dǎo)通，負(fù)載上得到的近似為正弦電壓。普通晶閘管反并聯(lián)構(gòu)成的簡單交流開關(guān)：5.1交流電力電子開關(guān)電路6應(yīng)用：1）雙向晶閘管控制三相自動控溫電熱爐電路5.1交流電力電子開關(guān)電路7

TSC基本原理圖應(yīng)用：2）無功補(bǔ)償裝置——晶閘管投切電容器（TSC）兩個反并聯(lián)的晶閘管起著把C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用。串聯(lián)小電感的作用：抑制電容器投入電網(wǎng)時出現(xiàn)的沖擊電流。為避免容量較大的電容器組同時投入或切斷對電網(wǎng)造成較大沖擊，一般需將電容器分組。根據(jù)電網(wǎng)對無功的需求而改變投入電容器的容量。5.1交流電力電子開關(guān)電路8第5章交流變換電路5.1交流電力電子開關(guān)電路5.2交流調(diào)壓電路與交流調(diào)功電路5.3交交變頻電路

本章小結(jié)95.2.1交流調(diào)功電路5.2.2單相交流調(diào)壓電路5.2.3三相交流調(diào)壓電路5.2交流調(diào)壓與交流調(diào)功電路10將負(fù)載與交流電源接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載的平均功率。因調(diào)節(jié)對象是電路的輸出平均功率，故稱為交流調(diào)功電路。采用過零觸發(fā)方式，負(fù)載電壓、電流都是近似完整的正弦波。Ru1uoioVT1VT2交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路基本原理：11全周波連續(xù)式全周波斷續(xù)式交流調(diào)功電路Ru1uoioVT1VT2交流調(diào)功電路零觸發(fā)輸出電壓的兩種工作模式12交流調(diào)功電路p/電源周期T控制周期TC=mT4p/O3p/2p/uou1t12U5p/6p/導(dǎo)通段=nT

交流調(diào)功電路典型波形(m=3、n=2)設(shè)電源周期為T，控制周期TC內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)為n，則可求出，輸出電壓的有效值為：UO=其中P1為在設(shè)定的控制周期內(nèi)晶閘管全導(dǎo)通時的輸出功率。輸出平均功率為：P=（nT/TC）P1Ru1uoioVT1VT2交流調(diào)功電路13交流調(diào)功電路p/電源周期T控制周期TC=mT4p/O3p/2p/uou1t12U5p/6p/導(dǎo)通段=nT

交流調(diào)功電路典型波形(m=3、n=2)UO=P=（nT/TC）P1——交流調(diào)功。Ru1uoioVT1VT2交流調(diào)功電路通過改變在設(shè)定控制周期內(nèi)晶閘管的導(dǎo)通周波數(shù)n，實現(xiàn)對輸出平均功率P大小的調(diào)節(jié)。14Ru1uoioVT1VT2交流調(diào)功電路UO=P=（nT/TC）P1通?？刂凭чl管導(dǎo)通時刻都是在電源電壓過零的時刻，在交流電源接通期間，負(fù)載電壓、電流接近正弦波，對外界的電磁干擾最小。一般應(yīng)用于熱慣性較大的電熱型負(fù)載，如電爐的溫度控制。交流調(diào)功電路采用通斷控制的交流電力控制電路

交流調(diào)功155.2.1交流調(diào)功電路5.2.2單相交流調(diào)壓電路5.2.3三相交流調(diào)壓電路5.2交流調(diào)壓與交流調(diào)功電路16單相交流調(diào)壓電路一、電阻負(fù)載在交流電源

u1的正半周內(nèi)，當(dāng)ωt

=a時刻觸發(fā)VT1導(dǎo)通，輸出電壓uo為：uo=u1在交流電源

u1的負(fù)半周內(nèi)，當(dāng)ωt

=π+a時刻觸發(fā)VT2導(dǎo)通，輸出電壓uo為：uo=u1uo波形正負(fù)對稱，不含有直流分量。io波形與uo波形相同。

θ=π-αa↑θ↓

Uo↓實現(xiàn)交流調(diào)壓Ru1uoioVT1VT2OiouVTwtOwtOwtu1uoOwtααθ1.工作原理ug1ug217單相交流調(diào)壓電路一、電阻負(fù)載Ru1uoioVT1VT2OiouVTwtOwtOwtu1uoOwtααθ2.參數(shù)計算輸出電壓有效值Uo：輸出電流有效值Io：晶閘管電流有效值IT：電路的功率因數(shù)cosφ：SPpapapcosφ-+====2sin211o11ooUUIUIUug1ug218單相交流調(diào)壓電路一、電阻負(fù)載Ru1uoioVT1VT2OiouVTwtOwtOwtu1uoOwtααθ3.工作特點ug1ug2θ=π-α。α↑→θ↓→UO↓實現(xiàn)交流調(diào)壓α=0時，晶閘管處于全導(dǎo)通狀態(tài)，

