第4章-交流电力控制电路和交-交变频电路

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章交流电力控制电路和交交变频电路

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来控制交流电力。

电路图

应用1灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。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。电阻负载

113页图4-1

如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流应为正弦波，负载电流滞后于电源电压u1的角度为φ。0.6Ou11uOiOuVTwtOwtOwtwtOuG1uG2OOwtwt图4-2

电阻负载单相交流调压电路及其波形VT12.阻感负载

设负载的阻抗角为

在用晶闸管控制时，很显然只能进行滞后控制，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

≤π。0.6Ou11uOiOuVTwtOwtOwtwtOuG1uG2OOwtwt图4-2

电阻负载单相交流调压电路及其波形VT1在ωt=a

时刻开通晶闸管VT1，负载电流应满足以下方程和初始条件：VT1解得：q020100601401802010060/(°)180140a/(°)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θ和a关系曲线

利用边界条件wt=a+θ时，io=0，可求得θ当a=j

时θ=π当a>j

时θ<π以j

为参变量，可把a和θ的关系表示成右图。负载电压有效值UoVT10.6Ou1

u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1

G1uG2OOwtwt已经求得可据此求出晶闸管电流有效值图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°0.10.20.30.40.516018004012080

75°

60°45°j

=0a/(°)IVTN负载电流有效值

(4-10)IVT的标么值

(4-11)有名值和标幺值有名值是电力系统各物理量及参数的带量纲的数值。标幺值是各物理量及参数的相对值，是不带量纲的数值。标幺值是相对某一基值而言的，同一有名值，当基值选取不一样时，其标幺值也不一样。它们的关系如下：标幺值=有名值/基值图4-5a<j时阻感负载交流调压电路工作波形阻感负载,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提前开通，负载L被过充电，其放电时间也将延长，使得VT1导通时间大于π；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π。图4-5a<j时阻感负载交流调压电路工作波形图4-2

阻感负载单相交流调压电路io由两个分量组成，第一项为正弦稳态分量，第二项为指数衰减分量。在指数分量的衰减过程中，VT1的导通时间逐渐缩短，VT2的导通时间逐渐延长，当指数分量衰减到零后，VT1和VT2的导通时间都趋近到π。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。基波和各次谐波有效值负载电流基波和各次谐波有效值

电流基波和各次谐波标么值随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φ

的增大，谐波含量有所减少。阻感负载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用V1进行斩波控制用V3给负载电流提供续流通道用V2进行斩波控制用V4给负载电流提供续流通道图4-7斩控式交流调压电路在交流电源u1的负半周特性图4-8电阻负载斩控式交流调压电路波形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。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4.2.1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，再断开几个周期，通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。交流调功电路常用于控制电炉温度

象电炉温度这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控

制，只要以周波数为单位进行控制就足够了。

通常控制晶闸管导通的时刻是在电源电压过零的时刻，这样，在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成谐波污染。

电阻负载时的工作情况2pNpM电源周期控制周期=M倍电源周期=2p4pMO导通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12图4-13交流调功电路典型波形(M=3、N=2)图4－1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。

谐波情况01214相对于控制周期的谐波次数相对于电源周期的谐波次数图4-14交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m图4-14的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值，Iom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。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。通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开。控制频率通常比交流调功电路低得多。晶闸管投切电容（ThyristorSwitchedCapacitor—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。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，因此在投入时刻iC为零，之后iC才按正弦规律变化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图4-16TSC理想投切时刻原理说明图中在本次导通开始前，电容器的端电压uC已由上次导通时段最后导通的晶闸管VT1充电至电源电压us的正峰值。本次导通开始时刻取为us和uc相等的时刻t1，给VT2触发脉冲使之开通，电容电流ic开始流通。以后每半个周波轮流触发VT1和VT2，电路继续导通。需要切除这条电容支路时，如在t2时刻iC已降为0，VT2关断，这时撤除触发脉冲，VT1就不会导通，uC保持在VT2结束导通时的电源电压负峰值，为下一次投入电容做好准备。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图4-16TSC理想投切时刻原理说明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。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。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统。4.3交交变频电路

