電力電子技術(shù)課件 13 交流電力控制電路

1、項(xiàng)目(xingm)七 交流電力控制電路7.1單相交流(jioli)調(diào)壓電路7.2三相交流調(diào)壓電路7.3晶閘管交流開關(guān)7.4晶閘管交流調(diào)功器共三十八頁7.1 交流電力(dinl)控制電路引言 把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。 交流電力控制電路 交流調(diào)壓電路：在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的電路。 交流調(diào)功電路：以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變通態(tài)周期數(shù)和斷態(tài)周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率平均值的電路。 交流電力電子開關(guān)(kigun)：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管。應(yīng)用 燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制)。

2、 異步電動機(jī)軟起動。 異步電動機(jī)調(diào)速。 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。共三十八頁 本章主要(zhyo)講述 交流-交流變流電路中的交流電力控制電路 把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路變頻電路改變頻率的電路 交交變頻 直接 交直交變頻 間接交流電力控制電路只改變電壓,電流或控制電路的通斷,而不改變頻率的電路。交流調(diào)壓電路 相位控制交流調(diào)功電路 通斷控制7.1 交流電力控制電路引言(ynyn)共三十八頁Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt7.1 單相(dn xin)交流調(diào)壓電路 電阻(dinz)負(fù)載電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路

3、及其波形 輸出電壓與 的關(guān)系: 移相范圍為0 a 。 a =0時，輸出電壓為最大 。 Uo=U1, 隨 a 的增大，Uo降低， a =時， Uo =0。與 a 的關(guān)系: a =0時，功率因數(shù)=1，a 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低。共三十八頁 電阻(dinz)負(fù)載上交流電壓有效值為改變角即可調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的輸出電壓有效值，達(dá)到交流調(diào)壓的目的。電流有效值和電路功率因數(shù)為7.1 單相(dn xin)交流調(diào)壓電路共三十八頁7.1 單相交流(jioli)調(diào)壓電路電路的移相范圍為0。由雙向晶閘管組成的電路，只要在正負(fù)半周對稱的相應(yīng)時刻（、 ）給觸發(fā)脈沖，則和反并聯(lián)電路一樣可得到同樣的可調(diào)交流電壓。交

4、流調(diào)壓電路的觸發(fā)電路完全可以套用整流移相觸發(fā)電路，但是脈沖的輸出必須通過脈沖變壓器，其兩個二次線圈(xinqun)之間要有足夠的絕緣。 共三十八頁7.1 單相(dn xin)交流調(diào)壓電路電感性負(fù)載 圖中所示為電感性負(fù)載的交流調(diào)壓電路。由于電感的作用，在電源電壓由正向負(fù)過零時，負(fù)載中電流要滯后一定(ydng)角度才能到零，即管子要繼續(xù)導(dǎo)通到電源電壓的負(fù)半周才能關(guān)斷。負(fù)載阻抗角：j = arctan(wL / R)晶閘管的導(dǎo)通角不僅與控制角有關(guān)，而且與負(fù)載的功率因數(shù)角 有關(guān)?？刂平窃叫t導(dǎo)通角越大，負(fù)載的功率因數(shù)角 越大，表明負(fù)載感抗大，自感電動勢使電流過零的時間越長，因而導(dǎo)通角越大。單相交流調(diào)壓

5、電感負(fù)載電路圖共三十八頁7.1 單相交流(jioli)調(diào)壓電路下面分三種(sn zhn)情況加以討論。 （1） 由圖可見，當(dāng) 時，180，即正負(fù)半周電流斷續(xù)，且越大，越小?？梢?， 在 180范圍內(nèi)，交流電壓連續(xù)可調(diào)。電流電壓波形如圖所示。 共三十八頁7.1 單相交流(jioli)調(diào)壓電路 （2） = 由圖可知，當(dāng)=時，=180，即正負(fù)半周電流臨界連續(xù)。相當(dāng)于晶閘管失去(shq)控制，電流電壓波形如圖所示。共三十八頁7.1 單相交流(jioli)調(diào)壓電路 （3） 180。如果觸發(fā)脈沖為窄脈沖，當(dāng)ug2出現(xiàn)時，VT1管的電流還未到零，VT1管關(guān)不斷，VT2管不能導(dǎo)通。當(dāng)VT1管電流到零關(guān)斷時，ug

