第6章交交变换2016

1、1第第6章章 交流交流-交流变流电路交流变流电路 2 6.1 交流交流-交流变流电路概述交流变流电路概述 6.2 交流调压电路交流调压电路 6.3 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路 6.4 交交变频电路交交变频电路 第第6章章 交流交流-交流变流电路交流变流电路36.1 交流交流-交流变流电路概述交流变流电路概述交流交流-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变成另一种形式另一种形式交流交流的电路。包括电压、电流、频的电路。包括电压、电流、频率、相数等。率、相数等。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（即无直接方式（即无中间直流环节）中间

2、直流环节）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。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：改变频率的电路。4交流电力控制电路的结构及类型交流电力控制电路的结构及类型两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管就可控制交流电力管就可控制交流电力交流调压电路交流调压电路每半个周波控制晶闸管开通相位，每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值调节输出电

3、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以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值值交流电力电子开关交流电力电子开关并不着意调节输出平均功率，并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路，而只是根据需要接通或断开电路，6.2 交流调压电路交流调压电路56.2 交流调压电路交流调压电路交流调压电路的应用：交流调压电路的应用：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

4、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，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用于调节变压器一次电压66.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 1电阻负载电阻负载n 工作原理：n在 u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压n正负半周a 起始时刻（a =0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a 相等n负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图6-1电阻负载单相交流调压电路及其波形7 aaa=2sin21dsi

5、n21121oUttUURUIoo=)22sin1 (21sin221121aaa=RUtdRtUITaa=2sin211oo1ooUUIUIUSPRO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图6-2电阻负载单相交流调压电路及其波形6.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路负载电压有效值负载电压有效值Uo 负载电流有效值负载电流有效值Io 晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值IT 功率因数功率因数 a a的移相范围为的移相范围为0a a ，随着，随着a a的增大，的增大，Uo逐渐降低，逐渐降低， 逐渐降低。逐渐降低。 8 6.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路n输出

6、电压与输出电压与a的关系的关系: 移相范围为0 a 。 a =0时，输出电压为最大， Uo=U1。随a的增大，Uo降低， a =时， Uo =0。n与与a的关系的关系： a =0时，功率因数=1， a增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低9 2阻感负载阻感负载u 阻感负载时a的移相范围n 负载阻抗角：j = arctan(L / R) n 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jn 在用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前n a =0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j a RL0.6图4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVT

7、tOtOttOuG1uG2OOtt图6-3 阻感负载单相交流调压电路及其波形6.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路106.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路在t = a时刻开通VT1，负载电流满足0sin2ddo1oo=atitURitiLaajajja=tetZUittg1o)sin()sin(2解方程得为晶闸管导通角22)( LRZ=jjajatg)sin()sin(=eVT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差1800201006014018020100图4-360 /( )180140a /( )j = 9075604530150图6-4 单相交流调压电路以j j

8、为参变量的和a关系曲线11负载电流有效值 IVT的标么值0To2II =1TTN2UZII=图6-5 单相交流调压电路j j为参变量时IVTN和a关系曲线图4 -4j = 900.10.20.30.40.516018004012080 75 6045j = 0a /( )IVTN1800.590450j=6.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路12n 数量关系负载电压有效值 晶闸管电流有效值 )22sin(2sin1)()sin2(1121oaaaa=UtdtUUjjacos)2cos(sin21=ZU=aajajaj)d()sin()sin(2212tg1VTtetZUIt6.2.1 单

9、相交流调压电路单相交流调压电路13na j 时的工作情况 VT1提前通，L被过充电，放电时间延长， VT1的导通角超过n触发VT2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不通nio过零后， VT2开通， VT2导通角小于n方程式(4-5)和(4-6)所得io表达式仍适用，只是at n过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在t =a (a j)时合闸的过渡过程相同n io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量6.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路14n衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通时间渐长n稳态的工作情况和a =j时完全相同tttt图4-5aaaOOOOu1iG1i