UO=U1為最大。α=π時，晶閘管處于全關(guān)斷狀態(tài)，

UO=0為最小。

α的移相范圍為：0~π

。功率因數(shù)cosφ與控制角α的關(guān)系：

α=0時，cosφ

=1為最大

α功率因數(shù)cosφ

↓。采用相位控制的交流電壓控制電路

交流調(diào)壓19φ二、阻感負(fù)載當(dāng)u2過零時，因電流還未過零，故VT可繼續(xù)導(dǎo)通至電流減小到零為止。電壓波形出現(xiàn)缺塊，電流波形出現(xiàn)斷續(xù)。θ<180°VT1或VT2導(dǎo)通時，uVT1=0；

VT1、VT2

均關(guān)斷時，uVT1=u2。αθφ單相交流調(diào)壓電路wtwtuG1uG2OOwtuoOwtOoiwtuVT1OwtOu1α1.工作原理設(shè)負(fù)載阻抗角為φ=arctan(ωL/R)1）a≥φ時RLu1uoioVT1VT220φ二、阻感負(fù)載晶閘管全導(dǎo)通，相當(dāng)于正弦穩(wěn)態(tài)電路，uo、io均為正弦波。θφ單相交流調(diào)壓電路wtwtuG1uG2OOwtuoOwtOoiwtuVT1OwtOu1α1.工作原理設(shè)負(fù)載阻抗角為φ=arctan(ωL/R)2）a=φ時αθ=πUo=U1為最大，Io及P也為最大。uo=u1，io滯后于uo（u1），相位差為φ。RLu1uoioVT1VT221φ二、阻感負(fù)載若ug為窄脈沖則只有VT1導(dǎo)通，VT2始終關(guān)斷，形成“半波整流”，故電路不能正常工作。VT1φ單相交流調(diào)壓電路wtwtuG1uG2OOwtuoOwtOoiwtuVT1OwtOu11.工作原理設(shè)負(fù)載阻抗角為φ=arctan(ωL/R)3）a<φ時要保證電路能正常工作必須采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。當(dāng)ug為寬脈沖或脈沖列時RLu1uoioVT1VT2αα穩(wěn)態(tài)工作情況與α=φ時完全相同。22二、阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路以φ為參變量的θ與α的關(guān)系：1.工作原理

在負(fù)載阻抗角φ一定時：α≤φ，θ=180°

。α>φ，θ<180°，且α↑→θ↓。RLu1uoioVT1VT2φαθφwtwtuG1uG2OOwtuoOwtOoiwtuVT1OwtOu1α231）必須采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。2）晶閘管的導(dǎo)通角θ既與控制角α有關(guān)，也與負(fù)載阻抗角φ有關(guān)。

α>φ時，

θ=π-α+φ<π

。3）αθ↓Uo↓→實現(xiàn)交流調(diào)壓。4）α的移相范圍為：φ~π。5）α=φ時，晶閘管全導(dǎo)通（θ

=π），相當(dāng)于正弦穩(wěn)態(tài)電路（uo=u1，io滯后于uoφ角度）。此時Uo及Po為最大。

Uomax=U1

，Iomax=Uo/Z，Pomax=(Iomax)2R

式中，Z為負(fù)載阻抗的模。

單相交流調(diào)壓電路φαθφwtwtuG1uG2OOwtuoOwtOoiwtuVT1OwtOu1α二、阻感負(fù)載2.工作特點RLu1uoioVT1VT224燈光控制。異步電動機(jī)軟起動。異步電動機(jī)調(diào)速。供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。

單相交流調(diào)壓電路主要應(yīng)用255.2.1交流調(diào)功電路5.2.2單相交流調(diào)壓電路5.2.3三相交流調(diào)壓電路5.2交流調(diào)壓與交流調(diào)功電路26

三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)b)線路控制三角形聯(lián)結(jié)c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)d)中點控制三角形聯(lián)結(jié)一、三相交流調(diào)壓電路的幾種接線形式27星形聯(lián)結(jié)電路三相三線星形聯(lián)結(jié)電路三相四線

三相四線時，相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的組合。其特點是電路各相通過零線自成回路，零線中有很大的3次諧波電流，對電動機(jī)和電網(wǎng)影響嚴(yán)重，工業(yè)中較少采用。

三相交流調(diào)壓電路一、三相交流調(diào)壓電路的幾種接線形式28三相三線時也稱為三相全波星形聯(lián)結(jié)。其特點是輸出諧波分量少，適用于低電壓大電流的負(fù)載電路。

三相交流調(diào)壓電路一、三相交流調(diào)壓電路的幾種接線形式星形聯(lián)結(jié)電路29相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的組合。三個單相電路分別在不同的線電壓作用下單獨工作。

三相交流調(diào)壓電路一、三相交流調(diào)壓電路的幾種接線形式支路控制三角形聯(lián)結(jié)電路301）任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路，電流流通路經(jīng)中有兩個晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。2）三相的觸發(fā)脈沖依次相差120°

