交流交流变流电路_

1、引言引言 1 n 本章主要讲述本章主要讲述 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把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路 变频电路变频电路 改变频率的电路改变频率的电路 交交变频交交变频 直接直接 交流电力交流电力 控制电路控制电路 只改变电压只改变电压, , 电流或控制电流或控制 电路的通断电路的通断, , 而不改变频而不改变频 率的电路。率的电路。 交流调压电路交流调压电路 相位控制相位控制 交流交流斩波斩波调压电路调压电路 斩波控制斩波控制 交流调功电路交流调功电路 通断控制通断控制 周期控制周期控制 交流电力电子开关交流电力电子开关 非周期控非周

2、期控 制制 无规律的通断控制无规律的通断控制 交直交变频交直交变频 间接间接 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变成另一种 形式形式交流交流的电路。的电路。 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（即无中间直直接方式（即无中间直 流环节）流环节）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。 直接方式直接方式 交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路交流电力控制电路：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。的通断进行控制，而不改变频率的电路。 变频电路：改变频率的电路。变频电路：改变

3、频率的电路。 2 引言引言 引言引言 3 n 应用应用 1. 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制） 2. 温度调节（如工频加热、感应加热、需温控的家用温度调节（如工频加热、感应加热、需温控的家用 电器）电器） 3. 泵与风机等异步电动机的软起动泵与风机等异步电动机的软起动 4. 异步电动机调速（如纺织、造纸、冶金等领域的电机异步电动机调速（如纺织、造纸、冶金等领域的电机 调调 速）速） 5. 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。 6. 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变 压

4、器一次电压。压器一次电压。 7. 随电机负载大小自动调压（对于起重机等有较长时间随电机负载大小自动调压（对于起重机等有较长时间 空载或轻载的负荷，自动调压可以节省电能）空载或轻载的负荷，自动调压可以节省电能） 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 4 6.1 交流调压电路交流调压电路 把把两个晶闸管反并联两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控 制就可以控制交流输出。制就可以控制交流输出。 交流电力控制电路交流电力控制电路 交流调压电路交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控：在每

5、半个周波内通过对晶闸管开通相位的控 制，调节输出电压有效值的电路。制，调节输出电压有效值的电路。 交流调功电路交流调功电路：以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，：以交流电的周期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，调节输出功率平均值的改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的 电路。电路。 交流电力电子开关交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的：串入电路中根据需要接通或断开电路的 晶闸管。晶闸管。 应用应用 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。 异步电动机软起动。异步电动机软起动。 异步电动机调速。异步电动机调速

6、。 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。 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。次电压。 5 6.1 交流调压电路交流调压电路引言引言 O u1 uo i o u V T wt Owt Owt Owt 图图6-1 电阻负载单相交电阻负载单相交 流调压电路及其波形流调压电路及其波形 电阻负载电阻负载 工作过程工作过程 在交流电源在交流电源u1的正半周和负半周，分别对的正半周和负半周，分别对VT1 和和VT2的开通角的开通角 进行控制就可以调节输出电压。进行控制就可以调节输出电压。 基本的数量关

7、系基本的数量关系 负载电压有效值负载电压有效值Uo ww 2sin 2 1 dsin2 1 1 2 1o UttUU 负载电流有效值负载电流有效值Io R U I o o 晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值IT ) 2 2sin 1 ( 2 1sin2 2 1 1 2 1 w w R U td R tU IT 功率因数功率因数 2sin 2 1 1 o o1 oo U U IU IU S P (6-1) (6-2) (6-3) (6-4) 6 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 tan sin()sin()e VT1 图图6-2 阻感负载单相交流阻感负载单相交流 调压电路及其波形调压电

8、路及其波形 阻感负载阻感负载 工作过程工作过程 若晶闸管短接，稳态时负载电流为正若晶闸管短接，稳态时负载电流为正 弦波，相位滞后于弦波，相位滞后于u1的角度为的角度为 ，当用晶闸管，当用晶闸管 控制时，只能进行控制时，只能进行滞后控制滞后控制，使负载电流更，使负载电流更 为滞后。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 。 在在w wt= 时刻开通晶闸管时刻开通晶闸管VT1，可求得，可求得 导通角导通角 ，即，即 的移相范围为的移相范围为0 ，随着，随着 的增大，的增大，Uo 逐渐降低，逐渐降低， 逐渐降低。逐渐降低。 1 tan (/)L R

