第6章交流-交流变流电路

1、4- 1 （C C）4- 2 本章主要讲述 交流交流 - 交流变流电路交流变流电路 把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路变频电路改变频率的电路 交交变频 直接直接 交直交变频 间接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 相位控制相位控制交流调功电路 通断控制通断控制（C C）4- 3一般中小功率应用中可用一只一般中小功率应用中可用一只双向晶闸管双向晶闸管代替两只反并联的普通晶闸管，以简化电路。代替两只反并联的普通晶闸管，以简化电路。（B B）注：与晶闸管相控整流电路相比在控制上有何区别?原理原理电路图电路图 两个晶闸管反并两个晶闸管反并联后串

2、联在交流电联后串联在交流电路中，通过对晶闸路中，通过对晶闸管的控制就可控制管的控制就可控制交流电力。交流电力。4- 4应用应用 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， 用于调节变压器一次电压。 （B B）4- 5图6-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形 工作原理工作原理Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt1 ) 电阻负载电阻负载（A A） 在在 u1 的正半周和负半周，分别的正半周和负半周，分别 对对 VT1 和和 VT2 的开通角度的开通角度 a a

3、 进行进行 控制就可以控制就可以调节输出电压调节输出电压。 正负半周正负半周 a a 起始时刻起始时刻 (a a = 0 ) 均均 为电压过零时刻，稳态时正负半为电压过零时刻，稳态时正负半 周的周的 a a 相等相等。 负载电压负载电压波形是电源电压的一部波形是电源电压的一部 分，负载电流分，负载电流 ( 也即电源电流也即电源电流 ) 和负载电压的波形相同。和负载电压的波形相同。4- 6图6-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形 数量关系数量关系 负载电压有效值负载电压有效值： 负载电流有效值负载电流有效值：晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值：功率因数功率因数：201111222sinsinUU

4、tdtUaawwa00UIR2112112222sinsinVTUtUIdtRRawaaw000101122sinU IUPSU IUaaOu1uoiouVTwtOwtOwtOwt（A A）（6-1）（6-2）（6-4）（6-3） 4- 7图6-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形 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。Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt（C C）与与a 的关系的关系4- 8 2 ) 阻感负载阻感负载 0.6Ou1 OOwtOuG1OO图6-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形 负载阻抗角负载阻抗角： j = arctan ( w

5、w L / R )VT1（B B）02VTII(4-10)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 的移相范围移相范围应为 j a 。负载电流有效值负载电流有效值： uG2uoiouvtwtwtwtwtwt4- 9图6-3 单相交流调压电路以 j 为参变量的 和 a 关系曲线 wt = t = a 时刻开通晶闸管VT1 ，可求得晶闸管导通角 （6 - 7）jjajatg)sin()sin(e 以 j j 为参变量，利用式( 6 7 ) 可把 a a 和 的

6、关系表示成右图。（B B）4- 10图6-5 a j 时阻感负载交流调压电路工作波形wtwtwtwt图4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2当阻感负载，a j 时宽触发脉冲电路工作情况：图4-2 阻感负载单相交流调压电路（C C）4- 11当阻感负载，a j 时窄触发脉冲电路工作情况：（C C）当你要做交流调压，要先知道感性负载的阻抗角，当你要做交流调压，要先知道感性负载的阻抗角，而触发角要大于阻抗角才能够有交流调压的效果！而触发角要大于阻抗角才能够有交流调压的效果！4- 123 ) 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 电阻负载电阻负载 由于波形正负半波对称，

7、所以不含直流分量和偶次谐波。 基波和各次谐波有效值基波和各次谐波有效值： 负载电流基波和各次谐波有效值负载电流基波和各次谐波有效值： 电流基波和各次谐波标幺值标幺值随 a 变化的曲线（ 基准电流为 a = 0 时的有效值 ）如图 6 - 6 所示。,5, 3, 1o)sincos()(nnntnbtnatuwww22on21nnbaURUI/onon060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角a/( )In/I*/%20406080100图6-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量（C C）（6 12）（6 13）（6 14）4- 13 电流谐波次数谐波次数和电阻负载时相同，也

8、只含有 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。 阻感负载阻感负载（C C）4- 14特性特性图6-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形电源电流的基波分量和电源电流的基波分量和电源电压电源电压同相位同相位，即，即位位移因数为移因数为 1 1。电源电流电源电流不含低次谐波不含低次谐波，只含和开关周期只含和开关周期 T T 有关有关的高次谐波。的高次谐波。功率因数接近功率因数接近 1 1。（B B）4 ) 斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路注：如何实现输出电压、输出

