玩转电力电子技术(17)：交流电力控制电路详解与交交变频电路解析

最编程 2024-07-31 12:43:15

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第4章交流电力控制电路和交交变频电路

引言

分类

4.1 交流调压电路

原理

应用

4.1.1 单相交流调压电路

1）电阻负载

数量关系

2）阻感负载

数量关系

3）单相交流调压电路的谐波分析

电阻负载

阻感负载的谐波分析

4）斩控式交流调压电路

特性

4.1.2 三相交流调压电路

1）星形联结电路

三相四线电路（零线开关合上）

三相三线电路（零线开关断开）

主要分析电阻负载时的情况

星形联结电路谐波情况

2）支路控制三角联结电路

谐波情况

典型用例——晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor——TCR）

4.2 其他交流电力控制电路

4.2.1 交流调功电路

交流调功电路与交流调压电路的异同比较

电阻负载时的工作情况

谐波情况

4.2.2 交流电力电子开关

概念

优点

与交流调功电路的区别

晶闸管投切电容（Thyristor Switched Capacitor——TSC）

作用

结构和原理

晶闸管的投切

4.3 交交变频电路

4.3.1 单相交交变频器

1）电路构成和基本工作原理

2）整流与逆变工作状态

工作状态

小结

3）输出正弦波电压的调制方法

余弦交点法图解

4）输入输出特性

(1)输出上限频率

(2)输入功率因数

(3)输出电压谐波

(4)输入电流谐波

4.3.2 三相交交变频器

1）电路接线方式

(1)公共交流母线进线方式

(2)输出星形联结方式

2）输入输出特性

输入电流

输入功率因数

3）改善输入功率因数和提高输出电压

基本思路

直流偏置

交流偏置

交交变频和交直交变频的比较

4.4 矩阵式变频电路

简介

拓扑结构

优点

矩阵式变频电路的基本工作原理

单相输入

利用三相相电压

利用三相线电压

以相电压输出方式为例分析矩阵式交交变频电路的控制

现状

第4章交流电力控制电路和交交变频电路

引言

交流-交流变流电路（AC-AC）：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。

4.1 交流调压电路

原理

两个晶闸管（半控型器件）反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电力。

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（应用较少）。
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。

4.1.1 单相交流调压电路

1）电阻负载

输出电压与 $\large \alpha$ 的关系：移相范围为 $\large 0\leq \alpha \leq \pi$ 。 $\large \alpha =0$ 时，输出电压为最大， $\large U_o=U_1$ 。随 $\large \alpha$ 的增大， $\large U_o$ 降低， $\large \alpha =\pi$ 时， $\large U_o=0$ 。
$\large \lambda$ 与 $\large \alpha$ 的关系： $\large \alpha =0$ 时，功率因数 $\large \lambda =1$ 。 $\large \alpha$ 增大，输入电流滞后于电压且畸变， $\large \lambda$ 降低。

数量关系

负载电压有效值： $\large U_o=\sqrt{\frac{1}{\pi }\int_{\alpha }^{\pi }(\sqrt{2}U_1\sin \omega t)^{2}d\omega t}=U_1\sqrt{\frac{1}{2\pi }\sin 2\alpha +\frac{\pi -\alpha }{\pi }}$

负载电流有效值： $\large I_o=\frac{U_o}{R}$

晶闸管电流有效值: $\large I_r=\sqrt{\frac{1}{2\pi }\int_{\alpha }^{\pi }(\frac{\sqrt{2}U_1\sin \omega t}{R})^{2}d\omega t}=\frac{U_1}{R}\sqrt{\frac{1}{2}(1-\frac{\alpha }{\pi }+\frac{\sin 2\alpha }{2\pi })}$

功率因数： $\large \lambda =\frac{P}{S}=\frac{U_oI_o}{U_1I_o}=\frac{U_o}{U_1}=\sqrt{\frac{1}{2\pi }\sin 2\alpha +\frac{\pi -\alpha }{\pi }}$

2）阻感负载

负载阻抗角： $\large \varphi =\arctan (\omega L/R)$

若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于 $\large u_1$ 的角度为 $\large \varphi$ 。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。

$\large \alpha =0$ 时刻仍定为 $\large u_1$ 过零的时刻， $\large \alpha$ 的移相范围应为 $\large \varphi \leq \alpha \leq \pi$ 。

