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1、4- 1,引言 4.1 交流调压电路 4.2 其他交流电力控制电路 4.3 交交变频电路 4.4 矩阵式变频电路 本章要点,第4章 交流电力控制电路和交交变频电路,4- 2,本章主要讲述 交流-交流变流电路 把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路,第4章 交流电力控制电路和交交变频电路,4- 3,4.1 交流调压电路,原理 两个晶闸管反并 联后串联在交流电路 中，通过对晶闸管的 控制就可控制交流电 力。,电路图,4- 4,应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。 2 异步电动机软起动。 3 异步电动机调速。 4 供用电系统对无功功率的连续调节。 5 在高压小电流或低压大电流直流电源中
2、， 用于调节变压器一次电压。,4.1 交流调压电路,4- 5,4.1.1 单相交流调压电路 4.1.2 三相交流调压电路,4.1 交流调压电路,4- 6,4.1.1 单相交流调压电路,1) 电阻负载,图4-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形,输出电压与 的关系: 移相范围为0 a 。 a =0时，输出电压为最大 。 Uo=U1, 随 a 的增大，Uo降低， a =时， Uo =0。,与 a 的关系: a =0时，功率因数 =1，a 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低。,4- 7,若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j ，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流
3、更为滞后。,a =0时刻仍定为u1过零的时刻，a 的移相范围应为j a 。,1) 阻感负载,图4-2 电阻负载单相交流调压电路及其波形,负载阻抗角： j = arctan(wL / R),VT1,4.1.1 单相交流调压电路,4- 8,q,0,20,100,60,140,180,20,100,60,/,(,),180,140,a,/,(,),j,= 90,75,60,45,30,15,0,图4-3 单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线,wt = a 时刻开通晶闸管VT1，可求得 （47）,当 a = j 时 = 当 a j 时 ,以j 为参变量，利用（47)可把a 和 的关系表示成右图。
4、,4.1.1 单相交流调压电路,4- 9,图4-4 单相交流调压电路a为参变量时I VTN和a关系曲线,j,= 90,0,.,1,0,.,2,0,.,3,0,.,4,0,.,5,160,180,0,40,120,80,75,60,45,j,= 0,a,/,(,),I,VTN,负载电流有效值 (4-10) IVT的标么值 (4-11),4.1.1 单相交流调压电路,4- 10,图4-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形,当阻感负载, a j 时电路工作情况。,图4-2 阻感负载单相交流调压电路,VT1的导通时间超过 。 触发VT2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不会导通。io过零后
5、，VT2才可开通，VT2导通角小于。 衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通时间渐长。,4.1.1 单相交流调压电路,4- 11,3) 单相交流调压电路的谐波分析,电阻负载,由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波。 (4-12) 基波和各次谐波有效值 (4-13)负载电流基波和各次谐波有效值 (4-14) 电流基波和各次谐波标么值随 a变化的曲线（基准电流为a =0时的有效值）如图4-6所示。,图4-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,4.1.1 单相交流调压电路,4- 12,电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7等次谐波。 随着次数的增加，谐波含量减少
6、。 和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。 当a 角相同时，随着阻抗角j 的增大，谐波含量有所减少。,阻感负载,4.1.1 单相交流调压电路,4- 13,4) 斩控式交流调压电路,在交流电源u1的正半周,图4-7 斩控式交流调压电路,4.1.1 单相交流调压电路,用V1进行斩波控制,用V3给负载电流提供续流通道,4- 14,用V2进行斩波控制,用V4给负载电流提供续流通道,图4-7 斩控式交流调压电路,4) 斩控式交流调压电路,在交流电源u1的负半周,4.1.1 单相交流调压电路,4- 15,特性,图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形,4.1.1 单相交流调压电路,电源电流的基
7、波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。 电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。 功率因数接近1。,4- 16,4.1.2 三相交流调压电路,根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式,4- 17,三线四相 基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。 问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。 a =90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。,1) 星形联结电路 可分为三线三相和三线四相,图4-9 三相交流调压电路 a) 星形联结,4.1.2 三相交流调压电路,4
8、- 18,三相三线，主要分析阻负载时的情况,图4-9 三相交流调压电路 a) 星形联结,4.1.2 三相交流调压电路,任一相导通须和另一相构成回路。 电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉 冲触发。 触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1 VT6,依次相差60。 相电压过零点定为a 的起点， a角移相范围是0 150。,4- 19,(1)0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a 。但a =0时一直是三管导通。,图4-10 不同a角时负载相电压波形 a) a =30,4.1.2 三相交流调压电路,4- 20,图4-10 不同a角时负载相电压波形 b) a =60,
