交流電力控制電路與交-交變頻電路

1、4- 1 4- 2本章主要講述 交流交流-交流變流電路交流變流電路 把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路，可改變相 關(guān)的電壓、電流、頻率和相數(shù)等變頻電路改變頻率的電路 交交變頻 直接 交直交變頻 間接交流電力控制電路只改變電壓,電流或控制電路的通斷,而不改變頻率的電路。交流調(diào)壓電路 相位控制交流調(diào)功電路 通斷控制4- 3 兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，控制晶閘管就可控制交流電力 交流調(diào)壓電路每半個周波控制晶閘管開通相位，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值 交流調(diào)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(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率的平均值 電路圖4- 4 應(yīng)用應(yīng)用 1 燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈

2、光控制)。 2 異步電動機(jī)軟起動。 3 異步電動機(jī)調(diào)速。 4 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 5 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。4- 54- 61) 電阻負(fù)載l工作原理u在 u1的正半周和負(fù)半周，分別對VT1和VT2的開通角a進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓u正負(fù)半周a 起始時刻（a =0）均為電壓過零時刻，穩(wěn)態(tài)時，正負(fù)半周的a 相等u負(fù)載電壓波形正負(fù)半周均是電源電壓波形的一部分，正負(fù)半周對稱、平均值為0（純交流輸出）。u負(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓的波形相同RO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt圖4-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及

3、其波形(顯示放大圖）4- 7RO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOtRO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt4- 8l數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值 (4-1) 負(fù)載電流有效值 (4-2) 晶閘管電流有效值 (4-3) 功率因數(shù) (4-4) aaa=2sin21dsin21121oUttUURUIoo=)22sin1 (21sin221121aaa=RUtdRtUITaa=2sin211oo1ooUUIUIUSPRO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt圖4-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形oI21=4- 9Ou1u

4、oiouVTtOtOtOt圖4-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 輸出電壓與輸出電壓與 的關(guān)系的關(guān)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。與與 a 的關(guān)系的關(guān)系: : a =0時，功率因數(shù) =1，a 增大，功率因數(shù)降低。4- 10 在交流開關(guān)完全導(dǎo)通時（相當(dāng)于用導(dǎo)線連通），穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j ，當(dāng)用晶閘管控制時，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后。 a =0時刻仍定為u1過零的時刻，a 的移相范圍應(yīng)為j a 。2) 阻感負(fù)載 u 負(fù)載阻抗角： j = arctan(L

5、/ R)VT14- 11阻感負(fù)載時的工作過程分析阻感負(fù)載時的工作過程分析在t = a時刻開通VT1，負(fù)載電流滿足 (4-5)解方程得(4-6)式中 ,為晶閘管導(dǎo)通角利用邊界條件：t = a +時io =0,可求得： (4-7) VT2導(dǎo)通時，上述關(guān)系完全相同，只是io極性相反，相位差1800sin2ddo1oo=atitURitiLaajajja=tetZUittg1o)sin()sin(222)( LRZ=jjajatg)sin()sin(=e4- 12 a 和 的關(guān)系曲線:020100601401802010060180140a /( )j = 9075604530150圖4-3 單相交流

6、調(diào)壓電路以a為參變量的和a關(guān)系曲線 /( )當(dāng) a = j 時 = 當(dāng) a j 時 j 時, j 的情況:VT1顯示放大圖RL0.6圖4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt4- 144- 15RL0.6圖4-2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOttRL0.6圖4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt4- 16 數(shù)量關(guān)系負(fù)載電壓有效值 (4-8)負(fù)載電流有效值 (4-10) IVT有效值計算涉及到較復(fù)雜的表達(dá)式（略）)22sin(2sin1)()sin2(1121

