交流电力电路及变频电路培训教材

电力电子技术交流电力电路及交—交变频电路

交流——交流（AC——AC）变换电路，它是将一种形式的交流电能变换成另外一种形式的交流电能的电路，可以改变交流电的电压、电流、频率或相数等。其中，只改变电压、电流而不改变交流频率的电路称为交流电力控制电路，包括交流调压电路、交流调功电路、交流电力电子开关等。在改变电压、电流的同时，还需要改变其频率的交流——交流变称电路称为交——交变频电路，即直接把一种频率的交流电变换成另一种频率或可变频率的交流电，因此也称为直接变频电路。另外，还有一种交——直——交变频电路，先将交流电整流成为直流电，再将直流电经无源逆变电路变换成频率可调的交流电，这种带有中间直流环节的变频电路也称为间接变频电路。

12.1交流电力控制电路基本类型及其应用

交流电力控制电路是指通过晶闸管等电力电子器件对输入、输出之间的交流电能进行变换与控制的电路形式，其常用的控制方式有4种：相位控制、周期控制、通断控制和斩波控制。根据不同的控制方法可以将交流电力控制电路分为以下几种基本类型。1、交流调压电路

采用相位控制方式，通常是将两个晶闸管反并联后串接在每相交流电源与负载之间，在电源的每个半周期内触发一次晶闸管，使之导通。通过控制晶闸管开通时所对应的相位来调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。

2、交流调功电路

采用周期控制方式，是一种有规律的通断控制方式，其电路形式与交流调压电路基本相同，但在控制方式上，是使晶闸管连续导通若干个电源电压周期，再断开若干个周期，每次晶闸管的触发时刻均在电源电压的过零点，即通过改变晶闸管的通态周期数和断开周期数之比，来调节交流输出功率的平均值，从而达到交流调功的目的。

3、交流电力电子开关

采用无规律的通断控制方式，其目的不在于调节负载上的平均输出功率，而只是根据负载或电源的需要接通或断开电路，其作用相当于无触点的交流接触器。由于电源和负载的变化通常是随机发生的，因此交流电力电子开关的这种通断控制方式也是非周期性的。

4、交流斩波调压电路

随着可关断器件的发展及应用，串联在电源和负载之间的开关器件可在一个电源周期内接通断开若干次，从而把正弦波电压斩成若干个脉冲电压，通过改变开关器件的导通比来实现交流调压的目的，同时还可以提高输入侧的功率因素。12.2单相交流调压12.2.1单相交流调压电路

单相交流调压电路的几种基本形式如图所示。反并联混合反并联桥式混合桥式单相交流调压器主电路单相交流调压电路带电阻负载时的电路图及其工作波形如图所示。通过调节α角就可以控制输出电压的大小。正、负半周α的起始时刻（α=0）均为电压过零点。在稳态情况下，为使输出波形对称，应使正负半周α角相等。电阻性负载公式晶闸管电流平均值晶闸管电流有效值负载电阻电压的有效值电阻性负载负载电阻电流的有效值功率因数控制角的移相范围为

0≤a≤π当α=0°时，功率因素COSφ=1，α增大，输入电流滞后电压且畸变，COSφ降低。电感性负载带感性负载的单相调压电路

输出电压、电流波形与控制角α、负载阻抗角φ都有关系。单相交流调压带电感性负载电路波形α<φα=φα>φ单相交流调压带电感性负载电路波形

（1）α>φ

，θ<180°，正负半周电流波形断续，α越大，θ越小。即α的移相范围在（180°-φ）范围内，可以得到连续可调的交流电压。其电流、电压波形如图。单相相交交流流调调压压带带电电感感性性负负载载电电路路波波形形（2））α=φ，θ=180°，，正正负负半半周周电电流流临临界界连连续续，，相相当当于于晶晶闸闸管管失失去去控控制制。。其其电电流流、、电电压压波波形形如如图图。。单相相交交流流调调压压带带电电感感性性负负载载电电路路波波形形（3））α<φ，在在这这种种情情况况下下若若VT1管管先先被被导导通通，，而而且且θ>180°，，如如果果采采用用窄窄脉脉冲冲触触发发，，当当ug2出出现现时时，，VT1管管的的电电流流还还未未到到零零，，VT1管管不不能能关关断断，，VT2管管不不能能导导通通，，等等到到VT1管管中中流流过过的的电电流流为为零零并并关关断断时时，，ug2脉冲冲已已经经消消失失，，此此时时VT2管管虽虽受受正正压压，，但但也也无无法法导导通通。。到到第第三三个个半半波波时时，，ug1又触发VT1导通，，这样负载载电流只有有正半波部部分，出现现很大直流流分量，电电路不能正正常工作。。其电流、、电压波形形如图。因因而带电感感性负载时时，晶闸管管不能用窄窄脉冲触发发，可用宽宽脉冲或脉脉冲列触发发。这样即即使α<φ，则在刚开开始触发晶晶闸管的几几个周波内内，两管的的电流波形形还是不对对称的，但但经几个周周波后，负负载电流即即成为对称称连续的正正弦波。电感性负载载单相交流调调压电路以以a为参变变量的θ和和a关系曲曲线单相交流调调压特点：：1）电阻性性负载时，，负载电流流波形与单单相桥式可可控整流交交流侧电流流一致。改改变控制角角α可以连续续改变负载载电压有效效值，达到到交流调压压的目的。。