$\large \omega t=\alpha$ 时刻开通晶闸管 $\large VT_1$ ，可求得导通角 $\large \theta$ ： $\large \sin (\alpha +\theta -\varphi )=\sin (\alpha -\varphi )e^{-\frac{\theta }{\tan \varphi }}$ 。当 $\large \alpha =\varphi$ 时， $\large \theta =\pi$ ；当 $\large \alpha > \varphi$ 时， $\large \theta < \pi$ 。以 $\large \varphi$ 为参变量，可把 $\large \alpha$ 和 $\large \theta$ 的关系表示如图所示。

数量关系

负载电压有效值： $\large U_o=\sqrt{\frac{1}{\pi }\int_{\alpha }^{\alpha +\theta }(\sqrt{2}U_1\sin \omega t)^{2}d\omega t}=U_1\sqrt{\frac{\theta }{\pi }+\frac{1}{\pi }[\sin 2\alpha -\sin (2\alpha +2\theta )]}$

晶闸管电流有效值： $\large I_{VT}=\sqrt{\frac{1}{2\pi }\int_{\alpha }^{\alpha +\theta }\left \{ \frac{\sqrt{2}U_1}{Z}[\sin (\omega t-\varphi )-\sin (\alpha -\varphi )e^{\frac{\alpha -\omega t}{\tan \varphi }}] \right \}^{2}d\omega t}=\frac{U_1}{\sqrt{\pi }Z}\sqrt{\theta -\frac{\sin \theta \cos (2\alpha +\varphi +\theta )}{\cos \varphi }}$

负载电流有效值： $\large I_o=\sqrt{2}I_{VT}$ 。

晶闸管电流有效值的标幺值： $\large I_{VTN}=I_{VT}\frac{Z}{\sqrt{2}U_1}$ 。

当阻感负载， $\large \alpha < \varphi$ 时电路工作情况：

$\large VT_1$ 的导通时间超过 $\large \pi$ ，则 $\large VT_2$ 导通时间小于 $\large \pi$ 。
触发 $\large VT_2$ 时， $\large i_o$ 尚未过零， $\large VT_1$ 仍导通， $\large VT_2$ 不会导通。 $\large i_o$ 过零后， $\large VT_2$ 才可开通， $\large VT_2$ 导通角小于 $\large \pi$ 。
衰减过程中， $\large VT_1$ 导通时间渐短， $\large VT_2$ 的导通时间渐长（两个晶闸管轮流导通，导通间隔为 $\large \left ( \pi -\alpha \right )$ ，电流永远滞后于电压 $\large \varphi$ 角度），最后两个晶闸管导通时间均为 $\large \pi$ ，最后稳定时 $\large u_o=u_1$ ，达不到调压的目的，因此 $\large \alpha$ 的可控制范围应为 $\large \varphi \leq \alpha \leq \pi$ 。

3）单相交流调压电路的谐波分析

电阻负载

由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波。

$\large u_o(\omega t)=\sum_{n=1,3,5,...}^{\infty }(a_n\cos n\omega t+b_n\sin n\omega t)$

基波和各次谐波有效值： $\large U_{on}=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{a_n^{2}+b_n^{2}}\;\; \; \; \; (n=1,3,5,7...)$

负载电流基波和各次谐波有效值： $\large I_{on}=U_{on}/R$

电流基波和各次谐波标幺值随 $\large \alpha$ 变化的曲线（基准电流为 $\large \alpha =0$ 时的有效值），如图所示。

阻感负载的谐波分析

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 $\large \alpha$ 角相同时，随着阻抗角 $\large \varphi$ 的增大，谐波含量有所减少。

4）斩控式交流调压电路

在交流电源 $\large u_1$ 的正半周，用 $\large V_1$ 进行斩波控制，用 $\large V_3$ 给负载电流提供续流通道；在交流电源 $\large u_1$ 的负半周，用 $\large V_2$ 进行斩波控制，用 $\large V_4$ 给负载电流提供续流通道。二极管的作用是提高承受反向电压的能力。

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。

4.1.2 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式。

1）星形联结电路

可分为三相三线和三相四线。

三相四线电路（零线开关合上）

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。 $\large \alpha =90^{\circ}$ 时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。

