第6章 交流变换电路

特点：电路结构较复杂，但只有一次变换，系统的效率 较高；可采用晶闸管进行自然换流，功率等级较高，低
频输出性能较好，易于实现功率回馈等。因此主要应 用于大功率、低转速的交流调速系统中。 2．交直交变频电路 先把工频交流电整流成直流电，再把直流电逆变 成频率固定或可变的交流电。这种通过中间直流环节 的变频电路也称为间接变频电路。 优点：由于电路结构简单，技术也较成熟，在实际生 产中已得到广泛应用。 缺点：功率变换次数多，电路总效率较低。这种电路 在前面已做过介绍。
U1 = 晶闸管电流有效值 IT = 2 Z
I0
θ sin θ cos ( 2α + ϕ + θ ) − 2π 2π cos ϕ
若以
∗ T
2U1 Z 为晶闸管电流的基准值，则标么值为
θ sin θ cos ( 2α + ϕ + θ ) = − I = 2π cos ϕ 2U1 2 2π I
IT Z 1
2 2
o

θ Z 式中， = R + (ω L ) ，为负载阻抗。180
=
90 ϕ= ϕ= o 75 ϕ= o 60 ϕ= o 45 ϕ= 3 30 = ϕ ϕ 5 5 =1 =1 o 0
0
ϕ ϕ
ϕ
=
当 ω t = α + θ 时，i0 = 0，可得
160o 140o 120o 100o 80o 60o 40o 20o
2
负载电流有效值
I0 = = 1
π
∫
α +θ 2 0 α
i d (ωt ) =
1
π
∫
α +θ α
2U1 sin (ωt − ϕ ) − sin (α − ϕ ) e −(ωt −α ) tan ϕ d (ωt ) Z
U1 θ sin θ cos ( 2α + ϕ + θ ) − Z π π cos ϕ
2U1 ( cos 2α − 1) 2π 2U1 sin 2α + 2 (π − α ) 2π
基波电压幅值
U1m = A +B =
2 1 2 1
2U1
π
(π − α )
2
+ (π − α ) sin 2α + (1 − cos 2α ) 2
n次谐波电压系数
2U1 1 1 cos ( n + 1) α − 1 − An = n − 1 cos ( n − 1) α − 1 π n +1 2U1 1 1 Bn = sin ( n + 1) α − sin ( n − 1) α π n +1 n −1
o
o
o
sin (α + θ − ϕ ) = sin (α − ϕ ) e−θ
o
tan ϕ
当 ϕ = 0 时，为电阻性负载，此时
θ = 180° − α
α
20 40 60 80 100 120 140 160 180
o o o o
o o o o o
当 α > ϕ 时， θ < 180° 并随着α的
的增加而减小；当 α ②
其中，K=0,1,2,… 按对称性化简
u0 =
n =1,3,5,…
∑
∞
An cos nωt + Bn sin nωt
2 π An = π ∫ 0 u0 cos nωtd (ωt ) B = 2 ∫π u sin nωtd (ωt ) n π 0 0
基波电压系数
A1 = B1 =
2
晶闸管电流的有效值
U1 1 π 2U1 sin ωt IT = ∫α （ = d ωt） 2π R R 1 α sin 2α 1 I0 1 − + = 2 π 2π 2
晶闸管的通态平均电流
ITA ITmax U1 = = 0.45 1.57 R
交流电源输入侧的功率因数
根据输入输出的相数可分为： 单相交流调压电路 常用于小功率单相电动机控制、 照明、电加热控制等； 三相交流调压电路 常用于三相异步电动机的调压 调速或软起动控制。在供电系统中，实现对无功功率 的连续调节。 （2）交流斩波调压电路是运用全控型开关器件在电 源的一个周期内接通和断开若干次，把正弦波电压变 成若干个脉冲电压，通过改变开关器件的占空比来实 现交流调压。 优点：深控下的功率因数较高，谐波含量小，输出电 压的大小可连续可调，响应速度快。 2．交流调功电路 通过控制导通周期数和断开周期数的比值来调节 交流输出功率的平均值，从而达到交流调功的目的。
第6章 交流变换电路
