第6章 交流交流变流电路

1、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 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路 6.3 交交变频电路交交变频电路 6.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 本章小结本章小结 2 引言 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。 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。间接方式可两种。间接方式可 以看作交流以看作交流-直流变换器电路和

2、直流直流变换器电路和直流-交流变换电路的组交流变换电路的组 合。合。 直接方式直接方式 交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断交流电力控制电路：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。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：改变频率的电路。 3 6.1 交流调压电路交流调压电路 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 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引言引言 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，通过对晶闸管的控制就可后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可

3、以控制交流输出。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制，调：在每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。节输出电压有效值的电路。 交流调功电路交流调功电路：以交流电周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态：以交流电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电路。周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。 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晶闸管。：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。 应用应用 灯光控制（如

4、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。 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，用于调节变压器一次电压。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。 5 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 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

5、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

6、压电路单相交流调压电路 VT1 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。 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。 7 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 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路及其波形 设负载的阻抗角为设负载的阻抗角为 ，稳态，稳

7、态 时时 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，负载电，负载电 流应满足如下微分方程和初始条件流应满足如下微分方程和初始条件 )/(tg 1 RLw 0 sin2 1 w w to o o i tURi dt di L 解该方程得：解该方程得： )sin()sin( 2 tan1 w w t o et Z U i wt 22 )( LRZw 8 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 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路及其波形 tg )sin()sin( e (6-7) 可求得可求得导通角导通角

8、，即，即 利用边界条件：利用边界条件： 时时 ，wt 0 o i 9 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 为参变量的为参变量的 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。 VT2导通时，上述关系完全相同，只是输出电流的极性相反，且相位相差导通时，上述关系完全相同，只是输出电流的极性相反，且相位相差 180 10 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 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 )

9、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 ww w cos )2cos(sin 2 )d()sin()sin( 2 2 1 1 2 tg1 VT Z U tet Z U I t (6-8) (6-9) 11 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、-10) (6-11) 12 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，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，在指数分量衰减过程中，在指数分量衰减过程中，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

11、作波形时阻感负载交流调压电路工作波形 13 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 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 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： W10 22 L XRZ 因此开通角因此开通角 的变化范

12、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，此时输出功率最大，为 )(22 220 A Z IIoin 14 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 )(3872 2 WRIPP ooin 3 e tan )6435. 0 3 sin()6435. 0 3 sin( 功率因数为功率因数为 8 . 0 22220 3872 in1 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

13、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： 2 .156727. 2 15 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 8 . 0 )727. 26435. 0 3 2 cos(727. 2sin 727. 2 102 220 )(55.13A cos )2cos(sin 2 1 VT Z U I )(2937 2 WRIP inin 697. 0 16.19220 2937 o1 IU P in 19.16(A)2 VTin III o 16 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调

14、压电路 由前面波形可以看出，负载电压和负载电流均不是正弦波，含有大量谐波。由前面波形可以看出，负载电压和负载电流均不是正弦波，含有大量谐波。 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 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

15、 U bn (n=3,5,7,) (n=3,5,7,) (6-12) 由于波形正负半波由于波形正负半波 对称，所以不含直对称，所以不含直 流分量和偶次谐波流分量和偶次谐波 17 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*/% 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

16、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，可以用相同方法进行分析，只是公阻感负载时，可以用相同方法进行分析，只是公 式将复杂得多。式将复杂得多。 电源电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含电源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

17、阻负载时相比，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。 18 R L 图4-7 u1 i1 uo V1 V2 VD1 VD2 V3 V4 VD4 VD3 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（以比电源频率高得多的频率周工作原理（以比电源频率高得多的频率周 期性地接通和断开主开关器件，把连续的正弦期性地接通和断开主开关器件，把连续的正弦 输入电压输入电压“斩斩”成离散的脉冲加于负载。成离散的脉冲加于负载。 用用V1，V2进行进行斩

18、波控制斩波控制，用，用V3，V4给负载给负载 电流提供电流提供续流续流通道。斩控式交流调压电路使用通道。斩控式交流调压电路使用 的全控型开关器件其静态特性均为非对称的。的全控型开关器件其静态特性均为非对称的。 反向阻断能力很低，甚至不具备反向阻断能力。反向阻断能力很低，甚至不具备反向阻断能力。 为此，常与二极管配合组成复合器件，即利用为此，常与二极管配合组成复合器件，即利用 二极管来提供开关的反向阻断能力。二极管来提供开关的反向阻断能力。 设斩波器件（设斩波器件（V1，V2）导通时间为）导通时间为ton，开，开 关周期为关周期为T，则导通比，则导通比 =ton/T ，通过改变，通过改变 来来

