第6章交交变换2016.

第6章交流-交流变流电路26.1交流-交流变流电路概述6.2交流调压电路6.3其他交流电力控制电路6.4交交变频电路第6章交流-交流变流电路36.1交流-交流变流电路概述■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。包括电压、电流、频率、相数等。■交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环节）和间接方式（有中间直流环节）两种。■直接方式◆交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路。◆变频电路：改变频率的电路。4■交流电力控制电路的结构及类型◆两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管就可控制交流电力◆交流调压电路——每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值◆交流调功电路——以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值◆交流电力电子开关——并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路，6.2交流调压电路56.2交流调压电路■交流调压电路的应用：◆灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）◆异步电动机软起动◆异步电动机调速◆供用电系统对无功功率的连续调节◆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66.2.1单相交流调压电路1．电阻负载工作原理：在u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压正负半周a起始时刻（a=0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a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）和负载电压的波形相同RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图6-1电阻负载单相交流调压电路及其波形7aaa==2sin21dsin21121oUttUURUIoo=)22sin1(21sin221121aaa==RUtdRtUITaa====2sin211oo1ooUUIUIUSPRO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图6-2电阻负载单相交流调压电路及其波形6.2.1单相交流调压电路☞负载电压有效值Uo☞负载电流有效值Io☞晶闸管电流有效值IT☞功率因数◆a的移相范围为0≤a≤，随着a的增大，Uo逐渐降低，逐渐降低。86.2.1单相交流调压电路输出电压与a的关系:移相范围为0≤a≤π。a=0时，输出电压为最大，Uo=U1。随a的增大，Uo降低，a=π时，Uo=0。λ与a的关系：a=0时，功率因数λ=1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低92．阻感负载阻感负载时a的移相范围负载阻抗角：j=arctan(L/R)晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j在用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前a=0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j≤a≤πRL0.6图4-2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt图6-3阻感负载单相交流调压电路及其波形6.2.1单相交流调压电路106.2.1单相交流调压电路在ωt=a时刻开通VT1，负载电流满足0sin2ddo1oo===atitURitiLaajajja=tetZUittg1o)sin()sin(2解方程得θ为晶闸管导通角22)(LRZ=jjajatg)sin()sin(=eVT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180°0201006014018020100图4-360/(°)180140a/(°)j=90°75°60°45°30°15°0°图6-4单相交流调压电路以j为参变量的θ和a关系曲线11负载电流有效值IVT的标么值0To2II=1TTN2UZII=图6-5单相交流调压电路j为参变量时IVTN和a关系曲线图4-4j=90°0.10.20.30.40.51601800401208075°60°45°j=0a/(°)IVTN1800.590450j=6.2.1单相交流调压电路12数量关系负载电压有效值晶闸管电流有效值)22sin(2sin1)()sin2(1121oaaaa==UtdtUUjjacos)2cos(sin21=ZU=aajajaj)d()sin()sin(2212tg1VTtetZUIt6.2.1单相交流调压电路13aj时的工作情况VT1提前通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过π触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不通io过零后，VT2开通，VT2导通角小于π方程式(4-5)和(4-6)所得io表达式仍适用，只是a≤ωt∞过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt=a(aj)时合闸的过渡过程相同io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量6.2.1单相交流调压电路14衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长稳态的工作情况和a=j时完全相同tttt图4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2图6-6aj时阻感负载交流调压电路工作波形6.2.1单相交流调压电路156.2.1单相交流调压电路====87.366435.0)86arctan()arctan(RXLjaja6435.0■例6-1一单相交流调压器，输入交流电压为220V，50Hz，负载为电阻电感，其中R=8W，XL=6W。试求a=/6、/3时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数。解：负载阻抗及负载阻抗角分别为：==1022LXRZ因此开通角a的变化范围为：即①当a=/6时，由于aj,因此晶闸管调压器全开放，输出电压为完整的正弦波，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为)(22220AZIIoin===166.2.1单相交流调压电路)(38722WRIPinin==3a=ejtan)6435.03sin()6435.03sin(=功率因数为8.0222203872o1===IUPin实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。②时，先计算晶闸管的导通角，由式（6-7）得解上式可得晶闸管导通角为：==2.156727.2178.0)727.26435.032cos(727.2sin727.2102220=)(55.13A=)(16.192AIIIVToin===jjacos)2cos(sin21VT=ZUI)(29372WRIPinin==697.016.192202937o1===IUPin6.2.1单相交流调压电路183．单相交流调压电路的谐波分析电阻负载的情况波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波式中==,5,3,1o)sincos()(nnntnbtnatu)12(cos2211=aUa)(22sin2211aa=Ub6.2.1单相交流调压电路19(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)基波和各次谐波有效值(n=1,3,5,7,…)(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=1)1cos(111)1cos(1121aannnnUan=aa)1sin(11)1sin(1121nnnnUbn22on21nnbaU=RUI/onon=060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角a/(°)In/I*/%20406080100图6-7电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量6.2.1单相交流调压电路206.2.1单相交流调压电路阻感负载的情况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a角相同时，随着阻抗角j的增大，谐波含量有所减少216.2.1单相交流调压电路4．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基本原理和直流斩波电路有类似之处u1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道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，改变a可调节输出电压226.2.1单相交流调压电路特性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功率因数接近1图6-8斩控式交流调压电路u1i1O图4-8uoOOttt图6-9电阻负载斩控式交流调压电路波形231.了解三相交流调压电路结构2.了解输出电压的组成：根据不同触发延迟角形成的不同相电压和1/2的线电压组成的分段电压6.2.2三相交流调压电路246.3其他交流电力控制电路以交流电源周波数为控制单位——交流调功电路对电路通断进行控制——交流电力电子开关25与交流调压电路的异同电路形式完全相同控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率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6.3交流调功电路26控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，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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M－N个周期关断6.3交流调功电路27当M=3、N=2时的电路波形如图6-10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M电源周期控制周期=M倍电源周期=24M图4-13O导通段=2NM3M2Muou1uo,iotU12图6-10交流调功电路典型波形(M=3、N=2)6.3交流调功电路286.3交流调功电路谐波情况图6-11的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值，Io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01214谐波次数相对于电源频率的次数图4-142461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m图6-11交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)296.3交流电力电子开关晶闸管反并联后串入交流电路作用：代替机械开关，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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30晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量性能优于机械开关投切的电容器结构和原理图6-12基本原理图（单相）实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)图6-12TSC基本原理图a)基本单元单相简图b)分组投切单相简图6.3.2交流电力电子开关31两个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的作用串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流实际工程中，为避免电容器组投切造成较大冲击，一般把电容器分成几组，可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量TSC实际上为断续可调的动态无功功率补偿器IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)图6-13TSC基本原理图a)基本单元单相简图b)分组投切单