第6章 交流控制電路和交交變頻電路2012

第6章交流-交流變流電路ACtoACConverters

1交流調(diào)壓電路其它交流電力控制電路交交變頻電路本章主要內(nèi)容2把一種形式的交流變成另一種形式的交流的電路，可改變相關(guān)的電壓，電流，頻率和相數(shù)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ACvoltagecontrollerPhasecontrol交流調(diào)功電路通斷控制ACpowercontrollerIntegralcyclecontrolACtoACConverters3工作原理

兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可控制交流電力，不改變交流電頻率應(yīng)用燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制)異步電動機軟起動異步電動機調(diào)速供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)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ACVoltageControllers交流調(diào)壓電路4電阻負載電路結(jié)構(gòu)：兩個晶閘管可用一雙向可控硅代替

時刻為電源電壓過零時刻在交流電源的正負半周，分別控制兩個晶閘管開通，正負半周觸發(fā)角相等負載電壓波形是電源電壓波形的一部分u單相交流調(diào)壓電路5u電阻負載

單相交流調(diào)壓電路u移相范圍為

負載電壓有效值負載電流有效值6u電阻負載單相交流調(diào)壓電路u電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形流過晶閘管的電流有效值

電路功率因數(shù)

7u電阻負載

輸出電壓與α的關(guān)系:

時，輸出電壓為最大

Uo=U1,隨α的增大，Uo降低，α

=π時，Uo=0功率因數(shù)λ與α的關(guān)系:α

=0時，功率因數(shù)λ=1，α增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，λ降低單相交流調(diào)壓電路u電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形8若將晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為

，當(dāng)用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后

α=0時刻仍定為u1過零的時刻，α的移相范圍應(yīng)為

阻感負載uO1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1

G1uG2OOwtwt阻感負載單相交流調(diào)壓電路及其波形負載阻抗角：VT1單相交流調(diào)壓電路9時刻開通晶閘管VT1，負載電流應(yīng)滿足單相交流調(diào)壓電路利用邊界條件時可求得θ

10q020100601401802010060/(°)180140a/(°)j=90°75°60°45°30°15°0°單相交流調(diào)壓電路以α為參變量的θ和α關(guān)系曲線以阻抗角為參變量α和θ的關(guān)系如右圖單相交流調(diào)壓電路11單相交流調(diào)壓電路α為參變量時IVTN和α關(guān)系曲線j

=90°0.10.20.30.40.516018004012080

75°

60°45°j=0a/(°)IVTN負載電流有效值IVT的標(biāo)么值單相交流調(diào)壓電路12穩(wěn)態(tài)情況和一樣

時阻感負載交流調(diào)壓電路工作波形當(dāng)阻感負載,

時電路工作情況圖4-2

阻感負載單相交流調(diào)壓電路VT1的導(dǎo)通時間超過π觸發(fā)VT2時，

io尚未過零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不會導(dǎo)通。io過零后，VT2才可開通，VT2導(dǎo)通角小于π衰減過程中，VT1導(dǎo)通時間漸短，VT2的導(dǎo)通時間漸長單相交流調(diào)壓電路13諧波分析電阻負載由于波形正負半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波基波和各次諧波有效值負載電流基波和各次諧波有效值

電阻負載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量單相交流調(diào)壓電路14電流諧波次數(shù)和電阻負載時相同，也只含3、5、7…等次諧波隨著次數(shù)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當(dāng)α角相同時，隨著阻抗角的增大，諧波含量有所減少阻感負載

諧波分析

單相交流調(diào)壓電路15斬控式交流調(diào)壓電路圖4-7斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的正半周用V1進行斬波控制用V3給負載電流提供續(xù)流通道單相交流調(diào)壓電路16斬控式交流調(diào)壓電路圖4-7斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的負半周用V2進行斬波控制用V4給負載電流提供續(xù)流通道單相交流調(diào)壓電路17

特性圖4-8電阻負載斬控式交流調(diào)壓電路波形電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)為1電源電流不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波功率因數(shù)接近1單相交流調(diào)壓電路18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)壓電路三相交流調(diào)壓電路19三相四線基本原理：相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120°工作?；ê?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，在選擇線徑和變壓器時一定要注意星形聯(lián)結(jié)電路

可分為三相三線和三相四線圖4-9三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓電路20三相三線，電阻負載圖4-9三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)任一相導(dǎo)通需和另一相構(gòu)成回路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)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α

的起點，α角移相范圍是

0°-150°，與三相全控橋式整流電路不同三相交流調(diào)壓電路21三相三線，電阻負載圖4-9三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)三相電壓控制器中，觸發(fā)角改變，電路有兩種不同的工作狀態(tài)第一類工作狀態(tài)：三相同時工作狀態(tài)，即同一時刻，每相有一個晶閘管導(dǎo)電，任一時刻同時有三個管子導(dǎo)電第二類工作狀態(tài)：兩相同時工作狀態(tài)，既同一時刻，僅兩相各有一個管子導(dǎo)電，第三相的兩個管子都不導(dǎo)電三相交流調(diào)壓電路22α=0°，各晶閘管均可看作二極管，承受正向電壓管子導(dǎo)通三相交流調(diào)壓電路23任何時刻每相有一個管子導(dǎo)通，三相電壓直接接到三相電阻，電壓電流及管子導(dǎo)電都是三相對稱，電源電壓中性點與負載電壓中性點等電位三相交流調(diào)壓電路240°≤a<60°：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180°－a

