交流變換電路

交流變換電路第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三概述交流變換電路：把交流電能的參數（幅值、頻率、相數）加以轉換的電路。交流變換電路第六章交流電力控制電路

交一交變頻電路（直接變頻電路）維持頻率不變改變輸出電壓的幅值。將電網頻率的交流電直接變換成較低頻率的交流電直接變頻的同時也可實現電壓變換。分類第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三交流調壓電路

6.1

3、交流調壓電路應用：

電爐的溫度控制燈光調節(jié)（如舞臺燈光控制）異步電機軟起動異步電機調速調節(jié)整流變壓器一次側電壓

2、交流調壓的實現方法：通過控制晶閘管在每一個電源周期內的導通角的大?。ㄏ辔豢刂疲﹣碚{節(jié)輸出電壓的大小。1、交流調壓電路:是用來變換交流電壓幅值（或有效值）的電路。第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三單相交流調壓器主電路特點：

1）電源正半周：T1觸發(fā)導通，電源的正半周施加到負載上；2）電源負半周：T2觸發(fā)導通，電源負半周便加到負載上；3）電源過零：T1、T2交替觸發(fā)導通，電源電壓全部加到負載；4）關斷T1、T2：電源電壓不能加到負載上。6.1.1單相交流調壓電路圖6.1.1單向交流調壓器電路T1、T2構成無觸點交流開關。單向交流電壓電路的工作情況與它的負載性質有關第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三1）電源正半周：晶閘管T1承受正向電壓，當ωt=α時，觸發(fā)T1使其導通，負載上得到缺α角的正弦半波電壓；2）電源電壓過零：T1管電流下降為零而關斷；3）電源電壓負半周：晶閘管T2承受正向電壓，當ωt=π+α時，觸發(fā)T2使其導通，則負載上又得到了缺α角的正弦負半波電壓。持續(xù)這樣控制，在負載電阻上便得到每半波缺α角的正弦電壓；單相交流調壓電路6.1.1圖6.1.1

電阻性負載時單向交流電壓電路及輸出電壓波形

改變α角的大小，便改變了輸出電壓有效值的大小。1、電阻性負載工作原理：第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1單相交流調壓電路

電阻性負載數量關系：（6.1.1）

負載電壓的有效值

負載電流的有效值（6.1.2）

調壓器的功率因數

（6.1.3）

圖6.1.1電阻性負載時單向交流電壓電路及輸出電壓波形

總結：隨著α角的增大，U0逐漸減小。當α=π時，U0=0。因此，單相交流電壓器對于電阻性負載，其電壓可調范圍為0～U，控制角α的移相范圍為0～π。第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三單相交流調壓電路帶電阻負載時，輸出電壓波形正負半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波，故6.1.1單相交流調壓電路

電阻性負載諧波分析：基波和各次諧波有效值：負載電流基波和各次諧波有效值：在上面關于諧波的表達式中n=1為基波，n=3,5,7,…為奇次諧波。隨著諧波次數n的增加，諧波含量減少。(6.1.4)(n=3,5,7,…)第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1單相交流調壓電路感性負載（R-L負載）圖6.1.2帶阻感負載單向交流調壓電路及輸出波形

單相交流電壓器帶阻感負載時，工作情況同可控整流電路帶電感負載相似；當電源電壓反向過零時，負載電感產生感應電動勢阻止電流的變化，故電流不能立即為零；晶閘管的導通角θ的大小與控制角a、負載阻抗角φ都有關。第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1單相交流調壓電路

阻感負載的工作情況分析：

晶閘管VT1導通時，負載電流Io滿足：

(6.1.7)

式中

利用邊界條件：，i0=0

可求得θ：(6.1.8)

（θ為晶閘管的導通角）VT2導通時，上述關系完全相同，只是iO相差1800

圖（6.1.3)單相交流調壓器以φ為參變量時θ與a的關系曲線第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1

1、α>ф，導通角θ?1800，正負半波電流斷續(xù)。α愈大，θ愈小，波形斷續(xù)愈嚴重。負載電壓的有效值UO、晶閘管電流平均值IdT、電流有效值IT以及負載電流有效值IO分別為：(6.1.9)

(6.1.10)(6.1.12)(6.1.11)單相交流調壓電路調壓電路的工作情況（α>ф

、

α=ф、α<ф）第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1單相交流調壓電路2、α=ф可得：θ=1800

