第6章 交流调压电路
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交流控制电路和交交变频电路介绍
n 1, 3, 5,
(a
1 2
n
cos nw t bn sin nw t )
wt
a =0时刻仍定为u1过零 的时刻，a 的移相范围应
为
i
o
O
u VT O
wt
wtຫໍສະໝຸດ 阻感负载单相交流调压电路及其波形
10
Single-phase AC voltage controller
wt 时刻开通晶闸管VT1，负载电流应满足
dio L Rio 2U1 sin wt dt io |wt 0 wt 2U1 io [sin( wt ) sin( )e tan ] Z wt
直接 间接
3
Classification of AC to AC Converters
4
AC Voltage Controllers交流调压电路
原理Principle 两个晶闸管反并联后串联在交 流电路中，通过对晶闸管的控 制就可控制交流电力，不改变 交流电频率 应用Application
电路图
只改变电压, 电流或控制 电路的通断, 而不改变频 率的电路 交流调压电路 交流电力 控制电路 相位控制
AC voltage controller Phase control
交流调功电路
通断控制
AC power controller Integral cycle control
交交变频 改变频率的电路 变频电路 交直交变频
7
Single-phase AC voltage controller
电阻负载Resistive load
RMS value of thyristor current
(a
1 2
n
cos nw t bn sin nw t )
wt
a =0时刻仍定为u1过零 的时刻，a 的移相范围应
为
i
o
O
u VT O
wt
wtຫໍສະໝຸດ 阻感负载单相交流调压电路及其波形
10
Single-phase AC voltage controller
wt 时刻开通晶闸管VT1，负载电流应满足
dio L Rio 2U1 sin wt dt io |wt 0 wt 2U1 io [sin( wt ) sin( )e tan ] Z wt
直接 间接
3
Classification of AC to AC Converters
4
AC Voltage Controllers交流调压电路
原理Principle 两个晶闸管反并联后串联在交 流电路中，通过对晶闸管的控 制就可控制交流电力，不改变 交流电频率 应用Application
电路图
只改变电压, 电流或控制 电路的通断, 而不改变频 率的电路 交流调压电路 交流电力 控制电路 相位控制
AC voltage controller Phase control
交流调功电路
通断控制
AC power controller Integral cycle control
交交变频 改变频率的电路 变频电路 交直交变频
7
Single-phase AC voltage controller
电阻负载Resistive load
RMS value of thyristor current
电力电子技术课件(王兆安)——第六章+交流控制电路和交交变频电路
16
单相交流调压电路 斩控式交流调压电路
在交流电源u1的正半周
用V3给负载电流 提供续流通道
图4-7 斩控式交流调压电路
用V1进行斩波控制
17
单相交流调压电路 斩控式交流调压电路
在交流电源u1的负半周
用V4给负载电流 提供续流通道
图4-7 斩控式交流调压电路
用V2进行斩波控制
18
单相交流调压电路 特性
阻感负载Inductive 阻感负载Inductive load 负载阻抗角： 负载阻抗角：
VT1
ϕ = arctan ωL/ R） （
u1 u
1 O u uG1 G1 u O G2 O u o O
若将晶闸管短接， 若将晶闸管短接，稳态时 负载电流为正弦波， 负载电流为正弦波，相位滞 后于u1的角度为 ϕ ，当用晶 闸管控制时， 闸管控制时，只能进行滞后 控制， 控制，使负载电流更为滞后
ωt
ωt ωt
ωt
a =0时刻仍定为u1过零 =0时刻仍定为 的时刻， 的时刻，a 的移相范围应
为 ϕ ≤α ≤ π
i
o
O u VT O
ωt
ωt
阻感负载单相交流调压电路及其波形
10
SingleSingle-phase AC voltage controller
时刻开通晶闸管VT1 VT1， ωt = α 时刻开通晶闸管VT1，负载电流应满足
负载电流有效值RMS 负载电流有效值 value of output current
7
SingleSingle-phase AC voltage controller
