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1、第六章 交流变换电路,概述6.1 交流调压电路 6.1.1 单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路6.2 交流调功电路 6.3 交流电力电子开关 6.4 交交变频电路 6.4.1 单相输出交交变频电路 6.4.2 三相输出交交变频电路 6.4.3 交交变频电路输出频率上限的限制,概述,交流变换电路:把交流电能的参数(幅值、频率、相数)加以转换的电路。,交流变换电路,第六章,交流调压电路,6.1,3、交流调压电路应用:,电炉的温度控制 灯光调节 (如舞台灯光控制) 异步电机软起动 异步电机调速 调节整流变压器一次侧电压,2、交流调压的实现方法:通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大
2、小(相位控制)来调节输出电压的大小。,1、交流调压电路:是用来变换交流电压幅值(或有效值)的电路。,单相交流调压器主电路特点:,1)电源正半周:T1触发 导通,电源的正半周施加到负载上;2)电源负半周:T2触发导通,电源负半周便加到负载上;3)电源过零:T1、T2交替触发导通,电源电压全部加到负载;4)关断T1、T2:电源电压不能加到负载上。,6.1.1,单相交流调压电路,图6.1.1 单向交流调压器电路,T1 、T2 构成无触点交流开关。,单向交流电压电路的工作情况与它的负载性质有关,1)电源正半周:晶闸管T1承受正向电压,当t=时,触发T1使其导通,负载上得到缺角的正弦半波电压;2)电源电
3、压过零:T1管电流下降为零而关断;3)电源电压负半周:晶闸管T2承受正向电压,当t=+时,触发T2使其导通,则负载上又得到了缺角的正弦负半波电压。持续这样控制,在负载电阻上便得到每半波缺角的正弦电压;,单相交流调压电路,6.1.1,图6.1.1 电阻性负载时单向交流电压电路及输出电压波形,改变角的大小,便改变了输出电压有效值的大小。,1、电阻性负载工作原理:,6.1.1,单相交流调压电路,电阻性负载数量关系:,(6.1.1),负载电压的有效值,负载电流的有效值,(6.1.2),调压器的功率因数,(6.1.3),图6.1.1电阻性负载时单向交流电压电路及输出电压波形,总结:随着角的增大,U0逐渐
4、减小。当 =时,U0=0。 因此,单相交流电压器对于电阻性负载,其电压可调范围为 0U,控制角的移相范围为0。,单相交流调压电路带电阻负载时,输出电压波形正负半波对称,所以不含直流分量和偶次谐波,故,6.1.1,单相交流调压电路,电阻性负载谐波分析:,基波和各次谐波有效值:,负载电流基波和各次谐波有效值:,在上面关于谐波的表达式中 n=1为基波,n=3,5,7,为奇次谐波。随着谐波次数n的增加,谐波含量减少。,(6.1.4),(n=3,5,7,),图6.3 电阻负载、不同触发角时基波及谐波幅值分布图,基波及谐波分布图,6.1.1,单相交流调压电路,感性负载 (R-L负载),图6.1.2 带阻感
5、负载单向交流调压电路及输出波形,单相交流电压器带阻感负载时,工作情况同可控整流电路带电感负载相似; 当电源电压反向过零时,负载电感产生感应电动势阻止电流的变化,故电流不能立即为零; 晶闸管的导通角的大小与控制角a 、负载阻抗角都有关。(,电流不连续,断流),(a) 电路,(1)a=f 时,,均为正弦波,(2)af 时,,(e) 导通角 与控制角 的关系曲线(以负载阻抗角 为参变量),(f)晶闸管电流的标么值 与控制角 的关系曲线,6.1.1,单相交流调压电路,阻感负载的工作情况分析:,晶闸管VT1导通时,负载电流Io满足:,(6.1.7),式中,利用边界条件: ,i0=0 可求得:,(6.1.
6、8),(为晶闸管的导通角),VT2导通时,上述关系完全相同,只是iO相差1800,图(6.1.3)单相交流调压器以为参变量时与a的关系曲线,6.1.1,1、 ,导通角1800,正负半波电流断续。 愈大,愈小,波形断续愈严重。,负载电压的有效值UO、晶闸管电流平均值IdT、电流有效值IT以及负载电流有效值IO分别为:,(6.1.9),(6.1.10),(6.1.12),(6.1.11),单相交流调压电路,调压电路的工作情况( 、 =、 、 =、 ),(6.1.8),6.1.1,单相交流调压电路,图(6.1.4)窄脉冲触发时的工作波形,1800,1) 如果采用窄脉冲触发,会出现先触发的一只晶闸管导
7、通,而另一只管子在电流下降为零时,因其门极脉冲已经消失不能导通的失控现象。回路中将出现很大的直流电流分量(无负半周),无法维持电路的正常工作。,2) 采用宽脉冲或脉冲列触发,使第二个晶闸管的导通角 、 =、 ),6.1.1,单相交流调压电路,图(6.1.4)窄脉冲触发时的工作波形,总结: 当 时,并采用宽脉冲触发,负载电压、电流总是完整的正弦波,改变控制角a ,负载电压、电流的有效值不变,即电路失去交流调压的作用。 在电感负载时,要实现交流调压的目的,则最小控制角 (负载的功率因数角)。所以 的移相范围为1800,6.1.1,单相交流调压电路,1) 电流谐波次数和电阻负载时相同,也只含3、5、
