第6章 交流-交流變流電路

4-1

引言

6.1交流調(diào)壓電路

6.2其他交流電力控制電路

6.3交交變頻電路

6.4矩陣式變頻電路

本章要點第

6

章交流-交流變流電路（C）4-2

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

6

章交流電力控制電路和交交變頻電路（C）4-36.1

交流調(diào)壓電路

一般中小功率應用中可用一只雙向晶閘管代替兩只反并聯(lián)的普通晶閘管，以簡化電路。（B）注：與晶閘管相控整流電路相比在控制上有何區(qū)別?原理電路圖

兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可控制交流電力。 4-4應用

1、燈光控制(

如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制)。

2、異步電動機軟起動。

3、異步電動機調(diào)速。

4、供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(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。6.1

交流調(diào)壓電路

6.1.1

單相交流調(diào)壓電路

6.1.2

三相交流調(diào)壓電路（B）4-56.1.1單相交流調(diào)壓電路圖6-1電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形

工作原理Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt1)

電阻負載（A）

在u1的正半周和負半周，分別對

VT1和VT2

的開通角度

a進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。

正負半周a起始時刻(a

=0

)

均為電壓過零時刻，穩(wěn)態(tài)時正負半周的a相等。負載電壓波形是電源電壓的一部分，負載電流(

也即電源電流)

和負載電壓的波形相同。4-66.1.1單相交流調(diào)壓電路圖6-1電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形

數(shù)量關(guān)系

負載電壓有效值：

負載電流有效值：晶閘管電流有效值：功率因數(shù)：Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt（A）（6-1）（6-2）（6-4）（6-3）

4-76.1.1單相交流調(diào)壓電路圖6-1電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形

a=0時，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。Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt（C）λ與a

的關(guān)系4-8

6.1.1單相交流調(diào)壓電路2)阻感負載

0.6Ou1

OOwtOuG1OO圖6-2阻感負載單相交流調(diào)壓電路及其波形

負載阻抗角：

j

=arctan(w

L/R)VT1（B）(4-10)若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j

，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。a

=0時刻仍定為u1過零的時刻，a的移相范圍應為j

≤a

≤π。負載電流有效值：

uG2uoiouvtwtwtwtwtwt4-9圖6-3單相交流調(diào)壓電路以j為參變量的θ和a關(guān)系曲線

wt=a

時刻開通晶閘管VT1，可求得晶閘管導通角θ

（6-7）

以j

為參變量，利用式(6–7)

可把a和θ的關(guān)系表示成右圖。6.1.1單相交流調(diào)壓電路（B）4-10圖6-5a<j時阻感負載交流調(diào)壓電路工作波形當阻感負載，a

<j時寬觸發(fā)脈沖電路工作情況：圖4-2阻感負載單相交流調(diào)壓電路

6.1.1單相交流調(diào)壓電路（C）4-11當阻感負載，a

<j時窄觸發(fā)脈沖電路工作情況：

6.1.1單相交流調(diào)壓電路（C）當你要做交流調(diào)壓，要先知道感性負載的阻抗角，而觸發(fā)角要大于阻抗角才能夠有交流調(diào)壓的效果！4-123)單相交流調(diào)壓電路的諧波分析

電阻負載

由于波形正負半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波。

基波和各次諧波有效值：

負載電流基波和各次諧波有效值：

電流基波和各次諧波標幺值隨

a變化的曲線（基準電流為a

=0時的有效值）如圖6-6所示。圖6-6電阻負載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量6.1.1單相交流調(diào)壓電路（C）（6–12）（6–13）（6–14）4-13

電流諧波次數(shù)和電阻負載時相同，也只含有3、5、7…等次諧波。隨著次數(shù)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a角相同時，隨著阻抗角j的增大，諧波含量有所減少。

阻感負載6.1.1單相交流調(diào)壓電路（C）4-14特性圖6-8電阻負載斬控式交流調(diào)壓電路波形6.1.1單相交流調(diào)壓電路電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)為

