第4章-交流電力控制電路和交-交變頻電路

本章主要講述交流-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)功電路通斷控制第4章交流電力控制電路和交交變頻電路

4.1交流調(diào)壓電路原理：兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)對(duì)晶閘管的控制來(lái)控制交流電力。

電路圖

應(yīng)用1燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)。異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。3異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。4供用電系統(tǒng)對(duì)無(wú)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。電阻負(fù)載

113頁(yè)圖4-1

如果用導(dǎo)線(xiàn)把晶閘管完全短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流應(yīng)為正弦波，負(fù)載電流滯后于電源電壓u1的角度為φ。0.6Ou11uOiOuVTwtOwtOwtwtOuG1uG2OOwtwt圖4-2

電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形VT12.阻感負(fù)載

設(shè)負(fù)載的阻抗角為

在用晶閘管控制時(shí)，很顯然只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后，而無(wú)法使其超前。

a

=0時(shí)刻仍定為u1過(guò)零的時(shí)刻，a的移相范圍應(yīng)為j

≤a

≤π。0.6Ou11uOiOuVTwtOwtOwtwtOuG1uG2OOwtwt圖4-2

電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形VT1在ωt=a

時(shí)刻開(kāi)通晶閘管VT1，負(fù)載電流應(yīng)滿(mǎn)足以下方程和初始條件：VT1解得：q020100601401802010060/(°)180140a/(°)j=90°75°60°45°30°15°0°圖4-3單相交流調(diào)壓電路以a為參變量的θ和a關(guān)系曲線(xiàn)

利用邊界條件wt=a+θ時(shí)，io=0，可求得θ當(dāng)a=j

時(shí)θ=π當(dāng)a>j

時(shí)θ<π以j

為參變量，可把a(bǔ)和θ的關(guān)系表示成右圖。負(fù)載電壓有效值UoVT10.6Ou1

u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1

G1uG2OOwtwt已經(jīng)求得可據(jù)此求出晶閘管電流有效值圖4-4單相交流調(diào)壓電路a為參變量時(shí)IVTN和a關(guān)系曲線(xiàn)j

=90°0.10.20.30.40.516018004012080

75°

60°45°j

=0a/(°)IVTN負(fù)載電流有效值

(4-10)IVT的標(biāo)么值

(4-11)有名值和標(biāo)幺值有名值是電力系統(tǒng)各物理量及參數(shù)的帶量綱的數(shù)值。標(biāo)幺值是各物理量及參數(shù)的相對(duì)值，是不帶量綱的數(shù)值。標(biāo)幺值是相對(duì)某一基值而言的，同一有名值，當(dāng)基值選取不一樣時(shí)，其標(biāo)幺值也不一樣。它們的關(guān)系如下：標(biāo)幺值=有名值/基值圖4-5a<j時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形阻感負(fù)載,a

<j時(shí)電路工作情況。圖4-2

阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路VT1提前開(kāi)通，負(fù)載L被過(guò)充電，其放電時(shí)間也將延長(zhǎng)，使得VT1導(dǎo)通時(shí)間大于π；觸發(fā)VT2時(shí)，

io尚未過(guò)零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不會(huì)導(dǎo)通。io過(guò)零后，VT2才可開(kāi)通，VT2導(dǎo)通角小于π。圖4-5a<j時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形圖4-2

阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路io由兩個(gè)分量組成，第一項(xiàng)為正弦穩(wěn)態(tài)分量，第二項(xiàng)為指數(shù)衰減分量。在指數(shù)分量的衰減過(guò)程中，VT1的導(dǎo)通時(shí)間逐漸縮短，VT2的導(dǎo)通時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，當(dāng)指數(shù)分量衰減到零后，VT1和VT2的導(dǎo)通時(shí)間都趨近到π。3.

單相交流調(diào)壓電路的諧波分析

電阻負(fù)載由于波形正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)，所以不含直流分量和偶次諧波。基波和各次諧波有效值負(fù)載電流基波和各次諧波有效值

電流基波和各次諧波標(biāo)么值隨a變化的曲線(xiàn)（基準(zhǔn)電流為a

=0時(shí)的有效值）如圖4-6所示。圖4-6電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)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(fù)載時(shí)相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量少一些。當(dāng)a角相同時(shí)，隨著阻抗角φ

的增大，諧波含量有所減少。阻感負(fù)載4.

斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的正半周圖4-7斬控式交流調(diào)壓電路用V1進(jìn)行斬波控制用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道用V2進(jìn)行斬波控制用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道圖4-7斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的負(fù)半周特性圖4-8電阻負(fù)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(kāi)關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波。4.2其他交流電力控制電路4.2.1交流調(diào)功電路4.2.2交流電力電子開(kāi)關(guān)4.2.1交流調(diào)功電路

交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點(diǎn)電路形式完全相同不同點(diǎn)控制方式不同交流調(diào)壓電路在每個(gè)電源周期都對(duì)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(gè)周期，再斷開(kāi)幾個(gè)周期，通過(guò)通斷周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。交流調(diào)功電路常用于控制電爐溫度

象電爐溫度這樣的控制對(duì)象，其時(shí)間常數(shù)往往很大，沒(méi)有必要對(duì)交流電源的每個(gè)周期進(jìn)行頻繁的控

制，只要以周波數(shù)為單位進(jìn)行控制就足夠了。

通?？刂凭чl管導(dǎo)通的時(shí)刻是在電源電壓過(guò)零的時(shí)刻，這樣，在交流電源接通期間，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對(duì)電網(wǎng)電壓電流造成諧波污染。

電阻負(fù)載時(shí)的工作情況2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導(dǎo)通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12圖4-13交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)圖4－1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(gè)周期導(dǎo)通，后M－N個(gè)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。

諧波情況01214相對(duì)于控制周期的諧波次數(shù)相對(duì)于電源周期的諧波次數(shù)圖4-14交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m圖4-14的頻譜圖（以控制周期為基準(zhǔn)）。In為n次諧波有效值，Iom為導(dǎo)通時(shí)電路電流幅值。以電源周期為基準(zhǔn)，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。而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。4.2.2交流電力電子開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)，起接通和斷開(kāi)電路的作用。優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快、無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、可頻繁控制通斷。與交流調(diào)功電路的區(qū)別并不控制電路的平均輸出功率。通常沒(méi)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(kāi)?？刂祁l率通常比交流調(diào)功電路低得多。晶閘管投切電容（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）圖4-15TSC基本原理圖a)基本單元單相簡(jiǎn)圖b)分組投切單相簡(jiǎn)圖作用對(duì)無(wú)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(jī)械開(kāi)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(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。晶閘管的投切選擇晶閘管投入時(shí)刻的原則：該時(shí)刻交流電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，因此在投入時(shí)刻iC為零，之后iC才按正弦規(guī)律變化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖4-16TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明圖中在本次導(dǎo)通開(kāi)始前，電容器的端電壓uC已由上次導(dǎo)通時(shí)段最后導(dǎo)通的晶閘管VT1充電至電源電壓us的正峰值。本次導(dǎo)通開(kāi)始時(shí)刻取為us和uc相等的時(shí)刻t1，給VT2觸發(fā)脈沖使之開(kāi)通，電容電流ic開(kāi)始流通。以后每半個(gè)周波輪流觸發(fā)VT1和VT2，電路繼續(xù)導(dǎo)通。需要切除這條電容支路時(shí)，如在t2時(shí)刻iC已降為0，VT2關(guān)斷，這時(shí)撤除觸發(fā)脈沖，VT1就不會(huì)導(dǎo)通，uC保持在VT2結(jié)束導(dǎo)通時(shí)的電源電壓負(fù)峰值，為下一次投入電容做好準(zhǔn)備。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖4-16TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明4.3.1單相交交變頻器晶閘管交交變頻電路，也稱(chēng)周波變流器。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(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)。4.3交交變頻電路

1.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)成變流器P和N都是相控整流電路。工作原理P組工作時(shí)，負(fù)載電流io為正。N組工作時(shí)，io為負(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ωo。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和輸出電壓波形為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對(duì)a角進(jìn)行調(diào)制。在半個(gè)周期內(nèi)讓P組a

角按正弦規(guī)律從90°減到0°或某個(gè)值，再增加到90°，每個(gè)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(gè)周期可對(duì)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(gè)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。

2.阻感負(fù)載的交交變頻電路的整流與逆變工作狀態(tài)圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)也適用于交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載。把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時(shí)uo的脈動(dòng)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)。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(wú)環(huán)流工作方式，即一組變流電路工作時(shí)，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(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)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(fù)。t3~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)。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)：哪一組工作由io方向決定，與uo極性無(wú)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。當(dāng)uo和io的相位差小于90°時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為正，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)二者相位差大于90°時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為負(fù)，電網(wǎng)吸收能量，電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài)。考慮無(wú)環(huán)流工作方式下io過(guò)零的死區(qū)時(shí)間，一周期可分為6段。圖4-20單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形第1段

io

<0，

uo

>0，反組逆變第2段電流過(guò)零，為無(wú)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(wú)環(huán)流死區(qū)

第6段

io

<0，

uo

<0，為反組整流

有環(huán)流控制方式

所謂環(huán)流，是指不流過(guò)電動(dòng)機(jī)或其他負(fù)載，而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流。環(huán)流的存在會(huì)顯著地增加晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗無(wú)用的功率，環(huán)流太大時(shí)甚至?xí)?dǎo)致晶閘管損壞，因此必須予以抑制。但環(huán)流也并非一無(wú)是處，只要控制得好，保證晶閘管安全工作，可以利用環(huán)流作為流過(guò)晶閘管的基本負(fù)載電流，即使在電動(dòng)機(jī)空載或輕載時(shí)也可使晶閘管工作在電流連續(xù)區(qū)，避免了電流斷續(xù)引起的非線(xiàn)性現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的影響。而且在可逆系統(tǒng)中存在少量環(huán)流，可以保證電流的無(wú)間斷反向，加快反向時(shí)的過(guò)渡過(guò)程，從而使變頻電路的輸出特性得以改善，還可提高輸出上限頻率，所以在某些要求輸出頻率比較高的場(chǎng)合還是可以考慮這種方案。