9、w (6-7) 7 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 图图6-3 单相交流调压电路以单相交流调压电路以 为为 参变量的参变量的 和和 关系曲线关系曲线 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 的关系用图的关系用图6-3的一簇曲线来表示。的一簇曲线来表示。 基本的数量关系基本的数量关系 负载电压有效值负载电压有效值Uo )22sin(2sin 2 1 )()sin2( 1 1 2 1o ww U tdtUU 晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值IVT 2 tan1 VT 1 21 sin()sin()d() 2 sincos(2) cos2 t U Itet

10、Z U Z w ww (6-8) (6-9) 8 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 负载电流有效值负载电流有效值Io VTo 2II 晶闸管电流晶闸管电流IVT的标么值的标么值 1 VTVTN 2U Z II 式中式中 22 )( LRZw 图图6-4 单相交流调压电路单相交流调压电路 为参变量时为参变量时IVTN和和 关系曲线关系曲线 (6-10) (6-11) 9 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，仍导通，VT2不会导通，不会导通，io过零后

11、，过零后，VT2才可才可 开通，开通，VT2导通角导通角小于小于 。 io有有指数衰减分量指数衰减分量，在指数分量，在指数分量衰减过程中，衰减过程中，VT1导通时间渐短，导通时间渐短，VT2的导的导 通时间渐长。通时间渐长。 wt wt wt wt 图4-5 O O O O u1 iG1 iG2 io iT1 iT2 图图6-5 时阻感负载交流调压电路工作波形时阻感负载交流调压电路工作波形 10 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 87.366435. 0) 8 6 arctan()arctan( R XL 6435. 0 )(22 220 A Z IIoin 例例6-1 一单相交流

12、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，XL=6 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： 10 22 L XRZ 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 ,因此晶闸管调压器全开放，输出电压为完整因此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，此时输出功率最大，为的正弦波，负载电流也为最大，

13、此时输出功率最大，为 11 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 )(3872 2 WR IPinin 3 e tan )6435. 0 3 sin()6435. 0 3 sin( 2 .156727. 2 功率因数为功率因数为 8 . 0 22220 3872 o1 IU P in 实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。 时，先计算晶闸管的导通角，由式（时，先计算晶闸管的导通角，由式（6-7）得）得 解上式可得晶闸管导通角为：解上式可得晶闸管导通角为： 12 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 8 . 0 )727. 2

14、6435. 0 3 2 cos(727. 2sin 727. 2 102 220 )(55.13A )(16.19A IIIVToin )(2937 2 WR IPinin cos )2cos(sin 2 1 VT Z U I 697. 0 16.19220 2937 o1 IU P in 13 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 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 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, 1 o )sincos()( n nn tnbtnatuwww 式中式中 ) 12(cos 2 2 1 1

15、 U a )(22sin 2 2 1 1 U b 1) 1cos( 1 1 1) 1cos( 1 12 1 n n n n U an ) 1sin( 1 1 ) 1sin( 1 12 1 n n n n U bn (n=3,5,7,) (n=3,5,7,) (6-12) 14 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 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 22 on 2 1 nn baU 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 060120180 图4-6 基波 3次 5次 7次 触发延迟角/( ) In/I*/

16、% 20 40 60 80 100 图图6-6 电阻负载单相交流调电阻负载单相交流调 压电路基波和谐波电流含压电路基波和谐波电流含 量量 (n=1,3,5,7,) (6-13) (6-14) 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，如图变化的曲线，如图 6-6所示，其中所示，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流含和电阻

17、负载时相比，阻感负载时的谐波电流含 量少一些。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，谐波含量的增大，谐波含量 有所减少。有所减少。 15 6.1.1 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 16 图图6-7 6-7 斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路 n 斩控式交流调压电路 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 17 n 斩控式交流调压电路 在交流电在交流电源源u1的的正半周正半周 图图6-7 6-7 斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路 用用V V1 1进行斩波控制进行斩波控制 用用V3V3给负载电流给负载电流