6、2脈沖已消失，此時VT2管雖已受正壓，但也無法導(dǎo)通。到第三個半波時，ug1 又觸發(fā)VT1導(dǎo)通。這樣負(fù)載電流只有正半波部分，出現(xiàn)很大直流分量(fn ling)，電路不能正常工作。因而電感性負(fù)載時，晶閘管不能用窄脈沖觸發(fā)，可采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。共三十八頁7.1 單相交流(jioli)調(diào)壓電路時的工作情況（寬脈沖） VT1的導(dǎo)通時間(shjin)超過。 觸發(fā)VT2時，io尚未過零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不會導(dǎo)通，io過零后，VT2才可開通，VT2導(dǎo)通角小于。 io有指數(shù)衰減分量，在指數(shù)分量衰減過程中，VT1導(dǎo)通時間漸短，VT2的導(dǎo)通時間漸長。 時阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形共三十八頁7.1 單相交

7、流(jioli)調(diào)壓電路 綜上所述，單相交流調(diào)壓有如下特點(diǎn)： 電阻負(fù)載(fzi)時，負(fù)載(fzi)電流波形與單相橋式可控整流交流側(cè)電流一致。改變控制角可以連續(xù)改變負(fù)載(fzi)電壓有效值，達(dá)到交流調(diào)壓的目的。 電感性負(fù)載時，不能用窄脈沖觸發(fā)。否則當(dāng) (b) = (c) 7.1 單相交流(jioli)調(diào)壓電路共三十八頁7.1 單相交流(jioli)調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路(dinl)的諧波分析 帶電阻負(fù)載時，對負(fù)載電壓uo進(jìn)行諧波分析 式中(n=3,5,7,)(n=3,5,7,)共三十八頁7.1 單相(dn xin)交流調(diào)壓電路基波(j b)和各次諧波的有效值可按下式求出負(fù)載電流基波和各次諧波的

8、有效值為 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量 (n=1,3,5,7,) 電流基波和各次諧波標(biāo)么值隨變化的曲線，如圖所示，其中基準(zhǔn)電流為=0時的電流有效值。 阻感負(fù)載時 電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時相同，也只含3、5、7等次諧波。 隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少。 和電阻負(fù)載時相比，阻感負(fù)載時的諧波電流含量少一些。 當(dāng)角相同時，隨著阻抗角的增大，諧波含量有所減少。共三十八頁7.1 單相(dn xin)交流調(diào)壓電路 斬控式交流(jioli)調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路 工作原理 用V1，V2進(jìn)行斬波控制，用V3，V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道。 設(shè)斬波器件（V1，V2）導(dǎo)通時間為ton，開關(guān)周期為T，

9、則導(dǎo)通比 =ton/T ，通過改變來調(diào)節(jié)輸出電壓。 電源電流的基波分量是和電源電壓同相位的，即位移因數(shù)為1，電源電流中不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波，這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除，這時電路的功率因數(shù)接近1。 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形共三十八頁7.2 三相交流(jioli)調(diào)壓電路根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路(dinl)具有多種形式。 三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié) b)線路控制三角形聯(lián)結(jié) c)支路控制三角形聯(lián)結(jié) d)中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié) 共三十八頁7.2 三相交流(jioli)調(diào)壓電路星形聯(lián)結(jié)電路 分為(fn wi)三相三線和三相四線兩種情況。 三相四線 相當(dāng)

10、于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120工作。 基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線，3的整數(shù)倍次諧波是同相位的，不能在各相之間流動，全部流過零線。 當(dāng)=90時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。 三相三線帶電阻負(fù)載時的工作原理 任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路，因此電流通路中至少有兩個晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。 觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1 VT6,依次相差60。 a)星形聯(lián)結(jié)共三十八頁7.2 三相(sn xin)交流調(diào)壓電路7 不同角時負(fù)載(fzi)相電壓波形a)=30 b)=60 把相電壓過零點(diǎn)定為開通角的起點(diǎn)，三相三線電路中，兩相間導(dǎo)通時是

