1、4- 1,引言4.1 交流调压电路4.2 其他交流电力控制电路4.3 交交变频电路4.4 矩阵式变频电路本章小结,第4章 交流电力控制电路和交交变频电路,4- 2,交交变频 直接 交直交变频 间接,本章主要讲述 交流-交流变流电路把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路,第6章 交流-交流变流电路,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。,变频电路,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,4- 3,6.1 交流调压电路,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。,电路图,4- 4,6.1 交流调压电路,应用
2、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。4 供用电系统对无功功率的连续调节。5 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。,4- 5,6.1 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,4- 6,6.1.1 单相交流调压电路,图6-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形,1 电阻负载,与a 的关系：a 0时，功率因数 1， a 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低。,输出电压与 a 的关系：移相范围为0 a 。 a 0时，输出电压为最大。 U0U1，随a的增大，U0降低， a 时，U00。,4- 7,若晶闸
3、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。,设a =0时刻仍定为u1过零的时刻，阻感负载稳态时a 的移相范围应为j a 。,6.1.1 单相交流调压电路,2 阻感负载,0.6,O,u1,uo,i o,u VT,w,t,O,w,t,O,w,t,w,t,O,uG1,uG2,O,O,w,t,w,t,图6-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形,负载阻抗角：j = arctan(wL / R),VT1,4- 8,6.1.1 单相交流调压电路,q,0,20,100,60,140,180,20,100,60,/,(,),180,140
4、,a,/,(,),j,= 90,75,60,45,30,15,0,图6-3 单相交流调压电路以为参变量的和a关系曲线,wt = a 时刻开通晶闸管VT1，可求得 （67）,当 a = j 时 = 当 a j 时 ,以j 为参变量，利用(47)可把a 和 的关系表示成右图。,4- 9,= 90,60,180,6.1.1 单相交流调压电路,图6-4 单相交流调压电路为参变量时I VTN和a关系曲线,j,0,.,1,0,.,2,0,.,3,0,.,4,0,.,5,160,0,40,120,80,75,45,j,= 0,a,/,(,),I,VTN,负载电流有效值 (6-10)IVT的标么值 (6-11
5、),4- 10,4- 11,晶闸管门极用窄脉冲触发 电路接通电源后，如果先触发VT1，且 ，如图6.18所示。如果触发脉冲的宽度小于 + ( + ) = ，则当VT1 的电流下降到零时，VT2的门极脉冲已经消失而无法导通。到第二个周期时，VT1又重复第一周期的工作，这样VT2将始终无法导电，回路中将出现直流分量的电流。如果调压器的负载是变压器的一次绕组，则因其直流电阻很小，将引起很大的直流过电流，使电路不能正常工作。为此，需采用宽脉冲或脉冲列(例如30kHz)。 2) 晶闸管门极用宽脉冲或脉冲列触发 如果触发脉冲的宽度大于 ，如图 所示，VT1的 ，VT2可以在1 VT 之后接着导电，但VT2
6、的起始导电角 + ，所以VT2的导通角 。从第二个周期 开始，VT1的导通角逐渐减小，VT2的导通角将逐渐增大，直到两个晶闸管的 = 时达到平衡，这时电路的工作状态与 = 时相同。,4- 12,6.1.1 单相交流调压电路,图6-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形,当阻感负载, a j 时电路工作情况动态过程VT1的导通时间超过。 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。 衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通时间渐长。 结论：阻感负载当a j 时，其稳态工作情况和a j 时完全相同。,图6-2 阻感负载单相交
7、流调压电路,4- 13,由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波。(4-12)基波和各次谐波有效值 (4-13)负载电流基波和各次谐波有效值(4-14)电流基波和各次谐波标么值随 a变化的曲线（基准电流为a =0时的有效值）如图4-6所示。,6.1.1 单相交流调压电路,3 单相交流调压电路的谐波分析,电阻负载,图6-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,4- 14,6.1.1 单相交流调压电路,电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7等次谐波。 随着谐波次数的增加，谐波含量减少。 和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。 当a角相同时，随着阻抗角j 的增大，
8、谐波含量有所减少。,阻感负载,4- 15,6.1.1 单相交流调压电路,4 斩控式交流调压电路,用V1进行斩波控制,用V3给负载电流提供续流通道,在交流电源u1的正半周,图6-7 斩控式交流调压电路,一般采用全控型器件作为开关器件； 工作原理与直流斩波电路相似。,4- 16,6.1.1 单相交流调压电路,用V2进行斩波控制,用V4给负载电流提供续流通道,图6-7 斩控式交流调压电路,4 斩控式交流调压电路,在交流电源u1的负半周,4- 17,6.1.2 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,图4-9 三相交流调压电路,a) 星形联结,b) 线路控制三角形联结,
9、c) 支路控制三角形联结,d) 中点控制三角形联结,4- 18,6.1.2 三相交流调压电路,三相四线 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。 问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。 a =90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。,1 星形联结电路 可分为三相三线和三相四线,图6-9 三相交流调压电路 a) 星形联结,4- 19,6.1.2 三相交流调压电路,三相三线，主要分析电阻负载时 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
10、。 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0150。,图6-9 三相交流调压电路 a) 星形联结,4- 20,6.1.2 三相交流调压电路,(1)0a60：三管导通与两管导通交替，每管导通(180a) 。但a=0时一直是三管导通。,图4-10 不同a角时负载相电压波形 a) a =30,按以下三段范围分别讨论：,4- 21,6.1.2 三相交流调压电路,(2) 60 a 90：两管导通，每管导通120。,图6-10 不同a角时负载相电压波形 b) a =60,4- 22,6.1.2 三相交流调压电路,(3)9
11、0a150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为(3002 a)。,图6-10 不同a角时负载相电压波形c) a =120,4- 23,6.1.2 三相交流调压电路,谐波情况电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同。 谐波次数越低，谐波含量越大。 和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。,4- 24,6.2 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,4- 25,6.2.1 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
12、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。,4- 26,6.2.1 交流调功电路,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MN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。,p,M,电源周期,控制周期,=,M,倍电源周期,=,2,p,4,p,M,O,导通段,=,2,p,N,M,3,p,M,2,p,M,u,o,u,1,u,o,i,o,w,t,U,1,2,图6-13 交流调功电路典型波形(M =3、N =2),图6-1电
13、阻负载单相交流调压电路,4- 27,6.2.1 交流调功电路,谐波情况图4-14的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值， Ion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。,相对于控制周期的 谐波次数,相对于电源频率的倍数,图6-14交流调功电路的电流频谱图(M =3、N =2),/,4- 28,6.2.2 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。 与交流调功电路的区别
14、 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。 晶闸管投切电容（Thyristor Switched CapacitorTSC）,4- 29,6.3 交交变频电路,6.3.1 单相交交变频器6.3.2 三相交交变频器,4- 30,6.3.1 单相交交变频器,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。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。,4- 31,6.3.1 单相交交变频器,1 电路构
15、成和基本工作原理电路构成如图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。,图6-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,4- 32,6.3.1 单相交交变频器,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6-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,4- 33,6.3.1 单相交交变频器,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。,
