第6章交流交流變流電路

6.1交流調壓電路

6.2其他交流電力控制電路

6.3交交變頻電路

本章小結1引言■交流-交流變流電路：把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。■交流-交流變換電路可以分為直接方式（即無中間直流環節）和間接方式（有中間直流環節）兩種。■直接方式

◆交流電力控制電路：只改變電壓、電流或對電路的通斷進行控制，而不改變頻率的電路。◆變頻電路：改變頻率的電路。26.1交流調壓電路

6.1.1單相交流調壓電路

36.1交流調壓電路·引言■把兩個晶閘管反并聯后串聯在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。■交流電力控制電路

◆交流調壓電路：在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制，調節輸出電壓有效值的電路。

◆交流調功電路：以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變通態周期數和斷態周期數的比，調節輸出功率平均值的電路。◆交流電力電子開關：串入電路中根據需要接通或斷開電路的晶閘管。■應用

◆燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制)。

◆異步電動機軟起動。

◆異步電動機調速。

◆供用電系統對無功功率的連續調節。

◆在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調節變壓器一次電壓。46.1.1單相交流調壓電路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt圖6-1電阻負載單相交流調壓電路及其波形■電阻負載

◆工作過程

?在交流電源u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角進行控制就可以調節輸出電壓。

◆基本的數量關系?負載電壓有效值Uo

?負載電流有效值Io

?晶閘管電流有效值IT

?功率因數(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)56.1.1單相交流調壓電路VT1圖6-2阻感負載單相交流調壓電路及其波形■阻感負載◆工作過程?若晶閘管短接，穩態時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為，當用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后。

?設負載的阻抗角為，穩態時的移相范圍應為≤≤。

?在t=時刻開通晶閘管VT1，可求得導通角，即◆的移相范圍為0≤≤，隨著的增大，Uo逐漸降低，逐漸降低。

(6-7)66.1.1單相交流調壓電路圖6-3單相交流調壓電路以為參變量的和關系曲線

以為參變量，利用式(6-7)可以把和的關系用圖6-3的一簇曲線來表示。◆基本的數量關系

?負載電壓有效值Uo

?晶閘管電流有效值IVT

(6-8)(6-9)76.1.1單相交流調壓電路?負載電流有效值Io

?晶閘管電流IVT的標么值

式中圖6-4單相交流調壓電路為參變量時IVTN和關系曲線(6-10)(6-11)86.1.1單相交流調壓電路◆<時的工作情況

?VT1的導通時間超過。

?觸發VT2時，io尚未過零，VT1仍導通，VT2不會導通，io過零后，VT2才可開通，VT2導通角小于。

?io有指數衰減分量，在指數分量衰減過程中，VT1導通時間漸短，VT2的導通時間漸長。圖6-5<時阻感負載交流調壓電路工作波形96.1.1單相交流調壓電路◆例6-1一單相交流調壓器，輸入交流電壓為220V，50Hz，負載為電阻電感，其中R=8Ω，XL=6Ω。試求=/6、/3時的輸出電壓、電流有效值及輸入功率和功率因數。解：負載阻抗及負載阻抗角分別為：

因此開通角的變化范圍為：

即①當=/6時，由于<,因此晶閘管調壓器全開放，輸出電壓為完整的正弦波，負載電流也為最大，此時輸出功率最大，為

106.1.1單相交流調壓電路功率因數為實際上，此時的功率因數也就是負載阻抗角的余弦。②時，先計算晶閘管的導通角，由式（6-7）得

解上式可得晶閘管導通角為：116.1.1單相交流調壓電路126.1.1單相交流調壓電路■單相交流調壓電路的諧波分析

◆帶電阻負載時，對負載電壓uo進行諧波分析

式中(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)(6-12)136.1.1單相交流調壓電路基波和各次諧波的有效值可按下式求出負載電流基波和各次諧波的有效值為圖6-6電阻負載單相交流調壓電路基波和諧波電流含量

(n=1,3,5,7,…)