11、靠線電壓導(dǎo)通的，而線電壓超前相電壓30，因此角的移相范圍是0150。根據(jù)任一時刻導(dǎo)通晶閘管個數(shù)以及半個周波內(nèi)電流是否連續(xù)可將0150的移相范圍分為如下三段 060范圍內(nèi)，電路處于三個晶閘管導(dǎo)通與兩個晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，每個晶閘管導(dǎo)通角度為180-,但=0時是一種特殊情況，一直是三個晶閘管導(dǎo)通。 6090范圍內(nèi)，任一時刻都是兩個晶閘管導(dǎo)通，每個晶閘管的導(dǎo)通角度為120。 共三十八頁7.2 三相交流(jioli)調(diào)壓電路 不同(b tn)角時負(fù)載相電壓波形 c)=120 90150范圍內(nèi)，電路處于兩個晶閘管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，每個晶閘管導(dǎo)通角度為300-2，而且這個導(dǎo)通角度被分割為不連

12、續(xù)的兩部分，在半周波內(nèi)形成兩個斷續(xù)的波頭，各占150-。 諧波分析 電流諧波次數(shù)為6k1(k=1，2，3，)。 諧波次數(shù)越低，含量越大。 和單相交流調(diào)壓電路相比，沒有3倍次諧波，因?yàn)槿鄬ΨQ時，它們不能流過三相三線電路。共三十八頁7.2 三相(sn xin)交流調(diào)壓電路 三相交流調(diào)壓電路 b)支路控制(kngzh)三角形聯(lián)結(jié)支路控制三角聯(lián)結(jié)電路 由三個單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作。 單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適用，輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個負(fù)載相電流之和。 諧波分析 3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動，而不出現(xiàn)在線電流中。 線電流中所諧

13、波次數(shù)為6k1(k為正整數(shù))。 在相同負(fù)載和角時，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。共三十八頁7.3 晶閘管交流(jioli)開關(guān)交流電力電子開關(guān)：把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械(jxi)開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，沒有觸點(diǎn)，壽命長，可以頻繁控制通斷。 與交流調(diào)功電路的區(qū)別 并不控制電路的平均輸出功率。 通常沒有明確的控制周期，只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開。 控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多。 共三十八頁 雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)(jigu)T1T2GG（b）等效電路N1P2P1N2N3N4T2T1G第一陽極第二陽極門極（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)T1T2G第一陽極第二

14、陽極門極（c）符號 7.3 晶閘管交流(jioli)開關(guān)共三十八頁雙向晶閘管的觸發(fā)(chf)方式1.+觸發(fā)方式T1T2G+E1E2T1(+)、 T2(-) G(+) 、 T2(-) 2.觸發(fā)方式T1T2G+E1E2T1(+)、 T2(-) G(-) 、 T2(+) 3.+觸發(fā)方式T1T2G+E1E2T1(-)、 T2(+)G(+) 、 T2(-)4.觸發(fā)方式T1T2G+E1E2T1(-)、 T2(+)G(-) 、 T2(+)7.3 晶閘管交流(jioli)開關(guān)共三十八頁RRLQVTR1C1uRLVD1VD3VD2VD4VTQuuVT1VD1RLVT2VD2Q 晶閘管交流(jioli)開關(guān)的基本

15、形式（a）具有強(qiáng)觸發(fā)(chf)性質(zhì)（c）管子只承受正壓但壓降損耗大 （b）線路簡單、工作頻率低、VT工作在+和-兩種觸發(fā)式7.3 晶閘管交流開關(guān)共三十八頁晶閘管投切電容(dinrng)（Thyristor SwitchedCapacitorTSC） TSC基本原理圖a) 基本單元(dnyun)單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖作用對無功功率控制，可提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量。性能優(yōu)于機(jī)械開關(guān)投切的電容器。結(jié)構(gòu)和原理晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路。實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。7.3 晶閘管交流開關(guān)共三十八頁晶閘管的投切選擇晶閘管投入時刻(shk)的原則：該時刻(shk)交流

16、電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，這樣電容器電壓不會產(chǎn)生躍變，就不會產(chǎn)生沖擊電流。理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓峰值，這時電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1TSC理想(lxing)投切時刻原理說明7.3 晶閘管交流開關(guān)共三十八頁TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)(bnglin)的方式由于二極管的作用，在電路不導(dǎo)通時uC總會維持在電源電壓峰值。成本(chngbn)稍低，但響應(yīng)速度稍慢，投切電容器的最大時間滯后為一個周波。12ttttusiCuCVT1VT2ttuV

