第 6 章 交流电力控制电路和交交变频电路

第第 66 章 交流电力控制电路和交交变频电章 交流电力控制电路和交交变频电路路

6.1 6.1 交流调压电路交流调压电路6.1.1 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路6.1.2 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路

6.2 6.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路6.2.1 6.2.1 交流调功电路交流调功电路6.2.2 6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关

6.3 6.3 交交变频电路交交变频电路6.3.1 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路6.3.2 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路

概 述概 述交流 - 交流变流电路

一种形式的交流变成另一种形式交流的电路， 可改变相关的电压、电流、频率和相数等

交流电力控制电路

变频电路

只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率

改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的

交流调压电路——相位控制（或斩控式）

交流调功电路及交流无触点开关——通断控制

交交变频电路

交直交变频电路

1. 晶闸管交交变频电路

2. 矩阵式变频电路

先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流 , 间接变频电路

6.1 6.1 交流调压电路交流调压电路交流电力控制电路的结构

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

交流电力控制电路的类型交流调压电路 :

交流调功电路 :

交流电力电子开关 :

每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值

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

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。

交流调压电路的应用：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）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软起动 异步电动机调速异步电动机调速 供用电系统对无功功率的连续调节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

一次电压一次电压

6.1.1 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路

R

O

u1 uo

io

VT1

VT2

u1

uo

io

uVT

t

O t

O t

O t

R

O

u1 uo

io

VT1

VT2

u1

uo

io

uVT

t

O t

O t

O t

1 电阻负载

原理分

原理分

析析

在 u1 的正半周和负半周，分别对VT1 和 VT2 的开通角进行控制就可以调节输出电压

正负半周起始时刻（（均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的 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

2sin

2

1dsin2

11

2

1o UttUU

R

UI o

o

)2

2sin1(

2

1sin2

2

1 1

2

1

R

Utd

R

tUIT

2sin2

1

1

o

o1

oo

U

U

IU

IU

S

P

电阻负载单相交流调压电路及其波形

数量关系数量关系 负载电压有效值负载电压有效值

负载电流有效值负载电流有效值

晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值

功率因数功率因数

6.1.1 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路

R

O

u1 uo

io

VT 1

VT 2

u1

uo

io

uVT

t

O t

O t

O t

2sin

2

1dsin2

11

2

1o UttUU

R

UI o

o

)2

2sin1(

2

1sin2

2

1 1

2

1

R

Utd

R

tUIT

2sin2

1

1

o

o1

oo

U

U

IU

IU

S

P

2 2 阻感负载阻感负载 阻感负载时阻感负载时的移相范围的移相范围

负载阻抗角：负载阻抗角： = arctan(= arctan(L L / / RR) )

稳态时负载电流为正弦波，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于相位滞后于 uu11 的角度为的角度为

=0=0 时刻仍定为时刻仍定为 uu11 过零的时过零的时刻，刻，的移相范围应为的移相范围应为 ≤ ≤ ≤≤ ππ

阻感负载单相交流调压电路及其波形

6.1.1 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路

6.1.1 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 数量关系数量关系– 负载电压有效值负载电压有效值：：

晶闸管电流晶闸管电流有效值：有效值：

)22sin(2sin1

)()sin2(1

1

21o

U

tdtUU

cos

)2cos(sin

21

Z

U

)d()sin()sin(2

2

12

tg1VT tet

Z

UI

t

瞬态微分方程求解可得

负载电流有效值负载电流有效值 VTII 20

3.3. 单相交流调压电路的谐波分析单相交流调压电路的谐波分析 电阻负载的情况电阻负载的情况

波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波

,5,3,1

o )sincos()(n

nn tnbtnatu

)12(cos2

2 11

U

a )(22sin2

2 11

Ub

1)1cos(

1

11)1cos(

1

12 1

nn

nn

Uan

)1sin(

1

1)1sin(

1

12 1 nn

nn

Ubn (n=3,5,7,

…)

6.1.1 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路

式中式中 ::

