第4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电力电子技术概述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）交流调功电路及交流无触点开关——通断控制变频电路——改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的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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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、频率和相数等电力电子技术4.1交流调压电路交流电力控制电路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——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电力电子技术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电力电子技术4.1.1单相交流调压电路工作原理：–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t1．电阻负载电力电子技术RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt数量关系2sin21dsin21121oUttUU负载电压有效值RUIoo负载电流有效值)22sin1(21sin221121RUtdRtUIT晶闸管电流有效值2sin211oo1ooUUIUIUSP功率因数电力电子技术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降低电力电子技术阻感负载时a的移相范围负载阻抗角：j=arctan(wL/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≤πRL0.6图4-2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt2．阻感负载电力电子技术阻感负载时的工作过程分析0sin2ddo1ootitURitiL负载电流方程22)(LRZjjjtetZUittg1o)sin()sin(2解方程得jjjtg)sin()sin(e利用边界条件：ωt=a+θ时io=0,可求得θ电力电子技术0201006014018020100图4-360/(°)180140/(°)j=90°75°60°45°30°15°0°jjjtg)sin()sin(e利用边界条件：ωt=a+θ时io=0,可求得θ电力电子技术数量关系)22sin(2sin1)()sin2(1121oUtdtUU负载电压有效值jjcos)2cos(sin21ZUjjj)d()sin()sin(2212tg1VTtetZUIt晶闸管电流有效值负载电流有效值To2II电力电子技术图4-4j=90°0.10.20.30.40.51601800401208075°60°45°j=0/(°)IVTN单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线1TTN2UZIIIVT的标么值电力电子技术j时的工作情况tttt图4-5OOOOu1iG1iG2iojiT1iT2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=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、指数衰减分量电力电子技术,5,3,1o)sincos()(nnntnbtnatu)12(cos2211Ua)(22sin2211Ub3．单相交流调压电路的谐波分析电阻负载的情况1)1cos(111)1cos(1121nnnnUan)1sin(11)1sin(1121nnnnUbn(n=3,5,7,…)电力电子技术060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角/(°)In/I*/%2040608010022on21nnbaU基波和各次谐波有效值(n=1,3,5,7,…)RUI/onon负载电流基波和各次谐波有效值电力电子技术阻感负载的情况电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7…等次谐波随着次数的增加，谐波含量减少和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些角相同时，随着阻抗角j的增大，谐波含量有所减少电力电子技术4．斩控式交流调压电路RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3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可调节输出电压电力电子技术u1i1O图4-8uoOOttt斩控式交流调压电路特性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1电力电子技术n负载acn'负载abca)b)负载abcc)负载bd)图4-9abcuaubuciaUa0'nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT24.1.2三相交流调压电路联结形式a）星形联结b）控制线路三角形联结c）支路控制三角形联结d）中点控制三角形联结电力电子技术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电力电子技术三相三线电阻负载时的工作原理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°电力电子技术(1)0°≤60°：三管导通与两管导通交替，每管导通180°－。但=0°时一直是三管导通(2)60°≤90°：两管导通，每管导通120°(3)90°≤150°：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°－2图4-10c)晶闸管导通区间a)晶闸管导通区间晶闸管导通区间b)432353302432353302432353302uao'uao'uao'uauauauab2uac2uab2uac2uab2uac2t1t2t3t1t2t3VT1VT3VT4VT6VT1VT6VT2VT5VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT5VT4VT2VT4VT6电力电子技术电流谐波次数为6k±1(k=1，2，3，…)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同谐波次数越低，含量越大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谐波情况电力电子技术2．支路控制三角联结电路由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作用下工作（1）单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用（2）输入线电流（即电源电流）为与该线相连的两个负载相电流之和谐波情况（1）3倍次谐波相位和大小相同，在三角形回路中流动，而不出现在线电流中（2）线电流中所谐波次数为6k±1(k为正整数)（3）在相同负载和a角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路电力电子技术典型用例——晶闸管控制电抗器（1）移相范围为90°-180°（2）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（3）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，用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变负载图4-11uaiaubucnbaca)b)c)图4-12电力电子技术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——交流电力电子开关电力电子技术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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4.2.1交流调功电路电力电子技术电阻负载时的工作情况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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当M=3、N=2时的电路波形下图负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为M倍电源周期电力电子技术01214谐波次数相对于电源频率的次数图4-142461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m谐波情况图4-14的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值，Io为导通时电路电流幅值以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大电力电子技术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电力电子技术IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)晶闸管投切电容器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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a）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b），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电力电子技术选择晶闸管投入时刻的原则：该