19、调节输出电压。调节输出电压。 电源电流的基波分量是和电源电压同相位电源电流的基波分量是和电源电压同相位 的，即的，即位移因数为位移因数为1，电源电流中不含低次谐波，电源电流中不含低次谐波， 只含和开关周期只含和开关周期T有关的高次谐波，这些高次谐有关的高次谐波，这些高次谐 波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率 因数接近因数接近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 书中图书中图 有错有错 19 20 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种根据三相联结形式

20、的不同，三相交流调压电路具有多种 形式：形式： 图图6-9 三相交流调压电路三相交流调压电路 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 21 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。主要分析两种情况。主要分析时的情况。时的情况。 图图6-9 a)星形联结星形联结 22 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 三相四线三相四线 相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互 相错开相

21、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动，不的谐波在三相之间流动，不 流过零线，流过零线，3的整数倍次的整数倍次谐波是同相位的，不能在各谐波是同相位的，不能在各 相之间流动，全部流过零线。相之间流动，全部流过零线。 =90时，零线电流和相电流有效值接近，选时，零线电流和相电流有效值接近，选 择导线线径和变压器时必须注意这一点。择导线线径和变压器时必须注意这一点。 , 5 , 3 , 1 a )sincos()( n nn tnbtnatiwww , 5 , 3 , 1 b ) 3 2 (sin) 3 2 (cos()( n nn tnbtnatiwww , 5

22、 , 3 , 1 c ) 3 4 (sin) 3 4 (cos)( n nn tnbtnatiwww 23 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 三相三线带三相三线带时的工作原理时的工作原理 任一相导通须和另一相构成回路，因此电流通任一相导通须和另一相构成回路，因此电流通 路中路中至少有两个晶闸管至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。，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，触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样， 为为VT1 VT6,依次相差依次相差60。 24 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

23、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 的起点，的起点， 三相三线电路中，两相间导通时是靠线三相三线电路中，两相间导通时是靠线 电压导通的，而线电压超前相电压电压导通的，而线电压超前相电压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半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个周波内电流是否连续可将0150的的 移相范围分为如下三段移相范围分为如下三段 0 60范围内，电路处于范围内，电路处于三个晶三个晶 闸管导通与两个晶闸管导通的交替状态闸管导通与两个晶闸管导通的交替状态，

24、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，一直是三个晶闸管时是一种特殊情况，一直是三个晶闸管 导通。导通。 60 90范围内，任一时刻都是范围内，任一时刻都是 两个晶闸管导通两个晶闸管导通，每个晶闸管的导通角，每个晶闸管的导通角 度为度为120。 分析参照图分析参照图 25 （一）三相交流电路在纯电阻（一）三相交流电路在纯电阻 负载时的工作情况负载时的工作情况 1.1. 交流输入交流输入 触发脉冲触发脉冲 晶闸管导通区间晶闸管导通区间 交流输出交流输出 26 交流输入交流输入 触发脉冲触发脉冲 晶闸管导通区间晶闸管导通区间 交流输出交流输出 27 交流输

25、入交流输入 触发脉冲触发脉冲 晶闸管导通区间晶闸管导通区间 交流输出交流输出 0 00 0、30300 0、60600 0 归纳： 归纳： * *晶闸管在触发脉冲到来时导通晶闸管在触发脉冲到来时导通 * *在对应的电源半周过零时关断。在对应的电源半周过零时关断。 28 29 因为触发角为因为触发角为9090度时，沿用前面的分析方法出现错误，所以触度时，沿用前面的分析方法出现错误，所以触 发角为发角为9090时要获得时要获得正确导通区间正确导通区间需重新分析电路：需重新分析电路： 首先假设触发脉冲有足够的宽度，即首先假设触发脉冲有足够的宽度，即VT1VT1触发时触发时VT6VT6还有触发脉还有触