此時，晶閘管輪流導通，相當于晶閘管被短接。負載電流處于連續(xù)狀態(tài)，為完全的正弦波。

由調壓電路的工作情況（α>ф

、α=ф、α<ф）(6.1.8)

第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1單相交流調壓電路

圖（6.1.4）窄脈沖觸發(fā)時的工作波形

θ＞18001）如果采用窄脈沖觸發(fā)，會出現先觸發(fā)的一只晶閘管導通，而另一只管子在電流下降為零時，因其門極脈沖已經消失不能導通的失控現象?；芈分袑⒊霈F很大的直流電流分量，無法維持電路的正常工作。2）采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)，使第二個晶閘管的導通角φ<π。即可使兩個晶閘管的導通角θ=1800達到平衡。解決失控現象。3、α=ф調壓電路的工作情況（α>ф

、

α=ф、α<ф）第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1單相交流調壓電路

圖（6.1.4）窄脈沖觸發(fā)時的工作波形

總結：當時，并采用寬脈沖觸發(fā)，負載電壓、電流總是完整的正弦波，改變控制角a,負載電壓、電流的有效值不變，即電路失去交流調壓的作用。在電感負載時，要實現交流調壓的目的，則最小控制角（負載的功率因數角）。所以的移相范圍為φ～1800

第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1單相交流調壓電路

1）電流諧波次數和電阻負載時相同，也只含3、5、7…等次諧波；2）隨著次數的增加，諧波含量減少；3）和電阻負載時相比，阻感負載時的諧波電流含量少一些；4）a角相同時，隨著阻抗角的增大，諧波含量有所減少；單相交流電壓器帶阻感負載時電流諧波分析：

第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2三相交流調壓電路

1、三相四線制調壓電路特點：

圖6.1.5(a)三相四線制調壓電路1）相當于三個獨立的單相交流調壓電路組合而成的；2）存在中性線，但是3次諧波在中線中的電流大，故中線的導線截面要求與相線一致；3）晶閘管的門極觸發(fā)脈沖信號，同相間兩管的觸發(fā)脈沖要互差180°。4）各晶閘管導通順序為T1～T6，依次滯后間隔60°；5）因存在中線，可采用窄脈沖觸發(fā)；

第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2三相交流調壓電路

1、三相四線制調壓電路特點：

圖6.1.5(a)三相四線制調壓電路

6）該電路工作時，零線上諧波電流較大，含有三次諧波，控制角a=90°時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。若變壓器采用三柱式結構，則三次諧波磁通不能在鐵心中形成通路，產生較大的漏磁通，引起發(fā)熱和噪音。

7）該電路中晶閘管上承受的峰值電壓為(為線電壓)。第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2三相交流調壓電路

2、三相三線制交流調壓電路的特點：

圖6.1.5(b)三相三線制交流調壓電路1）每相電路必須通過另一相形成回路；2）負載接線靈活，且不用中性線；3）晶閘管的觸發(fā)電路必須是雙脈沖，或者是寬度大于600的單脈沖；4）觸發(fā)脈沖順序和三相全控橋一樣，為T1～T6，依次間隔600；

5）電壓過零處定為控制角的起點，a角移相范圍是0°～150°；6)輸出諧波含量低,無3倍次諧波；

第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2三相交流調壓電路

圖6.1.6(a)a=30°時負載相電壓波形(1)0°≤a<60°時，三個晶閘管導通與兩個晶閘管導通交替，每管導通180°－a

。但a=0°時一直是三管導通，3、三相三線制交流調壓電路改變a，電路中晶閘管的導電模式：圖6.1.6(a)所示a=30°時的負載電壓波形。第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2三相交流調壓電路

圖6.1.6(b)a=60°時負載相電壓波形(2)60°≤a<90°時，兩管導通，每管導通120°；3、三相三線制交流調壓電路改變a，電路中晶閘管的導電模式：圖5.1.6(b)所示為a=60°時負載電壓波形。第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2三相交流調壓電路

圖6.1.6(c)a=120°時負載相電壓波形

(3)90°≤a<150°時，兩管導通與無晶閘管導通交替，導通角度為300°－2a，3、三相三線制交流調壓電路改變a，電路中晶閘管的導電模式：圖6.1.6(c)所示為a=120°時的負載電壓波形。第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.2交流調功電路1、與調壓電路的比較：同電路形式完全相同

