电力电子技术第6章 交流交流变流电路

1、第第6 6章章 交流交流变流电路交流交流变流电路 6.1 交流调压电路交流调压电路 6.2 交流调功电路交流调功电路 6.3 交交变频电路交交变频电路 本章小结本章小结School of Electronics Science and Technology 2/57AC-AC变换电路变换电路：把一种形式的：把一种形式的交流交流电变换成另一种形电变换成另一种形式的式的交流交流电的电路，可以是电的电路，可以是电压幅值的变换、频率或相电压幅值的变换、频率或相数的变换数的变换。 AC-AC变换电路可以分为变换电路可以分为直接方式直接方式（即无中间直流环节即无中间直流环节）和和间接方式间接方式（有中间直

2、流环节有中间直流环节）两种。）两种。直接方式直接方式 交流电力控制电路交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断：只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路。进行控制，而不改变频率的电路。 交流调压电路交流调压电路：在：在每半个周波内每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出输出电压有效值电压有效值的电路。的电路。 交流调功电路交流调功电路：以：以交流电周期交流电周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节和断态周期数的比，调节输出功率平均值输出功率平均值的电路。的电路。 交流

3、电力电子开关交流电力电子开关：串入电路中根据需要：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管接通或断开电路的晶闸管。 变频电路变频电路：改变频率的电路。：改变频率的电路。引言School of Electronics Science and Technology 3/57 交流调压电路交流调压电路一般采用一般采用相位控制相位控制，其特点是维持频率不，其特点是维持频率不变，仅改变输出电压的大小，它广泛应用于变，仅改变输出电压的大小，它广泛应用于灯光调节（调光灯光调节（调光台灯和舞台灯光）、异步电机的软启动和调速台灯和舞台灯光）、异步电机的软启动和调速等场合。此外，等场合。此外，在在高压或低压大功率

4、直流电源高压或低压大功率直流电源中，也常用交流调压电路中，也常用交流调压电路调节调节变压器一次电压变压器一次电压。 在这种电路中通常采用晶闸管相控整流电路，在这种电路中通常采用晶闸管相控整流电路， 两个晶闸管两个晶闸管反并反并联后串联联后串联在交流电路在交流电路中，通过对晶闸管的中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电控制就可控制交流电力。力。 高电压小电流高电压小电流可控直流电源就需要很多可控直流电源就需要很多晶闸管串联晶闸管串联，低电压大电流低电压大电流直流电源需要很多直流电源需要很多晶闸管并联晶闸管并联，这都是十分不，这都是十分不合理的。若采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压合理的。若

5、采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都适中，而在变压器二次侧只要用二极管整流就可以电流值都适中，而在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。了。 6.1 交流调压电路交流调压电路引言引言School of Electronics Science and Technology 4/57 交流调压就是把固定的交交流调压就是把固定的交流电变成幅值（有效值）可调流电变成幅值（有效值）可调的交流电。的交流电。 利用利用自耦变压器自耦变压器可以实现可以实现这一目的，输入输出电压波形这一目的，输入输出电压波形如图如图6-1(a)所示。所示。 但自耦变压器需要通过手但自耦变压器需要通过手动或电动机拖

6、动调节碳刷位置动或电动机拖动调节碳刷位置来达到调节输出电压的目的，来达到调节输出电压的目的，这种调压方案碳刷易损坏且有这种调压方案碳刷易损坏且有微小级差。微小级差。 从图从图6-1(a)看出，这种调压看出，这种调压方式输出电压与输入电压波形方式输出电压与输入电压波形形状相同，只是幅值不同。形状相同，只是幅值不同。图6-1（a）自耦变压器交流调压方案 6.1 交流调压电路交流调压电路引言引言School of Electronics Science and Technology 5/576.1 交流调压电路交流调压电路引言引言 实际上，为了实现调节电压还可以利用实际上，为了实现调节电压还可以利用

7、电力电子电力电子器件的通断器件的通断可以把正弦输入电压的正负半波都对称地可以把正弦输入电压的正负半波都对称地切去一块，如图切去一块，如图6-1(b)、(c)所示。所示。 对图对图6-1(b)、(c)所示的交流调压模式，只要在交所示的交流调压模式，只要在交流回路中串联一只流回路中串联一只可控双向开关可控双向开关，并在相应时刻控制，并在相应时刻控制其开通或关断即可。其开通或关断即可。 （a）自耦变压器交流调压方案 （b） 相控式交流调压方案 （c）斩控式交流调压方案 图6-1 交流调压的几种方案比较School of Electronics Science and Technology 6/57

