交流变换电路

交流变换电路第一页，共四十三页，2022年，8月28日概述交流变换电路：把交流电能的参数（幅值、频率、相数）加以转换的电路。交流变换电路第六章交流电力控制电路

交一交变频电路（直接变频电路）维持频率不变改变输出电压的幅值。将电网频率的交流电直接变换成较低频率的交流电直接变频的同时也可实现电压变换。分类第二页，共四十三页，2022年，8月28日交流调压电路

6.1

3、交流调压电路应用：

电炉的温度控制灯光调节（如舞台灯光控制）异步电机软起动异步电机调速调节整流变压器一次侧电压

2、交流调压的实现方法：通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。1、交流调压电路:是用来变换交流电压幅值（或有效值）的电路。第三页，共四十三页，2022年，8月28日单相交流调压器主电路特点：

1）电源正半周：T1触发导通，电源的正半周施加到负载上；2）电源负半周：T2触发导通，电源负半周便加到负载上；3）电源过零：T1、T2交替触发导通，电源电压全部加到负载；4）关断T1、T2：电源电压不能加到负载上。单相交流调压电路图6.1.1单向交流调压器电路T1、T2构成无触点交流开关。单向交流电压电路的工作情况与它的负载性质有关第四页，共四十三页，2022年，8月28日1）电源正半周：晶闸管T1承受正向电压，当ωt=α时，触发T1使其导通，负载上得到缺α角的正弦半波电压；2）电源电压过零：T1管电流下降为零而关断；3）电源电压负半周：晶闸管T2承受正向电压，当ωt=π+α时，触发T2使其导通，则负载上又得到了缺α角的正弦负半波电压。持续这样控制，在负载电阻上便得到每半波缺α角的正弦电压；单相交流调压电路

电阻性负载时单向交流电压电路及输出电压波形

改变α角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。1、电阻性负载工作原理：第五页，共四十三页，2022年，8月28日6.1.1单相交流调压电路

电阻性负载数量关系：（6.1.1）

负载电压的有效值

负载电流的有效值（6.1.2）

调压器的功率因数

（6.1.3）

图6.1.1电阻性负载时单向交流电压电路及输出电压波形

总结：随着α角的增大，U0逐渐减小。当α=π时，U0=0。因此，单相交流电压器对于电阻性负载，其电压可调范围为0～U，控制角α的移相范围为0～π。第六页，共四十三页，2022年，8月28日单相交流调压电路带电阻负载时，输出电压波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波，故单相交流调压电路

电阻性负载谐波分析：基波和各次谐波有效值：负载电流基波和各次谐波有效值：在上面关于谐波的表达式中n=1为基波，n=3,5,7,…为奇次谐波。随着谐波次数n的增加，谐波含量减少。(6.1.4)(n=3,5,7,…)第七页，共四十三页，2022年，8月28日单相交流调压电路感性负载（R-L负载）图6.1.2带阻感负载单向交流调压电路及输出波形

单相交流电压器带阻感负载时，工作情况同可控整流电路带电感负载相似；当电源电压反向过零时，负载电感产生感应电动势阻止电流的变化，故电流不能立即为零；晶闸管的导通角θ的大小与控制角a、负载阻抗角φ都有关。第八页，共四十三页，2022年，8月28日单相交流调压电路

阻感负载的工作情况分析：

晶闸管VT1导通时，负载电流Io满足：

(6.1.7)

式中

利用边界条件：，i0=0

可求得θ：(6.1.8)

（θ为晶闸管的导通角）VT2导通时，上述关系完全相同，只是iO相差1800

图（6.1.3)单相交流调压器以φ为参变量时θ与a的关系曲线第九页，共四十三页，2022年，8月28日

1、α>ф，导通角θ≺1800，正负半波电流断续。α愈大，θ愈小，波形断续愈严重。负载电压的有效值UO、晶闸管电流平均值IdT、电流有效值IT以及负载电流有效值IO分别为：(6.1.9)

(6.1.10)(6.1.12)(6.1.11)单相交流调压电路调压电路的工作情况（α>ф

、

α=ф、α<ф）第十页，共四十三页，2022年，8月28日单相交流调压电路2、α=ф可得：θ=1800

此时，晶闸管轮流导通，相当于晶闸管被短接。负载电流处于连续状态，为完全的正弦波。

由调压电路的工作情况（α>ф

、α=ф、α<ф）(6.1.8)

第十一页，共四十三页，2022年，8月28日单相交流调压电路

图（6.1.4）窄脉冲触发时的工作波形

θ＞18001）如果采用窄脉冲触发，会出现先触发的一只晶闸管导通，而另一只管子在电流下降为零时，因其门极脉冲已经消失不能导通的失控现象。回路中将出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。2）采用宽脉冲或脉冲列触发，使第二个晶闸管的导通角φ<π。即可使两个晶闸管的导通角θ=1800达到平衡。解决失控现象。3、α=ф调压电路的工作情况（α>ф

