电力电子技术第6章

26十月20241AC/AC变换电路将一种形式的交流电变成另一种形式的交流电的电路。交流电力控制电路只改变电压、电流，不改变频率的电路。变频电路改变电压、电流的同时，也改变频率的电路第6章交流-交流变流电路转转26十月20242构成交流电力控制电路，其思路将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过控制晶闸管就可控制交流电力交流调压电路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交流调功电路以交流电周期为单位，有规律的控制晶闸管通断，从而调节输出功率的平均值的电路交流电力电子开关电路不调节输出平均功率，只按要求接通或断开串入电路中的晶闸管的电路。回26十月20243交直交变频电路交交变频电路直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流直接变频电路间接变频电路先将交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流变频电路26十月20244第6章交流-交流变流电路6.1交流调压电路6.2其它交流电力控制电路6.3交交变频电路26十月202456.1交流调压电路6.1.1单相交流调压电路6.1.2三相交流调压电路26十月202466.1.1单相交流调压电路1．电阻负载图6-1电阻负载单相交流调压电路及其波形正负半周a

起始时刻（a

=0）均为电压过零时刻，在稳态情况下，正负半周的a

相等。口述原理ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTOOOwtwtwtwt+__+26十月20247电阻负载单相交流调压电路在开通角为a时，负载电压有效值Uo、负载电流有效值Io、晶闸管电流有效值IVT和电路的功率因数λ分别为(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)a的移相范围为0≤a≤π。()()papapwwppa-+==ò2sin21dsin21121oUttUURUIoo=())22sin1(21sin221121papawwppa+-=øöççèæ=òRUtdRtUITçpapapl-+====2sin211oo1ooUUIUIUSP26十月20248Ou1uoiouVTOOOwtwtwtwt2.阻感负载设负载阻抗角为j=arctan(wL

/R)

口述原理提问：a的移相范围是多少？应为j≤

a

≤π。图6-2阻感负载单相交流调压电路及其波形RLu1uoioVT1VT2Ru1uoioVT1VT226十月20249

在ωt

=a时刻开通VT1，负载电流应满足如下方程式和初始条件解方程得

式中，,,θ为晶闸管导通角利用边界条件：ωt

=a+θ时io=0,可求得解释0sin2ddo1oo==+=awwtitURitiLjajwjwaúúûùêêëé---=-etZUittg1o)sin()sin(222)(LRZw+=qawa+££tjqjajqatg)sin()sin(--=-+eOu1uoiouVTOOOwtwtwtwtRLu1uoioVT1VT2返回26十月202410图6-3单相交流调压电路以a为参变量的θ和a关系曲线当j<a<π时，VT的导通角θ均小于π，如图6-3所示，a越小，θ越大。可调压例：若j=300，a=600，

θ=1400当a=j时，θ=π。临界状态例：若j=600，a=600，

θ=1800解释26十月202411当a继续减小，0≦a<φ的某一时刻触发VT1，VT1的导通时间将超过π。到ωt=π+a时刻触发VT２，负载电流io尚未过零VT1仍在导通，VT2不会立即导通。例：

VT1,若a=200，j=300，

θ=2100VT2,若a=500，j=300，

θ=1600VT1,若a=300，j=300，

θ=1800过度到临界状态、图6-3单相交流调压电路以a为参变量的θ和a关系曲线解释26十月202412

io由两个分量组成，第一项为正弦稳态分量、第二项为指数衰减分量。在指数分量的衰减过程中，VT1的导通时间渐短，

VT2的导通时间逐渐延长。当指数分量衰减到零后，VT1和VT2的导通时间都趋近于π，稳态的工作情况和a=j时完全相同

提问：为什么最后会过度到临界状态？解释26十月202413阻感负载单相交流调压电路在开通角为a时，负载电压有效值Uo、晶闸管电流有效值IVT负载电流有效值Io分别为(6-8)(6-9)(6-10)公式[])22sin(2sin1)()sin2(1121oqaappqwwpqaa+-+==ò+UtdtUUjqjaqqpwjajwpqaajwacos)2cos(sin)d()sin()sin(22112tg1VT++-=ïþïýüïîïíìúúûùêêëé---=ò+-ZUtetZUItVTII20=26十月202414j