18、提供续流通道提供续流通道 用用V V2 2进行斩波控制进行斩波控制 用用V V4 4给负载电流给负载电流 提供续流通道提供续流通道 在交流电源在交流电源u1的负半周的负半周 图图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斩控式交流调压电路 工作原理工作原理 用用V1，V2进行进行斩波控制斩波控制，用，用V3， V4给负载电流提供给负载电流提供续流续流通道。通道。 设斩波器件（设斩波器件（V1，V2）导通时）导通时 间为间为ton，开关周期为，开关周期为T，则导通比，则导通比 =ton/T ，通过改变，通过改变 来调节输出电压。来调节输出电压。 电源电流的基波分量是和电源电

19、电源电流的基波分量是和电源电 压同相位的，即压同相位的，即位移因数为位移因数为1，电源电，电源电 流中不含低次谐波，只含和开关周期流中不含低次谐波，只含和开关周期 T有关的高次谐波，这些高次谐波用有关的高次谐波，这些高次谐波用 很小的滤波器即可滤除，这时电路的很小的滤波器即可滤除，这时电路的 功率因数接近功率因数接近1。 图图6-8 电阻负载斩控式电阻负载斩控式 交流调压电路波形交流调压电路波形 18 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 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。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。 图图6-9 三相交流调压电路三相交流调

20、压电路 a)星形联结星形联结 b)支路控制三角形联结支路控制三角形联结 c)中点控制三角形联结中点控制三角形联结 19 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 星形联结电路星形联结电路 分为分为三相三线三相三线和和三相四线三相四线两种情况。两种情况。 三线四相三线四相 相当于三个单相交流调压电路的组合，相当于三个单相交流调压电路的组合， 三相互相错开三相互相错开120工作。工作。 基波和基波和3倍次以外倍次以外的谐波在三相之间流的谐波在三相之间流 动，不流过零线，动，不流过零线，3的整数倍次的整数倍次谐波是同相位谐波是同相位 的，不能在各相之间流动，全部流过零线。的，不能在各相之间流动，

21、全部流过零线。 当当 =90时，零线电流甚至和各相电流时，零线电流甚至和各相电流 的有效值接近。的有效值接近。 三相三线带电阻负载时的工作原理三相三线带电阻负载时的工作原理 任一相导通须和另一相构成回路，因此任一相导通须和另一相构成回路，因此 电流通路中电流通路中至少有两个晶闸管至少有两个晶闸管，应采用双脉冲，应采用双脉冲 或宽脉冲触发。或宽脉冲触发。 触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路 一样，为一样，为VT1 VT6,依次相差依次相差60。 图图6-9 a)星形联结星形联结 20 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 图图6-10 不同不同 角时负载

22、相电压波形角时负载相电压波形 a) =30 b) =60 把把相电压过零点相电压过零点定为开通角定为开通角 的起的起 点，三相三线电路中，两相间导通时点，三相三线电路中，两相间导通时 是靠线电压导通的，而线电压超前相是靠线电压导通的，而线电压超前相 电压电压30，因此，因此 角的移相范围是角的移相范围是 0150。 根据任一时刻导通晶闸管个数以及根据任一时刻导通晶闸管个数以及 半个周波内电流是否连续可将半个周波内电流是否连续可将 0150的移相范围分为如下三段的移相范围分为如下三段 0 60范围内，电路处于范围内，电路处于三三 个晶闸管导通与两个晶闸管导通的交个晶闸管导通与两个晶闸管导通的交

23、替状态替状态，每个晶闸管导通角度为，每个晶闸管导通角度为 180- ,但但 =0时是一种特殊情况，时是一种特殊情况， 一直是三个晶闸管导通。一直是三个晶闸管导通。 60 90范围内，任一时刻都范围内，任一时刻都 是是两个晶闸管导通两个晶闸管导通，每个晶闸管的导，每个晶闸管的导 通角度为通角度为120。 21 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 图图6-10 不同不同 角时负载相电压波形角时负载相电压波形 c) =120 90 150范围内，电路处于范围内，电路处于 两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交 替状态替状态，每个晶闸管导通角度为，每个晶闸管导通角度