2）电电感性负载载时，不能能用窄脉冲冲触发。否否则当α<φ时，会出现现一个晶闸闸管无法导导通，生成成很大直流流分量电流流，烧毁熔熔断器或晶晶闸管。3）电感性负载载时，最小小控制角αmin=φ（阻抗角））。所以α的移相范范围为φ～180°，电阻性性负载时移移相范围为为0°～180°。可以把θ与α、φ之间的关关系用左图图所示的一一簇曲线来来表示。图图中以φ为为参变量，，当φ=0°时，代代表电阻性性负载，此此时θ=180°-α；若φ为某一特特定角度，，则当α≤φ时，θθ=180°，当α>φ时，θθ随着αα的增加而而减小。12.2.2三相相交流调压压电路当相位控制制的交流调调压电路所所带负载为为异步电动动机或其他他三相负载载时，需要要采用三相相交流调压压电路。带零线的星星形连接反反并联三三相相交流调压压电路带零线的星星形连接反反并联调压压电路其三相负载载连接为星星形，各相相通过零线线自成回路路，相当于于三个相位位互差120°的单单相反并联联交流调压压电路的组组合，因此此其控制角角α的移相范围围为0°～180°，各相相输出电压压、电流及及电路中晶晶闸承受的的电压、电电流与单相相交流电压压调压电路路一致。缺缺点是三次次谐波在零零线中的电电流较大。。星形连接带带中线的三三相交流调调压电路如上图所示示为负载按按连接的三三相交流调调压电路(星形带中中性线的三三相交流调调压路)，，该电路各各相通过零零线自成回回路，它相相当于三只只单相晶闸闸管交流调调压器的组组合。星形连接带带中线的三三相交流调调压电路电路中晶闸闸管承受的的电压、电电流就是接接于相电压压的单相调调压器需要要考虑的数数值，该电电路的缺陷陷是在零线线中三次谐谐波电流很很大。由于于三次谐波波属于零序序分量，它它在零线中中的电流值值为各相三三次谐波电电流值的代代数和。用三对反并并联晶闸管管连接成成三三相三线交交流调压电电路三相三线交交流调压电电路用三对反并并联晶闸管管连接成成三三相三线交交流调压电电路上图为用三三对反并联联晶闸管接接成的三相相三线交流流调压电路路。负载可以接接成星形，，也可接成成三角形。。由于没有有零线，每每相电流必必须和另一一相构成回回路，与三三相全控桥桥整流一样样，应采用用宽脉冲或或双窄脉冲冲触发。用三对反并并联晶闸管管连接成成三三相三线交交流调压电电路首先要确定定电路中门门极起始控控制点，把把图中的晶晶闸管换成成二极管可可看出，在在电阻负载载时，从相相电压过零零时刻开始始，相应的的二极管就就导通。因因此，α的点应定在在各相电压压过零点。。晶闸管VT1、VT3、VT5的触发发相位依次次相差120°，VT4、VT6、VT2的触触发相位依依次也相差差120°°，同相的的两个晶闸闸管的触发发相位相差差180°°。这样，，自VT1至VT6的触发相相位依次相相差60°°。晶闸管与负负载连接成成内三角角形形的三相交交流调压电电路连接成内三三角形的交交流调压电电路晶闸管与负负载连接成成内三角角形形的三相交交流调压电电路如上图所示示，可以看看成是三个个由线电压压供电的单单相交流调调压电路的的组合。晶晶闸管点应应定在线电电压的零点点上，VT1～VT6的触发发脉冲依次次相差60度。晶闸管与负负载连接成成内三角角形形的三相交交流调压电电路无论是电阻阻性负载还还是电感性性负载，每每一相都可可当作单相相交流调压压电路来分分析，单相相交流调压压电路的方方法和结果果都可沿用用，注意把把单相相电电压改成线线电压即可可。常见三相交交流调压器器12.3交交流电力力控制电路路12.3.1交交流调功电电路1.过零零触发的概概念前述可控整整流和有源源逆变电路路都采用移移相触发控控制，这种种触发方式式使得电路路输出为缺缺角的正弦弦波，包含含大量的高高次谐波。。为了弥补补这种不足足，可采用用过零触发发或称零触触发。过零触发是是指在正弦弦交流电压压过零时，，触发晶闸闸管，使晶晶闸管或者者处于全导导通或者处处于全阻断断，使负载载得到完整整的正弦波波。由过零触发开开关电路组成成的单单相交流调功功器2.交流调调功器(周波波控制器)的的工作原理交流过零触发发开关电路就就是利用零触触发方式来控控制晶闸管的的导通与关断断。交流零触触发开关使电电路在电压为为零或零附近近瞬间接通，，利用管子电电流小于维持持电流使管子子自行关断，，这种开关对对外界的电磁磁干扰最小。。