第6章 交流控制电路和交交变频电路2012

第6章交流-交流变流电路ACtoACConverters

1交流调压电路其它交流电力控制电路交交变频电路本章主要内容2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ACvoltagecontrollerPhasecontrol交流调功电路通断控制ACpowercontrollerIntegralcyclecontrolACtoACConverters3工作原理

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，不改变交流电频率应用灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)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ACVoltageControllers交流调压电路4电阻负载电路结构：两个晶闸管可用一双向可控硅代替

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u单相交流调压电路5u电阻负载

单相交流调压电路u移相范围为

负载电压有效值负载电流有效值6u电阻负载单相交流调压电路u电阻负载单相交流调压电路及其波形流过晶闸管的电流有效值

电路功率因数

7u电阻负载

输出电压与α的关系:

时，输出电压为最大

Uo=U1,随α的增大，Uo降低，α

=π时，Uo=0功率因数λ与α的关系:α

=0时，功率因数λ=1，α增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低单相交流调压电路u电阻负载单相交流调压电路及其波形8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

α=0时刻仍定为u1过零的时刻，α的移相范围应为

阻感负载uO1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1

G1uG2OOwtwt阻感负载单相交流调压电路及其波形负载阻抗角：VT1单相交流调压电路9时刻开通晶闸管VT1，负载电流应满足单相交流调压电路利用边界条件时可求得θ

10q020100601401802010060/(°)180140a/(°)j=90°75°60°45°30°15°0°单相交流调压电路以α为参变量的θ和α关系曲线以阻抗角为参变量α和θ的关系如右图单相交流调压电路11单相交流调压电路α为参变量时IVTN和α关系曲线j

=90°0.10.20.30.40.516018004012080

75°

60°45°j=0a/(°)IVTN负载电流有效值IVT的标么值单相交流调压电路12稳态情况和一样

时阻感负载交流调压电路工作波形当阻感负载,

时电路工作情况图4-2

阻感负载单相交流调压电路VT1的导通时间超过π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π衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长单相交流调压电路13谐波分析电阻负载由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波基波和各次谐波有效值负载电流基波和各次谐波有效值

电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量单相交流调压电路14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一些当α角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减少阻感负载

谐波分析

单相交流调压电路15斩控式交流调压电路图4-7斩控式交流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单相交流调压电路16斩控式交流调压电路图4-7斩控式交流调压电路在交流电源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单相交流调压电路17

特性图4-8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单相交流调压电路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4-9三相交流调压电路三相交流调压电路19三相四线基本原理：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星形联结电路

可分为三相三线和三相四线图4-9三相交流调压电路a)星形联结三相交流调压电路20三相三线，电阻负载图4-9三相交流调压电路a)星形联结任一相导通需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，为

VT1-VT6,依次相差60°相电压过零点定为α

的起点，α角移相范围是

0°-150°，与三相全控桥式整流电路不同三相交流调压电路21三相三线，电阻负载图4-9三相交流调压电路a)星形联结三相电压控制器中，触发角改变，电路有两种不同的工作状态第一类工作状态：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第二类工作状态：两相同时工作状态，既同一时刻，仅两相各有一个管子导电，第三相的两个管子都不导电三相交流调压电路22α=0°，各晶闸管均可看作二极管，承受正向电压管子导通三相交流调压电路23任何时刻每相有一个管子导通，三相电压直接接到三相电阻，电压电流及管子导电都是三相对称，电源电压中性点与负载电压中性点等电位三相交流调压电路240°≤a<60°：三管导通与两管导通交替，每管导通180°－a

不同a角时负载相电压波形a)a=30°三相交流调压电路2560°≤a<90°：两管导通，每管导通120°

不同a角时负载相电压波形b)a

=60°三相交流调压电路2690°≤a<150°：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°－2a

不同a角时负载相电压波形c)a=120°三相交流调压电路27谐波情况电流谐波次数为6k±1(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三相交流调压电路28支路控制三角联结电路

三相交流调压电路c)支路控制三角形联结由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作用下工作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（即电源电流）为与该线相连的两个负载相电流之和三相交流调压电路29谐波情况c)支路控制三角形联结三相交流调压电路

3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线电流中所含谐波次数为6k±1(k为正整数)

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电路三相交流调压电路30典型用例——晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）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，称为静止无功补偿装置(StaticVar

Campensator—SVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变

晶闸管控制电抗器(TCR)电路a移相范围为90°~180°控制a角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率三相交流调压电路31交流调功电路ACpowercontroller交流电力电子开关ElectronicACswitch其他交流调压电路32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交流调功电路33电阻负载时的工作情况

交流调功电路典型波形(M=3、N=2)电阻负载单相交流调压电路控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后M－N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倍电源周期交流调功电路34谐波情况交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)右图为频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值，Io为导通时电路电流幅值以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大交流调功电路35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，可频繁控制通断与交流调功电路的区别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接通和断开控制频度通常比交流调功电路低得多交流电力电子开关36晶闸管投切电容（ThyristorSwitched——Capacitor——TSC）

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，也可星形联结交流电力电子开关37单相交交变频器三相交交变频器交交变频电路38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单相交交变频电路39电路构成和基本工作原理

单相交交变频电路原理图和输出电压波形电路构成由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都是相控整流电路单相交交变频电路40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

单相交交变频电路原理图和输出电压波形单相交交变频电路41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单相交交变频电路42

整流与逆变工作状态

理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态阻感负载为例，也适用于交流电动机负载把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo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单相交交变频电路43设负载阻抗角为j，则输出电流滞后输出电压j

角两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲

理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态单相交交变频电路44工作状态

理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态T1-t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁T1-t2：

uo和io均为正，正组整流，输出功率为正t2-t3

：

uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负单相交交变频电路45t3-t5期间：io负半周，反组工作，正组被封锁t3-t4

：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正t4-t5

：uo反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负

理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态小结：哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定单相交交变频电路46◆考虑到无环流工作方式下负载电流过零的正反组切换死区时间，一周期的波形可分为6段：

第1段io<0，uo>0，为反组逆变；第2段电流过零，为切换死区；第3段io>0，uo>0，为正组整流；第4段io>0，uo<0，为正组逆变；第5段又是切换死区；第6段io<0，uo<0，为反组整流。单相交交变频电路47■输入输出特性

◆输出上限频率

☞输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。

☞就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。

☞当采用6脉波三相桥式电路时，一般认为输出上限频率不高于电网频率的1/3~1/2，电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。单相交交变频电路48交交变频电路的输入位移因数◆输入功率因数

☞输入电流相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。

☞在输出电压的一个周期内，

角以90°为中心而前后变化。

☞输出电压比

越小，半周期内

的平均值越靠近90°，位移因数越低；负载功率因数越低，输入功率因数也越低。

☞不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后的。单相交交变频电路49◆输出电压谐波

☞输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关。☞采用三相桥式电路时，输出电压主要谐波的频率为

6fi±fo，6fi±3fo，6fi±5fo，