電力電子技術(shù)-第4章 交流電力控制電路和交-交變頻電路

1、 引言 4.1 交流調(diào)壓電路 4.2 交交變頻電路 第4章 交流調(diào)壓和交交變頻電路1 本章主要講述 交流-交流變流電路 把一種形式的交流電變成另一種形式交流電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 通斷控制第4章交流調(diào)壓和交交變頻電路2 4.1 交流調(diào)壓電路 工作原理 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控制交流電路。這種電路叫做交流控制電路。 電路圖 在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管的相位的控制，可以調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這就是交流調(diào)壓電路3 應(yīng)用

2、1 燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制)。 2 異步電動機軟起動。 3 異步電動機調(diào)速。 4 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 5 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。4 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 4.1 交流調(diào)壓電路5Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt4.1.1 單相交流調(diào)壓電路1) 電阻負(fù)載圖4-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 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

3、增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低。6上述電路在控制角為 時，負(fù)載電壓有效值為 ,負(fù)載電流有效值 晶閘管電流有效值 和電路的功率因素結(jié)論：控制角越大。輸出電壓越低，輸出的功率因素越低。74.1.2 三相交流調(diào)壓電路根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式圖4-4 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) 中點控制三角形聯(lián)結(jié)8三相四線制基本原理：相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線。問題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有很大3倍次諧波電流。 a =90時，零線

4、電流甚至和各相電流的有效值接近。1) 星形聯(lián)結(jié)電路 可分為三相三線和三相四線圖4-5 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)4.1.2 三相交流調(diào)壓電路9三相三線，主要分析電阻負(fù)載時的情況圖4-5 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)4.1.2 三相交流調(diào)壓電路任意一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路。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，VT1- VT6,依次相差60。相電壓過零點定a 的起點，a角移相范圍是0-150。10(1)0 a 60：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180a 。但a =0時一直是三管導(dǎo)通。圖4-6 不同a角時負(fù)載相電壓波形a) a =

5、304.1.2 三相交流調(diào)壓電路1160 a 90：兩管導(dǎo) 通，每管導(dǎo)通120。(2)圖4-7 不同a角時負(fù)載相電壓波形b) a =604.1.2 三相交流調(diào)壓電路12(3)90 a 150：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為3002 a。圖4-10 不同a角時負(fù)載相電壓波形 c) a =1204.1.2 三相交流調(diào)壓電路13諧波情況4.1.2 三相交流調(diào)壓電路電流諧波次數(shù)為6k1(k=1，2，3，)，和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流所含諧波的次數(shù)完全相同。諧波次數(shù)越低，含量越大。142） 支路控制三角聯(lián)結(jié)電路 圖49三相交流調(diào)壓電路c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)4.1.2 三相交流調(diào)壓電路由三個

6、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。15 諧波情況c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)圖49三相交流調(diào)壓電路4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 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。 線電流中所諧波次數(shù)為6k1(k為正整數(shù))。 在相同負(fù)載和a 角時，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。164.1.3 交流調(diào)功電路 交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點 電路形式完全相同不同點 控制方式不同交流調(diào)壓電路在每個電源周期都對輸出電壓波形進(jìn)行控制。 交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交

7、流電源接通幾個周期,在斷開幾個周期,通過通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。171. 過零觸發(fā)的概念前述可控整流和有源逆變電路都采用移相觸發(fā)控制，這種觸發(fā)方式使得電路輸出為缺角的正弦波，包含大量的高次諧波。為了彌補這種不足，可采用過零觸發(fā)或稱零觸發(fā)。過零觸發(fā)是指在正弦交流電壓過零時，觸發(fā)晶閘管，使晶閘管或者處于全導(dǎo)通或者處于全阻斷，使負(fù)載得到完整的正弦波。2. 交流調(diào)功器(周波控制器)的工作原理交流過零觸發(fā)開關(guān)電路就是利用零觸發(fā)方式來控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷。交流零觸發(fā)開關(guān)使電路在電壓為零或零附近瞬間接通，利用管子電流小于維持電流使管子自行關(guān)斷，這種開關(guān)對外界的電磁干擾最小。183. 零

