第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路.ppt

1、教學(xué)目的,掌握交流調(diào)壓器的基本類型、用途和電路，分析單、三相交流調(diào)壓電路. 理解和掌握交流斬波調(diào)壓的原理與基本性能 理解交流調(diào)功電路和交流電力電子開關(guān)原理 了解交交變頻電路（周波變換器）的原理及電路，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。,學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn),單、三相交流調(diào)壓電路分析,第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路,引言 4.1 交流調(diào)壓電路 4.2 其他交流電力控制電路 4.3 交交變頻電路 4.4 矩陣式變頻電路 本章要點(diǎn),第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路,交-交變流電路：一種形式的交流變成另一種形式交流的電路，可改變電壓、電流、頻率和相數(shù)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

2、頻率； 1. 交流調(diào)壓電路相位控制（或斬控式）； 2. 交流調(diào)功電路及交流無觸點(diǎn)開關(guān)通斷控制。 變頻電路：改變頻率，大多不改變相數(shù)，也有改變相數(shù)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； 1. 晶閘管交交變頻電路 2. 矩陣式變頻電路 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。,交流電力控制電路的結(jié)構(gòu)及類型 兩個(gè)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(gè)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)

3、輸出功率的平均值； 交流電力電子開關(guān)并不著意調(diào)節(jié)輸出平均功率，而只是根據(jù)需要接通或斷開電路。,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,4.1 交流調(diào)壓電路,交流調(diào)壓電路的應(yīng)用： 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)； 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速； 供用電系統(tǒng)對(duì)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。,4.1 交流調(diào)壓電路,一、電阻負(fù)載,1.工作原理： 在 u1的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的開通角a進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓； 正負(fù)半周a 起始時(shí)刻（a =0）均為電壓過零時(shí)刻，穩(wěn)態(tài)時(shí)，正負(fù)半周的a 相等； 負(fù)載電壓波

4、形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓的波形相同。,圖6-3 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,一、電阻負(fù)載,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,2.數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值 負(fù)載電流有效值： 晶閘管電流有效值： 功率因數(shù)：,圖6-3 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,輸出電壓與 的關(guān)系: 移相范圍為0 。 =0時(shí)，輸出電壓為最大， Uo=U1。隨a的增大，Uo降低， =時(shí)， Uo =0。 與 的關(guān)系： =0時(shí)，功率因數(shù)=1， 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低。,一、電阻負(fù)載,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,1、工作原理 阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍 負(fù)

5、載阻抗角： j = arctan(L / R) 晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j ； 在用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后，而無法使其超前； =0時(shí)刻仍定為u1過零的時(shí)刻， 的移相范圍應(yīng)為j 。,圖4-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,二、阻感負(fù)載,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,VT1,阻感負(fù)載時(shí)的工作過程分析 在t= a時(shí)刻開通VT1，負(fù)載電流滿足 解方程得 式中 ,為晶閘管導(dǎo)通角 利用邊界條件：t = a +時(shí)io =0,可求得：,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,VT2導(dǎo)通時(shí)，上述關(guān)系完全相同，只是io極性相反，相位差180,確定其移相范圍：

6、 j 此時(shí) ， 則 。由此可知正負(fù)半波電流斷續(xù)，且愈大，愈小，波形斷續(xù)愈嚴(yán)重.但此時(shí)交流電壓可調(diào)。其波形如圖4-2所示 。 = j此時(shí) ， 則 由此可知正負(fù)半波電流臨界 連續(xù)，負(fù)載上獲得最大功率。, j此時(shí) ， 則 。這種情況下設(shè)在t= j時(shí)刻觸發(fā)VT1，則VT1的導(dǎo)通時(shí)刻超過。 到 t=+時(shí)刻觸發(fā)VT2時(shí)，由于負(fù)載電流i0尚未到零，VT1仍導(dǎo)通，VT2承受反壓不能導(dǎo)通。等VT1中電流變?yōu)榱愣P(guān)斷，若觸發(fā)脈沖為窄脈沖，雖然此時(shí)VT2開始承受正向電壓，由于ug2脈沖已消失，所以VT2無法導(dǎo)通。 第三個(gè)半周ug1又觸發(fā)VT1管，這樣負(fù)載電流只有正半波，電流出現(xiàn)很大的直流分量，電路不能正常工作。 波

7、形如圖所示，這樣在 j時(shí)，晶閘管不能用窄脈沖觸發(fā)，而應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列。,采用寬脈沖觸發(fā)，VT2在VT1關(guān)斷后仍能導(dǎo)通，不過剛開始時(shí)兩管的電流波形不對(duì)稱但是在指數(shù)分量的衰減過程中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)間均趨近到，其穩(wěn)態(tài)工作情況和 j時(shí)完全相同，寬脈沖時(shí)波形如圖4-5所示。 綜合分析可知：?jiǎn)蜗嘟涣髡{(diào)壓電路帶阻感性負(fù)載時(shí)角移相范圍為j 。,圖4-5 aj時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形,2、參數(shù)計(jì)算 負(fù)載電壓有效值 晶閘管電流有效值,負(fù)載電流有效值 IVT的標(biāo)么值,單相交流調(diào)壓電路a為參變量時(shí)IVTN和a關(guān)系曲線,電阻負(fù)載的

