第4章 交流电力控制电路和交交变频电路
主要内容：单相、三相相控式交流调压电路，交流调功电路，交流电子开关，单相、三相输出交—交变频电路。
重点：单相相控式交流调压电路，交流调功电路，单相输出交—交变频电路。
难点：单相相控式交流调压电路，单相输出交—交变频电路。
基本要求：掌握单相相控式交流调压电路，理解三相相控式交流调压电路，掌握交流调功电路，了解交流电子开关，掌握单相输出交—交变频电路，了解三相输出交—交变频电路。
1 交流电力控制
(1) 单相交流调压电路
a 电阻负载
工作原理：u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角 α 进行控制就可以调节输出电压正负半周 α 起始时刻（ α =0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的 α 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。
图4-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形
数量关系：
负载电压有效值
(4-1)
负载电流有效值： (4-2)
晶闸管电流有效值：
(4-3)
功率因数： (4-4)
输出电压与 α 的关系： 移相范围为0≤α≤π。α =0时Uo=U1，最大，α的增大，Uo降低， α =π时，Uo=0；
λ与α的关系：α=0时，λ=1，α增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低；
b 阻感负载
负载阻抗角：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φ；
在用晶闸管控制时，只能滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前；
α =0时刻仍为u1过零时刻， α的移相范围应为φ≤α≤π；
阻感负载时的工作过程分析：
在wt= α 时刻开通VT1，负载电流满足
(4-5)
解方程得
(4-6)
式中，θ为晶闸管导通角
利用边界条件：ωt=α+θ时io=0，可求得θ：
(4-7)
图4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形
VT2导通时，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差180°
数量关系：
负载电压有效值
(4-8)
图4-3 单相交流调压电路以φ为参变量的θ和α关系曲线
晶闸管电流有效值：
(4-9)
负载电流有效值：
(4-10)
IT的标么值
(4-11)
图4-4 单相交流调压电路φ为参变量时ITN和α关系曲线
α <φ时的工作情况：
VT1提前通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过π；
触发VT2时，io尚未过零，VT1仍通，VT2不通；
io过零后，如用宽脉冲或脉冲列触发VT2，则VT2开通，VT2导通角小于π；
过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt= α ( α <φ)时合闸的过渡过程相同，io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量，衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长， 稳态工况和 α = φ时相同。
图4-5 α <φ 时阻感负载交流调压电路工作波形
c 单相交流调压电路的谐波分析
电流基波和各次谐波标么值随α变化的曲线（基准电流为α=0时的有效值）
图4-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量
阻感负载的情况:
电流谐波次数和电阻负载时相同，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，阻感负载时的谐波电流含量少；
α角相同时，随着阻抗角φ 的增大，谐波含量有所减少。
d 斩控式交流调压电路
一般采用全控型器件作为开关器件
工作原理：
基本原理和直流斩波电路有类似之处，u1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道；u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道。
设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比 α =ton/T，改变 α 可调节输出电压。
特性：
电源电流的基波分量和电源电压同相位，位移因数为1；
电源电流不含低次谐波，只含和T有关的高次谐波；
功率因数接近1；
图4-7 斩控式交流调压电路
图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形
(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
图4-9 三相交流调压电路
α ) 星形联结 b) 线路控制三角形联结 c) 支路控制三角形联结 d) 中点控制三角形联结
a 星形联结电路
可分为三相三线和三相四线两种情况
三相四线：
基本原理：三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120°工作；
基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线；
问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流；
α =90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。
三相三线，电阻负载时的情况：
任一相导通须和另一相构成回路
电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发，触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样；
相电压过零点定为 α 的起点， α 角移相范围是0°~150°；
0°≤ α <60°：三管导通与两管导通交替，每管导通180°- α 。但 α =0°时一直是三管导通
60°≤ α <90°：两管导通，每管导通120°
90°≤ α <150°：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°-2 α
谐波情况：
电流谐波次数为6k±1(k=1，2，3，…)，和三相全控桥相同；
谐波次数越低，含量越大；
和单相相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。
图4-10 不同 α 角时负载相电压波形
α ) α =30° b) α =60° c) α =120°
2 其他交流电力控制电路
以交流电源周波数为控制单位——交流调功电路
对电路通断进行控制——交流电力电子开关
(1) 交流调功电路
与交流调压电路的电路形式相同，控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载功率。
常用于电炉温度控，因直接调节对象是平均输出功率，所以称为交流调功电路，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。
(2) 交流电力电子开关
代替机械开关，起接通和断开电路的作用，响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断，通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开，控制频度通常比交流调功电路低得多。
晶闸管投切电容器（Thyristor Switched C α p α citor—TSC），对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量，性能优于机械开关投切的电容器。
结构和原理：
图4-12基本原理图（单相）
3 交交变频电路
交交变频电路——把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路，广泛用于大功率交流电动机调速传动系统。
(1) 单相交交变频电路
a 电路结构与工作原理
电路构成：
由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和四象限变流电路相同。
工作原理：
P组工作时，负载电流io为正；N组工作时，io为负；
