{电力公司管理}交流电力控制电路和交交变频电路概述

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,第4章,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,变频电路,只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率,改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的,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,交交变频电路 交直交变频电路,1.晶闸管交交变频电路，4.3节 2.矩阵式变频电路，4.4节,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,第4章,交流调压电路,交流电力控制电路的结构,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,交流电力控制电路的类型,交流调压电路:,交流调功电路:,交流电力电子开关:,每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值,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,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。,4.1,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,交流调压电路,4.1,单相交流调压电路,1电阻负载,原理分析,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,4.1.1,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),单相交流调压电路,4.1.1,R,O,u,1,u,o,i,o,VT,1,VT,2,u,1,u,o,i,o,u,VT,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,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,单相交流调压电路,4.1.1,2阻感负载 阻感负载时a的移相范围 负载阻抗角：j = arctan(wL / R) 若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后 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,单相交流调压电路,4.1.1,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,单相交流调压电路,4.1.1,数量关系 负载电压有效值： 晶闸管电流有效值：,(4-8),(4-9),单相交流调压电路,4.1.1,单相交流调压电路,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,4.1.1,a < j 时,单相交流调压电路,4.1.1,图4-5 a<j时阻感负载交流调压电路工作波形,图4-5的波形分析:,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,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,),单相交流调压电路,4.1.1,基波和各次谐波有效值 (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,单相交流调压电路,4.1.1,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 当a 角相同时，随着阻抗角j 的增大，谐波含量有所减少,单相交流调压电路,4.1.1,图4-7 斩控式交流调压电路,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,原理分析,基本原理和直流斩波电路有类似之处,u1正半周,u1负半周,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,斩波控制,斩波控制,续流通道,续流通道,单相交流调压电路,4.1.1,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1,图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形,单相交流调压电路,4.1.1,三相交流调压电路,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4-9 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,4.1.2,三相四线 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,三相四线,1星形联结电路,三相交流调压电路,4.1.2,三相三线，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0 150,三相交流调压电路,4.1.2,图4-10 不同a角时负载相电压波形 a) a =30 b) a =60 c) a =120,三相交流调压电路,4.1.2,(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,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,三相交流调压电路,4.1.2,2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,三相交流调压电路,4.1.2,典型用例晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR） a移相范围为90 180 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），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变,三相交流调压电路,4.1.2,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,三相交流调压电路,4.1.2,a) =120,b) =135,c) =160,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,4.2,交流调功电路,异,同,与交流调压电路的,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,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,控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可 通常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,4.2.1,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,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),当M=3、N=2时的电路波形如图4-13,交流调功电路,4.2.1,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、N =2),交流调功电路,4.2.1,M=3时，,交流电力电子开关,作用： 优点： 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,代替机械开关，起接通和断开电路的作用,响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断,4.2.2,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) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图,交流电力电子开关,4.2.2,晶闸管反并联后串入交流电路,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 基本单元单相简图 分组投切单相简图,交流电力电子开关,4.2.2,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