第四章交流调压电路和交交变频电路

第四章交流调压电路和交交变频电路 北方交通大学电气工程学院

要求及重点 • 掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，简要分析单、三相交流调压电路，理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能。掌握交－交变频电路的原理及电路，分析其优缺点，掌握三相交交变频电路的有环流和无环流运行。 • 重点： • 交流调压电路和交交变频电路的原理及电路。北方交通大学电气工程学院

4. 1 交流调压器的类型、用途和电路 • 交流调压器的调压方式： • 通断控制 • 相位控制 • 斩波控制 • 交流调压的应用： • 调温的工频加热和感应加热 • 灯光调节 • 泵及风机的感应电动机调速 • 变压器的初级调压北方交通大学电气工程学院

单相调压器的基本电路 A. 反并联电路 B. 混合反并联电路北方交通大学电气工程学院

单相调压器的基本电路（续） C. 二极管桥式电路 D. 混合桥式电路北方交通大学电气工程学院

三相调压器的基本电路 A. 反并联电路 B. 混合反并联电路北方交通大学电气工程学院

三相调压器的基本电路（续） C.  形负载内接 D.  形负载内接反并联电路  形反并联电路北方交通大学电气工程学院

三相调压器的基本电路（续） E.  形负载内接三个可控元件电路北方交通大学电气工程学院

4. 2 单相交流调压电路的分析 • 以反并联交流调压电路为例 • 电阻负载 • 交流电压有效值 UR • 负载的电流有效值北方交通大学电气工程学院

功率因数 • 晶闸管的电流平均值 • 晶闸管的电流有效值 I及通态平均电流 IT 北方交通大学电气工程学院

交流调压器R负载时的参数与关系 北方交通大学电气工程学院

单相交流调压电路的分析（续） • 电感性负载 a. 电路 b. 电压与电流波形北方交通大学电气工程学院

c. 负载电流表达式 • 感性负载电流 iL的两个分量 iL1、 iL2 • 电流表达式北方交通大学电气工程学院

d. 控制角、功率因数角与导通角的关系 • 单相交流调压器    时的  = f (、 ) 曲线北方交通大学电气工程学院

e. 几种典型情况： (1)  = 0 (2)  不等于 0     < 180 北方交通大学电气工程学院

(3)  =  (4)    窄脉冲宽脉冲北方交通大学电气工程学院

单相交流调压电路的分析（续） • 感性负载时晶闸管电流和负载电流的有效值 • 晶闸管电流有效值式中 I* ---晶闸管的标幺电流有效值 • 晶闸管电流有效值北方交通大学电气工程学院

晶闸管标幺电流有效值 I*与 、的关系 北方交通大学电气工程学院

4. 3 三相交流调压电路的分析 • 分析举例电路北方交通大学电气工程学院

三相交流调压器正常工作的基本条件 • 在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。 • 为了保证电路起始工作时两个晶闸管能同时导通，并且在感性负载和控制角较大时，也能使不同相的正、反两个晶闸管同时导通，要求采用宽脉冲，或者双窄触发脉冲电路。 • 各触发信号应与相应的交流电源电压相序一致，并且与电压同步。北方交通大学电气工程学院

三相交流调压电路在电阻负载下的波形与参数 • 波形（见图） • 输出电压有效值 Ua 北方交通大学电气工程学院

电阻负载三相调压电路输出电压 (a) 晶闸管反并联电路 (b) 晶闸管与二极管反并联电路北方交通大学电气工程学院

三相交流调压电路在感性负载下的工况 • 三相交流调压电路的 I*与 、 的关系北方交通大学电气工程学院

感性负载（  = 45）下三相调压电路的电流波形北方交通大学电气工程学院

4. 4 交流斩波调压电路 • 交流斩波调压的原理与基本性能 • 原理图北方交通大学电气工程学院

交流斩波电路输出电压 (a) 电阻负载 (b) 感性负载 (d) 改善cos的斩波调压导通比: 北方交通大学电气工程学院

交流斩波调压电路 GTR交流斩波器 GTO交流斩波器北方交通大学电气工程学院

用GTR构成的三相交流斩波器 北方交通大学电气工程学院

4. 5 交－交变频电路概述 • 交流变换的目的： • 调节电压、频率、相位 • 形式： • 交－直－交变频器（整流器＋逆变器） • 交－交变频器（直接变频器）北方交通大学电气工程学院

基本原理及应用 • 整流电路：Ud > 0 或 Ud < 0 ，Id > 0 • 三相半波整流电路：Ud = 1.17 U2 cos • 交交变频器： •  在 0 至  之间变化，输出交流电压 • 正、负两组整流器反并联，输出交流电流北方交通大学电气工程学院