8、如图如图6-1(b)所示，所示，可用两只反可用两只反并联的晶闸管或双向晶闸管并联的晶闸管或双向晶闸管实现实现可控双向开关，利用改变晶闸管可控双向开关，利用改变晶闸管触发脉冲的触发脉冲的相位相位来调节输出电压，来调节输出电压，故这种调压电路称为故这种调压电路称为相控式交流相控式交流调压电路调压电路。 如图如图6-1(c)所示，一般用所示，一般用全控全控型器件型器件实现可控双向开关，在图实现可控双向开关，在图中阴影部分的时间内关断开关，中阴影部分的时间内关断开关，在其他时间内接通开关，这种调在其他时间内接通开关，这种调压电路与直流斩波电路工作原理压电路与直流斩波电路工作原理类似，故称为类似，故称为

9、斩控式交流调压电斩控式交流调压电路路。6.1 交流调压电路交流调压电路引言引言图6-1 （c）斩控式交流调压方案 School of Electronics Science and Technology 7/576.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路相控式交流调压电路的工作情相控式交流调压电路的工作情况和负载性质有很大的关系，况和负载性质有很大的关系，下面就电阻性负载和电感性负下面就电阻性负载和电感性负载分别讨论。载分别讨论。（1）电阻性负载）电阻性负载 单相相控式单相相控式交流调压电路电阻性负载电路交流调压电路电阻性负载电路图如图所示，加在该电路输入图如图所示，加在该电路输入端的电源为

10、正弦交流电。在交端的电源为正弦交流电。在交流电源的正负半周分别在流电源的正负半周分别在t = 和和t = + 时刻触发晶闸管时刻触发晶闸管VT1和和VT2，从而得到负载两端的电，从而得到负载两端的电压、电流以及压、电流以及VT两端电压波形两端电压波形如图所示。如图所示。（a） 电阻负载单相交流调压电路 Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt（b）电阻负载单相交流调压工作波形 +1 相控式交流调压电路相控式交流调压电路 VT1VT2School of Electronics Science and Technology 8/576.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路每个晶闸管均在对应的

11、交流电压每个晶闸管均在对应的交流电压过零点关断，晶闸管的控制触发过零点关断，晶闸管的控制触发角为角为，导通角为，导通角为 = -。负载电。负载电压波形是电源电压波形的一部分，压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同，晶闸管也只载电压的波形相同，晶闸管也只在两个晶闸管均关断时才承受电在两个晶闸管均关断时才承受电压。压。定量分析：定量分析：由此可知，当晶闸管由此可知，当晶闸管的控制触发角的控制触发角为为时，负载两端时，负载两端的电压有效值的电压有效值Uo为为 （a） 电阻负载单相交流调压电路 Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt（

12、b）电阻负载单相交流调压工作波形 +ww2sin21dsin21121oUttUUVT1VT2School of Electronics Science and Technology 9/57 U Uo o与与的关系的关系：由由式式6-16-1知，当知，当=0=0时，输出电压时，输出电压U Uo o= =U U1 1为为最大，当最大，当= =时，时，U Uo o=0=0，因此该电路在电阻负载下触发，因此该电路在电阻负载下触发脉冲的移相范围为脉冲的移相范围为00。输出电压。输出电压U Uo o随随的增大而的增大而减小减小。流过负载中的电流有效值流过负载中的电流有效值I Io o为为2sin21o

13、oRURUI（6-26-2） 流过晶闸管中电流有效值流过晶闸管中电流有效值I IVTVT为为ww22sin41)(sin2212VTRUtdRtUI （6-36-3） 电路的功率因数为电路的功率因数为2sin21ooooUUUIIUSP（6-46-4）6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 与与的关系的关系: :=0=0时，功率因数时，功率因数=1=1，增大，输入增大，输入电流滞后于电压且畸变，电流滞后于电压且畸变，降低。功率因数降低。功率因数 也随也随的的增大而减小。增大而减小。School of Electronics Science and Technology 10/576.1.