24、为 300-2 ，而且这个导通角度被分割，而且这个导通角度被分割 为不连续的两部分，在半周波内形成为不连续的两部分，在半周波内形成 两个断续的波头，各占两个断续的波头，各占150- 。 谐波分析谐波分析 电流谐波次数为电流谐波次数为6k1(k=1，2， 3，)。 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，因为三相对称时，它们，因为三相对称时，它们 不能流过三相三线电路。不能流过三相三线电路。 22 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 图图6-9 三相交流调压电路三相交流调压电路 b)支路控制三角形联

25、结支路控制三角形联结 支路控制三角联结电路支路控制三角联结电路 由三个单相交流调压电路组成，分由三个单相交流调压电路组成，分 别在不同的别在不同的线电压线电压作用下工作。作用下工作。 单相交流调压电路的分析方法和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（即电源电流）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。为与该线相连的两个负载相电流之和。 谐波分析谐波分析 3倍次谐波倍次谐波相位和大小相同，在三相位和大小相同，在三 角形回路中流动，而不出现在线电流中。角形回路中流动，而不出现在线电流中。 线电流中所谐波次数为线电流中所谐波次数为6k1(k为为 正

26、整数正整数)。 在相同负载和在相同负载和 角时，线电流中谐角时，线电流中谐 波含量少于三相三线星形电路。波含量少于三相三线星形电路。 23 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 6.2.1 交流调功电路交流调功电路 6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关 24 6.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路 6.2.1 交流调功电路交流调功电路 25 n 应用：广泛应用于各种控温场合 1 金属热处理 2 化工合成加热 3 纺织热定型处理 4 钢化玻璃热处理等 需要加热和进行温度控制的应用场合。 2N M 电源周期 控制周期 =M倍电源周期 =2 4 M O 导通段 = M 3

27、M 2 M uo u1uo,io wt U12 012 14 谐波次数 相对于电源频率的倍数 2 4 6108 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 051234 In/I0m 图图6-11 交流调功电路典型波形交流调功电路典型波形(M=3、N=2) 图图6-12 交流调功电路的电流频谱图交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2) 交流调功电路交流调功电路 工作原理工作原理 和交流调压电路的电路形式完全相同，只是和交流调压电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同控制方式不同。 通过改变通过改变接通周波数接通周波数与与断开周波数断开周波数的比值来调节负载所消耗的的比值来调节负载所消耗的

28、 平均功率。平均功率。 26 6.2.1 交流调功电路交流调功电路 谐波分析谐波分析 在交流电源接通期间，负载电压电流都是在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波正弦波，不对电网电压电流造，不对电网电压电流造 成通常意义的谐波污染。成通常意义的谐波污染。 如果以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有如果以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数非整数 倍频率的谐波倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。 2N M 电源周期 控制周期 =M倍电源周期 =2 4 M O 导通段 = M 3 M 2

29、 M uo u1uo,io wt U12 012 14 谐波次数 相对于电源频率的倍数 2 4 6108 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 051234 In/I0m 图图6-11 交流调功电路典型波形交流调功电路典型波形(M=3、N=2) 图图6-12 交流调功电路的电流频谱图交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2) 27 6.2.1 交流调功电路交流调功电路 交流电力电子开关：把交流电力电子开关：把晶闸管晶闸管反并联后串入反并联后串入 交流电路中，代替电路中的机械开关，起接交流电路中，代替电路中的机械开关，起接 通和断开电路的作用。通和断开电路的作用。 优点：响应速度快，没

30、有触点，寿命长，可优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可 以频繁控制通断。以频繁控制通断。 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。控制电路的接通和断开。 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。 28 6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） 29 n SVC系统接线图系统接线图 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） n 晶闸管阀组件 3

31、0 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） 31 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） n SVC中的TCR主电抗器 32 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） n SVC控制系统人机界面 33 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） n 英国国家电网Cellarhead 400kV变电站SVC 34 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） n 墨西哥城400kV输电线SVC设备提高系统输电容量 达200MW 35 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） n 美国Mead-Adelanto 2套SVC，19

32、95 36 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） n SVC Bom Jesus da Lapa, Enelpower, 巴西500 kV, +/-250 MVar 37 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） 38 500kV500kV 1000MW 发电发电 1000MW 负荷负荷 500kV 1000MW 500kV SVCSVC 采用采用SVC补偿后的线路补偿后的线路 0MW 法拉第效应法拉第效应 800 km 线路长度线路长度 500kV Target 800MW Natural Load 1000MW 系统崩溃系统崩溃 800 km线路长度线路长度 5

