电力电子技术（第2版） 第6章 交流变换电路

1第6章交流-交流变换电路

6.1交流调压电路

6.2交流调功电路

6.3交流电力电子开关

6.4交交变频电路26.1交流-交流变换电路概述

本章主要讲述交流-交流变流电路将一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路，即把交流电能的参数（幅值、相位、频率）进行变换的电路。

变频电路改变频率的电路

交交变频直接交直交变频间接交流电力控制电路只改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路。交流调压电路相位控制交流调功电路通断控制36.1交流-交流变换电路概述

原理

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控制交流电力。、构成无触点交流开关。电路通过控制晶闸管每个电源周期内导通角的大小（相位控制）即可调节输出电压的大小。

电路图46.2交流电力控制电路6.2.1交流调压电路6.2.2交流调功电路6.2.3交流电力电子开关56.2.1交流调压电路

应用

1灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。

2异步电动机软起动。

3异步电动机调速。◆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，调节输出电压有效值的电路。调节触发延迟角，即可在负载上就可得到有效值可以变化的交流输出电压。

电阻性负载

在时，晶闸管承受正向电压，在时，触发使其导通，负载上输出电压为缺了角的正弦正半周电压。当电源过零时，晶闸管截止。在时，晶闸管承受正向电压。在时，触发使其导通，负载上输出电压为缺了角的正弦负半周电压。6.2.1交流调压电路76.2.1交流调压电路

负载电压的有效值为

负载电流的有效值为

移相范围为0≤a

≤π。

a

=0时，输出电压为最大。Uo=U1,随a

的增大，Uo降低，a

=π时，Uo=0。8若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j

，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。a

=0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j

≤a

≤π。6.2.1交流调压电路1)

阻感负载

负载阻抗角：9当导通时，有6.2.1交流调压电路1)

阻感负载

晶闸管导通角

的大小不仅与触发延迟角

有关，而且与负载阻抗角

有关。初始条件解得负载电流为可以看出，负载电流由两个分量组成，一个是正弦稳态分量，一个是指数衰减分量。

时，负载电流，有6.2.1交流调压电路关系曲线根据三个角度之间的关系，分三种情况讨论调压电路的工作：①当时，导通角，越小，越大，且正负半波电流均断续。②当时，，两个晶闸管轮流导通，负载电流处于连续状态。③当时，采用宽脉冲或者双窄脉冲触发，负载电压、电流就是完整的正弦波。在带阻感负载时，要实现交流调压的目的，触发延迟角的移相范围必须为11当阻感负载,a

<j时电路工作情况。VT1的导通时间超过π。触发VT2时，

io尚未过零，VT1仍导通，VT2不会导通。io过零后，VT2才可开通，VT2导通角小于π。衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长，直到两个晶闸管的导通角达到平衡。6.2.1交流调压电路。126.2.1交流调压电路

2.三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a)星形联结b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结d)中点控制三角形联结136.2.1交流调压电路

2.三相交流调压电路（1）三相四线制交流调压电路

基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120°工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。同一相上的两个晶闸管门极触发脉冲互差180°，六个晶闸管导通的顺序依次间隔60°导通。星形联结电路可分为三线三相和三线四相制该电路工作时，3次谐波在中线中的电流较大，当触发角为90°时，中性线电流和相电流有效值接近，故中性线的导线截面积要求与相线一致。146.2.1交流调压电路

2.三相交流调压电路三相三线制，主要分析阻负载时的情况任一相导通须和另一相构成回路。电流通路中至少有两个晶闸管，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，为VT1~VT6,依次相差60°。相电压过零点定为a的起点，a角移相范围是0°~150°。(1)0°≤a<60°：三管导通与两管导通交替，每管导通180°－a

。但a=0°时一直是三管导通。16图6-10不同a角时负载相电压波形a)a=30°1760°≤a<90°：两管导通，每管导通120°。(2)图4-10不同a角时负载相电压波形b)a

=60°186.2.1交流调压电路

2.三相交流调压电路(3)90°≤a<150°：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°－2a。

a

=90°196.2.2交流调功电路

交流调功电路与交流调压电路的异同比较相同点

电路形式完全相同不同点

控制方式不同交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形进行控制。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。交流调功电路是以交流电源周波数为控制单位，从而对电路的通断进行控制。交流调功电路广泛应用于电炉的温度控制，其直接调节对象是平均输出功率。206.2.2交流调功电路

电阻负载时的工作情况2pNpM电源周期控制周期=M倍电源周期=2p4pMO导通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12

交流调功电路典型波形(M=3、N=2)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。216.2.2交流调功电路

