1、4- 1,引言 4.1 交流調(diào)壓電路 4.2 其他交流電力控制電路 4.3 交交變頻電路 4.4 矩陣式變頻電路 本章要點(diǎn),第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路,4- 2,本章主要講述 交流-交流變流電路 把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路,第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路,4- 3,4.1 交流調(diào)壓電路,原理 兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，在電源的每半個(gè)周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制來調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。,電路圖,4- 4,應(yīng)用 1 燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制)。 2 異步電動機(jī)軟起動。 3 異步電動機(jī)調(diào)速。 4 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 5 在高壓小

2、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。,4.1 交流調(diào)壓電路,4- 5,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,一. 電阻負(fù)載,在交流電源u1的正半周和負(fù)半周分別對VT1、VT2的開通角a 進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。 開通角a 的起始時(shí)刻均為電壓過零點(diǎn)。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，正負(fù)半周a 相等。,4- 6,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,負(fù)載上交流電壓有效值U與控制角a 的關(guān)系為,輸出電流有效值：,電路功率因數(shù)：,電路的移相范圍為0 。,4- 7,若晶閘管短接，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j ，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過零的時(shí)刻

3、，a 的移相范圍應(yīng)為j a 。,二. 阻感負(fù)載,圖4-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,負(fù)載阻抗角： j = arctan(wL / R),VT1,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,4- 8,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,VT1,圖4-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,1. 當(dāng)阻感負(fù)載, j a 時(shí)電路工作情況。,u1正半周，VT1導(dǎo)通,導(dǎo)通角 。 u1負(fù)半周，VT2導(dǎo)通,導(dǎo)通角 。,4- 9,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,4- 10,圖4-5 aj時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形,2. 當(dāng)阻感負(fù)載, a j 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 。 觸

4、發(fā)VT2時(shí)， io 尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不會導(dǎo)通。io過零后，VT2才可開通，VT2導(dǎo)通角小于。 衰減過程中， VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短， VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長。,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,4- 11,三. 斬控式交流調(diào)壓電路,在交流電源u1的正半周,圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,用V1進(jìn)行斬波控制,用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道,4- 12,特性,圖4-8 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,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。,4- 1

5、3,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式,4- 14,1. 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。基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線。 缺點(diǎn)：三相中3倍次諧波同相位，全部流過零線。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。,一. 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),4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,4- 15,2. 三相三線 主要分析電阻負(fù)載：,圖4-9 三相交流調(diào)壓電路 a) 星形聯(lián)結(jié),4.1.2 三相交流調(diào)壓電

6、路,任一相導(dǎo)通須和另一相構(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。 相電壓過零點(diǎn)定為a 的起點(diǎn)， a角移相范圍是0 150。,4- 16,(1) 0 a 60：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180a 。但a =0時(shí)一直是三管導(dǎo)通。,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,60 a 90：任一時(shí)刻兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120,(2),(3) 90 a 150：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為3002 a。,0150導(dǎo)通情況：,4- 17,諧波情況,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,和單相交流調(diào)壓電路相比，沒有

7、3倍次諧波，因三相對稱時(shí)，它們不能流過三相三線電路。 電流諧波次數(shù)為6k1(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。,4- 18,二. 支路控制三角形聯(lián)結(jié)電路,圖49三相交流調(diào)壓電路,c)支路控制三角形聯(lián)結(jié),4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,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。,4- 19,諧波情況,c)支路控制三角形聯(lián)結(jié),圖49三相交流調(diào)壓電路,4.1.2 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

8、路中流動，而不出現(xiàn)在線電流中。 線電流中所諧波次數(shù)為6k1(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。,4- 20,三. 典型用例晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）,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)無功功率，稱為靜止無功補(bǔ)償裝置(Static Var CampensatorSVC），用來對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，以補(bǔ)償電壓波動或閃變。,圖4-11 晶閘管控制電抗器(TCR)電路,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,a 移相范圍為90 180。 控制a 角可連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)無功功率。,4

9、- 21,4.2.1 交流調(diào)功電路,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,通過通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。,4- 22,1. 電阻負(fù)載時(shí)的工作情況,2,p,N,圖41電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路,4.2.1 交流調(diào)功電路,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MN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。,4- 23,2. 諧波情況,0,12,14,相對于控制周期諧波的次數(shù),相對

10、于電源頻率諧波的次數(shù),圖4-14交流調(diào)功電路的 電流頻譜圖(M =3、N =2),2,4,6,10,8,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,0,5,1,2,3,4,I,n,/,I,0,4.2.1 交流調(diào)功電路,圖4-14的頻譜圖（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。 而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。,4- 24,4.2.2 交流電力電子開關(guān),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，無觸點(diǎn)，壽命長，

