第4章 交流电力控制电路和交交变频电路1

西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC《电力电子技术》第4章交流电力控制电路和交交变频电路西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第2页第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本章小结西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC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），4.1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，也有改变相数的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■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC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–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，■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC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■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC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）和负载电压的波形相同RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形(显示放大图）■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC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)aaa==2sin21dsin21121oUttUURUIoo=)22sin1(21sin221121aaa==RUtdRtUITaa====2sin211oo1ooUUIUIUSPRO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形(显示放大图）■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC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≤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■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第9页4.1.1单相交流调压电路2．阻感负载阻感负载时a的移相范围–负载阻抗角：j=arctan(L/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≤π图4-2阻感负载单相交流调压电路及其波形显示放大图■RL0.6图4-2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC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ωt=a时刻开通VT1，负载电流满足(4-5)解方程得(4-6)式中,θ为晶闸管导通角利用边界条件：ωt=a+θ时io=0,可求得θ：(4-7)VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180°0201006014018020100图4-360/(°)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0sin2ddo1oo===atitURitiLaajajja=tetZUittg1o)sin()sin(222)(LRZ=jjajatg)sin()sin(=e显示放大图■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC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))22sin(2sin1)()sin2(1121oaaaa==UtdtUU4.1.1单相交流调压电路■jjacos)2cos(sin21=ZU=aajajaj)d()sin()sin(2212tg1VTtetZUIt西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第12页负载电流有效值(4-10)IVT的标么值(4-11)To2II=1TTN2UZII=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■图4-4j=90°0.10.20.30.40.51601800401208075°60°45°j=0a/(°)IVTN西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第13页aj时的工作情况–VT1提前通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过π–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π–方程式(4-5)和(4-6)所得io表达式仍适用，只是a≤ωt∞–过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt=a(aj)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■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC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tttt图4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2图4-5aj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■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第15页3．单相交流调压电路的谐波分析电阻负载的情况–波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波(4-12)–式中==,5,3,1o)sincos()(nnntnbtnatu)12(cos2211=aUa)(22sin2211aa=Ub4.1.1单相交流调压电路■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第16页(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)基波和各次谐波有效值(n=1,3,5,7,…)(4-13)负载电流基波和各次谐波有效值(4-14)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=1)1cos(111)1cos(1121aannnnUan=aa)1sin(11)1sin(1121nnnnUbn22on21nnbaU=RUI/onon=060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角a/(°)In/I*/%20406080100图4-6电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量(放大）4.1.1单相交流调压电路■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第17页阻感负载的情况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a角相同时，随着阻抗角j的增大，谐波含量有所减少4.1.1单相交流调压电路■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第18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，V3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■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第19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1RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图4-7斩控式交流调压电路(显示放大图）u1i1O图4-8uoOOttt图4-8电阻负载斩控式交流调压电路波形(显示放大图）■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第20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n负载acn'负载abca)b)负载abcc)负载bd)图4-9abcuaubuciaUa0'nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2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(显示放大图）■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第21页4.1.2三相交流调压电路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■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第22页4.1.2三相交流调压电路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0°~150°■西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心PENEC第4章第23页4.1.2三相交流调压电路(1)0°≤a60°：三管导通与两管导通交替，每管导通180°－a。但a=0°时一直是三管导通(2)60°≤a90°：两管导通，每管导通120°(3)90°≤a150°：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°－2a图4-10c)晶闸管导通区间a)a晶闸管导通区间晶闸管导通区间b)a432353302432353302a432353302uao'uao'uao'uauauauab2uac2uab2uac2uab2uac2t1t2t3t1t2t3VT1VT3VT4VT6VT1VT6VT2VT5VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6