由于晶閘管變流裝置輸出的電壓是脈動(dòng)的，所以，正組整流電壓和反組逆變電壓的瞬時(shí)值并不相同，當(dāng)整流電壓瞬時(shí)值大于逆變電壓瞬時(shí)值時(shí)，便產(chǎn)生正向瞬時(shí)電壓差，從而產(chǎn)生瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流，只要存在瞬時(shí)電壓差，瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流就始終存在，必須加以擬制，不能讓它太大，辦法就是在環(huán)流回路中串入環(huán)流電抗器。

邏輯無(wú)環(huán)流控制方式

雖然有環(huán)流系統(tǒng)具有反向快、過(guò)渡平滑等特點(diǎn)，但設(shè)置幾個(gè)環(huán)流電抗器終究是個(gè)累贅，而且使設(shè)備成本增加。因此，當(dāng)工藝過(guò)程對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡特性的平滑性要求不高時(shí)，特別是對(duì)于大容量的系統(tǒng)，從運(yùn)行可靠性要求出發(fā)，常采用既沒(méi)有直流平均環(huán)流又沒(méi)有瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)。即當(dāng)一組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，確保兩組晶閘管不同時(shí)工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路。其優(yōu)點(diǎn)是可省去環(huán)流電抗器，沒(méi)有附加的環(huán)流損耗，從而可節(jié)省變壓器和晶閘管裝置的附加設(shè)備容量。同時(shí)與環(huán)流系統(tǒng)相比，因換流失敗而造成的事故率大為降低。其缺點(diǎn)是由于延時(shí)造成了換流死區(qū)，影響了過(guò)渡過(guò)程的快速性。

3.

輸出正弦波電壓的調(diào)制方法——廣泛使用余弦交點(diǎn)法。①圖中P組為6脈波三相橋式變流電路

N組為6脈波三相橋式變流電路②設(shè)計(jì)任務(wù)通過(guò)改變觸發(fā)延遲角α，改變變流電路的輸出電壓，當(dāng)取某一個(gè)具體的α角時(shí)，三相橋式變流電路便輸出一段整流或逆變波形給負(fù)載。在不同的時(shí)刻應(yīng)選擇多大的α角才能使三相橋式變流電路輸出的這些段電壓波形拼接成正弦波?③設(shè)期望的交交變頻電路的輸出電壓為

該輸出電壓是由許多段變流電路的輸出電壓平均值拼接而成的。圖4-21余弦交點(diǎn)法原理④設(shè)Ud0為a

=0時(shí)整流電路輸出電壓的平均值，則在每次控制間隔內(nèi)（觸發(fā)延遲角為某一具體的非零α）變流電路輸出電壓的平均值為：圖4-21余弦交點(diǎn)法原理⑤期望波形為已知；問(wèn)題在于如何構(gòu)造若能構(gòu)造出，則由交點(diǎn)處的α即為所求

⑥構(gòu)造一個(gè)幅值為Ud0，且與α角呈余弦關(guān)系的波形（α=0時(shí)，該波形應(yīng)取得最大值）圖4-21余弦交點(diǎn)法原理⑦余弦交點(diǎn)法圖解三相橋式變流電路的輸出電壓為電源線(xiàn)電壓設(shè)電源線(xiàn)電壓uab、

uac

、

ubc

、

uba

、uca、ucb依次用u1~u6表示。相鄰兩個(gè)線(xiàn)電壓的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)于a

=0的點(diǎn)。u1~u6所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)分別用us1~us6表示us1~us6比相應(yīng)的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相應(yīng)線(xiàn)電壓a=0的時(shí)刻對(duì)應(yīng)，以a=0為零時(shí)刻，則us1~us6為與α呈余弦關(guān)系的信號(hào)，滿(mǎn)足我們所要構(gòu)造的波形要求。圖4-21余弦交點(diǎn)法原理希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發(fā)時(shí)刻由相應(yīng)的同步電壓us1~us6的下降段和uo的交點(diǎn)來(lái)決定。圖4-21余弦交點(diǎn)法原理⑧每次控制周期（即某一具體α值持續(xù)的時(shí)間）內(nèi)應(yīng)滿(mǎn)足圖4-21余弦交點(diǎn)法原理得到：g稱(chēng)為輸出電壓比圖4-21余弦交點(diǎn)法原理⑨余弦交點(diǎn)法基本公式

不同g

時(shí)，在uo一周期內(nèi)，a隨wot

變化的情況。圖中，

g較小，即輸出電壓較低時(shí)，a只在離90°很近的范圍內(nèi)變化，電路的輸入功率因數(shù)非常低。圖4-22不同g時(shí)a和wot的關(guān)系4.

輸入輸出特性(1)

輸出上限頻率輸出頻