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电力电子技术6 交流交流变流电路1


第6章 交流交流 变流电路(I)
丘东元

引言
? 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,可改变相关的电压、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。 ? 直接方式 1. 交流电力控制电路 — 只改变电压、电流或控制电 路的通断,不改

变频率 2. 变频电路 — 改变频率,大多不改变相数,也有改 变相数的
2

引言 交流电力控制电路
VT 1 VT 2 u1 u1 ? 交流电力控制电路的结构 io uo R

? 两个晶闸管反并联后串联在交流电路中,控制晶 O ?t 闸管的通断就可控制交流电力
uo ? 不改变交流电的频率 O io

?t

3

引言 交流电力控制电路
? 交流电力控制电路的类型 ? 交流调压电路-- 每半个周波 控制晶闸管的开通相位,调节 输出电压有效值 ? 交流调功电路--以交流电周 期为单位控制晶闸管通断,改 变通断周期数的比,调节输出 功率的平均值 ? 交流电力电子开关--根据需 要接通或断开电路
VT 1 VT 2 u1 io uo R

u1 O uo O

?t

?t

4

6.1 交流调压电路
? 应用 ? 灯光控制(如调光台灯和舞台 灯光控制) ? 异步电动机软起动
VT 1 VT 2 u1 io uo R

? 异步电动机调速
? 供用电系统对无功功率的连续 调节

u1 O

? 在高压小电流或低压大电流直 uo 流电源中,用于调节变压器一 次电压

?t

O i

5

?t

6.1.1 单相交流调压电路(电阻负载)
?

工作原理
?

VT 1 VT 2 u1

io uo R

在 u1的正半周和负半周,分 别对VT1和VT2的开通角a 进 行控制就可以调节输出电压 正负半周a 起始时刻(a = 0) 均为电压过零时刻,稳态时, 正负半周的a 相等 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

u1 O uo O io O uVT O
6

?

?t

?t

?

?t

?t

6.1.1 单相交流调压电路(电阻负载)
?

负载电压有效值
Uo = 1 p

VT 1 VT 2

io uo R

??
p a

2U 1 sin ? t d ?? t ? = U 1
2

?

u1 p ? a 1 sin 2a ? 2p p u1 O uo O io O uVT O

sin ? t d ?? t ? = U 1
2

?

1 p ?a sin 2a ? 2p p

?

输出电压与a的关系
?

?t

移相范围为0≤a≤ p。

?t

?

a = 0时,输出电压为最大, Uo = U1。
随a 的增大,Uo降低, a = p 时, Uo = 0。

?t

?

?t

7

6.1.1 单相交流调压电路(电阻负载)
?

VT 1 VT 2

负载电流有效值
U Io = o R
u1

io uo R

?

晶闸管电流有效值
IT = 1 2p ? 2U 1 sin ? t ? U ? ? d ?? t ? = 1 ?a ? ? R R ? ?
p
2

u1

1 a sin 2a (1 u ?o ? ) 2 p 2p
O io O

O

?t

n?t ? U ? d ?? t ? = 1 ? R ?

2

1 a sin 2a (1 ? ? ) 2 p 2p

?t

?t

IVT = Io / 2

uVT O

?t

8

6.1.1 单相交流调压电路(电阻负载)
?

VT 1 VT 2

功率因数
1 p ?a sin 2a ? 2p p
u1

io uo R

P UoIo Uo l= = = = S U1I o U1
?

u1 O uo O io O uVT O

功率因数l与a的关系 a = 0时,l = 1;a 增大,输 入电流滞后于电压且畸变, l降低

?t

?t

?t

9

?t

6.1.1 单相交流调压电路(阻感负载)
?

