電力電子變換和控制技術(shù)(第二版) (陳堅(jiān))第6章

1、電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）第第 6 6 章章交流交流- -交流變換器交流變換器6.0 6.0 引言引言6.1 6.1 晶閘管交流電壓控制器的類型晶閘管交流電壓控制器的類型 6.2 6.2 單相交流電壓控制器單相交流電壓控制器6.3 6.3 三相全波交流電壓控制器三相全波交流電壓控制器* *6.4 6.4 變壓器抽頭電壓控制器變壓器抽頭電壓控制器* *6.5 6.5 晶閘管相控交流晶閘管相控交流/ /交流直接變頻器交流直接變頻器* *6.6 6.6 矩陣式交流矩陣式交流/ /交流變頻器交流變頻器6.7 6.7 本章小結(jié)本章小結(jié)6 6 交流交流- -交流變換器交流變換器 本章主要講

2、述本章主要講述 交流交流-交流變流電路交流變流電路 把一種形式的交流電變成另一種形式交流電的電路交流電壓 控制器頻率不變，僅改變電壓大小交流調(diào)壓電路 相位控制交流調(diào)功電路 通斷控制變頻器實(shí)現(xiàn)頻率變換亦可改變電壓大小 交交變頻 直接 交直交變頻 間接n 采用晶閘管作開關(guān)器件時(shí)，依靠交流電源瞬時(shí)值過零及反向來關(guān)斷晶采用晶閘管作開關(guān)器件時(shí)，依靠交流電源瞬時(shí)值過零及反向來關(guān)斷晶閘管。晶閘管開關(guān)器件的開通則可采用移相控制，改變控制角調(diào)控變換器閘管。晶閘管開關(guān)器件的開通則可采用移相控制，改變控制角調(diào)控變換器輸出電壓的大小。輸出電壓的大小。n 單相電壓控制器常用于小功率單相電動(dòng)機(jī)、照明和電加熱控制，三相單相

3、電壓控制器常用于小功率單相電動(dòng)機(jī)、照明和電加熱控制，三相交流交流- -交流電壓控制器的輸出是三相恒頻變壓交流電源，通常給三相交流交流電壓控制器的輸出是三相恒頻變壓交流電源，通常給三相交流異步電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變壓調(diào)速，或作為異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變壓調(diào)速，或作為異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)器使用。器使用。 6.0 引言引言6.1.1 6.1.1 單相全控單相全控 6.1.2 6.1.2 帶中線星形聯(lián)結(jié)帶中線星形聯(lián)結(jié)6.1.3 6.1.3 無中線的三相連接無中線的三相連接6.1.4 6.1.4 三角形聯(lián)結(jié)的控制器三角形聯(lián)結(jié)的控制器6.1 晶閘管交流電壓控制器的類型晶閘管交

4、流電壓控制器的類型sitVvsssin2Roiov1T4T（a） 單相全控通態(tài)時(shí)：)()(tvtvSO斷態(tài)時(shí)：0)(tvO兩個(gè)反并聯(lián)開關(guān)器件負(fù)載電壓、負(fù)載功率的大小由控制角a確定6.1.1 單相全控單相全控siV1T4T3T6T5T2T（b） 帶中線星形聯(lián)接90a時(shí)，中線電流約等于相電流三個(gè)單相交三個(gè)單相交流電壓控制流電壓控制器可組合成器可組合成帶中線的三帶中線的三相交流電壓相交流電壓控制器控制器 缺點(diǎn)中線電流大6.1.2 帶中線星形聯(lián)結(jié)帶中線星形聯(lián)結(jié)siV（c） 無中線的三相聯(lián)接輸入電流中沒有3次及3的倍數(shù)次諧波電流6.1.3 無中線的三相連接無中線的三相連接NvANvBNvCNiAiBiC

5、BACZLZLT1T4T6T3ZLT2T5(d) 聯(lián)接的交流電壓控制器只適用于允許斷開6根出線端子的三角形負(fù)載6.1.4 三角形聯(lián)結(jié)的交流電壓控制器三角形聯(lián)結(jié)的交流電壓控制器6.2.1 6.2.1 電阻負(fù)載電阻負(fù)載 6.2.2 6.2.2 電阻、電感性負(fù)載電阻、電感性負(fù)載* *6.2.3 PWM6.2.3 PWM交流電壓控制器交流電壓控制器6.2 單相交流電壓控制器單相交流電壓控制器利用傅立葉級(jí)數(shù)可求出基波及各次諧波。2011( 2sin) ()sin22SSVVt dtVaa aRVIIS/00aa2sin21000SSSVVIVIVSPPFsitVvsssin2RoiOv1T4T1gi4g