14、1 单相交流调压电路单相交流调压电路（2）阻感性负载）阻感性负载 当负载中感抗当负载中感抗L与电与电阻阻R相比不可忽略时，该相比不可忽略时，该负载即认为是阻感性负载，负载即认为是阻感性负载，如图如图(a)所示。所示。 由于电感的作用，负由于电感的作用，负载电流载电流滞后滞后于负载电压，于负载电压，也就是说当负载电压（电也就是说当负载电压（电源电压）下降到零，负载源电压）下降到零，负载中的电流并不下降到零，中的电流并不下降到零，晶闸管在电压过零后不关晶闸管在电压过零后不关断，直到电感中能量全部断，直到电感中能量全部释放完，电感（负载）中释放完，电感（负载）中的电流下降到零，晶闸管的电流下降到零，

15、晶闸管才关断，对应的电路工作才关断，对应的电路工作波形如右图所示。波形如右图所示。（a） 阻感负载单相交流调压电路 School of Electronics Science and Technology 11/57 设负载阻抗角设负载阻抗角 = arctan(L/R)。若晶闸管短接，稳若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为的角度为 ，当用，当用晶闸管控制时，只能进行晶闸管控制时，只能进行滞后控制滞后控制，使负载电流更为滞，使负载电流更为滞后。后。 为了分析方便，和电阻负载一样仍把为了分析方便，和电阻负载一样仍把 = 0的时刻定的时刻定在电

16、源电压过零点的时刻，则当在在电源电压过零点的时刻，则当在t = 时刻触发开通时刻触发开通晶闸管晶闸管VT1。显然。显然，稳态时稳态时 的移相范围应为的移相范围应为 。定量分析：定量分析：“分段线性分段线性”负载电流应满足如下微分方程和初始条件：负载电流应满足如下微分方程和初始条件：解方程得解方程得6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路tURidtdiLwsin2ooo0tiw6-5School of Electronics Science and Technology 12/576.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路wwtgteZUtZUisin2)sin(2o（ t +） 6-6

17、其中其中 )sin(2swtZUi为稳态分量为稳态分量；式中式中22LRZw， 为晶闸管导通角。为晶闸管导通角。wtgteZUisin2t为暂态分量。为暂态分量。利用边界条件：利用边界条件：t t = = + + 时时i io o = 0 = 0，可求得，可求得 ：tge)sin()sin(6-76-7VTVT2 2导通时，上述关系完全相同，只是导通时，上述关系完全相同，只是i io o极性相反极性相反，相位差相位差180180。 VT1VT2School of Electronics Science and Technology 13/576.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路在这种情

18、况下，负载电压有效值在这种情况下，负载电压有效值Uo为为wwttUUd)sin2(12o)22sin(2sin1U6-8 负载电流有效值负载电流有效值Io为为wwwtetZUItd)sin()sin(212tgocos)2cos(sin1ZU6-9 流过晶闸管中的电流有效值流过晶闸管中的电流有效值IVT为为 2/oIIVT6-10School of Electronics Science and Technology 14/576.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路以以 为参变量，利用式为参变量，利用式(6-7)可以把可以把 和和 的关系用下图的关系用下图的的一簇曲线一簇曲线来表示。来表

19、示。当 = 时 = 当 时 School of Electronics Science and Technology 15/576.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 由式由式6-76-7得，当得，当 a a 时，时，VTVTl l和和VTVT2 2的导通角的导通角 均小于均小于 ，其电路工作波形如图，其电路工作波形如图6-26-2所示所示。a a 越小，越小， 越大，当越大，当a a = = 时，时， = = ，也就是说该电，也就是说该电路在路在阻感负载下触发脉冲的移阻感负载下触发脉冲的移相范围相范围 a a 。当。当 = = 时负载电流连续，这时输出时负载电流连续，这时输出电压电压U

20、 Uo o等于输入电压等于输入电压U U1 1，这表示，这表示单相交流调压电路单相交流调压电路失控失控，但不，但不表示表示a a 时电路不能工作，时电路不能工作，下面就下面就a a 的情况进行分析的情况进行分析。tge)sin()sin(School of Electronics Science and Technology 16/57 当当继续减小使继续减小使0 0 ，即触发脉冲在，即触发脉冲在00t t 的某一的某一时刻触发时刻触发VTVT1 1，则，则VTVT1 1的导通时间将的导通时间将超过超过。到。到t = t = + +时刻触发时刻触发VTVT2 2时，负载电流时，负载电流i io

21、 o尚未过零，尚未过零，VTVT1 1仍在导通，仍在导通，VTVT2 2不会立即开通。直到不会立即开通。直到i io o过过零后，如零后，如VTVT2 2的触发脉冲有足够的宽度（如图的触发脉冲有足够的宽度（如图6-56-5），），VTVT2 2就会开通。因就会开通。因为为 ，VTVT1 1提前开通，负载提前开通，负载L L被过充电，其放电时间也将延长，使得被过充电，其放电时间也将延长，使得VTVTl l结束导电时刻大于结束导电时刻大于+ + ，并使，并使VTVT2 2推迟开通，推迟开通，VTVT2 2的导通角当然的导通角当然小小于于，如图，如图6-56-5所示。一般情况下采用宽度为所示。一般情