9、电流或功率因数的调节？4- 15 斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路在交流电源 u1 的正半周正半周RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图6-7 斩控式交流调压电路用 V1 进行斩波控制用 V3 给负载电流提供续流通道（C C）4- 16RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用 V2 进行斩波控制用 V4 给负载电流提供续流通道图6-7 斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路在交流电源 u1 的负半周负半周（C C）4- 17组合交流双向开关组合交流双向开关a)b)注：1、请再回顾一下 IGBT的驱动和保护电路。 2、b)

10、 图双向开关用一路驱动电路控制能否正常工作？ 在什么情况下可以？此时对驱动电路有何特殊要求？（A A） 图图 4 -7 的器件组合的器件组合 ( 图图 a) ) ，还可用图，还可用图 b) 和和 c) 电路代替。电路代替。 图图 b) 电路由两只带续流二极管的电路由两只带续流二极管的 IGBT反串反串组成，一般需组成，一般需要两路驱动电路，但可共用一路驱动电源。要两路驱动电路，但可共用一路驱动电源。 图图 c) 电路仅由电路仅由一只一只 IGBT 和一只整流桥组成，用一路驱动和一只整流桥组成，用一路驱动信号，但回路中增加了一只二极管，相应加大了功耗。信号，但回路中增加了一只二极管，相应加大了功

11、耗。c)4- 18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6-9 三相交流调压电路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（B B）4- 19 基本原理基本原理：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 ) 星形联结电路星形联结电路 可分为可分为三相三线三相三线和和三相四线三相四线图6-9 三相交流调压电路a) 星形联结（

12、B B） 三相四线三相四线（ n n 短接短接 ） 4- 20三相三线三相三线 主要分析电阻负载时的情况主要分析电阻负载时的情况图6-9 三相交流调压电路a) 星形联结任一相导通须和另一相构成任一相导通须和另一相构成回路回路。电流通路中至少有两个晶闸电流通路中至少有两个晶闸管，应采用管，应采用双脉冲双脉冲或或宽脉冲宽脉冲触发触发。触发脉冲触发脉冲顺序顺序和三相桥式全和三相桥式全控整流电路一样，为控整流电路一样，为 VTVT1 1 VTVT6 6 ，依次，依次相差相差 60 。（B B） 相电压过零点定为相电压过零点定为a a 的起点，的起点， a a 角角移相范围移相范围是是 0 0 150

13、150 。4- 21(1) 0 a a 60 ： 三管导通与两管导通交替，每管导通 180 - a 。但 a = 0时一直是三管导通。图6-10 不同 a 角时负载相电压波形a) a = 30（B B）4- 2260 a a 90 ：(2)图6-10 不同 a 角时负载相电压波形b) a = 60（B B）两管导通，每管导通 120 。4- 23(3) 90 a a 150 ：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为 300 - 2a 。图6-10 不同 a 角时负载相电压波形 c) a = 120（B B）4- 24谐波情况谐波情况电流电流谐波次数谐波次数为为 6 k1 ( k = 1，2，3

14、， )，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波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。的次数完全相同。谐波次数越低，含量越大。谐波次数越低，含量越大。和单相交流调压电路相比，没有和单相交流调压电路相比，没有 3 倍次谐波，倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。（C C）4- 252 ) 支路控制三角联结电路支路控制三角联结电路 图 4-9 三相交流调压电路c) 支路控制三角形联结 单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用。输入线电流线电流（ 即电源电流 ）为与该线相连的两个负载相电流之和。线电流中无 3 倍次谐波，在相同负载

15、和 a 角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。（B B）由三个单相交流调压电路由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电组成，分别在不同的线电压作用下工作压作用下工作。4- 26典型用例典型用例 晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器（ Thyristor Controlled Reactor TCR ） 配以固定电容器，就配以固定电容器，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静止无功补偿装置 ( Static Var Campensator SVC )，用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压，用来对无功功率进行动态补偿

16、，以补偿电压 波动或闪变。波动或闪变。图6-11 晶闸管控制电抗器 ( TCR ) 电路a a 移相范围移相范围为：为： 90 180 。控制控制 a a 角可连续调节流角可连续调节流过电抗器的电流，从而过电抗器的电流，从而调节无功功率调节无功功率。（C C） 4- 27 交流电力电子开关交流电力电子开关 正反转控制正反转控制 反接制动反接制动 能耗制动能耗制动 调压调速调压调速例：晶闸管电机控制电路及应用例：晶闸管电机控制电路及应用 用无触点开关实现交流电机的控制UVW注：若省去 W 相一路电子开关，电路能否正常工作？有何利弊？（A A）4- 28（C C）4- 29交流调功电路与交流调压电