三相三线电路（零线开关断开）

主要分析电阻负载时的情况

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，以保证两个晶闸管同时导通。
触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为 $\large VT_1\sim VT_6$ ，依次相差60°。
相电压过零点定为开通角 $\large \alpha$ 的起点， $\large \alpha$ 角移相范围是0°~150°。

(1) $\large 0^{\circ}\leq \alpha < 60^{\circ}$ ：三管导通与两管导通交替，每管导通 $\large 180^{\circ}-\alpha$ 。但 $\large \alpha =0^{\circ}$ 时一直是三管导通。

(2) $\large 60^{\circ}\leq \alpha < 90^{\circ}$ ：两管导通，每管导通120°。

(3) $\large 90^{\circ}\leq \alpha < 150^{\circ}$ ：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为 $\large 300^{\circ}-2\alpha$ 。

星形联结电路谐波情况

电流谐波次数为 $\large 6k\pm 1$ （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。
线电流中的谐波次数为 $\large 6k\pm 1$ （k为正整数）。
在相同负载和 $\large \alpha$ 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 Reactor——TCR）

$\large \alpha$ 移相范围为（纯电感）90°~180°。
控制 $\large \alpha$ 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 Campensator——SVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。

4.2 其他交流电力控制电路

4.2.1 交流调功电路

交流调功电路与交流调压电路的异同比较

相同点：电路形式完全相同
不同点：控制方式不同
交流调压电路在每个交流电源周期都对输出电压波形进行控制。
交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期，再断开几个周期，通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。

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M-N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。

谐波情况

频谱图（以控制周期为基准）。 $\large I_n$ 为n次谐波有效值， $\large I_o$ 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（电源频率）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。

4.2.2 交流电力电子开关

概念

把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，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（Thyristor Switched Capacitor——TSC）

作用

对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压（电网电压受无功功率影响，电网电压内阻抗，主要的电感，电阻较小；负载无功功率变化引起内阻抗上的压降变化；一般来说，负载加电容使电网电压提高），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

晶闸管反并联后串入交流电路。
实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。

晶闸管的投切

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，电容投切过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化（电流从0开始变化）。

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 $\large u_C$ 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。

4.3 交交变频电路

4.3.1 单相交交变频器

晶闸管交交变频电路，也称周波变流器（Cycloconvertor）。

把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，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，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。

1）电路构成和基本工作原理

电路构成

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（三相电源输入，单相输出）。
变流器P和N都是相控整流电路。

工作原理

P组工作时，负载电流 $\large i_o$ 为正。
P组工作时， $\large i_o$ 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。

改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率 $\large \omega _o$ 。

改变变流电路的控制角 $\large \alpha$ ，就可以改变交流输出电压的幅值。

为使 $\large u_o$ 波形接近正弦波，可按正弦规律对 $\large \alpha$ 角进行调制。（若控制角保持不变，则输出波形为方波）

在半个周期内让P组 $\large \alpha$ 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。另外半个周期可对N组进行同样的控制。

$\large u_o$ 由若干段电源电压拼接而成，在 $\large u_o$ 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，也适用于交流电动机负载。

把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时 $\large u_o$ 的脉动分量，就可把电路等效成如下图所示的正弦波交流电源和二极管的串联。

设负载阻抗角为 $\large \varphi$ ，则输出电流滞后输出电压 $\large \varphi$ 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，*另一组变流电路的触发脉冲。

工作状态

$\large t_1\sim t_3$ 期间： $\large i_o$ 正半周，正组工作，反组被*。

$\large t_1\sim t_2$ ： $\large u_o$ 和 $\large i_o$ 均为正，正组整流，输出功率为正。
$\large t_2\sim t_3$ ： $\large u_o$ 反向， $\large i_o$ 仍为正，正组逆变，输出功率为负。

$\large t_3\sim t_5$ 期间： $\large i_o$ 负半周，反组工作，正组被*。

$\large t_3\sim t_4$ ： $\large u_o$ 和 $\large i_o$ 均为负，反组整流，输出功率为正。
$\large t_4\sim t_5$ ： $\large u_o$ 反向， $\large i_o$ 仍为负，反组逆变，输出功率为负。