異控制方式不同：以交流電源周波數為控制單位,對電路通斷進行控制，改變通斷周波數的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率。

應用

電爐的溫度控制

交流調功電路直接調節(jié)對象是電路的平均輸出功率；

控制對象時間常數很大，以周波數為單位控制；晶閘管導通時刻為電源電壓過零的時刻，負載電壓電流都是正弦波，不對電網電壓電流造成通常意義的諧波污染。第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.2交流調功電路

2、電阻負載時的工作情況：

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；

M=3、N=2時的電路波形。

圖6.2.1交流調功電路典型波形第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.2交流調功電路

3、諧波分析：圖6.2.2為以控制周期為基準的交流調功電路的頻譜圖，In為n次諧波有效值，Io為導通時電路電流幅值；

圖6.2.2交流調功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)

電流中不含整數倍頻率的諧波，但含有非整數倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數倍頻率諧波的含量較大。第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.3交流電力電子開關

1）作用將晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路代替機械開關，起接通和斷開電路的作用；

2）優(yōu)點

3）特點（與交流調功電路的區(qū)別）

只控制通斷，并不控制電路的平均輸出功率沒有明確的控制周期，只是根據需要控制電路的接通和斷開控制頻度通常比交流調功電路低1）響應速度快、無觸點壽命長、可頻繁控制通斷；2）控制晶閘管總是在電流過零時關斷，在關斷時不會因負載或線路電感存儲能量而造成過電壓和電磁干擾；

第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.3交流電力電子開關

晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）

圖6.3.1TSC基本原理圖

1）代替機械開關投切電容器，對電網無功進行控制2）提高功率因數、穩(wěn)定電網電壓、改善用電質量3）是一種很好的無功補償方式

◆特點：第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.3交流電力電子開關◆1、電路結構和工作原理（晶閘管反并聯(lián)）

圖6.3.1TSC基本原理圖

2）反并聯(lián)的晶閘管控制C并入電網或從電網斷開，如圖6.3.1（a）。

1）實際常用三相TSC，可三角形聯(lián)結，也可星形聯(lián)結。3）串聯(lián)電感很小，用來抑制電容器投入電網時的沖擊電流。4）為避免電容器組投切造成較大電流沖擊，一般把電容器分成幾組，如圖6.3.1(b)所示，可根據電網對無功的需求而改變投入電容器的容量。電路特點：第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.3交流電力電子開關圖6.3.3晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC1）由于二極管的作用，在電路不導通時uC總會維持在電源電壓峰值；2）二極管不可控，響應速度要慢一些，投切電容器的最大時間滯后為一個周波?！?、電路結構和工作原理（晶閘管和二極管反并聯(lián)）電路特點：第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.3交流電力電子開關◆2、晶閘管投切時間的選擇

1）選擇原則：投入時刻交流電源電壓和電容器預充電電壓相等，防止沖擊電流。

2）理想選擇：理想情況下，希望電容器預充電電壓為電源電壓峰值，這時電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。圖6.3.3TSC理想投切時刻原理說明第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4交－交變頻電路

交－交變頻電路是不通過中間直流環(huán)節(jié)而把電網頻率的交流電直接變換成不同頻率（低于交流電源頻率）交流電的變流電路。

主要用于大功率交流電動機調速系統(tǒng)。

1）定義2）應用圖6.4.2

單相交流輸入時交－交變頻電路的波形圖第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1單相輸出交－交變頻電路1、電路結構和工作原理

◆1）電路結構

由具有相同特征的兩組晶閘管整流電路（正組整流器和反組整流器）反并聯(lián)構成；圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路

◆2）工作原理

圖6.4.2

單相交流輸入時交－交變頻電路的波形圖

正組整流器工作，反組整流器被封鎖，負載端輸出電壓為上正下負；

負組整流器工作，正組整流器被封鎖，負載端得到輸出電壓上負下正；

以低于電源的頻率切換正反組整流器的工作狀態(tài),在負載端就可獲得交變的輸出電壓；（如圖6.4.2

）晶閘管的開通與關斷必須采用無環(huán)流控制方式，防止兩組晶閘管橋同時導通；第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1單相輸出交－交變頻電路

