電力電子技術(shù)交交變頻電路講稿

1、內(nèi)蒙古大學(xué)電子信息工程學(xué)院自動(dòng)化系電力電子技術(shù)Power Electronic Technology 6.1 6.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路 6.1.2 6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路 6.2 6.2 其他交流電力控制電路其他交流電力控制電路 6.2.1 6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 6.2.2 6.2.2 交流電力電子開(kāi)關(guān)交流電力電子開(kāi)關(guān) 6.3 6.3 交交交變頻電路交變頻電路 6.3.1 6.3.1 單相交單相交交變頻電路交變頻電路 6.3.2 6.3.2 三相交三相交交變頻電路交變頻電路第6 章 交流電力

2、控制電路和交交變頻電路第6 章 交流電力控制電路和交交變頻電路引言引言交流交流-交流變流電路交流變流電路一種形式的交流電變成另一種形式交流電的電路，可改變相關(guān)的電壓、電流、頻率和相數(shù)等u交流電力控制電路交流電力控制電路只改變電壓、電流或控制電路的通斷，不改變頻率交流調(diào)壓電路相位控制(由晶閘管)或斬控式(由全控型器件)交流調(diào)功電路及交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)通斷控制u變頻電路變頻電路改變頻率，大多不改變相數(shù)，也有改變相數(shù)的交交變頻電路直接把一種頻率的交流變成另一種頻率或可變頻率的交流，直接變頻電路交直交變頻電路先把交流整流成直流，再把直流逆變成另一種頻率或可變頻率的交流,間接變頻電路，4.1節(jié)u交流調(diào)壓電路

3、每半個(gè)周波控制晶閘管開(kāi)通相位，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值u交流調(diào)功電路以交流電周期為單位控制晶閘管通斷，改變通斷周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率的平均值u交流電力電子開(kāi)關(guān)如果并不著意調(diào)節(jié)輸出平均功率，而只是根據(jù)需要接通或斷開(kāi)電路,此時(shí)晶閘管作開(kāi)關(guān)用6.1 交流調(diào)壓電路l交流電力控制電路的結(jié)構(gòu)兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，控制晶閘管就可控制交流電力，這種電路不改變交流電的頻率l類型第6 章 交流電力控制電路和交交變頻電路 交流調(diào)壓電路的應(yīng)用交流調(diào)壓電路的應(yīng)用u燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制）u異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)u異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速u供用電系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)u在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)

4、變壓器一次電壓6.1 交流調(diào)壓電路6.1.1 單相交流調(diào)壓電路u在 u1的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的開(kāi)通角a進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓u正負(fù)半周a 起始時(shí)刻（a =0）均為電壓過(guò)零時(shí)刻，穩(wěn)態(tài)時(shí)，正負(fù)半周的a 相等u負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓的波形相同RO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt圖6-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形1 1電阻負(fù)載電阻負(fù)載工作原理工作原理 負(fù)載電壓有效值(6-1) 負(fù)載電流有效值 晶閘管電流有效值(6-3) 功率因數(shù)(6-4) aaa=2sin21dsin21121oUttUURUI

5、oo=)22sin1 (21sin221121aaa=RUtdRtUITaa=2sin211oo1ooUUIUIUSP(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)6.1.1 單相交流調(diào)壓電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系6.1.1 單相交流調(diào)壓電路輸出電壓與輸出電壓與a的關(guān)系的關(guān)系:移相范圍為0 a 。 a =0時(shí)，輸出電壓為最大， Uo=U1。隨a的增大，Uo降低， a =時(shí)， Uo =0。與與a的關(guān)系的關(guān)系： a =0時(shí)，功率因數(shù)=1， a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低阻感負(fù)載時(shí)a的移相范圍u負(fù)載阻抗角：j = arctan(wL / R) u晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為

6、ju 在用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后，而無(wú)法使其超前u a =0時(shí)刻仍定為u1過(guò)零的時(shí)刻，a的移相范圍應(yīng)為j a 圖6-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形RL0.6圖4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt6.1.1 單相交流調(diào)壓電路2 2阻感負(fù)載阻感負(fù)載6.1.1 單相交流調(diào)壓電路4 4斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路采用全控型器件作為開(kāi)關(guān)器件電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)為1電源電流不含低次諧波，只含和開(kāi)關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波功率因數(shù)接近1RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4V

7、D3圖6-7 斬控式交流調(diào)壓電路u1i1O圖4-8uoOOttt圖6-8 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形工作原理工作原理特性特性基本原理和直流斬波電路有類似之處uu1正半周，用V1進(jìn)行斬波控制，V3提供續(xù)流通道uu1負(fù)半周，用V2進(jìn)行斬波控制，V4提供續(xù)流通道u設(shè)斬波器件（V1或V2）導(dǎo)通時(shí)間為ton，開(kāi)關(guān)周期為T(mén)，則導(dǎo)通比a = ton/T，改變a 可調(diào)節(jié)輸出電壓6.1.2 三相交流調(diào)壓電路根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式n負(fù)載acn負(fù)載abca)b)負(fù)載abcc)負(fù)載bd) 圖4-9abcuaubuciaUa0nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1