1。電源電流不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波。功率因數(shù)接近

1。（B）4)斬控式交流調(diào)壓電路注：如何實現(xiàn)輸出電壓、輸出電流或功率因數(shù)的調(diào)節(jié)？4-15

斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1

的正半周圖6-7斬控式交流調(diào)壓電路6.1.1單相交流調(diào)壓電路用V1進行斬波控制用V3

給負載電流提供續(xù)流通道（C）4-16用V2進行斬波控制用V4給負載電流提供續(xù)流通道圖6-7斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1

的負半周6.1.1單相交流調(diào)壓電路（C）4-176.1.1單相交流調(diào)壓電路組合交流雙向開關(guān)a)b)注：1、請再回顧一下IGBT的驅(qū)動和保護電路。

2、b)圖雙向開關(guān)用一路驅(qū)動電路控制能否正常工作？在什么情況下可以？此時對驅(qū)動電路有何特殊要求？（A）

圖4-7的器件組合(圖a))，還可用圖b)和c)電路代替。圖b)電路由兩只帶續(xù)流二極管的IGBT反串組成，一般需要兩路驅(qū)動電路，但可共用一路驅(qū)動電源。圖c)電路僅由一只

IGBT

和一只整流橋組成，用一路驅(qū)動信號，但回路中增加了一只二極管，相應加大了功耗。c)4-186.1.2三相交流調(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6-9三相交流調(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)中點控制三角形聯(lián)結(jié)（B）4-19

基本原理：相當于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120

工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線。問題：三相中

3倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有很大

3倍次諧波電流。a

=90°時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。1)星形聯(lián)結(jié)電路

——可分為三相三線和三相四線圖6-9三相交流調(diào)壓電路a)

星形聯(lián)結(jié)6.1.2三相交流調(diào)壓電路（B）

三相四線（n–n’短接）

4-20三相三線

——主要分析電阻負載時的情況圖6-9三相交流調(diào)壓電路a)

星形聯(lián)結(jié)6.1.2三相交流調(diào)壓電路任一相導通須和另一相構(gòu)成回路。電流通路中至少有兩個晶閘管，應采用雙脈沖或?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

。（B）

相電壓過零點定為a的起點，

a

角移相范圍是0°~150

。4-21(1)0

≤

a

<60

：三管導通與兩管導通交替，每管導通180-

a

。 但a

=0°時一直是三管導通。圖6-10不同a角時負載相電壓波形a)

a=30°6.1.2三相交流調(diào)壓電路（B）4-2260

≤

a

<90

：(2)圖6-10不同a角時負載相電壓波形b)

a

=60°6.1.2三相交流調(diào)壓電路（B）兩管導通，每管導通120

。4-23(3)90

≤

a

<150

：兩管導通與無晶閘管導通交替，導通角度為300-2a。圖6-10不同a角時負載相電壓波形

c)a=120°6.1.2三相交流調(diào)壓電路（B）4-24諧波情況6.1.2三相交流調(diào)壓電路電流諧波次數(shù)為6

k±1(k=1，2，3，…)，和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流所含諧波的次數(shù)完全相同。諧波次數(shù)越低，含量越大。和單相交流調(diào)壓電路相比，沒有

3

倍次諧波，因三相對稱時，它們不能流過三相三線電路。（C）4-252)支路控制三角聯(lián)結(jié)電路

圖4-9三相交流調(diào)壓電路c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)6.1.2三相交流調(diào)壓電路

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負載相電流之和。線電流中無3

倍次諧波，在相同負載和a角時，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。（B）由三個單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作。4-26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，稱為靜止無功補償裝置(

StaticVarCampensator—SVC)，用來對無功功率進行動態(tài)補償，以補償電壓波動或閃變。圖6-11晶閘管控制電抗器

(

TCR

)

