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第章交流电力控制电路和交交变频电路———————————————————————————————— 作者：———————————————————————————————— 日期： 第4章 交流电力控制电路和交交变频电路主要内容：单相、三相相控式交流调压电路，交流调功电路，交流电子开关，单相、三相输出交—交变频电路重点：单相相控式交流调压电路，交流调功电路，单相输出交—交变频电路难点：单相相控式交流调压电路，单相输出交—交变频电路根本要求：掌握单相相控式交流调压电路，理解三相相控式交流调压电路，掌握交流调功电路，了解交流电子开关，掌握单相输出交—交变频电路，了解三相输出交—交变频电路1 交流电力控制(1) 单相交流调压电路a 电阻负载工作原理：u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角 α 进展控制就可以调节输出电压正负半周 α 起始时刻〔 α =0〕均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的 α 相等负载电压波形是电源电压波形的一局部，负载电流〔也即电源电流〕和负载电压的波形一样图4-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形数量关系：负载电压有效值(4-1)负载电流有效值： (4-2)晶闸管电流有效值：(4-3)功率因数： (4-4)输出电压与 α 的关系： 移相范围为0≤α≤π。

α =0时Uo=U1，最大，α的增大，Uo降低， α =π时，Uo=0；λ与α的关系：α=0时，λ=1，α增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低；b 阻感负载负载阻抗角：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φ；在用晶闸管控制时，只能滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前；α =0时刻仍为u1过零时刻， α的移相范围应为φ≤α≤π；阻感负载时的工作过程分析：在wt= α 时刻开通VT1，负载电流满足 (4-5)解方程得(4-6)式中，θ为晶闸管导通角利用边界条件：ωt=α+θ时io=0，可求得θ： (4-7)图4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形VT2导通时，上述关系完全一样，只是io极性相反，相位差180数量关系：负载电压有效值 (4-8)图4-3 单相交流调压电路以φ为参变量的θ和α关系曲线晶闸管电流有效值： (4-9)负载电流有效值： (4-10)IT的标么值 (4-11)图4-4 单相交流调压电路φ为参变量时ITN和α关系曲线 α <φ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仍通，VT2不通； io过零后，如用宽脉冲或脉冲列触发VT2，那么VT2开通，VT2导通角小于π；过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt= α ( α <φ)时合闸的过渡过程一样，io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量，衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长， 稳态工况和 α = φ时一样。

图4-5 α <φ 时阻感负载交流调压电路工作波形c 单相交流调压电路的谐波分析电流基波和各次谐波标么值随α变化的曲线〔基准电流为α=0时的有效值〕图4-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量 阻感负载的情况: 电流谐波次数和电阻负载时一样，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； α角一样时，随着阻抗角φ 的增大，谐波含量有所减少d 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：根本原理和直流斩波电路有类似之处，u1正半周，用V1进展斩波控制，V3提供续流通道；u1负半周，用V2进展斩波控制，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，那么导通比 α =ton/T，改变 α 可调节输出电压特性：电源电流的基波分量和电源电压同相位，位移因数为1；电源电流不含低次谐波，只含和T有关的高次谐波；功率因数接近1；图4-7 斩控式交流调压电路图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形(2) 三相交流调压电路根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式图4-9 三相交流调压电路α ) 星形联结 b) 线路控制三角形联结 c) 支路控制三角形联结 d) 中点控制三角形联结a 星形联结电路可分为三相三线和三相四线两种情况三相四线：根本原理：三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120工作；基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线；问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。

零线有很大3倍次谐波电流；α =90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近三相三线，电阻负载时的情况：任一相导通须和另一相构成回路电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发，触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样；相电压过零点定为 α 的起点， α 角移相范围是0~150；0≤ α <60：三管导通与两管导通交替，每管导通180- α 但 α =0时一直是三管导通60≤ α <90：两管导通，每管导通12090≤ α <150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300-2 α 谐波情况：电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，…)，和三相全控桥一样；谐波次数越低，含量越大；和单相相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路图4-10 不同 α 角时负载相电压波形α ) α =30 b) α =60 c) α =1202 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展控制——交流电力电子开关(1) 交流调功电路与交流调压电路的电路形式一样，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功率常用于电炉温度控，因直接调节对象是平均输出功率，所以称为交流调功电路，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图4-11 全周波过零触发输出电压波形TCTTTCtttttttt00000000uuuuuuuu12.5%25%50%100%(2) 交流电力电子开关代替机械开关，起接通和断开电路的作用，响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断，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晶闸管投切电容器〔Thyristor Switched C α p α citor—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构造和原理：图4-12根本原理图〔单相〕3 交交变频电路交交变频电路——把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路，广泛用于大功率交流电动机调速传动系统1) 单相交交变频电路a 电路构造与工作原理电路构成：由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和四象限变流电路一样工作原理：P组工作时，负载电流io为正；N组工作时，io为负；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；改变切换频率，就可改变输出频率wo；改变变流电路的控制角α ，就可以改变交流输出电压幅值；为使uo波形接近正弦，可按正弦规律对α 角进展调制，在半个周期内让P组 α 角按正弦规律从90减到0或某个值，再增加到90，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。

uo由假设干段电源电压拼接而成，在uo一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波图4-13 单相交交变频电路原理图和输出电压波形b 整流与逆变工作状态图4-14 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态uPiP0u0, i0iNuPuN0000u0iPiPi0u0u0u0i0P 整流 逆变 阻断N 阻断 整流 逆变阻感负载为例：把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成正弦波交流电源和二极管的串联a〕负载阻抗角为φ，那么输出电流滞后输出电压φ角两组变流电路采取无环流工作方式，一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲工作状态：t1~t3：io正半周，正组工作，反组被封锁；t1~t2：uo和io均为正，正组整流，输出功率为正t2~t3：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负t3~t5：io负半周，反组工作，正组被封锁；t3~t4：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正；t4~t5：uo反向，io仍为负，正组逆变，输出功率为负哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关；工作在整流还是逆变，那么根据uo方向与io方向是否一样确定。

单相交交变频电路输出电压和电流波形分析：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段第1段io<0，uo>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，为反组整流；图4-15 单相交交变频电路输出电压和电流波形uo和io的相位差小于90时，电网向负载提供能量的平均值为正，电动机为电动；相位差大于90时，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c 输出正弦波电压的调制方法余弦交点法：最根本的、广泛使用的方法 设Ud0为α = 0时整流电路的理想空载电压，那么有 (4-12)每次控制时α 角不同，表示每次控制间隔内u。