电阻负载Resistive 电阻负载Resistive load 流过晶闸管的电流有效值
电力电子技术_王兆安第6章
io O u VT O 图4-2 阻感负载单相交流调压 电路及其波形
t
t
6.1.1 单相交流调压电路
–
数量关系
Uo =
1
负载电压有效值：
a
a
( 2U 1 sin t ) 2 d ( t )
= U1
1 sin 2a sin( 2a 2 )
瞬态微分方 程求解可得
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
6.2.1 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 – 当M=3、N=2时的电路波形如图 交流调功电路典型波形(M =3、N =2)
负载电流有效值
I0 =
2 IVT
6.1.1 单相交流调压电路
3.单相交流调压电路的谐波分析
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
式中:
a1 =
an =
uo (t ) =
n =1, 3, 5,
(a
n
cos n t bn sin n t )
2U 1 sin 2a 2( a ) 2
t 正负半周a 起始时刻 O （a =0）均为电压过 io 零时刻，稳态时，正 t O 负半周的a 相等 u
VT
t
t
t
t
O
t
6.1.1 单相交流调压电路
数量关系
VT 1 VT 2 u1 io uo R
负载电压有效值
[工学]电力电子技术_王兆安第6章
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6.1.1 单相交流调压电路
4．斩控式交流调压电路
原 理
•T设，斩则波导•基器通本件比原（a理V=1和t或o••nuu直/VT11正负2，流）半半改斩导周周变波通a电时可路间调有为节类to输n似，出之开电处关压周期为
分 析
i1
VD1 V1 斩波控制
一般采用全控型器 件作为开关器件
u1
V2
VD2
斩波控制
t
io （a =0）均为电压过 io
零时刻，稳态时，正
O 负半周的a 相等t
O
t
uVT
uVT
O
t
O
t
6.1.1 单相交流调压电路
数量关系
负载电压有效值
u1
Uo =
1 Uao
=
2U11
sin
a
2
t 2U1
d t
sin t
2=dU1 t
稳定分量iB与自由分量is如图3-2(b)所示，叠加后电流波形i2的导通角θ <180，正负半波电流断续， α愈大θ愈小，波形断续愈严重。
(2) 当α =φ时
电流自由分量is=0，i2=iB；θ=180。正负半周电流处于临界连续状态， 相当于晶闸管失去控制，负载上获得最大功率，此时电流波形滞 后电压φ角。
V3
VD4
R
uo
VD3 V4 L
续流通道 续流通道
图4-7 斩控图 式交4-流7调压电路
6.1.1 单相交流调压电路
单相--斩控式交流调压电路波形
图4-8 电阻负载斩控式交 流调压电路波形
6.1.2 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
电力电子技术第6章 交流交流变流电路
~u
VT1
uo
R
（a） 电阻负载单相交流调压电路 u1 O uo O i
o
α
π +α
t
VT1
VT2
t
u
O
V T
t
t O School of Electronics Science and Technology 7/57 （b）电阻负载单相交流调压工作波形
6.1.1 单相交流调压电路
每个晶闸管均在对应的交流电压 过零点关断，晶闸管的控制触发 角为α，导通角为θ = π-α。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，晶闸管也只 在两个晶闸管均关断时才承受电 压。 定量分析：由此可知，当晶闸管 的控制触发角为α时，负载两端的
ui 0 uo 0
t
t
图6-1 （c）斩控式交流调压方案 6/57
School of Electronics Science and Technology
6.1.1 单相交流调压电路
1 相控式交流调压电路
VT2
相控式交流调压电路的工作情 况和负载性质有很大的关系， 下面就电阻性负载和电感性负 载分别讨论。 （1）电阻性负载 单相相控式 交流调压电路电阻性负载电路 图如图所示，加在该电路输入 端的电源为正弦交流电。在交 流电源的正负半周分别在ωt =α 和ωt =π +α 时刻触发晶闸管VT1 和VT2，从而得到负载两端的电 压、电流以及VT两端电压波形 如图所示。
■直接方式
◆交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通 断进行控制，而不改变频率的电路。
