第5章交流電力控制電路和交-交變頻電路(2013)

1、1 第5章 交流電力控制電路和交交變頻電路2變頻變頻電路電路改變頻率改變頻率的電路的電路 交交變頻交交變頻 直接直接 交直交變頻交直交變頻 間接間接交流電交流電力控制力控制電路電路只改變電壓只改變電壓, ,電流或控制電流或控制電路的通斷電路的通斷, ,而不改變頻而不改變頻率的電路。率的電路。交流調(diào)壓電路相位控制交流調(diào)壓電路相位控制交流調(diào)功電路通斷控制交流調(diào)功電路通斷控制第5章 交流電力控制電路和交交變頻電路3 引言引言 5.1 交流調(diào)壓電路4 5.1 5.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 引言引言原理原理 兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對(duì)晶閘管的控制就電路中，

2、通過對(duì)晶閘管的控制就可控制交流電力。可控制交流電力。 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 在每個(gè)周期內(nèi)通過對(duì)晶閘在每個(gè)周期內(nèi)通過對(duì)晶閘管的控制，調(diào)節(jié)輸出電壓的管的控制，調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。有效值。圖5-1交流調(diào)壓電路單元電路圖5 5.1 5.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 引言引言 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 控制方式控制方式通斷控制：把晶閘管與交流電源接通通斷控制：把晶閘管與交流電源接通幾個(gè)周期，然后再斷開一定周期，改幾個(gè)周期，然后再斷開一定周期，改變通斷時(shí)間比值，達(dá)到調(diào)壓的目的。變通斷時(shí)間比值，達(dá)到調(diào)壓的目的。 相位控制：在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)晶閘管開相位控制：在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)晶閘管開通相位控制，調(diào)節(jié)輸出電壓的

3、有效值。通相位控制，調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。圖5-1交流調(diào)壓電路單元電路圖6 應(yīng)用應(yīng)用 1 燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制) )。 2 2 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。 3 3 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 4 4 供用電系統(tǒng)對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。供用電系統(tǒng)對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 5 5 在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，在高壓小電流或低壓大電流直流電源中， 用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。 5.1 5.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 引言引言 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn): : 電路體積小，成本低，易于設(shè)計(jì)制造；電路體積小，成本低，易于設(shè)計(jì)制造

4、；輸出非正弦波，諧波分量多。輸出非正弦波，諧波分量多。75.1.1 5.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路1)1)電阻負(fù)載電阻負(fù)載 電路電路: :兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管或雙向晶閘管。兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管或雙向晶閘管。 8 波形波形: : VTVT1 1正半周導(dǎo)通，正半周導(dǎo)通，VTVT2 2負(fù)半周導(dǎo)通。負(fù)半周導(dǎo)通。Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt5.1.1 5.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路1)1)電阻負(fù)載電阻負(fù)載圖5-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 電路電路: :兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管或雙向晶閘管。管或雙向晶閘管。 22229Ou1uoiouVTwtOwt

5、OwtOwt5.1.1 單相交流調(diào)壓電路1) 電阻負(fù)載圖5-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系: : 111112sin12sin1sin 220,0,0oooouUtUUtdtUURUUUpaawwwppaappaapap=-=+=2o設(shè)控制角為 ，輸出電壓有效值：（）輸出電流有效值:I(5-1)(5-2)10Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt5.1.1 單相交流調(diào)壓電路1) 電阻負(fù)載圖5-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系: : 112sin121sin2(122VTUtId tRUR2流過晶閘管電流有效值：（）pawwpaapp=-+(5-

6、3)11Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt5.1.1 單相交流調(diào)壓電路1) 電阻負(fù)載圖5-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系: : 111sin2201ooUUPS UUoo功 率 因 數(shù) ：II時(shí) ，p alappala l-=+=(5-4)122) 阻感負(fù)載 VT15.1.1 單相交流調(diào)壓電路波形分析波形分析132) 阻感負(fù)載 0.6Ou1 u1uooiouVT1wtOwtOwtwtOuuG1 G1uG2OOwtwt圖5-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形VT15.1.1 單相交流調(diào)壓電路波形波形22222142) 阻感負(fù)載 0.6Ou1 u1uoiouVTw

