第十四讲交流电力控制

1、电 力 电 子 技 术Power Electronic TechnologyPower Electronic Technology交流电力控制电路交流电力控制电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组概概 述述u交流交流- -交流变流电路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,而不改变频率的电路。交流调压电路 相位控制交流调功电路 通断控制变频电路改变频率的电路 交交变频 直接 交直交变频 间接合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组概概 述述 交流电力控制电路的结构及类型交流电

2、力控制电路的结构及类型 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合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组交流调压交流调压u交流调压电路的应用：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合肥工业大学电气工程学

3、院电力电子与电力传动教研组单相交流调压电路单相交流调压电路1电阻负载电阻负载 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右图为图4-1：电阻负载单相交流 调压电路及其波形RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOtRO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组单相交流调压电路单相交流调压电路

4、数量关系数量关系 负载电压有效值(4-1) 负载电流有效值 晶闸管电流有效值(4-3) 功率因数(4-4) 2sin21dsin21121oUttUU(4-1)RUIoo(4-2)22sin1(21sin221121RUtdRtUIT(4-3)2sin211oo1ooUUIUIUSP(4-4)RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组单相交流调压电路单相交流调压电路输出电压与输出电压与的关系的关系:移相范围为0。 =0时，输出电压为最大， Uo=U1。随的增大，Uo降低， =时， Uo =0。与与的关系的关系： =0时，

5、功率因数=1， 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组单相交流调压电路单相交流调压电路2阻感负载阻感负载 阻感负载时的移相范围 负载阻抗角： = arctan(L / R) 晶闸管短接，稳态时负载电流io为正弦波，相位滞后于u1的角度为 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 =0时刻仍定为u1过零的时刻，的移相范围应为 右图为图4-2： 阻感负载单相交流调压电路及其波形VT1RL0.6图4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOt

6、tOuG1uG2OOtt合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组单相交流调压电路单相交流调压电路tLRtLReZUeZUi)sin(2)sin(21)(12tgLRee)sin()sin()sin()(当控制角为时（设坐标原点为t=0），即晶闸管导通时电压波形相位角为 ，这时通过晶闸管的电流有两个分量，即稳定分量i1和自由分量i2)sin(211tZUi0ti=i1+i2=0ti=i1+i2=0(4-6)tgtetZUisinsin210t22)( LRZ合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组单相交流调压电路单相交流调压电路图4-3 单相交流调压电路以为参变量的和关系曲线 各

7、曲线上=180的点都对应于a= ； ttZUio)sin(21 负载电流成为完整的正弦波，负载电路这时获得最大功率，相当于晶闸管此时已被短接。负载电流处于连续状态。 合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 数量关系数量关系负载电压有效值 晶闸管电流有效值 单相交流调压电路单相交流调压电路cos)2cos(sin21ZU)d()sin()sin(2212tg1VTtetZUIt(4-9)(4-8)tdtUUo21)sin2(122sin2sin11 U合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组单相交流调压电路单相交流调压电路P131第2题：一单相交流调压器，电源为工频220V，阻

8、感负载，其中R=0.5，L=2mH，求1）开通角的变化范围；2）负载电流的最大有效值；3）最大输出功率及此时电源侧的功率因数负载阻抗角为：899. 0)2arctan()arctan(RfLRL开通角的变化范围为：0.899当 =0.899时，输出电压最大，负载电流最大，此时输出功率最大)(375382maxmaxWRIPoo此时功率因数为：)(274)(221maxALRUIo62. 01maxooIUP合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组单相交流调压电路单相交流调压电路 a 时的工作情况（用窄脉冲触发）v VT1提前导通，L被过充电，放电时间延长， VT1的导通角超过；v触发V

9、T2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不导通；ttttOOOOu1iG1iG2ioiT1触发脉冲的宽度-()=-合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组单相交流调压电路单相交流调压电路 a 时的工作情况（用宽脉冲触发）v VT1提前导通，L被过充电，放电时间延长， VT1的导通角超过；v触发VT2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不导通；vio过零后， VT2开通， VT2导通角小于；v从第2个周期开始，VT1的导通角逐渐减小，VT2的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角均为。vVT1被首次触发后，电路的工作过程和两只晶闸管被短接一样，过渡过程和带R-L负载的单相

10、交流电路在t =a时合闸的过渡过程相同；tttt图4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT2合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组在交流电源u1的正半周RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图4-7 斩控式交流调压电路单相交流调压电路单相交流调压电路用V1进行斩波控制用V3给负载电流提供续流通道斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V2进行斩波控制用V4给负载电流提供续流通道图4-7 斩控式交流调压电路在交流电源u1的负半周单相交流调压电路单相

11、交流调压电路斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组单相交流调压电路单相交流调压电路 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合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组三相交流调压电路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合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组三相交

12、流调压电路三相交流调压电路1 1星形联结电路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。90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组三相交流调压电路三相交流调压电路 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

13、 不论单相还是三相交流调压器，都以相电压过零点定为a的起点，这一点与三相桥式整流电路不同。 当改变a时，调压器有两种工作状态：在同一时刻，每一相有一只晶闸管导电，称为1类工作状态；在同一时刻，有一相晶闸管都不导电，另两相各有一只晶闸管导电，称为2类工作状态。va角移相范围是0-150原因：因a是根据相电压定出的，线电压超前相电压30，当a150 时，电路工作在2类工作状态，线电压为零且即将变负，晶闸管不能导通。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组三相交流调压电路三相交流调压电路l (1)060：三管导通与两管导通交替，每管导通180。但 =0时一直是三管导通。图4-10 不同角时负

14、载相电压波形a) =30合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组6090：两管导通，每管导通120。(2)图4-10 不同角时负载相电压波形b) =60三相交流调压电路三相交流调压电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组三相交流调压电路三相交流调压电路l (3)90150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 。图4-10 不同角时负载相电压波形 c) =120合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组三相交流调压电路三相交流调压电路图4-10c)晶闸管导通区间a)晶闸管导通区间晶闸管导通区间b)432353302432353302432353302uaou

15、aouaouauauauab2uac2uab2uac2uab2uac2t1t2t3t1t2t3VT1VT3VT4VT6VT1VT6VT2VT5VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT5VT4VT2VT4VT6图4-10 不同角时负载相电压波形a) =30b) =60c) =120合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组三相交流调压电路三相交流调压电路 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 Campensator(Static Var Ca

16、mpensatorSVCSVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。移相范围为90180。控制角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。支路控制三角联结电路支路控制三角联结电路典型用例-晶闸管控制电抗器（Thyristor CThyristor Controlled Reactorontrolled ReactorTCRTCR）合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组交流调功电路交流调功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

17、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 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。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组交流调功电路交流调功电路 电阻负载时的工作情况2NM电源周期控制周期=M倍电源周期=24MO导通段=M3M2Muou1uo,iotU12图4-13 交流调功电路典型波形(M =3、N =2)图41电阻负载单相交流调压电路控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后N M

18、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。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 概念：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合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 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 实际