第四章 交流电力控制电路和交交变频电路

青岛科技大学第四章交流电力控制电路和交交变频电路青岛科技大学交流电力控制电路和交交变频电路概述4.1交流调压电路4.1.1单相交流调压电路4.1.2三相交流调压电路4.2其他交流电力控制电路4.2.1交流调功电路4.2.2交流电力电子开关4.3交交变频电路4.3.1单相交交变频电路4.3.2三相交交变频电路4.4矩阵式变频电路本章小结第4章青岛科技大学概述交流-交流变流电路一种形式的交流变成另一种形式交流的电路第4章可改变相关的电压、电流、频率和相数等ACtoACConverters青岛科技大学概述交流电力控制电路变频电路改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的交流调压电路——相位控制（或斩控式）交流调功电路及交流无触点开关——通断控制交交变频电路交直交变频电路第4章只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率青岛科技大学4.1交流调压电路ACvoltagecontrollers交流电力控制电路的结构两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管就可控制交流电力青岛科技大学4.1交流调压电路ACvoltagecontrollers交流电力控制电路的类型交流调压电路:交流调功电路:交流电力电子开关:每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路。青岛科技大学交流调压电路的应用：–灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）（Lightingcontrol）–异步电动机软起动（Soft-startofasynchronousmotors）–异步电动机调速(Adjustablespeeddriveofasynchronousmotors）–供用电系统对无功功率的连续调节–在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压4.1交流调压电路青岛科技大学4.1.1单相交流调压电路Single-phaseACvoltagecontrollerROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOtROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt1．电阻负载原理分析Ru1uoioVT1VT2uOu1uoioVTtOtOtOtThephaseshiftrange(operationrangeofphasedelayangle):0≤α≤π青岛科技大学2sin21dsin21121oUttUURUIoo)22sin1(21sin221121RUtdRtUIT2sin211oo1ooUUIUIUSP图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形数量关系负载电压有效值(4-1)负载电流有效值(4-2)晶闸管电流有效值(4-3)功率因数(4-4)4.1.1单相交流调压电路Ru1uoioVT1VT2uOu1uoioVTtOtOtOtThephaseshiftrange(operationrangeofphasedelayangle):0≤α≤π青岛科技大学输出电压与的关系:移相范围为0≤≤π。=0时，输出电压为最大，Uo=U1。随的增大，Uo降低，=π时，Uo=0。λ与的关系:=0时，功率因数λ=1，增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低4.1.1单相交流调压电路青岛科技大学2．阻感负载Inductive(Inductor-resistor)load阻感负载时的移相范围–负载阻抗角：j=arctan(L/R)–若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后–=0时刻仍定为u1过零的时刻，的移相范围应为j≤≤πRL0.6图4-2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt4.1.1单相交流调压电路RLu1uoioVT1VT2Ou1uoiouVTOOtOuG1uG2OOtttttThephaseshiftrange:φ≤α≤πRLu1uoioVT1VT2Ou1uoiouVTOOtOuG1uG2OOtttttThephaseshiftrange:φ≤α≤π青岛科技大学j时单相交流调压电路4.1.1tttt图4-5OOOOu1iG1iG2iojiT1iT2图4-5j时阻感负载交流调压电路工作波形图4-5的波形分析:–VT1提前通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过π–触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不通io过零后，VT2开通，VT2导通角小于π–方程式(4-5)和(4-6)所得io表达式仍适用，只是a≤ωt∞–过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt=(j)时合闸的过渡过程相同–io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量–衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长–稳态的工作情况和=j时完全相同青岛科技大学4．斩控式交流调压电路设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比=ton/T，改变可调节输出电压4.1.1单相交流调压电路基本原理和直流斩波电路有类似之处RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3u0,io0:V1charging,V3freewheelingu0,io0:V4charging,V2freewheelingu0,io0:V3charging,V1freewheelingu0,io0:V2charging,V4freewheeling青岛科技大学特性–电源电流的基波分量和电源电压同相位。–电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波–功率因数接近1图4-8电阻负载斩控式交流调压电路波形4.1.1单相交流调压电路青岛科技大学4.1.2三相交流调压电路根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式n负载acn'负载abca)b)负载abcc)负载bd)图4-9abcuaubuciaUa0'nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2a)星形联结b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结d)中点控制三角形联结青岛科技大学典型用例——晶闸管控制电抗器(ThyristorControlledReactor—TCR）–控制角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率–配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置(StaticVarCampensator—SVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变.4.1.2三相交流调压电路负载图4-11uaiaubucnbac青岛科技大学4.2其他交流电力控制电路OtherACcontrollers交流调功电路——以交流电源周波数为控制单位(ACpowercontroller)交流电力电子开关——对电路通断进行控制(ElectronicACswitch)青岛科技大学4.2.1交流调功电路(ACpowercontroller)异：同：与交流调压电路的异同电路形式完全相同控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。应用常用于电炉的温度控制RLu1uoioVT1VT2Ou1uoiouVTOOtOuG1uG2OOtttttThephaseshiftrange:φ≤α≤π青岛科技大学4.2.1交流调功电路–因其直接调节对象是电路的平均输出功率,所以称为交流调功电路控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染青岛科技大学电阻负载时的工作情况–控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后M－N个周期关断–负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为M倍电源周期M电源周期控制周期=M倍电源周期=24M图4-13O导通段=2NM3M2Muou1uo,iotU12交流调功电路典型波形(M=3、N=2)–当M=3、N=2时的电路波形如图4-134.2.1交流调功电路青岛科技大学4.2.2交流电力电子开关ElectronicACswitch作用：优点：与交流调功电路的区别：–并不控制电路的平均输出功率–通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开–控制频度通常比交流调功电路低得多代替机械开关，起接通和断开电路的作用响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断青岛科技大学晶闸管投切电容器（TSC）–对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量–性能优于机械开关投切的电容器IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)图4-15TSC基本原理图a)基本单元单相简图b)分组投切单相简图4.2.2交流电力电子开关晶闸管反并联后串入交流电路结构和原理–图4-15基本原理图（单相）–实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结Thyristor-switchedcapacitor(TSC)青岛科技大学–两个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的作用（图4-15a）–串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流–实际工程中，为避免电容器组投切造成较大冲击，一般把电容器分成几组（图4-15b），可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量–TSC实际上为断续可调的动态无功功率补偿器IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)图4-15TSC基本原理图a)基本单元单相简图b)分组投切单相简图4.2.2交流电力电子开关青岛科技大学4.3交交变频电路本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)交交变频电路——把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路青岛科技大学1．电路构成和基本工作原理图4-18单相交交变频电路原理图和输出电压波形4.3.1单相交交变频电路青岛科技大学工作原理–P组工作时，负载电流io为正，N组工作时，io为负–两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率o改变变流电路的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值4.3.1单相交交变频电路青岛科技大学为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对角进行调制4.3.1单相交交变频电路在半个周期内让P组角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制。uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。青岛科技大学1OO23456图4-20uoiott图4-20单相交交变频电路输出电压和电流波形4.3.1单相交交变频电路例：青岛科技大学2.输入输出特性1)输出上限频率4.3.1单相交交变频电路–输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重–电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素青岛科技大学4.3.1单相交交变频电路–就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限–当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/3~1/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz青岛科技大学2)输入功率因数–输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率–负载功率因数越低，输入功率因数也越低–不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后0.80.60.40.20=1.0输入位移因数负载功率因数（滞