8、7 等次谐波; 2) 随着次数的增加,谐波含量减少; 3) 和电阻负载时相比,阻感负载时的谐波电流含 量少一些; 4) a 角相同时,随着阻抗角的增大,谐波含量有所 减少;,单相交流电压器带阻感负载时电流谐波分析:,6.1.2,三相交流调压电路,1、三相四线制调压电路特点:,图6.1.5(a) 三相四线制调压电路,1)相当于三个独立的单相交流调压电路组合而成的; 2)存在中性线,但是3次谐波在中线中的电流大,故中线的导线截面要求与相线一致; 3)晶闸管的门极触发脉冲信号,同相间两管的触发脉冲要互差180。 4)各晶闸管导通顺序为T1T6,依次滞后间隔60; 5)因存在中线,可采用窄脉冲触发;,
9、6.1.2,三相交流调压电路,1、三相四线制调压电路特点:,图6.1.5(a) 三相四线制调压电路,6)该电路工作时,零线上谐波电流较大,含有三次谐波,控制角a=90时,零线电流甚至和各相电流的有效值接近。若变压器采用三柱式结构,则三次谐波磁通不能在铁心中形成通路,产生较大的漏磁通,引起发热和噪音。 7)该电路中晶闸管上承受的峰 值电压为 ( 为线电压)。,6.1.2,三相交流调压电路,2、三相三线制交流调压电路 的特点:,图6.1.5 (b)三相三线制交流调压电路,1)每相电路必须通过另一相形成回路; 2)负载接线灵活,且不用中性线; 3)晶闸管的触发电路必须是双脉冲,或者是宽度大于600的
10、单脉冲; 4)触发脉冲顺序和三相全控桥一样,为T1T6,依次间隔600; 5)电压过零处定为控制角的起点,a角移相范围是0150; 6)输出谐波含量低,无3倍次谐波;,6.1.2,三相交流调压电路,图6.1.6 (a) a=0 时负载相电压波形,(1) 0a60 时,三个晶闸管导通与两个晶闸管导通交替,每管导通180a 。但a =0时一直是三管导通,,3、三相三线制交流调压电路改变 a ,电路中晶闸管的导电模式:,图6.1.6(a)所示a=0时 的负载电压波形。,6.1.2,三相交流调压电路,图6.1.6 (b) a=60 时负载相电压波形,(2) 60a90时,两管导通,每管导通120;,3
11、、三相三线制交流调压电路改变 a ,电路中晶闸管的导电模式:,图5.1.6(b)所示为a =60时 负载电压波形。,6.1.2,三相交流调压电路,图6.1.6 (c) a=120 时负载相电压波形,(3) 90a 150时,两管导通与无晶闸管导通交替,导通角度为3002a,,3、三相三线制交流调压电路改变 a ,电路中晶闸管的导电模式:,图6.1.6(c)所示为a=120时 的负载电压波形。,6.2,交流调功电路,1、与调压电路的比较:,同,电路形式完全相同,异,控制方式不同:以交流电源周波数为控制单位, 对电路通断进行控制,改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。,应用,电炉的温度控
12、制,交流调功电路直接调节对象是电路的平均输出功率; 控制对象时间常数很大,以周波数为单位控制; 晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻,负载电压电流都是正弦波,不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。,6.2,交流调功电路,2、电阻负载时的工作情况:,控制周期为M倍电源周期,晶闸管在前N个周期导通,后MN个周期关断;,负载电压和负载电流(也即电源电流)的重复周期为M倍电源周期;,M=3、N=2时的电路波形。,图6.2.1交流调功 电路典型波形,6.2,交流调功电路,3、谐波分析:,图6.2.2为以控制周期为基准的交流调功电路的频谱图,In为n次谐波有效值, Io为导通时电路电流幅值;,图6.2.2
13、 交流调功电路的电流频谱图(M =3、N =2),电流中不含整数倍频率的谐波,但含有非整数倍频率的谐波,而且在电源频率附近,非整数倍频率谐波的含量较大。,6.3,交流电力电子开关,1)作用,将晶闸管反并联后串入交流电路代替机械开关,起接通和断开电路的作用;,2)优点,3)特点(与交流调功电路的区别),只控制通断,并不控制电路的平均输出功率 没有明确的控制周期,只是根据需要控制电路的接通和断开 控制频度通常比交流调功电路低,1)响应速度快、无触点寿命长、可频繁控制通断;2)控制晶闸管总是在电流过零时关断,在关断时不会因负载或线路电感存储能量而造成过电压和电磁干扰;,6.3,交流电力电子开关,晶闸
14、管投切电容器(Thyristor Switched CapacitorTSC),图6.3.1 TSC基本原理图,1)代替机械开关投切电容器,对电网无功进行控制 2)提高功率因数、稳定电网电压、改善用电质量 3)是一种很好的无功补偿方式, 特点:,6.3,交流电力电子开关, 1、电路结构和工作原理(晶闸管反并联),图6.3.1 TSC基本原理图,2)反并联的晶闸管控制C并入电网或从电网断开,如图6.3.1(a)。,1)实际常用三相TSC,可三角形联结,也可星形联结。,3)串联电感很小,用来抑制电容器投入电网时的冲击电流。,4)为避免电容器组投切造成较大电流冲击,一般把电容器分成几组,如图6.3.1(b)所示,可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量。,电路特点:,6.3,交流电力电子开关,图6.3.3 晶闸管和二极管反并联方式的TSC,1)由于二极管的作用,在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值; 2)二极管不可控,响应速度要慢一些,投切电容器的最大时间滞后为一个周波。, 1、电路结构和工作原理(晶闸管和二极管反并联),电路特点:,6.3,交流电力电子开关, 2、晶闸管投切时间的选择,