第6章交流電力控制電路和交交變頻電路

ACtoACConverters

(ACControllersand

FrequencyConverters)

1交流調(diào)壓電路其它交流電力控制電路交交變頻電路本章主要內(nèi)容2把一種形式的交流變成另一種形式的交流的電路，可改變相關(guān)的電壓，電流，頻率和相數(shù)變頻電路改變頻率的電路交交變頻直接交直交變頻間接交流電力控制電路只改變電壓,電流或控制電路的通斷,而不改變頻率的電路交流調(diào)壓電路相位控制ACvoltagecontrollerPhasecontrol交流調(diào)功電路通斷控制ACpowercontrollerIntegralcyclecontrolACtoACConverters3原理Principle

兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)對(duì)晶閘管的控制就可控制交流電力，不改變交流電頻率

電路圖應(yīng)用Application燈光控制Lightingcontrol（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)Soft-startofasynchronousmotors異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速Adjustablespeeddriveofasynchronousmotors供用電系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)Reactivepowercontrol在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓ACVoltageControllers交流調(diào)壓電路5電阻負(fù)載Resistiveload電路結(jié)構(gòu)：兩個(gè)晶閘管可用一雙向可控硅代替

時(shí)刻為電源電壓過(guò)零時(shí)刻在交流電源的正負(fù)半周，分別控制兩個(gè)晶閘管開通，正負(fù)半周觸發(fā)角相等負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分uSingle-phaseACvoltagecontroller6u電阻負(fù)載ResistiveloadSingle-phaseACvoltagecontrolleru移相范圍(Thephaseshiftrange)為

負(fù)載電壓有效值RMSvalueofoutputvoltage

負(fù)載電流有效值RMSvalueofoutputcurrent

7u電阻負(fù)載Resistiveload輸出電壓與α的關(guān)系:

時(shí)，輸出電壓為最大

Uo=U1,隨a

的增大，Uo降低，a

=π時(shí)，Uo=0功率因數(shù)λ與a的關(guān)系:a=0時(shí)，功率因數(shù)λ=1，a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，λ降低Single-phaseACvoltagecontrolleru電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形9若將晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為

，當(dāng)用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后

a

=0時(shí)刻仍定為u1過(guò)零的時(shí)刻，a的移相范圍應(yīng)為阻感負(fù)載Inductiveloadu1uO1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1

G1uG2OOwtwt阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形負(fù)載阻抗角：VT1Single-phaseACvoltagecontroller10時(shí)刻開通晶閘管VT1，負(fù)載電流應(yīng)滿足當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)Single-phaseACvoltagecontroller利用邊界條件時(shí)可求得θ

11單相交流調(diào)壓電路a為參變量時(shí)IVTN和a關(guān)系曲線j

=90°0.10.20.30.40.51601800401208075°60°45°j

=0a/(°)IVTN負(fù)載電流有效值IVT的標(biāo)么值Single-phaseACvoltagecontroller13穩(wěn)態(tài)情況和一樣

時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形當(dāng)阻感負(fù)載,

時(shí)電路工作情況圖4-2阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路VT1的導(dǎo)通時(shí)間超過(guò)π觸發(fā)VT2時(shí)，

io尚未過(guò)零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不會(huì)導(dǎo)通。io過(guò)零后，VT2才可開通，VT2導(dǎo)通角小于π衰減過(guò)程中，VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短，VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長(zhǎng)Single-phaseACvoltagecontroller14諧波分析Harmonicanalysis

電阻負(fù)載Resistiveload由于波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以不含直流分量和偶次諧波基波和各次諧波有效值負(fù)載電流基波和各次諧波有效值

圖4-6電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量Single-phaseACvoltagecontroller15斬控式交流調(diào)壓電路圖4-7斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的正半周用V1進(jìn)行斬波控制用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道單相交流調(diào)壓電路17斬控式交流調(diào)壓電路圖4-7斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的負(fù)半周用V2進(jìn)行斬波控制用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道單相交流調(diào)壓電路18特性圖4-8電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)為1電源電流不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波功率因數(shù)接近1單相交流調(diào)壓電路19三相四線基本原理：相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開120°工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動(dòng)，不流過(guò)零線問(wèn)題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過(guò)零線。零線有很大3倍次諧波電流。a=90°時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近，在選擇線徑和變壓器時(shí)一定要注意星形聯(lián)結(jié)電路

可分為三相三線和三相四線圖4-9三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓電路21三相三線，電阻負(fù)載圖4-9三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)任一相導(dǎo)通需和另一相構(gòu)成回路電流通路中至少有兩個(gè)晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為