電路6.1.2三相交流調(diào)壓電路a移相范圍為：

90

~180

。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。（C）

4-276.1.2

三相交流調(diào)壓電路

交流電力電子開關(guān)正反轉(zhuǎn)控制反接制動能耗制動調(diào)壓調(diào)速例：晶閘管電機控制電路及應用

——用無觸點開關(guān)實現(xiàn)交流電機的控制UVW注：若省去W相一路電子開關(guān)，電路能否正常工作？有何利弊？（A）4-286.2

其他交流電力控制電路6.2.1交流調(diào)功電路6.2.2交流電力電子開關(guān)（C）4-296.2.1

交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點電路形式完全相同不同點控制方式不同交流調(diào)壓電路在每個電源周期都對輸出電壓波形進行控制。交流調(diào)功電路是將負載與交流電源接通幾個周期，再斷開幾個周期，通過通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。（C）

4-30電阻負載時的工作情況2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12圖6-13交流調(diào)功電路典型波形(

M=3、N=2)圖6-1電阻負載單相交流調(diào)壓電路6.2.1

交流調(diào)功電路控制周期為M

倍電源周期，晶閘管在前N個周期導通，后M－N

個周期關(guān)斷。負載電壓和負載電流

(也即電源電流

)的重復周期為M倍電源周期。（C）4-31諧波情況相對于控制周期的次數(shù)相對于電源周期的次數(shù)圖6-14交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(

M=3、N=2)051234012142461080.60.50.40.30.20.1In/I0m6.2.1

交流調(diào)功電路

圖6-14的頻譜圖

(以控制周期為基準)。In為n次諧波有效值，Iom

為導通時電路電流有效值。以控制周期為基準，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波。在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。（B）

4-326.2.2

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，代替電路中的機械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。優(yōu)點：響應速度快，無觸點，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。（C）4-33晶閘管投切電容（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）圖6-15TSC基本原理圖a)

基本單元單相簡圖b)

分組投切單相簡圖6.2.2

交流電力電子開關(guān)作用（B）

晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路。實際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。

對無功功率控制，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)于機械開關(guān)投切的電容器。結(jié)構(gòu)和原理

4-346.3交交變頻電路

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機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。

6.3.1

單相交交變頻電路

6.3.2

三相交交變頻電路（B）4-35圖6-18單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形6.3.1

單相交交變頻電路

電路構(gòu)成如圖4-18，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動機可逆調(diào)速用的四象限變流電路完全相同。變流器P和N都是相控整流電路，電路形式一般為三相橋式全控整流電路，見教材第56頁圖3-18。任何時刻P組和N組不能同時工作。（B）

4-36P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。

圖6-18單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形6.3.1

單相交交變頻電路（C）

改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率wo

。改變變流電路的控制角

a，就可以改變交流輸出電壓的幅值。工作原理第4章第37頁6.3.1單相交交變頻電路3．輸出正弦波電壓的調(diào)制方法

介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點法設(shè)Ud0為a=0時整流電路的理想空載電壓，則有 (6-15)每次控制時a角不同，uo表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值期望的正弦波輸出電壓為

(6-16)

比較式(6-15)和(6-16)，應使

(6-17)g稱為輸出電壓比：■4-38為使

u0波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律調(diào)制

a

角。4.3.1

單相交交變頻電路

在半個周期內(nèi)讓P組a

角按正弦規(guī)律從

90

減到0

或某個值，再增加到

90

，每個控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)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(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。哪一組工作由i0方向決定，與u0極性無關(guān)。工作在整流還是逆變，則根據(jù)u0方向與i0方向是否相同確定。（B）詳細分析見教材第122頁。正弦輸出電壓的調(diào)制方法見教材第123頁。

4-39

當uo

和io的相位差小于90

時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負載提供能量的平均值為正，電動機工作在電動狀態(tài)。當二者相位差大于90

時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負載提供能量的平均值為負，電網(wǎng)吸收能量，電動機為發(fā)電狀態(tài)。考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時間，一周期可分為

