交流調(diào)壓與交交變頻1第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六

本章主要講述交流-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變頻電路改變頻率的電路交交變頻直接交直交變頻間接交流電力控制電路只改變電壓,電流或控制電路的通斷,而不改變頻率的電路。交流調(diào)壓電路相位控制交流調(diào)功電路通斷控制第4章交流調(diào)壓和交交變頻2第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六

4.1

交流調(diào)壓電路

原理兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對(duì)晶閘管的控制就可控制交流電力。

電路圖3第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六應(yīng)用

1燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)。

2異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。

3異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。

4供用電系統(tǒng)對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。

5在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。

4.1

交流調(diào)壓電路4第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六

4.1.1

單相交流調(diào)壓電路

4.1.2

三相交流調(diào)壓電路

4.1

交流調(diào)壓電路5第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt4.1.1單相交流調(diào)壓電路1)

電阻負(fù)載圖4-1

電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形

輸出電壓與α的關(guān)系:

移相范圍為0≤a

≤π。

a

=0時(shí)，輸出電壓為最大。Uo=U1,隨a

的增大，Uo降低，a

=π時(shí)，Uo=0。λ與a的關(guān)系:

a=0時(shí)，功率因數(shù)λ=1，a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，λ降低。6第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六負(fù)載上交流電壓有效值U與控制角α的關(guān)系為電流有效值

電路功率因數(shù)

電路的移相范圍為0~π。

7第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六2電感性負(fù)載的工作情況當(dāng)電源電壓反向過零時(shí)，由于負(fù)載電感產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時(shí)晶閘管導(dǎo)通角θ的大小，不但與控制角α有關(guān)，而且與負(fù)載阻抗角φ有關(guān)。兩只晶閘管門極的起始控制點(diǎn)分別定在電源電壓每個(gè)半周的起始點(diǎn)，α的最大范圍是。

8第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六單相交流調(diào)壓器電感性負(fù)載時(shí)的主電路和輸出波形

9第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六當(dāng)控制角為α?xí)r，Ug1

觸發(fā)VT1導(dǎo)通，流過VT1管的電流i2有兩個(gè)分量，即強(qiáng)制分量iB與自由分量iS，其強(qiáng)制分量為式中其自由分量為式中

τ—自由分量衰減時(shí)間常數(shù)，

10第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六流過晶閘管的電流即負(fù)載電流為當(dāng)α>φ時(shí)，電壓、電流波形如上圖所示。隨著電源電流下降過零進(jìn)入負(fù)半周，電路中的電感儲(chǔ)藏的能量釋放完畢，電流到零，VT1管才關(guān)斷。在ωt=0時(shí)觸發(fā)管子，ωt=

θ時(shí)管子關(guān)斷，將ωt=

θ代入式(3-5)可得11第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六當(dāng)取不同的φ角時(shí)，θ=f(α)的曲線如圖所示，

12第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六(1)當(dāng)α

>φ時(shí)穩(wěn)定分量iB與自由分量is如圖3-2(b)所示，疊加后電流波形i2的導(dǎo)通角θ<180，正負(fù)半波電流斷續(xù)，α愈大θ愈小，波形斷續(xù)愈嚴(yán)重。(2)當(dāng)α

=φ時(shí)電流自由分量is=0，i2=iB；θ=180。正負(fù)半周電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)，相當(dāng)于晶閘管失去控制，負(fù)載上獲得最大功率，此時(shí)電流波形滯后電壓φ角。(3)當(dāng)α

<φ時(shí)如果觸發(fā)脈沖為窄脈沖，則當(dāng)Ug2出現(xiàn)時(shí)，VT1的電流還未到零，VT2管受反壓不能觸發(fā)導(dǎo)通；待VT1中電流變到零關(guān)斷，VT2承受正壓時(shí)，脈沖已消失，

無法導(dǎo)通。這樣使負(fù)載只有正半波，電流出現(xiàn)很大的直流分量，電路不能正常工作。帶電感性負(fù)載時(shí)，晶閘管應(yīng)當(dāng)采用寬脈沖列，這樣在α