VT1-VT6,依次相差60°相電壓過(guò)零點(diǎn)定為a的起點(diǎn)，a角移相范圍是

0°-150°，與三相全控橋式整流電路不同三相交流調(diào)壓電路22三相三線，電阻負(fù)載圖4-9三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)三相電壓控制器中，觸發(fā)角改變，電路有兩種不同的工作狀態(tài)第一類工作狀態(tài)：三相同時(shí)工作狀態(tài)，即同一時(shí)刻，每相有一個(gè)晶閘管導(dǎo)電，任一時(shí)刻同時(shí)有三個(gè)管子導(dǎo)電第二類工作狀態(tài)：兩相同時(shí)工作狀態(tài)，既同一時(shí)刻，僅兩相各有一個(gè)管子導(dǎo)電，第三相的兩個(gè)管子都不導(dǎo)電三相交流調(diào)壓電路23任何時(shí)刻每相有一個(gè)管子導(dǎo)通，三相電壓直接接到三相電阻，電壓電流及管子導(dǎo)電都是三相對(duì)稱，電源電壓中性點(diǎn)與負(fù)載電壓中性點(diǎn)等電位三相交流調(diào)壓電路250°≤a<60°：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180°－a

圖4-10不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形a)a=30°三相交流調(diào)壓電路26諧波情況電流諧波次數(shù)為6k±1(k=1，2，3，…)，和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流所含諧波的次數(shù)完全相同諧波次數(shù)越低，含量越大和單相交流調(diào)壓電路相比，沒(méi)有3倍次諧波，因三相對(duì)稱時(shí)，它們不能流過(guò)三相三線電路三相交流調(diào)壓電路29支路控制三角聯(lián)結(jié)電路

圖4－9三相交流調(diào)壓電路c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適用輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個(gè)負(fù)載相電流之和三相交流調(diào)壓電路30諧波情況c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)圖4－9三相交流調(diào)壓電路

3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動(dòng)，而不出現(xiàn)在線電流中線電流中所含諧波次數(shù)為6k±1(k為正整數(shù))

在相同負(fù)載和a角時(shí)，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路三相交流調(diào)壓電路31典型用例——晶閘管控制電抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，稱為靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(StaticVar

Campensator—SVC），用來(lái)對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以補(bǔ)償電壓波動(dòng)或閃變圖4-11晶閘管控制電抗器(TCR)電路a移相范圍為90°~180°控制a角可連續(xù)調(diào)節(jié)流過(guò)電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)無(wú)功功率三相交流調(diào)壓電路32圖4-11晶閘管控制電抗器(TCR)電路a)b)c)圖4-12TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形a)α=120°b)α=135°c)α=160°

三相交流調(diào)壓電路33交流調(diào)功電路ACpowercontroller交流電力電子開關(guān)ElectronicACswitch其他交流調(diào)壓電路34交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點(diǎn)電路形式完全相同不同點(diǎn)控制方式不同交流調(diào)壓電路在每個(gè)電源周期都對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期,再斷開幾個(gè)周期,通過(guò)通斷周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率交流調(diào)功電路35電阻負(fù)載時(shí)的工作情況圖4-13交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)圖4－1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后M－N個(gè)周期關(guān)斷負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期交流調(diào)功電路36諧波情況圖4-14交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)右圖為頻譜圖（以控制周期為基準(zhǔn)）。In為n次諧波有效值，Io為導(dǎo)通時(shí)電路電流幅值以電源周期為基準(zhǔn)，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大交流調(diào)功電路37概念把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用優(yōu)點(diǎn)

響應(yīng)速度快，無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可頻繁控制通斷與交流調(diào)功電路的區(qū)別不控制電路的平均輸出功率通常沒(méi)有明確的控制周期，只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多交流電力電子開關(guān)38晶閘管投切電容（ThyristorSwitched——Capacitor——TSC）圖4-15TSC基本原理圖a)基本單元單相簡(jiǎn)圖b)分組投切單相簡(jiǎn)圖作用對(duì)無(wú)功功率控制，可提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量性能優(yōu)于機(jī)械開關(guān)投切的電容器結(jié)構(gòu)和原理晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)交流電力電子開關(guān)39晶閘管的投切選擇晶閘管投入時(shí)刻的原則：該時(shí)刻交流電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，電容投入過(guò)程不但沒(méi)有沖擊電流，電流也沒(méi)有階躍變化圖4-16TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明交流電力電子開關(guān)40TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式由于二極管的作用，在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值成本稍低，但響應(yīng)速度稍慢，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波圖4-16TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明交流電力電子開關(guān)41單相交交變頻器三相交交變頻器交交變頻電路42晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)

把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，屬于直接變頻電路廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相輸出交交變頻電路單相交交變頻電路43電路構(gòu)成和基本工作原理圖4-18單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形電路構(gòu)成由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速用的四象限變流電路完全相同變流器P和N都是相控整流電路單相交交變頻電路44工作原理P組工作時(shí)，負(fù)載電流io為正N組工作時(shí)，io為負(fù)兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率w改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值圖4-18單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形單相交交變頻電路45為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對(duì)a角進(jìn)行調(diào)制在半個(gè)周期內(nèi)讓P組a

角按正弦規(guī)律從90°減到0°或某個(gè)值，再增加到90°，每個(gè)控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零。另外半個(gè)周期可對(duì)N組進(jìn)行同樣的控制uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個(gè)周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波單相交交變頻電路46

整流與逆變工作狀態(tài)圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)阻感負(fù)載為例，也適用于交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時(shí)