8、情況 波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以不含直流分量和偶次諧波 式中,3、單相交流調(diào)壓電路的諧波分析,(n=3,5,7,),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（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j 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,4

9、.1.1 單相交流調(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,一般采用全控型器件作為開關(guān)器件,基本原理和直流斬波電路有類似之處,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,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,4、斬控式交流調(diào)壓電路,設(shè)斬波器件（V1或V2）導(dǎo)通時(shí)間為ton，開關(guān)周期為T，則導(dǎo)通比 = ton/T，改變 可調(diào)節(jié)輸出電壓,特性 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,圖4-8 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形,4.1.2 三相交流調(diào)壓

10、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,三相四線 基本原理：相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開120工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動(dòng)，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(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。 應(yīng)用：在選擇線徑和電源變壓器時(shí)應(yīng)考慮這一問題。一般大容量設(shè)備不采用這種電路。,1) 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),4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,三相三線，主要分析電阻負(fù)載時(shí)的情況,圖4-9 三相交流調(diào)壓電路 a) 星形聯(lián)結(jié),因?yàn)闆]有

11、零線，要構(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，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，同一相上兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)脈沖相180 ,三相上同向的晶閘管觸發(fā)脈沖彼此相差120 ,觸發(fā)脈沖順序?yàn)閂T1 VT6,依次相差60。 相電壓過零點(diǎn)定為a 的起點(diǎn)， a角移相范圍是0 150。,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,根據(jù)晶閘管導(dǎo)通情況以及電流是否連續(xù)可將0150的移相范圍分為以下三種情況： (1)0 60：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180 。但 =0時(shí)一直是三管導(dǎo)通 (2)60 90：兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120 (3)90 150：兩管導(dǎo)通

12、與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為3002 ,4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 a) a =30 b) a =60 c) a =120,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,圖4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 a) a =30,(1)0 a 60：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180a 。但a =0時(shí)一直是三管導(dǎo)通。,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,圖4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 b) a =60,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,圖4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 c) a =120,(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。,諧波

13、情況,電流諧波次數(shù)為6k1(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(duì)稱時(shí)，它們不能流過三相三線電路。,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,2） 支路控制三角聯(lián)結(jié)電路,圖49三相交流調(diào)壓電路,c)支路控制三角形聯(lián)結(jié),由三個(gè)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(gè)負(fù)載相電流之和。,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,諧波情況,c)支路控制三角形聯(lián)結(jié),圖49三相交流調(diào)壓電路,3倍次諧波相位和大小相同，在

14、三角形回路中流動(dòng)，而不出現(xiàn)在線電流中。 線電流中所諧波次數(shù)為6k1(k為正整數(shù))。 在相同負(fù)載和a 角時(shí)，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,典型用例晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）,圖4-11 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。,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,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(bǔ)償裝置(Static Var CampensatorSVC），用來對(duì)無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以補(bǔ)償

15、電壓波動(dòng)或閃變。,圖4-11 晶閘管控制電抗器(TCR)電路,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,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,在斷開幾個(gè)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。,通?？刂凭чl管的導(dǎo)通時(shí)刻都是在電源電壓過零的時(shí)刻，這樣，在交流電源接通期間，負(fù)載電壓為正弦波，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓造成諧波污染。,電阻負(fù)載時(shí)的工作情況,

16、2,p,N,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(gè)周期導(dǎo)通，后MN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。,4.2.1 交流調(diào)功電路,4.2.1 交流調(diào)功電路,諧波情況,0,12,14,諧波次數(shù),相對(duì)于電源頻率的倍數(shù),圖4-14交流調(diào)功電路的 電流頻譜圖(M =3、N =2),2,4,6,10,8,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,0,5,1,2,3,4,I,n,/,I,0m,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， Io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

17、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)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。,優(yōu)點(diǎn) 響應(yīng)速度快，無觸點(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。,典型應(yīng)用-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(jiǎn)圖 b) 分組投切單相簡(jiǎn)圖,作用 對(duì)無功功率控制，可提高功率因數(shù)，穩(wěn)

18、定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量。 性能優(yōu)于機(jī)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(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。,4.2.2 交流電力電子開關(guān),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，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 TSC理想投切時(shí)刻原理說明,4.2.2 交流電力電子開關(guān),TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式,由于二極管的作用，在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源

19、電壓峰值。 成本稍低，但響應(yīng)速度稍慢，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。,圖4-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說明,4.2.2 交流電力電子開關(guān),4.3 交交變頻電路,4.3.1 單相交交變頻器 4.3.2 三相交交變頻器,4.3.1 單相交交變頻器,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(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 如圖4-18，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變

20、流電路構(gòu)成，和直流電動(dòng)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。,4.3.1 單相交交變頻器,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wo 。 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,4.3.1 單相交交變頻器,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)

21、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) 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),阻感負(fù)載為例，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)。,4.3.1 單相交交變頻器,4.3.1 單相交交變頻器,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(shí)，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。,4.

22、3.1 單相交交變頻器,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(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)。,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。,4.3.1 單相交交變頻器,工作狀態(tài),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)，