<φ時(shí)，雖然在剛開始觸發(fā)晶閘管的幾個(gè)周期內(nèi)，兩管的電流波形是不對(duì)稱的，但當(dāng)負(fù)載電流中的自由分量衰減后，負(fù)載電流即能得到完全對(duì)稱連續(xù)的波形，電流滯后電源電壓φ角，但實(shí)際是晶閘管是不可控的。所以晶閘管的移相范圍。

13第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六綜上所述，單相交流調(diào)壓可歸納為以下三點(diǎn)：①帶電阻性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流波形與單相橋式可控整流交流側(cè)電流波形一致，改變控制角α可以改變負(fù)載電壓有效值。②帶電感性負(fù)載時(shí)，不能用窄脈沖觸發(fā)，否則當(dāng)α

<φ時(shí)會(huì)發(fā)生有一個(gè)晶閘管無法導(dǎo)通的現(xiàn)象，電流出現(xiàn)很大的直流分量。③帶電感性負(fù)載時(shí)，α

的移相范圍為φ~180

，帶電阻性負(fù)載時(shí)移相范圍為0~180。

14第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六圖4-４a<j時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形當(dāng)阻感負(fù)載,a

<j時(shí)電路工作情況。圖4-３阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路VT1的導(dǎo)通時(shí)間超過π。觸發(fā)VT2時(shí)，

io尚未過零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不會(huì)導(dǎo)通。io過零后，VT2才可開通，VT2導(dǎo)通角小于π。衰減過程中，VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短，VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長。4.1.1單相交流調(diào)壓電路15第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六4.1.1單相交流調(diào)壓電路a=φ16第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六4.1.2三相交流調(diào)壓電路根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式圖4-8三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)b)線路控制三角形聯(lián)結(jié)c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)d)中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)17第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六三線四相基本原理：相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開120°工作。1)星形聯(lián)結(jié)電路

可分為三線三相和三線四相圖4-8三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)4.1.2三相交流調(diào)壓電路18第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六三相三線，主要分析阻負(fù)載時(shí)的情況圖4-8三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)4.1.2三相交流調(diào)壓電路任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路。電流通路中至少有兩個(gè)晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1~VT6,依次相差60°。相電壓過零點(diǎn)定為a的起點(diǎn)，a角移相范圍是0°~150°。19第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六(1)0°≤a<60°：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180°－a

。但a=0°時(shí)一直是三管導(dǎo)通。圖4-9不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形a)a=30°4.1.2三相交流調(diào)壓電路20第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六60°≤a<90°：兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120°。(2)圖4-9不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形b)a

=60°4.1.2三相交流調(diào)壓電路21第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六(3)90°≤a<150°：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為300°－2a。圖4-9不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形

c)a=120°4.1.2三相交流調(diào)壓電路22第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六2）

支路控制三角聯(lián)結(jié)電路

圖4－8三相交流調(diào)壓電路c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)4.1.2三相交流調(diào)壓電路由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作。單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適用。輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個(gè)負(fù)載相電流之和。23第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六典型用例——晶閘管控制電抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，稱為靜止無功補(bǔ)償裝置(StaticVarCampensator—SVC），用來對(duì)無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以補(bǔ)償電壓波動(dòng)或閃變。圖4-10晶閘管控制電抗器(TCR)電路4.1.2三相交流調(diào)壓電路控制a角可連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)無功功率。24第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六4.1.4

其他交流電力控制電路1

交流調(diào)功電路2

交流電力電子開關(guān)25第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六4.1.4

交流調(diào)功電路1、交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點(diǎn)

電路形式完全相同不同點(diǎn)

控制方式不同交流調(diào)壓電路在每個(gè)電源周期都對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制。交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期,在斷開幾個(gè)周期,通過通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。26第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六電阻負(fù)載時(shí)的工作情況2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導(dǎo)通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12圖4-12交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)圖4－1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路4.1.4