VT1 VT2

io uo R L

阻感负载时a 的移相范围 ? 负载阻抗角:j = arctan(?L/R) ? 晶闸管短接,稳态时负载电流 为正弦波,相位滞后于u1的角 度为j ? 控制晶闸管时,只能进行滞后 控制,使负载电流更为滞后, 而无法使其超前 ? a = 0时刻仍定为u1过零的时刻, a 的移相范围应为j ≤a≤p

u1 u1 O uG1 O uG2 O uo O io O uVT O

?t
0.6

?t ?t ?t

a

a?q
10

?t

?t

阻感负载、a < j 时的工作情况
? VT1提前开通,L被过充 u1 电,放电时间延长,VT1 O 的导通角超过p iG1 ? 触发VT2时,io尚未过零, Oa p VT1仍导通,VT2不通 iG2 ? io过零后,VT2开通, a?p O iT1 io j VT2导通角小于p ? 衰减过程中, VT1导通 Oa q iT2 时间渐短, VT2的导通 图4-5 时间渐长 a < j 时阻感负载交流调压 电路工作波形 ? 稳态的工作情况和a = j 时完全相同 11

?t ?t ?t ?t

6.1.1 单相交流调压电路(阻感负载)
? 阻感负载时的工作过程分析
u1 u1 O uG1 O uG2 O uo O io O uVT O

VT1 VT2

io uo R L

在?t = a 时刻开通VT1,负载电流满足 dio L ? Rio = 2U1 sin ?t io ?t =a = 0 dt 解方程得
a ?? t ? ? 2U1 ? tan j io = ?sin(?t ? j ) ? sin(a ? j )e ?, Z ? ? ? ?

?t
0.6

?t ?t ?t

a ? ?t ? a ? q
2 2 式中 Z = R ? (? L) ,θ 为晶闸管导通 角

?t

12

?t

6.1.1 单相交流调压电路(阻感负载)
?

VT1 VT2

io uo R L

阻感负载时的工作过程分析 利用边界条件:?t = a ?q 时, io = 0,可求得θ:

u1 u1 O uG1 O uG2 O uo O io O uVT O

sin(a ? q ? j ) = sin(a ? j )e
?

?

q

?t
0.6

tan j

VT2导通时,上述关系完全相同, 只是io极性相反,相位差180°

?t ?t ?t

?t

13

?t

单相交流调压电路以j为参变量的q 和 a 关系曲线
180 140 100 60 20 0 20 60 100 ) a /(° 140 180

90° j= ° 75 ° 60 ° 45 ° 30 ° 15 ° 0

q /(° )

sin(a ? q ? j ) = sin(a ? j )e

?

q
tan j

a = j时,q = p,相当于 晶闸管短接,负载电压、 电流均为正弦波
14

图4-3

6.1.1 单相交流调压电路(阻感负载)
?

VT1 VT2

负载电压有效值
1 Uo = p = U1

io uo R L

?a

a ?q

u1
2

( 2U 1 sin ? t ) d (? t )

u1 O uG1 0.6

?

晶闸管电流有效值

q 1 ? ?sin 2a ? sin( 2a ? 2q ) ? p p
a ??t ? ? ? ?sin(? t ? j ) ? sin(a ? j )e tgj ? ? ? d(? t ) ? ?? ? ??
2

?t

I VT =

1 2p U1

?a

a ?q

? ? 2U1 ? Z ? ?

O uG2 O uo O io O uVT O

?t ?t ?t

=

2p Z
?

q?

负载电流有效值
I o = 2 IVT

sin q cos(2a ? j ? q ) cosj

a=j时,q=p,负载 电流为正弦波,负载 电流的有效值最大

?t

15

?t

例6-1 一单相交流调压器,输入交流电压为220V, 50Hz,负载为电阻电感,其中R=8W,XL=6W。试 求a=p/6、p/3时的输出电流有效值及输出功率和功 率因数。
解:负载阻抗及负载阻抗角分别为:
2 Z = R2 ? X L = 10W