26、发脉 冲存在。这时可能构成冲存在。这时可能构成A-VT1-A-VT1-负载负载-VT6-B-VT6-B通电回路，但光有脉冲还通电回路，但光有脉冲还 不够，还需要一个条件，就是晶闸管要承受正压。不够，还需要一个条件，就是晶闸管要承受正压。 电源电压波形图上可以看出：这时电压电源电压波形图上可以看出：这时电压A A相电压高于相电压高于B B相电压，相电压， 因此触发因此触发VT1VT1时，时，VT1VT1与与VT6VT6构成直流通路。该通路持续导通到正压构成直流通路。该通路持续导通到正压 消失消失-即即A A、B B电压的交点。电压的交点。 同理，当触发同理，当触发VT2VT2时，因时，因VT1V

27、T1有触发脉冲，所以有触发脉冲，所以VT2VT2与与VT1VT1一起导一起导 通，构成通，构成ACAC相回路，直到相回路，直到A A、C C相电压的交点，正压消失为止。相电压的交点，正压消失为止。 90900 0、1201200 0 归纳： 归纳： * *晶闸管在触发脉冲到来时，与前一个管子一起导通。晶闸管在触发脉冲到来时，与前一个管子一起导通。 * *在两相间的正压消失时关断。在两相间的正压消失时关断。 30 交流输入交流输入 触发脉冲触发脉冲 晶闸管导通区间晶闸管导通区间 交流输出交流输出 31 结论：结论： 32 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

28、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，电路处于两个晶两个晶 闸管导通与无晶闸管导通的交替状态闸管导通与无晶闸管导通的交替状态，每个，每个 晶闸管导通角度为晶闸管导通角度为300-2 ，而且这个导通，而且这个导通 角度被分割为不连续的两部分，在半周波内角度被分割为不连续的两部分，在半周波内 形成两个断续的波头，各占形成两个断续的波头，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的整数的整数 倍

29、次谐波倍次谐波，因为三相对称时，它们不能流过，因为三相对称时，它们不能流过 三相三线电路。三相三线电路。 33 0 a、c相电压为正，相电压为正，b相电压为负，相电压为负， 因此，在因此，在0-60。 。区间， 区间，VT5、 VT6、VT1将同时导通将同时导通 34 0 VT5因因c相电压过零而关断，此相电压过零而关断，此 时时VT2被触发导通，而被触发导通，而a相电压相电压 仍为正，仍为正，b相电压仍为负，相电压仍为负， VT6、 VT1将继续导通。将继续导通。 35 0 36 0 a、c相电压为正，相电压为正，b相电压为负，相电压为负， 因此，在因此，在0-30。 。区间，因 区间，因V

30、T1的的 触发脉冲尚未发出，只有触发脉冲尚未发出，只有VT5、 VT6维持导通维持导通 0 n a u 30 37 30 anna uu b相电压仍为负相电压仍为负， c相电压仍为正，相电压仍为正， VT5、VT6继续导通，因此，在继续导通，因此，在 30。 。60。区间， 区间， a相电压为正，相电压为正， 因因VT1被触发便导通。被触发便导通。 38 VT5因因c相电压过零而关断，但此时相电压过零而关断，但此时 VT2触发脉冲还没有来，而触发脉冲还没有来，而a相电压相电压 仍为正，仍为正，b相电压仍为负，相电压仍为负， VT6、 VT1将继续导通。将继续导通。 abna uu 2 1 39

31、 cnbnbnncbnbncn uuuuuuu 0 0 0 cn cnbn bn u uu u anna uu 30 40 41 在阻感负载的情况下，可参照电阻和前述 单相阻感负载时的分析方法，只是情况更 复杂一些。 时，负载电流最大且为 正弦波，相当于晶闸管全部被短接的情况。 一般而言，电感大时，谐波电流的含量要 小些。 42 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

32、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 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。 通过定量分析发现，

33、在相同负载和相同输出电压情况下，支路控制三通过定量分析发现，在相同负载和相同输出电压情况下，支路控制三 角联接电路中谐波含量要少于三相三线星形电路。角联接电路中谐波含量要少于三相三线星形电路。 43 其它三相交流调压电路 44 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 6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关 45 6.2.1 交流调功电路交流调功电路 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) 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

34、控制方式不同控制方式不同。交。交 流调功电路不是在流调功电路不是在每个每个交流电源周期都通过触发延迟角对输出波形进交流电源周期都通过触发延迟角对输出波形进 行控制行控制 ，而是将负载与交流电源接通几个周波再断开几个周波，通过，而是将负载与交流电源接通几个周波再断开几个周波，通过 改变接通通过改变改变接通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比值来调节负载所消耗 的平均功率。的平均功率。 通断控制的交流通断控制的交流 调功电路，通常调功电路，通常 控制晶闸管导通控制晶闸管导通 时刻都是在电源时刻都是在电源 电压过零的时刻。电压过零的时刻。 不宜用于电动不宜用

