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1、 电力电子技术 第四版 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 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 第4章交流电力控制电路和交交变频电路 3 4 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 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 5 4 1 1单
2、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 6 4 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 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a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 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 1 阻感负载 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 arc
3、tan wL R VT1 4 1 1单相交流调压电路 8 q 0 20 100 60 140 180 20 100 60 180 140 a j 90 75 60 45 30 15 0 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 a时刻开通晶闸管VT1 可求得 4 7 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 9 图4 4单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线 j 90 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 160 180 0 40 120 80 75 60 45 j 0 a I VTN 负载电流有效
4、值 4 10 IVT的标么值 4 11 4 1 1单相交流调压电路 10 图4 5a j时阻感负载交流调压电路工作波形 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 11 3 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
5、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 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 12 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 13 4 斩控式交流调压电路 在交流电源u1的正半周 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 14 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
6、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 15 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 16 4 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 17 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
7、 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 18 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 19 1 0 a 60 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 3
8、0 4 1 2三相交流调压电路 20 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 21 3 90 a 150 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 22 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 23 2 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
9、 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 24 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 25 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
10、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4 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 26 图4 11晶闸管控制电抗器 TCR 电路 4 1 2三相交流调压电路 27 仿真波形仿真工具 可以用MATLAB PSCAD等软件实现 4 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 120 b 135 c 160 a b c 28 4 2其他交流电力控制电路 4 2 1交流调功电路4 2
11、2交流电力电子开关 29 4 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 30 电阻负载时的工作情况 2 p N 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 31 谐波情况 0 12 14 谐波次数 相对于电源频率的倍数 图4 14交流调功电路
12、的电流频谱图 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 0m 4 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 32 4 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
13、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 33 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 34 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
14、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 图4 16TSC理想投切时刻原理说明 4 2 2交流电力电子开关 35 TSC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 图4 16TSC理想投切时刻原理说明 36 4 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 37 4 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
15、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 38 1 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 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 39 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
16、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 40 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 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 包含的电源电压段数越多 其波形就越接近正弦波 41 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 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 42 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 43 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
