第4章交流电力控制电路和交交变频电路.pptx

1、 引言引言 4.1 交流调压电路交流调压电路 4.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路 4.3 交交变频电路交交变频电路 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 本章要点本章要点第第 4 4 章 交流电力控制电路和交交变频电章 交流电力控制电路和交交变频电路路1 本章主要讲述 交流交流-交流变流电路交流变流电路 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 通断控制第第 4 4 章 交流电力控制电路和交交变频电章 交流电力控制电路和交

2、交变频电路路2 4.1 交流调压电路交流调压电路 原理原理 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3 应用应用 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 交流调压电路交流调压电路4 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 4.1 交流调压电路交流调压电路5Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路1)电阻负载图

3、4-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形 输出电压与 输出电压与 的关系的关系:移相范围为 0 a 。a=0 时，输出电压为最大。Uo=U1,随 a 的增大，Uo 降低，a=时，Uo=0。与 与 a 的关系的关系: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。6 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 。1)阻感负载 0.6Ou1 u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1 G1uG2OOwtwt图 4-2 电阻负载单相

4、交流调压电路及其波形 负载阻抗角：j=arctan(wL/R)VT14.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路7q 020100601401802010060/()180140a/()j=9075604530150图 4-3 单相交流调压电路以a为参变量的 和a关系曲线 wt=t=a 时刻开通晶闸管VT1，可求得 （4 7）tg)sin()sin(e当 a=j 时 =当 a j 时 以j 为参变量，利用（4 7)可把a 和 的关系表示成右图。4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路8图 4-4 单相交流调压电路a为参变量时I VTN 和a关系曲线j=900.10.20.30.40.516

5、018004012080 75 6045j=0a/()IVTN负载电流有效值 (4-10)IVT 的标么值 (4-11)4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路912UZIIVTVTNVTII20图 4-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形tttt图4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT2当阻感负载,a j 时电路工作情况。图 4-2 阻感负载单相交流调压电路VT1的导通时间超过 。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。衰减过程中，VT1 导通时间渐短，VT2 的导通时间渐长。4.1.1 单相交流调压电路

6、单相交流调压电路103)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。(4-12)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 4-6 所示。,5,3,1o)sincos()(nnntnbtnatu22on21nnbaURUI/onon060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角/()In/I*/%20406080100图 4-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路11电流谐波次数和电阻负载

7、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 单相交流调压电路单相交流调压电路124)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13RL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

8、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 单相交流调压电路单相交流调压电路14 特性特性图 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。154.1.2 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16三线四相 基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相

9、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 三相交流调压电路三相交流调压电路17三相三线，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

10、，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。18(1)0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通 180a。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=304.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路1960 a 90：两管导 通，每管导通 120。(2)图 4-10 不同a角时负载相电压波形b)a=604.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路20(3)90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为 300 2 a。图 4-10 不同a角时负载相电压波形 c)a=1204.1.2 三相交流调压电路三相交

11、流调压电路21谐波情况4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路电流谐波次数为 6k1(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。222）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 三相交流调压电路三相交流调压电路由三个单相交流调压电路由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电组成，分别在不同的线电压作用下工作压作用下工作。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

12、相电流之和。23 谐波情况谐波情况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 6k1(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。24典型用例晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）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(Static Var CampensatorSVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。图 4-11 晶闸

13、管控制电抗器(TCR)电路4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路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。25图 4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路a)b)c)图 4-12 TCR 电路负载相电流和输入线电流波形 a)=120 b)=135 c)=160 4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路26仿真波形 仿真工具为 PECS 2.0（本课题组教师独立开发的仿真软件）4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路图 4-12 TCR 电路负载相电流和输入线电流波形 a)=120 b)=135 c)=160a）b）c）274.2 其他交流

14、电力控制电路其他交流电力控制电路4.2.1 交流调功电路交流调功电路4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关284.2.1 交流调功电路交流调功电路 交流调功电路与交流调压电路的异同比较相同点相同点 电路形式完全相同完全相同不同点不同点 控制方式不同不同交流调压电路在每个电源周期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。29 电阻负载时的工作情况2pNpM电源周期控制周期=M倍电源周期=2p4pMO导通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12图 4-13 交流调功电路典型波形(M=3、N=

15、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。30 谐波情况012 14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)2 4 61080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m4.2.1 交流调功电路交流调功电路图 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

16、波。而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。314.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关概念概念 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。32晶闸管投切电容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）图 4-15 TSC 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 交流电力电子开关交流电力电子开关作用对无功功率

17、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。33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 4-16 TSC 理想投切时刻原理说明4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关34TSC 电路

18、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 4-16 TSC 理想投切时刻原理说明354.3 交交变频电路交交变频电路 4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器 4.3.2 三相交交变频器三相交交变频器364.3.1 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

19、电路，属于直接变频电路。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。371)电路构成和基本工作原理图 4-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器电路构成如图 4-18，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。38ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoP=0P=2P=2t工作原理P 组工作时，负载电流io 为正正。N 组工作时，io 为负负。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

