电力电子技术课件 13 交流电力控制电路

项目七交流电力控制电路7.1单相交流调压电路7.2三相交流调压电路7.3晶闸管交流开关7.4晶闸管交流调功器7.1交流电力控制电路·引言

把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以控制交流输出。■交流电力控制电路

◆交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。

◆交流调功电路：以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。◆交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。■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。本章主要讲述交流-交流变流电路中的交流电力控制电路

把一种形式的交流变成另一种形式交流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7.1交流电力控制电路·引言Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt7.1单相交流调压电路

电阻负载电阻负载单相交流调压电路及其波形输出电压与α的关系:

移相范围为0≤a

≤π。

a

=0时，输出电压为最大。Uo=U1,随a

的增大，Uo降低，a

=π时，Uo=0。λ与a的关系:

a=0时，功率因数λ=1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低。

电阻负载上交流电压有效值为改变角α即可调节负载两端的输出电压有效值，达到交流调压的目的。电流有效值和电路功率因数为7.1单相交流调压电路7.1单相交流调压电路电路的移相范围为0－π。由双向晶闸管组成的电路，只要在正负半周对称的相应时刻（α、π＋α

）给触发脉冲，则和反并联电路一样可得到同样的可调交流电压。交流调压电路的触发电路完全可以套用整流移相触发电路，但是脉冲的输出必须通过脉冲变压器，其两个二次线圈之间要有足够的绝缘。7.1单相交流调压电路电感性负载

图中所示为电感性负载的交流调压电路。由于电感的作用，在电源电压由正向负过零时，负载中电流要滞后一定φ角度才能到零，即管子要继续导通到电源电压的负半周才能关断。负载阻抗角：j=arctan(wL/R)晶闸管的导通角θ不仅与控制角α有关，而且与负载的功率因数角φ

有关。控制角越小则导通角越大，负载的功率因数角φ越大，表明负载感抗大，自感电动势使电流过零的时间越长，因而导通角θ越大。单相交流调压电感负载电路图7.1单相交流调压电路下面分三种情况加以讨论。

（1）α>φ

由图可见，当α>φ

时，θ<180°，即正负半周电流断续，且α越大，θ越小。 可见，α在φ~180°范围内，交流电压连续可调。电流电压波形如图所示。

7.1单相交流调压电路

（2）α=φ

由图可知，当α=φ时，θ=180°，即正负半周电流临界连续。相当于晶闸管失去控制，电流电压波形如图所示。7.1单相交流调压电路

（3）α<φ

如图所示（窄脉冲）此种情况若开始给VT1管以触发脉冲，VT1管导通，而且θ>180°。如果触发脉冲为窄脉冲，当ug2出现时，VT1管的电流还未到零，VT1管关不断，VT2管不能导通。当VT1管电流到零关断时，ug2脉冲已消失，此时VT2管虽已受正压，但也无法导通。到第三个半波时，ug1又触发VT1导通。这样负载电流只有正半波部分，出现很大直流分量，电路不能正常工作。因而电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发，可采用宽脉冲或脉冲列触发。7.1单相交流调压电路◆

<

时的工作情况（宽脉冲）

☞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

。

☞io有指数衰减分量，在指数分量衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。

<

时阻感负载交流调压电路工作波形7.1单相交流调压电路

综上所述，单相交流调压有如下特点： ①电阻负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流一致。改变控制角可以连续改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。

②电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则当α<φ时，会出现一个晶闸管无法导通，产生很大直流分量电流，烧毁熔断器或晶闸管。③电感性负载时，最小控制角α

min=φ

(阻抗角)。所以的移相范围为φ～180°，电阻负载时移相范围为0～180°。

单相交流调压电感负载波形图(a)α>φ

(b)α=φ

(c)α<φ

7.1单相交流调压电路7.1单相交流调压电路■单相交流调压电路的谐波分析

◆带电阻负载时，对负载电压uo进行谐波分析

式中(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)7.1单相交流调压电路基波和各次谐波的有效值可按下式求出负载电流基波和各次谐波的有效值为

电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量

(n=1,3,5,7,…)

◆电流基波和各次谐波标么值随

变化的曲线，如图所示，其中基准电流为

=0时的电流有效值。◆阻感负载时

☞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

角相同时，随着阻抗角

的增大，谐波含量有所减少。7.1单相交流调压电路斩控式交流调压电路■斩控式交流调压电路

◆工作原理☞用V1，V2进行斩波控制，用V3，V4给负载电流提供续流通道。

☞设斩波器件（V1，V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比

=ton/T

，通过改变

来调节输出电压。

◆电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波，这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率因数接近1。

电阻负载斩控式交流调压电路波形7.2三相交流调压电路■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。

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

7.2三相交流调压电路■星形联结电路

◆分为三相三线和三相四线两种情况。◆三相四线

☞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，3的整数倍次谐波是同相位的，不能在各相之间流动，全部流过零线。

