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1、第 4 章 交流电力控制电路和交交变频电路 主要内容：单相、三相相控式交流调压电路，交流调功电路，交流电子开关，单相、 三相输出交交变频电路。重点：单相相控式交流调压电路，交流调功电路，单相输出交交变频电路。 难点：单相相控式交流调压电路，单相输出交交变频电路。基本要求：掌握单相相控式交流调压电路，理解三相相控式交流调压电路，掌握交流 调功电路，了解交流电子开关，掌握单相输出交交变频电路，了解三相输出交交变频 电路。1 交流电力控制（1） 单相交流调压电路 a 电阻负载工作原理：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
2、压过零时刻，稳态时，正负半周的a相等。 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口. W数量关系：负载电压有效值负载电流有效值：晶闸管电流有效值：(4-1)(4-2)(4-3)功率因数:兄= = =玉=J丄s；in2G+(4-4)S UIo 5/2 朮7T输出电压与a的关系：移相范围为OSaSn。a =0时U =0,最大，a的增大，U降 o1o 低，a =n 时，Uo=0；九与a的关系：a=0时，九=1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，九降低；b 阻感负载负载阻抗角：晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相
3、位滞后于片的角度为9； 在用晶闸管控制时，只能滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前； a =0时刻仍为片过零时刻，a的移相范围应为9SaSn；阻感负载时的工作过程分析：在wt= a时刻开通VT，负载电流满足(4-5)i + /?;； = Jlq sin a)t oL=.=0解方程得式中，0为晶闸管导通角(4-6)利用边界条件：t=a+0时i =0，可求得0：O(4-7)u1图 4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形VT2导通时，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差180日方数量关系： 负载电压有效值(4-8)020601001401806Z/()图4-3单相交流调压电路以申为参
4、变量的0和a关系曲线晶闸管电流有效值：U 甘 sin 3 cos(2 + 炉 + 0)(4-9)负载电流有效值:人=屁TIT 的标么值(4-10)(4-11)图4-4单相交流调压电路申为参变量时ITN0 a关系曲线a 9时的工作情况：VT1提前通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过n；触发VT2时，i尚未过零，VT1仍通，VT2不通；T2oT1T2i过零后，如用宽脉冲或脉冲列触发VT2，则VT2开通，VT2导通角小于noT2T2T2过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在t= a ( a 9)时合闸的过渡过程相同，i。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
5、时间渐短，vT2的导通 时间渐长， 稳态工况和 a = 9 时相同。12图 4-5 a 9 时阻感负载交流调压电路工作波形c 单相交流调压电路的谐波分析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)触发延迟角创()图 4-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量 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；a角相同时，随着阻抗角申的增大，谐波含量有所减少。d 斩控式交流调压电路 一般采用全控型器件作为开关器件 工作原理：基本原理和直流斩波电路有类似之处，u1正半
6、周，用V进行斩波控制，V3提供续流通 道；u负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道。设斩波器件(或V导通时间为t，开关周期为T,则导通比a =t /T,改变a可1 2 on on 调节输出电压。特性：电源电流的基波分量和电源电压同相位，位移因数为 1； 电源电流不含低次谐波，只含和 T 有关的高次谐波； 功率因数接近 1；ATT图 4-7 斩控式交流调压电路图 4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形(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图 4-9 三相交流调压电路)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
7、a 星形联结电路 可分为三相三线和三相四线两种情况三相四线： 基本原理：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，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；相电压过零点定为 a 的起点， a 角移相范围是 0150；0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180- a。但a =0时
