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1,第4章 交流调压和变频电路,2,交流调压电路 交流无触点开关 交流调功电路 交交变频电路,本章主要内容,3,交流机组实现电力变换,4,把一种形式的交流变成另一种形式的交流的电路，可改变相关的电压，电流，频率和相数,变频电路,改变频率的电路,交交变频 直接 交直交变频 间接,交流电力控制电路,只改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路,交流调压电路 相位控制 AC voltage controller Phase control 交流调功电路 通断控制 AC power controller Integral cycle control,AC to AC Converters,5,Classification of AC to AC Converters,6,原理Principle 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，不改变交流电频率。,单相交流调压电路图,4.1 交流调压电路,7,应用Application 灯光控制Lighting control（如调光台灯和舞台灯光控制) 异步电动机软起动Soft-start of asynchronous motors 异步电动机调速Adjustable speed drive of asynchronous motors 供用电系统对无功功率的连续调节Reactive power control 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,4.1 交流调压电路,8,控制方式 整周波通断控制：将晶闸管作交流开关用，以交流电周期为单位来控制晶闸管的接通和断开。如控制目的是控制电路输出功率平均值，则电路为交流调功电路；如晶闸管通断是为了接通和断开电路，不需调节输出平均功率，则称为交流电子开关。,4.1 交流调压电路,9,控制方式 相位控制方式：在电源电压的正、负半周分别控制两个晶闸管的导通时刻，改变晶闸管的触发相位从而调节电路输出电压有效值。 斩波控制方式：电源电压的每个周期内开关元件多次通断，负载上的电压波形被斩成多个脉冲，而改变开关的导通比即可实现调压。主控元件一般采用全控型器件，如果采用晶闸管，则需要增加强迫关断电路。,4.1 交流调压电路,10,阻性负载Resistive load,时刻为电源电压过零时刻。,在交流电源的正负半周，分别控制两个晶闸管开通，正负半周触发角相等。 负载电压波形是电源电压波形的一部分。,4.1.2 单相交流调压电路,11,电阻负载Resistive load,移相范围(The phase shift range)为,负载电压有效值RMS value of output voltage,负载电流有效值RMS value of output current,4.1.2 单相交流调压电路,12,电阻负载Resistive load,随着的增大，输入电流滞后于输入电压，且电压和电流波形发生畸变，功率因数逐渐降低。,电路功率因数 Power factor of the circuit,4.1.2 单相交流调压电路,13,电阻负载Resistive load,4.1.2 单相交流调压电路,输出电压含有3、5、7、9等奇次谐波，通过晶闸管实现的交流调压与利用调压变压器进行交流调压输出的电压波形是正弦波的情况不同。所以，这种交流调压电路只适用于对电压波形没有要求的场合。,14,电阻负载Resistive load,流过晶闸管的电流有效值 RMS value of thyristor current,4.1.2 单相交流调压电路,晶闸管最大电流,15,电阻负载Resistive load,4.1.2 单相交流调压电路,晶闸管通态平均电流,16,若将晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为 ，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 。,阻感负载Inductive load,负载阻抗角：,4.1.2 单相交流调压电路,17,时刻开通晶闸管VT1，负载电流应满足,利用边界条件 时 可求得,4.1.2 单相交流调压电路,18,4.1.2 单相交流调压电路,19,4.1.2 单相交流调压电路,负载电压有效值,流过晶闸管的电流有效值,负载电流有效值,20,4.1.2 单相交流调压电路,结论： 时， ，负载电流连续。电路一开通直接进入稳态，没有暂态过程，交流调压电路处于直通状态，不起调压作用，此时 。 ， ， , , 移相范围,21,稳态情况和 一样,当阻感负载, 时电路工作情况。,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，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。,4.1.2 单相交流调压电路,22,电阻负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流电路交流侧电流波形一致，改变控制角可调节负载电压有效值，达到交流调压的目的。单相交流调压电路的触发电路可采用整流电路的触发电路。 阻感负载时，晶闸管需宽脉冲触发，否则 时会发生一个晶闸管无法导通的现象，电路工作在整流状态，负载电流出现很大的直流分量； 阻性负载时，移相范围为 ；带阻感负载时，移相范围为 。,4.1.2 单相交流调压电路,总结,23,交流斩波调压电路,在交流电源u1的正半周,用V1进行斩波控制,用V3给负载电流提供续流通道,4.1.2 单相交流调压电路,24,在交流电源u1的负半周,用V2进行斩波控制,用V4给负载电流提供续流通道,交流斩波调压电路,4.1.2 单相交流调压电路,25,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。,4.1.2 单相交流调压电路,26,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,4.1.3 三相交流调压电路,27,三相四线星形联结电路 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，在选择线径和变压器时一定要注意。