第六章交流調(diào)壓電路

1、1第六章 交流變換電路2 本章主要重點(diǎn) 交流交流-交流變流電路交流變流電路 把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路變頻電路改變頻率的電路 交交變頻 直接 交直交變頻 間接交流電力控制電路只改變電壓,電流或控制電路的通斷,而不改變頻率的電路。交流調(diào)壓電路 相位控制交流調(diào)功電路 通斷控制第六章 交流變換電路3第六章 交流變換電路交流開(kāi)關(guān)的原理：利用電力電子器件的交流開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)高電壓、大電流電路的通斷。交流開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)：無(wú)觸點(diǎn)、動(dòng)作快、壽命長(zhǎng)、噪聲低和幾乎不用維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。4第一節(jié)第一節(jié) 雙向晶閘管雙向晶閘管一、一、雙向晶閘管雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectio

2、nal triode thyristor）結(jié)構(gòu)與特性）結(jié)構(gòu)與特性圖1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性a)b)IOUIG= 0GT1T2可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極第一陽(yáng)極T1和第二陽(yáng)極T2，一個(gè)門(mén)極G。在第和第III象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值來(lái)表示其額定電流值。5第一節(jié)第一節(jié) 雙向晶閘管雙向晶閘管6第一節(jié)第一節(jié) 雙向晶閘管雙向晶閘管KS100-8-21：KS表示雙向晶閘管，100表示額定電流100A，8表示斷態(tài)重復(fù)峰值電壓為8級(jí)800V，2表示斷態(tài)電壓臨界上升率(du/d

3、t)c為2級(jí)（不小于200V/us），1表示換向電流臨界下降率(di/dt)c為1級(jí)（不小于1% IT（RMS） =1A/us）KS的額定通態(tài)電流IT（RMS） 以最大交流有效值表示。額定電流100A的KS管相當(dāng)于兩個(gè)反并聯(lián)45A的普通晶閘管電流容量。計(jì)算ks峰值為100的根號(hào)2倍=141A，141A/=45A。7第一節(jié)第一節(jié) 雙向晶閘管雙向晶閘管 二、雙向晶閘管的觸發(fā)方式1.觸發(fā)導(dǎo)通特點(diǎn)：正反壓都能導(dǎo)通、門(mén)極正負(fù)信號(hào)都能觸發(fā)；2.觸發(fā)方式：（1）+觸發(fā)方式 陽(yáng)極電壓為第一陽(yáng)極T1為正，T2為負(fù)；門(mén)極電壓是G為正，T2為負(fù)，特性曲線(xiàn)在第一象限，為正觸發(fā)。（2）-觸發(fā)方式 陽(yáng)極電壓為第一陽(yáng)極T1

4、為正，T2為負(fù)；門(mén)極電壓是G為負(fù)，T2為正，特性曲線(xiàn)在第一象限，為負(fù)觸發(fā)。（3）+觸發(fā)方式 陽(yáng)極電壓為第一陽(yáng)極T1為負(fù)，T2為正；門(mén)極電壓是G為正，T2為負(fù)，特性曲線(xiàn)在第三象限，為正觸發(fā)。（4） -觸發(fā)方式陽(yáng)極電壓為第一陽(yáng)極T1為負(fù)，T2為正；門(mén)極電壓是G為負(fù)，T2為正，特性曲線(xiàn)在第三象限，為負(fù)觸發(fā)。 8第一節(jié)第一節(jié) 雙向晶閘管雙向晶閘管三、雙向晶閘管主要參數(shù)選擇為保證可靠性要求必須合理選擇雙向晶閘管（1）額定通態(tài)電流IT（RMS）的選擇（2）額定電壓UT的選擇（3）換向能力(du/dt)c的選擇9第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管交流開(kāi)關(guān)晶閘管交流開(kāi)關(guān)10一、一、 簡(jiǎn)單交流開(kāi)關(guān)及應(yīng)用簡(jiǎn)單交流開(kāi)關(guān)及應(yīng)用概念