20、两组变流器的切换频率，就可改变输出频率wo。改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值。图 4-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器39ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoP=0P=2P=2t为使uo 波形接近正弦波，可按正弦规律对a 角进行调制。4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器在半个周期内让 P 组 a 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。另外半个周期可对 N组进行同样的控制。uo 由若干段电源电压拼接而成，在uo 的一个周期内，包含的

21、电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。40 2)整流与逆变工作状态图 4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器阻感负载为例，也适用于交流电动机负载。把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo 的脉动分量，就可把电路等效成图 4-19a 所示的正弦波交流电源和二极管的串联。41a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP设负载阻抗角为j，则输出电流滞后输出电压j 角。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流

22、电路的触发脉冲。图 4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器42a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP工作状态图 4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态图 4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器t1t3 期间：io 正半周，正组工作，反组被封锁。t1 t2：uo 和io 均为正，正组整流，输出功率为正。t2 t3：uo 反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负。43a)整

23、流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiPt3 t5 期间：io 负半周，反组工作，正组被封锁。t3 t4：uo 和io 均为负，反组整流，输出功率为正。t4 t5：uo 反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负。图 4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器小结小结：哪一组工作由io 方向决定，与uo 极性无关。工作在整流还是逆变，则根据uo 方向与io 方向是否相同确定。44a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OO

24、OOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP 当uo和io的相位差小于 90 时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态。当二者相位差大于 90 时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。考虑无环流工作方式下 io过零的死区时间，一周期可分为 6 段。1OO23456图4-20uoiott图 4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形第 1 段 io 0，反组逆变第 2 段 电流过零，为无环流死区第 3 段 io 0，uo 0，正组整流 第 4 段 io 0，uo 0，正组逆变 第 5 段

25、 又是无环流死区 第 6 段 io 0，uo 0，为反组整流 4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器453)输出正弦波电压的调制方法 介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法。设Ud0 为a=0时整流电路的理想空载电压，则有 (4-15)每次控制时a角不同，表示每次控制间隔内uo 的平均值。cosd0oUu图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4tt图 4-21 余弦交点法原理4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器460u设期望的正弦波输出电压为 (4-16）比较式(4-15)和(4-16)，应使 (4-17)g g 称为输出电压比：ttUUood0om

26、sinsincostUuoomosin图 4-21 余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4tt4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器47)10(0domUU)sin(coso1t图 4-21 余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4tt4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器余弦交点法基本公式 (4-18)余弦交点法图解线电压uab、uac、ubc、uba、uca 和ucb 依次用u1 u6 表示。相邻两个线电压的交点对应于a=0。48u1u6 所对应的同步信号分别用us1us6

27、表示us1us6 比相应的u1u6 超前 30，us1us6 的最大值和相应线电压a =0 的时刻对应。以a=0 为零时刻，则us1us6 为余弦信号。希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6 的下降段和uo的交点来决定。图 4-21 余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4tt4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器49不同g g 时，在uo 一周期内，a 随 w ot 变化的情况。图中，g g 较小，即输出电压较低时，a只在离 90 很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低。=0=0.1相位控制角/()输出

28、相位 0 t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223图 4-22 不同g g 时a和wot的关系4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器50)sin(sin2)sin(coso1o1tt4)输入输出特性4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器(1)输出上限频率 输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。当采用 6 脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率

29、的 1/31/2。电网频率为 50Hz 时，交交变频电路的输出上限频率约为 20Hz。51图 4-23 单相交交变频电路的功率因数(2)输入功率因数4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。一周期内，a角以 90 为中心变化。输出电压比g g 越小，半周期内a的平均值越靠近 90。负载功率因数越低，输入功率因数也越低。不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后。0.8 0.60.4 0.20输入位移因数负载功率因数 滞后负载功率因数 图4-2301.00.80.60.40.200.80.60.40.2负载功率因数（超前）负载功率因

30、数（滞后）输入位移因数52(3)输出电压谐波输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率f fi i 以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率f fo o 有关。采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为6fifo，6fi3fo，6fi5fo，12fifo，12fi3fo，12fi5fo，采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将增加 5fo、7fo 等次谐波。4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器53(4)输入电流谐波输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制。采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率 (4-19)和 (4-20)式中，k=1,2

31、,3,；l=0,1,2,。oiin216lffkfoiin2kfff4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器544.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路 由三组输出电压相位各差 120 的单相交交变频电路组成。1)电路接线方式公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式输出星形联结方式输出星形联结方式交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路。55(1)公共交流母线进线方式图 4-24 公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开 120 的单相交交变频电路构成。电源进线通过进线电抗器接在

32、公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开。主要用于中等。容量的交流调速系统。56(2)输出星形联结方式 三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可图 4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结。电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路57图 4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔

33、离，因此分别用三个变压器供电。由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路58图 4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通。两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路592)输入输出特性输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的。输入电流总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到。有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低。200t/ms输出电压单相输出时 U相输入电流三相输出时 U相输入电流200t/ms200t/ms图 4-26 交交变频电路的输入电流波形4.3.2 三相