第十四、十五講交流電力控制電路和交交變頻電路-第十三講交

1、第十三講 交流電力控制電路和交交變頻電路概 述交流-交流變流電路一種形式的交流變成另一種形式交流的電路，可改變相關的電壓、電流、頻率和相數等 交流電力控制電路只改變電壓、電流或控制電路的通斷，不改變頻率 交流調壓電路相位控制（或斬控式） 交流調功電路及交流無觸點開關通斷控制 變頻電路改變頻率，大多不改變相數，也有改變相數的 交交變頻電路直接把一種頻率的交流變成另一種頻率或可變頻率的交流，直接變頻電路交直交變頻電路先把交流整流成直流，再把直流逆變成另一種頻率或可變頻率的交流,間接變頻電路，8.1節(jié)13.1交流調壓電路緒 論交流電力控制電路的結構及類型 兩個晶閘管反并聯后串聯在交流電路中，控制晶閘

2、管就可控制交流電力 交流調壓電路每半個周波控制晶閘管開通相位，調節(jié)輸出電壓有效值 交流調功電路以交流電周期為單位控制晶閘管通斷，改變通斷周期數的比，調節(jié)輸出功率的平均值 交流電力電子開關并不著意調節(jié)輸出平均功率，而只是根據需要接通或斷開電路交流調壓電路的應用： 燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制） 異步電動機軟起動 異步電動機調速 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調節(jié) 在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調節(jié)變壓器一次電壓13.1.1單相交流調壓電路1電阻負載 工作原理： 在 u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角a進行控制就可以調節(jié)輸出電壓 正負半周a 起始時刻（a =0）均為電壓

3、過零時刻，穩(wěn)態(tài)時，正負半周的a 相等 負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（也即電源電流）和負載電壓的波形相同圖4-1電阻負載單相交流調壓電路及其波形數量關系 負載電壓有效值 (4-1) 負載電流有效值 （4-2）晶閘管電流有效值 (4-3) 功率因數 (4-4)輸出電壓與a的關系: 移相范圍為0 a 。 a =0時，輸出電壓為最大， Uo=U1。隨a的增大，Uo降低， a =時， Uo =0。與a的關系： a =0時，功率因數=1， a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低2阻感負載 阻感負載時a的移相范圍 負載阻抗角：j = arctan(wL / R) 晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為

4、正弦波，相位滯后于u1的角度為j 在用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后，而無法使其超前 a =0時刻仍定為u1過零的時刻，a的移相范圍應為j a 圖4-2 阻感負載單相交流調壓電路及其波形 阻感負載時的工作過程分析在t = a 時刻開通VT1，負載電流滿足 （4-5） 解方程得 (4-6)式中 ,為晶閘管導通角利用邊界條件：t = a +時io =0,可求得： （4-7）VT2導通時，上述關系完同，只是io極性相反，相位差180 圖4-3 單相交流調壓電路以a為參變量的和a關系曲線 數量關系負載電壓有效值 （4-8）晶閘管電流有效值 （4-9）負載電流有效值 （4-10） I

5、VT的標么值 （4-11）圖4-4 單相交流調壓電路a為參變量時IVTN和a關系曲線a j 時的工作情況 VT1提前通，L被過充電，放電時間延長， VT1的導通角超過觸發(fā)VT2時， io尚未過零， VT1仍導通， VT2不通io過零后， VT2開通， VT2導通角小于方程式(4-5)和(4-6)所得io表達式仍適用，只是at 過渡過程和帶R-L負載的單相交流電路在t =a (a j)時合閘的過渡過程相同 io由兩個分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數衰減分量衰減過程中， VT1導通時間漸短， VT2的導通時間漸長穩(wěn)態(tài)的工作情況和a =j時完全相同圖4-5 aj 時阻感負載交流調壓電路工作波形3單相交流

6、調壓電路的諧波分析電阻負載的情況波形正負半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波 （4-12） 式中 (n=3,5,7,) (n=3,5,7,)基波和各次諧波有效值 (n=3,5,7,) （4-13） 負載電流基波和各次諧波有效值 （4-14）電流基波和各次諧波標么值隨 a變化的曲線（基準電流為a =0時的有效值）如圖4-6所示圖4-6 電阻負載單相交流調壓電路基波和諧波電流含量阻感負載的情況電流諧波次數和電阻負載時相同，也只含3、5、7等次諧波隨著次數的增加，諧波含量減少和電阻負載時相比，阻感負載時的諧波電流含量少一些a 角相同時，隨著阻抗角j 的增大，諧波含量有所減少4斬控式交流調壓電路一般采