7、oaaaa=UtdtUU02VTII=4- 17 當(dāng)阻感負(fù)載, a = j 時電路工作情況。圖4-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路 在交流開關(guān)完全短路的情況下,i0比u1自然滯后j角(穩(wěn)態(tài)),并且 =1800， i0為正負(fù)對稱的正弦波。a = j意味著晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通剛好滿足i0的的上述正弦穩(wěn)態(tài)波形的要求， i0過零過零變正時剛好使變正時剛好使VT1觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)導(dǎo)通， i0過零變負(fù)時又剛好使過零變負(fù)時又剛好使VT2觸發(fā)導(dǎo)通，故觸發(fā)導(dǎo)通，故輸出效果與輸出效果與交流開關(guān)完全短路開通的交流開關(guān)完全短路開通的情況相同情況相同。相當(dāng)于晶閘管。相當(dāng)于晶閘管失去開關(guān)控制調(diào)壓作用失去開關(guān)控制調(diào)壓作用。4- 18

8、4- 19l當(dāng)阻感負(fù)載, a j 時電路工作情況。 VT1提前導(dǎo)通，L被過充電，放電時間延長, VT1 的導(dǎo)通角超過 觸發(fā)VT2時， io尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不通 io過零后， VT2開通， VT2導(dǎo)通角小于 方程式(4-5)和(4-6)所得io表達(dá)式仍適用，只是at io由兩個分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量衰減過程中， VT1導(dǎo)通時間漸短， VT2的導(dǎo)通時間漸長當(dāng)指數(shù)分量衰減到零后， VT1和VT2的導(dǎo)通時間都趨近到 ， 穩(wěn)態(tài)的工作情況和a =j時完全相同 (4-6)aajajja=tetZUittg1o)sin()sin(24- 20圖4-5 aj時阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路

9、工作 波形tttt圖4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2 當(dāng)阻感負(fù)載, a j 時電路工作情況。圖4-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路4- 21 結(jié)論：（阻感負(fù)載）能使輸出電壓可調(diào)的正常移相范圍： a =j ，正負(fù)半波電流斷續(xù)（ ），非正弦， a越大，則 越小，電流波形斷續(xù)加重；當(dāng)a j 時，若采用寬脈沖，則作用效果與交流開關(guān)完全短路情況相同，不具備可控調(diào)壓作用，u0=u1，i0為連續(xù)正弦波。 4- 22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4-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)b) 線路控制三角形聯(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)4- 23三線

10、四相 基本原理：相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，每一相各由一個雙向交流開關(guān)控制。三相互相錯開120工作。分析方法與單相相同。1) 星形聯(lián)結(jié)電路 可分為三線三相和三線四相可分為三線三相和三線四相圖4-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)4- 24u三相三線，主要分析電阻負(fù)載時的情況圖4-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié) 任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路（無中線）。 電流通路中至少有兩個晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。 三相正半周所對應(yīng)的VT1 ，3，5的觸發(fā)脈沖依次相差1200；每相的正負(fù)半周分別由反并聯(lián)的2只晶閘管觸發(fā)控制，觸發(fā)角相同，互差1800觸發(fā)。 觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣

11、，為VT1 VT6,依次相差60。4- 25u三相三線，主要分析阻負(fù)載時的情況圖4-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié) 兩種工作情況：有時可能是三相中各有一只晶閘管導(dǎo)通，每相負(fù)載電壓等于電源相電壓；也可能兩相中各有一只晶閘管導(dǎo)通，另一相不通，這時導(dǎo)通相的負(fù)載電壓等于電源線電壓的一半。（三相對稱負(fù)載） 相電壓過零點(diǎn)定為a 的起點(diǎn)， （因?yàn)槿魮Q為二極管，在相電壓過零時即開始導(dǎo)通），a角移相范圍是0 150。4- 26三相電阻負(fù)載（無中線）時的波形圖： a= 0， a= 30， a= 60 ，120 ，觀察負(fù)載的相電壓波形。a =0時一直是三管導(dǎo)通。4- 27(1)0 a 60：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交

12、替，每管導(dǎo)通180a 。但a =0時一直是三管導(dǎo)通。圖4-10 不同a角時負(fù)載相電壓波形a) a =304- 28a =30三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180a4- 294- 3060 a 90：兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120。(2)圖4-10 不同a角時負(fù)載相電壓波形b) a =604- 31a =60兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通1204- 324- 33(3)90 a 150：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為3002 a。圖4-10 不同a角時負(fù)載相電壓波形 c) a =1204- 34a =120兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為3002 a。4- 354- 364- 37 交流調(diào)功電路與