35、于电动 机调速和灯光机调速和灯光 控制，只适用控制，只适用 于电阻加热炉于电阻加热炉 等大惯性负载。等大惯性负载。 46 6.2.1 交流调功电路交流调功电路 谐波分析谐波分析 由于通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零点的时刻，由于通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零点的时刻，在交流在交流 电源接通期间，负载电压电流都是电源接通期间，负载电压电流都是正弦波正弦波，不对电网电压电流造成通常意，不对电网电压电流造成通常意 义的谐波污染。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

36、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。 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) 以控制周期为基准以控制周期为基准 M N UtduU M N o1 2 0 2 1 2 1 w M N R U R U P o o 2 1 2 47 6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关 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串入交流电路中，反并联串入交流电路中， 代替机械开关，起接通和断开电路的作

37、用。代替机械开关，起接通和断开电路的作用。 优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制 通断。通断。 48 TSC的基本原理实际上是就是的基本原理实际上是就是用交流电力电子开关来投如或者切除电容器用交流电力电子开关来投如或者切除电容器，两，两 个反并联的晶闸管起着把电容个反并联的晶闸管起着把电容C并入电网或从电网断开的作用，串联的电感很小，并入电网或从电网断开的作用，串联的电感很小， 只是用来抑制电容器投入电网时可能出现的冲击电流；在实际工程中，为避免只是用来抑制电容器投入电网时可能出现的冲击电流；在实际工程中，为避免 容量较大的电容器组同

38、时投入或切断会对电网造成较大的冲击，一般把电容器容量较大的电容器组同时投入或切断会对电网造成较大的冲击，一般把电容器 分成几组，根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量，分成几组，根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量，TSC实际上就成实际上就成 为断续可调的动态无功功率补偿器。为断续可调的动态无功功率补偿器。 在电力系统中，对无功功率的控制是非常重要的，通过对无功功率的控制，可以在电力系统中，对无功功率的控制是非常重要的，通过对无功功率的控制，可以 提高功率因数提高功率因数，稳定电网电压稳定电网电压，改善供电质量改善供电质量。交流电力电容器的投入与切断是交流电力电容器的投入与切断是 控

39、制无功功率的一种重要手段，控制无功功率的一种重要手段，晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器TSC是一种性能优良的无功补是一种性能优良的无功补 偿方式。偿方式。 49 6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关 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。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。控制频度通常比交流调功电路低得多。 50 固态开关 光电双向晶闸管耦合器件非零电压开关光电双向晶闸管耦合器件非零电压开关 以双向晶闸管为基

40、础构成的无触点通断组件以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件 51 光电晶闸管耦合的零电压开关光电晶闸管耦合的零电压开关 52 光电三极管耦合的零电压接通与零电流断开的理想无触点开关光电三极管耦合的零电压接通与零电流断开的理想无触点开关 详见林忠岳主编的详见林忠岳主编的现代电力电子应用技术现代电力电子应用技术 53 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 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路 54 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 交交变频电路是把电网频率的交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流电直接变换成可

41、调频率的交流电 的变流电路，因为没有中间直流环的变流电路，因为没有中间直流环 节，因此属于节，因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组反并联的晶闸管组反并联的晶闸管 相控整流电路构成。相控整流电路构成。 55 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 工作原理工作原理 P组工作时，负载电流组工作时，负载电流io为为正正， N组工作时，组工作时，io为为负负。 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 若固定一个控制角若固定一个控制角 重复工作下去，在负载上便获得近似重复工作下

42、去，在负载上便获得近似 矩形波交流电压。矩形波交流电压。 改变变流电路的改变变流电路的控制角控制角 ，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。 )90sin(34. 2cos34. 2 22 UUUd 30 56 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，可按正波形接近正弦波，可按正 弦规律对弦规律对 角进行调制。角进行调制。 在半个周期内让在半个周期内让P组组 角按正弦角按正弦 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

43、控制间隔每个控制间隔内的内的平平 均输出电压均输出电压就按正弦规律从零增至就按正弦规律从零增至 最高，再减到零；另外半个周期可最高，再减到零；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。 )90sin(34. 2cos34. 2 22 UUU d 57 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