◆交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输 出电压有效值的电路。 ◆交流调功电路：以交流电周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数 和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。 ◆交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。
第6章 交流—交流变换电路
13
6.5.1 单相相控交-交变频电路
◆基本原理 当正组变流器工作时，晶闸管触发角 p =0，平均电压Ud最大。随着的 p增大，Ud 值减小，当 p π 2 时，Ud=0。半周内平均输出电压如图6-17所示，为一正弦波。由
于整流电压波形上部包围的面积比下部面积大，总的功率为正，从电源供向负载，
组相控整流电路反并联构成，如图6-17
所示，将其中一组整流器称为正组变流 器P，另外一组称为反组变流器N。如果
正组变流器工作，反组变流器被封锁，
负载端得到输出电压为上正、下负；如 果反组变流器工作，正组变流器被封锁 ，则负载端得到输出电压为上负、下正 。
6-17 相控单相交-交变频电路阻感负载时的输出波形
14
6.5.1 单相相控交-交变频电路
◆基本原理 反组变流器的工作原理类似。 由此得出结论，正弦波交-交变频电路是由两组反并联的可控整流器组成，运行
中正、反两组变流器的α角要不断加以调制，使输出电压平均值为正弦波；同时，
正、反两组变流器也需按规定频率不停地进行切换，以输出可变频率交流。 正、反两组整流器切换时，不能简单地将原来工作的整流器封锁，同时将原来封 锁的整流器立即开通。因为己开通的晶闸管并不能在触发脉冲消失的那一瞬间立即 被关断，必须等待晶闸管承受反压时才能关断。如果两组整流器切换时触发脉冲的 封锁和开放同时进行，原先导通的整流器不能立即关断，而原来封锁的整流器己经 开通，于是出现两组整流器同时导通的现象，将会产生很大的短路电流，使晶闸管 损坏。为了防止在负载电流反向时产生环流，将原来工作的整流器封锁后，必须留 有一定死区时间，再开通另一组整流器。这种两组整流器任何时刻只有一组工作， 在两组之间不存在环流，称为无环流控制方式。
第六章交流交流(ACAC)变换
第六章交流—交流（AC—AC）变换AC—AC变换是一种可以改变电压大小、频率、相数的交流—交流电力变换技术。
只改变电压大小或仅对电路实现通断控制而不改变频率的电路，称为交流调压电路和交流调功电路、或交流无触点开关。
从一种频率交流变换成另一种频率交流的电路则称为交—交变频器，它有别于交—直—交二次变换的间接变频，是一种直接变频电路。
为了解决相控式晶闸管型交—交变频器输入、输出波形差、谐波严重的弊病，在基于双向自关断功率开关的基础上目前正在研究一种所谓的矩阵式变换器，它是一种具有十分优良输入、输出特性的特殊形式交—交变频器。
本章将分节介绍交流调压（交流调功或交流无触点开关）、交—交变频及矩阵式变换器的相关内容。
6.1 交流调压电路交流调压电路采用两单向晶闸管反并联（图6-1(a)）或双向晶闸（图6-1（b）），实现对交流电正、负半周的对称控制，达到方便地调节输出交流电压大小的目的，或实现交流电路的通、断控制。
因此交流调压电路可用于异步电动机的调压调速、恒流软起动，交流负载的功率调节，灯光调节，供电系统无功调节，用作交流无触点开关、固态继电器等，应用领域十分广泛。
图6-1 交流调压电路交流调压电路一般有三种控制方式，其原理如图6-2所示。
图6-2 交流调压电路控制方式（1）通断控制通断控制是在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管，使负载电路与交流电源接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变导通周波数与关断周波数的比值，实现调节交流电压大小的目的。
通断控制时输出电压波形基本正弦，无低次谐波，但由于输出电压时有时无，电压调节不连续，会分解出分数次谐波。
如用于异步电机调压调速，会因电机经常处于重合闸过程而出现大电流冲击，因此很少采用。
一般用于电炉调温等交流功率调节的场合。
（2）相位控制与可控整流的移相触发控制相似，在交流的正半周时触发导通正向晶闸管、负半周时触发导通反向晶闸管，且保持两晶闸的移相角相同，以保证向负载输出正、负半周对称的交流电压波形。
电力电子技术基础 第6章 AC-AC变换-交流调压和交交变频器
图6-1 单相交流调压电路（电阻式负载）
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
u1
2、单相交流调压电路 （阻感式负载）
0j a
p
2p
wt
波形与工作原理
VT1
i0
