交流调压电路和直流斩波电路

3-32
5.2.2 交流电力电子开关
概念 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电 路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。 优点 响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。 与交流调功电路的区别
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 制电路的接通和断开。 控制频度通常比交流调功电路低得多。
电阻负载
由于波形正负半波对称，所以不含直流分
量和偶次谐波。
uo
(wt )
(an
n 1,3,5,
cos
nw
t
bn
sin
nw t) (5-17)
基波和各次谐波有效值
Uon
1 2
an2 bn2
负载电流基波和各次谐波有效值
Ion Uon / R
(4-14)
In/I*/%
100
80
基波
60
40
3次
20
3-5
5.1.1 单相交流调压电路
• 1) 电阻负载
输出电压与 α 的关系:
移相范围为0≤ a ≤π。 a =0时，输
出电压为最大 。 Uo=U1, 随 a 的增大，
u1
Uo降低， a =π时， Uo =0。
O
wt
uo
λ与 a 的关系:
a =0时，功率因数λ =1， a 增大，输入电流滞后于电压
且畸变，λ降低。
交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形 进行控制。
交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期, 再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负 载所消耗的平均功率。
3-30
5.2.1 交流调功电路
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。
负载电压和负载电流 （也即电源电流）的
O
wt
图4-2 电阻负载单相交流调压电路及其波形
3-7
5.1.1 单相交流调压电路
利用结束条件wt = a θ 时刻，i0=0,可求得θ：
q
sin(a q j ) sin(a j )e tgj
（5－7）
当a=j时 θ =π 可见此时j也就是让晶闸管
导通π角度的触发角。
当 a > j 时 θ < π（图5-2）
以j 为参变量，利用（5－7)可 把a 和θ 的关系表示成右图。
q/(°)
180
140
100
60
20 0 20 60 100 140 180
a /(°)
图5-3 单相交流调压电路以a 为参变量的θ和a关系曲线
3-8
5.1.1 单相交流调压电路
当阻感负载, a < j 时电
路工作情况。
VT1的导通时间超过π。
重复周期为M倍电源
周期。
图4－1电阻负载单相交流调压电路
uo
导通段=
2N M
2 U1
2 uo,io
u1
M
O
3Leabharlann Baidu4
wt
M
MM
电源周期
控制周期=M倍电源周期=2
图4-13 交流调功电路典 型波形(M =3、N =2)
3-31
5.2.1 交流调功电路
谐波情况
图4-14的频谱图（以控制
周期为基准）。In为n次谐波 有效值， Io为导通时电路电
电源电流不含低次谐波， 只含和开关周期T有关 的高次谐波。
功率因数接近1。
图5-7b 电阻负载斩控 式交流调压电路波形
3-15
5.1.2 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
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
图4-9 三相交流调压电路
3-16
5.1.2 三相交流调压电路
1) 星形联结电路 可分为三线三相和三线四相
三线四相
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
O io
iT1a
wt j
过程（公式5-6也可以看出）中，
VT1导通时间渐短， VT2的导通 O a q iT2
wt
时间渐长。
图5-4 a<j时阻感负图载4-交5 流调压电路工作波形
3-9
5.1.1 单相交流调压电路
负载电流有效值
I 0 2IVT (5-13)
IVT的标么（基准电流为a =0时的有效值）值
第5章 交流调压电路和直流斩波电路
5.1 交流调压电路（单相、三相） 5.2 其他交流电力控制电路 5.3.1 基本斩波电路 5.3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
本章小结
3-1
交流调压电路
• 交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一
种形式交流的电路
交流电力 控制电路
只改变电压,电 交流调压电路 相位控制
流或控制电路
(触发角)
的通断,而不改 交流调功电路 通断控制
变频率的电路。
（周期的通断）
变频电路
交交变频 直接
改变频率的电路 交直交变频 间接
3-2
5.1 交流调压电路
应用
1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。 2 异步电动机软起动。（低压大电流启动） 3 异步电动机调速。 4 供用电系统对无功功率的连续调节（补偿）。 5 在高压小电流或低压大电流直流电源中，
3-33
5.2.2 交流电力电子开关
晶闸管投切电容（Thyristor Switched——Capacitor——TSC）
用于调节变压器一次电压。
（与晶闸管的参数相关，减少管子个数、体积和成本）
3-3
5.1 交流调压电路
基本原理
采用两个晶闸管反 并联后（或采用双向晶 闸管）串联在交流电路 中，通过对晶闸管的控 制就可控制交流电力。 (固态开关)
电路图
3-4
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
3-23
5.1.2 三相交流调压电路
• 2） 支路控制三角联结电路 由三个单相交流调压电路 组成，分别在不同的线电 压作用下工作。
单相交流调压电路的分 析方法和结论完全适用。
输入线电流（即电源电 流）为与该线相连的两个 负载相电流之和。
c)支路控制三角形联结
图4－9三相交流调压电路
3-24
5.1.2 三相交流调压电路
触发VT2时， io尚未过零， VT1
仍导通， VT2不会导通。 io过
零后，若VT2的触发脉冲消失， VT2永远不会导通。（因而需要
u1
图5-2 阻感负载单相交流调压电路
宽脉冲触发）
O
wt
若VT2的触发脉冲继续存在， iG1
VT2才可开通，VT2导通角小于 O a
wt
π。
iG2
VT2导通后，反向也续流，衰减
流。 a =90°时，零线电
流甚至和各相电流的有效 值接近。
图4-9 三相交流调压电路 a) 星形联结
3-17
