1、电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路 本章主要讲述 交流交流-交流变流电路交流变流电路 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 通断控制第四章第四章 交流电力控制电路和交交变频电路交流电力控制电路和交交变频电路返回返回电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路4.1 交流调压电路交流调压电路 交流调压电路的调压方式交流调压电路的调压方式：通断控制：通断控制：改变晶闸管通断时间比值达到调压的目的。改
2、变晶闸管通断时间比值达到调压的目的。相位控制：相位控制：使晶闸管在电源电压每一周期中，选定的时使晶闸管在电源电压每一周期中，选定的时刻内将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的刻内将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。目的。斩波控制：一般用于全控型器件。斩波控制：一般用于全控型器件。交流调压的应用：交流调压的应用：调温的工频加热和感应加热调温的工频加热和感应加热 灯光调节灯光调节 泵及风机的感应电动机调速泵及风机的感应电动机调速 变压器的初级调压变压器的初级调压电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 一一.电阻性负
3、载电阻性负载 )t(d)tsinU2(1U21o 2sin21U1RUIOo )t(d)RtsinU2(21I21VT)22sin1(21RU1 O1OOIUIUSP 2sin21UU1O正负半周正负半周 起始时刻起始时刻（00）均为电压过零时刻，稳均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的态时，正负半周的 相等，负载电压波形是电源电压相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同。压的波形相同。移相范围为：移相范围为：0 。=0时，时，Uo=U1。=时，时，Uo=0。Ou1uoiouVTtOtOtOt电力电子技术
4、电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路二二.电感性负载电感性负载负载阻抗角：负载阻抗角：j j=arctan(L/R)时时,i0的导通角的导通角180,正负半波电流正负半波电流间断间断,且且越大越大,越小越小,波形间断越严重。波形间断越严重。=时时,波形为正弦波，且导通角波形为正弦波，且导通角=180=180,正负半周电流处于临界连续状态正负半周电流处于临界连续状态,负载上获负载上获得最大功率得最大功率,电流滞后电压电流滞后电压角。角。180，窄脉冲时窄脉冲时:当当uG2出现时出现时,VT1的电流还未到零的电流还未到零,VT2不能导通不能导通,出现很大的直流分量。出现很大的直流分量。晶
5、闸管短接时，稳态时负载晶闸管短接时，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为的角度为j j。在用晶闸管控制时，只能进在用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前。为滞后，而无法使其超前。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路tttt图4-5OOOOu1iG1iG2iojiT1iT2当阻感负载,j 时电路工作情况。VTVT1 1的导通时间超过的导通时间超过 。触发触发VTVT2 2时，时，io尚未过零尚未过零，VTVT1 1仍导通，仍导通，VTVT2 2不会导通。不会导通。i io o过零后，过零
6、后，VTVT2 2才可才可开通，开通，VTVT2 2导通角小于导通角小于。衰减过程中，衰减过程中，VTVT1 1导通时间导通时间渐短，渐短，VTVT2 2的导通时间渐长。的导通时间渐长。宽脉冲触发：宽脉冲触发：带电感负载时带电感负载时,最小控制角最小控制角=,此时此时UO最大最大 所以所以的移相范围为的移相范围为180。电路达到稳态时相当于电路达到稳态时相当于=的状态的状态。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路三、斩控式交流调压电路三、斩控式交流调压电路在交流电源u1的正半周RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3斩控式交流调压电路用V1进行斩波控
7、制用V3给负载电流提供续流通道电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V2进行斩波控制用V4给负载电流提供续流通道在交流电源u1的负半周l 设斩波器件（设斩波器件（V V1 1或或V V2 2）导通时间为导通时间为t tonon，开关周期为开关周期为T T，则导通比则导通比a =t tonon/T T，和直和直流斩波电路一样，通过改变流斩波电路一样，通过改变a 可调节输出可调节输出电压。电压。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路 特性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
8、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。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 三相交流调压器正常工作的基本条件三相交流调压器正常工作的基本条件1.在三相电路中至少有一相正向晶闸管在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。与另一相反向晶闸管同时导通。2.为了保证电路起始工作时两个晶闸管为了保证电路起始工作时两个晶闸管能同时导通，并且在感性负载和控制能同时导通，并且在感性负载和控制角较大时，也能使不同相的正、反两角较大时，也能使不同相的正、反两个晶闸管同时
9、导通，要求采用宽脉冲，个晶闸管同时导通，要求采用宽脉冲，或者双窄触发脉冲电路。或者双窄触发脉冲电路。3.各触发信号应与相应的交流电源电压各触发信号应与相应的交流电源电压相序一致，并且与电压同步相序一致，并且与电压同步。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路n负载acn负载abca)b)负载abcc)负载bd)图4-9abcuaubuciaUa0nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2a)a)星形联结星形联结 b)b)线路控制三角形联结线路控制三角形联结c)c)支路控制三角形联结支路控制三角形联结 d)d)中点控制三角形联结中