8、一直是三管导通 60迄a 90：两管导通，每管导通120。90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为 300-2 a谐波情况：电流谐波次数为6k1(k=1, 2，3,)，和三相全控桥相同； 谐波次数越低，含量越大；和单相相比，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。晶闸管导通区间VTVTqVT】%vt3Vvt2VTS晶闸管VT 导通区间晶闸管导通区间VTVT VT】 VTVTm VT3VT5 VT5 i叮护g vt6vt2vt2vt4vt4vt6图4-10不同a角时负载相电压波形a) a =30 b) a =60 c) a =1202 其他交流电力控制电路以交
9、流电源周波数为控制单位交流调功电路 对电路通断进行控制交流电力电子开关(1) 交流调功电路 与交流调压电路的电路形式相同，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功率。常用于电炉温度控，因直接调节对象是平均输出功率，所以称为交流调功电路，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。u 0胆 了 u *TcTcs s s0WWW图 4-11 全周波过零触发输出电压波形(2) 交流电力电子开关 代替机械开关，起接通和断开电路的作用，响应速度快，
10、无触点，寿命长，可频繁控 制通断，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。晶闸管投切电容器(Thyristor Switched C a p a citorTSC)，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：ATT图 4-12 基本原理图(单相)3 交交变频电路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， 广泛用于大功率交流电动机调速传动系统。(1) 单相交交变频电路a 电路结构与工作原理电路构成：由 P 组和 N 组反并联的晶闸管变流电路构成，和四象
11、限变流电路相同。工作原理：P组工作时，负载电流i为正；N组工作时，i为负；OO两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电； 改变切换频率，就可改变输出频率 wo；O改变变流电路的控制角 a ，就可以改变交流输出电压幅值；为使uo波形接近正弦，可按正弦规律对a角进行调制，在半个周期内让P组a角按 正弦规律从90减到0或某个值，再增加到90，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦 规律从零增至最高，再减到零。u由若干段电源电压拼接而成，在u 个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形 OO就越接近正弦波。图 4-13 单相交交变频电路原理图和输出电压波形b 整流与逆变工作状态阻感负载为例
12、：把交交变频电路理想化,忽略变流电路换相时u的脉O动分量，就可把电路等效成正弦波交流电源和二极管的串 联。负载阻抗角为卩则输出电流滞后输出电压申角两组变流电路采取无环流工作方式，一组变流电路工 作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。工作状态：t1t3：io 正半周，正组工作，反组被封锁；13ot1t2： u和i均为正，正组整流，输出功率为正12 t2t3： u 反向， i 仍为正，正组逆变，输出功率为负23t3t5： i 负半周，反组工作，正组被封锁； t3t4： u 和 i 均为负，反组整流，输出功率为正； t4t5： u 反向， i 仍为负，正组逆变，输出功率为 负哪一组工作由 i 方向决定
13、，与 u 极性无关；OO工作在整流还是逆变，则根据 u 方向与 i 方向是否OO相同确定。单相交交变频电路输出电压和电流波形分析： 考虑无环流工作方式下 i 过零的死区时间，一周期 可分为 6 段第1段 i 0，反组逆变；uu0，i0P整流逆变阻断N阻断整流1逆变图 4-14 理想化交交变频电路的 整流和逆变工作状态第 2 段电流过零，为无环流死区；第3段io0, uo0，正组整流； 第4段io0, uovO，正组逆变;第 5 段又是无环流死区；第6段iovO, uovO，为反组整流;I III I25图 4-15 单相交交变频电路输出电压和电流波形uo和io的相位差小于90。时，电网向负载提
14、供能量的平均值为正，电动机为电动；相位差大于90时，电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。c 输出正弦波电压的调制方法 余弦交点法：最基本的、广泛使用的方法设Ud0为a = 0时整流电路的理想空载电压，则有 d0叭=U cosff每次控制时a角不同，表示每次控制间隔内u的平均值O期望的正弦波输出电压为：叫=九 血砒比较式(4-12)和(4-13)，应使(4-12)(4-13)cos仅二 善巴sin丿=(4-14)Y称为输出电压比余弦交点法基本公式(4-15)a - cos-1 (/ sinta0/)余弦交点法图解：线电压、ubc、uba、uca和ucb依次用U1u6表示;相邻两个线电压的交点对应于a =0；Uu6所对应的同步信号分别用us1us6表示；Uu6比相应的比兔超前30,