– 基波和各次谐波有效值 基波和各次谐波有效值

– 负载电流基波和各次谐波有效值负载电流基波和各次谐波有效值

电流基波和各次谐波标么值随 电流基波和各次谐波标么值随

变化的曲线（基准电流为变化的曲线（基准电流为 =0=0 时时的有效值的有效值）如图所示）如图所示

22on

2

1nn baU

0 60 120 180

4-6图

基波

3次

5次7次

触发延迟角 /( ¡ã)In

/I* /

%

20

40

60

80

100

电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量

RUI /onon

6.1.1 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路

阻感负载的情况阻感负载的情况 电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含 33 、、 55 、、 7…7… 等次等次

谐波谐波 随着次数的增加，谐波含量减少随着次数的增加，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和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些 （（角相同时，随着阻抗角角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减少的增大，谐波含量有所减少

6.1.1 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路

< < 时时单相交流调压电路单相交流调压电路

< 时阻感负载交流调压电路工作波形波形分析 :

– 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 (6-5) 和 (6-6) 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 = (< ) 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– 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 = 时完全相同

t

t

t

t

O

O

O

u

G1

G2

T1

T2

R

L

4-7图

u 1

i1

u o

V 1

V 2

VD 1

VD 2V 3

V 4

VD 4

VD 3

图 4-7 斩控式交流调压电路

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

原理分

原理分

析析 •基本原理和直流斩波电路有类似之处•u1 正半周•u1 负半周•设斩波器件（ V1 或 V2 ）导通时间为 ton ，开关周期为 T，则导通比 = ton/T，改变可调节输出电压

斩波控制

斩波控制续

流通

道

续流

通道

6.1.1 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路

图 4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形

6.1.1 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路

R

L

4-7图

u 1

i1

u o

V 1

V 2

VD 1

VD 2V 3

V 4

VD 4

VD 3

单相 -- 斩控式交流调压电路波形

6.1.2 6.1.2 三相交流调压电路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

n

负载

a

c

n '

负载

a

b

c

a) b)

负载

a

b

c

c)

负载

b

d)

4-9图

a

b

c

u a

u b

u c

iaU a0'

n

u a

u b

u c

ia

n

u a

u b

u c

ia

n

u a

u b

u c

ia

VT 1

VT 3 VT 4

VT 5 VT 6

VT 2

a) 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

三相四线三相四线 基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，

三相互相错开三相互相错开 120°120° 工作。基波和工作。基波和 33 倍次以外的谐倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线波在三相之间流动，不流过零线

问题：三相中问题：三相中 33 倍次谐波同相位，全部流过零线。倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大零线有很大 33 倍次谐波电流。倍次谐波电流。 90°90° 时，零线电时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近流甚至和各相电流的有效值接近

三相三线三相四线

1 ．星形联结电路

6.1.2 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路

三相三线，电阻负载时的情况三相三线，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

脉冲触发脉冲触发 触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为 VV

TT11~ VT~ VT66,, 依次相差依次相差 60°60° 相电压过零点定为相电压过零点定为的起点， 的起点， 角移相范围是角移相范围是 0°~ 0°~

150°150°

6.1.2 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路

a =30° ，分析 a 相波形。

5.6 通

0

1.5.6通 ,Ua

1.6 通

Uab/2

1.2.6通 ,Ua

1.2 通

Uac/2

1.2.3通 ,Ua

a =60° ，分析 a 相波形。

5.6通

01.6 通

Uab/2

1.2 通

Uab/2

a =120° ，分析 a 相波形。

4. 5 通

Uac/2

无器件导通

5. 6 通

0

无器件导通

1. 6 通

Uab/2

无器件导通

4-10图

c)

晶闸管导通区间

a)

晶闸管导通区间

晶闸管导通区间

b)

43

23

53

3

0 2

43

23

53

3

0 2

4

323

53

3

0 2

u ao'

u ao'

u ao'

u a

u a

u au ab

2u ac

2

u ab

2u ac

2

u ab

2u ac

2

t1 t2 t3

t1 t2 t3

VT 1VT 3

VT 4VT 6

VT 1VT 6

VT 2 VT 5VT 5

VT 5 VT 1 VT 3

VT 4 VT 6VT 2VT 6

VT 5

VT 5 VT 1 VT 3

VT 4 VT 6VT 2VT 6

VT 5VT 5 VT 1 VT 3 VT 5

VT 4VT 2VT 4VT 6

a) =30° b) =60° c) =120°

6.1.2 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路

(1) 0°≤ <60° ：三管导通与两管导通交替，每管导通 180° － 。但 =0° 时一直是三管导通

(2) 60°≤ <90° ：两管导通，每管导通 120°

(3) 90°≤ <150° ：两管导通与无晶闸管导通交替，每相每管导通 150- a ，两管共导通角度为 300° － 2 a

谐波情况谐波情况 电流谐波次数为电流谐波次数为 66kk±1(±1(kk=1=1 ，， 22 ，， 33 ，…，… )) ，和三相桥，和三相桥

式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同 谐波次数越低，含量越大谐波次数越低，含量越大 和单相交流调压电路相比，没有和单相交流调压电路相比，没有 33 倍次谐波，因三相对倍次谐波，因三相对