=9000.10.20.30.40.516018004012080750600450j

=0a/(°)IVTN设晶闸管有效电流IVT的标么值为(6-11)IVTＮ和a的关系曲线如左图工程上的近似计算方法：26十月202415设晶闸管平均电流IdVT的标么值为IＮ和a的关系曲线如左图26十月2024163.单相交流调压电路的谐波分析对带电阻负载的单相交流调压电路的输出电压进行傅立叶级数展开。式中，(6-12)(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)å¥=+=L,5,3,1o)sincos()(nnntnbtnatuwww)12(cos2211-=apUa[])(22sin2211apap-+=Ub[][]þýüîíì-----++=1)1cos(111)1cos(1121aapnnnnUanúûùêëé---++=aap)1sin(11)1sin(1121nnnnUbn含多种谐波如何消除谐波？进行斩控式交流调压。26十月202417RLu1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD34．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关器件。在交流电源u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3个负载电流提供续流通道。在u1的负半周，用V2进行斩波控制，用V4给负载电流提供续流通道。u1uoi1000ωtωtωt+--+26十月202418图6-8电阻负载斩控式交流调压电路波形u1uoi1000ωtωtωt

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。这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。这些电路的功率因数接近1

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，通过改变a可调节输出电压。U0=

aU126十月2024196.1.2三相交流调压电路图6-9三相交流调压电路星形联结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n负载acn'负载abca)b)负载abcc)负载bd)

abcuaubuciaUa0'nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT226十月2024201．星形联结电路nn'负载abca)uaubuciaUan‘VT1VT3VT4VT5VT6VT2图6-9三相交流调压电路a)星形联结

三相三线星形联结电路三相四线

三相四线时，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。uan’Owt26十月2024211．星形联结电路nn'负载abca)uaubuciaUan'VT1VT3VT4VT5VT6VT2图6-9三相交流调压电路a)星形联结三相三线时，三相的触发脉冲依次相差1200。与三相桥式全控整流电路一样，触发脉冲顺序为VT1~VT6,依次相差60°。采用双脉冲或宽脉冲触发。相电压过零点定为a的起点。提问：电路可三管同时通么？可两管同时通么？可一管通么？

三相三线星形联结电路三相四线

可以，负载上为相电压可以，负载上为线电压的一半不可以26十月2024221）0°≤a

<60°，三个晶闸管导通与两个晶闸管导通交替，每个晶闸管导通角度为180°－a

。但a

=0°时，一直是三管导通2）60°≤a<90°，任一时刻两个晶闸管导通，每个晶闸管导通角度120°3）90°≤a

<150°，两个晶闸管导通与无晶闸管导通交替，每个晶闸管导通角度为300°－2a，导通角度被分割为不连续的两部分，在半周波内形成两个断续的波头，各占1500-a。4）a角移相范围是0°~150°。结论26十月202423