、

α=ф、α<ф）第十二页，共四十三页，2022年，8月28日单相交流调压电路

图（6.1.4）窄脉冲触发时的工作波形

总结：当时，并采用宽脉冲触发，负载电压、电流总是完整的正弦波，改变控制角a,负载电压、电流的有效值不变，即电路失去交流调压的作用。在电感负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角（负载的功率因数角）。所以的移相范围为φ～1800

第十三页，共四十三页，2022年，8月28日单相交流调压电路

1）电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7…等次谐波；2）随着次数的增加，谐波含量减少；3）和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些；4）a角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减少；单相交流电压器带阻感负载时电流谐波分析：

第十四页，共四十三页，2022年，8月28日三相交流调压电路

1、三相四线制调压电路特点：

图6.1.5(a)三相四线制调压电路1）相当于三个独立的单相交流调压电路组合而成的；2）存在中性线，但是3次谐波在中线中的电流大，故中线的导线截面要求与相线一致；3）晶闸管的门极触发脉冲信号，同相间两管的触发脉冲要互差180°。4）各晶闸管导通顺序为T1～T6，依次滞后间隔60°；5）因存在中线，可采用窄脉冲触发；

第十五页，共四十三页，2022年，8月28日三相交流调压电路

1、三相四线制调压电路特点：

图6.1.5(a)三相四线制调压电路

6）该电路工作时，零线上谐波电流较大，含有三次谐波，控制角a=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。若变压器采用三柱式结构，则三次谐波磁通不能在铁心中形成通路，产生较大的漏磁通，引起发热和噪音。

7）该电路中晶闸管上承受的峰值电压为(为线电压)。第十六页，共四十三页，2022年，8月28日三相交流调压电路

2、三相三线制交流调压电路的特点：

图6.1.5(b)三相三线制交流调压电路1）每相电路必须通过另一相形成回路；2）负载接线灵活，且不用中性线；3）晶闸管的触发电路必须是双脉冲，或者是宽度大于600的单脉冲；4）触发脉冲顺序和三相全控桥一样，为T1～T6，依次间隔600；

5）电压过零处定为控制角的起点，a角移相范围是0°～150°；6)输出谐波含量低,无3倍次谐波；

第十七页，共四十三页，2022年，8月28日三相交流调压电路

图6.1.6(a)a=30°时负载相电压波形(1)0°≤a<60°时，三个晶闸管导通与两个晶闸管导通交替，每管导通180°－a

。但a=0°时一直是三管导通，3、三相三线制交流调压电路改变a，电路中晶闸管的导电模式：图6.1.6(a)所示a=30°时的负载电压波形。第十八页，共四十三页，2022年，8月28日三相交流调压电路

图6.1.6(b)a=60°时负载相电压波形(2)60°≤a<90°时，两管导通，每管导通120°；3、三相三线制交流调压电路改变a，电路中晶闸管的导电模式：图5.1.6(b)所示为a=60°时负载电压波形。第十九页，共四十三页，2022年，8月28日三相交流调压电路

图6.1.6(c)a=120°时负载相电压波形

(3)90°≤a<150°时，两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°－2a，3、三相三线制交流调压电路改变a，电路中晶闸管的导电模式：图6.1.6(c)所示为a=120°时的负载电压波形。第二十页，共四十三页，2022年，8月28日6.2交流调功电路1、与调压电路的比较：同电路形式完全相同

异控制方式不同：以交流电源周波数为控制单位,对电路通断进行控制，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。

应用

电炉的温度控制

交流调功电路直接调节对象是电路的平均输出功率；

控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制；晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。第二十一页，共四十三页，2022年，8月28日6.2交流调功电路

2、电阻负载时的工作情况：

控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后M－N个周期关断；

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=3、N=2时的电路波形。

交流调功电路典型波形第二十二页，共四十三页，2022年，8月28日6.2交流调功电路

3、谐波分析：图6.2.2为以控制周期为基准的交流调功电路的频谱图，In为n次谐波有效值，Io为导通时电路电流幅值；

图6.2.2交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)

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，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。第二十三页，共四十三页，2022年，8月28日6.3交流电力电子开关

1）作用将晶闸管反并联后串入交流电路代替机械开关，起接通和断开电路的作用；

2）优点

3）特点（与交流调功电路的区别）

只控制通断，并不控制电路的平均输出功率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频度通常比交流调功电路低1）响应速度快、无触点寿命长、可频繁控制通断；2）控制晶闸管总是在电流过零时关断，在关断时不会因负载或线路电感存储能量而造成过电压和电磁干扰；

第二十四页，共四十三页，2022年，8月28日6.3交流电力电子开关

晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）

图6.3.1TSC基本原理图

1）代替机械开关投切电容器，对电网无功进行控制2）提高功率因数、稳定电网电压、改善用电质量3）是一种很好的无功补偿方式

◆特点：第二十五页，共四十三页，2022年，8月28日6.3交流电力电子开关◆1、电路结构和工作原理（晶闸管反并联）

图6.3.1TSC基本原理图

2）反并联的晶闸管控制C并入电网或从电网断开，如图6.3.1（a）。

1）实际常用三相TSC，可三角形联结，也可星形联结。3）串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流。4）为避免电容器组投切造成较大电流冲击，一般把电容器分成几组，如图6.3.1(b)所示，可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量。电路特点：第二十六页，共四十三页，2022年，8月28日6.3交流电力电子开关图6.3.3晶闸管和二极管反并联方式的TSC1）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；2）二极管不可控，响应速度要慢一些，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。◆1、电路结构和工作原理（晶闸管和二极管反并联）电路特点：第二十七页，共四十三页，2022年，8月28日6.3交流电力电子开关◆2、晶闸管投切时间的选择

