电力电子技术 第4章 第4章交流电力控制电路和交变频电路

4-1引言引言4.14.1交流调压电路交流调压电路4.24.2其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路4.34.3交交变频电路交交变频电路4.44.4矩阵式变频电路矩阵式变频电路本章小结本章小结第第44章章交流电力控制电路和交交变频电路交流电力控制电路和交交变频电路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第第44章章交流电力控制电路和交交变频电路交流电力控制电路和交交变频电路交流电力控制电路只改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路。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4-34.14.1交流调压电路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4-44.14.1交流调压电路交流调压电路应用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。4-54.14.1交流调压电路交流调压电路4.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路4.1.24.1.2三相交流调压电路三相交流调压电路4-64.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形λ与a的关系：输出电压与a的关系：Ru1uoioVT1VT2ωωωωOu1uoiouVTtOtOtOt4-74.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路1电阻负载λ与α的关系：α＝0时，功率因数λ＝1，α增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低。输出电压与α的关系：移相范围为0≤α≤π。α＝0时，输出电压为最大。U0＝U1，随α的增大，U0降低，α＝π时，U0＝0。4-84.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路2阻感负载0.6Ou1uoiouVTωtOωtOωtωtOuG1uG2OOωtωt图4-2阻感负载单相交流调压电路及其波形负载阻抗角：ϕ=arctan(ωL/R)VT14-9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ϕ，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α=0时刻仍定为u1过零的时刻，阻感负载稳态时α的移相范围应为ϕ≤α≤π。4.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路2阻感负载负载阻抗角：ϕ=arctan(ωL/R)4-104.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路θ020100601401802010060/(°)180140α/(°)ϕ=90°75°60°45°30°15°0°图4-3单相交流调压电路以φ为参变量的θ和α关系曲线ωt=α时刻开通晶闸管VT1，可求得θϕθϕαϕθαtg)sin()sin(−−=−+e当α=ϕ时θ=π当αϕ时θπ以ϕ为参变量，把α和θ的关系表示成右图。4-11=90°60°1804.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路图4-4单相交流调压电路φ为参变量时IVTN和α关系曲线ϕ0.10.20.30.40.51600401208075°45°ϕ=0α/(°)IVTN负载电流有效值(4-10)IVT的标么值(4-11)12UZIIVTVTN=VTII20=4-124.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路图4-5αϕ时阻感负载交流调压电路工作波形πωtωtωtωtαα+παθOOOOu1iG1iG2ioϕiT1iT2当阻感负载,αϕ时电路工作情况－动态过程4-134.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路当阻感负载,αϕ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αϕ时，其稳态工作情况和α＝ϕ时完全相同。4-144.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路3单相交流调压电路的谐波分析电阻负载…060120180基波3次5次7次触发延迟角α/(°)In/I*/%204060801004-15由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波。基波和各次谐波有效值负载电流基波和各次谐波有效值电流基波和各次谐波标么值随α变化的曲线（基准电流为α=0时的有效值）如图4-6所示。4.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路3单相交流调压电路的谐波分析∑∞=+=,5,3,1o)sincos()(nnntnbtnatuωωω…22on21nnbaU+=RUI/onon=4-164.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7…等次谐波。随着谐波次数的增加，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。当α角相同时，随着阻抗角ϕ的增大，谐波含量有所减少。阻感负载4-174.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路4斩控式交流调压电路RLu1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V1进行斩波控制用V3给负载电流提供续流通道在交流电源u1的正半周图4-7斩控式交流调压电路一般采用全控型器件作为开关器件；工作原理与直流斩波电路相似。4-184.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路RLu1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V2进行斩波控制用V4给负载电流提供续流通道图4-7斩控式交流调压电路4斩控式交流调压电路在交流电源u1的负半周4-194.1.14.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路图4－8给出了电阻负载时斩控式交流调压电路的负载电压Uo和电源电流i1波形。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。图4-8电阻负载斩控式交流调压电路波形4-204.1.24.1.2三相交流调压电路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4-214.1.24.1.2三相交流调压电路三相交流调压电路1星形联结电路可分为三相三线和三相四线4-224.1.24.1.2三相交流调压电路三相交流调压电路三相四线基本原理：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。α=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。1星形联结电路可分为三相三线和三相四线4-234.1.24.1.2三相交流调压电路三相交流调压电路三相三线，主要分析电阻负载时4-244.1.24.1.2三相交流调压电路三相交流调压电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，为VT1~VT6,依次相差60°。相电压过零点定为α的起点，α角移相范围是0°~150°。4-254-26b)u2uaubucOωt1ωt2ωt3ωt4-27u2uaubucOωt1ωt2ωt3ωt4-28(1)0°≤α60°：三管导通与两管导通交替，每管导通180°－α。但α=0°时一直是三管导通。a)α=30°4-2960°≤α90°：两管导通，每管导通120°。(2)b)α=60°4-30(3)90°≤α150°：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°－2α。c)α=120°u2uaubucOωt1ωt2ωt3ωt4-314.1.24.1.2三相交流调压电路三相交流调压电路谐波情况电流谐波次数为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，谐波含量越大。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。4-324.1.24.1.2三相交流调压电路三相交流调压电路2支路控制三角联结电路4-33谐波情况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。线电流中所谐波次数为6k±1(k为正整数)。在相同负载和α角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。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。单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用。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。4-34典型用例——晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）4-35a)b)c)TCR电路负载相电流和输入线电流波形a)α=120°b)α=135°c)α=160°4-36典型用例——晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）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。α移相范围为90°~180°。控制α角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。4-374.24.2其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路4.2.14.2.1交流调功电路交流调功电路4.2.24.2.2交流电力电子开关交流电力电子开关4-384.2.14.2.1单相交流调功及控制电路单相交流调功及控制电路πM电源周期控制周期=M倍电源周期=2π4πMO导通段=M3πM2πMuou1uo,ioωtU12交流调功电路典型波形(M=3、N=2)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。4-394.2.24.2.2交流开关及应用交流开关及应用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。交流开关的特点–承受正压触发导通–电压过零或承受反压自然关断–响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。4-40SVD1VD2VT1VT2S一般用继电器触点实现4-41交流电子开关是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4-424.3.14.3.1单相交交变频器单相交交变频器晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，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，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。4-434.3.14.3.1单相交交变频器单相交交变频器晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，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，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。4-441)电路构成和基本工作原理单相交交变频电路原理图和输出电压波形ZPN输出电压平均输出电压OuouoαP=0αP=π2αP=π2ωt4-45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ωo。改变变流电路的控制角α，就可以改变交流输出电压的幅值。电路构成由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。变流器P和N都是相控整流电路。4-46为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对α角进行调制。在半个周期内让P组α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。