7、tOwtOwtwtOuuG1 G1uG2OOwtwt圖5-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 i io o的表達(dá)式的表達(dá)式VT15.1.1 單相交流調(diào)壓電路 設(shè)控制角為，VT1導(dǎo)通角為 , ,則在，+ 內(nèi)有回路方程: 1tan12sin2sin() sin()ootLdiUti RdtUiteZo解之得:a wjwwjaj-=+輊犏=-犏犏臌波形波形（主電路）152) 阻感負(fù)載 0.6Ou1 u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1 G1uG2OOwtwt圖5-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 i io o的表達(dá)式的表達(dá)式VT15.1.1 單相交流調(diào)壓電路tan1122122si

8、n() sin()(),tUiteZtLZRLtgRo，移 相 范 圍為 導(dǎo) 通 角 。a wjwja jawa qjapwwjq-輊犏=-犏犏臌+才可能導(dǎo)通；而此時(shí)VT2 無脈沖， VT2 無法導(dǎo)通，變?yōu)榘氩ㄕ鳌．?dāng) a j 時(shí) ,電流io非正弦波，io不連續(xù)。5.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路2) 阻感負(fù)載 a q j， 的關(guān)系的關(guān)系()aqpaqp+-+=-tapwaq+晶閘管門極脈沖為窄脈沖，且寬度小于 當(dāng)aj時(shí)分兩種情況時(shí)， VT1圖5-4 aj時(shí)窄脈沖阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形23+-23+tu1ioug000tt（圖5-17）19圖5-5 aj時(shí)寬脈沖阻感負(fù)載交流調(diào)壓

9、電路工作波形晶閘管門極脈沖為寬脈沖時(shí)電路工作情況。VT1的導(dǎo)通時(shí)間超過 。觸發(fā)VT2時(shí)， io尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不會(huì)導(dǎo)通。io過零后，VT2才可開通，VT2導(dǎo)通角小于。衰減過程中， VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短， VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長。4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 的關(guān)系的關(guān)系aqj， ，2) 阻感負(fù)載 pwtwtwtwtaa+paqOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2204.1.1 單相交流調(diào)壓電路211( 2sin)()Ut dtaqawwp+OU = 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系2) 阻感負(fù)載 0.6Ou1 u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1 G1uG2OOwtwt圖5-6

10、 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 設(shè)控制角(導(dǎo)通角)為，則負(fù)載電壓有效值UO、晶閘管電流有效值IVT、負(fù)載電流有效值IO分別為（5-6）11sin2sin(22 )Uqaaqpp=+-+214.1.1 單相交流調(diào)壓電路V TI =2tan121sin() sin()( )2tUted tZa wa qjawja jwp-+禳輊镲镲镲犏-睚犏镲犏镲臌镲鉿2OVTII= 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系2) 阻感負(fù)載 0.6Ou1 u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1 G1uG2OOwtwt圖5-6 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 設(shè)控制角(導(dǎo)通角)為，則負(fù)載電壓有效值UO、晶閘管電流有效值IVT

11、、負(fù)載電流有效值IO分別為（5-7）（5-8）（主電路）1sin cos(2)cos2UZqajqqjp+=-22圖5-7 單相交流調(diào)壓電路為參變量時(shí)I VTN和a關(guān)系曲線 = 900.40.516018004012080 75 6045j = 0a /( )IVTNIVT的標(biāo)么值 (5-9)12VTNVTZIIU=5.1.1 5.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路j求負(fù)載電流的簡易方法由Z、U1、 、圖5-7IVTN IVT IOj235.1.2 三相交流調(diào)壓電路 根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式圖5-8 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)b) 線路控

12、制三角形聯(lián)結(jié)c) 支路控制三角形聯(lián)結(jié)d) 中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)24三相四線三相四線基本原理：相當(dāng)于三個(gè)單相基本原理：相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開互相錯(cuò)開120120工作?；ê凸ぷ??；ê? 3倍次以外的諧波在三相之間倍次以外的諧波在三相之間流動(dòng)，不流過零線。流動(dòng)，不流過零線。問題：三相中問題：三相中3 3倍次諧波同相倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有位，全部流過零線。零線有很大很大3 3倍次諧波電流。倍次諧波電流。 = =9090時(shí)，零線電流甚至和時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。各相電流的有效值接近。1) 星形聯(lián)結(jié)電路 可分為三相三線和三相四