将一种形式的交流电变换为另一种形式交流电的电 路称为交流变换电路。交流电的形式包括电压或电流的 大小、频率和相数等。 类型：1.只改变大小或仅对电路实现通断控制，而不改 变频率的电路称为交流电力控制电路； 2.把一种频率的交流电变换为另一种频率固定或 可变的交流电称为变频电路，有别与间接变频也称为直 接变频电路。在变频的同时兼有调压的功能。 教学要求： 1.掌握交流调压电路的基本类型、分析方法、调压原 理和基本性能； 2.掌握交流调功电路和交流无触点开关的控制原理，
α =ϕ
≤ ϕ 时，θ = 180°
负载电压为完整的正弦波，相当于晶闸管失去控 制，无调压作用。 ③
α <ϕ
会形成只有一个晶闸管反复通断的 “单相半波整 流现象”。 措施：应采用宽脉冲或脉冲列（频率在20～30kHZ） 触发方式。 输出电压和电流波形都是完整的正弦波，电路失 去调压的功能，也处于“失控”状态。 总之,当单相交流调压电路带感性负载时,为了可靠、 有效的工作，并实现调压的功能，控制角的移相范围
u
iO
uO
u
（2）非互补控制方式 不会出现电源短路和负载 电流断流的情况。 避免出现失控现象，在感 性负载下，电路时序控制中应 加入电流信号，由电压、电流 的方向共同决定控制时序。
TC
式中，G为开关函数，其定义为
ton
toff
uO
ωt
1 ( S 1闭 合 , S 2 打 开 ) G= 0 ( S 1 打 开 , S 2闭 合 )
ωt
导通比 D = t0n TC ，改变D可调节输出电压。
G = A0 + ∑ ( An cos nω t + Bn sin nω t )
n =1
正负半周的α角不相等时，输出电压（或电流） 波形不对称，将会产生偶次谐波分量和直流分量，使 变压器或电动机产生直流磁化。
α >ϕ
2. 电感性负载 （1）工作原理
iO
uO , iO
uO iO
α =ϕ
θ
ωt
α =ϕ
uO , iO
uO iO
u
uO
α
ϕ
uO , iO
θ
ωt
α < ϕ(窄脉冲)
uO
uO iO
* T
当α、φ已知时，由 曲线查出晶闸管电流标么 值，进而可求出晶闸管电 流有效值和负载电流有效 值。
ϕ = 0o
ϕ = 45o ϕ = 60o ϕ = 75o
ϕ = 90o
α
3．谐波分析 只含有奇次谐波。和电阻负载相比谐波电流的含 量要少一些，而且在控制角不变时，随着阻抗角的增 大，谐波含量有所减小。
2 ∞ sin ϕn cos ( nωC t − ϕn ) u0 = 2U1 sin ωt D + ∑ π n =1 n = 2 DU1 sin ωt + 2U1
π
sin ϕn ∑ n sin ( nωC + ω ) t − ϕn − sin ( nωC − ω ) t − ϕn n =1
保持在 ϕ < α < π 之间。同时为了避免 α < ϕ 时出现电流 直流分量，晶闸管的触发脉冲应采用宽脉冲或脉冲列。 （2）数量关系 负载电压有效值
U0 = 1
π
∫
θ +α α
(
2U1 sin ω t
)
2
d (ω t ) = U1
θ 1 + sin 2α − sin 2 (α + θ ) π π
交交直接变频电路的拓扑结构、工作原理和特性； 3.了解矩阵式变频电路的结构和工作原理； 4.学会三相交流调压电路的设计方法。
6.1 概 述
6.1.1 交流电力控制电路 根据控制方式可分为： 1．交流调压电路 （1）晶闸管相控式调压电路是通过改变控制角来改变 输出电压的大小，从而达到交流调压的目的。 优点：是电路简单，并可实现电压的平滑调节，系统响 应速度较快； 缺点：深控时功率因数低，输出电压的谐波含量较高。
uO , iO
iO
ϕ
α
θ
ωt
α
ug
ϕ
u g1
θ
ug 2
ωt
α >ϕ
α < ϕ(脉冲列)
ωt
① α >ϕ
di0 L + Ri0 = 2U1 sin ω t dt
ωt =α
其初始条件为 i0
i0 =
=0
tan ϕ
2U 1 sin (ω t − ϕ ) − sin (α − ϕ ) e − (ω t −α ) Z
6.2.2 斩控单相交流调压电路 1．交流斩波调压基本原理 图示为交流斩波电路的原理 图。开关S1称为斩波开关，开关 S2是为负载提供续流回路称为续 流开关，二者通常在开关时序上 互补。 u = 2U1 sin ωt ( G = 1)