VT2
R i2
~u1
u0
L
uG uG1
uG2
0
wt
u0
0j a
p
p+ a
wt
i00wtqFra bibliotekuVT
0
wt
图6-2 阻感负载电路波形
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
电力电子技术课程讲座
第6章 AC/AC变换——交交变流电路 6.1 概述
交流-交流变流电路（AC/AC Converter）即把一种形式的交流变成另一种形式 交流的电路。在进行AC-AC变流时，可改变相应的电压(电流)、频率和相数等。
交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环节）和间接方式（有中 间直流环节）两种。
+
p
a p
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
2、单相交流调压电路 （电阻式负载）
1.0
功率因数 λ
0.8
P U0I0 U0 sin 2a + p a
S U1I0 US
2p
p
✓ α越大，输出电压越低，功率因数也越低。 ✓ 移相范围： ✓ 图中输出电压虽是交流，但不是正弦波，没有偶次谐
O
✓
时刻，开通VT2，此时i2流过负载，u0 = u1；
✓在
期间，无VT通，由相应的VT承担u0电压，u0 = 0。
p+a
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图6-11 交流调功器 （a）单相交流调功器；（b）三相交流调功器
图6-12 单相交流过零触发开关电路的工 作波形
•
如设定运行周期Tc内的周波数为n，每个周波的周期为T (20ms),频 率为50Hz，则调功器的输出功率Po为
调压器输出电压有效值为
上式中，Tc应大于电源电压一个周波的时间且远远小于负 载的热时间常数，般取1s左右就可满足工业要求。
第一节单相交流调压电路
采用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以很方便地调节输出电压的有效 值。交流调压器的晶闸管控制通常有通/断控制和相位控制两种方法。 • 通/断控制是将晶闸管作为开关将负载与交流电源接通几个周期，然后再断 开几个周期，通过改变通/断时间的比值达到调压的目的。 • 相位控制是使晶闸管在电源电压的每一个周期中，在选定的时间内将负载 与电源接通，通过改变选定的时刻可达到调压的目的。 • 用晶闸管组成的单相交流调压电路有多种形式，可以由一只双向晶闸管组 成，也可以使用两只普通的晶闸管来完成。以下以使用两只普通的晶闸管反 向并联组成的电路为例，来分析单相交流调压电路的工作原理。 •
•
•
• 交流调压电路的应用：交流调压电路广泛用于灯光控制〔如调光 台灯和舞台灯光控制)和异步电机软启动，也应用于异步电动机 调速;在高压小电流或低压大电流直流源中，也用于调节整流变 压器一次侧电压。
• 交流过零调功电路的应用：用于时间常数很大的电热负载的控制， 如电炉温度控制等。
• 本章主要介绍交流调压电路、交流过零调功电路的工作原理及 交流调压电路的应用。
• ( 三 ) α< ψ时 • 1.窄脉冲触发：结果形成单向半波整流现象，如图6一4所示。 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。 因此，需要采用宽脉冲或宽脉冲列触发。
• 2.宽脉冲或脉冲列触发 • 如图触发脉冲的宽度大于θ-π，如图6-5所示
综上所述，可以归纳出单相交流调压电路具有以下几 个特点。
电流的有效值为
调压器的功率因数为
式中 Uo—负载电压有效值; U——电源电压有效值; α一晶闸管的控制角，移相范围为0~π。
• 当α=0时，相当于晶闸管一直接通，Uo=U,为最大输出电压;随着α角 的增大，电阻R上的电压有效值Uo逐渐减小; • 当α=π时，Uo=0。 • 因此，单相交流调压器对于电阻性负载，其电压的输出调节范围 为0~U。 • 此外，当 α=0 时功率因数λ=1，随着α角的增大，输人电流滞后于 电压而且发生畸变，功率因数λ也逐渐降低·
•
• 二、电感性负载 • 当负载为线圈、交流电动机或经过变压器再接电阻负载时，这 种负载称为电感性负载。图6一2 (a)所示为电感性负载单相交流调 压电路。
可求得导通角θ与控制角α、负载阻抗角ψ之间的定量关系表达 式为
• 下面分别就α>ψ、α=ψ、α<ψ三种情况来讨论调压电路的工作情 况。 • ( 一 ) α> ψ时 • 当α>ψ时，由上式可以判断出导通角θ<180°负载电路处于电流 断续状态。α越大，θ越小，波形断续愈严重。 • ( 二 ) α= ψ时 • 当α=ψ时，由上式可知每个晶闸管的导通角θ=180°。此时，每 个晶闸管轮流导通180°，相当于两个晶闸管轮流被短接，负载 电流处于临界连续状态，输出完整的正弦波。