小结

哪一组工作由 $\large i_o$ 方向决定，与 $\large u_o$ 极性无关。
工作在整流还是逆变，则根据 $\large u_o$ 方向与 $\large i_o$ 方向是否相同确定。

当 $\large u_o$ 和 $\large i_o$ 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。

考虑无环流工作方式下 $\large i_o$ 过零的死区时间，一周期可分为6段。

第1段： $\large i_o< 0$ ， $\large u_o> 0$ ，反组逆变。

第2段：电流过零，为无环流死区。

第3段： $\large i_o> 0$ ， $\large u_o> 0$ ，正组整流。

第4段： $\large i_o> 0$ ， $\large u_o< 0$ ，正组逆变。

第5段：电流过零，为无环流死区。

第6段： $\large i_o< 0$ ， $\large u_o< 0$ ，反组整流。

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 $\large U_{d0}$ 为 $\large \alpha =0$ 时整流电路的理想空载电压，则有 $\large \bar{u_o}=U_{d0}\cos \alpha$ 。

每次控制时 $\large \alpha$ 角不同。

$\large \bar{u_o}$ 表示每次控制间隔内 $\large u_o$ 的平均值。

设期望的正弦波输出电压为： $\large u_o=U_{om}\sin \omega _ot$ 。

则应使 $\large \cos \alpha =\frac{U_{om}}{U_{d0}}\sin \omega _ot=\gamma \sin \omega _ot$ 。

$\large \gamma$ 称为输出电压比： $\large \gamma =\frac{U_{om}}{U_{d0}}\left ( 0\leq \gamma \leq 1 \right )$ 。

余弦交点法基本公式： $\large \alpha =\cos^{-1}(\gamma \sin \omega _ot)$ 。

余弦交点法图解

线电压 $\large u_{ab}$ 、 $\large u_{ac}$ 、 $\large u_{bc}$ 、 $\large u_{ba}$ 、 $\large u_{ca}$ 和 $\large u_{cb}$ 依次用 $\large u_{1}\sim u_{6}$ 表示。

相邻两个线电压的交点对应于 $\large \alpha =0$ 。

$\large u_1\sim u_6$ 所对应的同步信号分别用 $\large u_{s1}\sim u_{s6}$ 表示。

$\large u_{s1}\sim u_{s6}$ 比相应的 $\large u_1\sim u_6$ 超前30°， $\large u_{s1}\sim u_{s6}$ 的最大值和相应线电压 $\large \alpha =0$ 的时刻对应。

以 $\large \alpha =0$ 为零时刻，则 $\large u_{s1}\sim u_{s6}$ 为余弦信号。

希望输出电压为 $\large u_o$ ，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压 $\large u_{s1}\sim u_{s6}$ 的下降段和 $\large u_o$ 的交点来决定。

是一种控制电压与输出电压间为比例关系的移相控制方式。

不同 $\large \gamma$ 时，在 $\large u_o$ 一周期内， $\large \alpha$ 随 $\large \omega _ot$ 变化的情况。图中， $\large \alpha =\cos^{-1}(\gamma \sin \omega _ot)=\frac{\pi }{2}-\sin^{-1}(\gamma \sin \omega _ot)$ 。
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引言

分类

4.1 交流调压电路

原理

应用

4.1.1 单相交流调压电路

1）电阻负载

数量关系

2）阻感负载

数量关系

3）单相交流调压电路的谐波分析

电阻负载

阻感负载的谐波分析

4）斩控式交流调压电路

特性

4.1.2 三相交流调压电路

1）星形联结电路

三相四线电路（零线开关合上）

三相三线电路（零线开关断开）

主要分析电阻负载时的情况

星形联结电路谐波情况

2）支路控制三角联结电路

谐波情况

典型用例——晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor——TCR）

4.2 其他交流电力控制电路

4.2.1 交流调功电路

交流调功电路与交流调压电路的异同比较

电阻负载时的工作情况

谐波情况

4.2.2 交流电力电子开关

概念

优点

与交流调功电路的区别

晶闸管投切电容（Thyristor Switched Capacitor——TSC）

作用

结构和原理

晶闸管的投切

4.3 交交变频电路

4.3.1 单相交交变频器

1）电路构成和基本工作原理

2）整流与逆变工作状态

工作状态

小结

3）输出正弦波电压的调制方法

余弦交点法图解

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