1）选择原则：投入时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，防止冲击电流。

2）理想选择：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6.3.3TSC理想投切时刻原理说明第二十八页，共四十三页，2022年，8月28日6.4交－交变频电路

交－交变频电路是不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率（低于交流电源频率）交流电的变流电路。

主要用于大功率交流电动机调速系统。

1）定义2）应用

单相交流输入时交－交变频电路的波形图第二十九页，共四十三页，2022年，8月28日单相输出交－交变频电路1、电路结构和工作原理

◆1）电路结构

由具有相同特征的两组晶闸管整流电路（正组整流器和反组整流器）反并联构成；

单相输出交－交变频电路

◆2）工作原理

单相交流输入时交－交变频电路的波形图

正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；

负组整流器工作，正组整流器被封锁，负载端得到输出电压上负下正；

）晶闸管的开通与关断必须采用无环流控制方式，防止两组晶闸管桥同时导通；第三十页，共四十三页，2022年，8月28日单相输出交－交变频电路

3）电路控制特点：

（1）一个周期内控制角a固定不变时，输出电压为含有大量的谐波矩形波,(如图6.4.2)对电机的工作很不利

单相交流输入时交－交变频电路的波形图

图6.4.3交－交变频电路的波形图（a变化）

（2）为了让输出电压波形接近正弦波，可按正弦规律对a进行调制。

正组工作的半个周期内让控制角a按正弦规律从90°逐渐减小到0°，然后逐渐增加到90°。正组整流电流的输出电压的平均值就按正弦规律变化，从零增大到最大,然后从最大减小到零。第三十一页，共四十三页，2022年，8月28日单相输出交－交变频电路

2、变频电路的工作过程（电感性负载）

对于电感性负载，输出电压超前电流。

一个周期可以分为六个阶段

第一阶段：输出电压过零，u0为正，i0<0，反组整流器工作在有源逆变状态，正组整流器被封锁；

单相输出交－交变频电路图6.4.4交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形第三十二页，共四十三页，2022年，8月28日单相输出交－交变频电路

2、变频电路的工作过程（电感性负载）图6.4.4交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形

第二阶段：电流过零。为无环流死区；

单相输出交－交变频电路

第三阶段：i0>0，u0>0。正组整流器工作在整流状态，反组整流器被封锁。第三十三页，共四十三页，2022年，8月28日单相输出交－交变频电路

第四阶段：i0>0，u0<0。正组整流器工作有源逆变状态，反组整流器仍被封锁；第五阶段：电流为零，为无环流死区；

第六阶段：i0<0,u0<0，反组整流器工作在整流状态，正组整流器被封锁；图6.4.4交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形

单相输出交－交变频电路

第三十四页，共四十三页，2022年，8月28日单相输出交－交变频电路

小结：

1、哪组整流器电路工作是由输出电流决定，而与输出电压极性无关；2、变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定；

图6.4.4交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形

单相输出交－交变频电路

第三十五页，共四十三页，2022年，8月28日单相输出交－交变频电路

3、输出正弦波电压的控制方法（“余弦波交点法”）

设Ud0为a=0时整流电路的理想空载电压，则有：（6.4.1）

希望输出的正弦波电压为（6.4.2）

每次控制时a不同，u0为每个控制间隔输出的平均电压比较式（6.4.1）与（6.4.2），则使（6.4.4）

g称为输出电压比：

，式（6.4.4）为余弦交点法求角的基本公式。

第三十六页，共四十三页，2022年，8月28日单相输出交－交变频电路

余弦交点法原理

2）相邻两个线电压的交点对应于a=0；3）u1-u6所对应的同步信号分别用us1-us6表示；4）us1-us6比相应的u1-u6超前30°，us1-us6的最大值和相应线电压a=0的时刻对应；

4、余弦交点法图解

6）各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1-us6的下降段和输出电压uo的交点来决定；1）线电压uAB、uAC、uBC、uBA、uCA和uCB依次用u1-u6表示；5）a=0为零时刻，则us1-us6为余弦信号；第三十七页，共四十三页，2022年，8月28日单相输出交－交变频电路

不同g

时，在u0一周期内，a随变化的情况如图6.4.6，图中

图6.4.6不同g时a

和w0t变化的情况

g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；第三十八页，共四十三页，2022年，8月28日三相输出交－交变频电路

由三组输出电压相位各相差1200的单相交－交变频电路组成。

电路接线形式主要：1）公共交流母线进线方式2）输出星形联结方式

交－交变频器主要用于交流调速系统中，实际使用的主要是三相交－交变频器。

第三十九页，共四十三页，2022年，8月28日三相输出交－交变频电路

1、公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式的三相交－交变频电路原理图

由三组彼此独立的，输出电压相位相互错开120

0的单相交-