44、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，二极管体现了交流电流的单方向性。，二极管体现了交流电流的单方向性。 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。 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

45、仍为正，正 组逆变，输出功率为负。组逆变，输出功率为负。 58 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，反组工作，反组工作， 正组被封锁。正组被封锁。 t3t4阶段：阶段：uo和和io均为负，反组整均为负，反组整 流，输出功率为正。流，输出功率为正。 t4t5阶段：阶段：uo反向，反向，io仍为负，反仍为负，反 组逆变，输出功率为负。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，决定， 与与uo极性无关。极性

46、无关。 变流电路工作在整流还是逆变状态，变流电路工作在整流还是逆变状态， 根据根据uo方向与方向与io方向是否相同方向是否相同来确定。来确定。 59 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 周期的波形可分为周期的波形可分为6段段： 第第1段段io0，为反组逆变；，为反组逆变； 第第2段电流过零，为切换死区；段电流过零，为切换死区； 第第3段段io0，uo0，为正组整流；，为正组整流； 第第4段段io0，uo0，为正组逆变；，为正组逆变； 第第5段又是切换死区；段又是切换死

47、区； 第第6段段io0，uo0，为反组整流。，为反组整流。 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 60 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 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

48、 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) 61 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

49、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us1us6的下降的下降 段和段和uo的交点的交点来决定。来决定。 62 w w w w u2 ud1 ud2 u2L ud uabuac uabuacubcubaucaucbuabuac ua

50、buacubcubaucaucbuabuac uaucub wt1 Ot Ot Ot Ot = 0 iVT 1 u VT1 63 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 = 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 的情况如图的情

51、况如图6-17，图中，图中 )sin(sin 2 )sin(cos o 1 o 1 t t w w 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。 64 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压段数输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数 减少，波形畸变严重，减少，波形畸变严重，电压波形畸变电压波形畸变及其导致的及其导致的电流波电流波 形畸变和转矩脉动形畸变和转矩脉动是限制输出

52、频率提高的主要因素。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。定一个明确的界限。 当采用当采用6脉波三相桥式电路时，一般认为输出上限频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，交交时，交交 变频电路的输出上限频率约为变频电路的输出上限频率约为20Hz。 65 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 由于采用相位控

53、制方式由于采用相位控制方式，输输 入电流相位总是滞后于输入电压，入电流相位总是滞后于输入电压， 需要需要电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。 66 6.3.1 单相交交变频电路

54、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，既和电网频率电网频率f fi i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f fo o有关。有关。 采用三相桥式电路时，输出电压主要谐波的频率为采用三相桥式电路时，输出电压主要谐波的频率为 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，将增加的影响，将增加5fo、7fo等次谐波。等次谐波。 67 6.3.1 单相交交

55、变频电路单相交交变频电路 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 oiin 216lffkf 和和 oiin 2kfff 式中，式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。 (6-19) (6-20) 和可控整流电路输入电流的谐波相比，交和可控整流电路输入电流的谐波相比，交-交变频电路输入电交变频电路输入电 流的频谱要复杂得多，但各次谐波的幅值要小流的频谱要

56、复杂得多，但各次谐波的幅值要小 68 69 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路 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，系统使用三相交交变频电路，机调速系统，系统使用三相交交变频电路， 三相交交变频电路是由三相交交变频电路是由三组输出电压相位三组输出电压相位 各差各差120的单相交交变频电路组成的的单相交交变频电路组成的。 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

57、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； 主要用于主要用于中等容量中等容量的交流调速系统。的交流调速系统。 70 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

58、三个绕组也是星形联结星形联结。 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，因此用三个变压器供电。，因此用三个变压器供电。 构成三相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。 71 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。与单相交交变频电路是一致的。 输入电流输入电流 总的输入电流

59、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) 72 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频

60、电路 输入功率因数输入功率因数 总输入功率因数为总输入功率因数为 S PPP S P cba 三相电路总的三相电路总的有功功率有功功率为各相有功功率之和。为各相有功功率之和。 视在功率视在功率不能简单相加，而应该由总输入电流有效值和输入电压不能简单相加，而应该由总输入电流有效值和输入电压 有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小，因此三相交交变频有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小，因此三相交交变频 电路总输入功率因数要高于单相交交变频电路。电路总输入功率因数要高于单相交交变频电路。 从另一个角度看，从另一个角度看， 三相的三相的输入位移因数输入位移因数与单相输出时相同，由于与单相输出