,4.1.3 三相交流调压电路,28,三相三线星形联结电路阻性负载情况,电路无中线，负载上要有电流，至少有不同相的两个管子同时导通。 为保证电路在开始工作时，两个晶闸管能同时导通，且在感性负载和控制角较大时，也能使不同相的正、反两个晶闸管同时导通，应采用宽脉冲（宽度60）或双窄脉冲触发。 各晶闸管触发信号应与三相交流电源电压相序一致，并与电源同步。三相触发脉冲依 次相差120，同一相的两个反 并联晶闸管相差180 。晶闸管 触发脉冲顺序与三相桥式全控整 流电路相同。,4.1.3 三相交流调压电路,29,三相三线星形联结电路阻性负载情况,4.1.3 三相交流调压电路,三种可能的工作状态 三相管子均不导通，电路开路，负载电压为零。 三相同时工作状态，即同一时刻，每相有一个晶闸管导电，任一时刻同时有三个管子导电。负载电压为电源电压。 两相同时工作状态，即同一时刻，仅两相各有一个管子导电，第三相的两个管子 都不导电。电路等效为导通两 相串联，共同承受导通两相之 间的线电压，非导通相负载电 压为零。,30,a =0时电路工作情况 各晶闸管均可看作二极管，承受正向电压管子导通，电路为三相均导通的三管工作状态。 特点：每管导通180，每隔60有一个管子换流。,4.1.3 三相交流调压电路,31,稳态时： 3060期间，之前5和6导通， 30时刻触发1号管，三管导通，a相负载电压为a相相电压。 6090期间，5号管关断，1和6导通，两管导通，c相的管子均不通，a、b负载电压为a、b线电压的一半。,4.1.3 三相交流调压电路,a =30时电路工作情况,32,90120期间，6、1、2导通，负载电压为相电压。 120150期间，1、2导通，b相负载电压为零，a、c相负载电压为线电压一半。,4.1.3 三相交流调压电路,a =30时电路工作情况,33,150180期间，1、2、3导通，负载电压为相电压。 电路工作特点：一个周期中电路有三管同时导通和两管同时导通两种工作状态，每管一个周期中导通角为150 ，三管同时导通时负载电压为相电压，两管同时导通时负载电压为相关线电压的一半。 输出电流波形与电压波形相同，所以电流波形连续。,4.1.3 三相交流调压电路,a =30时电路工作情况,34,4.1.3 三相交流调压电路,a =60时,35,4.1.3 三相交流调压电路,a =90时,36,4.1.3 三相交流调压电路,a =120时,37,4.1.3 三相交流调压电路,a 150时,当触发角 后，由于晶闸管承受的线电压已经开始过零变负，所以，晶闸管不可能再导通，负载电压为零。,38,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。,4.1.3 三相交流调压电路,39,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。,4.2 交流无触点开关,40,作为开关工作时，当开关导通，即控制正反两个晶闸管的控制角均为0，也就是在电源电压的正半周， VT1导通，电源电压负半周，VT2导通，则电路中有正反两个方向的电流；当开关关断，则控制两个晶闸管均不导通。若采用双向晶闸管，因其承受du/dt的能力较差，所以一般只用在电阻性负载电路中作交流开关用。,4.2.1 晶闸管交流无触点开关,41,晶闸管投切电容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）,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，也可星形联结。,4.2.1 晶闸管交流无触点开关,42,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,4.2.1 晶闸管交流无触点开关,43,4.2.2 全控型器件交流无触点开关,44,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。 开关导通期间，电压和电流波形为正弦，装置功率因数较高，谐波较相控整流装置小。,4.3 交流调功电路,45,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。,4.3 交流调功电路,46,单相交交变频器 三相交交变频器,4.4 交交变频电路,47,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 广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路,4.4 交交变频电路,48,电路构成和基本工作原理,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。,4.4.1 单相交交变频电路,49,工作原理 P组工作时，负载电流io为正。 N组工作时，io为负。 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。 改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率w。 改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值。,4.4.1 单相交交变频电路,50,为使uo波形接近正弦波，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。另外半个周期可对N组进行同样的控制。 uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。,4.4.1 单相交交变频电路,51,为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a 角进行调制。,4.4.1 单相交交变频电路,52,交流母线进线方式 输出星形联结方式,4.4.2 三相交交变频电路,53,4.4.2 公共交流母线进线方式三相交交变频电路,电路特点：由三个彼此独立的单相交交变频电路组成，三个电路电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。由于电源进线端公用，所以三个单相变频电路的输出端必须隔离。所以，变频电路所带的电动机的三个绕组必须拆开，同时引出六根引线。,54,4.4.2