10、点控制三角形联结电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路图4-10c)晶闸管导通区间a)晶闸管导通区间晶闸管导通区间b)4 32 35 3302 4 32 35 3302 4 32 35 3302 uaouaouaouauauauab2uac2uab2uac2uab2uac2t1t2t3t1t2t3VT1VT3VT4VT6VT1VT6VT2VT5VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT5VT4VT2VT4VT6图4-10 不同角时负载相电压波形a)=30 b)=60 c)=120 1）0 0
11、a a 6060，三个晶三个晶闸管导通与两个晶闸管导通闸管导通与两个晶闸管导通交替，每个晶闸管导通角度交替，每个晶闸管导通角度为为180180a a 。但但a a =0=0时，时，一直是三管导通一直是三管导通 2）6060 a a 90 90，任一任一时刻两个晶闸管导通，每时刻两个晶闸管导通，每个晶闸管导通角度个晶闸管导通角度120120 3）9090 a a 150150，两个两个晶闸管导通与无晶闸管导通晶闸管导通与无晶闸管导通交替，每个晶闸管导通角度交替，每个晶闸管导通角度为为3003002 2 a a，导通角度被导通角度被分割为不连续的两部分，在分割为不连续的两部分，在半周波内形成两个断
12、续的波半周波内形成两个断续的波头，各占头，各占1500-1500-a a。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路l 电流中含有很多谐波，进行傅里叶分析可知，其中电流谐波次数电流中含有很多谐波，进行傅里叶分析可知，其中电流谐波次数 为为6 6k k1(1(k k=1=1，2 2，3 3，)。l 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。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。l 谐波次数越低，含量越大。谐波次数越低，含量越大。l 和单相交流调压电路相比，没有和单相交流调压电路相比，没有3 3的整数倍次谐波，因三相对称的整数倍次谐波，因三相对称 时
13、，它们不能流过三相三线电路。时，它们不能流过三相三线电路。l a=j时，负载电流最大且为正弦波。时，负载电流最大且为正弦波。l 电感大时。谐波电流的含量要小些。电感大时。谐波电流的含量要小些。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路2支路控制三角联结电路支路控制三角联结电路负载abcc)nuaubucia图4-9 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电路分别在不同的线电压作用下单独工作。独工作。由于三相对称负载相电流中的由于三相
14、对称负载相电流中的3 3的的整数倍次谐波相位和大小相同，它整数倍次谐波相位和大小相同，它们在三角形回路中流动，而不出现们在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。在线电流中。线电流中所谐波次数为线电流中所谐波次数为6 6k k1(1(k k为为正整数正整数)。在相同负载和在相同负载和a a角时，线电流中谐角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。波含量少于三相三线星形电路。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（ThyristorThyristor Controlled Reactor Contro
15、lled ReactorTCRTCR），），电路电路图如图如4-114-11所示所示u a a移相范围为移相范围为9090 180 180，通过对通过对a a角的控制可连续调节流角的控制可连续调节流过电抗器的电流，从而调节电过电抗器的电流，从而调节电路从电网中吸收的无功功率。路从电网中吸收的无功功率。u 如配以固定电容器，就可如配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为调节无功功率，称为静止无功静止无功补偿装置。补偿装置。用来对无功功率进用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。或闪变。负载uaiaubucnba
16、c电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路 交流调功电路与交流调压电路的异同比较相同点相同点 电路形式完全相同完全相同不同点不同点 控制方式不同不同交流调压电路在每个电源周期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,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。4.2 4.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路 4.2.14.2.1交流调功电路交流调功电路:以交流电源周波数为控制单位。以交流电源周波数为控制单位。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路 电阻负载时的工作情况2 NM电源周期控制周期=M倍
17、电源周期=24MO导通段=M3M2Muou1uo,iotU12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。应用：常用于电炉的温度控制；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。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路概念概念 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
18、交流调功电路低得多。4.2.24.2.2交流电力电子开关交流电力电子开关对电路通断进行控制对电路通断进行控制电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(CycloconvertorCycloconvertor)u 把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路属于直接变频电路。u 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。4.3 4.3 交交变频电路交交变频电路电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路1)电路构成和基本工作原理ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoP
