交流电力控制电路

交流电力控制电路第1页，课件共59页，创作于2023年2月

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。第2页，课件共59页，创作于2023年2月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。第3页，课件共59页，创作于2023年2月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第4页，课件共59页，创作于2023年2月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。第5页，课件共59页，创作于2023年2月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第6页，课件共59页，创作于2023年2月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。第7页，课件共59页，创作于2023年2月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。第8页，课件共59页，创作于2023年2月单相交流调压带电感性负载电路波形α<φα=φα>φ第9页，课件共59页，创作于2023年2月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。第10页，课件共59页，创作于2023年2月单相交流调压带电感性负载电路波形

（2）α=φ

，θ=180°，正负半周电流临界连续，相当于晶闸管失去控制。其电流、电压波形如图。第11页，课件共59页，创作于2023年2月单相交流调压带电感性负载电路波形

（3）α<φ

，在这种情况下若VT1管先被导通，而且θ>180°，如果采用窄脉冲触发，当ug2出现时，VT1管的电流还未到零，VT1管不能关断，VT2管不能导通，等到VT1管中流过的电流为零并关断时，ug2脉冲已经消失，此时VT2管虽受正压，但也无法导通。到第三个半波时，ug1又触发VT1导通，这样负载电流只有正半波部分，出现很大直流分量，电路不能正常工作。其电流、电压波形如图。因而带电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发，可用宽脉冲或脉冲列触发。这样即使α<φ

，则在刚开始触发晶闸管的几个周波内，两管的电流波形还是不对称的，但经几个周波后，负载电流即成为对称连续的正弦波。第12页，课件共59页，创作于2023年2月电感性负载单相交流调压电路以a为参变量的θ和a关系曲线单相交流调压特点：

1）电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流一致。改变控制角α可以连续改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。

2）电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则当α<φ时，会出现一个晶闸管无法导通，生成很大直流分量电流，烧毁熔断器或晶闸管。

3）电感性负载时，最小控制角αmin=φ

（阻抗角）。所以α的移相范围为φ～180°，电阻性负载时移相范围为0°～180°

。可以把θ与α、φ之间的关系用左图所示的一簇曲线来表示。图中以φ为参变量，当φ=0°时，代表电阻性负载，此时θ=180°-α

；若φ为某一特定角度，则当α≤φ时，θ

=180°，当α>φ时，θ随着α的增加而减小。第13页，课件共59页，创作于2023年2月12.2.2三相交流调压电路当相位控制的交流调压电路所带负载为异步电动机或其他三相负载时，需要采用三相交流调压电路。第14页，课件共59页，创作于2023年2月带零线的星形连接反并联

三相交流调压电路带零线的星形连接反并联调压电路其三相负载连接为星形，各相通过零线自成回路，相当于三个相位互差120°的单相反并联交流调压电路的组合，因此其控制角α的移相范围为0°～180°，各相输出电压、电流及电路中晶闸承受的电压、电流与单相交流电压调压电路一致。缺点是三次谐波在零线中的电流较大。第15页，课件共59页，创作于2023年2月星形连接带中线的

三相交流调压电路如上图所示为负载按连接的三相交流调压电路(星形带中性线的三相交流调压路)，该电路各相通过零线自成回路，它相当于三只单相晶闸管交流调压器的组合。第16页，课件共59页，创作于2023年2月星形连接带中线的

三相交流调压电路电路中晶闸管承受的电压、电流就是接于相电压的单相调压器需要考虑的数值，该电路的缺陷是在零线中三次谐波电流很大。由于三次谐波属于零序分量，它在零线中的电流值为各相三次谐波电流值的代数和。第17页，课件共59页，创作于2023年2月用三对反并联晶闸管连接

成三相三线交流调压电路三相三线交流调压电路第18页，课件共59页，创作于2023年2月用三对反并联晶闸管连接

成三相三线交流调压电路上图为用三对反并联晶闸管接成的三相三线交流调压电路。负载可以接成星形，也可接成三角形。由于没有零线，每相电流必须和另一相构成回路，与三相全控桥整流一样，应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。第19页，课件共59页，创作于2023年2月用三对反并联晶闸管连接

成三相三线交流调压电路首先要确定电路中门极起始控制点，把图中的晶闸管换成二极管可看出，在电阻负载时，从相电压过零时刻开始，相应的二极管就导通。因此，α的点应定在各相电压过零点。晶闸管VT1、VT3、VT5的触发相位依次相差120°，VT4、VT6、VT2的触发相位依次也相差120°，同相的两个晶闸管的触发相位相差180°。这样，自VT1至VT6的触发相位依次相差60°。第20页，课件共59页，创作于2023年2月晶闸管与负载连接成内三

角形的三相交流调压电路连接成内三角形的交流调压电路第21页，课件共59页，创作于2023年2月晶闸管与负载连接成内三

角形的三相交流调压电路如上图所示，可以看成是三个由线电压供电的单相交流调压电路的组合。晶闸管点应定在线电压的零点上，VT1～VT6的触发脉冲依次相差60度。第22页，课件共59页，创作于2023年2月晶闸管与负载连接成内三

角形的三相交流调压电路无论是电阻性负载还是电感性负载，每一相都可当作单相交流调压电路来分析，单相交流调压电路的方法和结果都可沿用，注意把单相相电压改成线电压即可。第23页，课件共59页，创作于2023年2月常见三相交流调压器