两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电；
改变切换频率，就可改变输出频率wo；
改变变流电路的控制角α ，就可以改变交流输出电压幅值；
为使uo波形接近正弦，可按正弦规律对α 角进行调制，在半个周期内让P组 α 角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。
uo由若干段电源电压拼接而成，在uo一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。
。
b 整流与逆变工作状态
阻感负载为例：
把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成正弦波交流电源和二极管的串联。
负载阻抗角为φ，则输出电流滞后输出电压φ角
两组变流电路采取无环流工作方式，一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。
工作状态：
t1~t3：io正半周，正组工作，反组被封锁；
t1~t2：uo和io均为正，正组整流，输出功率为正
t2~t3：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负
t3~t5：io负半周，反组工作，正组被封锁；
t3~t4：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正；
t4~t5：uo反向，io仍为负，正组逆变，输出功率为负
哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关；
工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。
单相交交变频电路输出电压和电流波形分析：
考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段
第1段io<0，uo>0，反组逆变；
第2段电流过零，为无环流死区；
第3段io>0，uo>0，正组整流；
第4段io>0，uo<0，正组逆变；
第5段又是无环流死区；
第6段io<0，uo<0，为反组整流；
图4-15 单相交交变频电路输出电压和电流波形
uo和io的相位差小于90°时，电网向负载提供能量的平均值为正，电动机为电动；相位差大于90°时，电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。
c 输出正弦波电压的调制方法
余弦交点法：最基本的、广泛使用的方法
设Ud0为α = 0时整流电路的理想空载电压，则有
(4-12)
每次控制时α 角不同，表示每次控制间隔内uo的平均值
期望的正弦波输出电压为： (4-13)
比较式(4-12)和(4-13)，应使
(4-14)
γ称为输出电压比
余弦交点法基本公式
(4-15)
余弦交点法图解：
线电压uαb、uαc、ubc、ubα 、ucα 和ucb依次用u1~u6表示；
相邻两个线电压的交点对应于 α =0；
u1~u6所对应的同步信号分别用us1~us6表示；
us1~us6比相应的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相应线电压 α =0的时刻对应；
以 α =0为零时刻，则us1~us6为余弦信号；
希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应us1~us6的下降段和uo的交点来决定；
图4-16 余弦交点法原理
γ 较小，即输出电压较低时， α 只在离90°很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低。
图4-17 不同γ 时α 和wot的关系
d 输入输出特性
输出上限频率
输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。输出波形畸变和输出上限频率的关系，很难确定明确界限。
当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/3~1/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。
输入功率因数
输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率；
一周期内， α 角以90°为中心变化；
γ 越小，半周期内 α 的平均值越靠近90°；
负载功率因数越低，输入功率因数也越低；
不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后；
图4-18 单相交交变频电路的功率因数
输出电压谐波：
输出电压谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为：
6fi±fo，6fi±3fo，6fi±5fo，…
12fi±fo，12fi±3fo，12fi±5fo，…
采用无环流控制方式时，由于电流死区的影响，将增加5fo、7fo等次谐波
输入电流谐波：
输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制。 采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率：
(4-16)
和 (4-17)
式中k=1,2,3,…；l=0,1,2,…。
(2) 三相交交变频电路
三相交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成。
a 电路接线方式
主要有两种：公共交流母线进线方式和输出星形联结方式
公共交流母线进线方式：
由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120°的单相交交变频电路构成；
电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上；
因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离，电动机的三个绕组必须拆开，主要用于中等容量的交流调速系统。
图4-19 公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）
输出星形联结方式：
三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结；
电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可；
因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离。
图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路
α ）简图 b）详图
由于输出端中点不和负载中点联接，在构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流；
同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通；
两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。
b 输入输出特性
输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路的一致
输入电流：
总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得
有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低
输入功率因数
三相总输入功率因数应为
(4-18)
三相电路总的有功功率为各相有功功率之和，但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小。三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路。
和交直交比较，交交变频的优点：
只用一次变流，效率较高；
可方便地实现四象限工作；
低频输出波形接近正弦波；
缺点是：
接线复杂，采用三相桥的三相交交变频器至少要用36只晶闸管；
受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；
输入功率因数较低；
输入电流谐波含量大，频谱复杂；
应用：
主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低转速交流调速电路中，已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机