13、線可分為三相三線和三相四線圖5-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)5.1.2 三相交流調(diào)壓電路25三相三線，主要分析電阻負(fù)載時(shí)的情況三相三線，主要分析電阻負(fù)載時(shí)的情況圖5-10 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)5.1.2 三相交流調(diào)壓電路任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路。任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路。電流通路中至少有兩個(gè)晶閘管，電流通路中至少有兩個(gè)晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為流電路一樣，為VTVT1 1 VT VT6 6, ,依次相依次相差差6060。相電壓過零點(diǎn)定為相電壓過零點(diǎn)定為 的的起點(diǎn)，起點(diǎn)

14、， 角移相范圍是角移相范圍是0 0 150 150。26 (1)0 a 6060：三管：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管通交替，每管導(dǎo)通導(dǎo)通180180 。但但 =0=0時(shí)一時(shí)一直是三管導(dǎo)通。直是三管導(dǎo)通。圖5-11 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形a) a =305.1.2 三相交流調(diào)壓電路VT1的最后 關(guān) 斷時(shí)刻(圖5-10)2760 a 90：兩管導(dǎo) 通，每管導(dǎo)通120。(2)圖5-11 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形b) a =605.1.2 三相交流調(diào)壓電路28(3)90150：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為3002 。圖5-11 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 c) a =1205.1

15、.2 三相交流調(diào)壓電路150a 295.2 交交變頻電路 引言305.2 5.2 交交變頻器電路交交變頻器電路引言引言晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor(Cycloconvertor) )把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，屬于直接變頻電路。流電的變流電路，屬于直接變頻電路。廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相輸出交交變統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。頻電路。315.2.1 單相交交變頻器1)1)電路構(gòu)成和電路構(gòu)成和基

16、本工作原理基本工作原理電路構(gòu)成電路構(gòu)成如圖如圖5-12a5-12a，由，由P P組和組和N N組反并聯(lián)的組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)晶閘管變流電路構(gòu)成。成。變流器變流器P P和和N N都是都是相控整流電路。相控整流電路。圖5-12 a 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形uozPNP tTNuooP32工作原理設(shè)控制角設(shè)控制角不變，不變，P P組組向負(fù)載供電向負(fù)載供電1/21/2周期，周期， N N組亦向負(fù)載供電組亦向負(fù)載供電1/21/2周期，周期，且且 ；則；則u uo o如如圖圖5-12a5-12a所示。但單相交所示。但單相交流中直流成分太多，不流中直流成分太多，不利于交流電機(jī)運(yùn)行。利于交流

17、電機(jī)運(yùn)行。12T50TfHZ5.2.1 單相交交變頻器1) 電路構(gòu)成和基本工作原理圖5-12 a 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形uozPNP tTNuooP33工作原理工作原理令令可變，且可變，且tt=T/4=T/4時(shí)，時(shí)，=0=0 負(fù)半周工作原理與正負(fù)半周工作原理與正半周相同，則交流電基半周相同，則交流電基波頻率為波頻率為f=1/Tf=1/T。圖5-12 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形5.2.1 單相交交變頻器ZPN輸出電壓平均輸出電壓OuouoaP=0aP=p2a1:0900411:9042dtTtTTuawawa時(shí)， ： 時(shí)， ：0如圖虛線所示。34工作原理兩組變流器按一定的

18、頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率o 。圖5-12 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形5.2.1 單相交交變頻器ZPN輸出電壓平均輸出電壓OuouoaP=0aP=p2aP=p2wt35a)整流逆變阻斷b)PNttttt整流逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP 2) 整流與逆變工作狀態(tài)整流與逆變工作狀態(tài)圖5-13 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)5.2.1 5.2.1 單相交交變頻器單相交交變頻器阻感負(fù)載為例，也適用于阻感負(fù)載為例，也適用于交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載。交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載。把