5、概念 把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械開(kāi)關(guān)，起接通和斷開(kāi)電路的作用。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 響應(yīng)速度快，無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可頻繁控制通斷。與交流調(diào)功電路的區(qū)別區(qū)別并不控制電路的平均輸出功率。通常沒(méi)有明確的控制周期，只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開(kāi)。控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多。11晶閘管投切電容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）圖4-15 TSC基本原理圖a) 基本單元單相簡(jiǎn)圖 b) 分組投切單相簡(jiǎn)圖一、一、 簡(jiǎn)單交流開(kāi)關(guān)及應(yīng)用簡(jiǎn)單交流開(kāi)關(guān)及應(yīng)用作用對(duì)無(wú)功功率控制，可提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量。性能優(yōu)于機(jī)械開(kāi)關(guān)投切的電容器。結(jié)構(gòu)和原理晶閘管反并聯(lián)

6、后串入交流電路。實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。12晶閘管的投切選擇晶閘管投入時(shí)刻的原則：該時(shí)刻交流電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，電容投入過(guò)程不但沒(méi)有沖擊電流，電流也沒(méi)有階躍變化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖4-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明一、一、 簡(jiǎn)單交流開(kāi)關(guān)及應(yīng)用簡(jiǎn)單交流開(kāi)關(guān)及應(yīng)用13TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式一、一、 簡(jiǎn)單交流開(kāi)關(guān)及應(yīng)用簡(jiǎn)單交流開(kāi)關(guān)及應(yīng)用由于二極管的作用，在電路不

7、導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值。成本稍低，但響應(yīng)速度稍慢，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖4-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明14二、二、 過(guò)零觸發(fā)開(kāi)關(guān)電路和交流調(diào)功器過(guò)零觸發(fā)開(kāi)關(guān)電路和交流調(diào)功器移相觸發(fā)缺點(diǎn)：正弦波出現(xiàn)缺角，包含高次諧波。過(guò)零觸發(fā)(零觸發(fā))可消除移相觸發(fā)的缺點(diǎn)。過(guò)零觸發(fā)(零觸發(fā))：交流零觸發(fā)開(kāi)關(guān)使電路在電壓為零或零附近的瞬間接通，利用管子電流小于維持電流使管子自行關(guān)斷，這種開(kāi)關(guān)對(duì)外界的電磁干擾最小。功率調(diào)節(jié)方法：在設(shè)定的周期內(nèi)，用零電壓開(kāi)關(guān)接通幾個(gè)周波然后斷開(kāi)幾個(gè)周波，改變晶閘管在設(shè)定周

8、期內(nèi)的通斷時(shí)間比列，以調(diào)節(jié)負(fù)載上的交流平均電壓，即可達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載功率的目的。又稱(chēng)調(diào)交流調(diào)功器或周波控制器。 15二、過(guò)零觸發(fā)開(kāi)關(guān)電路和交流調(diào)功器二、過(guò)零觸發(fā)開(kāi)關(guān)電路和交流調(diào)功器 交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點(diǎn)相同點(diǎn) 電路形式完全相同完全相同不同點(diǎn)不同點(diǎn) 控制方式不同不同交流調(diào)壓電路在每個(gè)電源周期周期都對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制。 交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期,在斷開(kāi)幾個(gè)周期,通過(guò)通斷周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。16 電阻負(fù)載時(shí)的工作情況2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導(dǎo)通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12圖4-13 交流調(diào)功電

9、路典型波形(M =3、N =2)圖41電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路二、過(guò)零觸發(fā)開(kāi)關(guān)電路和交流調(diào)功器二、過(guò)零觸發(fā)開(kāi)關(guān)電路和交流調(diào)功器控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后MN個(gè)周期關(guān)斷。負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期。17 諧波情況012 14諧波次數(shù)相對(duì)于電源頻率的倍數(shù)圖4-14交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M =3、N =2)2 4 610051234In/I0m二、過(guò)零觸發(fā)開(kāi)關(guān)電路和交流調(diào)功器二、過(guò)零觸發(fā)開(kāi)關(guān)電路和交流調(diào)功器圖4-14的頻譜圖（以控制周期為基準(zhǔn)）。In為n次諧波有效值， Io為導(dǎo)通時(shí)電路電流幅值。以電源周

