第5章 交流变换电路,概述 5.1 交流调压电路 5.1.1 单相交流调压电路 5.1.2 三相交流调压电路 5.2 交流调功电路 5.3 交流电力电子开关 5.4 交交变频电路 5.4.1 单相输出交交变频电路 5.4.2 三相输出交交变频电路 5.4.3 交交变频电路输出频率上限的限制 5.4.4 交交变频电路的优缺点,本课重难点,交流变换电路的特点与分类 单相交流调压电路（电阻性负载）组成与原理 单相交流调压电路（电感性负载）组成与原理 三相交流调压电路组成与原理,概述,交流变换电路：把交流电能的参数（幅值、频率、相数）加以转换的电路。,交流变换电路,第5章,交流调压电路,5.1,3、交流调压电路应用：,电炉的温度控制 灯光调节 （如舞台灯光控制） 异步电机软起动 异步电机调速 调节整流变压器一次侧电压,2、交流调压的实现方法：通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。,1、交流调压电路:是用来变换交流电压幅值（或有效值）的电路。,单相交流调压器主电路特点：,1）电源正半周： T1触发 导通，电源的正半周施加到负载上； 2）电源负半周： T2触发导通，电源负半周便加到负载上； 3）电源电压过零： T1 、 T2交替触发导通，电源电压全部加到负载； 4）关断T1 、 T2 ：电源电压不能加到负载上。,5.1.1,单相交流调压电路,图5.1.1 单向交流调压器电路,T1 、T2 构成无触点交流开关。,单向交流电压电路的工作情况与它的负载性质有关,1）电源电压正半周：晶闸管T1承受正向电压，当t=时，触发T1使其导通，负载上得到缺角的正弦半波电压； 2）电源电压过零： T1管电流下降为零而关断； 3）电源电压负半周：晶闸管T2承受正向电压，当t=+时，触发T2使其导通，则负载上又得到了缺角的正弦负半波电压。持续这样控制，在负载电阻上便得到每半波缺角的正弦电压；,单相交流调压电路,5.1.1,图5.1.1 电阻性负载时单向交流电压电路及输出电压波形,改变角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。,1、电阻性负载工作原理：,5.1.1,单相交流调压电路,电阻性负载数量关系：,（5.1.1）,负载电压的有效值,负载电流的有效值,（5.1.2）,调压器的功率因数,（5.1.3）,图5.1.1电阻性负载时单向交流电压电路及输出电压波形,总结：随着角的增大，U0逐渐减小。当 =时，U0=0。 因此，单相交流电压器对于电阻性负载，其电压可调范围为 0U，控制角的移相范围为0。,单相交流调压电路带电阻负载时，输出电压波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波，故,5.1.1,单相交流调压电路,电阻性负载谐波分析：,基波和各次谐波有效值：,负载电流基波和各次谐波有效值：,在上面关于谐波的表达式中 n=1为基波，n=3,5,7,为奇次谐波。随着谐波次数n的增加，谐波含量减少。,(5.1.4),(n=3,5,7,),5.1.1,单相交流调压电路,感性负载 （R-L负载）,图5.1.2 带阻感负载单向 交流调压电路及输出波形,单相交流电压器带阻感负载时，工作情况同可控整流电路带电感负载相似； 当电源电压反向过零时，负载电感产生感应电动势阻止电流的变化，故电流不能立即为零； 晶闸管的导通角的大小与控制角a 、负载阻抗角都有关。,5.1.1,单相交流调压电路,阻感负载的工作情况分析：,晶闸管T1导通时，负载电流IO满足：,(5.1.7),式中,利用边界条件： ，i0=0 可求得：,(5.1.8),（为晶闸管的导通角）,T2导通时，上述关系完全相同，只是iO相差1800,图5.1.3 单相交流调压器以为参变量时与a的关系曲线,5.1.1,1、 ，导通角1800，正负半波电流断续。 愈大，愈小，波形断续愈严重。,负载电压的有效值UO、晶闸管电流平均值IdT、电流有效值IT以及 负载电流有效值IO分别为：,(5.1.9),(5.1.10),(5.1.12),(5.1.11),单相交流调压电路,调压电路的工作情况（ 、 =、 ）,5.1.1,单相交流调压电路,2、 =,可得：,=1800,此时，晶闸管轮流导通，相当于晶闸管被短接。 负载电流处于连续状态，为完全的正弦波。,由,(5.1.8),5.1.1,单相交流调压电路,图5.1.4 窄脉冲触发时的工作波形,1800,1） 如果采用窄脉冲触发，会出现先触发的一只晶闸管导通，而另一只管子在电流下降为零时，因其门极脉冲已经消失不能导通的失控现象。回路中将出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。,2） 采用宽脉冲或脉冲列触发，使第二个晶闸管的导通角 。即可使两个晶闸管的导通角=1800达到平衡。解决失控现象。,3、 =,5.1.1,单相交流调压电路,图5.1.4 窄脉冲触发时的工作波形,总结： 当 时，并采用宽脉冲触发，负载电压、电流总是完整的正弦波，改变控制角a ,负载电压、电流的有效值不变，即电路失去交流调压的作用。 在电感负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角 （负载的功率因数角）。所以 的移相范围为1800,5.1.1,单相交流调压电路,1） 电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7 等次谐波； 2） 随着次数的增加，谐波含量减少； 3） 和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含 量少一些； 4） a 角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所 减少；,单相交流电压器带阻感负载时电流谐波分析：,5.1.2,三相交流调压电路,1、三相四线制调压电路特点：,图5.1.5(a) 三相四线制调压电路,1）相当于三个独立的单相交流调压电路组合而成的； 2）存在中性线，但是3次谐波在中线中的电流大，故中线的导线截面要求与相线一致； 3）晶闸管的门极触发脉冲信号，同相间两管的触发脉冲要互差180。 