交流調(diào)功電路控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后M－N個(gè)周期關(guān)斷。負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期。27第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六4.1.4交流調(diào)功電路28第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六2

交流電力電子開關(guān)概念把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。優(yōu)點(diǎn)響應(yīng)速度快，無觸點(diǎn)，壽命長，可頻繁控制通斷。與交流調(diào)功電路的區(qū)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(jù)需要控制電路的接通和斷開?？刂祁l度通常比交流調(diào)功電路低得多。29第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六晶閘管投切電容（ThyristorSwitched——Capacitor——TSC）圖4-15TSC基本原理圖a)基本單元單相簡圖b)分組投切單相簡圖2

交流電力電子開關(guān)作用對(duì)無功功率控制，可提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量。性能優(yōu)于機(jī)械開關(guān)投切的電容器。結(jié)構(gòu)和原理晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路。實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。30第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六晶閘管的投切選擇晶閘管投入時(shí)刻的原則：該時(shí)刻交流電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖4-16TSC理想投切時(shí)刻原理說明2

交流電力電子開關(guān)31第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式2

交流電力電子開關(guān)由于二極管的作用，在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值。成本稍低，但響應(yīng)速度稍慢，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖4-16TSC理想投切時(shí)刻原理說明32第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六4.2

交交變頻電路

4.2.1

單相交交變頻器

4.2.2

三相交交變頻器33第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六4.2.1

單相交交變頻器晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)

把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，屬于直接變頻電路。廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。34第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六4.2.1單相交-交變頻電路

1基本結(jié)構(gòu)和工作原理單相交-交變頻電路由兩組反并聯(lián)的晶閘管整流器構(gòu)成，和直流可逆調(diào)速系統(tǒng)用的四象限變換器完全一樣，兩者的工作原理也相似。圖

單相交-交變頻器的主電路及輸出電壓波形

35第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六(1)方波型交-交變頻器當(dāng)正組供電時(shí)，負(fù)載上獲得正向電壓；當(dāng)反組供電時(shí)，負(fù)載上獲得負(fù)向電壓。如果在各組工作期間α角不變，則輸出電壓為矩形波交流電壓，如圖(b)所示。改變正反組切換頻率可以調(diào)節(jié)輸出交流電的頻率，而改變的α大小即可調(diào)節(jié)矩形波的幅值。(2)正弦波型交-交變頻器正弦波型交-交變頻器的主電路與方波型的主電路相同，但正弦波型交-交變頻器輸出電壓的平均值按正弦規(guī)律變化，克服了方波型交-交變頻器輸出波形高次諧波成分大的缺點(diǎn)。在正組橋整流工作時(shí)，使控制角α從，輸出的平均電壓由低到高再到低的變化。而在正組橋逆變工作時(shí)，使控制角α從，就可以獲得平均值可變的負(fù)向逆變電壓。

36第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六ZOwt方波交交變頻正弦波交交變頻37第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六①輸出正弦波形的調(diào)制方法最常用的方法是余弦交點(diǎn)法，該方法的原則是：觸發(fā)角的變化和切換應(yīng)使得整流輸出電壓的瞬時(shí)值與理想正弦電壓的瞬時(shí)值誤差最小。正弦波型交-交變頻器適合于低頻大功率的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，最高輸出頻率是輸入頻率的1/3或1/2。②輸出電壓有效值和頻率的調(diào)節(jié)交-交變頻電路的輸出電壓是由若干段電源電壓拼接而成的。在輸出電壓的一個(gè)周期內(nèi)，所包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。使控制角從，改變?chǔ)?，就改變了輸出電壓的峰值，也就改變了輸出電壓的有效值；改變?chǔ)磷兓乃俾?，也就改變了輸出電壓的頻率。

38第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六輸出正弦波電壓的調(diào)制方法最基本的、廣泛使用的余弦交點(diǎn)法。設(shè)Ud0為a