11、可頻繁控制通斷。,與交流調(diào)功電路的區(qū)別,并不控制電路的平均輸出功率。 通常沒有明確的控制周期，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。,4- 25,應(yīng)用：晶閘管投切電容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）,圖4-15 TSC基本原理圖 a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖,4.2.2 交流電力電子開關(guān),作用 對無功功率控制，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)。,4- 26,晶閘管的投切 選擇晶閘管投入時(shí)

12、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產(chǎn)生躍變，就不會產(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，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。,u,圖4-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說明,4.2.2 交流電力電子開關(guān),4- 27,4.3 交交變頻電路,4.3.1 單相交交變頻器 4.3.2 三相交交變頻器,4- 28,4.3.1 單相交交變頻器,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機(jī)調(diào)速傳

13、動系統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。,4- 29,一. 電路構(gòu)成和基本工作原理,4.3.1 單相交交變頻器,1.電路構(gòu)成 如圖，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成。 變流器P組和N組都是相控變流電路。,4- 30,2.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wo 。 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。,4.3.1 單相交交變頻器,4- 31,4.3.1 單相交交變頻器,3.為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a 角進(jìn)行調(diào)制。,在半個(gè)

14、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。,輸出電壓,平均輸出電壓,O,u,o,a,P,=0,a,P,=,p,2,a,P,=,p,2,w,t,4- 32,二. 整流與逆變工作狀態(tài),4.3.1 單相交交變頻器,阻感負(fù)載為例，也適用于交流電動機(jī)負(fù)載。 把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時(shí)uo的脈動分量，就可把電路等效成右圖所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。,4- 33,設(shè)負(fù)

15、載阻抗角為j ，則輸出電流滯后輸出電壓j 角。 兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式，即一組變流電路工作時(shí)，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。,4.3.1 單相交交變頻器,4- 34,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),4.3.1 單相交交變頻器,t1t3期間：io正半周，正組工作，反組被封鎖。 t1 t2： uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正。 t2 t3 ： uo反向， io仍為正，正組逆變，輸出功率為負(fù)。,4- 35,t3 t5期間： io負(fù)半周，反組工作，正組被封鎖。 t3 t4 ：uo和io均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正。 t4 t5 ： uo反向， io仍為負(fù)

16、，反組逆變，輸出功率為負(fù)。,圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài),4.3.1 單相交交變頻器,小結(jié)： 哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關(guān)。 工作在整流還是逆變，則根據(jù)uo方向與io方向是否相同確定。,4- 36,考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時(shí)間，一周期可分為6段。,圖4-20 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形,第1段 io 0，反組逆變,第2段 電流過零，為無環(huán)流死區(qū),第3段 io 0， uo 0，正組整流,第4段 io 0， uo 0，正組逆變,第5段 又是無環(huán)流死區(qū),第6段 io 0， uo 0，為反組整流,4.3.1 單相交交變頻器,4- 37,三. 輸入輸出

17、特性,4.3.1 單相交交變頻器,1. 輸出上限頻率 輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重。 電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。 就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系而言，很難確定一個(gè)明確的界限。 當(dāng)采用6脈波三相橋式電路時(shí)，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/31/2。電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。,4- 38,2. 輸入功率因數(shù),4.3.1 單相交交變頻器,輸入電流相位滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率。 一周期內(nèi)， a角以90為中心變化。 輸出電壓越小，半周期內(nèi)a的平均值越靠近90，功率因數(shù)越

18、低。 負(fù)載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。 不論負(fù)載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，輸入的無功電流總是滯后。,4- 39,3. 輸出電壓諧波 輸出電壓的諧波頻譜非常復(fù)雜，既和電網(wǎng)頻率fi以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān)，也和輸出頻率fo有關(guān)。 采用三相橋時(shí)，輸出電壓所含主要諧波的頻率為 6fifo，6fi3fo，6fi5fo， 12fifo，12fi3fo，12fi5fo， 采用無環(huán)流控制方式時(shí)，由于電流方向改變時(shí)死區(qū)的影響，將增加5fo、7fo等次諧波。,4.3.1 單相交交變頻器,4- 40,4. 輸入電流諧波 輸入電流波形和可控整流電路的輸入波形類似，但其幅值和相位均按正弦規(guī)律被調(diào)制。 采用三相橋

