电力电子技术-第4章交流电力控制电路和交-交变频电路

1、1 第4章 交流调压和交交变频电路2 本章主要讲述 交流交流-交流变流电路交流变流电路 把一种形式的交流电变成另一种形式交流电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4章交流调压和交交变频电路3 4.1 交流调压电路 工作工作原理原理 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路。这种电路叫做交流控制电路。 电路图 在每半个周波内通过对晶闸管的相位的控制，可以调节输出电压的有效值，这就是交流调压电路4 应用应用 1 灯光控制（如调光

2、台灯和舞台灯光控制灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。 2 异步电动机软起动。异步电动机软起动。 3 异步电动机调速。异步电动机调速。 4 供用电系统对无功功率的连续调节。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，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。用于调节变压器一次电压。5 4.1 交流调压电路6Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt4.1.1 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,

3、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。7上述电路在控制角为 时，负载电压有效值为 ,负载电流有效值 晶闸管电流有效值 和电路的功率因素a0IVTI0Uaawwa2sin21)()sin2(11210UtdtUU)22sin1 (21)()sin2(21121aawwaRUtdRtUIVTaa2sin21100100UUIUIUSp结论：控制角越大。输出电压越低，输出的功率因结论：控制角越大。输出电压越低，输出的功率因素越低。素越低。84.1.2 三相交流调压电路 根据三相联结形式的

4、不同，三相交流调压电路具有多种形式图4-4 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9三相四线制基本原理：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。1) 星形联结电路 可分为三相三线和三相四线可分为三相三线和三相四线图4-5 三相交流调压电路a) 星形联结4.1.2 三相交流调压电路10三相三线，主要分析电阻负载时的情况图4-5 三相交流调压电路a

5、) 星形联结4.1.2 三相交流调压电路任意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，VT1- VT6,依次相差60。相电压过零点定a 的起点，a角移相范围是0-150。11l (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4-6 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1260 a 90：两管导 通，每管导通120。(2)图4-7 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13l (3)90 a 150：两管导通

6、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 c) a =1204.1.2 三相交流调压电路14谐波情况4.1.2 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。15 2） 支路控制三角联结电路 图49三相交流调压电路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相

7、电流之和。16 谐波情况谐波情况c)支路控制三角形联结图49三相交流调压电路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。174.1.3 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。181. 过零触发的概

8、念过零触发的概念 前述可控整流和有源逆变电路都采用移相触发控制，这种触发方式使得电路输出为缺角的正弦波，包含大量的高次谐波。为了弥补这种不足，可采用过零触发或称零触发。过零触发是指在正弦交流电压过零时，触发晶闸管，使晶闸管或者处于全导通或者处于全阻断，使负载得到完整的正弦波。2. 交流调功器交流调功器(周波控制器周波控制器)的工作原理的工作原理 交流过零触发开关电路就是利用零触发方式来控制晶闸管的导通与关断。交流零触发开关使电路在电压为零或零附近瞬间接通，利用管子电流小于维持电流使管子自行关断，这种开关对外界的电磁干扰最小。19 3. 零触发的两种工作模式零触发的两种工作模式1) 全周波连续式

9、2) 全周波断续式 图图4-10 全周波过零触发输出电压波全周波过零触发输出电压波形形(全周波连续式全周波连续式) 图图4-11 全周波过零触发输出电压波全周波过零触发输出电压波形形(全周波断续式全周波断续式)20 电阻负载时的工作情况2NM电源周期控制周期=M倍电源周期=24MO导通段=M3M2Muou1uo,iowtU12图4-13 交流调功电路典型波形(M =3、N =2)图41电阻负载单相交流调压电路4.1.3 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MN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。21 如在设定的周期内导通的周波数为n

10、，每个周波的周期为T(50Hz)，则调功器的输出功率和输出电压有效值为 因此，改变导通周波数，即可改变电压或功率。 cnnTPPTcnnTUUT 由过零触发开关电路组成的单相交流调功器，是通过改变输出电压有效值来改变输出功率的。224. 2 交交变频电路 234.2.1 单相交交变频器晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)u 把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路属于直接变频电路。u 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。24 1) 电路构成和基本工作原理ZPN输出电压平均输出电压图4-18Ououo

11、aP=0aP=2aP=2wt图4-14 单相交交变频电路原理图和输出电压波形4.2.1 单相交交变频器电路构成如图4-14，由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，。变流器P和N都是相控整流电路。25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。ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoaP=0aP=2aP=2wt图4-14 单相交交变频电路原理图和输出电压波形26为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a 角进行

12、调制。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。27 2) 整流与逆变工作状态a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图4-15 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态阻感负载为例，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

13、量，就可把电路等效成图4-15a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。28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。a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图4-16 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态29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a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoi

14、PiNuPuNuoioiNiP图4-16 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态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。30t3 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。a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图4-16 理想化交

15、交变频电路的整流和逆变工作状态小结小结：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。31 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4-20uoiowtwt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，

16、 uo 0，正组逆变 第5段 又是无环流死区 第6段 io 0， uo 0，为反组整流 32 3) 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。acosd0oUu0u图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt图4-18 余弦交点法原理33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：ttUUood0omsinsincoswgwa)10(

17、0ggdomUUtUuoomosinw图4-18 余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt34)sin(coso1twga图4-18 余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt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。35u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示us 1us 6比 相 应 的u1u6超前30，us1us6的最大值和

18、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4-18 余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt364.2.2 三相交交变频电路l 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。37(1)公共交流母线进线方式图4-19 公共

19、交流母线进线三相交交变频电路（简图）4.2.2 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。38(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

20、即可。39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。40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。41 2) 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42输入功率因数 三相总输入功率因数应为 (4-23)三相电路总的有功功率为各相有功功率之和但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路SPPPSPcba43 3) 改善输入功率因数和提高输出电压基本思路各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压。在各相电压中叠加同样的直