VT1VT2VT3VT4VT5VT6uAuBuC

=0o

uRAuABuACA+C-B-A-C+

B+

注意：每个小区间300原理1）0°≤a

<60°，三个晶闸管导通与两个晶闸管导通交替，每个晶闸管导通角度为180°－a

。但a

=0°时，一直是三管导通26十月202424

uACuABVT1VT2VT3VT4VT5VT6uAuBuC

=30o

uRAt1t2t3t4t5A+C-B-A-C+

B+

思考：何时不会出现三管都导通？原理1）0°≤a

<60°，三个晶闸管导通与两个晶闸管导通交替，每个晶闸管导通角度为180°－a

。但a

=0°时，一直是三管导通26十月202425

VT1VT2VT3VT4VT5VT6uAuBuCuABuACuRA

=60o

t1t2t3t4t5A+C-B-A-C+

B+

思考：何时中间断续？原理2）60°≤a<90°，任一时刻两个晶闸管导通，每个晶闸管导通角度120°26十月202426

VT1VT2VT3VT4VT5VT6uAuBuC

=90o

uABuACuRAt1t2t3t4t5A+C-B-A-C+

B+

原理26十月202427

VT1VT2VT3VT4VT5VT6uAuBuCuABuACuRA

=60o

t1t2t3t4t5A+C-B-A-C+

B+

原理过了90度后中间才出现断续26十月202428

VT1VT2VT3VT4VT5VT6uAuBuC

=120o

uABuACuRAt1t2t3t4t5A+C-B-A-C+

B+

思考：触发角最大多少？原理3）90°≤a

<150°，两个晶闸管导通与无晶闸管导通交替，每个晶闸管导通角度为300°－2a，导通角度被分割为不连续的两部分，在半周波内形成两个断续的波头，各占1500-a。26十月202429负载abcc)nuaubucia2．支路控制三角联结电路图6-9三相交流调压电路

c)支路控制三角形联结支路控制三角形联结电路由三个单相交流调压电路组成，三个单相电路分别在不同的线电压作用下单独工作。uabOwt晶闸管控制电抗器应用26十月2024306.2其他交流电力控制电路6.2.1交流调功电路6.2.2交流电力电子开关26十月2024316.2.1交流调功电路与调压电路的比较：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。26十月202432图6-13交流调功电路典型波形(M=3、N=2)设控制周期为M倍电源周期，其中晶闸管在前N个周期导通，后M－N个周期关断，当M=3、N=2时的电路波形如图6-13。Ru1uoioVT1VT226十月202433特点：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通常控制晶闸管导通时刻都是在电源电压过零的时刻，在交流电源接通期间，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。应用在控制对象时间常数很大的场合。比如：电炉的温度控制调节。26十月2024346.2.2交流电力电子开关交流电力电子开关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。与机械开关相比

响应速度快没有触点寿命长可以频繁控制通断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26十月202435

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

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：应用：◆

TSC运行时选择晶闸管投入时刻的原则：投切时刻交流电源电压=电容器预充电电压，这样电容器不会产生跃变电压，就不会产生冲击电流。26十月2024366.3交交变频电路1．怎么实现降频降压

2．控制角固定的不利因素3．控制角正弦可调的交交变频4.输出上限频率的确定5．输出正弦波电压的调制方法6．改善输入功率因数，消除谐波方法7．电路的工作状态26十月202437PuoZN

单相交交变频电路原理图1．怎么实现降频降压

单相交交变频电路由P组(正组)和N组(反组)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。VT1VT4VT2VT3～u2VT1VT4VT2VT3～u2+U0_tuow+

——

+VT1VT4VT2VT3～u2+

——

+—+

+—VT1VT4VT2VT3～u2—+

+—电源的四个周期，是单相交交变频的一个周期，则周期增大，频率下降。控制角a增大，则降压。Ouowt26十月2024382．控制角固定的不利因素对上述波形进行傅立叶级数分解，再进行谐波的分析可知：控制角a固定时，谐波大。提问：怎么减小谐波？回答：输出的波形为正弦波。PuoZN

单相交交变频电路原理图Ouowt26十月202439uo0输出电压ap=0平均输出电压ωtPuoZN图6-18单相交交变频电路原理图和输出电压波形3．控制角正弦可调的交交变频为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制。在半个周期内让正组变流器P组a

角按正弦规律从90°减到0°或某个值，然后再逐渐增大到90°。每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增至最高，再逐渐减低到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制。26十月202440uo0输出电压ap=0平均输出电压ωtPuoZN图6-18单相交交变频电路原理图和输出电压波形3．控制角正弦可调的交交变频缺点：uo并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成。因此，在uo的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波，波形畸变小。反之，在uo的一个周期内，所包含的电源电压段数越少，其波形就越偏离正弦波，波形畸变严重。26十月2024414.输出上限频率的确定输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变以及由此产生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。规定：6脉波三相桥式电路，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。26十月2024425．输出正弦波电压的调制方法余弦交点法设Ud0为a=0时整流电路的理想空载电压，则控制角为a时uo为设要得到的正弦波输出电压为比较式（6-15）和式（6-16），应使

式中，g

称为输出电压比因此(6-15)(6-16)(6-17)(6-18)26十月202443图6-21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