北方交通大学电气工程学院

输出电压、电流波形图： 北方交通大学电气工程学院

三相零式交交变频器： 北方交通大学电气工程学院

应用领域： • 大功率、低速交流传动（轧钢机、矿井提升机、造纸、冶炼等） • 分类： • 单相、三相 • 桥式、零式 • 有环流、无环流 • 高频 ( f0 > fi )、低频 ( f0 < fi ) 北方交通大学电气工程学院

4. 6 三相交－交变频器 • 三相输入、三相输出－－应用普遍 • 常用零式及桥式交－交变频器比较：元件整流脉波输出谐波功率个数形式数电压含量等级零式－－18支半波少低较高中等桥式－－36支全波多高较低大北方交通大学电气工程学院

三相输出各差120°，基本原理相同。 北方交通大学电气工程学院

i0 > 0－－正组工作，UP = Ud = 1.17U2cosP , 0 < P <  ，UP可正可负。 • i0 < 0－－负组工作，UN = - Ud = - 1.17U2cosN 平均值 UN = UP，N =  - P。北方交通大学电气工程学院

输出瞬时值 uNuP， u = uP–uN。 •  u 在正、负组间产生环流，采用电抗器限制。北方交通大学电气工程学院

有环流运行方式： • 目的：使正、负组输出电流平滑过渡。 • 特点：正、负组同时工作，采用环流电抗器抑制组间环流。 • 优点：正、负组自动切换，输出电流连续、平滑、无死区，系统动态性能高，稳定性好 • 缺点：增加电抗器，成本高，损耗大。北方交通大学电气工程学院

无环流运行方式： • 目的：取消电抗器，降低成本及损耗。 • 特点：i0 > 0 时正组工作，封锁负组， i0 < 0 时负组工作，封锁正组。 • 优点：无组间环流，成本低，损耗小。 • 缺点：需要检测电流过零点，控制复杂，控制失败时，造成组间电源短路，输出电流存在死区，波形畸变。北方交通大学电气工程学院

北方交通大学电气工程学院

交－交变频器输出电压： • 输出电压峰值： • 输出电压有效值： • 电压降系数： • 改变 min，可调节输出电压U0。 • min = 0 时， = 1 ，U0 = U0max = 0.83 U2。北方交通大学电气工程学院

交－交变频器控制方法： • 余弦交点法：给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点处产生各晶闸管的触发脉冲。 • 改变给定曲线的频率和幅值，可控制输出电压的频率和大小。北方交通大学电气工程学院

交－交变频器输出频率： f0 / fi = 1/2 时，半周期内有 6 脉波，谐波大 f0 / fi = 1/3 时，半周期内有 9 脉波，谐波较小 f0 / fi = 1/6 时，半周期内有 18 脉波，谐波小 • 为了减小谐波含量，降低负载转矩脉动，应保证 f0 / fi < 1 / 3 ，即f0 < 16.7 Hz 。北方交通大学电气工程学院

交－交变频器的功率因数： • 整流电路：cos = cos • 交－交变频器：因为 0 <  < ，所以 cos < cosmin ， cos = f (  , cos ) ， cos－负载功率因数。 • 输入侧总功率因数：北方交通大学电气工程学院

交－交变频器的优点： • 无中间直流环节，损耗小，效率高。 • 开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用，采用电源自然换相，不需强迫换流电路。 • 可以实现能量反馈，使电机作四象限运行。 • 输出低频时，谐波含量小，负载转矩脉动低。因此适用于大功率、低速交流传动领域。北方交通大学电气工程学院

交－交变频器的缺点： • 晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂。 • 最高输出频率受限制， f0 / fi < 1 / 3 。 • 输入侧功率因数低，当输出电压较低时，功率因数更低。北方交通大学电气工程学院

第五章无源逆变电路 北方交通大学电气工程学院

5. 1 无源逆变电路的原理及分类 • 无源逆变直流  交流（向负载直接供电） • 变频器 • 既能调压又能调频 • 无源逆变器 • 旋转变频器 • 静止变频器 • 交－交变频器 • 直－交变频器北方交通大学电气工程学院

按结构分类 桥式零式按电网相数分类单相多相按器件分类半控型全控型按调制方法分类 SPWM 阶梯波按导通的角度分类 180 120 按强迫换流的特点谐振型并联电容型等逆变器的基本类型北方交通大学电气工程学院

第四章 交流调压电路 和交交变频电路