33、00kV 采用采用SVC后提高后提高 输送能力到输送能力到 1000MW 500kV500kV 800MW 发电发电 800MW 负荷负荷 500kV 潮流潮流 500kV 500kV 输电线路输电线路 (未补偿未补偿) 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） n 静止无功补偿装置(Static Var CompensatorSVC），用 来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。 39 u us iC uC C VT1 VT2 VT1 晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器(TCR)(TCR)电路电路晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)(TSC) SVC=TCR+TSC

34、交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） 40 n 晶闸管控制电抗器（三相调压电路）晶闸管控制电抗器（三相调压电路） （Thyristor Controlled ReactorTCR） u 配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内 连续调节无功功率连续调节无功功率 晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器(TCR)(TCR)电路电路 ua 移相范围为移相范围为90 180 u控制控制a 角可连续调节流过电角可连续调节流过电 抗器的电流，从而调节无功功抗器的电流，从而调节无功功 率。率。 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） 41

35、晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器(TCR)(TCR)电路电路 a)b)c) TCR电路负载相电流和输入线电流波形电路负载相电流和输入线电流波形 a) =120 b) =135 c) =160 交流电力控制电路应用（交流电力控制电路应用（SVC） 42 n晶闸管的投切晶闸管的投切(电力电子开关电路电力电子开关电路) u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。 u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。 12 t t t t u

36、 s iC u C VT 1 VT 2 tt u VT1 u u s iC uC C VT 1 VT2 VT1 TSCTSC理想投切时刻原理说明理想投切时刻原理说明 习题习题 43 1. 单相调压电路带电阻负载，其导通控制角单相调压电路带电阻负载，其导通控制角a的移相范围为的移相范围为 _，随，随 a 的增大，的增大， Uo_，功率因数，功率因数_, 电源电流中所含谐波的次数为电源电流中所含谐波的次数为 。 2. 单相交流调压电路带阻感负载，当控制角单相交流调压电路带阻感负载，当控制角aarctan(L/R) 时时,VT1的导通时间的导通时间_,VT2的导通时间的导通时间_。 3. 根据三相联

37、接形式的不同，三相交流调压电路具有多种形根据三相联接形式的不同，三相交流调压电路具有多种形 式，式，TCR属于属于_联结方式，联结方式，TCR的控制角的控制角 a 的移相的移相 范围为范围为_，线电流中所含谐波的次数为，线电流中所含谐波的次数为_。 4. 晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器 选择晶闸管投入时刻的原则是：选择晶闸管投入时刻的原则是： _。 5. 交流调压电路与交流调功电路都能控制功率，不同点是交流调压电路与交流调功电路都能控制功率，不同点是 （ ）。）。 (A) 电路形式电路形式 (B) 控制方式控制方式 (C) 应用场合应用场合 (D) 电源频率电源频率 习题习题 44 6. T

38、CR与与TSC都是无功补偿设备，在相同电网电压下，它们都是无功补偿设备，在相同电网电压下，它们 的相同点是（的相同点是（ ）。）。 （A）控制方式）控制方式 （B）相同补偿容量下开关器件的电流定额）相同补偿容量下开关器件的电流定额 （C）所用电力电子器件）所用电力电子器件 （D）开关器件的耐压要求）开关器件的耐压要求 7. 一单相交流调压器，输入交流电压有效值为一单相交流调压器，输入交流电压有效值为220V，50Hz， 负载为阻感性，其中负载为阻感性，其中R=6.28，L=20mH，触发延时角，触发延时角 =/6，试求稳态时，输出电压、电流有效值、调压器输入，试求稳态时，输出电压、电流有效值、

39、调压器输入 有功功率和功率因数。并绘制稳态时输入电压与输出电流的有功功率和功率因数。并绘制稳态时输入电压与输出电流的 波形示意图。波形示意图。 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路 45 6.3 交交变频电路交交变频电路 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 46 n 变频器厂商变频器厂商 西门子变频器 富士变频器 三菱变频器 ABB变频器 日立变频器 艾默生变频器 施耐德变频器 台达变频器 安川变频器 松下变频器 Z P N 输出电压平均输出电压 O uo uo P=0 P= 2 P= 2 wt 图图6-13 单相交交变频电路原单

