第5章 交流变换电路

负载电流的有效值
I0 U0 U R R 1 sin2 2
（5.1.2）
调压器的功率因数
PF UO IO UO UI O U 1 sin2 2
（5.1.3） 图5.1.1电阻性负载时
单向交流电压电路及输 出电压波形
总结：随着 α 角的增大，U0 逐渐减小。当 α =π时， U0=0。 因此，单相交流电压器对于电阻性负载，其电 压可调范围为 0～U，控制角α的移相范围为0～π。

(5.1.9) (5.1.10)
I dT
1 2
1 2


[sin( t ) sin( )e
t tan
]dt
t
IT


2U 2 ( ) [sin(t ) sin( )e tan ]2 dt Z
R / no U
no
I
1 1 1 U2 1 )1 n( s oc na 1 )1 n( s oc 1 n 1 n
b a
2 n
2 1
no U
5.1.1
单相交流调压电路
感性负载 （R-L负载）
单相交流电压器带阻感负载时，
工作情况同可控整流电路带电感负 载相似；
2、交流调压的实现方法：通过控制晶闸管在每一个电源
周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。
3、交流调压电路应用：
• 电炉的温度控制 • 灯光调节 （如舞台灯光控制）
• 异步电机软起动
• 异步电机调速 • 调节整流变压器一次侧电压
5.1.1
单相交流调压电路
单相交流调压器主电路特点：
当电源电压反向过零时，负载 电感产生感应电动势阻止电流的变 化，故电流不能立即为零；
晶闸管的导通角θ 的大小与控 制角 、负载阻抗角φ 都有关。
图5.1.2 带阻感负载单向 交流调压电路及输出波形
5.1.1
单相交流调压电路
阻感负载的工作情况分析：
晶闸管T1导通时，负载电流IO满足：
1、 α >ф ，导通角θ ≺1800，正负半波电流断续。 α 愈大， θ 愈小，波形断续愈严重。 •负载电压的有效值UO、晶闸管电流平均值IdT、电流有效值IT以及 负载电流有效值IO分别为：
U0 1



( 2U sint ) 2 dt U
sin2 sin2( )
第5章 交流变换电路
概述 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 5.2 交流调功电路 5.3 交流电力电子开关 5.4 交－交变频电路 5.4.1 单相输出交－交变频电路 5.4.2 三相输出交－交变频电路 5.4.3 交－交变频电路输出频率上限的限制 5.4.4 交－交变频电路的优缺点
的负载电压波形。
图5.1.6 (a) a=30° 时负载相电压波形
5.1.2
三相交流调压电路
3、三相三线制交流调压电路 改变 a ，电路中晶闸管的导
电模式：
(2) 60°≤<90°时，两管 导通，每管导通120°； 图5.1.6(b)所示为 =60°时 负载电压波形。
图5.1.6 (b) a=60° 时负载相电压波形
5.2
交流调功电路
2、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）的重复周期为M倍电 源周期；
图5.2.1交流调功
M=3 、 N=2 时
的电路波形。
电路典型波形
5.2
交流调功电路
3、谐波分析：
θ =1800
此时，晶闸管轮流导通，相当于晶闸管被短接。
负载电流处于连续状态，为完全的正弦波。
5.1.1
单相交流调压电路
θ ＞1800
3、α =ф
1） 如果采用窄脉冲触发，会出现先 触发的一只晶闸管导通，而另一只管 子在电流下降为零时，因其门极脉冲 已经消失不能导通的失控现象。回路 中将出现很大的直流电流分量，无法 维持电路的正常工作。 2） 采用宽脉冲或脉冲列触发，使第 二个晶闸管的导通角φ <π 。即可使 两个晶闸管的导通角θ=1800达到平衡。 解决失控现象。
图5.2.2为以控制周期为基准 的交流调功电路的频谱图，In为 n次谐波有效值， Io为导通时电 路电流幅值； 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。
图5.2.2 交流调功电路的电流频 谱图(M =3、N =2)
5.3
交流电力电子开关
图5.1.4 窄脉冲触发时的工作波形
5.1.1
单相交流调压电路
单相交流电压器带阻感负载时电流谐波分析： • 1） 电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、
7… 等次谐波； • 2） 随着次数的增加，谐波含量减少； • 3） 和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含
量少一些；
• 4） 角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所 减少；
将晶闸管反并联后串入交流电路代替机械开关， 起接通和断开电路的作用；
1）作用
2）优点
1）响应速度快、无触点寿命长、可频繁控制通断； 2）控制晶闸管总是在电流过零时关断，在关断时不会因负载 或线路电感存储能量而造成过电压和电磁干扰；
3）特点（与交流调功电路的区别） 只控制通断，并不控制电路的平均输出功 ) Z cos
(5.1.11) (5.1.12)
I O 2I T
5.1.1
单相交流调压电路
tg
2、α =ф
由
sin( ) sin( )e

