电力电子技术-交流交流变流电路

交流交流变流电路

• 概念：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，在进行交流－交流变流时，可以改变相关的电压（电流）、频率和相数等。
• 变流方式：
  $$\text{变流方式}\{\begin{array}{l}\text{直接方式：无中间直流环节}\\ \text{间接方式：有中间直流环节}\stackrel{\text{组合}}{}\{\begin{array}{c}\text{交流}-\text{直流变换电路}\\ \text{直流－交流变换电路}\end{array}\end{array}$$

间接方式变流可以看作先进性整流，再进行逆变。所以此处仅考虑直接方式的交流交流变流电路。

• 效果分类
  $$\{\begin{array}{l}\text{交流电力控制电路}\{\begin{array}{l}\text{交流调压电路}\\ \text{交流调功电路}\\ \text{交流无触点开关}\end{array}\\ \text{变频电路}\end{array}$$

交流电力控制电路：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来控制交流输出，只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率；
交流调压电路：在每半个周波内对晶闸管采用相位控制，调节输出电压有效值.；
交流调功电路：以交流电的周期为单位对晶闸管采用通断控制，改变通态周期数和断态周期数的比值来调节负载消耗功率的平均值。

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单相交流调压电路

交流调压电路的工作情况也和负载有很大的关系。主要讨论单相交流调压电路电阻负载

电路图

工作原理

在$u_1$的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角$\alpha$进行控制，调节输出电压。
令电源电压正负半周过零时刻为$\alpha =0$，稳态时，正负半周的$\alpha$相等。
负载电压波形是电源电压波形的一部分，电阻负载时，负载电流(即电源电流)和负载电压的波形相同。

• $0⩽wt<\alpha$：电路断路，VT1承受正向电压；
• $\alpha ⩽wt<\pi$：触发VT1，电路导通；
• $\pi ⩽wt<\pi +\alpha$：电源电压反向，VT1、VT2关断，VT1承受正向电压，电路断路；
• $\alpha +\pi ⩽wt<2\pi$：触发VT2，电路导通。

数量关系

• 负载电压有效值：$U_o=\sqrt{\frac{1}{\pi }\underset{\alpha }{\overset{\pi }{\int }}{\left(\sqrt{2}{U}_1\sin wt\right)}^{2}d\left(wt\right)}=U_1\sqrt{\frac{\pi -\alpha }{\pi }+\frac{1}{2\pi }\sin 2\alpha }$
• 负载电流有效值：$I_o=\frac{U_o}{R}$
• 晶闸管电流有效值：$I_{VT}=\frac{I_o}{\sqrt{2}}$
• 功率因数：$\lambda =\frac{P}{S}=\frac{U_o{I}_o}{U_1{I}_o}=\frac{U_o}{U_1}=\sqrt{\frac{\pi -\alpha }{\pi }+\frac{1}{2\pi }\sin 2\alpha }$

移相范围：$0⩽\alpha ⩽\pi$；
$\alpha =0$时，输出电压为最大$U_o=U_1$；随$\alpha$的增大，$U_o$降低，$\alpha =\pi$时，Uo=0；
$\alpha =0$时，功率因数$\lambda =1$；$\alpha$增大，输入电流滞后于电压且畸变，$\lambda$降低。

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交流调功电路

控制方式

交流电力控制电路的主要控制方式为相位控制和斩波控制，还有以交流电源周波数为控制单位的交流调功电路以及对电路通断进行控制的交流电力电子开关。

交流调功电路概念

交流调功电路和交流调压电路的电路形式完全相伺，只是控制方式不同。
交流调功电路不是在每个交流电源周期都通过触发延迟角$\alpha$对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。

实际应用

交流调功电路常用于电炉的温度控制，因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以被称为交流调功电路。
像电炉温度这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制，只需要以周波数为单位进行控制。

控制过程与谐波污染

设控制周期为M倍电源周期，其中晶闸管在前N个周期导通，后M-N个周期关断。
晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻。在交流电源接通期间，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。
如果以电源周期为基准， 电流中不含整数倍频的谐波，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

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单相交交变频电路

电路构成

电路由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成。

基本工作原理

变流器P和N都是相控整流电路。P组工作时，负载电流$i_o$为正；N组工作时，负载电流$i_o$为负。

调制对象

1. 输出频率$w_0$
   让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。改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率$w_0$。

2. 输出电压幅值
   改变变流电路工作时的触发延迟角$\alpha$，就可以改变交流输出电压的幅值。

减少谐波

• 目的
  按正弦规律对触发延迟角$\alpha$进行调制，使输出电压$u_0$ 的波形接近正弦波。
• 方式
  可在半个周期内让正组变流器P的$\alpha$按正弦规律从90°逐渐减小到0或某个值，然后再逐渐增大到90°。这样，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增至最高，再逐渐降低到零。
  另外半个周期可对变流器N进行同样的控制。
• 控制实例
  如图波形是变流器P和N都是三相半波可控电路时的波形。实际上，输出电压$u_0$ 并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。因此，交-交变频电路通常采用6脉波的三相桥式电路或12脉波变流电路。
  

交交变频电路的优缺点

• 优点：效率较高，可以方便地实现四象限工作，低频输出波形接近正弦波。
• 缺点：接线复杂，使用器件数量多，受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低，输入功率因素较低，输入电流谐波含量大，频谱复杂。
• 主要应用场合：主要用于500kw或1000kw以下的大功率、低转速的交流调速电路。