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电路构成由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。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ωo。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和输出电压波形为使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越多，其波形就越接近正弦波。

2.阻感负载的交交变频电路的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。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作状态t1~t3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。t3~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。图4-19理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态小结：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。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。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，

uo

>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，

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

有环流控制方式

所谓环流，是指不流过电动机或其他负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。环流的存在会显著地增加晶闸管和变压器的负担，消耗无用的功率，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑制。但环流也并非一无是处，只要控制得好，保证晶闸管安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，即使在电动机空载或轻载时也可使晶闸管工作在电流连续区，避免了电流断续引起的非线性现象对系统静、动态性能的影响。而且在可逆系统中存在少量环流，可以保证电流的无间断反向，加快反向时的过渡过程，从而使变频电路的输出特性得以改善，还可提高输出上限频率，所以在某些要求输出频率比较高的场合还是可以考虑这种方案。

由于晶闸管变流装置输出的电压是脉动的，所以，正组整流电压和反组逆变电压的瞬时值并不相同，当整流电压瞬时值大于逆变电压瞬时值时，便产生正向瞬时电压差，从而产生瞬时脉动环流，只要存在瞬时电压差，瞬时脉动环流就始终存在，必须加以拟制，不能让它太大，办法就是在环流回路中串入环流电抗器。

逻辑无环流控制方式

虽然有环流系统具有反向快、过渡平滑等特点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘，而且使设备成本增加。因此，当工艺过程对系统过渡特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，从运行可靠性要求出发，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。即当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。其优点是可省去环流电抗器，没有附加的环流损耗，从而可节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。同时与环流系统相比，因换流失败而造成的事故率大为降低。其缺点是由于延时造成了换流死区，影响了过渡过程的快速性。

3.

输出正弦波电压的调制方法——广泛使用余弦交点法。①图中P组为6脉波三相桥式变流电路

N组为6脉波三相桥式变流电路②设计任务通过改变触发延迟角α，改变变流电路的输出电压，当取某一个具体的α角时，三相桥式变流电路便输出一段整流或逆变波形给负载。在不同的时刻应选择多大的α角才能使三相桥式变流电路输出的这些段电压波形拼接成正弦波?③设期望的交交变频电路的输出电压为

该输出电压是由许多段变流电路的输出电压平均值拼接而成的。图4-21余弦交点法原理④设Ud0为a

=0时整流电路输出电压的平均值，则在每次控制间隔内（触发延迟角为某一具体的非零α）变流电路输出电压的平均值为：图4-21余弦交点法原理⑤期望波形为已知；问题在于如何构造若能构造出，则由交点处的α即为所求

⑥构造一个幅值为Ud0，且与α角呈余弦关系的波形（α=0时，该波形应取得最大值）图4-21余弦交点法原理⑦余弦交点法图解三相桥式变流电路的输出电压为电源线电压设电源线电压uab、

uac

、

ubc

、

uba

、uca、ucb依次用u1~u6表示。相邻两个线电压的交点对应于a

=0的点。u1~u6所对应的同步信号分别用us1~us6表示us1~us6比相应的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相应线电压a=0的时刻对应，以a=0为零时刻，则us1~us6为与α呈余弦关系的信号，满足我们所要构造的波形要求。图4-21余弦交点法原理希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1~us6的下降段和uo的交点来决定。图4-21余弦交点法原理⑧每次控制周期（即某一具体α值持续的时间）内应满足图4-21余弦交点法原理得到：g称为输出电压比图4-21余弦交点法原理⑨余弦交点法基本公式

不同g

时，在uo一周期内，a随wot

变化的情况。图中，

g较小，即输出电压较低时，a只在离90°很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低。图4-22不同g时a和wot的关系4.

输入输出特性(1)

输出上限频率输出频