40、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 交交变频电路是把电网频率的交流交交变频电路是把电网频率的交流 电直接变换成可调频率的交流电的变电直接变换成可调频率的交流电的变 流电路，因为没有中间直流环节，因流电路，因为没有中间直流环节，因 此属于此属于直接变频电路直接变频电路。 电路构成和基本工作原理电路构成和基本工作原理 由由P组和组和N组反并联的晶闸管相控组反并联的晶闸管相控 整流电路构成，和直流电动机可逆调整流电路构成，和直流电动机可逆调 速用的四象限变流电路完全相同。速用的四象限变流电路完全相同。 工作原理工作原理 P组工作时，负载电流组工作时，负载电流io为为正正， N组工

41、作时，组工作时，io为为负负。 两组变流器按一定的频率交替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。工作，负载就得到该频率的交流电。 改变两组变流器的改变两组变流器的切换频率切换频率， 就可以改变输出频率就可以改变输出频率w w0。 改变变流电路工作时的改变变流电路工作时的控制角控制角 ， 就可以改变交流输出电压的就可以改变交流输出电压的幅值幅值。 47 6.3.1 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 为使为使uo波形接近正弦波，可波形接近正弦波，可 按正弦规律对按正弦规律对 角进行调制。

42、角进行调制。 在半个周期内让在半个周期内让P组组 角角 按正弦规律从按正弦规律从90减到减到0或或 某个值某个值，再增加到，再增加到90，每，每 个控制间隔内的个控制间隔内的平均输出电平均输出电 压压就按正弦规律从零增至最就按正弦规律从零增至最 高，再减到零；另外半个周高，再减到零；另外半个周 期可对期可对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由若干段电源电压拼 接而成，在接而成，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，包含的电源电压段数越多， 其波形就越接近正弦波。其波形就越接近正弦波。 48 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 图图6-

43、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 整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态 以阻感负载为例，把电路等效成图以阻感负载为例，把电路等效成图6- 14a所示的正弦波交流电源和二极管的串所示的正弦波交流电源和二极管的串 联，二极管体现了交流电路的电流的单联，二极管体现了交流电路的电流的单 方向性。方向性。 设负载阻抗角为设负载阻抗角为 ，则输出电流滞后，则输出电流滞后 输出电压输出电压 角，两组变流电路采取角，两组变流电路采取无环流无环流 工作方式工作方式，即一组变流电路工作时，封，即一组变流电路工作时，封 锁另一组变流电路的触发脉冲。锁另一组变流电路

44、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，正组工，正组工 作，反组被封锁。作，反组被封锁。 t1t2阶段：阶段：uo和和io均为正，正组整均为正，正组整 流，输出功率为正。流，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 组逆变，输出功率为负。组逆变，输出功率为负。 49 6.3.1 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 t3t5期间：期间：io处于负半周处于负半周，反，反 组工作，正组被封锁。组工作，正组被封锁。 t3t4阶段：阶段：u

45、o和和io均为负，均为负， 反组整流，输出功率为正。反组整流，输出功率为正。 t4t5阶段：阶段：uo反向，反向，io仍为仍为 负，反组逆变，输出功率为负。负，反组逆变，输出功率为负。 结论结论 哪组变流电路工作由哪组变流电路工作由io方向方向 决定，与决定，与uo极性无关。极性无关。 变流电路变流电路工作在整流还是逆工作在整流还是逆 变状态，根据变状态，根据uo方向与方向与io方向是否方向是否 相同相同来确定。来确定。 50 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 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

46、周期的 波形可分为波形可分为6段段：第：第1段段io0，为反组逆变；第，为反组逆变；第2段电流过零，为切换死段电流过零，为切换死 区；第区；第3段段io0，uo0，为正组整流；第，为正组整流；第4段段io0，uo0，为正组逆变；第，为正组逆变；第5段段 又是切换死区；第又是切换死区；第6段段io0，uo0，为反组整流。，为反组整流。 当输出电压和电流的相位差小于当输出电压和电流的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供能量的时，一周期内电网向负载提供能量的 平均值为正，若负载为电动机，则电动机工作在平均值为正，若负载为电动机，则电动机工作在电动状态电动状态；当二者相位差大；当二者相位差大 于于

