第6章交流-交流

1、第6章交流交流变流电路 引引 言言6.1 6.1 交流调压电路交流调压电路6.2 6.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路6.3 6.3 交交变频电路交交变频电路引引 言言第第6 6章章 交流交流变流电路交流交流变流电路交流交流-交流变流电路：把一种形式的交流变流电路：把一种形式的交流交流变成另一种形式变成另一种形式交流交流的电路。的电路。可改变相关的可改变相关的电压电压、电流电流、频率频率和和相数相数等。等。交流交流-交流变换电路可以分为交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环直接方式（即无中间直流环节）节）和和间接方式（有中间直流环节）间接方式（有中间直流环节）两种。两种。直接

2、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。 变频电路变频电路：改变频率的电路。：改变频率的电路。u交流电力控制电路的结构交流电力控制电路的结构u交流电力控制电路的类型交流电力控制电路的类型交流调压电路交流调压电路: :每半个周波控制晶闸管开通每半个周波控制晶闸管开通相位相位，调节输出电压有效值，调节输出电压有效值交流调功电路交流调功电路: :以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的通断周期数的比比，调节输出功率的平均值，

3、调节输出功率的平均值交流电力电子开关交流电力电子开关: :不着意调节输出平均功率，而只是根据需要不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通接通或或断开断开电电路。路。第第6 6章章 交流交流变流电路交流交流变流电路引引 言言6.1 6.1 交流调压电路交流调压电路 应用：应用：灯光控制、异步电动机软起动、异步电动机调速灯光控制、异步电动机软起动、异步电动机调速 供用电系统对无功功率的连续调节供用电系统对无功功率的连续调节1、电阻负载、电阻负载6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 1）工作过程工作过程 在交流电源在交流电源u1的正半周和负半的正半周和负半周，分别对周，分别对VT1和和VT

4、2的开通角的开通角 进进行控制就可以调节输出电压。行控制就可以调节输出电压。 2）波形图波形图Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt 3）基本的数量关系基本的数量关系 2sin211oUURUIoooTII21V2sin211oo1ooUUIUIUSP 的移相范围为的移相范围为0 的增大的增大Uo降低，降低， 降低。降低。 2、阻感负载、阻感负载 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路1）工作过程工作过程 若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于波，相位滞后

5、于u1为为 ，当用晶闸管控制时，当用晶闸管控制时，只能进行只能进行滞后控制滞后控制，使负载电流更为滞后。，使负载电流更为滞后。 设负载的阻抗角为设负载的阻抗角为 ，稳态时，稳态时 的移相范围应为的移相范围应为 。 )/(tg1RLw解得：解得：e)sin()tsin(ZU2itgt10设负载阻抗角：设负载阻抗角： = arctan(w wL / R) 22)WL(RZ 利用边界条件：利用边界条件：t = +时，时，io =0, 可求得可求得 tg)sin()sin(e在在 时段负载电流满足时段负载电流满足t0sin2ddo1oowwtitURitiL2 2）数量关系数量关系6.1.1 单相交流

6、调压电路单相交流调压电路 以以 为参变量的为参变量的与与及角及角 的关系曲线的关系曲线1) 时时, 180正负半波电流间断，正负半波电流间断，io非正弦非正弦 2)= 时时, =180 正负半周电流处于临界连续状态正负半周电流处于临界连续状态, io波形为正弦波波形为正弦波3)180 io不存在断流区域不存在断流区域tg)sin()sin(ee)sin()tsin(ZU2itgt106.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 时的工作情况时的工作情况 VT1的导通时间的导通时间超过超过 。 触发触发VT2时，时，io尚未过零，尚未过零，VT1仍导通

7、，仍导通，VT2不会导通，不会导通，io过零后，过零后，VT2才可开通，才可开通，VT2导通角导通角小于小于 。wtwtwtwt图4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT2i io o由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量在开始触发的几个周期内两管的电流是不对称的在开始触发的几个周期内两管的电流是不对称的,6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路wtwtwtwt图4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT2e )sin()tsin(ZU2itgt10衰减过程中，衰减过程中， VT1VT1导通时间渐短，导通时间渐短， VT2VT2的导通时间

8、渐长的导通时间渐长. .当当io中的自中的自由分量衰减后由分量衰减后, 即能得到完全对称连续的波形即能得到完全对称连续的波形, 电路达到稳态时相当于电路达到稳态时相当于=的状态。的状态。6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路wtwtwtwt图4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT23、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6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路带电阻负载时，对负载电压带电阻负载时，对负载电压uo进行谐波分析进行谐波分析 , 5 , 3, 1o)sincos()(nnntnbtnatuwww式中式中) 12(cos2211Ua)(22sin221