6、i4Ti1TiRVIIST2/2/0tVvsssin202taaRvio00ta2aABCDaaovovoioi6.2.1 電阻負(fù)載電阻負(fù)載表6.1 不同觸發(fā)角a時(shí)基波mV1和315次諧波電壓(電流)的相對(duì)值6.2.1 電阻負(fù)載（續(xù)）電阻負(fù)載（續(xù)）圖6.3 電阻負(fù)載、不同觸發(fā)角時(shí)基波及諧波幅值分布圖6.2.1 基波及諧波分布圖基波及諧波分布圖(a) 電路（1）a=f 時(shí)，iivOSO,tVvvSSOsin2)sin(2ftZViiSOS22)(RLZRL/arctanf均為正弦波01Titat02aasvff4Tisisisva2(c)電流連續(xù)電感性負(fù)載波形2aAfafasitVvsssin2

7、RoiOv1T4TL1gi4gi4Ti1Ti6.2.2 電阻、電感性負(fù)載（續(xù)電阻、電感性負(fù)載（續(xù)1) )（2）af 時(shí)，020406080100120140 16018020406080100120140160180a=90=75=60=45=30=15=0 (e) 導(dǎo)通角 與控制角 的關(guān)系曲線（以負(fù)載阻抗角 為參變量）1,180LRaaatgffff時(shí) ，由， 可 求 出，ffcossin)(tgeatgfa6.2.2 電阻、電感性負(fù)載（續(xù)電阻、電感性負(fù)載（續(xù)3）1T 1oT avToTtg,180i( ), V , I,I2 ILRaaatTff ff時(shí) ，由，可 求 出，再 求及ffco

8、s)2cos(sinaZVSTI（f）晶閘管電流的標(biāo)么值 與控制角 的關(guān)系曲線*TIaffacos2)2cos(sin22122/*TSSTTIVZZVII6.2.2 電阻、電感性負(fù)載電阻、電感性負(fù)載 （續(xù)（續(xù)4）例例6-1 單相交流調(diào)壓器控制230v交流電源的輸出功率，負(fù)載電阻為23、感抗為23 ，求（1）a角控制范圍；（2）最大電流有效值；（3）最大功率和功率因數(shù)。解: (1)42323arctanarctanminfaRLamax； (2)minaa時(shí)，最大電流有效值OI為：ALRVIO07. 72323230)(2/1222/122(3) 最大功率 ( 時(shí) )WRIPO322max10

9、15. 107. 723707. 007. 72301150視在功率有效功率功率因數(shù)注：注：在a amin的非正弦電流工作下，功率因數(shù)基波相移因數(shù)。 minaaS3,S4: 負(fù)載續(xù)流開關(guān)S1S4:自關(guān)斷功率器件優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓諧波含量少*6.2.3 PWM交流電壓控制器交流電壓控制器6.3 三相全波交流電壓控制器三相全波交流電壓控制器6.3.1 三相三相Y聯(lián)結(jié)電壓控制器聯(lián)結(jié)電壓控制器(a) 電路ABCNCAVBCVABV(b)矢量圖AVBVCVT T6 6T T5 5T T6 6T T2 2T5T T4 4T T2 2T T3 3T T1 1T T1 1V0t0)(ac晶閘管導(dǎo)通區(qū)間控制角控制角

10、 a=0，三相同時(shí)導(dǎo)電，三相同時(shí)導(dǎo)電，180180導(dǎo)電導(dǎo)電 。ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6T六個(gè)晶閘管六個(gè)晶閘管T T1 1T T6 6的觸發(fā)信號(hào)依序相差的觸發(fā)信號(hào)依序相差6060，脈寬大于脈寬大于6060，各相電源由負(fù)變正的過零，各相電源由負(fù)變正的過零點(diǎn)為控制角點(diǎn)為控制角a a的計(jì)算起點(diǎn)。的計(jì)算起點(diǎn)。(a) 電路0AVBVCVt060IIIIII1T3T2T4T5T6TuAiABVACVBCVRVAB20600)(adtuRVAC2兩相同時(shí)導(dǎo)電，導(dǎo)電角 120.ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6T6.3.1 三相三相Y聯(lián)結(jié)電壓控制器聯(lián)結(jié)電壓控制器(續(xù)續(xù)1)a