17、T1uusiCuCCVT1VT2VT1 TSC理想投切時刻原理說明7.3 晶閘管交流開關(guān)共三十八頁7.3 晶閘管交流(jioli)開關(guān) 固態(tài)開關(guān)固態(tài)開關(guān)也稱固態(tài)繼電器或固態(tài)接觸器(Solid State Switch /Relay /Contactor)，是以雙向晶閘管為基礎(chǔ)構(gòu)成(guchng)的無觸點(diǎn)通斷組件?；窘涣鏖_關(guān)電路中，用光耦代替開關(guān)Q，同時起光電隔離作用。1、2為輸入端，相當(dāng)于繼電器或接觸器的線圈；3、4為輸出端，相當(dāng)于繼電器或接觸器的一對觸點(diǎn)，與負(fù)載串聯(lián)后接到交流電源上。10mA共三十八頁 交流(jioli)固態(tài)開關(guān) 固態(tài)繼電器（SSR）固態(tài)開關(guān)（SSS） 固態(tài)接觸器（SSC）

18、 固態(tài)開關(guān)是 以雙向晶閘管為基礎(chǔ)構(gòu)成的無觸點(diǎn)通斷組件，適合于頻繁(pnfn)工作或潮濕、有腐蝕性以及易燃?xì)怏w的環(huán)境中。7.3 晶閘管交流開關(guān)共三十八頁1234BVD2VD1VD3VD4VD5VT1VT2R2R1R3R4V2V1R6R5CRLuCu 光電三極管耦合的“0”壓固態(tài)(gti)開關(guān)1234BVTR2R1R3RCRLuCu 光電雙向二極管耦合的非“0”壓固態(tài)(gti)開關(guān)7.3 晶閘管交流開關(guān)共三十八頁1234BVD1VD4VD3VD2VTR2R1R3V1RR4CRLuCu 光電晶閘管耦合的“0”壓固態(tài)(gti)開關(guān)7.3 晶閘管交流(jioli)開關(guān) 直流固態(tài)開關(guān)共三十八頁7.3 晶閘

19、管交流(jioli)開關(guān)固體繼電器的主要優(yōu)點(diǎn)是：弱信號對強(qiáng)電的控制。（1）無運(yùn)動零部件，無機(jī)械磨損，無動作噪聲，無機(jī)械故障，可靠性高； （2）無燃弧觸點(diǎn)，無觸點(diǎn)間的火花、電弧，無觸點(diǎn)抖動和磨損，對外干擾??； （3） 開關(guān)速度迅速，動作時間可達(dá)10-3S以下； （4）靈敏度高，控制功率小，能很好地與TTL、CMOS電路兼容； （5） 抗沖擊振動性能優(yōu)良(yuling)，容易實(shí)現(xiàn)“零”壓切換； （6） 一般用絕緣材料灌封成全封閉整體，所以具有良好的防潮、防霉、防腐性能，防爆性能也極佳； （7） 半導(dǎo)體器件作為開關(guān)工作，壽命長； （8） 易實(shí)現(xiàn)附加功能。 共三十八頁7.3 晶閘管交流(jioli)開

20、關(guān)固態(tài)繼電器的缺點(diǎn)（1）導(dǎo)通后的管壓降大，正向降壓可達(dá)12V。（2）關(guān)斷后仍可有數(shù)微安(wi n)至數(shù)毫安的漏電流，不能實(shí)現(xiàn)理想的電隔離。（3）由于管壓降大，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。（4）固態(tài)繼電器對過載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器進(jìn)行過載保護(hù)。共三十八頁7.4 晶閘管交流(jioli)調(diào)功器利用交流開關(guān)，按照一定規(guī)律控制電路開通與關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)；這種裝置稱為調(diào)功器或周波控制器。功率調(diào)節(jié)原理：在設(shè)定周期Tc內(nèi)，將電路接通幾個周波T，然后斷開幾個周波，通過改變晶閘管交流開關(guān)在設(shè)定周期內(nèi)通斷時間(shjin)的比例，達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載兩端交流電壓有效值即負(fù)載功率的目的。 輸出電壓波形共三十八頁7.4 晶閘管交流(jioli)調(diào)功器如在設(shè)定周期Tc內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)為n，每個周波的周期為T（50Hz，T20ms），則調(diào)功器的輸出功率和輸出電壓有效值：Pn、Un為在設(shè)定周期Tc內(nèi) 晶閘管全導(dǎo)通時調(diào)功器輸出的功率與