5.1.2 三相交流调压电路
三相三线，主要分析阻负载时的情况
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，为 VT1~ VT6,依次相差60°。
O
wt
u VT1
u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac
O
ia
u ab
u ac
O
wt
wt
3-19
5.1.2 三相交流调压电路
图4-10 不同a角时负载相电压波形 a) a =30°
(1)0°≤ a
<60°：三管 导通与两管导 通交替，每管 导通180°－
a 。但a =0°
Reactor—TCR）
a 移相范围为90°~
180°。
控制a 角可连续调节流
过电抗器的电流，从而 调节无功功率。
图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路
配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续
调节无功功率，称为静止无功补偿装置(Static Var
Campensator—SVC），用来对无功功率进行动态补偿，
b）
c）
图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形
a) α=120°
b) α=135° c) α=160°
3-28
5.2 其他交流电力控制电路
5.2.1 交流调功电路 5.2.2 交流电力电子开关
3-29
5.2.1 交流调功电路（新）
交流调功电路与交流调压电路的异同比较
相同点 电路形式完全相同 不同点 控制方式不同
当a 角相同时，随着阻抗角j 的增大，谐波含量有所减少。
3-12
5.1.1 单相交流调压电路
在交流电源u1的正半周
• 4) 斩控式交流调压电路
VD1 V1 i1
用V3给负载电流 提供续流通道
u1
V2 VD2
用V1进行斩波控制
V3 VD4 R uo
VD3 V4 L
图5-7+ 斩控图式4交-流7 调压电路
Z IVTN IVT
2U1
(5-14)
电流基波和各次谐波标么值随 a变化的曲线如图5-6所示。
0.5
0.4 j = 0
IVTN
0.3
0.2
0.1
0
40
80
120
160 180
a /(°)
图5-6 单相交流调压电路a为参变量时I VTN和a关系曲线
3-10
5.1.1 单相交流调压电路
3) 单相交流调压电路的谐波分析
相电压过零点定为a 的起 点， a角移相范围是
0°~ 150°。
图4-9 三相交流调压电路 a) 星形联结
3-18
图2-19 三相桥式全控整流电路带电阻负载
a= 30 时的波形
ud1 a = 30°ua
ub
uc
O wt1
wt
u d2
ⅠⅡ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
ud
u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac
谐波情况
3倍次谐波相位和大小 相同，在三角形回路中 流动，而不出现在线电 流中。
线电流中所谐波次数
为6k±1(k为正整数)。 在相同负载和a 角时，
线电流中谐波含量少于 三相三线星形电路。
c)支路控制三角形联结
图4－9三相交流调压电路
3-25
5.1.2 三相交流调压电路
典型用例——晶闸管控制 电抗器（Thyristor Controlled
流幅值。
以电源周期为基准，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。
In/I0m
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
0.1
0 2 4 6 8 10 12 14
谐波次数
0 12 3 45
相对于电源频率的倍数
图4-14交流调功电路的
电流频谱图(M =3、N =2)
3-13
5.1.1 单相交流调压电路
在交流电源u1的负半周
• 4) 斩控式交流调压电路
VD1 V1 i1
用V4给负载电流 提供续流通道
u1
V2 VD2
用V2进行斩波控制
V3 VD4 R uo
VD3 V4 L
图5-7+ 斩控图式4交-流7 调压电路
3-14
5.1.1 单相交流调压电路
特性 电源电流的基波分量和 电源电压同相位，即位 移因数为1。
u
uG1 G1
wt 0.6
导通时 L di0 Ri 2U sinwt
O u
G2
wt
dt
0
1
O
wt
u
o
利用初始条件得到：
O
wt
a wt i o
i I sin(wt ) I sin(a )e tanj
0
m
m
O
wt
u VT
a =0时刻仍定为u1过零的时刻， a 的移相范围应为j ≤ a ≤ π。
5次
7次
0 60 120 180
触发延迟角a/( °)
图5-7 电阻图负4载-单6 相交流调
压电路基波和谐波电流含量
3-11
5.1.1 单相交流调压电路
阻感负载
电流谐波次数和电阻负载时相同，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一些。
时一直是三管 导通。
3-20
5.1.2 三相交流调压电路
(2)60°≤ a <90°：
两管导 通，每 管导通120°。
图4-10 不同a角时负载相电压波形 b) a =60°
3-21
5.1.2 三相交流调压电路
(3)90°≤ a <150°：两管导 通与无晶闸管 导通交替，导 通角度为300°
－2 a。
图4-10 不同a角时负载相电压波形 c) a =120°
3-22
5.1.2 三相交流调压电路
谐波情况
电流谐波次数为6k±1(k=1，2，3，…)，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。 谐波次数越低，含量越大。 和单相交流调压电路相比，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。
以补偿电压波动或闪变。
3-26
5.1.2 三相交流调压电路
图4-11 晶闸管控制 电抗器(TCR)电路
a)
b)
c)
图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形
a) α=120°
b) α=135° c) α=160°
3-27
5.1.2 三相交流调压电路
仿真波形
• 仿真工具为PECS 2.0
a）
O
wt
io
O
wt
u
V
T
O
wt
图4-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形
3-6
5.1.1 单相交流调压电路
• 1) 阻感负载
VT1
若晶闸管全导通，稳态时负载电流
为正弦波，相位滞后于u1的角度为j ，
当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制， u11 u
使负载电流更为滞后。
O
负载阻抗角： j = arctan(wL/R)