10、G2iojiT1iT2图6-6 aj时阻感负载交流调压电路工作波形6.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路156.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路=87.366435. 0)86arctan()arctan(RXLjaja6435. 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，负载为电阻电感，其中电感，其中R=8W，XL=6 W。试求。试求a a= /6、 /3时的输出电压、电流有效时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数。值及输入功率和功率因数。 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：

11、 =1022LXRZ因此开通角因此开通角a a的变化范围为：的变化范围为： 即即当当a a= /6时，由于时，由于a aj j,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 )(22220AZIIoin=166.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路)(38722WRIPinin=3a=ejtan)6435. 03sin()6435. 03sin(=功率因数为功率因数为8 . 0222203872o1=IUPin实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。实际上，

12、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：=2 .156727. 2178 . 0)727. 26435. 032cos(727. 2sin727. 2102220=)(55.13A=)(16.192AIIIVToin=jjacos)2cos(sin21VT=ZUI)(29372WRIPinin=697. 016.192202937o1=IUPin6.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路183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n电阻负载的情况n

13、波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波n式中 =, 5 , 3 , 1o)sincos()(nnntnbtnatu) 12(cos2211=aUa)(22sin2211aa=Ub6.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路19 (n=3,5,7,) (n=3,5,7,)n基波和各次谐波有效值 (n=1,3,5,7,) (4-13)n负载电流基波和各次谐波有效值 (4-14)n电流基波和各次谐波标么值随 a变化的曲线（基准电流为a =0时的有效值）如图4-6所示=1) 1cos(111) 1cos(1121aannnnUan=aa) 1sin(11) 1sin(1121nnnnUbn22o

14、n21nnbaU=RUI/onon=060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角a/( )In/I*/%20406080100图6-7 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量6.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路206.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路阻感负载的情况阻感负载的情况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a 角相同时，随着阻抗角j 的增大，谐波含量有所减少216.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路n4斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路一般采用全控型器件作为开

15、关器件工作原理工作原理基本原理和直流斩波电路有类似之处u1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a = ton/T，改变a 可调节输出电压226.2.1 单相交流调压电路单相交流调压电路n特性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图6-8 斩控式交流调压电路u1i1O图4-8uoOOttt图6-9 电阻负载斩控式交流调压电路波形23n1. 了解三相交流调压电路结构n2. 了解输出电压的组成：根据不同触

16、发延迟角形成的不同相电压和1/2的线电压组成的分段电压6.2.2 三相交流调压电路三相交流调压电路246.3 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路n以交流电源周波数为控制单位交流调功电路n对电路通断进行控制交流电力电子开关25n与交流调压电路的异同n电路形式完全相同n控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率n应用n 常用于电炉的温度控制n 因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以称为交流调功电路6.3 交流调功电路交流调功电路26控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都

17、是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染电阻负载时的工作情况电阻负载时的工作情况n控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后MN个周期关断6.3 交流调功电路交流调功电路27n当M=3、N=2时的电路波形如图6-10n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M电源周期控制周期=M倍电源周期=24M图4-13O导通段=2NM3M2Muou1uo,iotU12图6-10 交流调功电路典型波形(M =3、N =2)6.3 交流调功电路交流调功电路286.3 交流调功电路交流调功电路n谐波情况n图6-11的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值， Io为导通

18、时电路电流幅值n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n而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大012 14谐波次数相对于电源频率的次数图4-142461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m图6-11 交流调功电路的电流频谱图(M =3、N =2)296.3 交流电力电子开关交流电力电子开关n晶闸管反并联后串入交流电路n作用：代替机械开关，起接通和断开电路的作用n优点：响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断n与交流调功电路的区别n并不控制电路的平均输出功率n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n控制频度通