XL 6 j = arctan( ) = arctan( ) = 0.6435 = 36.87? R 8 因此开通角a的变化范围为:

j ?a <p

0.6435 ? a < p
16

① 当a=p/6时,由于a<j,因此晶闸管调压器全开放, 输出电压为完整的正弦波,负载电流也为最大。 此时输出功率最大,为 I in = I o = 220 = 22A Z 2 Po = I o R = 3872W 功率因数为

Po 3872 l= = = 0.8 U1 I in 220 ? 22

实际上,此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。 ② 当a=p/3时,先计算晶闸管的导通角,由式(6-7)得
sin( ? q ? 0.6435) = sin( ? 0.6435)e 3 3

p

p

?q tan 0.6435

解上式可得晶闸管导通角为: q = 2.727 = 156.2?
17

晶闸管电流的有效值为
I VT = U1 sin q cos(2a ? j ? q ) q? cos j 2p Z

2p ? 0.6435 ? 2.727) sin 2 . 727 ? cos( 220 3 = ? 2.727 ? 0.8 2p ?10 = 13.55A

输出电流的有效值为 I in = I o = 2IVT = 19.16 A
输出功率为 功率因数为
2 Po = I o R = 2937(W )

Po 2937 l= = = 0.697 U1I in 220 ?19.16

18

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

VT 1 VT 2 u1

io uo R

流分量和偶次谐波
u o (? t ) =
n =1, 3 , 5 ,?

? (a

?

n

cos n ? t ? b n sin n ? t )

u1 O uo O io

式中,a 1 = 2U 1 (cos 2a ? 1) 2p
b1 = 2U 1 ?sin 2a ? 2 (p ? a ) ? 2p

?t

?t

an =
bn =

2U 1 p
2U 1 p

1 ? 1 ? ? ? ? ? cos( n ? 1 ) a ? 1 ? cos( n ? 1 ) a ? 1 ? ? n ?1 ?n ?1 ? O
1 ? 1 ? sin( n ? 1 ) a ? sin( n ? 1 ) a ? ? n ?1 ?n ?1 ?
uVT O

?t

(n=3,5,7,…)

19

?t

单相交流调压电路的谐波分析
? 基波和各次谐波有效值
U on = 1 2 a ?b
2 n 2 n

100 80 基波

(n=1,3,5,7,…) ? 负载电流基波和各次谐波有效值
I on = U on / R

In/I*/%

60 40 20 3次 5次 7次

0

60

120 180

? 电流基波和各次谐波标么值随 a 变化的曲线(基准电流为a = 0 时的有效值)如左图所示

触发延迟角a/( ° )

电阻负载单相交流调 压电路基波和谐波电 流含量
20

图4-6

单相交流调压电路的谐波分析
?

VT1 VT2

io uo R L

阻感负载的情况
? 电流谐波次数和电阻负载时相同,

u1 u1 O uG1 O uG2 O uo O io O uVT O

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

?t
0.6

?t ?t ?t

的谐波电流含量少一些

?a

角相同时,随着阻抗角j 的增大, 谐波含量有所减少

?t

21

?t

斩控式交流调压电路
?

VD 1 i1 V2

V1

工作原理 ? V1、V2、VD1、VD2构成一双 向可控开关
? 基本原理和直流斩波电路有类

u1

VD 2

V3 VD 3

VD 4 uo V4

R L

似之处,只是输入为正弦交流 电压

u1 O

图4-7

? u1正半周,用V1进行斩波控制,

?t

V3提供续流通道 uo ? u1负半周,用V2进行斩波控制, V4提供续流通道 O
? 改变导通比a

可调节输出电压

?t

22

斩控式交流调压电路
?

电阻负载斩控式交流调压电路 波形特点 ? 电源电流的基波分量和电源 电压同相位,即位移因数为1
? 电源电流不含低次谐波,只

u1 O uo O i1 O 图4-8

?t

含和开关周期T有关的高次 谐波 ? 功率因数接近1

?t

?t

23


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