10、期為基準(zhǔn)，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波。而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。18三、固態(tài)開(kāi)關(guān)三、固態(tài)開(kāi)關(guān) 1.英文：Solid State Switch 簡(jiǎn)稱(chēng)：SSS 2.組成：固態(tài)繼電器Solid State Relay、固態(tài)接觸器Solid State Contactor，是一種以雙向晶閘管為基礎(chǔ)構(gòu)成的無(wú)觸點(diǎn)通斷組件。 3.特點(diǎn)：一般采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，具有體積小、工作頻率高。 4.適用于：頻繁工作或潮濕、有腐蝕性以及易燃的環(huán)境。19第三節(jié)第三節(jié) 單相和三相交流調(diào)壓電路單相和三相交流調(diào)壓電路 原理原理 兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)對(duì)晶閘管的控制

11、就可控制交流電力。 電路圖20 應(yīng)用應(yīng)用 1 燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)。 2 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。 3 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 4 供用電系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 5 在高壓小電流或低壓大電流直流電源中， 用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。第三節(jié)第三節(jié) 單相和三相交流調(diào)壓電路單相和三相交流調(diào)壓電路21第三節(jié)第三節(jié) 單相和三相交流調(diào)壓電路單相和三相交流調(diào)壓電路22 若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j ，當(dāng)用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后。 a =0時(shí)刻仍定為u1過(guò)零的時(shí)刻，a 的移相范圍應(yīng)為j a 。 1) 阻感負(fù)載 0.6Ou1 u1uoiouVTw

12、tOwtOwtwtOuuG1 G1uG2OOwtwt圖4-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 負(fù)載阻抗角： j = arctan(wL/R)VT1一、單相交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路23q 020100601401802010060/( )180140a /( )j = 9075604530150圖4-3 單相交流調(diào)壓電路以a為參變量的和a關(guān)系曲線(xiàn) wt = t = a 時(shí)刻開(kāi)通晶閘管VT1，可求得 （47）jqjajqatg)sin()sin(e當(dāng) a = j 時(shí) = 當(dāng) a j 時(shí) 以j 為參變量，利用（47)可把a(bǔ) 和 的關(guān)系表示成右圖。一、單相交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路24

13、圖4-4 單相交流調(diào)壓電路a為參變量時(shí)I VTN和a關(guān)系曲線(xiàn)j = 900.40.516018004012080 75 6045j = 0a /( )IVTN負(fù)載電流有效值 (4-10)IVT的標(biāo)么值 (4-11)12UZIIVTVTNVTII20一、單相交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路25圖4-5 aj時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形pwtwtwtwt圖4-5aapaqOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2當(dāng)阻感負(fù)載, a j 時(shí)電路工作情況。圖4-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路VT1的導(dǎo)通時(shí)間超過(guò)。觸發(fā)VT2時(shí)， io尚未過(guò)零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不會(huì)導(dǎo)通。io過(guò)零后

14、，VT2才可開(kāi)通，VT2導(dǎo)通角小于。衰減過(guò)程中， VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短， VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長(zhǎng)。一、單相交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路263) 單相交流調(diào)壓電路的諧波分析電阻負(fù)載由于波形正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)，所以不含直流分量和偶次諧波。 (4-12) 基波和各次諧波有效值 (4-13)負(fù)載電流基波和各次諧波有效值 (4-14) 電流基波和各次諧波標(biāo)么值隨 a變化的曲線(xiàn)（基準(zhǔn)電流為a =0時(shí)的有效值）如圖4-6所示。,5,3, 1o)sincos()(nnntnbtnatuwww22on21nnbaURUI/onon060120180圖4-6基波3次5次7次觸發(fā)延遲角a/( )In/I*/%204060

15、80100圖4-6 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量一、單相交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路27電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相同，也只含3、5、7等次諧波。隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少。和電阻負(fù)載時(shí)相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量少一些。當(dāng)a 角相同時(shí)，隨著阻抗角j 的增大，諧波含量有所減少。阻感負(fù)載一、單相交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路28 4) 斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的正半周RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路用V1進(jìn)行斬波控制用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道29RL圖4-7u1i1