不同a角時負載相電壓波形a)a=30°三相交流調(diào)壓電路2560°≤a<90°：兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120°

不同a角時負載相電壓波形b)a

=60°三相交流調(diào)壓電路2690°≤a<150°：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為300°－2a

不同a角時負載相電壓波形c)a=120°三相交流調(diào)壓電路27諧波情況電流諧波次數(shù)為6k±1(k=1，2，3，…)，和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流所含諧波的次數(shù)完全相同諧波次數(shù)越低，含量越大和單相交流調(diào)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三相交流調(diào)壓電路28支路控制三角聯(lián)結(jié)電路

三相交流調(diào)壓電路c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)由三個單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)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三相交流調(diào)壓電路29諧波情況c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓電路

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(xiàn)在線電流中線電流中所含諧波次數(shù)為6k±1(k為正整數(shù))

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三相交流調(diào)壓電路30典型用例——晶閘管控制電抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，稱為靜止無功補償裝置(StaticVar

Campensator—SVC），用來對無功功率進行動態(tài)補償，以補償電壓波動或閃變

晶閘管控制電抗器(TCR)電路a移相范圍為90°~180°控制a角可連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)無功功率三相交流調(diào)壓電路31交流調(diào)功電路ACpowercontroller交流電力電子開關(guān)ElectronicACswitch其他交流調(diào)壓電路32交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點電路形式完全相同不同點控制方式不同交流調(diào)壓電路在每個電源周期都對輸出電壓波形進行控制交流調(diào)功電路是將負載與交流電源接通幾個周期,再斷開幾個周期,通過通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率交流調(diào)功電路33電阻負載時的工作情況

交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)電阻負載單相交流調(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)通，后M－N個周期關(guān)斷負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期交流調(diào)功電路34諧波情況交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)右圖為頻譜圖（以控制周期為基準）。In為n次諧波有效值，Io為導(dǎo)通時電路電流幅值以電源周期為基準，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大交流調(diào)功電路35概念

把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用優(yōu)點

響應(yīng)速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷與交流調(diào)功電路的區(qū)別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控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多交流電力電子開關(guān)36晶閘管投切電容（ThyristorSwitched——Capacitor——TSC）

TSC基本原理圖a)基本單元單相簡圖b)分組投切單相簡圖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，改善供電質(zhì)量性能優(yōu)于機械開關(guān)投切的電容器結(jié)構(gòu)和原理晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路實際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)交流電力電子開關(guān)37單相交交變頻器三相交交變頻器交交變頻電路38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，屬于直接變頻電路廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出交交變頻電路單相交交變頻電路39電路構(gòu)成和基本工作原理

單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形電路構(gòu)成由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都是相控整流電路單相交交變頻電路40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改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率w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

單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形單相交交變頻電路41為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a角進行調(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)越多，其波形就越接近正弦波單相交交變頻電路42

整流與逆變工作狀態(tài)

理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)阻感負載為例，也適用于交流電動機負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，就可把電路等效成正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)單相交交變頻電路43設(shè)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

理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)單相交交變頻電路44工作狀態(tài)

理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)T1-t3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，輸出功率為負單相交交變頻電路45t3-t5期間：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

理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)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方向是否相同確定單相交交變頻電路46◆考慮到無環(huán)流工作方式下負載電流過零的正反組切換死區(qū)時間，一周期的波形可分為6段：

第1段io<0，uo>0，為反組逆變；第2段電流過零，為切換死區(qū)；第3段io>0，uo>0，為正組整流；第4段io>0，uo<0，為正組逆變；第5段又是切換死區(qū)；第6段io<0，uo<0，為反組整流。單相交交變頻電路47■輸入輸出特性

◆輸出上限頻率

?輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴重，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，一般認為輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3~1/2，電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。單相交交變頻電路48交交變頻電路的輸入位移因數(shù)◆輸入功率因數(shù)

?輸入電流相位總是滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率。

?在輸出電壓的一個周期內(nèi)，

角以90°為中心而前后變化。

?輸出電壓比

越小，半周期內(nèi)

的平均值越靠近90°，位移因數(shù)越低；負載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。

?不論負載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，輸入的無功電流總是滯后的。單相交交變頻電路49◆輸出電壓諧波

?輸出電壓的諧波頻譜非常復(fù)雜，既和電網(wǎng)頻率fi以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān)，也和輸出頻率fo有關(guān)。?采用三相橋式電路時，輸出電壓主要諧波的頻率為

6fi±fo，6fi±3fo，6fi±5fo，