4）各晶闸管导通顺序为T1T6，依次滞后间隔60； 5）因存在中线，可采用窄脉冲触发；,5.1.2,三相交流调压电路,图5.1.5(a) 三相四线制调压电路,6）该电路工作时，零线上谐波电流较大，含有三次谐波，控制角a=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。若变压器采用三柱式结构，则三次谐波磁通不能在铁心中形成通路，产生较大的漏磁通，引起发热和噪音。 7）该电路中晶闸管上承受的峰 值电压为 ( 为线电压)。,5.1.2,三相交流调压电路,2、三相三线制交流调压电路 的特点：,图5.1.5 (b) 三相三线制交流调压电路,1）每相电路必须通过另一相形成回路； 2）负载接线灵活，且不用中性线； 3）晶闸管的触发电路必须是双脉冲，或者是宽度大于600的单脉冲； 4）触发脉冲顺序和三相全控桥一样，为T1T6，依次间隔600； 5）电压过零处定为控制角的起点，a角移相范围是0150； 6)输出谐波含量低,无3倍次谐波；,5.1.2,三相交流调压电路,图5.1.6 (a) a=30 时负载相电压波形,(1) 0a60 时，三个晶闸管导通与两个晶闸管导通交替，每管导通180a 。但a =0时一直是三管导通，,3、三相三线制交流调压电路改变 ，电路中晶闸管的导电模式：,图5.1.6(a)所示a=30时 的负载电压波形。,5.1.2,三相交流调压电路,图5.1.6 (b) a=60 时负载相电压波形,(2) 60a90时，两管导通，每管导通120；,3、三相三线制交流调压电路 改变 a ，电路中晶闸管的导 电模式：,图5.1.6(b)所示为a =60时 负载电压波形。,5.1.2,三相交流调压电路,图5.1.6 (c) a=120 时负载相电压波形,(3) 90a 150时，两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002a，,3、三相三线制交流调压电路 改变 a ，电路中晶闸管的导 电模式：,图5.1.6(c)所示为a=120时 的负载电压波形。,(1)0 a 60：三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 (2)60 a 90：两管导通，每管导通120 (3)90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 a,1、=0时 可见，从t= /6开始，调压器一直处于三相导通即恒直通的状态，三相负载电压为各自的电源相电压,电阻性负载Y形联结三相交流调压器 =0时的波形,Y形联接三相交流调压器在电阻性负载时的电路,交流调压器是靠改变施加到负载上的电压波形来实现调压的，因此得到负载电压波形是最重要的。对Y形联接的三相交流调压器中的一相来说，只要两个晶闸管之中有一个导通，则该支路是导通的。从三相来看，任何时候电路只可能是下列三种情况中的一种：三相全不通，调压器开路，每相负载的电压都为零。三相全导通，调压器直通，则每相负载的电压是所接相的相电压。其中二相导通，在电阻负载时，导通相负载上的电压是该两相线电压的1/2，非导通相负载的电压为零；在电机类负载时，则可由电机的约束条件（电机方程）来推得各相的电压值。因此，只要能判别各晶闸管的通断情况，就能确定该电路的导通相数，也就能得到该时刻的负载电压值，判别一个周波就能得到负载电压波形，根据波形就可分析交流调压器的各种工况。,2、=30,.从波形图可看到，U相的关断时刻是在U相的相电压过零时刻，这是因为在关断前有三相导通，各相负载受到的是各相自己的相电压，相电压过零时电流也过零而使晶闸管关断。U相的开通时刻是在U相的触发信号到来的时刻。,3、=60， 90，120,a) =60 b) =90 c) =120,由波形图可以看出： =60是由“三相与二相轮流导通工作”向“二相导通工作”的转变点。 =90时的工作与=60时的情况类似，电路也一直在二相导通状态下工作。 =120时，电路以“二相断续导通工作”的方式工作。 ,4、150,故VT1， VT6承受反压而无法开通。后面的情况同样，以至调压器始终不能开通，输出电压为0,课后小结,本课首先介绍交流变换电路的特点与分类，随之重点分析单相交流调压电路（带电阻性负载和电感性负载）组成与原理，最后简介三相交流调压电路组成与原理。整体安排适当，效果佳。,本课重难点,交流调功电路的组成与原理 交流电力电子开关的组成与原理 单相输出交交变频电路组成与原理,5.2,交流调功电路,1、与调压电路的比较：,同,电路形式完全相同,异,控制方式不同：以交流电源周波数为控制单位, 对电路通断进行控制，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,电炉的温度控制,交流调功电路直接调节对象是电路的平均输出功率； 控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制； 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。,5.2,交流调功电路,2、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；,M=3、N=2时的电路波形。,图5.2.1交流调功 电路典型波形,5.2,交流调功电路,3、谐波分析：,图5.2.2为以控制周期为基准的交流调功电路的频谱图，In为n次谐波有效值， Io为导通时电路电流幅值；,图5.2.2 交流调功电路的电流频谱图(M =3、N =2),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。,5.3,交流电力电子开关,1）作用,将晶闸管反并联后串入交流电路代替机械开关，起接通和断开电路的作用；,2）优点,