第4章-交流调压与交交变频

1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章交流调压和交交变频24.1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就可控制交流电力。电路图3应用1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。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。4.1交流调压电路44.1.1单相交流调压电路4.1.2三相交流调压电路4.1交流调压电路5Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt4.1.1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。6负载上交流电压有效值U与控制角α的关系为电流有效值电路功率因数电路的移相范围为0~π。aaww2sin21)(sin21222UtdtUUaLRUIπαπαπIUUISP2sin21cos272电感性负载的工作情况当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角θ的大小，不但与控制角α有关，而且与负载阻抗角φ有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点，α的最大范围是。a8单相交流调压器电感性负载时的主电路和输出波形9当控制角为α时，Ug1触发VT1导通，流过VT1管的电流i2有两个分量，即强制分量iB与自由分量iS，其强制分量为式中其自由分量为式中τ—自由分量衰减时间常数，awtZUisin22BRLarctgLRZww,22waatgtteZUeZUisin2sin222SRL10流过晶闸管的电流即负载电流为当αφ时，电压、电流波形如上图所示。随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储藏的能量释放完毕，电流到零，VT1管才关断。在ωt=0时触发管子，ωt=θ时管子关断，将ωt=θ代入式(3-5)可得waawtgtetZUiiisinsin22BS2aatgesinsin11当取不同的φ角时，θ=f(α)的曲线如图所示，12(1)当αφ时稳定分量iB与自由分量is如图3-2(b)所示，叠加后电流波形i2的导通角θ180，正负半波电流断续，α愈大θ愈小，波形断续愈严重。(2)当α=φ时电流自由分量is=0，i2=iB；θ=180。正负半周电流处于临界连续状态，相当于晶闸管失去控制，负载上获得最大功率，此时电流波形滞后电压φ角。(3)当αφ时如果触发脉冲为窄脉冲，则当Ug2出现时，VT1的电流还未到零，VT2管受反压不能触发导通；待VT1中电流变到零关断，VT2承受正压时，脉冲已消失，无法导通。这样使负载只有正半波，电流出现很大的直流分量，电路不能正常工作。带电感性负载时，晶闸管应当采用宽脉冲列，这样在αφ时，虽然在刚开始触发晶闸管的几个周期内，两管的电流波形是不对称的，但当负载电流中的自由分量衰减后，负载电流即能得到完全对称连续的波形，电流滞后电源电压φ角，但实际是晶闸管是不可控的。所以晶闸管的移相范围。a13综上所述，单相交流调压可归纳为以下三点：①带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角α可以改变负载电压有效值。②带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当αφ时会发生有一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量。③带电感性负载时，α的移相范围为φ~180，带电阻性负载时移相范围为0~180。14图4-４aj时阻感负载交流调压电路工作波形wtwtwtwt图4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2当阻感负载,aj时电路工作情况。图4-３阻感负载单相交流调压电路VT1的导通时间超过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。衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。4.1.1单相交流调压电路154.1.1单相交流调压电路a=φwcoscos)(002222020IUplRUZUIUU164.1.2三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图4-8三相交流调压电路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17三线四相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。1)星形联结电路可分为三线三相和三线四相图4-8三相交流调压电路a)星形联结4.1.2三相交流调压电路18三相三线，主要分析阻负载时的情况图4-8三相交流调压电路a)星形联结4.1.2三相交流调压电路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°。19(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。图4-9不同a角时负载相电压波形a)a=30°4.1.2三相交流调压电路2060°≤a90°：两管导通，每管导通120°。(2)图4-9不同a角时负载相电压波形b)a=60°4.1.2三相交流调压电路21(3)90°≤a150°：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°－2a。图4-9不同a角时负载相电压波形c)a=120°4.1.2三相交流调压电路222）支路控制三角联结电路图4－8三相交流调压电路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。23典型用例——晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置(StaticVarCampensator—SVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。图4-10晶闸管控制电抗器(TCR)电路4.1.2三相交流调压电路控制a角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。244.1.4其他交流电力控制电路1交流调功电路2交流电力电子开关254.1.4交流调功电路1、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,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。26电阻负载时的工作情况2NM电源周期控制周期=M倍电源周期=24MO导通段=M3M2Muou1uo,iowtU12图4-12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4.1.4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。274.1.4交流调功电路MNIUIUSPRUMNRUIUpRUIUMNU02002220000020单相交流调压输出计算MNIUIUSPRUMNRUIUpRUIUMNU02002220000020333三相交流调压输出计算282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。控制频度通常比交流调功电路低得多。29晶闸管投切电容（ThyristorSwitched——Capacitor——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2交流电力电子开关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。30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。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图4-16TSC理想投切时刻原理说明2交流电力电子开关31TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式2交流电力电子开关由于二极管的作用，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图4-16TSC理想投切时刻原理说明324.2交交变频电路4.2.1单相交交变频器4.2.2三相交交变频器334.2.1单相交交变频器晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)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，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。344.2.1单相交-交变频电路1基本结构和工作原理单相交-交变频电路由两组反并联的晶闸管整流器构成，和直流可逆调速系统用的四象限变换器完全一样，两者的工作原理也相似。图单相交-交变频器的主电路及输出电压波形35(1)方波型交-交变频器当正组供电时，负载上获得正向电压；当反组供电时，负载上获得负向电压。如果在各组工作期间α角不变，则输出电压为矩形波交流电压，如图(b)所示。改变正反组切换频率可以调节输出交流电的频率，而改变的α大小即可调节矩形波的幅值。(2)正弦波型交-交变频器正弦波型交-交变频器的主电路与方波型的主电路相同，但正弦波型交-交变频器输出电压的平均值按正弦规律变化，克服了方波型交-交变频器输出波形高次谐波成分大的缺点。在正组桥整流工作时，使控制角α从，输出的平均电压由低到高再到低的变化。而在正组桥逆变工作时，使控制角α从，就可以获得平均值可变的负向逆变电压。2/02/2/2/36ZOwt方波交交变频正弦波交交变频37①输出正弦波形的调制方法最常用的方法是余弦交点法，该方法的原则是：触发角的变化和切换应使得整流输出电压的瞬时值与理想正弦电压的瞬时值误差最小。正弦波型交-交变频器适合于低频大功率的电气传动系统，最高输出频率是输入频率的1/3或1/2。②输出电压有效值和频率的调节交-交变频电路的输出电压是由若干段电源电压拼接而成的。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。使控制角从，改变α0，就改变了输出电压的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变α变化的速率，也就改变了输出电压的频率。2/2/0a38输出正弦波电压的调制方法最基本的、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。acosd0oUu0u图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt