電力電子技術課件 13 交流電力控制電路

1、項目(xingm)七 交流電力控制電路7.1單相交流(jioli)調壓電路7.2三相交流調壓電路7.3晶閘管交流開關7.4晶閘管交流調功器共三十八頁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 交流調壓電路：在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制，調節(jié)輸出電壓有效值的電路。 交流調功電路：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，調節(jié)輸出功率平均值的電路。 交流電力電子開關(kigun)：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管。應用 燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制)。

2、 異步電動機軟起動。 異步電動機調速。 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調節(jié)。 在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調節(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。交流調壓電路 相位控制交流調功電路 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)交流調壓電路 電阻(dinz)負載電阻負載單相交流調壓電路

3、及其波形 輸出電壓與 的關系: 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)負載上交流電壓有效值為改變角即可調節(jié)負載兩端的輸出電壓有效值，達到交流調壓的目的。電流有效值和電路功率因數(shù)為7.1 單相(dn xin)交流調壓電路共三十八頁7.1 單相交流(jioli)調壓電路電路的移相范圍為0。由雙向晶閘管組成的電路，只要在正負半周對稱的相應時刻（、 ）給觸發(fā)脈沖，則和反并聯(lián)電路一樣可得到同樣的可調交流電壓。交

4、流調壓電路的觸發(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)交流調壓電路電感性負載 圖中所示為電感性負載的交流調壓電路。由于電感的作用，在電源電壓由正向負過零時，負載中電流要滯后一定(ydng)角度才能到零，即管子要繼續(xù)導通到電源電壓的負半周才能關斷。負載阻抗角：j = arctan(wL / R)晶閘管的導通角不僅與控制角有關，而且與負載的功率因數(shù)角 有關?？刂平窃叫t導通角越大，負載的功率因數(shù)角 越大，表明負載感抗大，自感電動勢使電流過零的時間越長，因而導通角越大。單相交流調壓

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

6、2脈沖已消失，此時VT2管雖已受正壓，但也無法導通。到第三個半波時，ug1 又觸發(fā)VT1導通。這樣負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)調壓電路時的工作情況（寬脈沖） VT1的導通時間(shjin)超過。 觸發(fā)VT2時，io尚未過零，VT1仍導通，VT2不會導通，io過零后，VT2才可開通，VT2導通角小于。 io有指數(shù)衰減分量，在指數(shù)分量衰減過程中，VT1導通時間漸短，VT2的導通時間漸長。 時阻感負載交流調壓電路工作波形共三十八頁7.1 單相交

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

8、有效值為 電阻負載單相交流調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么值隨變化的曲線，如圖所示，其中基準電流為=0時的電流有效值。 阻感負載時 電流諧波次數(shù)和電阻負載時相同，也只含3、5、7等次諧波。 隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少。 和電阻負載時相比，阻感負載時的諧波電流含量少一些。 當角相同時，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)交流調壓電路 斬控式交流(jioli)調壓電路斬控式交流調壓電路 工作原理 用V1，V2進行斬波控制，用V3，V4給負載電流提供續(xù)流通道。 設斬波器件（V1，V2）導通時間為ton，開關周期為T，

9、則導通比 =ton/T ，通過改變來調節(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，只含和開關周期T有關的高次諧波，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。 電阻負載斬控式交流調壓電路波形共三十八頁7.2 三相交流(jioli)調壓電路根據(jù)三相聯(lián)結形式的不同，三相交流調壓電路(dinl)具有多種形式。 三相交流調壓電路a)星形聯(lián)結 b)線路控制三角形聯(lián)結 c)支路控制三角形聯(lián)結 d)中點控制三角形聯(lián)結 共三十八頁7.2 三相交流(jioli)調壓電路星形聯(lián)結電路 分為(fn wi)三相三線和三相四線兩種情況。 三相四線 相當

10、于三個單相交流調壓電路的組合，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=90時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。 三相三線帶電阻負載時的工作原理 任一相導通須和另一相構成回路，因此電流通路中至少有兩個晶閘管，應采用雙脈沖或寬脈沖觸發(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)結共三十八頁7.2 三相(sn xin)交流調壓電路7 不同角時負載(fzi)相電壓波形a)=30 b)=60 把相電壓過零點定為開通角的起點，三相三線電路中，兩相間導通時是

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

12、續(xù)的兩部分，在半周波內形成兩個斷續(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。 和單相交流調壓電路相比，沒有3倍次諧波，因為三相對稱時，它們不能流過三相三線電路。共三十八頁7.2 三相(sn xin)交流調壓電路 三相交流調壓電路 b)支路控制(kngzh)三角形聯(lián)結支路控制三角聯(lián)結電路 由三個單相交流調壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作。 單相交流調壓電路的分析方法和結論完全適用，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)開關交流電力電子開關：把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機械(jxi)開關，起接通和斷開電路的作用。優(yōu)點：響應速度快，沒有觸點，壽命長，可以頻繁控制通斷。 與交流調功電路的區(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功電路低得多。 共三十八頁 雙向晶閘管的結構(jigu)T1T2GG（b）等效電路N1P2P1N2N3N4T2T1G第一陽極第二陽極門極（a）內部結構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)開關共三十八頁RRLQVTR1C1uRLVD1VD3VD2VD4VTQuuVT1VD1RLVT2VD2Q 晶閘管交流(jioli)開關的基本

15、形式（a）具有強觸發(fā)(chf)性質（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)定電網電壓，改善供電質量。性能優(yōu)于機械開關投切的電容器。結構和原理晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路。實際常用三相，可三角形聯(lián)結，也可星形聯(lián)結。7.3 晶閘管交流開關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充電電壓相等，這樣電容器電壓不會產生躍變，就不會產生沖擊電流。理想情況下，希望電容器預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，在電路不導通時uC總會維持在電源電壓峰值。成本(chngbn)稍低，但響應速度稍慢，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 晶閘管交流開關共三十八頁7.3 晶閘管交流(jioli)開關 固態(tài)開關固態(tài)開關也稱固態(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構成(guchng)的無觸點通斷組件。基本交流開關電路中，用光耦代替開關Q，同時起光電隔離作用。1、2為輸入端，相當于繼電器或接觸器的線圈；3、4為輸出端，相當于繼電器或接觸器的一對觸點，與負載串聯(lián)后接到交流電源上。10mA共三十八頁 交流(jioli)固態(tài)開關 固態(tài)繼電器（SSR）固態(tài)開關（SSS） 固態(tài)接觸器（SSC）

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

19、管交流(jioli)開關固體繼電器的主要優(yōu)點是：弱信號對強電的控制。（1）無運動零部件，無機械磨損，無動作噪聲，無機械故障，可靠性高； （2）無燃弧觸點，無觸點間的火花、電弧，無觸點抖動和磨損，對外干擾??； （3） 開關速度迅速，動作時間可達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） 半導體器件作為開關工作，壽命長； （8） 易實現(xiàn)附加功能。 共三十八頁7.3 晶閘管交流(jioli)開

20、關固態(tài)繼電器的缺點（1）導通后的管壓降大，正向降壓可達12V。（2）關斷后仍可有數(shù)微安(wi n)至數(shù)毫安的漏電流，不能實現(xiàn)理想的電隔離。（3）由于管壓降大，導通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠遠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行過載保護。共三十八頁7.4 晶閘管交流(jioli)調功器利用交流開關，按照一定規(guī)律控制電路開通與關斷，可以實現(xiàn)功率調節(jié)；這種裝置稱為調功器或周波控制器。功率調節(jié)原理：在設定周期Tc內，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在設定周期內通斷時間(shjin)的比例，達到調節(jié)負載兩端交流電壓有效值即負載功率的目的。 輸出電壓波形共三十八頁7.4 晶閘管交流(jioli)調功器如在設定周期Tc內導通的周波數(shù)為n，每個周波的周期為T（50Hz，T20ms），則調功器的輸出功率和輸出電壓有效值：Pn、Un為在設定周期Tc內 晶閘管全導通時調功器輸出的功率與