第四章_交流电力控制电路和交交变频电路_

《电力电子技术》第4章交流电力控制电路和交交变频电路第4章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章第3页概述交流-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，可改变相关的电压、电流、频率和相数等交流电力控制电路——只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率交流调压电路——相位控制（或斩控式），4.1节交流调功电路及交流无触点开关——通断控制，4.2节变频电路——改变频率，大多不改变相数交交变频电路——直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，直接变频电路1.晶闸管交交变频电路，4.3节2.矩阵式变频电路，4.4节交直交变频电路——先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频电路，8.1节■第4章第4页4.1交流调压电路交流电力控制电路的结构及类型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交流调压电路——每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值交流调功电路——以交流电的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交流电力电子开关——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.■第4章第5页4.1交流调压电路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）异步电动机软起动异步电动机调速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■第4章第6页4.1.1单相交流调压电路1．电阻负载工作原理：在u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压正负半周a起始时刻（a=0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a相等负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形(显示放大图）■第4章第7页aaa==2sin21dsin21121oUttUUaa====2sin211oo1ooUUIUIUSP4.1.1单相交流调压电路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)RUIoo=)22sin1(21sin221121aaa==RUtdRtUITRO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形(显示放大图）■第4章第8页4.1.1单相交流调压电路输出电压与a的关系:移相范围为0≤a≤π。a=0时，输出电压为最大，Uo=U1。随a的增大，Uo降低，a=π时，Uo=0。λ与a的关系：a=0时，功率因数λ=1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低■第4章第9页4.1.1单相交流调压电路2．阻感负载阻感负载时a的移相范围负载阻抗角：j=arctan(L/R)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在用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前a=0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j≤a≤π图4-2阻感负载单相交流调压电路及其波形显示放大图■RL0.6图4-2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt第4章第10页4.1.1单相交流调压电路阻感负载时的工作过程分析在ωt=a时刻开通VT1，负载电流满足(4-5)解方程得(4-6)式中,θ为晶闸管导通角利用边界条件：ωt=a+θ时io=0,可求得θ：(4-7)VT2导通时，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差180°0201006014018020100图4-360/(°)180140a/(°)j=90°75°60°45°30°15°0°图4-3单相交流调压电路以a为参变量的θ和a关系曲线0sin2ddo1oo===atitURitiLaajajja=tetZUittg1o)sin()sin(222)(LRZ=jjajatg)sin()sin(=e显示放大图■第4章第11页数量关系负载电压有效值(4-8)晶闸管电流有效值(4-9))22sin(2sin1)()sin2(1121oaaaa==UtdtUU4.1.1单相交流调压电路■jjacos)2cos(sin21=ZU=aajajaj)d()sin()sin(2212tg1VTtetZUIt第4章第12页负载电流有效值(4-10)IVT的标么值(4-11)To2II=1TTN2UZII=图4-4单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线(显示放大图）4.1.1单相交流调压电路■图4-4j=90°0.10.20.30.40.51601800401208075°60°45°j=0a/(°)IVTN第4章第13页aj时的工作情况VT1提前导通，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=a(aj)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4.1.1单相交流调压电路■第4章第14页衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长稳态的工作情况和a=j时完全相同tttt图4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2图4-5aj时阻感负载交流调压电路工作波形(显示放大图）4.1.1单相交流调压电路■第4章第15页4.1.1单相交流调压电路4．斩控式交流调压电路一般采用全控型器件作为开关器件工作原理基本原理和直流斩波电路有类似之处u1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a=ton/T，改变a可调节输出电压■第4章第16页4.1.1单相交流调压电路特性电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1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1RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图4-7斩控式交流调压电路(显示放大图）u1i1O图4-8uoOOttt图4-8电阻负载斩控式交流调压电路波形(显示放大图）■第4章第17页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'nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2图4-9三相交流调压电路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(显示放大图）■4.2其他交流电力控制电路第4章第18页4.1.2三相交流调压电路（自学）1．星形联结电路可分为三相三线和三相四线两种情况三相四线基本原理：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。a=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近■第4章第19页4.1.2三相交流调压电路（自学）三相三线，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，a角移相范围是0°~150°■第4章第20页4.1.2三相交流调压电路（自学）(1)0°≤a60°：三管导通与两管导通交替，每管导通180°－a。但a=0°时一直是三管导通(2)60°≤a90°：两管导通，每管导通120°(3)90°≤a150°：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°－2a图4-10c)晶闸管导通区间a)a晶闸管导通区间晶闸管导通区间b)a432353302432353302a432353302uao'uao'uao'uauauauab2uac2uab2uac2uab2uac2t1t2t3t1t2t3VT1VT3VT4VT6VT1VT6VT2VT5VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT5VT4VT2VT4VT6图4-10不同a角时负载相电压波形a)a=30°b)a=60°c)a=120°(显示放大图）■第4章第21页4.1.2三相交流调压电路（自学）典型用例——晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）a移相范围为90°~180°控制a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(StaticVarampensator—SVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动■第4章第22页负载图4-11uaiaubucnbac图4-11晶闸管控制电抗器(TCR)电路(显示放大图）a)b)c)图4-12图4-12TCR电路负载相电流和输入线电流波形a)a=120°b)a=135°c)a=160°(显示放大图）4.1.2三相交流调压电路（自学）■第4章第23页4.2其他交流电力控制电路以交流电源周波数为控制单位——交流调功电路对电路通断进行控制——交流电力电子开关■第4章第24页4.2.1交流调功电路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■第4章第25页4.2.1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■第4章第26页4.2.1交流调功电路当M=3、N=2时的电路波形如图4-13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图4-13交流调功电路典型波形(M=3、N=2)(显示放大图）■第4章第27页4.2.2交流电力电子开关晶闸管反并联后串入交流电路：作用：代替机械开关，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■第4章第28页4.2.2交流电力电子开关晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitor—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IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)图4-15TSC