(6-13)(6-14)◆電流基波和各次諧波標么值隨變化的曲線，如圖6-6所示，其中基準電流為=0時的電流有效值。◆阻感負載時

?電流諧波次數和電阻負載時相同，也只含3、5、7…等次諧波。

?隨著次數的增加，諧波含量減少。

?和電阻負載時相比，阻感負載時的諧波電流含量少一些。

?當角相同時，隨著阻抗角的增大，諧波含量有所減少。146.1.1單相交流調壓電路圖6-7斬控式交流調壓電路■斬控式交流調壓電路

◆工作原理?用V1，V2進行斬波控制，用V3，V4給負載電流提供續流通道。

?設斬波器件（V1，V2）導通時間為ton，開關周期為T，則導通比

=ton/T

，通過改變來調節輸出電壓。

◆電源電流的基波分量是和電源電壓同相位的，即位移因數為1，電源電流中不含低次諧波，只含和開關周期T有關的高次諧波，這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除，這時電路的功率因數接近1。

圖6-8電阻負載斬控式交流調壓電路波形156.2其他交流電力控制電路

6.2.1交流調功電路

6.2.2交流電力電子開關166.2.1交流調功電路2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU1201214諧波次數相對于電源頻率的倍數2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m圖6-11交流調功電路典型波形(M=3、N=2)

圖6-12交流調功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)

■交流調功電路

◆工作原理

?和交流調壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同。

?通過改變接通周波數與斷開周波數的比值來調節負載所消耗的平均功率。176.2.1交流調功電路

◆諧波分析

?在交流電源接通期間，負載電壓電流都是正弦波，不對電網電壓電流造成通常意義的諧波污染。

?如果以電源周期為基準，電流中不含整數倍頻率的諧波，但含有非整數倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數倍頻率諧波的含量較大。2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU1201214諧波次數相對于電源頻率的倍數2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m圖6-11交流調功電路典型波形(M=3、N=2)

圖6-12交流調功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)

186.2.2交流電力電子開關■交流電力電子開關：把晶閘管反并聯后串入交流電路中，代替電路中的機械開關，起接通和斷開電路的作用。■優點：響應速度快，沒有觸點，壽命長，可以頻繁控制通斷。■與交流調功電路的區別

◆并不控制電路的平均輸出功率。◆通常沒有明確的控制周期，只是根據需要控制電路的接通和斷開。◆控制頻度通常比交流調功電路低得多。

196.3交交變頻電路

6.3.1單相交交變頻電路

206.3.1單相交交變頻電路圖6-13單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形

■交交變頻電路是把電網頻率的交流電直接變換成可調頻率的交流電的變流電路，因為沒有中間直流環節，因此屬于直接變頻電路。■電路構成和基本工作原理

◆由P組和N組反并聯的晶閘管相控整流電路構成，和直流電動機可逆調速用的四象限變流電路完全相同。

◆工作原理

?P組工作時，負載電流io為正，N組工作時，io為負。

?兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電。

√改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出頻率0。

√改變變流電路工作時的控制角，就可以改變交流輸出電壓的幅值。216.3.1單相交交變頻電路圖6-13單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形

◆為使uo波形接近正弦波，可按正弦規律對角進行調制。

?在半個周期內讓P組角按正弦規律從90°減到0°或某個值，再增加到90°，每個控制間隔內的平均輸出電壓就按正弦規律從零增至最高，再減到零；另外半個周期可對N組進行同樣的控制。

?uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內，包含的電源電壓段數越多，其波形就越接近正弦波。226.3.1單相交交變頻電路圖6-14理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態■整流與逆變工作狀態

◆以阻感負載為例，把電路等效成圖6-14a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯，二極管體現了交流電路的電流的單方向性。◆設負載阻抗角為，則輸出電流滯后輸出電壓角，兩組變流電路采取無環流工作方式，即一組變流電路工作時，封鎖另一組變流電路的觸發脈沖。