19、交交變頻電路理想化，把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時(shí)忽略變流電路換相時(shí)u uo o的的脈動(dòng)分量，就可把電路等脈動(dòng)分量，就可把電路等效成圖效成圖5-135-13所示的正弦波所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)交流電源和二極管的串聯(lián)。36設(shè)負(fù)載阻抗角為設(shè)負(fù)載阻抗角為，則輸，則輸出電流滯后輸出電壓出電流滯后輸出電壓角。角。兩組變流電路采取無環(huán)流兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式，即一組變流電工作方式，即一組變流電路工作時(shí)，封鎖另一組變路工作時(shí)，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。流電路的觸發(fā)脈沖。圖5-13 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)5.2.1 單相交交變頻器a)整流逆變阻斷b)PNtttt

20、t整流逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP37工作狀態(tài)工作狀態(tài)圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)5.2.1 5.2.1 單相交交變頻器單相交交變頻器t t11t t3 3期間：期間：i io o正半周，正半周，正組工作，反組被封鎖。正組工作，反組被封鎖。t t11 t t2 2： u uo o和和i io o均為正，均為正，正組整流，輸出功率為正組整流，輸出功率為正。正。t t2 2 t t3 3 ： u uo o反向，反向， i io o仍為正，正組逆變，仍為

21、正，正組逆變，輸出功率為負(fù)。輸出功率為負(fù)。a)整流逆變阻斷b)PNttttt整流逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP38t3 -t5t3 -t5期間：期間： i io o負(fù)半周，反負(fù)半周，反組工作，正組被封鎖。組工作，正組被封鎖。t3 -t4 t3 -t4 ：u uo o和和i io o均為負(fù)，反均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正。組整流，輸出功率為正。t4 -t5 t4 -t5 ：u uo o反向，反向，i io o仍為負(fù)，仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)。反組逆變，輸出功率為負(fù)。圖5-13 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)

22、5.2.1 5.2.1 單相交交變頻器單相交交變頻器工作狀態(tài)a)整流逆變阻斷b)PNttttt整流逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuoioiNiP39圖5-13 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)5.2.1 5.2.1 單相交交變頻器單相交交變頻器小結(jié)：小結(jié)：哪一組工作由哪一組工作由i io o方向方向決定，與決定，與u uo o極性無關(guān)。極性無關(guān)。工作在整流還是逆變，工作在整流還是逆變，則根據(jù)則根據(jù)u uo o方向與方向與i io o方向方向是否相同確定。是否相同確定。工作狀態(tài)a)整流逆變阻斷b)PNttttt整流逆變阻斷OOOOOuo

23、,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP4041 余弦交點(diǎn)法。基本思想 設(shè)Ud0為 = 0時(shí)整流電路的理想空載電壓，則有 (5-10) 每次控制時(shí)角不同 ， 表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值。5.2.1 單相交交變頻器3) 輸出正弦波電壓的調(diào)制方法圖5- 14 余弦交點(diǎn)法原理acosd0oUu=圖5-14u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwtou42設(shè)期望的正弦波輸出電壓為 (5-11）比較式(5-10)和(5-11)，應(yīng)使 (5-12) g g 稱為輸出電壓比：圖5-14 余弦交點(diǎn)法原理5.3.1 單相交交

24、變頻器u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwttUuoomosin=ttUUood0omsinsincosga=)10(0=ggdomUU3) 輸出正弦波電壓的調(diào)制方法435.2.1 單相交交變頻器余弦交點(diǎn)法基本公式 (5-13)sin(coso1twga-=1OO23456圖4-20uoiowtwt445.2.2 三相交交變頻電路 由三組輸出電壓相位各差120的單相交交變頻電路組成。1) 電路接線方式公共交流母線進(jìn)線方式公共交流母線進(jìn)線方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路。45(1)公共交流母線進(jìn)線方式圖5-15 公共交流母線進(jìn)線三相交交變頻電路（簡圖）5.2.2 三相交交變頻電路由三組彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位相互錯(cuò)開120的單相交交變頻電