22、况下采用宽度为-a-a 的的宽脉冲或脉冲序宽脉冲或脉冲序列触发。列触发。6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路VT1VT2School of Electronics Science and Technology 17/576.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 在这种情况下，方程式在这种情况下，方程式6-56-5和其所解得的和其所解得的i io o表达式表达式6-66-6仍是适用的仍是适用的，只是，只是t t的适用范围不再是的适用范围不再是 tt + + ，而是扩展到，而是扩展到tt，因为这种情况下，因为这种情况下i io o已不存在断流区，其过渡过程和带已不存在断流区，其过渡过程

23、和带R-LR-L负载的单相交流电路在负载的单相交流电路在t =t =( ( ) ) 时合闸所发生的过渡过程完全时合闸所发生的过渡过程完全相同。可以看出，相同。可以看出，i io o由两个分量组成，第一项为正弦稳态分量第二项由两个分量组成，第一项为正弦稳态分量第二项为指数衰减分量。为指数衰减分量。wwtgteZUtZUisin2)sin(2o（ t ） 在指数分量的衰减过程中，在指数分量的衰减过程中，VTVT1 1的导通时间逐渐缩短，的导通时间逐渐缩短，VTVT2 2的导通的导通时间逐渐延长。当指数分量衰感到零后，时间逐渐延长。当指数分量衰感到零后，VTVT1 1和和VTVT2 2的导通时间都的

24、导通时间都趋近到趋近到，其稳态的工作情况与，其稳态的工作情况与a a = = 时完全相同。即时完全相同。即晶闸管调压器全开放，晶闸管调压器全开放，输出电压为完整的正弦波，负载电流也为最大。输出电压为完整的正弦波，负载电流也为最大。School of Electronics Science and Technology 18/576.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路87.366435. 0)86arctan()arctan(RXL6435. 0例例6-1 一单相交流调压器，输入交流电压为一单相交流调压器，输入交流电压为220V，50Hz，负载为电阻电感，负载为电阻电感，其中其中R=8W

25、W，XL=6 W W。试求。试求 = /6、 /3时的输出电压、电流有效值及输入功率时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数。和功率因数。 解：负载阻抗及负载阻抗角分别为：解：负载阻抗及负载阻抗角分别为： W1022LXRZ因此开通角因此开通角 的变化范围为：的变化范围为： 即即当当 = /6时，由于时，由于 0 0，则根据，则根据和和M M计算计算出出N N，N N和过零信号和过零信号的综合得到晶闸管的综合得到晶闸管的控制脉冲，送到触发电路去驱动晶的控制脉冲，送到触发电路去驱动晶闸管在闸管在电源电压过零点电源电压过零点导通，电阻炉导通，电阻炉通电，炉温升高。通电，炉温升高。注意该系统炉温

26、下降是靠注意该系统炉温下降是靠自然冷却自然冷却，因此当炉温高于给定温度时，通过因此当炉温高于给定温度时，通过PIDPID 图图 交流调功电路在交流调功电路在温度控制系统中的应用温度控制系统中的应用 算法计算出控制比算法计算出控制比 0 0，这时一律规定，这时一律规定= 0= 0，则，则N N0 0，电阻炉，电阻炉在下面的控制周期中不通电。在下面的控制周期中不通电。 6.2.1 交流调功电路交流调功电路 应用应用给定给定温度温度实测实测温度温度= N/MPIDSchool of Electronics Science and Technology 28/57 交交变频电路是把交交变频电路是把电网

27、频率电网频率的交流电变成的交流电变成电压、频率可调电压、频率可调的的交流电交流电的变流电路的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于因为没有中间直流环节，因此属于直接变频直接变频电路电路。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统广泛用于大功率交流电动机调速传动系统。 交交变频电路主要有交交变频电路主要有相控式相控式交交变频电路和交交变频电路和PWMPWM型型交交变频交交变频电路。电路。 相控式交交变频也称相控式交交变频也称周波变流器周波变流器(Cycloconvertor) (Cycloconvertor) 。其。其优点是损耗小效率较高，可以实现四象限运行，缺点是调频范围优点是损耗小效率较高，可以