7、用全控型器件作為開關器件 工作原理 基本原理和直流斬波電路有類似之處 u1正半周，用V1進行斬波控制，V3提供續(xù)流通道 u1負半周，用V2進行斬波控制，V4提供續(xù)流通道 設斬波器件（V1或V2）導通時間為ton，開關周期為T，則導通比 a = ton/T，改變a 可調節(jié)輸出電壓圖4-7 斬控式交流調壓電路圖4-8 電阻負載斬控式交流調壓電路波形特性：電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數為1電源電流不含低次諧波，只含和開關周期T有關的高次諧波功率因數接近113.1.2三相交流調壓電路根據三相聯結形式的不同，三相交流調壓電路具有多種形式圖4-9 三相交流調壓電路a) 星形聯結 b) 線路

8、控制三角形聯結 c) 支路控制三角形聯結 d) 中點控制三角形聯結1星形聯結電路可分為三相三線和三相四線兩種情況三相四線基本原理：相當于三個單相交流調壓電路的組合，三相互相錯開120工作。基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線問題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有很大3倍次諧波電流。a=90時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近三相三線，電阻負載時的情況任一相導通須和另一相構成回路 電流通路中至少有兩個晶閘管，應采用雙脈沖或寬脈沖觸發(fā) 觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣， 為VT1 VT6,依次相差60相電壓過零點定為a的起點， a角移相范圍是0150(1)0 a 6

9、0：三管導通與兩管導通交替，每管導通180a 。但a =0時一直是三管導通(2)60 a 90：兩管導通，每管導通120(3)90 a 150：兩管導通與無晶閘管導通交替，導通角度為3002 a圖4-10 不同a角時負載相電壓波形a) a =30 b) a =60 c) a =120諧波情況電流諧波次數為6k1(k=1，2，3，)，和三相橋式全控整流電路交流側電流所含諧波的次數完全相同諧波次數越低，含量越大和單相交流調壓電路相比，沒有3倍次諧波，因三相對稱時，它們不能流過三相三線電路2支路控制三角聯結電路 由三個單相交流調壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作 單相交流調壓電路的分析方法和結

10、論完全適用 輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個負載相電流之和 諧波情況 3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動，而不出現在線電流中 線電流中所諧波次數為6k1(k為正整數) 在相同負載和a角時，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路典型用例晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）a移相范圍為90180控制a角可連續(xù)調節(jié)流過電抗器的電流，從而調節(jié)無功功率配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內連續(xù)調節(jié)無功功率，稱為靜止無功補償裝置(Static Var CampensatorSVC），用來對無功功率進行動態(tài)補償，以補償電壓波動或閃變圖4-1

11、1 晶閘管控制電抗器(TCR)電路圖4-12 TCR電路負載相電流和輸入線電流波形a) a=120 b) a=135 c) a=16013.2其他交流電力控制電路 以交流電源周波數為控制單位交流調功電路 對電路通斷進行控制交流電力電子開關13.2.1交流調功電路與交流調壓電路的異同：電路形式完全相同控制方式不同：將負載與電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，改變通斷周波數的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率應用： 常用于電爐的溫度控制 因其直接調節(jié)對象是電路的平均輸出功率，所以稱為交流調功電路u 控制對象時間常數很大，以周波數為單位控制即可u 通常晶閘管導通時刻為電源電壓過零的時刻，負載電壓電流都是正

12、弦波，不對電網電壓電流造成通常意義的諧波污染 電阻負載時的工作情況 控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導通，后MN個周期關斷當M=3、N=2時的電路波形如圖4-13負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復周期為M倍電源周期圖4-13 交流調功電路典型波形(M =3、N =2)諧波情況圖4-14的頻譜圖（以控制周期為基準）。In為n次諧波有效值， Io為導通時電路電流幅值以電源周期為基準，電流中不含整數倍頻率的諧波，但含有非整數倍頻率的諧波而且在電源頻率附近，非整數倍頻率諧波的含量較大 圖4-14 交流調功電路的電流頻譜圖(M =3、N =2)13.2.2交流電力電子開關 晶閘管反并聯后