47、90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，即电网吸收能量，时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，即电网吸收能量， 电动机工作在电动机工作在发电状态发电状态。 图图6-15 单相交交变频电路输出电压和电流波形单相交交变频电路输出电压和电流波形 51 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 输出正弦波电压的调制方法输出正弦波电压的调制方法 主要介绍最基本的主要介绍最基本的余弦交点法余弦交点法。 用余弦交点法求交交变频电路用余弦交点法求交交变频电路 角的基本公式角的基本公式 每次控制间隔内输出电压的平均值为每次控制间隔内输出电压的平均值为 cos d0o Uu 式中式中Ud0为为

48、=0时整流电路的理想空载电压。时整流电路的理想空载电压。 要得到的正弦波输出电压为要得到的正弦波输出电压为 tUu oomo sinw 比较式比较式(6-15)和和(6-16)，应使，应使 tt U U oo d0 om sinsincosww 式中，式中， 称为输出电压比，称为输出电压比， ) 10( d0 om U U 因此因此 )sin(cos o 1 tw (6-15) (6-16) (6-17) (6-18) 52 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 图4-21 u2u3u4u5u6u1 us2us3us4us5us6us1 uo P3P4 wt wt 图图6-16 余弦交

49、点法原理余弦交点法原理 余弦交点法图解余弦交点法图解 线电压线电压uab、uac、ubc、uba、uca和和ucb依次用依次用u1u6表示，表示，相邻两个线电压的相邻两个线电压的 交点对应于交点对应于 =0。 u1u6所对应的同步信号分别用所对应的同步信号分别用us1us6表示，表示，us1us6比相应的比相应的u1u6超前超前 30，us1us6的最大值和相应线电压的最大值和相应线电压 =0的时刻对应，的时刻对应，以以 =0为零时刻为零时刻，则则 us1us6为余弦信号为余弦信号。 希望输出电压为希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压同步电压us1

50、us6的下降的下降 段和段和uo的交点的交点来决定。来决定。 53 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 )sin(sin 2 )sin(cos o 1 o 1 t t w w = 0 = 0.1 相位控制角/( ) 输出相位w 0 t 图4-22 120 150 180 30 60 90 0 0.1 0.2 0.3 0.8 0.9 1.0 0.8 0.2 0.3 0.9 1.0 2 2 2 3 图图6-17 不同不同 时时 和和w wot的关系的关系 不同输出不同输出 的情况下，的情况下， 在输出电压的一个周期在输出电压的一个周期 内，控制角内，控制角 随随w wot变化变化 的情况

51、如图的情况如图6-17，图中，图中 较小，即输出电压较较小，即输出电压较 低时，低时， 只在离只在离90很很 近的范围内变化近的范围内变化，电路，电路 的输入功率因数非常低。的输入功率因数非常低。 54 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 输入输出特性输入输出特性 输出上限频率输出上限频率 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，压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变电压波形畸变及其导及其导 致的致的电流波形畸变和转矩脉动电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高是限制输出频率提高 的主要因素。的主要因素。 就输出波形

52、畸变和输出上限频率的关系而言，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。很难确定一个明确的界限。 当采用当采用6脉波三相桥式电路时，一般认为输出上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限频率不高于电网频率的1/31/2，电网频率为，电网频率为 50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。 55 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 图图6-18 交交变频电交交变频电 路的输入位移因数路的输入位移因数 输入功率因数输入功率因数 输入电流相位总是滞后于输输入电流相位总是滞后于输 入电压，需要入电压，需要电

53、网提供无功功率电网提供无功功率。 在输出电压的一个周期内，在输出电压的一个周期内， 角角以以90为中心为中心而前后变化。而前后变化。 输出电压比输出电压比 越小，半周期内越小，半周期内 的平均值越靠近的平均值越靠近90，位移因，位移因 数越低；负载功率因数越低，输数越低；负载功率因数越低，输 入功率因数也越低。入功率因数也越低。 不论负载功率因数是滞后的不论负载功率因数是滞后的 还是超前的，还是超前的，输入的无功电流总输入的无功电流总 是滞后的是滞后的。 56 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 输出电压谐波输出电压谐波 输出电压的谐波频谱非常复杂，既和输出电压的谐波频谱非常复杂，既