谐波情况01214谐波次数相对于电源频率的倍数交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m图所示为交流调功电路的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值，Io为导通时电路电流幅值。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。而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。交流调功电路的优点是控制方式简单，功率因数高；缺点是输出电压调节不平滑。适用于有较大时间常数的负载中。226.2.3交流电力电子开关概念把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。优点

响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断，适合于操作频繁、易燃和多粉尘的场合

。与交流调功电路的区别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。6.2.3交流电力电子开关典型应用：晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器（TSC）是一种利用晶闸管交流电力电子开关代替机械开关，实现对电网无功补偿的装置。基本原理：两个反并联的晶闸管起着把电容器投入电网或者从电网切除的功能，电感L的作用是抑制冲击电流，其电感值很小。246.3交交变频电路

6.3.1

交交变频电路

6.3.2交直交变频电路25交交变频电路广泛用于大功率、低转速的交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。变频电路交交变频电路交直交变频电路把电网频率的交流电直接变成频率可调的交流变换电路先经过交流变直流，再把直流变交流的变频电路6.3交交变频电路

261单相交交变频电路（1）电路结构和基本工作原理电路构成如图，由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成。变流器P和N都是相控整流电路。271单相交交变频电路工作原理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，就可改变输出频率wo。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。281单相交交变频电路为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制。如果在一个周期内控制触发延迟角固定不变，则输出波形如图所示，输出电为矩形波。

故在半个周期内让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。291单相交交变频电路为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制。从图6.12波形图中可以看出，输出电压并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成的。在输出电压的一个周期中，所包含的电源电压段数越多，输出电压波形就越接近正弦波所以交交变频电路中的整流器通常采用桥式整流电路即6脉波整流电路或者12脉波整流电路。30（2）单相交交变频电路的工作状态理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态阻感负载为例，也适用于交流电动机负载。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，就可把电路等效成图所示的正弦波交流电源和二极管的串联。31设负载阻抗角为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。32工作状态t1~t3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。33t3~t5期间：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。小结：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。34

当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。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。图4-20单相交交变频电路输出电压和电流波形第1段

io

<0，

uo

>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

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

1单相交交变频电路351单相交交变频电路输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动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，很难确定一个明确的界限。当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/3~1/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。（3）交交变频输出频率特性如果采用12脉波整流电路呢？361单相交交变频电路（4）输出正弦波电压的调制方法

介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法。设Ud0为a

=0时整流电路的理想空载电压，则有

每次控制时a角不同U0表示每次控制间隔内uo的平均值。

余弦交点法原理

(6-11)372三相交交变频电路

由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成。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路主要应用于大功率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路。382三相交交变频电路(1)公共交流母线进线方式图6.16公共交流母线进线方式（简图）由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120°的单相交交变频电路构成。电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开。主要用于中等容量的交流调速系统。39图4-25输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图b）详图因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电。由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在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四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。2三相交交变频电路40图4-25输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图b）详图和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通。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。2三相交交变频电路41交交变频电路的优缺点交交变频电路的优点：交交变频电路的缺点：接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管。受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。输入功率因数较低。输入电流谐波含量大，频谱复杂。效率较高（一次变流）可方便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波交交变频器主要用于500KW或1000KW以上、转速在600r/min以下的大功率、低转速的交流调速装置中。目前已在矿石破碎机、球磨机、卷扬机、鼓风机等场合获得较多的应用。6.3.2交直交变频电路

交直交变频电路是先把工频交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率固定或可变的交流电，也称为间接变频电路。由于电路简单，技术也较成熟，在实际生产中已得到广泛应用，适用于要求输出频率较高的场合；其缺点是功率变换次数多，电路总效率较低。交直交变频电路的使用将在下节异步电机变频调速系统的应用中介绍。6.4交交变换电路的应用技术6.4.1交流调光台灯电路6.4交交变换电路的应用技术6.4.2异步电动机软起动器■基波分量的瞬时值6.4.3无功补偿装置

（8-7）增大触发角

，相当于减小电感电流的基波分量，增大了TCR的等效电抗，减小了其吸收的无功功率。因此调整触发角

可以平滑地调整并联在系统的等效电抗的大小，从而调节TCR从系统吸收的无功功率。并联电容器的其作用为发出无功功率给系统。因此通过控制与电抗器串联的两个反并联晶闸管的触发角

，可以连续的调节TCR型SVC装置产生无功功率的大小。其灵活性好，但缺点是TCR支路产生谐波电流，因此在固定电容支路串联滤波电抗器，吸收TC