第24页，课件共59页，创作于2023年2月第25页，课件共59页，创作于2023年2月

12.3交流电力控制电路

12.3.1交流调功电路1.过零触发的概念前述可控整流和有源逆变电路都采用移相触发控制，这种触发方式使得电路输出为缺角的正弦波，包含大量的高次谐波。为了弥补这种不足，可采用过零触发或称零触发。过零触发是指在正弦交流电压过零时，触发晶闸管，使晶闸管或者处于全导通或者处于全阻断，使负载得到完整的正弦波。第26页，课件共59页，创作于2023年2月由过零触发开关电路组

成的单相交流调功器2.交流调功器(周波控制器)的工作原理交流过零触发开关电路就是利用零触发方式来控制晶闸管的导通与关断。交流零触发开关使电路在电压为零或零附近瞬间接通，利用管子电流小于维持电流使管子自行关断，这种开关对外界的电磁干扰最小。第27页，课件共59页，创作于2023年2月由过零触发开关电路组

成的单相交流调功器由过零触发开关电路组成的单相交流调功器，是采用周期控制的方式。即将交流电源与负载接通几个整周期，再断开几个整周期，通过改变接通周期数与断开周期数的比值来调节负载上的平均功率。即通过控制导通比D=n/m可以调节平均功率。第28页，课件共59页，创作于2023年2月由过零触发开关电路组

成的单相交流调功器3.零触发的两种工作模式（1）固定周期控制

总控制周期数m不变，通过调节导通周期数n来调节导通比，进而调节平均输出功率。

1）全周波连续控制第29页，课件共59页，创作于2023年2月由过零触发开关电路组

成的单相交流调功器（1）固定周期控制

2）全周波断续式

第30页，课件共59页，创作于2023年2月由过零触发开关电路组

成的单相交流调功器（2）可变周期控制：

即导通周期数n不变，而改变控制周期数m，从而控制导通比及输出功率。第31页，课件共59页，创作于2023年2月12.3.2交流电力电子开关采用晶闸管反并联的交流开关电路第32页，课件共59页，创作于2023年2月上图为普通晶闸管反并联构成的交流开关。当S闭合时，两只晶闸管均以管子本身的阳极电压作为触发电压进行触发，具有强触发性质，即使对触发电流很大的管子也能可靠触发。随着交流电源的交变，两个晶闸管轮流导通，负载上得到的基本上是正弦电压。第33页，课件共59页，创作于2023年2月采用双向晶闸管的交流开关电路第34页，课件共59页，创作于2023年2月上图为采用双向晶闸管的交流开关，双向晶闸管为I+、Ⅲ触发方式，其线路简单，但工作频率低(小于400Hz)。第35页，课件共59页，创作于2023年2月单只普通晶闸管交流开关电路第36页，课件共59页，创作于2023年2月上图为只用一只普通晶闸管构成的交流开关电路，该电路包含一个由二极管组成的整流桥。晶闸管只受正压，不受反压。其缺点是由于串联元件多，其压降损耗较大。第37页，课件共59页，创作于2023年2月晶闸管投切电容（ThyristorSwitched——Capacitor——TSC）图TSC基本原理图a)基本单元单相简图b)分组投切单相简图交流电力电子开关作用对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。性能优于机械开关投切的电容器。结构和原理晶闸管反并联后串入交流电路。实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。第38页，课件共59页，创作于2023年2月晶闸管的投切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。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。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图4-16TSC理想投切时刻原理说明交流电力电子开关第39页，课件共59页，创作于2023年2月TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式交流电力电子开关由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值。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。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图4-16TSC理想投切时刻原理说明第40页，课件共59页，创作于2023年2月图斩控式交流调压电路12.3.3交流斩波调压电路交流斩波调压电路通常采用全控器件作为开关器件，电路如图所示。在交流电源u1的正半周，用V1进行斩波控制，V3和VD3为感性负载电流提供续流通路，在u1的负半周，用V2进行斩波控制，V4和VD4为负载电流提供续流通路。因此，输入、输出均为交流电压，V1～V4均需要有双向阻断功能，因此在各管支路中需串联快恢复二极管VD1～VD4，以承受关断时的反向电压。第41页，课件共59页，创作于2023年2月斩控式交流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进行斩波控制用V3给负载电流提供续流通道第42页，课件共59页，创作于2023年2月用V2进行斩波控制用V4给负载电流提供续流通道图4-7斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路在交流电源u1的负半周第43页，课件共59页，创作于2023年2月

特性电阻负载斩控式交流调压电路波形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。第44页，课件共59页，创作于2023年2月12.4交交变频器晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)

把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。有单相和三相；有环流方式与无环流方式广泛用于大功率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。12.4.1交—交变频电路基本类型及应用第45页，课件共59页，创作于2023年2月1)电路构成和基本工作原理图4-18单相交交变频电路原理图和输出电压波形12.4.1单相交交变频器电路构成如图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。变流器P和N都是相控整流电路。第46页，课件共59页，创作于2023年2月工作原理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。图4-18单相交交变频电路原理图和输出电压波形第47页，课件共59页，创作于2023年2月为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制。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。uo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。第48页，课件共59页，创作于2023年2月

2)

整流与逆变工作状态图4-19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4-19a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。第49页，课件共59页，创作于2023年2月设负载阻抗角为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。图4-19理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态第50页，课件共59页，创作于2023年2月工作状态图4-19理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态图4-19理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态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。第51页，课件共59页，创作于2023年2月t3~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。图4-19理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态小结：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。第52页，课件共59页，创作于2023年2月当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

第53页，课件共59页，创作于2023年2月12.4.3三相交交变频电路