交流电力控制电路与交-交变频电路

1、4- 1 4- 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4- 3 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，调节输出功率的平均值 电路图4- 4 应用应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯

2、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- 54- 61) 电阻负载l工作原理u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u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u负载电压波形正负半周均是电源电压波形的一部分，正负半周对称、平均值为0（纯交流输出）。u负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图4-1电阻负载单相交流调压电路及

3、其波形(显示放大图）4- 7RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOtRO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt4- 8l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) aaa=2sin21dsin21121oUttUURUIoo=)22sin1 (21sin221121aaa=RUtdRtUITaa=2sin211oo1ooUUIUIUSPRO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形oI21=4- 9Ou1u

4、oiouVTtOtOtOt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, 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，功率因数降低。4- 10 在交流开关完全导通时（相当于用导线连通），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 。2) 阻感负载 u 负载阻抗角： j = arctan(L

5、/ R)VT14- 11阻感负载时的工作过程分析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，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差1800sin2ddo1oo=atitURitiLaajajja=tetZUittg1o)sin()sin(222)( LRZ=jjajatg)sin()sin(=e4- 12 a 和 的关系曲线:020100601401802010060180140a /( )j = 9075604530150图4-3 单相交流

6、调压电路以a为参变量的和a关系曲线 /( )当 a = j 时 = 当 a j 时 j 时, j 的情况:VT1显示放大图RL0.6图4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt4- 144- 15RL0.6图4-2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOttRL0.6图4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt4- 16 数量关系负载电压有效值 (4-8)负载电流有效值 (4-10) IVT有效值计算涉及到较复杂的表达式（略）)22sin(2sin1)()sin2(1121

7、oaaaa=UtdtUU02VTII=4- 17 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 在交流开关完全短路的情况下,i0比u1自然滞后j角(稳态),并且 =1800， i0为正负对称的正弦波。a = j意味着晶闸管的触发导通刚好满足i0的的上述正弦稳态波形的要求， i0过零过零变正时刚好使变正时刚好使VT1触发导通，触发导通， i0过零变负时又刚好使过零变负时又刚好使VT2触发导通，故触发导通，故输出效果与输出效果与交流开关完全短路开通的交流开关完全短路开通的情况相同情况相同。相当于晶闸管。相当于晶闸管失去开关控制调压作用失去开关控制调压作用。4- 18

8、4- 19l当阻感负载, a j 时电路工作情况。 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导通角小于 方程式(4-5)和(4-6)所得io表达式仍适用，只是at io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通时间渐长当指数分量衰减到零后， VT1和VT2的导通时间都趋近到 ， 稳态的工作情况和a =j时完全相同 (4-6)aajajja=tetZUittg1o)sin()sin(24- 20图4-5 aj时阻感负载交流调压电路

9、工作 波形tttt图4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2 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4- 21 结论：（阻感负载）能使输出电压可调的正常移相范围： a =j ，正负半波电流断续（ ），非正弦， a越大，则 越小，电流波形断续加重；当a j 时，若采用宽脉冲，则作用效果与交流开关完全短路情况相同，不具备可控调压作用，u0=u1，i0为连续正弦波。 4- 22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) 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4- 23三线

10、四相 基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，每一相各由一个双向交流开关控制。三相互相错开120工作。分析方法与单相相同。1) 星形联结电路 可分为三线三相和三线四相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- 24u三相三线，主要分析电阻负载时的情况图4-9 三相交流调压电路a) 星形联结 任一相导通须和另一相构成回路（无中线）。 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。 三相正半周所对应的VT1 ，3，5的触发脉冲依次相差1200；每相的正负半周分别由反并联的2只晶闸管触发控制，触发角相同，互差1800触发。 触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样

11、，为VT1 VT6,依次相差60。4- 25u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 两种工作情况：有时可能是三相中各有一只晶闸管导通，每相负载电压等于电源相电压；也可能两相中各有一只晶闸管导通，另一相不通，这时导通相的负载电压等于电源线电压的一半。（三相对称负载） 相电压过零点定为a 的起点， （因为若换为二极管，在相电压过零时即开始导通），a角移相范围是0 150。4- 26三相电阻负载（无中线）时的波形图： a= 0， a= 30， a= 60 ，120 ，观察负载的相电压波形。a =0时一直是三管导通。4- 27(1)0 a 60：三管导通与两管导通交

12、替，每管导通180a 。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 =304- 28a =30三管导通与两管导通交替，每管导通180a4- 294- 3060 a 90：两管导通，每管导通120。(2)图4-10 不同a角时负载相电压波形b) a =604- 31a =60两管导通，每管导通1204- 324- 33(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 c) a =1204- 34a =120两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 a。4- 354- 364- 37 交流调功电路与

13、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。应用应用 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4- 38u 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,iotU12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 控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导

14、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。4- 39 概念概念 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。优点优点 响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。u与交流调功电路的区别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。4- 40u晶闸管投切电容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）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u作用 对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压

15、，改善供电质量。 性能优于机械开关投切的电容器。u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。4- 414- 42u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。 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。4- 431) 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u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。

16、4- 44u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o 。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 单相交交变频电路原理图a角固定时输出电压的波形4- 45u为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a 角进行调制。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

17、越多，其波形就越接近正弦波。4- 464- 47 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4-19 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。4- 48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

18、图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4- 49u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,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图4-19 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

19、仍为正，正组逆变，输出功率为负。4- 50t3 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4-19 理想化交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。4- 513) 输入输出特性输出上限频率 输出频率增高时，输出电压

20、一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。4- 52 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。4- 53(1)公共交流母线进线方式图4-24 公共交流母线进

21、线三相交交变频电路（简图）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。4- 54(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即可。4- 55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