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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作第十三讲 交流电力控制电路和交交变频电路概 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） 交流调功电路及交流无触点开关通断控制 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13.1交流调压电路绪 论交流电力控制电路的结
2、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13.1.1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
3、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图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形数量关系 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)输出电压与a的关系: 移相范围为0 a 。 a =0时，输出电压为最大， Uo=U1。随a的增大，Uo降低， a =时， Uo =0。与a的关系： a =0时，功率因数=1， a增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低2阻感负载 阻感负载时a的移相范围 负载阻抗角：j = ar
4、ctan(wL / 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 图4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形 阻感负载时的工作过程分析在t = a 时刻开通VT1，负载电流满足 （4-5） 解方程得 (4-6)式中 ,为晶闸管导通角利用边界条件：t = a +时io =0,可求得： （4-7）VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180 图4-3 单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线 数量关系负载电压有效值 （4-8）晶闸管
5、电流有效值 （4-9）负载电流有效值 （4-10） IVT的标么值 （4-11）图4-4 单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线a j 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导通角小于方程式(4-5)和(4-6)所得io表达式仍适用，只是at 过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在t =a (a j)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时完全相同图
6、4-5 aj 时阻感负载交流调压电路工作波形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 (n=3,5,7,) (n=3,5,7,)基波和各次谐波有效值 (n=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所示图4-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量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
7、j 的增大，谐波含量有所减少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 可调节输出电压图4-7 斩控式交流调压电路图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形特性：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113.1.2三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
8、式图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
9、定为a的起点， a角移相范围是0150(1)0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a 。但a =0时一直是三管导通(2)60 a 90：两管导通，每管导通120(3)90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 a图4-10 不同a角时负载相电压波形a) a =30 b) a =60 c) a =120谐波情况电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同谐波次数越低，含量越大和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路2支路控制三角联结电路 由三个单相交流调压电路组成，分别在
10、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 谐波情况 3倍次谐波相位和大小相同，在三角形回路中流动，而不出现在线电流中 线电流中所谐波次数为6k1(k为正整数) 在相同负载和a角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路典型用例晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）a移相范围为90180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(Static Var CampensatorSVC），用
11、来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形a) a=120 b) a=135 c) a=16013.2其他交流电力控制电路 以交流电源周波数为控制单位交流调功电路 对电路通断进行控制交流电力电子开关13.2.1交流调功电路与交流调压电路的异同：电路形式完全相同控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率应用： 常用于电炉的温度控制 因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以称为交流调功电路u 控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可u 通常
12、晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染 电阻负载时的工作情况 控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后MN个周期关断当M=3、N=2时的电路波形如图4-13负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为M倍电源周期图4-13 交流调功电路典型波形(M =3、N =2)谐波情况图4-14的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值， Io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 图4-14 交流调功电路的电流频谱图(M =3、
13、N =2)13.2.2交流电力电子开关 晶闸管反并联后串入交流电路 作用：代替机械开关，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 晶闸管投切电容器（Thyristor Switched CapacitorTSC） 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 图4-15基本原理图（单相） 实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结图4-15 TSC基本原理图a) 基本单
14、元单相简图 b) 分组投切单相简图两个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的作用（图4-15a）串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流实际工程中，为避免电容器组投切造成较大冲击，一般把电容器分成几组（图4-15b），可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量TSC实际上为断续可调的动态无功功率补偿器图4-15 TSC基本原理图a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图晶闸管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
15、程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化 图4-16 TSC理想投切时刻原理说明 TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式 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 图4-17 晶闸管和二极管反并联方式的TSC13.3交交变频电路 本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor) 交交变频电路把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，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，实用的主要是三相输出交交变频电路13.3.1 单相交交变频电路1电路构成和基本工作原理 电路构成 如
16、图4-18，由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同 变流器P和N都是相控整流电路 图4-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形 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v 改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率wov 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 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
