交流电力控制电路和交交变频电路_课件

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1、电力电子技术,第4章 交流电力控制电路和交交变频电路,第4章 交流电力控制电路和交交变频电路,概述 4.1 交流调压电路 4.1.1 单相交流调压电路 4.1.2 三相交流调压电路 4.2 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 4.3 交交变频电路 4.3.1 单相交交变频电路 4.3.2 三相交交变频电路 4.4 矩阵式变频电路 本章小结,第4章第3页,概 述,交流-交流变流电路一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，可改变相关的电压、电流、频率和相数等 交流电力控制电路只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率 交流调压电路相位控制（或斩控式），4

2、.1节 交流调功电路及交流无触点开关通断控制，4.2节 变频电路改变频率，大多不改变相数 交交变频电路直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，直接变频电路 1.晶闸管交交变频电路，4.3节 2.矩阵式变频电路，4.4节 交直交变频电路先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频电路，8.1节,第4章第4页,4.1 交流调压电路,交流电力控制电路的结构及类型 两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管就可控制交流电力 交流调压电路每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值 交流调功电路以交流电的周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出

3、功率的平均值 交流电力电子开关并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路.,第4章第5页,4.1 交流调压电路,交流调压电路的应用： 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制） 异步电动机软起动 异步电动机调速 供用电系统对无功功率的连续调节 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,第4章第6页,4.1.1 单相交流调压电路,1电阻负载 工作原理： 在 u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压 正负半周a 起始时刻（a =0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a 相等 负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）

4、和负载电压的波形相同,图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形,(显示放大图）,第4章第7页,4.1.1 单相交流调压电路,数量关系 负载电压有效值(4-1) 负载电流有效值(4-2) 晶闸管电流有效值(4-3) 功率因数(4-4),图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形,(显示放大图）,第4章第8页,4.1.1 单相交流调压电路,输出电压与a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,第4章第9页,4.1.1 单相交流调压电路,2

5、阻感负载 阻感负载时a的移相范围 负载阻抗角：j = arctan(wL / R) 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 在用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前 a =0时刻仍定为u1过零的时刻，a 的移相范围应为j a ,图4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形,显示放大图,第4章第10页,4.1.1 单相交流调压电路,阻感负载时的工作过程分析 在t = a 时刻开通VT1，负载电流满足 (4-5) 解方程得(4-6) 式中 ,为晶闸管导通角 利用边界条件：t = a +时io =0,可求得： (4-7) VT2导通时，上述关系完全相

6、同，只是io极性相反，相位差180,图4-3 单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线,显示放大图,第4章第11页,数量关系 负载电压有效值 (4-8) 晶闸管电流有效值 (4-9),4.1.1 单相交流调压电路,第4章第12页,负载电流有效值 (4-10) IVT的标么值 (4-11),图4-4 单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线(显示放大图）,4.1.1 单相交流调压电路,第4章第13页,a j 时的工作情况 VT1提前导通，L被过充电，放电时间延长， VT1的导通角超过 触发VT2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不通 io过零后， VT2开通， VT2导通角小

7、于 方程式(4-5)和(4-6)所得io表达式仍适用，只是at 过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在t =a (a j)时合闸的过渡过程相同 io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量,4.1.1 单相交流调压电路,第4章第14页,衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通时间渐长 稳态的工作情况和a =j时完全相同,图4-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形(显示放大图）,4.1.1 单相交流调压电路,第4章第15页,4.1.1 单相交流调压电路,4斩控式交流调压电路 一般采用全控型器件作为开关器件 工作原理 基本原理和直流斩波电路有类似之处 u1正半周，用V1进行斩波控制，V

8、3提供续流通道 u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道 设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a = ton/T，改变a 可调节输出电压,第4章第16页,4.1.1 单相交流调压电路,特性 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,图4-7 斩控式交流调压电路 (显示放大图）,图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形 (显示放大图）,第4章第17页,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,图4-9 三相交流调压电路 a) 星形联结 b)

9、 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 (显示放大图）,4.2 其他交流电力控制电路,第4章第18页,4.1.2 三相交流调压电路（自学）,1星形联结电路 可分为三相三线和三相四线两种情况 三相四线 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,第4章第19页,4.1.2 三相交流调压电路（自学）,三相三线，电阻负载时的情况 任一相导通须和另一相构成回路 电流通路中至少

10、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0150,第4章第20页,4.1.2 三相交流调压电路 （自学）,(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 (2)60 a 90：两管导通，每管导通120 (3)90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 a,图4-10 不同a角时负载相电压波形 a) a =30 b) a =60 c) a =120 (显示放大图）,第4章第21页,4.1.2 三相交流调压电路（自

11、学）,典型用例晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR） a移相范围为90180 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 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 ampensatorSVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动,第4章第22页,图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路 (显示放大图）,图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a) a=120 b) a=135 c) a=160 (显示放大图）,4.1.2 三相交流调压电路（自学）,第4章第23

12、页,4.2 其他交流电力控制电路,以交流电源周波数为控制单位交流调功电路 对电路通断进行控制交流电力电子开关,第4章第24页,4.2.1 交流调功电路,与交流调压电路的异同 电路形式完全相同 控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率 应用 常用于电炉的温度控制 因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以称为交流调功电路,第4章第25页,4.2.1 交流调功电路,控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可 通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染 电阻负载时的工作情况 控

13、制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后MN个周期关断,第4章第26页,4.2.1 交流调功电路,当M=3、N=2时的电路波形如图4-13 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,图4-13 交流调功电路典型波形(M =3、N =2) (显示放大图）,第4章第27页,4.2.2 交流电力电子开关,晶闸管反并联后串入交流电路： 作用：代替机械开关，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,第4章

14、第28页,4.2.2 交流电力电子开关,晶闸管投切电容器（Thyristor Switched CapacitorTSC） 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 图4-15基本原理图（单相） 实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结,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 (显示放大图）,第4章第29页,4.2.2 交流电力电子开关,两个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的作用 （图4-15a） 串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流 实际工程中，为避免电容器组投切造成较大冲

15、击，一般把电容器分成几组（图4-15b），可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量 TSC实际上为断续可调的动态无功功率补偿器,图4-15 TSC基本原理图 基本单元单相简图 分组投切单相简图 (显示放大图）,第4章第30页,4.2.2 交流电力电子开关,晶闸管投切 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,图4-16 TSC理想投切时刻原理说明 (显示放大图）,第4章第31页,4.2.2 交流

16、电力电子开关（自学）,TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式 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4-17 晶闸管和二极管反并联方式的TSC (显示放大图）,第4章第32页,4.3 交交变频电路,本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)或循环换流器 交交变频电路把恒定电压、恒定频率的交流电源直接变换成可变电压、可变频率的交流电，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，实用的主要是三相输出交交变频电路,第4章第33页,4.3.1 单相交交变频电路,1电路构成和基本