◆工作狀態

?t1~t3期間：io處于正半周，正組工作，反組被封鎖。√t1~t2階段：uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正。√t2~t3階段：uo反向，io仍為正，正組逆變，輸出功率為負。236.3.1單相交交變頻電路圖6-14理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態

?t3~t5期間：io處于負半周，反組工作，正組被封鎖。

√t3~t4階段：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正。

√t4~t5階段：uo反向，io仍為負，反組逆變，輸出功率為負。◆結論

?哪組變流電路工作由io方向決定，與uo極性無關。

?變流電路工作在整流還是逆變狀態，根據uo方向與io方向是否相同來確定。246.3.1單相交交變頻電路◆考慮到無環流工作方式下負載電流過零的正反組切換死區時間，一周期的波形可分為6段：第1段io<0，uo>0，為反組逆變；第2段電流過零，為切換死區；第3段io>0，uo>0，為正組整流；第4段io>0，uo<0，為正組逆變；第5段又是切換死區；第6段io<0，uo<0，為反組整流。◆當輸出電壓和電流的相位差小于90°時，一周期內電網向負載提供能量的平均值為正，若負載為電動機，則電動機工作在電動狀態；當二者相位差大于90°時，一周期內電網向負載提供能量的平均值為負，即電網吸收能量，電動機工作在發電狀態。圖6-15單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形25當uo和io的相位差小于90°時，一周期內電網向負載提供能量的平均值為正，電動機工作在電動狀態。

當二者相位差大于90°時，一周期內電網向負載提供能量的平均值為負，電網吸收能量，電動機為發電狀態。考慮無環流工作方式下io過零的死區時間，一周期可分為6段。圖4-20單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形第1段

io

<0，

uo

>0，反組逆變第2段電流過零，為無環流死區第3段

io

>0，

uo

>0，正組整流

第4段

io>0，

uo

<0，正組逆變

第5段又是無環流死區

第6段

io

<0，

uo

<0，為反組整流

266.3.1單相交交變頻電路■輸出正弦波電壓的調制方法

◆主要介紹最基本的余弦交點法。

◆用余弦交點法求交交變頻電路角的基本公式每次控制間隔內輸出電壓的平均值為式中Ud0為=0時整流電路的理想空載電壓。要得到的正弦波輸出電壓為比較式(6-15)和(6-16)，應使式中，稱為輸出電壓比，因此(6-15)(6-16)(6-17)(6-18)276.3.1單相交交變頻電路圖6-16余弦交點法原理◆余弦交點法圖解

?線電壓uab、uac、ubc、uba、uca和ucb依次用u1~u6表示，相鄰兩個線電壓的交點對應于=0。

?u1~u6所對應的同步信號分別用us1~us6表示，us1~us6比相應的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相應線電壓=0的時刻對應，以=0為零時刻，則us1~us6為余弦信號。

?希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發時刻由相應的同步電壓us1~us6的下降段和uo的交點來決定。286.3.1單相交交變頻電路圖6-17不同時和ot的關系◆不同輸出的情況下，在輸出電壓的一個周期內，控制角隨ot變化的情況如圖6-17，圖中

較小，即輸出電壓較低時，只在離90°很近的范圍內變化，電路的輸入功率因數非常低。296.3.1單相交交變頻電路■輸入輸出特性

◆輸出上限頻率

?輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網電壓段數減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和轉矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。

?就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關系而言，很難確定一個明確的界限。

?當采用6脈波三相橋式電路時，一般認為輸出上限頻率不高于電網頻率的1/3~1/2，電網頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。306.3.1單相交交變頻電路圖6-18交交變頻電路的輸入位移因數◆輸入功率因數

?輸入電流相位總是滯后于輸入電壓，需要電網提供無功功率。

?在輸出電壓的一個周期內，角以90°為中心而前后變化。

?輸出電壓比越小，半周期內的平均值越靠近90°，位移因數越低；負載功率因數越低，輸入功率因數也越低。

?不論負載功率因數是滯后的還是超前的，