称时，它们不能流过三相三线电路称时，它们不能流过三相三线电路

6.1.2 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路

6.2 6.2 其他交流电力控制电路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——交流电力电子开关对电路通断进行控制——交流电力电子开关

6.2.1 6.2.1 交流调功电路交流调功电路

异同与交流调压电路的

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

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

M

电源周期

控制周期 = M 倍电源周期 = 2

4M

4-13图

O

导通段 = 2NM

3M

2M

u o

u 1u o ,io

t

U 12

交流调功电路典型波形 (M =3 、 N =2)

– 当 M=3 、 N=2 时的电路波形如图

6.2.1 6.2.1 交流调功电路交流调功电路

6.2.2 6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关

作用：作用： 优点：优点： 与交流调功电路的区别与交流调功电路的区别

并不控制电路的平均输出功率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

通和断开通和断开 控制频度通常比交流调功电路低得多控制频度通常比交流调功电路低得多

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

6.3 6.3 交交变频电路交交变频电路

本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器 (Cy(Cycloconvertor)cloconvertor)

交交变频电路——把电网频率的交流电变成可调频率的交交变频电路——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，实用的主要广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路是三相输出交交变频电路

直接变频器直接变频器

★★按波形的不同又可分为两类按波形的不同又可分为两类 ::

交－交变频AC50Hz~

AC

CVCF VVVF

①①方波形直接变频器方波形直接变频器

改变正反组切换频率改变正反组切换频率 ,, 可以改变输出交流电的频率可以改变输出交流电的频率 ..

改变改变 aa 的大小的大小 ,,即可改变输出交流电的幅值即可改变输出交流电的幅值 ..

这种方式控制这种方式控制 ,, 谐波分量大谐波分量大 ..

② ② 正弦波直接变频器正弦波直接变频器

改变正反组切换频率改变正反组切换频率 ,, 可以改变输出交流电的频率可以改变输出交流电的频率 ..

改变改变 aa 的大小的大小 ,,即可改变输出交流电的幅即可改变输出交流电的幅值值 ..

这种方式控制这种方式控制 ,, 谐波分量少谐波分量少 ..适用于低速大容量的场适用于低速大容量的场合合 ..

三相交交变频电路三相交交变频电路

三相交交变频电路可以由三相交交变频电路可以由 33 个单相个单相交交变频电路组成。交交变频电路组成。

如果每组可控整流装置都用桥式电路，如果每组可控整流装置都用桥式电路，含含 66 个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需三相可逆线路共需 3636 个晶闸管，即使采用零式个晶闸管，即使采用零式电路也须电路也须 1818 个晶闸管。个晶闸管。

• 三相交交变频器的基本结构（三相交交变频器的基本结构（△接法）△接法）

• 输出星形联结方式三相交交变频电路输出星形联结方式三相交交变频电路

三相桥式交交变频电路

交交 -- 交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，多，总体设备相当庞大总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟。成熟。

这类交这类交 -- 交变频器的主要缺点是：输入功率因数较低，交变频器的主要缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 最高输出频率不超过电网频率的 1/3 ~ 1/3 ~ 1/21/2 。。

直接变频的特点：直接变频的特点：

本章重点本章重点

单相交流调压电路的结构及工作原理（相控、单相交流调压电路的结构及工作原理（相控、斩控）斩控）

单相交流调压电路相控方式下的有效移相范围。单相交流调压电路相控方式下的有效移相范围。（纯阻、阻感负载）（纯阻、阻感负载）

三相三线制调压电路的结构及波形分析。三相三线制调压电路的结构及波形分析。 交交变频电路的类型及控制方式。交交变频电路的类型及控制方式。