3交流交流变换器-第10讲

教学目的掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，分析单、三相交流调压电路.理解交流调功电路和交流电力电子开关原理了解交－交变频电路（周波变换器）的原理及电路，分析其优缺点。学习重点和难点单、三相交流调压电路分析第3章交流交流变换器只改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路。(4-2)交交变频直接交直交变频间接•本章主要讲述交流-交流变流电路•把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路（可改变电压、电流、频率、相数等）交流电力控制电路变频电路改变频率的电路交流调压电路相位控制交流调功电路通断控制3.1引言(4-3)3.2相控交流调压电路原理两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电力。电路图(4-4)应用1灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。2异步电动机软起动。3异步电动机调速。4供用电系统对无功功率的连续调节。5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。(4-5)3.2.1单相交流调压电路电阻负载单相交流调压电路及其波形一、电阻负载1、工作原理与a的关系：a＝0时，功率因数＝1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低。输出电压与a的关系：移相范围为0≤a≤π。a＝0时，输出电压为最大。U0＝U1，随a的增大，U0降低，a＝π时，U0＝0。2、数量关系负载电压有效值负载电流有效值：晶闸管电流有效值：功率因数：电阻负载单相交流调压电路及其波形2OTII作业：一调光台灯（电阻负载）由单相交流调压电路供电，U1=220V,α=90°要求：①画ug、uo、io波形；②计算Uo、Io、IVT的值。(4-8)若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，电流相位滞后于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。设a=0时刻仍定为u1过零的时刻，阻感负载稳态时a的移相范围应为j≤a≤π。负载阻抗角：j=arctan(wL/R)设a=j时，负载上获得最大功率，电流临界连续。二、阻感负载1、工作原理0.6Ou1u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1G1uG2OOwtwt(4-9)当阻感负载,aφ时电路工作情况－动态过程正负半波不会连续。导通角θ180。a越大，θ越小，即晶闸管导通的时间越短，波形不连续越严重。图4-5aj时阻感负载交流调压电路工作波形wtwtwtwt图4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2当阻感负载,aφ时电路工作情况－动态过程VT1的导通时间超过π。触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不会导通。io过零后，VT2的触发脉冲有足够的宽度而尚未消失，VT2才可开通，VT2导通角小于π。衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。结论：阻感负载当aφ时，其稳态工作情况和a＝φ时完全相同。(4-11)3.2.2三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三相交流调压电路a)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(4-12)三相四线基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120°工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。应用：一般大容量设备不采用这种电路。导通次序：1,2,3,4,5,6.一、星形联结电路可分为三相三线和三相四线(4-13)1、三相三线，主要分析电阻负载时的情况任一相导通须和另一相构成回路。电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1~VT6,依次相差60°。相电压过零点定为a的起点。(注意和以前的区别，见下图)三相交流调压电路a)星形联结二、三对反并联晶闸管接成三相三线交流调压(4-14)回顾：三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0时的波形ud1u2ud2u2LudidwtOwtOwtOwtOuaa=0°ubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥiVT1(4-15)简单介绍无中线连接的星形三相交流调压器随着控制角的变化，电路有两种工作模式。模式一：三相同时工作状态，即每相有一个晶闸管导通，三相同时有三个晶闸管导通，在导通区间，各相负载电压等于电源相电压。模式二：三相中只有两相工作，即同一时刻三相中只有两相有晶闸管导通，这时，导通两相的负载是串接在这两相电源上，因此，导通两相负载上的电压（相电压）为该两相电源线电压的二分之一。α=0º时的波形①控制角α=0º由于各相在整个正半周正向晶闸管导通，而负半周反向晶闸管导通，所以负载上获得的调压电压仍为完整的正弦波。α=0º时如果忽略晶闸管的管降压，此时调压电路相当于一般的三相交流电路，加到其负载上的电压是额定电源电压。图3-9(d)为U相负载电压波形。归纳α=0º时的导通特点如下：每管持续导通180º；每60º区间有三个晶闸管同时导通。α=30º时的波形②控制角α=30º各相电压过零30º后触发相应晶闸管。以U相为例，uu过零变正30º后发出VT1的触发脉冲ug1，uu过零变负30º后发出VT4的触发脉冲ug2。