由过零触发开开关电路组成成的单单相交流调功功器由过零触发开开关电路组成成的单相交流流调功器，是是采用周期控控制的方式。。即将交流电电源与负载接接通几个整周周期，再断开开几个整周期期，通过改变变接通周期数数与断开周期期数的比值来来调节负载上上的平均功率率。即通过控控制导通比D=n/m可可以调节平均均功率。由过零触发开开关电路组成成的单单相交流调功功器3.零触发发的两种工作作模式（1）固定定周期控制总总控制周期期数m不变，，通过调节导导通周期数n来调节导通通比，进而调调节平均输出出功率。1）全周波连连续控制由过零触发开开关电路组成成的单单相交流调功功器（1）固定周期控制制2）全周波断续式式由过零触发开开关电路组成成的单单相交流调功功器（2）可变周周期控制：即即导通周期期数n不变，，而改变控制制周期数m，，从而控制导导通比及输出出功率。12.3.2交流电力力电子开关采用晶闸管反反并联的交流流开关电路上图为普通晶晶闸管反并联联构成的交流开关。当当S闭合时，，两只晶闸管管均以管子本身身的阳极电压压作为触发电电压进行触发发，具有强触触发性质，即即使对触发电电流很大的管管子也能可靠靠触发。随着着交流电源的的交变，两个个晶闸管轮流流导通，负载载上得到的基基本上是正弦弦电压。采用双向晶闸闸管的交流开开关电路上图为采用双双向晶闸管的的交流开关，，双向晶闸管管为I+、ⅢⅢ触发方式，，其线路简单单，但工作频频率低(小于于400Hz)。单只普通晶闸闸管交流开关关电路上图为只用一一只普通晶闸闸管构成的交交流开关电路路，该电路包包含一个由二二极管组成的的整流桥。晶晶闸管只受正正压，不受反反压。其缺点点是由于串联联元件多，其其压降损耗较较大。晶闸管投切电电容（ThyristorSwitched———Capacitor———TSC））图TSC基本原理图图a)基本单单元单相简图图b)分组投投切单相简图图交流电力电子子开关作用对无功功率控控制，可提高高功率因数，，稳定电网电电压，改善供供电质量。性能优于机械械开关投切的的电容器。结构和原理晶闸管反并联联后串入交流流电路。实际常用三相相，可三角形形联结，也可可星形联结。。晶闸管的投切切选择晶闸管投投入时刻的原原则：该时刻刻交流电源电电压和电容器器预充电电压压相等，这样样电容器电压压不会产生跃跃变，就不会会产生冲击电电流。理想情况下，，希望电容器器预充电电压压为电源电压压峰值，这时时电源电压的的变化率为零零，电容投入入过程不但没没有冲击电流流，电流也没没有阶跃变化化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图4-16TSC理理想投切时刻刻原理说明交流电力电子子开关TSC电路也也可采用晶闸闸管和二极管管反并联的方方式交流电力电子子开关由于二极管的的作用，在电电路不导通时时uC总会维持在电电源电压峰值值。成本稍低，但但响应速度稍稍慢，投切电电容器的最大大时间滞后为为一个周波。。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图4-16TSC理理想投切时刻刻原理说明图斩控式交流调压电路12.3.3交交流斩波调压电路交流斩波调压电路路通常采用全全控器件作为为开关器件，，电路如图所所示。在交流流电源u1的的正半周，用用V1进行斩斩波控制，V3和VD3为感性负载载电流提供续续流通路，在在u1的负半半周，用V2进行斩波控控制，V4和和VD4为负负载电流提供供续流通路。。因此，输入、、输出均为交交流电压，V1～V4均需要有有双向阻断功功能，因此在在各管支路中中需串联快恢恢复二极管VD1～VD4，以承承受关断时的的反向电压。。斩控式交流调调压电路在交流电源u1的正半周图4-7斩控式交流调压电路12.3.3交流斩波调压电路用V1进行斩波控制制用V3给负载载电流提供续续流通道用V2进行斩波控制制用V4给负载电流提提供续流通道道图4-7斩斩控式交流流调压电路斩控式交流调调压电路在交流电源u1的负半周特性电阻负载斩控控式交流调压压电路波形电源电流的基基波分量和电电源电压同相相位，即位移移因数为1。。电源电流不含含低次谐波，，只含和开关关周期T有关关的高次谐波波。