8、觸發(fā)的兩種工作模式1) 全周波連續(xù)式2) 全周波斷續(xù)式 圖4-10 全周波過零觸發(fā)輸出電壓波形(全周波連續(xù)式) 圖4-11 全周波過零觸發(fā)輸出電壓波形(全周波斷續(xù)式)19 電阻負(fù)載時的工作情況2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導(dǎo)通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12圖4-13 交流調(diào)功電路典型波形(M =3、N =2)圖41電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路4.1.3 交流調(diào)功電路控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導(dǎo)通，后MN個周期關(guān)斷。負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期。20如在設(shè)定的周期內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)為n，每個周波的周期為T(50Hz)，

9、則調(diào)功器的輸出功率和輸出電壓有效值為因此，改變導(dǎo)通周波數(shù)，即可改變電壓或功率。 由過零觸發(fā)開關(guān)電路組成的單相交流調(diào)功器，是通過改變輸出電壓有效值來改變輸出功率的。214. 2 交交變頻電路 4.2.1 單相交交變頻器 4.2.2 三相交交變頻器224.2.1 單相交交變頻器晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor) 把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，屬于直接變頻電路。 廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。231) 電路構(gòu)成和基本工作原理圖4-14 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形4.2.1 單相交交變頻器電路構(gòu)

10、成如圖4-14，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，。變流器P和N都是相控整流電路。24工作原理P組工作時，負(fù)載電流io為正。N組工作時，io為負(fù)。兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率wo 。改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值。圖4-14 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形25為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a 角進(jìn)行調(diào)制。在半個周期內(nèi)讓P組 a 角按正弦規(guī)律從90減到0或某個值，再增加到90，每個控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零。另外半個周期可對N組進(jìn)行同樣的控制。uo由若

11、干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。26 2) 整流與逆變工作狀態(tài)圖4-15 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)阻感負(fù)載為例，也適用于交流電動機負(fù)載。把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時uo的脈動分量，就可把電路等效成圖4-15a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。27設(shè)負(fù)載阻抗角為j ，則輸出電流滯后輸出電壓j 角。兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式，即一組變流電路工作時，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。圖4-16 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)28工作狀態(tài)圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)圖4-16 理想化交交變

12、頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)t1t3期間：io正半周，正組工作，反組被封鎖。t1 t2： uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正。t2 t3 ： uo反向， io仍為正，正組逆變，輸出功率為負(fù)。29t3 t5期間： io負(fù)半周，反組工作，正組被封鎖。t3 t4 ：uo和io均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正。t4 t5 ： uo反向， io仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)。圖4-16 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)小結(jié)：哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關(guān)。工作在整流還是逆變，則根據(jù)uo方向與io方向是否相同確定。30 當(dāng)uo和io的相位差小于90時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為

13、正，電動機工作在電動狀態(tài)。 當(dāng)二者相位差大于90時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為負(fù)，電網(wǎng)吸收能量，電動機為發(fā)電狀態(tài)。 考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時間，一周期可分為6段。圖4-20 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形第1段 io 0，反組逆變第2段 電流過零，為無環(huán)流死區(qū)第3段 io 0， uo 0，正組整流 第4段 io 0， uo 0，正組逆變 第5段 又是無環(huán)流死區(qū) 第6段 io 0， uo 0，為反組整流 313) 輸出正弦波電壓的調(diào)制方法 介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點法。 設(shè)Ud0為a = 0時整流電路的理想空載電壓，則有 (4-15) 每次控制時a角不同， 表示每