28、实现四象限运行，缺点是调频范围低，仅为输入的低，仅为输入的1/21/21/31/3，功率因数较低，适应于低速，功率因数较低，适应于低速(600r/ (600r/ minmin以下以下) )大功率大功率(500kW(500kW以上或以上或1000kW1000kW以上以上) )场合，在轧机、矿山场合，在轧机、矿山卷扬、船舶推进、风洞等传动中应用较多。卷扬、船舶推进、风洞等传动中应用较多。 6.3 交交变频电路交交变频电路 引言引言School of Electronics Science and Technology 29/576.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路ZPN输出电压平均输出电压

29、图4-18OuouoP=0P=2P=2wt图图6-13 6-13 单相交交变频电单相交交变频电路原理图和输出电压波形路原理图和输出电压波形1) 1) 电路构成和基本工作原理电路构成和基本工作原理电路构成电路构成如图如图6-136-13，由，由P P组和组和N N组反并联的晶闸管变流组反并联的晶闸管变流电路电路构成。构成。变流器变流器P P和和N N都是都是相控相控整流电路。因此，交交整流电路。因此，交交变频电路的工作原理与变频电路的工作原理与相控整流器的工作原理相控整流器的工作原理基本相同。基本相同。School of Electronics Science and Technology 30

30、/576.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路工作原理工作原理现在以三相输入单相输出的交现在以三相输入单相输出的交交变频电路为例交变频电路为例P P组工作时，负载电流组工作时，负载电流i io o为为正。正。N N组工作时，组工作时，i io o为负。为负。两组变流器按两组变流器按一定的频率交一定的频率交替工作替工作，负载就得到该频率，负载就得到该频率的交流电。的交流电。改变两组变流器的改变两组变流器的切换切换频率频率，就可改变，就可改变输出频输出频率率o o 。改变变流电路的改变变流电路的控制角控制角a a，就可以改变就可以改变交流输出电交流输出电压的幅值压的幅值。ZPN输出电压平均输出

31、电压图4-18OuouoP=0P=2P=2wt图图6-13 6-13 单相交交变频电单相交交变频电路原理图和输出电压波形路原理图和输出电压波形ioSchool of Electronics Science and Technology 31/576.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路图图6-13 单相交交变频电路原单相交交变频电路原理图和输出电压波形理图和输出电压波形 以三相半波可控输入单相输出为以三相半波可控输入单相输出为例，例，为使为使uo波形接近正弦波（波形接近正弦波（幅幅值值），可按正弦规律对），可按正弦规律对 角进行调角进行调制。制。 在半个周期内让在半个周期内让P组组 角按正

32、弦角按正弦规律从规律从90减到减到0或某个值或某个值，再，再增加到增加到90，每个控制间隔内的，每个控制间隔内的平平均输出电压均输出电压就按正弦规律就按正弦规律从零增至从零增至最高，再减到零最高，再减到零；另外半个周期可；另外半个周期可对对N组进行同样的控制。组进行同样的控制。 uo由若干段电源电压拼接而成，由若干段电源电压拼接而成，在在uo的一个周期内，包含的电源电的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦压段数越多，其波形就越接近正弦波。波。Ud=Udocos =1.17U2 cos School of Electronics Science and Technology 3

33、2/576.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 2)2) 整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态 阻感负载为例，也适用于交阻感负载为例，也适用于交流电动机负载。流电动机负载。 把交交变频电路理想化，忽把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时略变流电路换相时u uo o的脉动的脉动分量，就可把电路等效成图分量，就可把电路等效成图6-14a6-14a所示的所示的正弦波交流电正弦波交流电源源( (输出的交流正弦电压输出的交流正弦电压uo) )和二极管的串联（电流的单和二极管的串联（电流的单向性）向性）。图图6-14 理想化交交变频电理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态路的整流和逆变工作状态Sc

34、hool of Electronics Science and Technology 33/576.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路图图6-14 理想化交交变频电理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态路的整流和逆变工作状态设负载阻抗角为设负载阻抗角为 ，则输出电流滞后输，则输出电流滞后输出电压出电压 角，两组变流电路采取角，两组变流电路采取无环流工无环流工作方式作方式，即一组变流电路工作时，封锁即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。另一组变流电路的触发脉冲。 工作状态工作状态 t1t3期间：期间：io处于正半周处于正半周，正组（正组（P）工作工作，反组（，反组（N）被封锁。）被封锁。 t1t2阶段：阶段：uo和和io均为正，正组均为正，正组整整流流，输出功率为正。，输出功率为正。 t2t3阶段：阶段：uo反向，反向，io仍为正，正仍为正，正组组逆变逆变，输出功率为负。，输出功率为负。School of Electronics Science and Technology 34/576.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路图图6