9、1Ub1) 1cos(111) 1cos(1121nnnnUan) 1sin(11) 1sin(1121nnnnUbn(n=3,5,7,)(n=3,5,7,)基波和各次谐波的有效值可按下式求出基波和各次谐波的有效值可按下式求出22on21nnbaU负载电流基波和各次谐波的有效值为负载电流基波和各次谐波的有效值为RUI/onon 电阻负载单相交流调压电电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量路基波和谐波电流含量 (n=1,3,5,7,) 电流基波和各次谐波标么值随电流基波和各次谐波标么值随 变化的曲线变化的曲线如图示，其中如图示，其中基准电流为基准电流为 =0时的电流有效值时的电流有效值。 阻

10、感负载时阻感负载时 电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7等次谐波。等次谐波。 随着次数的增加，谐波含量减少。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和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。流含量少一些。 当当 角相同时，随着阻抗角角相同时，随着阻抗角 的增大，谐波的增大，谐波含量有所减少。含量有所减少。060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角/( )In/I*/%204060801006.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路4、斩控式交流调压电路、斩控式交流调压电路 u1i1OuoOOwtwtw

11、t工作原理工作原理:和直流斩波电路类似和直流斩波电路类似 设斩波器件（设斩波器件（V1或或V2）导通时间为导通时间为ton，开关周期为开关周期为T 则则导通比导通比 = ton/T，改变改变 可调节输出电压可调节输出电压电路电路:一般采用全控型器件作为开关器件一般采用全控型器件作为开关器件6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路用用V1V1，V2V2进行进行斩波控制斩波控制，用，用V3V3，V4V4给负载电流提供给负载电流提供续流续流通道。通道。4、斩控式交流调压电路、斩控式交流调压电路 特性特性1)电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移

12、因数为12)电源电流不含低次谐波，只含和开关周期电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波有关的高次谐波3)功率因数接近功率因数接近1u1i1OuoOOwtwtwt6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路4、斩控式交流调压电路、斩控式交流调压电路 特性特性1)电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为12)电源电流不含低次谐波，只含和开关周期电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波有关的高次谐波3)功率因数接近功率因数接近1u1i1OuoOOwtwtwt6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路4、斩控式交流调压

13、电路、斩控式交流调压电路 特性特性1)电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为12)电源电流不含低次谐波，只含和开关周期电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波有关的高次谐波3)功率因数接近功率因数接近1u1i1OuoOOwtwtwt6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路三相交流调压电路具有多种形式三相交流调压电路具有多种形式6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路支路控支路控制三角制三角形联结形联结中点控中点控制三角制三角形联结形联结星形星形联结联结基本原理：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

14、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。工作。基波和基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线问题：三相中问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍倍次谐波电流。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三相三相四四线线6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路基本原理：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。工作。基波和

15、基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线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：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大零线有很大3倍倍次谐波电流次谐波电流。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三相三相四四线线6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路1星形联结电路星形联结电路三相三相三三线线1) 触发脉冲问题触发脉冲问题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，应采用双脉冲或宽脉冲触管，

16、应采用双脉冲或宽脉冲触发发 触发脉冲顺序和三相桥式全控触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为整流电路一样，为VT1 VT6,依依次相差次相差60相电压过零点定为相电压过零点定为 的起点的起点 ， 角移相范围是角移相范围是01502) 的起点的起点3)负载电压负载电压 三管导通时为三管导通时为？两管导通时为两管导通时为？6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与

17、两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1

18、.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，

19、每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一

20、直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通三管导通与两管导通交替，每管导通180 但但 =0时一直是三管导通时一直是三管导通6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(2)60 90：两管导通，每管导通两管导通，每管导通1206.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(3)90 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为两管导通与无晶闸管导通交替，导通角

21、度为3002 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路4)谐波情况谐波情况电流谐波次数为电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相桥式全控整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，含量越大谐波次数越低，含量越大和单相交流调压电路相比，和单相交流调压电路相比，没有没有3倍次谐波倍次谐波1星形联结电路星形联结电路三相三相三三线线6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路2支路控制三角联结电路支路控制三角联结电路1) 原理原理由三个单相交流调压电路组由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的成，分别在不同的线电压线电压作作用

22、下工作用下工作单相交流调压电路的分析单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用方法和结论完全适用2) 谐波情况谐波情况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现在线电流中线电流中所含谐波次数为线电流中所含谐波次数为6k1(k为正整数为正整数)在相同负载和在相同负载和a角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路电路6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路3) 典型用例典型用例晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器(TCR）6.2 6.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路交流调功电路