功率因数接近近1。12.4交交变频器晶闸管交交变变频电路，也也称周波变流流器(Cycloconvertor)把电网频率的的交流电变成成可调频率的的交流电的变变流电路，属于直接变频频电路。有单相和三相相；有环流方方式与无环流流方式广泛用于大功功率交流电动动机调速传动动系统，实际际使用的主要要是三相输出出交交变频电电路。12.4.1交——交变频电路路基本类型及及应用1)电路构成和基基本工作原理理图4-18单单相交交交变频电路原原理图和输出出电压波形12.4.1单相交交变频频器电路构成如图4-18，由P组和和N组反并联联的晶闸管变变流电路构成成，和直流电电动机可逆调调速用的四象象限变流电路路完全相同。。变流器P和N都都是相控控整流电电路。工作原理理P组工作作时，负负载电流流io为正。N组工作作时，io为负。两组变流流器按一一定的频频率交替替工作，，负载就就得到该该频率的的交流电电。改变两组组变流器器的切换换频率，，就可改改变输出出频率wo。改变变流流电路的的控制角角a，就可以以改变交交流输出出电压的的幅值。。图4-18单单相交交交变频频电路原原理图和和输出电电压波形形为使uo波形接近近正弦波波，可按按正弦规规律对a角进行调调制。在半个周周期内让让P组a角按正弦弦规律从从90°°减到0°或某某个值，，再增加加到90°，每每个控制制间隔内内的平均均输出电电压就按按正弦规规律从零零增至最最高，再再减到零零。另外外半个周周期可对对N组进进行同样样的控制制。uo由若干段段电源电电压拼接接而成，，在uo的一个周周期内，，包含的的电源电电压段数数越多，，其波形形就越接接近正弦弦波。2)整流与逆逆变工作作状态图4-19理理想化化交交变变频电路路的整流流和逆变变工作状状态阻感负载载为例，，也适用用于交流流电动机机负载。。把交交变变频电路路理想化化，忽略略变流电电路换相相时uo的脉动分分量，就就可把电电路等效效成图4-19a所示示的正弦弦波交流流电源和和二极管管的串联联。设负载阻阻抗角为为j，则输出出电流滞滞后输出出电压j角。两组变流流电路采采取无环环流工作作方式，，即一组组变流电电路工作作时，封封锁另一一组变流流电路的的触发脉脉冲。图4-19理理想化化交交变变频电路路的整流流和逆变变工作状状态工作状态态图4-19理理想化化交交变变频电路路的整流流和逆变变工作状状态图4-19理理想化化交交变变频电路路的整流流和逆变变工作状状态t1~t3期间：io正半周，，正组工工作，反反组被封封锁。t1~t2：uo和io均为正，，正组整整流，输输出功率率为正。。t2~t3：uo反向，io仍为正，，正组逆逆变，输输出功率率为负。。t3~t5期间：io负半周，，反组工工作，正正组被封封锁。t3~t4：uo和io均为负，，反组整整流，输输出功率率为正。。t4~t5：uo反向，io仍为负，，反组逆逆变，输输出功率率为负。。图4-19理理想化化交交变变频电路路的整流流和逆变变工作状状态小结：哪一组工工作由io方向决定定，与uo极性无关关。工作在整整流还是是逆变，，则根据据uo方向与io方向是否否相同确确定。当uo和io的相位差差小于90°时时，一周周期内电电网向负负载提供供能量的的平均值值为正，，电动机机工作在在电动状状态。当二者相相位差大大于90°时，，一周期期内电网网向负载载提供能能量的平平均值为为负，电电网吸收收能量，，电动机机为发电电状态。。考虑无环环流工作作方式下下io过零的死死区时间间，一周周期可分分为6段段。图4-20单相相交交变频频电路输出出电压和电电流波形第1段io<0，uo>0，反组逆变变第2段电流过零，，为无环流流死区第3段io>0，uo>0，正组整流流第4段io>0，uo<0，正组逆逆变第5段又是无环流流死区第6段io<0，uo<0，为反组组整流12.4.3三相交交变变频电路由三组输出出电压相位位各差120°的单相交交交变频电电路组成。。1)

电路接线方式公共交流母线进线方式输出星形联结方式交交变频电电路主要应应用于大功功率交流电电机调速系统，，使用的是是三相交交交变频电路路。(1)公共交流母母线进线方方式图4-24公共共交流母线线进线三相相交交变频频电路（简简图）由三组彼此此独立的、、输出电