第6章_AC-AC变换技术

1、第第6章章 AC-AC变流电路变流电路 6.1 AC-AC变换技术概述变换技术概述6.2 单相交流调压电路单相交流调压电路6.3 三相交流调压电路三相交流调压电路6.4 晶闸管交流开关和交流调功电路晶闸管交流开关和交流调功电路6.5 相控式交相控式交-交变频电路交变频电路本章小结本章小结6.1 AC-AC变换技术概述变换技术概述交流交流-交流变流电路交流变流电路（AC/AC Converter） ：把一种形式：把一种形式 的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

2、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。6.4 变频电路：改变频率的电路。变频电路：改变频率的电路。6.56.5间接方式间接方式 在交流变流电路中增加了在交流变流电路中增加了直流环节直流环节。 在在9章的变频器和章的变频器和UPS中介绍。中介绍。6.1 AC-AC变换技术概述变换技术概述 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

3、路中，通过对晶闸管的控制就可 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，调节输：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出电压有效值的电路移相控制移相控制。 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，改变通态周：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电路期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路通断控制通断控制。 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

4、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。6.2 单相交流调压电路单相交流调压电路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt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

5、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。 基本的数量关系基本的数量关系 负载电压有效值负载电压有效值Uo ww2sin21dsin21121oUttUU负载电流有效值负载电流有效值Io RUIoo功率因数功率因数2sin21cos1oo1oo1UUIUIUSPSPo(6-1)(6-2)(6-6) 的移相范围为的移相范围为0 ，随着，随着 的增大，的增大，Uo逐渐逐渐降低，功率因数逐渐降低。降低，功率因数逐渐降低。 工作过程（定性）工作过程（定性） 若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，若晶闸管短接，

6、稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于相位滞后于u1的角度为的角度为 ，当用晶闸管控制时，只，当用晶闸管控制时，只能进行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，稳态时态时 的移相范围应为的移相范围应为 。)/arctan(RLw工作过程（定量）工作过程（定量）6.2 单相交流调压电路单相交流调压电路VT1图图6-3 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阻感负载阻感负载(6-14)(6-15)sin()sin(2tan1wwtoetZUi22)( LRZw式中：6.2 单相交流调压电路单相交流调压电路VT

7、1图图6-3 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阻感负载阻感负载6.2 单相交流调压电路单相交流调压电路阻感负载阻感负载利用边界条件利用边界条件w wt= + 时时io=0，可求得，可求得导通角导通角 ，即，即anet)sin()sin(6-16) 以以 为参变量，利用式为参变量，利用式(6-16)可以把可以把 和和 的关系用图的关系用图6-4的的一簇曲线来表示。一簇曲线来表示。图图6-4 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 时，时，180。 此时正负半周电流断续，此时正负半周电流断续， 且且越大，越大，越小，输越小

8、，输 出电压出电压和电流越小。和电流越小。 = 时，时，=180 。 此时正负半周电流恰处此时正负半周电流恰处 于临界连续状态，输出于临界连续状态，输出 电流为正弦波，电流为正弦波， 晶闸管失去控制晶闸管失去控制作用。作用。 6.2 单相交流调压电路单相交流调压电路阻感负载阻感负载图图6-4 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 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才可开通，才可开通，VT2导导通角通

9、角小于小于 。 io有有指数衰减分量指数衰减分量，在指数，在指数分量衰减过程中，分量衰减过程中，VT1导通时导通时间渐短，间渐短，VT2的导通时间渐长。的导通时间渐长。 且用宽脉冲或脉且用宽脉冲或脉冲列触发时，冲列触发时， 稳定后稳定后=180 ， 同样失去调压作用。同样失去调压作用。 的移相范围为的移相范围为 180。 wtwtwtwt图4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT2补充图补充图 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6.2 单相交流调压电路单相交流调压电路阻感负载阻感负载6.2 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

10、值负载电压有效值Uo )22sin(2sin21)()sin2(1121owwUtdtUU晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值IVT wwwcos)2cos(sin2)d()sin()sin(22112t1TZUtetZUIant(6-17)(6-19)6.2 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 To2II 晶闸管电流晶闸管电流IVT的标么值的标么值 1T*2UZIIT式中式中22)( LRZw图图6-5 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IT* 和和 关系曲线关系曲线(6-18)(6-20) 6.2 单相交流调压电路单相交流调压电路87.3664

11、35. 0)86arctan()arctan(RXL6435.0 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，负载为电阻电感，其中感，其中R=8 ，XL=6 。试求。试求 = /6时的输出电压、电流有效值及输入时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数。功率和功率因数。 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： 1022LXRZ 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，

12、此时输出功率最大，为完整的正弦波，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为 )(22220maxAZIo)(38722maxmaxWRIPoo功率因数为功率因数为8 . 0222203872cosomax1maxIUPo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。6.3 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6-6 三相交流调压电路的基本形式三相交流调压电路的基本形式a)带中性线星形联结带中性线星形联结 b)无中性线星形联结无中性线星形联结

13、c)支路控制三角形联结支路控制三角形联结 d)中点控制三角形联结中点控制三角形联结 6.3三相交流调压电路三相交流调压电路三相交流调压电路应用举例三相交流调压电路应用举例 图图6-14 晶闸管电镀电源主电路晶闸管电镀电源主电路6.3 三相交流调压电路三相交流调压电路图图6-15 导布辊调压调速系统原理框图导布辊调压调速系统原理框图6.3 三相交流调压电路三相交流调压电路图图6-13 晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器(TCR)电路电路电抗器中所含电电抗器中所含电阻很小，可以近阻很小，可以近似看成纯电感负似看成纯电感负载，因此载，因此 的移的移相范围为相范围为90180。 TCRThyristor