16、uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V2進(jìn)行斬波控制用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路 4) 斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的負(fù)半周一、單相交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路30 特性特性圖4-8 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形一、單相交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)為1。電源電流不含低次諧波，只含和開(kāi)關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波。功率因數(shù)接近1。31一、單相交流調(diào)壓電路一、單相交流調(diào)壓電路 單相交流調(diào)壓特點(diǎn)： 1）帶電阻性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流波形與單相橋式可控整流交流側(cè)電流波形一致，改變控制角a可以改變負(fù)載電壓有效值，達(dá)到交

17、流調(diào)壓得目的。觸發(fā)電路與整流電路一致。 2）帶電感性負(fù)載時(shí)，不能用窄脈沖觸發(fā)。 3）帶電感性負(fù)載時(shí)，最小控制角amin=(負(fù)載功率因數(shù)角)，所以a可以從角到1800之間變化，而帶電阻性負(fù)載時(shí)移相范圍為01800 。32二、三相交流調(diào)壓電路二、三相交流調(diào)壓電路 根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式圖4-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)b) 線(xiàn)路控制三角形聯(lián)結(jié)c) 支路控制三角形聯(lián)結(jié)d) 中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)33三線(xiàn)四相 基本原理：相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開(kāi)120工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動(dòng)，不流過(guò)零線(xiàn)。問(wèn)題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過(guò)零線(xiàn)。

18、零線(xiàn)有很大3倍次諧波電流。 a =90時(shí)，零線(xiàn)電流甚至和各相電流的有效值接近。1) 星形聯(lián)結(jié)電路 可分為三線(xiàn)三相和三線(xiàn)四相可分為三線(xiàn)三相和三線(xiàn)四相圖4-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)二、三相交流調(diào)壓電路二、三相交流調(diào)壓電路34三相三線(xiàn)，主要分析阻負(fù)載時(shí)的情況圖4-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)二、三相交流調(diào)壓電路二、三相交流調(diào)壓電路任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路。電流通路中至少有兩個(gè)晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗} 沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1 VT6,依次相差60。相電壓過(guò)零點(diǎn)定為a 的起點(diǎn)， a角移相范圍是0 150。35l (1)0 a 60：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)

19、通交替，每管導(dǎo)通180a 。但a =0時(shí)一直是三管導(dǎo)通。圖4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形a) a =30二、三相交流調(diào)壓電路二、三相交流調(diào)壓電路3660 a 90：兩管導(dǎo) 通，每管導(dǎo)通120。(2)圖4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形b) a =60二、三相交流調(diào)壓電路二、三相交流調(diào)壓電路37l (3)90 a 150：兩管導(dǎo)通與無(wú)晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為3002 a。圖4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 c) a =120二、三相交流調(diào)壓電路二、三相交流調(diào)壓電路38諧波情況二、三相交流調(diào)壓電路二、三相交流調(diào)壓電路電流諧波次數(shù)為6k1(k=1，2，3，)，和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流

20、所含諧波的次數(shù)完全相同。諧波次數(shù)越低，含量越大。和單相交流調(diào)壓電路相比，沒(méi)有3倍次諧波，因三相對(duì)稱(chēng)時(shí)，它們不能流過(guò)三相三線(xiàn)電路。39 2） 支路控制三角聯(lián)結(jié)電路 圖49三相交流調(diào)壓電路c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)二、三相交流調(diào)壓電路二、三相交流調(diào)壓電路由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線(xiàn)電組成，分別在不同的線(xiàn)電壓作用下工作壓作用下工作。單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適用。輸入線(xiàn)電流（即電源電流）為與該線(xiàn)相連的兩個(gè)負(fù)載相電流之和。40 諧波情況諧波情況c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)圖49三相交流調(diào)壓電路二、二、 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路 3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動(dòng)，而不出現(xiàn)在線(xiàn)電流中。 線(xiàn)電流中所諧波次數(shù)為6k1(k為正整數(shù))。 在相同負(fù)載和a 角時(shí)，線(xiàn)電流中諧波含量少于三相三線(xiàn)星形電路。41典型用例晶閘管控制電抗器（Thyristo