11、=60:(a) 電路AVBVCVIIIIII1T3T2T4T5T6TAiuCBVABVACVt00120)(ae001200150tuRVAB2RVAC2a=150: 完全不能導(dǎo)電。a=120: 兩相間斷導(dǎo)電， 導(dǎo)電角 小于120。ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6T6.3.1 三相三相Y聯(lián)結(jié)電壓控制器聯(lián)結(jié)電壓控制器(續(xù)續(xù)2)工作狀態(tài)小結(jié)：工作狀態(tài)小結(jié)：（1） a a30：處于：處于第一類工作狀態(tài)（三相同時(shí)導(dǎo)電）。第一類工作狀態(tài)（三相同時(shí)導(dǎo)電）。（2）30a a60：每隔：每隔30交替地出現(xiàn)第一類和第二類工作交替地出現(xiàn)第一類和第二類工作 狀態(tài)。狀態(tài)。（3） 60 a a 90 ：

12、處于：處于第二類工作狀態(tài)（兩相同時(shí)導(dǎo)電）第二類工作狀態(tài)（兩相同時(shí)導(dǎo)電）（4） 90 a a 150 ：電路全斷流，不能工作。電路全斷流，不能工作。 所以電阻負(fù)載控制角所以電阻負(fù)載控制角a a 的調(diào)控范圍為：的調(diào)控范圍為： 0 150, 三相阻感性負(fù)載，分析方法與單相電路相同。三相阻感性負(fù)載，分析方法與單相電路相同。6.3.1 三相三相Y聯(lián)結(jié)電壓控制器聯(lián)結(jié)電壓控制器(續(xù)續(xù)3)圖 6.7 三相開口三角形電壓控制器BCCACABBCBCAABAiiiiiiiii的倍數(shù)次諧波電流次及中無33,iiiCBA繞組相電流小于輸入線電流 可看作三個(gè)獨(dú)立的單相電可看作三個(gè)獨(dú)立的單相電 路分別分析。路分別分析。A

13、BiBCiCAiAiBiCiRRRLLL1T2T3T4T5T6TABCou6.3.2 三相開口三角形電壓控制器三相開口三角形電壓控制器*6.4 變壓器抽頭電壓控制器變壓器抽頭電壓控制器 圖中輸出電壓圖中輸出電壓Vo的包絡(luò)線為：的包絡(luò)線為：OABDHKG*6.4 變壓器抽頭電壓控制器變壓器抽頭電壓控制器 優(yōu)點(diǎn)：負(fù)載電壓、電流諧波可控性好，輸入電流的諧波含量少優(yōu)點(diǎn)：負(fù)載電壓、電流諧波可控性好，輸入電流的諧波含量少2VVO21VVVOaktka) 1( ktkk=0,1,2.6.5.1 6.5.1 基本工作原理基本工作原理 6.5.2 6.5.2 實(shí)用電路結(jié)構(gòu)實(shí)用電路結(jié)構(gòu)6.5.3 6.5.3 交流

14、交流/ /交流相控直接變頻的優(yōu)缺點(diǎn)交流相控直接變頻的優(yōu)缺點(diǎn)*6.5 晶閘管相控交流交流直接變頻器晶閘管相控交流交流直接變頻器正反組單相全控橋變流器并聯(lián)(類似直流可逆主電路)構(gòu)成單相輸出的相控交交直接變頻器。控制正反組變流器的ap、an 隨時(shí)間周期性變化，負(fù)載端電壓就成為頻率可控的交流電壓。圖(d)表明：負(fù)載輸出電流與輸出電壓不同相位時(shí)，正反組變流器在不同時(shí)段工作在整流或有源逆變工況。所以，半控橋變流器不能構(gòu)成交交變頻器。na6.5.1 基本工作原理基本工作原理 改變相控角ap (或an )只能在輸出電壓一個(gè)脈波周期中得到一個(gè)輸出電壓平均值，因此：2. 輸出相同頻率的交交變頻器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸入的相