归纳α=30º时的导通特点如下：每管持续导通150º；有的区间由两个晶闸管同时导通构成两相流通回路，也有的区间三个晶闸管同时导通构成三相流通回路。α=60º时的波形③控制角α=60ºα=60º情况下的具体分析与α=30º相似。这里给出α=60º时的脉冲分配图、导通区间和U相负载电压波形如右下图所示。归纳α=60º时的导通特点如下：每个晶闸管导通120º；每个区间由两个晶闸管构成回路。α=90º时的波形④触发角α=90º在触发VT1时，VT6还有触发脉冲，由于此时uuuv，VT1和VT6承受正压uuv而导通，电流流过VT1、u相负载、v相负载、VT6，一直到uuuv时刻，VT1、VT6同时关断。同样，当Ug2到来时，VT1的触发脉冲Ug1还存在，又由于uuuw，使得VT2和VT1承受正压uuw一起导通，构成UW相回路，……归纳α=90º时的导通特点如下：每个晶闸管通120º，各区间有两个管子导通。α=120º时的波形⑤触发角α=120º触发脉冲脉宽大于60º归纳α=120º时的导通特点如下：每个晶闸管触发后通30º，断30º，再触发导通30º；各区间要么由两个管子导通构成回路，要么没有管子导通。⑥控制角α≥150º时•α150º以后，负载上没有交流电压输出。当Ug1触发VT1时，尽管VT6的触发脉冲仍存在，但由于uuuv，即，VT1、VT6承受反向电压，不可能导通，因此输出电压为零。输出电压表达式由于输出电压的波形在不同触发角范围内的组成不同，因此输出电压表达式也不同。0≤α≤60º60ºα≤90º90ºα≤150º因此，α=0º时输出全电压，α增大则输出电压减小，α=150º时输出电压为零。每相负载上的电压已不是正弦波，但正、负半周对称。因此，输出电压中只有奇次谐波，以三次谐波所占比重最大。但由于这种线路没有零线，故无三次谐波通路，减少了三次谐波对电源的影响。对触发脉冲电路的要求是：①三相正(或负)触发脉冲依次间隔120º，而每一相正、负触发脉冲间隔180º。②为了保证电路起始工作时能两相同时导通，以及在感性负载和控制角较大时，仍能保持两相同时导通，与三相全控整流桥一样，要求采用双窄脉冲或宽脉冲（60º）触发。③为了保证输出电压对称可调，应保持触发脉冲与电源电压同步。总结因为没有零线，要构成回路,任一相导通须和另一相构成回路。电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，同一相上两个反并联晶闸管触发脉冲相180°,三相上同向的晶闸管触发脉冲彼此相差120°,触发脉冲顺序为VT1~VT6,依次相差60°。相电压过零点定为a的起点，a角移相范围是0°~150°。和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。2、三相调压电路在电感性负载时的工作情况•三相交流调压电路在电感性负载下的情况要比单相电路复杂得多，很难用数学表达式进行描述。从实验可知，当三相交流调压电路带电感性负载时，同样要求触发脉冲为宽脉冲，而脉冲移相范围为：φ≤α≤150º。随着α增大则输出电压减小。作业：画三相三线星形联结，α=90°时的波形。(4-25)3.3.1晶闸管交流调功器交流调功电路与交流调压电路的异同比较•相同点电路形式完全相同•不同点控制方式不同交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形进行控制。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。3.3晶闸管交流调功器和交流开关通常控制晶闸管的导通时刻都是在电源电压过零的时刻，这样，在交流电源接通期间，负载电压为正弦波，不会对电网电压造成谐波污染。过零触发通断控制时的两种控制方式电阻负载单相交流调压电路设定周期Tc内导通的周波数为n，每个周波的周期为T，输出电压有效值是则调功器的输出功率是式中：Pn—设定周期Tc内全部周波导通时，装置输出的功率Un—设定周期Tc内全部周波导通时，装置输出的电压有效值n—在设定周期Tc内导通的周波数•因此改变导通周波数n即可改变电压和功率。(4-27)M电源周期控制周期=M倍电源周期=24MO导通段=2NM3M2Muou1uo,iowtU12交流调功电路典型波形(M=3、N=2)ncUTnTUncPTnTP前面介绍移相触发控制，使得电路中的正弦波形出现缺角，包含较大的高次谐波。为了克服这种缺点，可采用过零触发的通断控制方式。这种方式的开关对外界的电磁干扰最小。控制方法如下：在设定的周期内，使晶闸管开关接通几个周波然后断开几个周波，改变通断时间比，改变了负载上的交流平均电压，可达到调节负载功率的目的。因此这种装置也称为交流调功器。过零触发虽然没有移相触发时的高次谐波干扰，但其通断频率比电源频率低，特别当通断比太小时，会出现低频干扰，使照明出现人眼能察觉到的闪烁、电表指针出现摇摆等。所以调功器通常用于热惯性较大的电热负载。晶闸管交流调功器的特点及应用(4-29)3.3.2交流电力电子开关概念把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。优点响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。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。应用：晶闸管投切电容（ThyristorSwitchedCapacitor——TSC）作用对无功功率控制，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。(4-30)改善电网稳定性与安全性/增强阻尼/提高输送能力静止无功补偿器SVC是一种典型的柔性交流输电装置（FlexibleACTransmissionSystem,FACTS）。该装置应用于电网，能实现调相调压功能，提高线路的输送能力，提高稳定运行水平，改善电能质量。应用于电气化铁路、冶金、炼钢等工业用户，可进行动态无功功率补偿，电压控制，谐波和负序治理，提高用户的生产工效，提高产品质量和降低能耗。图国家电网中国电力科学研究院静止无功补偿装置SVC