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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,