☞当

=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。

◆三相三线带电阻负载时的工作原理

☞任一相导通须和另一相构成回路，因此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°。a)星形联结7.2三相交流调压电路7

不同

角时负载相电压波形a)

=30°b)

=60°

☞把相电压过零点定为开通角

的起点，三相三线电路中，两相间导通时是靠线电压导通的，而线电压超前相电压30°，因此

角的移相范围是0°~150°。☞根据任一时刻导通晶闸管个数以及半个周波内电流是否连续可将0°~150°的移相范围分为如下三段√0°≤

<60°范围内，电路处于三个晶闸管导通与两个晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角度为180°-

,但

=0°时是一种特殊情况，一直是三个晶闸管导通。

√60°≤

<90°范围内，任一时刻都是两个晶闸管导通，每个晶闸管的导通角度为120°。7.2三相交流调压电路

不同

角时负载相电压波形

c)

=120°

√90°≤

<150°范围内，电路处于两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角度为300°-2

，而且这个导通角度被分割为不连续的两部分，在半周波内形成两个断续的波头，各占150°-

。

☞谐波分析

√电流谐波次数为6k±1(k=1，2，3，…)。

√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，因为三相对称时，它们不能流过三相三线电路。7.2三相交流调压电路

三相交流调压电路

b)支路控制三角形联结■支路控制三角联结电路

◆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。

◆谐波分析

☞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

角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。7.3

晶闸管交流开关■交流电力电子开关：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，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。■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。

双向晶闸管的结构T1T2GG（b）等效电路N1P2P1N2N3N4T2T1G第一阳极第二阳极门极（a）内部结构T1T2G第一阳极第二阳极门极（c）符号

7.3晶闸管交流开关双向晶闸管的触发方式1.Ⅰ+触发方式T1T2G+－+E1E2T1(+)、T2(-)G(+)、T2(-)2.Ⅰ－触发方式T1T2G+－+E1E2－T1(+)、T2(-)G(-)、T2(+)3.Ⅲ+触发方式T1T2G+－+E1E2－T1(-)、T2(+)G(+)、T2(-)4.Ⅲ－触发方式T1T2G+－+E1E2－T1(-)、T2(+)G(-)、T2(+)7.3晶闸管交流开关RRLQVTR1C1uRLVD1VD3VD2VD4VTQuuVT1VD1RLVT2VD2Q

晶闸管交流开关的基本形式（a）具有强触发性质（c）管子只承受正压但压降损耗大

（b）线路简单、工作频率低、VT工作在Ⅰ+和Ⅲ-两种触发式7.3晶闸管交流开关晶闸管投切电容（ThyristorSwitched——Capacitor——TSC）TSC基本原理图a)基本单元单相简图b)分组投切单相简图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。7.3

晶闸管交流开关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。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1TSC理想投切时刻原理说明7.3

晶闸管交流开关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。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1

TSC理想投切时刻原理说明7.3

晶闸管交流开关7.3晶闸管交流开关

固态开关固态开关也称固态继电器或固态接触器(SolidStateSwitch/Relay/Contactor)，是以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件。基本交流开关电路中，用光耦代替开关Q，同时起光电隔离作用。1、2为输入端，相当于继电器或接触器的线圈；3、4为输出端，相当于继电器或接触器的一对触点，与负载串联后接到交流电源上。10mA

交流固态开关固态继电器（SSR）固态开关（SSS）固态接触器（SSC）

固态开关是以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件，适合于频繁工作或潮湿、有腐蚀性以及易燃气体的环境中。7.3晶闸管交流开关1234BVD2VD1VD3VD4VD5VT1VT2R2R1R3R4V2V1R6R5CRLuCu

光电三极管耦合的“0”压固态开关1234BVTR2R1R3RCRLuCu

光电双向二极管耦合的非“0”压固态开关7.3晶闸管交流开关1234BVD1VD4VD3VD2VTR2R1R3V1RR4CRLuCu

光电晶闸管耦合的“0”压固态开关7.3晶闸管交流开关

直流固态开关7.3晶闸管交流开关固体继电器的主要优点是：弱信号对强电的控制。（1）无运动零部件，无机械磨损，无动作噪声，无机械故障，可靠性高；（2）无燃弧触点，无触点间的火花、电弧，无触点抖动和磨损，对外干扰小；（3）开关速度迅速，动作时间可达10-3S以下；（4）灵敏度高，控制功率小，能很好地与TTL、CMOS电路兼容；（5）抗冲击振动性能优良，容易实现“零”压切换；（6）一般用绝缘材料灌封成全封闭整体，所以具有良好的防潮、防霉、防腐性能，防爆性能也极佳；（7）半导体器件作为开关工作，寿命长；（8）易实现附加功能。7.3晶闸管交流开关固态继电器的缺点（1）导通后的管压降大，正向降压可达1~2V。（2）关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，不能实现理想的电隔离。（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。（4）固态继