14、次控制間隔內(nèi)uo的平均值。圖4-18 余弦交點法原理32設(shè)期望的正弦波輸出電壓為 (4-16）比較式(4-15)和(4-16)，應(yīng)使 (4-17) g 稱為輸出電壓比：圖4-18 余弦交點法原理33圖4-18 余弦交點法原理余弦交點法基本公式 (4-18)余弦交點法圖解線電壓uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表示。相鄰兩個線電壓的交點對應(yīng)于a =0。34u1u6所對應(yīng)的同步信號分別用us1us6表示us1us6比相應(yīng)的u1u6超前30，us1us6的最大值和相應(yīng)線電壓a =0的時刻對應(yīng)。以a =0為零時刻，則us1us6為余弦信號。希望輸出電壓為uo，

15、則各晶閘管觸發(fā)時刻由相應(yīng)的同步電壓us1us6的下降段和uo的交點來決定。圖4-18 余弦交點法原理354.2.2 三相交交變頻電路 由三組輸出電壓相位各差120的單相交交變頻電路組成。1) 電路接線方式公共交流母線進(jìn)線方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路。36(1)公共交流母線進(jìn)線方式圖4-19 公共交流母線進(jìn)線三相交交變頻電路（簡圖）4.2.2 三相交交變頻電路由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120的單相交交變頻電路構(gòu)成。電源進(jìn)線通過進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上。因為電源進(jìn)線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動機的三

16、個繞組必須拆開。主要用于中等。容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。37(2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)電動機中點不和變頻器中點接在一起，電動機只引出三根線即可圖4-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖 b）詳圖三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)。電動機中點不和變頻器中點接在一起，電動機只引出三根線即可。38圖4-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖 b）詳圖因為三組的輸出聯(lián)接在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此分別用三個變壓器供電。由于輸出端中點不和負(fù)載中點相聯(lián)接，所以在構(gòu)成三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中

17、的四個晶閘管同時導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流。39圖4-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖 b）詳圖和整流電路一樣，同一組橋內(nèi)的兩個晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時導(dǎo)通。兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時導(dǎo)通。402) 輸入輸出特性輸出上限頻率和輸出電壓諧波和單相交交變頻電路是一致的。輸入電流總輸入電流由三個單相的同一相輸入電流合成而得到。有些諧波相互抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低。200t/ms輸出電壓單相輸出時 U相輸入電流三相輸出時 U相輸入電流200t/ms200t/ms圖4-26 交交變頻電路的輸入電流波形41輸入功率因數(shù) 三相總輸入功率因數(shù)應(yīng)

18、為 (4-23)三相電路總的有功功率為各相有功功率之和但視在功率卻不能簡單相加，而應(yīng)由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來計算，比三相各自的視在功率之和要小三相總輸入功率因數(shù)要高于單相交交變頻電路423) 改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓基本思路各相輸出的是相電壓，而加在負(fù)載上的是線電壓。在各相電壓中疊加同樣的直流分量或3倍于輸出頻率的諧波分量，它們都不會在線電壓中反映出來，因而也加不到負(fù)載上。利用這一特性可以使輸入功率因數(shù)得到改善并提高輸出電壓。直流偏置負(fù)載電動機低速運行時，變頻器輸出電壓很低，各組橋式電路的a角都在90附近，因此輸入功率因數(shù)很低。給各相輸出電壓疊加上同樣的直流分量，控制角a 將減小，但變頻器輸出線電壓并不改變。43交流偏置梯形波輸出控制方式。使三組單相變頻器的輸出均 為梯形波（也稱準(zhǔn)梯形波）， 主要諧波成分是三次諧波。在線電壓中三次諧波相互抵消， 線電壓仍為正弦波。因為橋式電路較長時間工作在高輸出電壓區(qū)域（即梯形波的平頂區(qū)），a角較小，因此輸入功率因數(shù)可提高15%左右。圖4-20正弦波輸出控制方式中，最大輸出正弦波相電壓的幅值為Ud0。在同樣幅值的情況下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右。值可圖4-27 梯形波控制方式的理