17、路的异同比较交流调功电路与交流调压电路的异同比较相同点相同点 电路形式完全相同完全相同不同点不同点 控制方式不同不同 交流调压电路在每个电源周期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接通几个周期，再断开断开几个周期，通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率平均功率。（C C） 4- 30电阻负载时的工作情况电阻负载时的工作情况2NM电源周期电源周期控制周期控制周期 =M倍电源周期倍电源周期 =24MO导通段导通段=M3M2Muou1uo,iowtU12图6-13 交流调功电路典型波形 ( M = 3 、N = 2 )图6-1 电阻负载单相交流调压电路控制周期控

18、制周期为为 M 倍倍电源周期电源周期，晶闸管在前，晶闸管在前 N 个周期个周期导通导通，后，后 MN 个周期个周期关断关断。负载电压和负载电流负载电压和负载电流 ( 也即电源电流也即电源电流 ) 的重复周期的重复周期为为M M 倍电源周期。倍电源周期。（C C）4- 31谐波情况谐波情况相对于控制周期的次数相对于电源周期的次数图6-14 交流调功电路的电流频谱图 ( M = 3 、N = 2 )051234012 1424 610In/I0m 图图 6 - 14 的的频谱图频谱图 ( 以控制周以控制周期为基准期为基准 )。In 为为 n 次谐波次谐波有有效

19、值效值， Iom 为导通时电路电流为导通时电路电流有效值有效值。 以以控制控制周期为基准，电流中不周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波。非整数倍频率的谐波。 在电源频率附近，非整数倍频在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。率谐波的含量较大。（B B） 4- 32概念概念：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区别 并不控制电路的平均输出功率。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通常没

20、有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的 接通和断开。接通和断开。 控制频度通常比交流调功电路低得多。控制频度通常比交流调功电路低得多。（C C）4- 33晶闸管投切电容晶闸管投切电容（ Thyristor Switched Capacitor TSC ）图6-15 TSC 基本原理图a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图作用作用（B B） 晶闸管反并联后串入交晶闸管反并联后串入交 流电路。流电路。 实际常用三相，可三角实际常用三相，可三角 形联结，也可星形联结。形联结，也可星形联结。 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

21、构和原理结构和原理 4- 34 晶闸管交交变频交交变频电路，也称周波变流器周波变流器( 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。 （B B）4- 35图6-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形 电路构成电路构成 如图如图 4 -18 4 -18 ，由，由 P P 组组和和 N N 组组反并联的晶闸管反并联的晶闸管变流电路构成，和直流变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。象限变流电路完全相同。

22、变流器变流器 P P 和和 N N 都是相都是相控整流电路，电路形式控整流电路，电路形式一般为三相桥式全控整一般为三相桥式全控整流电路，见教材第流电路，见教材第 56页页图图 3 - 18 。 任何时刻任何时刻 P P 组和组和 N N 组组不能同时工作不能同时工作。（B B） 4- 36 P P 组组工作时，负载电流 io 为正正。 N N 组组工作时，io 为负负。 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。 图6-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形（C C） 改变两组变流器的切换改变两组变流器的切换 频率，就可改变频率，就可改变输出频输出频 率率 w wo o 。

23、 改变变流电路的控制角改变变流电路的控制角 a a ，就可以改变交流输，就可以改变交流输 出电压的出电压的幅值幅值。工作原理工作原理第4章第37页3输出正弦波电压的调制方法 介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法 设Ud0为a = 0时整流电路的理想空载电压，则有 (6-15) 每次控制时a角不同， uo表示每次控制间隔内uo的平均值 期望的正弦波输出电压为 (6-16) 比较式(6-15)和(6-16)，应使 (6-17)g 称为输出电压比：acosd0oUu tUuoomosinwttUUood0omsinsincoswgwa) 10(d0omrUUg 4- 38为使为使 u0 波形接近正弦波

24、，可按波形接近正弦波，可按正弦规律正弦规律调制调制 a a 角。角。 在半个周期内让在半个周期内让 P 组组 a a 角按正弦规律从角按正弦规律从 90 减到减到 0 或或某个值，再增加到某个值，再增加到 90 ，每个控制间隔内的平均输出电，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。另外半个周期可对期可对 N 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，在由若干段电源电压拼接而成，在 uo 的一个周期内，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。包含的电源电压段数越多，其波形就

25、越接近正弦波。 哪一组工作哪一组工作由由 i0 方向方向决定，与决定，与 u0 极性无关。极性无关。 工作在整流还是逆变，则根据工作在整流还是逆变，则根据 u0 方向与方向与 i0 方向是否相方向是否相同确定。同确定。（B B）详细分析见教材第 122 页。正弦输出电压的调制方法调制方法见教材第 123 页。 4- 39 当 uo 和 io 的相位差小于 90 时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态。 当二者相位差大于 90 时，一周期内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。 考虑无环流工作方式下 io 过零的死区时间，一周期可分为 6 段。