19、式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率 (4-19) 和 (4-20) 式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。,4.3.1 單相交交變頻器,4- 41,4.3.2 三相交交變頻電路,由三組輸出電壓相位各差120的單相交交變頻電路組成。,交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路。,4- 42,一公共交流母線進(jìn)線方式,圖4-24 公共交流母線進(jìn)線三相交交變頻電路（簡圖）,4.3.2 三相交交變頻電路,由三組彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位相互錯(cuò)開120的單相交交變頻電路構(gòu)成。 電源進(jìn)線通過進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上。 因?yàn)殡娫催M(jìn)線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此

20、，交流電動機(jī)的三個(gè)繞組必須拆開。 主要用于中等。容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。,4- 43,(2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式 三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié) 電動機(jī)中點(diǎn)不和變頻器中點(diǎn)接在一起，電動機(jī)只引出三根線即可,圖4-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路 a）簡圖 b）詳圖,三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié)。 電動機(jī)中點(diǎn)不和變頻器中點(diǎn)接在一起，電動機(jī)只引出三根線即可。,4.3.2 三相交交變頻電路,4- 44,圖4-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路 a）簡圖 b）詳圖,因?yàn)槿M的輸出聯(lián)接在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此分別用三個(gè)變壓器供電。 由于輸出端中點(diǎn)不

21、和負(fù)載中點(diǎn)相聯(lián)接，所以在構(gòu)成三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中的四個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流。,4.3.2 三相交交變頻電路,4- 45,交交變頻和交直交變頻的比較 8.1節(jié)中介紹間接變頻電路，先把交流變換成直流，再把直流逆變成可變頻率的交流，稱交直交變頻電路。 交交變頻電路的優(yōu)點(diǎn)： 交交變頻電路的缺點(diǎn)： 接線復(fù)雜，采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管。 受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低。 輸入功率因數(shù)較低。 輸入電流諧波含量大，頻譜復(fù)雜。,效率較高（一次變流） 可方便地實(shí)現(xiàn)四象限工作 低頻輸出波形接近正弦波,4.3.2 三相交

22、交變頻電路,4- 46,應(yīng)用 主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中。目前已在軋機(jī)主傳動裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等場合應(yīng)用。 既可用于異步電動機(jī)，也可用于同步電動機(jī)傳動。,4.3.2 三相交交變頻電路,4- 47,4.4 矩陣式變頻器,簡介： 是近年出現(xiàn)的一種新穎的變頻電路。 是直接變頻電路 ，采用的開關(guān)器件是全控型。 控制方式是斬波控制。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： 三相輸入電壓為ua、 ub和uc 三相輸出電壓為uu、 uv和uw,圖4-28 矩陣式變頻器,4- 48,9個(gè)開關(guān)器件組成33矩陣，因此該電路被稱為矩陣式變頻電路(Matrix Converter

23、MC)或矩陣變換器。 圖中每個(gè)開關(guān)都是矩陣中的一個(gè)元素，采用雙向可控開關(guān)，圖4-28b給出了應(yīng)用較多的一種開關(guān)單元。,圖4-28 矩陣式變頻器,4.4 矩陣式變頻器,4- 49,優(yōu)點(diǎn) 輸出電壓為正弦波。 輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制。 輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相。 功率因數(shù)為1，也可控制為需要的功率因數(shù)。 能量可雙向流動，適用于交流電動機(jī)的四象限運(yùn)行。 不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻，效率較高。,4.4 矩陣式變頻器,4- 50,矩陣式變頻電路的基本工作原理,單相輸入 對單相交流電壓us進(jìn)行斬波控制，即進(jìn)行PWM控制時(shí)，輸出電壓uo為 (4-24) 式中，Tc開關(guān)周期；ton 一個(gè)開

24、關(guān)周期內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間； 占空比。,圖4-29 構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分 a)單相輸入 b) 三相輸入構(gòu)造輸出相電壓 c) 三相輸出構(gòu)造輸出線電壓,4.4 矩陣式變頻器,4- 51,不同的開關(guān)周期中采用不同的 ，可得到與us頻率和波形都不同的uo 。 由于單相交流us波形為正弦波，可利用的輸入電壓部分只有如圖4-29a所示的單相電壓陰影部分，因此uo將受到很大的局限，無法得到所需輸出波形。,a),b),c),U,m,U,1m,U,2,3,U,m,1,2,圖4-29 構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分 a)單相輸入 b) 三相輸入構(gòu)造輸出相電壓 c) 三相輸出構(gòu)造輸出線電壓,4.4 矩陣式變頻器,利用三相相電壓 把輸入改為三相，就可利用圖4-29b所示的三相相電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分。,4- 52,理論上所構(gòu)造的uu的頻率可不受限制。 但如uu必須為正弦波，則其最大幅值僅為輸入相電壓ua幅值的0.5倍。,a),b),c),U,m,U,1m,U,2,3,U,m,1,2,圖