6

段。6.3.1

單相交交變頻電路圖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(huán)流死區(qū)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(huán)流死區(qū)

第6段

io

<0，uo

<0，為反組整流

（C）4-406.3.2

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線方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式

（C）

交交變頻電路主要應用于大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路。4-41(1)

公共交流母線進線方式圖6-24公共交流母線進線三相交交變頻電路（簡圖）6.3.2

三相交交變頻電路由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120

的單相交交變頻電路構(gòu)成。電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上。因為電源進線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動機的三個繞組必須拆開。主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。（B）4-42圖6-25輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖b）詳圖6.3.2

三相交交變頻電路（B）(2)

輸出星形聯(lián)結(jié)方式

三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)。因為三組的輸出聯(lián)接在一起，其電源進線必須隔離，因此分別用三個變壓器供電。4-432)

輸入輸出特性

當采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3~1/2。電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。

輸入電流200t/ms輸出電壓單相輸出時

U相輸入電流三相輸出時

U相輸入電流200t/ms200t/ms圖4-26交交變頻電路的輸入電流波形6.3.2

三相交交變頻電路（B）

總輸入電流由三個單相的同一相輸入電流合成而得到。有些諧波相互抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低。4-44交交變頻和交直交變頻的比較間接變頻電路，先把交流變換成直流，再把直流逆變成可變頻率的交流，稱交直交變頻電路。交交變頻電路的優(yōu)點：交交變頻電路的缺點：效率較高（一次變流）可方便地實現(xiàn)四象限工作低頻輸出波形接近正弦波6.3.2

三相交交變頻電路（B）

接線復雜，采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管。受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低。輸入功率因數(shù)較低。輸入電流諧波含量大，頻譜復雜。4-456.4

矩陣式變頻電路是近年出現(xiàn)的一種新穎的變頻電路。是直接變頻電路，采用的開關(guān)器件是全控型?？刂品绞绞菙夭刂啤D6-23矩陣式變頻器（B）

全控型開關(guān)器件也可采用右圖的結(jié)構(gòu)。三相輸入電壓為ua、

ub和uc

。三相輸出電壓為uu、uv

和uw。

拓撲結(jié)構(gòu)

簡介4-469個開關(guān)器件組成3×3矩陣，因此該電路被稱為矩陣式變頻電路(MatrixConverter—MC)或矩陣變換器。圖中每個開關(guān)都是矩陣中的一個元素，采用雙向可控開關(guān)。圖6-23矩陣式變頻器6.4

矩陣式變頻電路

對單相交流電壓us進行斬波控制，輸出相電壓uo

為： （B）(6-24) Tc

—

開關(guān)周期；ton

—

一個開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)導通時間；

σ

—

占空比；us—

交流輸入電壓。4-47

用圖6-23

a)

中第一行和第二行的

6

個開關(guān)共同作用來構(gòu)造輸出線電壓uuv

?？衫脠D6-24

c)

中6個線電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分。當

uuv必須為正弦波時，最大幅值就可達到輸入線電壓幅值的0.866倍。正弦波輸出條件下矩陣式變頻電路理論上最大的輸出輸入電壓比為0.866。圖6-24構(gòu)造輸出電壓時可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入構(gòu)造輸出相電壓c)三相輸入構(gòu)造輸出線電壓6.4

矩陣式變頻電路（B）

a)b)c)UmU1mU23Um12√

－

－

－

輸入利用三相線電壓4-48

利用對開關(guān)S11、S12和S13的控制構(gòu)造輸出電壓uu。為防止輸入電源短路，任何時刻只能有一個開關(guān)接通。負載一般是阻感負載，負載電流具有電流源性質(zhì)，為使負載不開路，任一時刻必須有一個開關(guān)接通。圖6-23矩陣式變頻器6.4

矩陣式變頻電路（C）

以相電壓輸出方式為例分析矩陣式交交變頻電路的控制4