15、數(shù)越多，脈波數(shù)越多，輸出電壓的脈波數(shù)就越多，諧波含量越少。輸出電壓波形改善相控交交變頻器輸出波形的措施改善相控交交變頻器輸出波形的措施1. 相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相控交交變頻器輸出頻率越低，輸出電壓的脈波數(shù)越多，諧波含量越少。6.5.1 基本工作原理（續(xù)）基本工作原理（續(xù)）三相交交變頻器每相采用的晶閘管元件越多，輸出波形越好三相交交變頻器每相采用的晶閘管元件越多，輸出波形越好6.5.2 實(shí)用電路結(jié)構(gòu)實(shí)用電路結(jié)構(gòu)6.5.2 實(shí)用電路結(jié)構(gòu)實(shí)用電路結(jié)構(gòu)(續(xù)續(xù)1)6.5.2 實(shí)用電路結(jié)構(gòu)實(shí)用電路結(jié)構(gòu)(續(xù)續(xù)2) 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： q 輸出頻率低輸出頻率低q 晶閘管用量多，且控制復(fù)雜晶閘管用量多，且控制復(fù)雜q 輸入功

16、率因數(shù)低輸入功率因數(shù)低q 交流電源輸入電流諧波嚴(yán)重，且難于抑制交流電源輸入電流諧波嚴(yán)重，且難于抑制 適用范圍：大功率可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： q 只需一級(jí)變換環(huán)節(jié)只需一級(jí)變換環(huán)節(jié)q 晶閘管工作在自然換流工況晶閘管工作在自然換流工況q 能量可雙向傳遞，易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行能量可雙向傳遞，易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行q 低頻輸出時(shí)可獲得較高質(zhì)量的正弦電壓波形低頻輸出時(shí)可獲得較高質(zhì)量的正弦電壓波形6.5.3 交流交流相控直接變頻的優(yōu)缺點(diǎn)交流交流相控直接變頻的優(yōu)缺點(diǎn)6.6.0 6.6.0 概述概述6.6.1 6.6.1 矩陣式交交變頻器的控制方法矩陣式交交變頻器的控制方法6.6.3 6.6.3 矩陣式交

17、交變頻器的優(yōu)缺點(diǎn)矩陣式交交變頻器的優(yōu)缺點(diǎn)*6.6 矩陣式交流交流變頻器矩陣式交流交流變頻器6.6.0 概述概述交流交流直接變頻器中的半控元件晶閘管改為全控元件(如IGBT)可構(gòu)成矩陣式交交直接變頻器（Matrix AC-AC Converter）圖（a）中任一開關(guān)都是雙向可控開關(guān)對(duì)圖（a）中的9個(gè)雙向開關(guān)器件進(jìn)行高頻SPWM控制，就可獲得頻率、電壓均可調(diào)控的三相對(duì)稱的交流輸出電壓圖（b）是構(gòu)成雙向開關(guān)的方案之一圖6.11a中的輸出電壓滿足以下關(guān)系CBACcBcAcCbBbAbCaBaAacbavvvSSSSSSSSSvvv矩陣中9個(gè)開關(guān)函數(shù)表明了圖6.11a中9個(gè)可控開關(guān)（18個(gè)IGBT）的工作狀態(tài),其開通、關(guān)斷切換原則： 滿足矩陣函數(shù)關(guān)系 不造成交流電源兩相短路 不引起感性負(fù)載開路過電壓四步換流法是滿足上述要求的控制方案之一6.6.1 矩陣式交交變頻器的控制方法矩陣式交交變頻器的控制方法優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1. 自關(guān)斷元件工作頻率高，采用自關(guān)斷元件工作頻率高，采用SPWM波工作方式波工作方式可獲得較理想的正弦電壓可獲得較理想的正弦電壓2. 輸出波形交流輸入功率因數(shù)高輸出波形交流輸入功率因數(shù)高3. 交流輸入電流諧波頻率高，便于濾波抑制交流輸入電流諧波頻率高，便于濾波抑制缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1. 采用價(jià)格偏高的自關(guān)斷元件采用價(jià)格偏高的自關(guān)斷元件2. 自關(guān)斷元件耐沖擊能力不如半控元件晶閘管自