14、 Controlled Reactor6.4 晶闸管交流开关和交流调功电路晶闸管交流开关和交流调功电路6.4.1 晶闸管交流开关晶闸管交流开关6.4.2 交流调功电路交流调功电路 图图示示是是TSC的基本原理图，可以看出的基本原理图，可以看出TSC的基本原理实际上就是的基本原理实际上就是用用晶闸管交流开关来投入或者切除电容器晶闸管交流开关来投入或者切除电容器，两个反并联的晶闸管起，两个反并联的晶闸管起着把电容着把电容C并入电网或从电网断开的作用，串联的电感很小，只是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；在实际工程中用来抑制电容器投入电网时可

15、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时投入或切断会对电网造成较大，为避免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，投入电容器的容量，TSC实际上就成为断续可调的动态无功功率实际上就成为断续可调的动态无功功率补偿器。补偿器。 TSCThyristor Switched Capacitor 补充图补充图 TSC基本原理图基本原理图a) 基本单元单相简图基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图分组投切单相简图6.4.1 晶闸管交流开关晶闸管交流

16、开关6.4.2 交流调功电路交流调功电路2NM电源周期控制周期=M 倍电源周期 =24MO导通段 =M3M2Muou1uo,iowtU12补充图补充图 交流调功电路典型波形交流调功电路典型波形(M=3、N=2) 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比值来调节负载所消耗 的平均功的平均功 率。率。 通断控制通断控制 6.4.2 交流调功电路交流调功电路过零触发过零触发 图图6-21 6-21 全周波连续式过零触发输出电压波形图全

17、周波连续式过零触发输出电压波形图图图6-22 6-22 全周波断续式过零触发输出电压波形全周波断续式过零触发输出电压波形ncnTPPTncnTUUT(6-21)(6-22)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 流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于直接变频直接变频 电路电路。交。交-交变频电路也叫交变频电路也叫周波变流器周波变流器（Cycloconverter）。实）。实 现现AC/AC 变换，主要应用于大功率交流电动机调速系统。变换，主要应用于大功率交流电动机调速系统

18、。 补充图补充图 交交-交变频电路框图交变频电路框图分类分类按输出的相数，分为单相、两相和三相交交变频器按输出的相数，分为单相、两相和三相交交变频器。按输出波形可分为正弦波和方波变频器。按输出波形可分为正弦波和方波变频器。 6.5 相相控式交控式交-交变频交变频电路电路6.5 相相控式交控式交-交变频交变频电路电路6.5.1 单相交单相交-交变频电路交变频电路6.5.2 三相交三相交-交变频电路交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

19、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。 补充图补充图 原理波形原理波形6.5.1 单相交单相交-交变频电路交变频电路图图6-23 单相交单相交-交变频电路原理图

20、交变频电路原理图为使为使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 角按正角按正弦规律从弦规律从90减到减到0或某个值或某个值，再增加到再增加到90，每个控制间隔内的，每个控制间隔内的平均输出电压平均输出电压就按正弦规律从零增就按正弦规律从零增至最高，再减到零；另外半个周期至最高，再减到零；另外半个周期可对可对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，其波形就越接近正电压段数越多，其波形就

21、越接近正弦波。弦波。6.5.1 单相交单相交-交变频电路交变频电路图图6-24 单相交单相交-交变频电路的输出波形交变频电路的输出波形单相正弦波交单相正弦波交交变频电路交变频电路 补充图补充图 单相交单相交-交变频器主电路交变频器主电路6.5.1 单相交单相交-交变频电路交变频电路补充图补充图 电感性负载时的输出波形电感性负载时的输出波形 （a） 补充图补充图 电感性负载时的输出波形电感性负载时的输出波形 图图7-57(a)是电感性负载有最大输出电压时的波形，其周期为电网周是电感性负载有最大输出电压时的波形，其周期为电网周 期的五倍，电流滞后电压，正反组均出现逆变状态。期的五倍，电流滞后电压，

22、正反组均出现逆变状态。当改变控制角时，即可改变输出幅值，降低输出时的电压波形如图当改变控制角时，即可改变输出幅值，降低输出时的电压波形如图 7-57(b)所示。所示。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变频电路，三相交交变频电路是由用的是三相交交变频电路，三相交交变频电路是由三组输出电压相三组输出电压相位各差位各差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、输出电压相位相互错开由三组彼此独立的、输出电压相位相

23、互错开120的单相交交的单相交交变频电路构成。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的交流母线公共的交流母线上。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，；为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出交流电动机的三个绕组必须拆开，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速系统。的交流调速系统。 6.5.2 三相交三相交-交变频电路交变频电路图图6-31 公共交流母线进线方式的三相交交变频电路图公共交流母线进线方式的三相交交变频电路图 6.5.2 三相交三相交-交变频电路交变频电路输

24、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，电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。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。 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，因此分别用三个变压器供电。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不同输出相的两组桥中的四个晶闸管的两组桥中的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

25、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。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。6.5.2 三相交三相交-交变频电路交变频电路 图图6-32 输出星形连接方式三相交输出星形连接方式三相交-交变频电路原理图交变频电路原理图6.5.2 三相交三相交-交变频电路交变频电路输出波形输出波形 补充图补充图 三相桥式交三相桥式交-交变频电路电感性负载交变频电路电感性负载u相输出波形相输出波形6.5.2 三相交三相交-交变频电路交变频电路变变-变频电路的特点变频电路的特点 和交和交-直直-交变频器相比，交交变