17、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整流与逆变工作状态 阻感负载为例 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工作状态 t1t3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 图4-19 理
18、想化交交变频电路的整流和逆变工作状态 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 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 图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态图4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形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段第1段io 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
19、流死区第6段io 0， uo 0，为反组整流 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3输出正弦波电压的调制方法 介绍最基本的、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， uo表示每次控制间隔内uo的平均值 期望的正弦波输出电压为 (4-16) 比较式(4-15)和(4-16)，应使 (4-17) g 称为输出电压比： 余弦交点法基本公式 (4-18) 余弦交点法图解 线电压uab、
20、uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表 示 相邻两个线电压的交点对应于a=0 图4-21 余弦交点法原理 u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示 us1us6比相应的u1u6超前30，us1us6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us1us6为余弦信号 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us1us6的下降段和uo的交点来决定图4-21 余弦交点法原理不同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
21、a和wot的关系4输入输出特性1) 输出上限频率 输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz2) 输入功率因数输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率一周期内，a角以90为中心变化输出电压比g越小，半周期内a的平均值越靠近90负载功率因数越低，输入功率因数也越低不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无
22、功电流总是滞后 图4-23 单相交交变频电路的功率因数3) 输出电压谐波 输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关 采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为 6fifo，6fi3fo，6fi5fo， 12fifo，12fi3fo，12fi5fo， 采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将增加5fo、7fo等次谐波4) 输入电流谐波 输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但 其幅值和相位均按正弦规律被调制 采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率 (4-19) 和 (4-20)式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。1
23、3.3.2三相交交变频电路u 交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路u 由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电路组成1电路接线方式 主要有两种：公共交流母线进线方式和输出星形联结方式1) 公共交流母线进线方式（图4-24） 由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120的单相交交变频电路构成 电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上 因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。为 此，交流电动机的三个绕组必须拆开 主要用于中等容量的交流调速系统图4-24 公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）2) 输出星形联结方式（图4-25）图4-25 输出星形联结
24、方式三相交交变频电路a）简图 b）详图 因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三 个变压器供电 由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相变频电路的 六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流 和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通 两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通 三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结 电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可2输入输出特性v 输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的 输入电流 总输入电流由三个单相的
25、同一相输入电流合成而得到 有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低 谐波频率为 (4-21) 和 (4-22) 式中，k =1,2,3,；l =0,1,2,。采用三相桥式电路时，输入谐波电流的主要频率为fi6fo、5fi 、5fi6fo 、 7fi 、 7fi6fo 、 11fi 、 11fi6fo 、13fi 、 13fi6fo 、 fi12fo等。其中5fi次谐波的幅值最大图4-26 交交变频电路的输入电流波形 输入功率因数三相总输入功率因数应为 (4-23) 三相电路总的有功功率为各相有功功率之和 但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，
26、比三相各自的视在功率之和要小 三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路3改善输入功率因数和提高输出电压 基本思路 各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压 在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，因而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。 直流偏置 负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各组桥式电路的a角都在90附近，因此输入功率因数很低 给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角a将减小，但变频器输出线电压并不改变 交流偏置 梯形波输出控制方式 使三组单相变频器的输出均为 梯形波（也称准梯形波） ，主 要谐
27、波成分是三次谐波 在线电压中三次谐波相互抵消， 线电压仍为正弦波 因为桥式电路较长时间工作在 高输出电压区域（即梯形波的平顶区），a角较小，因此输入 功率因数可提高15%左右 图4-20正弦波输出控制方式中，最大输出正弦波相电压的幅 值为Ud0 在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右图4-27 梯形波控制方式的理想输出电压波形 交交变频和交直交变频的比较8.1节中介绍间接变频电路，先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路和交直交变频电路比较，交交变频电路的优点：只用一次变流，效率较高可方便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波缺点是：接线复杂，采用三相
28、桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管 受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低 输入功率因数较低 输入电流谐波含量大，频谱复杂 应用 主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低转速的交流调速电路中。 目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用 既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动本章小结本章的要点如下：(1) 交流交流变流电路的分类及其基本概念；(2) 单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性；(3) 三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；(4) 交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；(5) 晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性；(6) 矩阵式交交变频电路的基本概念；(7) 各种交流交流变流电路的主要应用。