54、和电网频率电网频率fi以及以及 变流电路的脉波数变流电路的脉波数有关，也和有关，也和输出频率输出频率fo有关。有关。 采用三相桥式电路时，输出电压所含主要谐波的频采用三相桥式电路时，输出电压所含主要谐波的频 率为率为 6fifo，6fi3fo，6fi5fo， 12fifo，12fi3fo，12fi5fo， 采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的 影响，将增加影响，将增加5fo、7fo等等次谐波。次谐波。 输入电流谐波输入电流谐波 输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但 其幅值和相位均按正弦规

55、律被调制。其幅值和相位均按正弦规律被调制。 采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频 率为率为 57 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频 率为率为 oiin 216lffkf 和和 oiin 2kfff 式中，式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。 交交变频电路也可采用有环流方式，避免电流断续并消交交变频电路也可采用有环流方式，避免电流断续并消 除电流死区，改善输出波形，还可提高交交变频电路的输除电流死区，改善输出波形，还可提高交交变频电路的输

56、 出上限频率，但是有环流方式需要设置环流电抗器，使设出上限频率，但是有环流方式需要设置环流电抗器，使设 备成本增加，运行效率也因环流而有所降低。备成本增加，运行效率也因环流而有所降低。 (6-19) (6-20) 58 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 图图6-19 公共交流母线进线公共交流母线进线 三相交交变频电路（简图）三相交交变频电路（简图） 交交变频电路主要应用于大功率交流电交交变频电路主要应用于大功率交流电 机调速系统，这种系统使用的是三相交交机调速系统，这种系统使用的是三相交交 变频电路，三相交交变频电路是由变频电路，三相交交变频电路是由三组输三组输 出电压相位各差出电

57、压相位各差120的单相交交变频电的单相交交变频电 路组成的路组成的。 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 由三组彼此独立的、输出电压相位由三组彼此独立的、输出电压相位 相互错开相互错开120的单相交交变频电路构成。的单相交交变频电路构成。 电源进线通过进线电抗器接在电源进线通过进线电抗器接在公共公共 的交流母线的交流母线上。上。 因为电源进线端公用，所以三组的因为电源进线端公用，所以三组的 输出端必须隔离输出端必须隔离；为此，交流电动机的三；为此，交流电动机的三 个绕组必须拆开，共引出个绕组必须拆开，共引出6根线。根线。 主要用于主要用于中等容量中等容量的交流调

58、速系统。的交流调速系统。 59 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路 图图6-20 输出星形联结方式三相交交变频电路输出星形联结方式三相交交变频电路 a）简图）简图 b）详图）详图 输出星形联结方式输出星形联结方式 三组输出端是三组输出端是星形联结星形联结，电动机的三个绕组也是，电动机的三个绕组也是星形联结星形联结，电动机中点不，电动机中点不 和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。 因为三组输出联接在一起，其因为三组输出联接在一起，其电源进线必须隔离电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器，因此分别用三个变压器 供电。供电。 构成三相

59、变频电路的六组桥式电路中，至少要有构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的不同输出相的两组桥中的 四个晶闸管四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。同时导通才能构成回路，形成电流。 同一组桥内的两个晶闸管靠同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲双触发脉冲保证同时导通，两组桥之间则是靠保证同时导通，两组桥之间则是靠 各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。 60 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路 输入输出特性输入输出特性 输出上限频率输出上限频率和和输出电压谐波输出电压谐波与单相交交变频电路是一致的。与单相交交变频

60、电路是一致的。 输入电流输入电流 总的输入电流由三个单相电路的同一相输入电流合成而得到。总的输入电流由三个单相电路的同一相输入电流合成而得到。 有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低。有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低。 谐波频率为谐波频率为 200 t/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/ms 200 t/ms 图图6-21 交交变频电路的输入电流波形交交变频电路的输入电流波形 oiin 616lffkf 和和 oiin 6kfff 式中式中k=1,2,3,；l=0,1,2,。 (6-21) (6-22)