13、串入交流電路 作用：代替機械開關，起接通和斷開電路的作用 優(yōu)點：響應速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷 與交流調功電路的區(qū)別 并不控制電路的平均輸出功率 通常沒有明確的控制周期，只是根據需要控制電路的接通和斷開 控制頻度通常比交流調功電路低得多 晶閘管投切電容器（Thyristor Switched CapacitorTSC） 對無功功率控制，可提高功率因數，穩(wěn)定電網電壓，改善供電質量 性能優(yōu)于機械開關投切的電容器 結構和原理 圖4-15基本原理圖（單相） 實際常用三相，可三角形聯結，也可星形聯結圖4-15 TSC基本原理圖a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖兩個反并聯的晶閘管起

14、著把C并入電網或從電網斷開的作用（圖4-15a）串聯電感很小，用來抑制電容器投入電網時的沖擊電流實際工程中，為避免電容器組投切造成較大沖擊，一般把電容器分成幾組（圖4-15b），可根據電網對無功的需求而改變投入電容器的容量TSC實際上為斷續(xù)可調的動態(tài)無功功率補償器圖4-15 TSC基本原理圖a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖晶閘管投切選擇晶閘管投入時刻的原則：該時刻交流電源電壓和電容器預充電電壓相等，這樣電容器電壓不會產生躍變，就不會產生沖擊電流理想情況下，希望電容器預充電電壓為電源電壓峰值，這時電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化 圖4-16 T

15、SC理想投切時刻原理說明 TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯的方式 由于二極管的作用，在電路不導通時uC總會維持在電源電壓峰值 成本稍低，但響應速度稍慢，投切電容器的最大時間滯后為一個周波 圖4-17 晶閘管和二極管反并聯方式的TSC13.3交交變頻電路 本節(jié)講述：晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor) 交交變頻電路把電網頻率的交流電變成可調頻率的交流電，屬于直接變頻電路 廣泛用于大功率交流電動機調速傳動系統(tǒng)，實用的主要是三相輸出交交變頻電路13.3.1 單相交交變頻電路1電路構成和基本工作原理 電路構成 如圖4-18，由P組和N組反并聯的晶閘管變流電路構成，和

16、直流電動機可逆調速用的四象限變流電路完全相同 變流器P和N都是相控整流電路 圖4-18 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形 工作原理 P組工作時，負載電流io為正 N組工作時，io為負 兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電v 改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率wov 改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值 為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a角進行調制 在半個周期內讓P組a 角按正弦規(guī)律從90減到0或某個值，再增加到90，每個控制間隔內的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零。另外半個周期可對N組進行同樣的控制 uo由若干段電源電壓拼接而

17、成，在uo的一個周期內，包含的電源電壓段數越多，其波形就越接近正弦波2整流與逆變工作狀態(tài) 阻感負載為例 把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時uo的脈動分量，就可把電路等效成圖4-19a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯 設負載阻抗角為j，則輸出電流滯后輸出電壓j 角 兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式，即一組變流電路工作時，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖工作狀態(tài) t1t3期間：io正半周，正組工作，反組被封鎖 t1 t2： uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正 t2 t3 ： uo反向， io仍為正，正組逆變，輸出功率為負 圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài) t3 t5期間：

18、 io負半周，反組工作，正組被封鎖 t3 t4 ：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正 t4 t5 ： uo反向， io仍為負，反組逆變，輸出功率為負 哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關 工作在整流還是逆變，則根據uo方向與io方向是否相同確定 圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)圖4-20 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時間，一周期可分為6段第1段io 0，反組逆變第2段電流過零，為無環(huán)流死區(qū)第3段io 0， uo 0，正組整流第4段io 0， uo 0，正組逆變第5段又是無環(huán)流死區(qū)第6段io 0， uo 0，為反組整流 uo和i

19、o的相位差小于90時，一周期內電網向負載提供能量的平均值為正，電動機工作在電動狀態(tài) 當二者相位差大于90時，一周期內電網向負載提供能量的平均值為負，電網吸收能量，電動機為發(fā)電狀態(tài)3輸出正弦波電壓的調制方法 介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點法 設Ud0為a = 0時整流電路的理想空載電壓，則有 (4-15) 每次控制時a角不同， uo表示每次控制間隔內uo的平均值 期望的正弦波輸出電壓為 (4-16) 比較式(4-15)和(4-16)，應使 (4-17) g 稱為輸出電壓比： 余弦交點法基本公式 (4-18) 余弦交點法圖解 線電壓uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次