=0時(shí)整流電路的理想空載電壓，則有

(4-15）

每次控制時(shí)a角不同表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值。圖4-21余弦交點(diǎn)法原理39第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六設(shè)期望的正弦波輸出電壓為

(4-16）比較式(4-15)和(4-16)，應(yīng)使

g

稱為輸出電壓比：

圖4-21余弦交點(diǎn)法原理40第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六圖4-21余弦交點(diǎn)法原理余弦交點(diǎn)法基本公式

(4-18)余弦交點(diǎn)法圖解線電壓uab、uac

、ubc

、uba

、uca和ucb依次用u1~u6表示。相鄰兩個(gè)線電壓的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)于a

=0。41第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六u1~u6所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)分別用us1~us6表示us1~us6比相應(yīng)的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相應(yīng)線電壓a

=0的時(shí)刻對(duì)應(yīng)。以a

=0為零時(shí)刻，則us1~us6為余弦信號(hào)。希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發(fā)時(shí)刻由相應(yīng)的同步電壓us1~us6的下降段和uo的交點(diǎn)來決定。圖4-21余弦交點(diǎn)法原理42第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六不同g

時(shí)，在uo一周期內(nèi)，a隨wot變化的情況。圖中，

g較小，即輸出電壓較低時(shí)，a只在離90°很近的范圍內(nèi)變化，電路的輸入功率因數(shù)非常低。圖4-22不同g時(shí)a和wot的關(guān)系43第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六2無環(huán)流控制及有環(huán)流控制為保證負(fù)載電流反向時(shí)無環(huán)流，系統(tǒng)必須留有一定的死區(qū)時(shí)間，這就使得輸出電壓的波形畸變?cè)龃?。為了減小死區(qū)的影響，應(yīng)在確保無環(huán)流的前提下盡量縮短死區(qū)時(shí)間。另外，在負(fù)載電流發(fā)生斷續(xù)時(shí)，相同α角時(shí)的輸出電壓被抬高，這也造成輸出波形的畸變。電流死區(qū)和電流斷續(xù)的影響限制了輸出頻率的提高。有環(huán)流控制方式和直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中的有環(huán)流方式類似，在正反兩組變換器之間設(shè)置環(huán)流電抗器。運(yùn)行時(shí)，兩組變換器都施加觸發(fā)脈沖，并使正組觸發(fā)角α1和反組觸發(fā)角α2保持α1+α2=180o的關(guān)系。該方式使輸出波形的畸變得以改善，還可提高輸出上限頻率。但在運(yùn)行時(shí)，有環(huán)流方式的輸入功率比無環(huán)流方式略有增加，使效率有所降低。

44第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六交-交變頻器的特點(diǎn)交-交變頻器由于其直接變換的特點(diǎn)，效率較高，可方便地進(jìn)行可逆運(yùn)行。主要缺點(diǎn)是：①功率因數(shù)低。②主電路使用晶閘管元件數(shù)目多，控制電路復(fù)雜。③變頻器輸出頻率受到其電網(wǎng)頻率的限制，最大變頻范圍在電網(wǎng)二分之一以下。交-交變頻器一般只適用于球磨機(jī)、礦井提升機(jī)、電動(dòng)車輛、大型軋鋼設(shè)備等低速大容量拖動(dòng)場合。

45第四十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六3單相交-交變頻電路將兩組三相可逆整流器反并聯(lián)即可構(gòu)成單相變頻電路。三相半波-單相交-交變頻電路

三相橋式-單相交-交變頻電路

46第四十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六4.2.2

三相交交變頻電路

由三組輸出電壓相位各差120°的單相交交變頻電路組成。1)

電路接線方式公共交流母線進(jìn)線方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路。47第四十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期六(1)公共交流母線進(jìn)線方式圖4-24公共交流母線進(jìn)線三相交交變頻電路（簡圖）4.2.2

三相交交變頻電路由三組彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位相互錯(cuò)開120°的單相交交變頻電路構(gòu)成。電源進(jìn)線通過進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上。因?yàn)殡娫催M(jìn)線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組