3）電路控制特點：

（1）一個周期內控制角a固定不變時，輸出電壓為含有大量的諧波矩形波,(如圖6.4.2)對電機的工作很不利圖6.4.2

單相交流輸入時交－交變頻電路的波形圖

圖6.4.3交－交變頻電路的波形圖（a變化）

（2）為了讓輸出電壓波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a進行調制。

正組工作的半個周期內讓控制角a按正弦規(guī)律從90°逐漸減小到0°，然后逐漸增加到90°。正組整流電流的輸出電壓的平均值就按正弦規(guī)律變化，從零增大到最大,然后從最大減小到零。反組工作的半個周期內采用上述同樣的控制方法，就可以得到接近正弦波的輸出電壓。如圖6.4.3第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1單相輸出交－交變頻電路

2、變頻電路的工作過程（電感性負載）

對于電感性負載，輸出電壓超前電流。

一個周期可以分為六個階段

第一階段：輸出電壓過零，u0為正，i0<0，反組整流器工作在有源逆變狀態(tài)，正組整流器被封鎖；圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路圖6.4.4交-交變頻電路電感性負載時的輸出電壓和電流波形第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1單相輸出交－交變頻電路

2、變頻電路的工作過程（電感性負載）圖6.4.4交-交變頻電路電感性負載時的輸出電壓和電流波形

第二階段：電流過零。為無環(huán)流死區(qū)；圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路

第三階段：i0>0，u0>0。正組整流器工作在整流狀態(tài)，反組整流器被封鎖。第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1單相輸出交－交變頻電路

第四階段：i0>0，u0<0。正組整流器工作有源逆變狀態(tài)，反組整流器仍被封鎖；第五階段：電流為零，為無環(huán)流死區(qū)；

第六階段：i0<0,u0<0，反組整流器工作在整流狀態(tài)，正組整流器被封鎖；圖6.4.4交-交變頻電路電感性負載時的輸出電壓和電流波形

圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路

第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1單相輸出交－交變頻電路

小結：

1、哪組整流器電路工作是由輸出電流決定，而與輸出電壓極性無關；2、變流電路是工作在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，則是由輸出電壓方向和輸出電流方向的異同決定；

圖6.4.4交-交變頻電路電感性負載時的輸出電壓和電流波形

圖6.4.1

單相輸出交－交變頻電路

第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1單相輸出交－交變頻電路

3、輸出正弦波電壓的控制方法（“余弦波交點法”）

設Ud0為a=0時整流電路的理想空載電壓，則有：（6.4.1）

希望輸出的正弦波電壓為（6.4.2）

每次控制時a不同，u0為每個控制間隔輸出的平均電壓比較式（6.4.1）與（6.4.2），則使（6.4.4）

g稱為輸出電壓比：

，式（6.4.4）為余弦交點法求角的基本公式。

第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1單相輸出交－交變頻電路

圖6.4.5余弦交點法原理

2）相鄰兩個線電壓的交點對應于a=0；3）u1-u6所對應的同步信號分別用us1-us6表示；4）us1-us6比相應的u1-u6超前30°，us1-us6的最大值和相應線電壓a=0的時刻對應；

4、余弦交點法圖解

6）各晶閘管觸發(fā)時刻由相應的同步電壓us1-us6的下降段和輸出電壓uo的交點來決定；1）線電壓uAB、uAC、uBC、uBA、uCA和uCB依次用u1-u6表示；5）a=0為零時刻，則us1-us6為余弦信號；第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1單相輸出交－交變頻電路

不同g

時，在u0一周期內，a隨變化的情況如圖6.4.6，圖中

圖6.4.6不同g時a

和w0t變化的情況

g較小，即輸出電壓較低時，a只在離90°很近的范圍內變化，電路的輸入功率因數非常低；第38頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4.2三相輸出交－交變頻電路

由三組輸出電壓相位各相差1200的單相交－交變頻電路組成。

電路接線形式主要：1）公共交流母線進線方式2）輸出星形聯(lián)結方式

交－交變頻器主要用于交流調速系統(tǒng)中，實際使用的主要是三相交－交變頻器。

第39頁，共43頁，2023年，2月20日，星期三6.4.2三相輸出交－交變頻電路

1、公共交流母線進線方式圖6.4.7公共交流母線進線方式的三相交－交變頻電路原理圖

由三組彼此獨立的，輸出電