第4章交流电力控制电路和交交

中南大学4-1引言4.1交流调压电路4.2其他交流电力控制电路4.3交交变频电路4.4矩阵式变频电路本章要点第4章交流电力控制电路和交交变频电路中南大学4-2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变频电路改变频率的电路交交变频直接交直交变频间接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。交流调压电路相位控制交流调功电路通断控制第4章交流电力控制电路和交交变频电路中南大学4-34.1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。电路图中南大学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。4.1交流调压电路中南大学4-54.1.1单相交流调压电路4.1.2三相交流调压电路4.1交流调压电路中南大学4-6Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt4.1.1单相交流调压电路1)电阻负载图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形输出电压与α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。特点：滞后控制中南大学4-7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。a=0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j≤a≤π。2)阻感负载0.6Ou1u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1G1uG2OOwtwt图4-2电阻负载单相交流调压电路及其波形负载阻抗角：j=arctan(wL/R)VT14.1.1单相交流调压电路中南大学4-8q020100601401802010060/(°)180140a/(°)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wt=a时刻开通晶闸管VT1，可求得θ（6－7）jqjajqatg)sin()sin(e当a=j时θ=π当aj时θπ以j为参变量，利用（6－7)可把a和θ的关系表示成右图。4.1.1单相交流调压电路中南大学4-9图带电感性负载单相交流调压电路波形负载电流波形如图6.3.1单相交流调压电路中南大学4-10图6-5aj时阻感负载交流调压电路工作波形wtwtwtwt图4-5aaaqOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2当阻感负载,aj时，1）窄脉冲触发工作情况如图6-4所示。2）宽脉冲触发工作情况如图6-5所示。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。6.3.1单相交流调压电路中南大学4-11wtwtwtwtaaaqOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2中南大学4-123)单相交流调压电路的谐波分析电阻负载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(4-13)负载电流基波和各次谐波有效值(4-14)电流基波和各次谐波标么值随a变化的曲线（基准电流为a=0时的有效值）如图6-6所示。,5,3,1o)sincos()(nnntnbtnatuwww22on21nnbaURUI/onon060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角a/(°)In/I*/%20406080100图6-6电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量4.1.1单相交流调压电路中南大学4-13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。当a角相同时，随着阻抗角j的增大，谐波含量有所减少。阻感负载4.1.1单相交流调压电路中南大学4-144)斩控式交流调压电路在交流电源u1的正半周RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图4-7斩控式交流调压电路4.1.1单相交流调压电路用V1进行斩波控制用V3给负载电流提供续流通道中南大学4-15RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3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4.1.1单相交流调压电路中南大学4-16特性图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。中南大学4-174.1.2三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中南大学4-18三线四相基本原理：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。1)星形联结电路可分为三线三相和三线四相图4-9三相交流调压电路a)星形联结4.1.2三相交流调压电路中南大学4-19三相三线，主要分析阻负载时的情况图4-9三相交流调压电路a)星形联结4.1.2三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a的起点，a角移相范围是0°~150°。中南大学4-20(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。图4-10不同a角时负载相电压波形a)a=30°4.1.2三相交流调压电路中南大学4-2160°≤a90°：两管导通，每管导通120°。(2)图4-10不同a角时负载相电压波形b)a=60°4.1.2三相交流调压电路中南大学4-22(3)90°≤a150°：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°－2a。图4-10不同a角时负载相电压波形c)a=120°4.1.2三相交流调压电路中南大学4-23谐波情况4.1.2三相交流调压电路电流谐波次数为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。中南大学4-242）支路控制三角联结电路图4－9三相交流调压电路c)支路控制三角形联结4.1.2三相交流调压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。中南大学4-25谐波情况c)支路控制三角形联结图4－9三相交流调压电路4.1.2三相交流调压电路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a角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。中南大学4-26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。图6-11晶闸管控制电抗器(TCR)电路4.1.2三相交流调压电路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。中南大学4-27图4-11晶闸管控制电抗器(TCR)电路a)b)c)图4-12TCR电路负载相电流和输入线电流波形a)α=120b)α=135°c)α=160°4.1.2三相交流调压电路中南大学4-28仿真波形仿真工具为PECS2.04.1.2三相交流调压电路图4-12TCR电路负载相电流和输入线电流波形a)α=120°b)α=135°c)α=160°a）b）c）中南大学4-294.2其他交流电力控制电路4.2.1交流调功电路4.2.2交流电力电子开关中南大学4-304.2.1交流调功电路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,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。中南大学4-31电阻负载时的工作情况2NM电源周期控制周期=M倍电源周期=24MO导通段=M3M2Muou1uo,iowtU12图4-13交流调功电路典型波形(M=3、N=2)图4－1电阻负载单相交流调压电路4.2.1交流调功电路控制周期为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。中南大学4-32谐波情况01214谐波次数相对于电源频率的倍数图4-14交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m4.2.1交流调功电路图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。中南大学4-334.2.2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。中南大学4-34晶闸管投切电容（ThyristorSwitched——Capacitor——TSC）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。结构和原理晶闸管反并联后串入交流电路。实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。中南大学4-35晶闸管的投切选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流。理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图4-16TSC理想投切时刻原理说明4.2.2交流电力电子开关中南大学4-36TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式4.2.2交流电力电子开关由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值。成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图4-16TSC理想投切时刻原理说明中南大学4-374.3交交变频电路4.3.1单相交交变频器4.3.2三相交交变频器中南大学4-384.3.1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。中南大学4-391)电路构成和基本工作原理ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoaP=0aP=2aP