20、用u1 u6表 示 相鄰兩個線電壓的交點對應于a=0 圖4-21 余弦交點法原理 u1u6所對應的同步信號分別用us1us6表示 us1us6比相應的u1u6超前30，us1us6的最大值和相應線電壓 a=0的時刻對應 以a=0為零時刻，則us1us6為余弦信號 希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發(fā)時刻由相應的同步電壓us1us6的下降段和uo的交點來決定圖4-21 余弦交點法原理不同g 時，在uo一周期內，a 隨wot 變化的情況。圖中，g 較小，即輸出電壓較低時，a只在離90很近的范圍內變化，電路的輸入功率因數非常低圖4-22 不同g 時a和wot的關系4輸入輸出特性1) 輸出上限頻率 輸出

21、頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網電壓段數減少，波形畸變嚴重電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和轉矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關系而言，很難確定一個明確的界限當采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網頻率的1/31/2。電網頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz2) 輸入功率因數輸入電流相位滯后于輸入電壓，需要電網提供無功功率一周期內，a角以90為中心變化輸出電壓比g越小，半周期內a的平均值越靠近90負載功率因數越低，輸入功率因數也越低不論負載功率因數是滯后的還是超前的，輸入的無功電流總是滯后 圖4-23 單相交交變頻電路的功率因數

22、3) 輸出電壓諧波 輸出電壓的諧波頻譜非常復雜，既和電網頻率fi以及變流電路的脈波數有關，也和輸出頻率fo有關 采用三相橋時，輸出電壓所含主要諧波的頻率為 6fifo，6fi3fo，6fi5fo， 12fifo，12fi3fo，12fi5fo， 采用無環(huán)流控制方式時，由于電流方向改變時死區(qū)的影響，將增加5fo、7fo等次諧波4) 輸入電流諧波 輸入電流波形和可控整流電路的輸入波形類似，但 其幅值和相位均按正弦規(guī)律被調制 采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率 (4-19) 和 (4-20)式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。13.3.2三相交交變頻電路u 交交變頻電路主要應用于大

23、功率交流電機調速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路u 由三組輸出電壓相位各差120的單相交交變頻電路組成1電路接線方式 主要有兩種：公共交流母線進線方式和輸出星形聯結方式1) 公共交流母線進線方式（圖4-24） 由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120的單相交交變頻電路構成 電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上 因為電源進線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為 此，交流電動機的三個繞組必須拆開 主要用于中等容量的交流調速系統(tǒng)圖4-24 公共交流母線進線三相交交變頻電路（簡圖）2) 輸出星形聯結方式（圖4-25）圖4-25 輸出星形聯結方式三相交交變頻電路a）簡圖 b）詳圖 因為三組的輸出

24、聯接在一起，其電源進線必須隔離，因此分別用三 個變壓器供電 由于輸出端中點不和負載中點相聯接，所以在構成三相變頻電路的 六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中的四個晶閘管同時導通才能構成回路，形成電流 和整流電路一樣，同一組橋內的兩個晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時導通 兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時導通 三組的輸出端是星形聯結，電動機的三個繞組也是星形聯結 電動機中點不和變頻器中點接在一起，電動機只引出三根線即可2輸入輸出特性v 輸出上限頻率和輸出電壓諧波和單相交交變頻電路是一致的 輸入電流 總輸入電流由三個單相的同一相輸入電流合成而得到 有些諧波相互抵消，諧波種類有

25、所減少，總的諧波幅值也有所降低 諧波頻率為 (4-21) 和 (4-22) 式中，k =1,2,3,；l =0,1,2,。采用三相橋式電路時，輸入諧波電流的主要頻率為fi6fo、5fi 、5fi6fo 、 7fi 、 7fi6fo 、 11fi 、 11fi6fo 、13fi 、 13fi6fo 、 fi12fo等。其中5fi次諧波的幅值最大圖4-26 交交變頻電路的輸入電流波形 輸入功率因數三相總輸入功率因數應為 (4-23) 三相電路總的有功功率為各相有功功率之和 但視在功率卻不能簡單相加，而應由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來計算，比三相各自的視在功率之和要小 三相總輸入功率因數要高于單相交交變頻電路3改善輸入功率因數和提高輸出電壓 基本思路 各相輸出的是相電壓，而加在負載上的是線電壓 在各相電壓中疊加同樣的直流分量或3倍于輸出頻率的諧波分量，它們都不會在線電壓中反映出