26、1OO23456图4-20uoiowtwt图4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形第1段 io 0，反组逆变第2段 电流过零，为无环流死区第3段 io 0， uo 0，正组整流 第4段 io 0， uo 0，正组逆变 第5段 又是无环流死区 第6段 io 0， uo 0，为反组整流 （C C）4- 40 由三组输出电压相位各差 120 的单相交交变频电路组成。1 ) 电路接线方式电路接线方式公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式输出星形联结方式输出星形联结方式（C C） 交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路。4- 41(1) 公共交流母线进线方式公共交

27、流母线进线方式图6-24 公共交流母线进线三相交交变频电路（ 简图 ）由三组彼此独立彼此独立的、输出电压相位相互错开 120 的单相交交变频电路构成。电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开。主要用于中等容量的交流调速系统。（B B）4- 42图6-25 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图（B B）(2) 输出星形联结方式输出星形联结方式 三组的输出端是星形星形联结，电动机的三个绕组也是星形星形联结。 因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器三个变压器供电。4- 4

28、32 ) 输入输出特性输入输出特性当采用 6 脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的 1 / 3 1 / 2 。电网频率为 50 Hz 时，交交变频电路的输出上限频率上限频率约为 20 Hz 。 输入电流输入电流200t/ms输出电压单相输出时 U相输入电流三相输出时 U相输入电流200t/ms200t/ms图4-26 交交变频电路的输入电流波形（B B） 总输入电流由三个总输入电流由三个 单相的同一相输入单相的同一相输入 电流电流合成合成而得到。而得到。 有些谐波相互抵消，有些谐波相互抵消， 谐波种类有所减少，谐波种类有所减少， 总的谐波幅值也有总的谐波幅值也有 所降低。所降低。4

29、- 44交交变频和交直交变频的比较交交变频和交直交变频的比较间接变频电路，先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频交直交变频电路。交交变频电路的优点优点：交交变频电路的缺点缺点：效率较高（ 一次变流 ）可方便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波（B B） 接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少 要用要用 36 只晶闸管。只晶闸管。 受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。 输入功率因数较低。输入功率因数较低。 输入电流谐波含量大，频谱复杂。输入电流谐波含量大，频

30、谱复杂。4- 45是近年出现的一种新颖的变频电路。是直接变频直接变频电路，采用的开关器件是全控全控型。控制方式是斩波控制斩波控制。图6-23 矩阵式变频器（B B） 全控型开关器件也可采用右图的结构。三相输入电压为 ua 、 ub 和 uc 。三相输出电压为 uu 、 uv 和 uw 。 拓扑结构拓扑结构 简介简介4- 46 9 个开关器件组成 33矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路矩阵式变频电路 ( Matrix Converter MC ) 或矩矩阵变换器阵变换器。 图中每个开关都是矩阵中的一个元素元素，采用双向可控开关。图6-23 矩阵式变频器 对单相交流电压对单相交流电压 us 进进

31、行斩波控制，行斩波控制，输出相输出相电压电压 uo 为：为： onossctuuuT（B B）(6-24) Tc 开关周期；开关周期； ton 一个开关周期内开关导通时间；一个开关周期内开关导通时间； 占空比；占空比； us 交流输入电压。交流输入电压。4- 47 用图 6 - 23 a) 中第一行和第二行的 6 个开关共同作用来构造输出线电压线电压 uuv 。 可利用图 6 - 24 c) 中 6 个线电压包络线中所有的阴影阴影部分。 当 uuv 必须为正弦波正弦波时，最大幅值就可达到输入线电压幅值的 0.866 倍。 正弦波输出条件下矩阵式变频电路理论上最大的输出输输出输入电压比为入电压比

32、为 0.866 。图6-24 构造输出电压时可利用的输入电压部分a) 单相输入 b) 三相输入构造输出相电压 c) 三相输入构造输出线电压（B B） a)b) c)UmU1mU23Um12 输入利用三相线电压输入利用三相线电压4- 48 利用对开关 S11 、 S12 和S13 的控制构造输出电压 uu 。 为防止输入电源短路，任何时刻只能有一个开关接通。 负载一般是阻感负载，负载电流具有电流源性质，为使负载不开路，任一时刻必须有一个开关接通一个开关接通。图6-23 矩阵式变频器（C C） 以相电压输出方式为例分析矩阵式交交变频电路以相电压输出方式为例分析矩阵式交交变频电路 的控制的控制4- 49 U 相输出电压 uu 和各相输入电压的关系为：111213uabcuuuu1131211图 4 -23 矩阵式变频器（B B）(6 - 25)(6 - 26) 式中式中 11 、