19、=0P=2P=2t电路构成由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。4.3.14.3.1单相交交变频电路单相交交变频电路 电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路工作原理工作原理P组工作时，负载电流io为正正。N组工作时，io为负负。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o。改变变流电路的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoP=0P=2P=2t电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电
20、电 路路2整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态 两组变流电路采取两组变流电路采取无环流无环流工作方式，即一组变流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。t1t3期间：期间：io正半周正半周，正组工作，反组被封锁。，正组工作，反组被封锁。t1 t2：uo和和io均为正，正组整流，输出功率为正均为正，正组整流，输出功率为正t2 t3：uo反向，反向，io仍为正，正组逆变，输出功仍为正，正组逆变，输出功率为负。率为负。t3 t5期间：期间：io负半周，反组工作，正组被封锁。负半周，反组工作，正组被封锁。t3 t4：uo和和io均为负，反
21、组整流，输出功率为正。均为负，反组整流，输出功率为正。t4 t5：uo反向，反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负仍为负，反组逆变，输出功率为负a)整流逆变阻断图4-19b)PNttttt整流逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP小结小结：哪一组工作由哪一组工作由io方向决定，与方向决定，与uo极性无关。极性无关。工作在整流还是逆变，则根据工作在整流还是逆变，则根据uo方向与方向与io方向方向是否相同确定。是否相同确定。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路 当uo和io的相位差小于90时，一周期内电网向负
22、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。1OO23456图4-20uoiott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，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 时正组工作，封锁负组，时正组工作，封锁负组，i0 0 时负组工作，封锁正组时负组工作，封锁正组优点优点：无组间环流，成本低，损耗小。
23、无组间环流，成本低，损耗小。缺点：缺点：需要检测电流过零点，控制复杂，控制失败时，造成组间电源短路需要检测电流过零点，控制复杂，控制失败时，造成组间电源短路，输出电流存在死区，波形畸变。，输出电流存在死区，波形畸变。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路交交变频器控制方法：交交变频器控制方法：余弦交点法：余弦交点法：给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点处产生各晶闸给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点处产生各晶闸管的触发脉冲。管的触发脉冲。改变给定曲线的频率和幅值，可控制输出电压的频率和大小。改变给定曲线的频率和幅值，可控制输出电压的频率和大小。cosUudoo 每次控制间隔
24、内输出电压的平均值：每次控制间隔内输出电压的平均值：要得到的正弦波输出电压为：要得到的正弦波输出电压为：tsinUuoomo tsintsinUUcosoodoom 输出电输出电压比压比)tsinarccos(o 图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4tt电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路 交交变频器输出频率：交交变频器输出频率：f0/fi=1/2 时，半周期内有时，半周期内有 6 6 脉波，谐波大脉波，谐波大 f0/fi=1/3 时，半周期内有时，半周期内有 9 9 脉波，谐波较小脉波，谐波较小 f0/fi=1/6 时，半周
25、期内有时，半周期内有 18 18 脉波，谐波小脉波，谐波小 为了减小谐波含量，为了减小谐波含量，降低负载转矩脉动，降低负载转矩脉动，应保证应保证 f0/fi 1/3 ，即即 f0 16.7 Hz 。对三相桥式电路而言，输出上对三相桥式电路而言，输出上限频率不高于电网频率的限频率不高于电网频率的1213，约为，约为20Hz。电力电子技术电力电子技术交交 流流 控控 制制 电电 路路交交变频器的优点：交交变频器的优点：无中间直流环节，损耗小，效率高。无中间直流环节，损耗小，效率高。开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用，采用电源自然换相，不需强迫开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用，采用电源自然换相，不需强迫换流电路。可以实现能量反馈，使电机作四象限运行。输出低频时，谐波换流电路。可以实现能量反馈，使电机作四象限运行。输出低频时，谐波含量小，负载转矩脉动低。含量小，负载转矩脉动低。因此适用于大功率、低速交流传动领域。因此适用于大功率、低速交流传动领域。交交变频器的缺点：交交变频器的缺点：晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂。晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂。最高输出频率受限制，最高输出频率受限制，f0/fi 1/3 。输入侧功率因数低，当输出电压较低时，功率因数更低。输入侧功率因数低，当输出电压较低时，功率因数更低。返回返回