•
• 图6一1 (a)所示为单相交流调压主电路原理图。（此为电阻性负载 情况）
图6-1 交流调压主电路及输出电压波形 （a）电阻性负载单相调压的数量关系主电路；（b）输出电压波形图
•
单向交流调压电路的工作情况和它的负载性质有关，下面 根据负载性质对单相交流调压器的工作情况分别予以介绍。 • 一、电阻性负载 • 电路输出交流电压的有效值为
第六章 交流调压电路
•
只改变交流电压或对电路的通断进行控制，而不改变频率的 电路称为交流电力控制电路。 交流调压电路、交流过零调功电路是交流电力控制电路的常 用形式。
•
• 共同点:(1)多数电路都未用晶闸管作为开关元件，晶闸管连接方式 相同(2)电力变换时，它们都不改变交流电的频率; • 区别: (1)它们的控制目标不同，交流调压电路控制的目标是输出 电压的有效值，交流过零调功电路控制的目标是输出平均功率。 （2）控制方式不同，交流调压有通/断控制和相位控制方式，交 流调功利用过零触发，调节晶闸管的通断周波数的方式。 •
图6-15 交流调压电路构成的电动机软启动器及其工作波形
（a）电动机软启动器电路；（b）工作波形
•
•
二、晶闸管电镀电源
低压大电流电路:交流输人电压380V, 50 Hz;直流输出电流。0~1500A，直流输出电 压0~18V。 • 晶闸管电镀电源的主电路如图6-16所示。
图6-16 晶闸管电镀电源的主电路
•
一、星形连接带中性线的三相交流调压电路
图6-6 星型连接带中线的三相交流调压电路
• 二、晶闸管与负载连接成内三角形的三相交流调压电路
•
图6-7 晶闸管与负载连接成的内三角形的三相交流调压电路
•
• 三、用三对反并联晶闸管连接成的三相三线交流调压电路
•
图6-8 用三对反并联晶闸管连接成的三相三线交流调压电路
(1)带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流 交流侧电流波形一致，改变控制角α可以改变负载电压 有效值，达到交流调压的目的
(2)带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当α<ψ时 会发生一个晶闸管无法导通的现象，产生很大的直流分 量 (3)带大电感性负载时，最小控制角αmin=ψ (负载功率因 数角)，所以ψ的移相范围为ψ~180°，而带电阻负载时移 相范围为0°~180°。
第四节 交流调压电路的应用实例
• • 一、软启动器 应用三相交流调压电路可以构成电动机软启动器· 如图6-15所示它的意义在于 可以减少启动电流(实际上是降低启动电压);使电动机在启制动过程中，将电压 缓慢地加在电动机上，使电动机和负载平滑地进行加速及减速· 通过软启动器 装置相控调压，使启动转矩逐渐增加，减少损耗，延长电动机和电源的寿命; 另一方面，大大地减低了初始浪涌电流，减少了对电网的干扰。在不需要变 速的场合下，它比变频器具有更好的性能价格比。
在交流调功电路中，由于采用了过零触发，因此避免了相 位控制时缺角正弦波产生的，线电射频干扰，减小晶闸管触发导 通时瞬态浪涌电流和电流变化率di/dt值，使负载上的电压或电流 均为完整的正弦波，减小对电网造成通常意义的谐波污染。 • 但交流调功电路不能平滑调节电压，不能使用普通的电压 表、电流表测量，不适合调光等场合。
第二节 三相交流调压电路
•
• • 三相交流调压器接线形式很多，较为常见的接线方式有三 种，即星形连接带中性线的三相交流调压电路、晶闸管与负载连 接成内三角形的三相交流调压电路和用三对反并联晶闸管连接成 的三相三线交流调压电路。 单相交流调压适用于单相负载。如果单相负载容量过大，就 会引起三相不平衡，影响电网供电质量，因此容量较大的负载大 多分为三相要适应三相负载的要求，就需要用三相交流调压。
图6-14 单相过零调功电路的工作波形
第三节 交流过零调功电路
•
交流过零调功电路以交流电源周波数为控制单位，利用过零 触发，调节晶闸管通断周波数的方式来控制输出功率，简称调功 器或周波控制器.
一、调功器的工作原理 • 图6一11所示为过零触发单相交流调功和三相交流调功电路。交 流电源电压u以及VT1和VT2的触发脉冲ug1、ug2的波形分别如图6-12所 示。由于各晶闸管都是在电压u过零时加触发脉冲的，因此这种 触发方式又被称为过零触发。
•
二、调功电路实例
•
图6-13 全周波连续式分立元件过零调功电路
该电路中各点的输出波形如图6-14所示。 在直流开关导通期间输出连续的正弦波，控制电压Uc的大小决定了直流开关 导通时间的长短，开关导通的周波数也就相应变化，从而实现对输出功率的 调节。 • 显然，控制电压Uc越大，导通的周波数越多，输出的功率就越大，电阻炉的 温度也就越高;反之，电阻炉的温度就越低。利用这种系统就可实现对电阻炉 炉温的控制。 • •