19、常比交流调功电路低得多30n 晶闸管投切电容器（Thyristor Switched CapacitorTSC）n 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n 性能优于机械开关投切的电容器n 结构和原理n 图6-12基本原理图（单相）n 实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)图6-12 TSC基本原理图a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图6.3.2 交流电力电子开关交流电力电子开关31n两个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的作用n串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流n实际工程中，为避免电容器组投切造成

20、较大冲击，一般把电容器分成几组，可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量nTSC实际上为断续可调的动态无功功率补偿器IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)图6-13 TSC基本原理图基本单元单相简图 分组投切单相简图6.3.2 交流电力电子开关交流电力电子开关326.3.2 交流电力电子开关交流电力电子开关n 晶闸管投切n 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n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图4-16usiCuCCVT

21、1VT2ttttusiCuCVT1VT2t1t2uVT1uVT1图6-14 TSC理想投切时刻原理说明336.3.2 交流电力电子开关交流电力电子开关nTSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式n由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值n成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波图4-17ttttusiCuVTuCCVTVDusiCuVTuCVTVDt1t2t3t4图6-15 晶闸管和二极管反并联方式的TSC346.4 交交变频电路交交变频电路n本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)n交交变频电路把电网频率的交流电变成

22、可调频率的交流电，属于直接变频电路直接变频电路n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351电路构成和基本工作原理n电路构成n如图4-18，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n变流器P和N都是相控整流电路ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoaP=0aP=2aP=2t图6-16 单相交交变频电路原理图和输出电压波形6.4 交交变频电路交交变频电路36工作原理工作原理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

23、出频率o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6.4 交交变频电路交交变频电路37为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制n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nuo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6.4 交交变频电路交交变频电路382整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态阻感负载为例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设

24、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6.4 交交变频电路交交变频电路39a)整流逆变阻断图4-19b)PNttttt整流逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图6-17 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态 工作状态工作状态 t1t3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6.4 交交变频电路交交变频电路40 t3 t5期

25、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 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方向是否相同确定工作状态工作状态图6-18 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP6.4 交交变频电路交交变频电路411OO23456图4-20uoiott图6-19 单相交交变频电路输出电压和电流波形

26、考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段第1段io 0，反组逆变第2段电流过零，为无环流死区第3段io 0， uo 0，正组整流6.4 交交变频电路交交变频电路42第4段io 0， uo 0，正组逆变第5段又是无环流死区第6段io 0， uo 0，为反组整流uo和io的相位差小于90时，一周期内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当二者相位差大于90时，一周期内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6.4 交交变频电路交交变频电路433输出正弦波电压的调制方法n 介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法n 设Ud0为a = 0时整流电路的理想空

27、载电压，则有 n每次控制时a角不同， uo表示每次控制间隔内uo的平均值n 期望的正弦波输出电压为 n 比较式(4-15)和(4-16)，应使 g 称为输出电压比：acosd0oUu=tUuoomosin=ttUUood0omsinsincosga=) 10(d0om=rUUg6.4 交交变频电路交交变频电路44n余弦交点法基本公式 (4-18)n余弦交点法图解n线电压uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表示n相邻两个线电压的交点对应于a=0)sin(coso1tga=图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4

28、tt图6-20 余弦交点法原理6.4 交交变频电路交交变频电路45u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示us1us6比相应的u1u6超前30，us1us6的最大值和相应线电压a=0的时刻对应以a=0为零时刻，则us1us6为余弦信号希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6的下降段和uo的交点来决定图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4tt图6-21 余弦交点法原理6.4 交交变频电路交交变频电路46n不同 g 时，在uo一周期内，a 随 ot 变化的情况。图中，ng 较小，即输出电压较低时，a只在离90很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低g = 0g = 0.1相位控制角a/( )输出相位 0 t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223图6-22 不同g时a和ot的关系)sin(sin2/)sin(coso1o1ttgga=6.4 交交变频电路交交变频电路474输入输出特性1) 输出上限频率 n 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n 电压波形畸变及其导致的电流波形畸变