，同一相的兩個反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)脈沖相差180°

。3）觸發(fā)脈沖順序為VT1~VT6，依次相差60°。4）a的起點為相電壓過零點，兩相間導(dǎo)通時是靠線電壓導(dǎo)通，因線電壓超前于相電壓30°，故a移相范圍為0°~150°。

三相交流調(diào)壓電路二、三相全波星形聯(lián)結(jié)交流調(diào)壓電路工作原理31三相中各有一個晶閘管導(dǎo)通，稱1類工作狀態(tài)，這時負(fù)載相電壓就是電源相電壓；兩相中各有一個晶閘管導(dǎo)通，另一相不導(dǎo)通，稱2類工作狀態(tài)，這時導(dǎo)通相的負(fù)載相電壓是電源線電壓的二分之一。

三相交流調(diào)壓電路三相中各有一個晶閘管導(dǎo)通：uRA=uA;A、B兩相中各有一個晶閘管導(dǎo)通：uRA=uAB/2;A、C兩相中各有一個晶閘管導(dǎo)通：uRA=uAC/2;A相中VT1、VT4均不導(dǎo)通：uRA=0

。以A相為例，分析A相負(fù)載電壓uRA波形：二、三相全波星形聯(lián)結(jié)交流調(diào)壓電路工作原理uRA32RARARA不同α角時負(fù)載相電壓波形

三相交流調(diào)壓電路α=30°α=60°α=120°電路處于1類工作狀態(tài)和2類工作狀態(tài)的交替狀態(tài)，每個晶閘管導(dǎo)通角為π-α。α=0°時是一種特殊情況，一直是1類工作狀態(tài)。二、三相全波星形聯(lián)結(jié)交流調(diào)壓電路工作原理uRA1.0°≤α<60°33RARARA不同α角時負(fù)載相電壓波形

三相交流調(diào)壓電路α=30°α=60°α=120°二、三相全波星形聯(lián)結(jié)交流調(diào)壓電路工作原理uRA2.60°≤α<90°電路始終處于2類工作狀態(tài)，每個晶閘管導(dǎo)通角均為120°。34RARARA不同α角時負(fù)載相電壓波形

三相交流調(diào)壓電路α=30°α=60°α=120°二、三相全波星形聯(lián)結(jié)交流調(diào)壓電路工作原理uRA3.90°≤α<150°電路處于2類工作狀態(tài)和無晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，且被分割為不連續(xù)的兩部分，每個晶閘管導(dǎo)通角為2（150°-α）。35第5章交流變換電路5.1交流電力電子開關(guān)電路5.2交流調(diào)壓電路與交流調(diào)功電路5.3交交變頻電路

本章小結(jié)36PuoZN++--UdPUdN功能:將50Hz的工頻交流電直接變換成為另一頻率或可調(diào)頻率的交流電。

——直接變頻（周波變換器）一、電路組成由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流器構(gòu)成。io單相交交變頻電路5.3交交變頻電路37PuoZN++--UdPUdN功能:將50Hz的工頻交流電直接變換成為另一頻率或可調(diào)頻率的交流電?！苯幼冾l（周波變換器）二、基本工作原理由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流器構(gòu)成。

P組工作時，io為正

uo=+UdPN組工作時，io為負(fù)

uo=-UdN

兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載上即得到交流電輸出。改變切換頻率→即可改變輸出頻率fo

改變控制角α→

即可改變輸出電壓的幅值。uo0+UdP-UdNtP組

P組

N組

N組

io單相交交變頻電路T5.3交交變頻電路38二、基本工作原理在半個周期內(nèi)讓正組變流器（P組）a

角按正弦規(guī)律從90°減小到0°，然后再逐漸增大到90°。另外半個周期對N組進(jìn)行同樣的控制。uo0ap=0平均輸出電壓ωt輸出電壓問題：怎樣使uo波形接近正弦波？方法：按正弦規(guī)律對a角進(jìn)行調(diào)制。

uo并不是平滑的正弦波，而是由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內(nèi)，所包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近于正弦波。5.3交交變頻電路PuoZN++--UdPUdNio39三、輸出正弦波電壓的調(diào)制方法余弦交點法設(shè)Ud0為a=0時整流電路的理想空載電壓，則控制角為a時uo為設(shè)要得到的正弦波輸出電壓為比較上面兩式，應(yīng)使式中，g

稱為輸出電壓比故5.3交交變頻電路40PuoZN++--UdPUdN四、整流與逆變工作狀態(tài)uPuNuoioiNiP交流電源表示變流電路可輸出交流正弦電壓，二極管體現(xiàn)了變流電路的電流單向性。設(shè)負(fù)載阻抗角為j，兩組變流電路工作時采取直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中的無環(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。以阻感負(fù)載為例，分析電路的整流和逆變工作狀態(tài)。交交變頻電路的理想化等效電路5.3交交變頻電路把交交變頻電路理想化，即可得到理想化等效電路。41四、整流與逆變工作狀態(tài)

t3~t5階段，io反向，即io為負(fù)，N組變流電路工作，P組電路被封鎖。

t3~t4

：N組整流，uo和io均為負(fù)。

t4