(5.1.8)
可得： sin( ) 0
单向交流电压电路的工作情况与它的负载性质有关
5.1.1
单相交流调压电路
1、电阻性负载工作原理：
• 1）电源电压正半周：晶闸管T1承受正 向电压，当ωt=α时，触发T1使其导通， 负载上得到缺α角的正弦半波电压； • 2）电源电压过零： T1管电流下降为零 而关断； • 3）电源电压负半周：晶闸管T2 承受正 向电压，当ωt=π+α时，触发T2 使其导 通，则负载上又得到了缺α角的正弦负 半波电压。持续这样控制，在负载电阻 上便得到每半波缺α角的正弦电压；
第5章
交流变换电路
概述
交流变换电路：把交流电能的参数（幅值、频率、相数）加 以转换的电路。
交流电力控制电路 分 类
维持频率不变 改变输出电压的幅值。
交一交变频电路 （直接变频电路）
将电网频率的交流电直接变换成较低频率的交流电
直接变频的同时也可实现电压变换。
5.1
交流调压电路
1、交流调压电路:是用来变换交流电压幅值（或有效值） 的电路。
7）该电路中晶闸管上承受的峰
值电压为
2 U l( 3
U l 为线电压)。
图5.1.5(a) 三相四线制调压电路
5.1.2
三相交流调压电路
2、三相三线制交流调压电路 的特点：
1）每相电路必须通过另一相形成回路； 2）负载接线灵活，且不用中性线；
3）晶闸管的触发电路必须是双脉冲，或 者是宽度大于600的单脉冲；
sin( ) sin( )e
tg
(5.1.8)
图5.1.3 单相交流调压器以 φ 为参变量时θ 与的关系 曲线
T2导通时，上述关系完全相同，只是iO相差1800
5.1.1
单相交流调压电路
调压电路的工作情况（ α > ф 、 α =ф、 α < ф ）
交流调功电路
同 电路形式完全相同
1、与调压电路的比较：
异
控制方式不同：以交流电源周波数为控制单位, 对电路通断 进行控制，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均 功率。
应用
电炉的温度控制
交流调功电路直接调节对象是电路的平均输出功率；
控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制； 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。
图5.1.4 窄脉冲触发时的工作波形
5.1.1
单相交流调压电路
总结：
当 时，并采用宽脉冲触 发，负载电压、电流总是完整的 正弦波，改变控制角 ,负载电压、 电流的有效值不变，即电路失去 交流调压的作用。
在电感负载时，要实现交流调 压的目的，则最小控制角 （负载的功率因数角）。所以 的移相范围为φ ～1800
2U io [sin( t ) sin( )e Z
式中 t
Z [ R (L) ]
2 1 2 2
t tg
]
(5.1.7)
（θ 为晶闸管的导通角）
tg 1
L
R
利用边界条件：t ，i0=0 可求得θ ：
4）触发脉冲顺序和三相全控桥一样，为 T1～T6，依次间隔600； 5）电压过零处定为控制角的起点，角 移相范围是0°～150°； 6)输出谐波含量低,无3倍次谐波；
图5.1.5 (b) 三相三线制交流调压电路
5.1.2
三相交流调压电路
3、三相三线制交流调压电路改变 α ， 电路中晶闸管的导电模式： (1) 0°≤<60 °时，三个 晶闸管导通与两个晶闸管导通 交替，每管导通180°－ 。但 =0°时一直是三管导通， 图5.1.6(a)所示=30°时
改变α角的大小，便改变了输出电压有 效值的大小。