23、交流调功电路以交流电源周波数为控制单位以交流电源周波数为控制单位交流电力电子开关交流电力电子开关对电路通断进行控制对电路通断进行控制 1、与交流调压电路的比较：、与交流调压电路的比较：Ru1uoioVT1VT21）电路形式完全相同）电路形式完全相同2）控制方式不同：改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的）控制方式不同：改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。调节对象是电路的平均输出功率交流调功电路平均功率。调节对象是电路的平均输出功率交流调功电路3）适用于有较大时间常数的负载）适用于有较大时间常数的负载6.2.1 交流调功电路交流调功电路2、 应用应用 3、交流调功电路典型波形、交流调

24、功电路典型波形 M电源周期控制周期=M倍电源周期=24M图4-13O导通段=2NM3M2Muou1uo, iowtU12 通常晶闸管导通时刻为通常晶闸管导通时刻为电电源电压过零的时刻源电压过零的时刻，负载，负载电压电流都是正弦波，不电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常对电网电压电流造成通常意义的谐波污染意义的谐波污染 常用于电炉的温度控制常用于电炉的温度控制6.2.1 交流调功电路交流调功电路4、谐波情况、谐波情况以以电源周期为电源周期为基准基准，电流中，电流中不含整数倍频不含整数倍频率的谐波，但率的谐波，但含有非整数倍含有非整数倍频率的谐波频率的谐波在电源频率附近，非整数倍频率谐波的

25、含量较大在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大012 14相对于控制周期的谐波次数相对于电源频率的谐波次数图4-1424610051234In/I0m6.2.1 交流调功电路交流调功电路 电路电路：晶闸管反并联后串入交流电路：晶闸管反并联后串入交流电路 作用作用：代替机械开关，起接通和断开电路的作用：代替机械开关，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：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：与交流调功电路的区别： 并不刻意控制电路的平均输出功率并不刻意控制电路的平均输出功率 通常没有明确

26、的控制周期，只是根据需要控制电路的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6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关 应用应用晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）6.3 6.3 交交变频电路交交变频电路 交交变频电路交交变频电路 把电网频率的交流电变成把电网频率的交流电变成可调频率可调频率的交流电，的交流电， 属于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 实用的主要是三相输出交交变频电路实用的主要是三相输出交交变频电路6.3.

27、1 单相交交变频电路单相交交变频电路 1电路构成、工作原理电路构成、工作原理 1) 电路构成电路构成2) 工作原理工作原理：P组工作时，组工作时，io为正；为正；N组工作时组工作时, io为负为负两组变流器按一定频率交替工作，负载就得到该频率的交流电两组变流器按一定频率交替工作，负载就得到该频率的交流电由由P组和组和N组组两组反并两组反并联的晶闸管变流电路联的晶闸管变流电路构成构成改变两组变流器的切换频率改变两组变流器的切换频率，可改变输出频率可改变输出频率改变变流电路的控制角改变变流电路的控制角 ，可改变交流输出电压的幅值可改变交流输出电压的幅值2整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态(以阻感

28、负载为例以阻感负载为例 )两组变流电路采取两组变流电路采取无环流工作方式无环流工作方式 忽略变流电路换相时忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效的脉动分量，就可把电路等效成正弦波交流电源和二极管的串联成正弦波交流电源和二极管的串联6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 a)整流 逆变阻断b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP单相交交变频电路单相交交变频电路一周期可分为

29、一周期可分为6段段 :反组逆变反组逆变无环流死区无环流死区正组整流正组整流 正组逆变正组逆变无环流死区无环流死区 反组整流反组整流 1OO23456图4-20uoiowtwt6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 负载相差负载相差90时，电网向负载提供能量的平均值为正，时，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。电动机工作在电动状态。负载相差负载相差90时，电网向负载提供能量的平均值为负，时，电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态电网吸收能量，电动机为发电状态 1OO23456图4-20uoiowtwt6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 3

30、、输出正弦波电压的调制方法、输出正弦波电压的调制方法 最基本的、广泛使用最基本的、广泛使用的的余弦交点法余弦交点法 cosUudoo要求：要求：twsinUuoomo 则得：则得：twsinUUcosodoom 令：令：则：则：) twsinarccos(o 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 ) 10(d0omUU6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4wtwt uab、uac、ubc、uba、uca和和ucb用用u1u6表示表示 ui的同步信号分别用的同步信号分别用usi表示，表示，us1us6比相应的比相应的u1u6超超前前30.以以 =0为零时刻为零时刻，则则usi为余弦信号为余弦信号。 则各晶闸管触发时刻由相应的则各晶闸管触发时刻