13、交流調(diào)壓電路的異同比較相同點(diǎn)相同點(diǎn) 電路形式完全相同完全相同不同點(diǎn)不同點(diǎn) 控制方式不同不同交流調(diào)壓電路在每個電源周期周期都對輸出電壓波形進(jìn)行控制。 交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個周期,在斷開幾個周期,通過通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。應(yīng)用應(yīng)用 常用于電爐的溫度控制 因其直接調(diào)節(jié)對象是電路的平均輸出功率，所以稱為交流調(diào)功電路4- 38u 電阻負(fù)載時的工作情況2NM電源周期控制周期=M倍電源周期=24MO導(dǎo)通段=M3M2Muou1uo,iotU12圖4-13 交流調(diào)功電路典型波形(M =3、N =2)圖41電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路 控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導(dǎo)

14、通，后MN個周期關(guān)斷。 負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期。4- 39 概念概念 把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 響應(yīng)速度快，無觸點(diǎn)，壽命長，可頻繁控制通斷。u與交流調(diào)功電路的區(qū)別區(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(jù)需要控制電路的接通和斷開?？刂祁l度通常比交流調(diào)功電路低得多。4- 40u晶閘管投切電容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）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u作用 對無功功率控制，可提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓

15、，改善供電質(zhì)量。 性能優(yōu)于機(jī)械開關(guān)投切的電容器。u結(jié)構(gòu)和原理 晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路。 實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。4- 414- 42u晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor) 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，屬于直接變頻電路屬于直接變頻電路。 廣泛用于大功率交流電動機(jī)調(diào)速傳動系統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。4- 431) 電路構(gòu)成和基本工作原理圖4-18 單相交交變頻電路原理圖u電路構(gòu)成如圖4-18，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動機(jī)可逆調(diào)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。

16、4- 44u工作原理P組工作時，負(fù)載電流io為正正。N組工作時，io為負(fù)負(fù)。兩組變流器按一定的頻率交替工作，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 。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。圖4-18 單相交交變頻電路原理圖a角固定時輸出電壓的波形4- 45u為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a 角進(jìn)行調(diào)制。在半個周期內(nèi)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(nèi)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(jìn)行同樣的控制。uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)

17、越多，其波形就越接近正弦波。4- 464- 47 2) 整流與逆變工作狀態(tài)a)整流 逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)阻感負(fù)載為例，也適用于交流電動機(jī)負(fù)載。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(lián)。4- 48設(shè)負(fù)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。a)整流 逆變阻斷

18、圖4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4- 49u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)a)整流 逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(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

19、仍為正，正組逆變，輸出功率為負(fù)。4- 50t3 t5期間： io負(fù)半周，反組工作，正組被封鎖。t3 t4 ：uo和io均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正。t4 t5 ： uo反向， io仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)。a)整流 逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)小結(jié)小結(jié)： 哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關(guān)。 工作在整流還是逆變，則根據(jù)uo方向與io方向是否相同確定。4- 513) 輸入輸出特性輸出上限頻率 輸出頻率增高時，輸出電壓

20、一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重。電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)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(guān)系而言，很難確定一個明確的界限。當(dāng)采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/31/2。電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。4- 52 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。4- 53(1)公共交流母線進(jìn)線方式圖4-24 公共交流母線進(jìn)

21、線三相交交變頻電路（簡圖）由三組彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位相互錯開120的單相交交變頻電路構(gòu)成。電源進(jìn)線通過進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上。因?yàn)殡娫催M(jìn)線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動機(jī)的三個繞組必須拆開。主要用于中等。容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。4- 54(2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機(jī)的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)電動機(jī)中點(diǎn)不和變頻器中點(diǎn)接在一起，電動機(jī)只引出三根線即可圖4-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖 b）詳圖三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機(jī)的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)。電動機(jī)中點(diǎn)不和變頻器中點(diǎn)接在一起，電動機(jī)只引出三根線即可。4- 55圖4-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖 b）詳圖因?yàn)槿M的輸出聯(lián)接在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此分別用三個變壓器供電。由于輸出端中點(diǎn)不和負(fù)載中點(diǎn)相聯(lián)接，所以在構(gòu)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(dǎo)