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1、交流电力控制电路和交交变频电路概述4.1交流调压电路4.1.1单相交流调压电路4.1.2三相交流调压电路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4.3交交变频电路4.3.1单相交交变频电路4.3.2三相交交变频电路4.4矩阵式变频电路本章小结第4章概述交流-交流变流电路一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，可改变相关的电压、电流、频率和相数等交流电力控制电路交流电力控制电路变频电路变频电路只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的交流调压电路相位控制（或斩控式），4.1节交流调功电路及交流无触点开关通断控制，4.2节
2、交交变频电路交直交变频电路1.晶闸管交交变频电路，4.3节2.矩阵式变频电路，4.4节先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频电路，8.1节第4章交流调压电路u交流电力控制电路的结构两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管就可控制交流电力u交流电力控制电路的类型交流调压电路:交流调功电路:交流电力电子开关:每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路。4.1u交流调压电路的应用：灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）异步电动机软起
3、动异步电动机调速供用电系统对无功功率的连续调节在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压交流调压电路4.1单相交流调压电路1电阻负载电阻负载原理分析原理分析原理分析原理分析在u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压正负半周a 起始时刻（a =0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a相等4.1.1负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形u数量关系数量关系负载电压有效值(4-1)负载电流有效值(4-2)晶闸管电流有效值(4-3)功率因数(4-4)单相交流调压电路4
4、.1.1ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTwtOwtOwtOwtu输出电压与输出电压与a的关系的关系:移相范围为0a。a=0时，输出电压为最大，Uo=U1。随a的增大，Uo降低，a=时，Uo=0。u与与a的关系的关系:-a=0时，功率因数=1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低单相交流调压电路4.1.12阻感负载阻感负载u阻感负载时a的移相范围负载阻抗角：j =arctan(wL /R)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ja图4-2阻感负载单相交流
5、调压电路及其波形单相交流调压电路4.1.1u阻感负载时的工作过程分析阻感负载时的工作过程分析在t =a时刻开通VT1，负载电流满足(4-5)解方程得(4-6)式中,为晶闸管导通角利用边界条件：t =a+时io=0,可求得：(4-7)VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180图4-3单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线单相交流调压电路4.1.1u数量关系负载电压有效值：晶闸管电流有效值：(4-8)(4-9)单相交流调压电路4.1.1单相交流调压电路负载电流有效值(4-10)IVT的标么值(4-11)图4-4单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线4.1.1ua j时
6、单相交流调压电路4.1.1图4-5aj时阻感负载交流调压电路工作波形图4-5的波形分析:VT1提前通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过触发VT2时， io尚未过零，VT1仍导通，VT2不通io过零后，VT2开通，VT2导通角小于方程式(4-5)和(4-6)所得io表达式仍适用，只是at过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在t =a(aj)时合闸的过渡过程相同io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长稳态的工作情况和a =j时完全相同3.单相交流调压电路的谐波分析单相交流调压电路的谐波分析u电阻负载的情况电阻负载的情况波形正负半
7、波对称，所以不含直流分量和偶次谐波(4-12)式中:(n=3,5,7,)(n=3,5,7,)单相交流调压电路4.1.1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单相交流调压电路4.1.1u阻感负载的情况阻感负载的情况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，谐波含量有所减少单相交流调压电路4.1.1图4-7斩
8、控式交流调压电路4斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路一般采用全控型器件作为开关器件原理分析原理分析原理分析原理分析基本原理和直流斩波电路有类似之处u1正半周u1负半周设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a =ton/T，改变a 可调节输出电压斩波控制斩波控制续流通道续流通道单相交流调压电路4.1.1u特性特性电源电流的基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图4-8电阻负载斩控式交流调压电路波形单相交流调压电路4.1.1三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图4-9三相
9、交流调压电路a)星形联结b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结d)中点控制三角形联结4.1.2u三相四线基本原理：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三相三线三相四线1星形联结电路三相交流调压电路4.1.2u三相三线，电阻负载时的情况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VT1VT6,依次相差60相电压过零点定为a的起点，
10、a角移相范围是0150三相交流调压电路4.1.2图4-10不同a角时负载相电压波形a)a=30b)a=60c)a=120三相交流调压电路4.1.2(1)0a60：三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(2)60a90：两管导通，每管导通120(3)90a150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002au谐波情况谐波情况电流谐波次数为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三相交流调压电路4.1.22支路控制三角联结电路
11、由三个单相交流调压电路组成，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u谐波情况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三相交流调压电路4.1.2u典型用例晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactorTCR）a移相范围为90180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，称为静止无功补偿装置(Stat
12、icVarCampensatorSVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变三相交流调压电路4.1.2图4-11晶闸管控制电抗器(TCR)电路图4-12TCR电路负载相电流和输入线电流波形三相交流调压电路4.1.2a)=120b)=135c)=160其他交流电力控制电路l以交流电源周波数为控制单位交流调功电路l对电路通断进行控制交流电力电子开关4.2交流调功电路异同u与交流调压电路的电路形式完全相同控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均u应用常用于电炉的温度控制因其直接调节对象是电路的平均输出功率,所以称为交流调功电路-
13、控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可-通常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4.2.1u电阻负载时的工作情况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倍电源周期图4-13交流调功电路典型波形(M =3、N =2)当M=3、N=2时的电路波形如图4-13交流调功电路4.2.1u谐波情况图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
14、波而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大图4-14交流调功电路的电流频谱图(M =3、N =2)交流调功电路4.2.1M=3时，交流电力电子开关u作用：u优点：u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代替机械开关，起接通和断开电路的作用响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断4.2.2u晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitorTSC）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图4-15基本原理图（单相）实际
15、常用三相，可三角形联结，也可星形联结图4-15TSC基本原理图a)基本单元单相简图b)分组投切单相简图交流电力电子开关4.2.2晶闸管反并联后串入交流电路两个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的作用（图4-15a）串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流实际工程中，为避免电容器组投切造成较大冲击，一般把电容器分成几组（图4-15b），可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量TSC实际上为断续可调的动态无功功率补偿器图4-15TSC基本原理图a)基本单元单相简图b)分组投切单相简图交流电力电子开关4.2.2uTSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式由于二极管的作用，在电路
16、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4-17晶闸管和二极管反并联方式的TSC交流电力电子开关4.2.2l晶闸管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4-16TSC理想投切时刻原理说明交流电力电子开关4.2.2交交变频电路u本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)u交交变频电路把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路u广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路4.31电路构成和基本工作原理u电路构成如图4-18，由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同变流器P和N都是相控整流电路图4-18单相交交变频电路原理图和输出电压波形4.3.1单相交交变频电路u工作原理工作原理P组工作时，负载电流io为正N组工作时