9、4.1.2 三相交流调压电路,4- 21,(3)90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 a。,图4-10 不同a角时负载相电压波形 c) a =120,4.1.2 三相交流调压电路,4- 22,谐波情况,4.1.2 三相交流调压电路,电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同。 谐波次数越低，含量越大。 和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。,4- 23,2） 支路控制三角联结电路,图49三相交流调压电路,c)支路控制三角形联结,4.1.2 三相交流调压电路,由三个单相交流
10、调压电路组成，分别在不同的线电压作用下工作。 单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用。 输入线电流（即电源电流）为与该线相连的两个负载相电流之和。,4- 24,谐波情况,c)支路控制三角形联结,图49三相交流调压电路,4.1.2 三相交流调压电路,3倍次谐波相位和大小相同，在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。 线电流中所谐波次数为6k1(k为正整数)。 在相同负载和a 角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。,4- 25,典型用例晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）,配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功
11、补偿装置(Static Var CampensatorSVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。,图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路,4.1.2 三相交流调压电路,a 移相范围为90 180。 控制a 角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。,4- 26,图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路,4.1.2 三相交流调压电路,4- 27,仿真波形 仿真工具为PECS 2.0（本课题组教师独立开发的仿真软件）,4.1.2 三相交流调压电路,图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a) =120 b) =135 c) =160,a）,b）,c）,4-
12、28,4.2 其他交流电力控制电路,4.2.1 交流调功电路 4.2.2 交流电力电子开关,4- 29,4.2.1 交流调功电路,交流调功电路与交流调压电路的异同比较,相同点 电路形式完全相同 不同点 控制方式不同 交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形进行控制。 交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。,4- 30,电阻负载时的工作情况,2,p,N,图41电阻负载单相交流调压电路,4.2.1 交流调功电路,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
13、倍电源周期。,4- 31,谐波情况,0,12,14,谐波次数,相对于电源频率的倍数,图4-14交流调功电路的 电流频谱图(M =3、N =2),2,4,6,10,8,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,0,5,1,2,3,4,I,n,/,I,0m,4.2.1 交流调功电路,图4-14的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值， Io为导通时电路电流幅值。 以电源周期为基准，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。,4- 32,4.2.2 交流电力电子开关,概念 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开
14、关，起接通和断开电路的作用。,优点 响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。,与交流调功电路的区别,并不控制电路的平均输出功率。 通常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得多。,4- 33,晶闸管投切电容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）,图4-15 TSC基本原理图 a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图,4.2.2 交流电力电子开关,作用 对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。 性能优于机械开关投切的电容器。 结构和原理 晶闸管反并联后串入交流电路。 实际常用三相，可三角形联结，
15、也可星形联结。,4- 34,晶闸管的投切 选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流。 理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。,图4-16 TSC理想投切时刻原理说明,4.2.2 交流电力电子开关,4- 35,TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式,4.2.2 交流电力电子开关,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。 成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。,图4-16 TSC理想投切时刻原理说明,4- 36,4.3 交交变频电路,4.3.1 单相交交变频器 4.3.2 三相交交变频器,4- 37,4.3.1 单相交交变频器,晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor) 把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。 广