8、VT3VT4VT5VT6VT2圖6-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié) b) 線路控制三角形聯(lián)結(jié) c) 支路控制三角形聯(lián)結(jié) d) 中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)1星形聯(lián)結(jié)電路星形聯(lián)結(jié)電路可分為三相三線和三相四線兩種情況 三相四線三相四線u 基本原理：相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開(kāi)120工作。基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動(dòng)，不流過(guò)零線u 問(wèn)題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過(guò)零線。零線有很大3倍次諧波電流。a=90時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近6.1.2 三相交流調(diào)壓電路 三相三線，三相三線，電阻負(fù)載時(shí)的情況u任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路u 電流通路中至少有兩個(gè)晶閘管，應(yīng)采用雙

9、脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)u 觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，u 為VT1 VT6,依次相差60u 相電壓過(guò)零點(diǎn)定為a的起點(diǎn)， a角移相范圍是01506.2 6.2 其他交流電力控制電路其他交流電力控制電路 6.2.1 6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 6.2.2 6.2.2 交流電力電子開(kāi)關(guān)交流電力電子開(kāi)關(guān)第6 章 交流電力控制電路和交交變頻電路6.2.1 交流調(diào)功電路 與交流調(diào)壓電路的異同與交流調(diào)壓電路的異同 電路形式完全相同 控制方式不同：將負(fù)載與電源接通幾個(gè)周波，再斷開(kāi)幾個(gè)周波，改變通斷周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率 應(yīng)用應(yīng)用 常用于電爐的溫度控制 因其直接調(diào)節(jié)對(duì)象是電路的平

10、均輸出功率，所以稱為交流調(diào)功電路控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)很大，以周波數(shù)為單位控制即可通常晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻為電源電壓過(guò)零的時(shí)刻，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對(duì)電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染 當(dāng)M=3、N=2時(shí)的電路波形如圖6-11 負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期M電源周期控制周期=M倍電源周期=24M圖4-13O導(dǎo)通段=2NM3M2Muou1uo,iotU12圖6-11 交流調(diào)功電路典型波形(M =3、N =2)6.2.1 交流調(diào)功電路電阻負(fù)載時(shí)的工作情況控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后MN個(gè)周期關(guān)斷6.2.2 交流電力電子開(kāi)關(guān) 作用：代替機(jī)械開(kāi)關(guān)，起接通和

11、斷開(kāi)電路的作用 優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可頻繁控制通斷交流電力電子開(kāi)關(guān)：晶閘管反并聯(lián)后串入晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路交流電路與交流調(diào)功電路的區(qū)別與交流調(diào)功電路的區(qū)別并不控制電路的平均輸出功率通常沒(méi)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(kāi)控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多IU抑制沖擊電流的小電感a)圖4-15b)圖TSC基本原理圖a) 基本單元單相簡(jiǎn)圖 b) 分組投切單相簡(jiǎn)圖6.2.2 交流電力電子開(kāi)關(guān)晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（Thyristor Switched CapacitorTSC）對(duì)無(wú)功功率控制，可提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量 性能優(yōu)于機(jī)械開(kāi)關(guān)投

12、切的電容器交流電力電子開(kāi)關(guān)的應(yīng)用交流電力電子開(kāi)關(guān)的應(yīng)用 基本原理圖（單相） 實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié) 兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管起著把C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開(kāi)的作用（圖4-15a） 串聯(lián)電感很小，用來(lái)抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)的沖擊電流 實(shí)際工程中，為避免電容器組投切造成較大沖擊，一般把電容器分成幾組（圖4-15b），可根據(jù)電網(wǎng)對(duì)無(wú)功的需求而改變投入電容器的容量 TSC實(shí)際上為斷續(xù)可調(diào)的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理 晶閘管投切 選擇晶閘管投入時(shí)刻的原則：該時(shí)刻交流電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流 理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓

13、峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，電容投入過(guò)程不但沒(méi)有沖擊電流，電流也沒(méi)有階躍變化圖4-16usiCuCCVT1VT2ttttusiCuCVT1VT2t1t2uVT1uVT1圖4-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明6.2.2 交流電力電子開(kāi)關(guān)6.3 6.3 交交變頻電路交交變頻電路 6.3.1 6.3.1 單相交單相交交變頻電路交變頻電路 6.3.2 6.3.2 三相交三相交交變頻電路交變頻電路第6 章 交流電力控制電路和交交變頻電路晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)交交變頻電路把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，屬于直接變頻電路廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)

14、系統(tǒng)，實(shí)用的主要是三相輸出交交變頻電路6.3 交交變頻電路交交變頻電路引言引言6.3.1 單相交交變頻電路u如圖6-13，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速用的四象限變流電路完全相同u變流器P和N都是相控整流電路ZPN輸出電壓平均輸出電壓圖4-18OuouoaP=0aP=2aP=2t圖613 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形1電路構(gòu)成和基本工作原理電路構(gòu)成和基本工作原理電路構(gòu)成電路構(gòu)成6.3.1 單相交交變頻電路在半個(gè)周期內(nèi)讓P組a 角按正弦規(guī)律從90減到0或某個(gè)值，再增加到90，每個(gè)控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零。另外半個(gè)周期可對(duì)N組

15、進(jìn)行同樣的控制uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個(gè)周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波工作原理工作原理ZPN輸出電壓 平均輸出電壓圖4-18OuouoaP=0aP=2aP=2t圖613 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形uP組工作時(shí)，負(fù)載電流io為正uN組工作時(shí)，io為負(fù)u兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率 o改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值u為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對(duì)a角進(jìn)行調(diào)制1OO23456圖4-20uoiott圖6-15 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形6.3.1

16、單相交交變頻電路6.3.2 三相交交變頻電路u交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路u由三組輸出電壓相位各差120的單相交交變頻電路組成1電路接線方式電路接線方式主要有兩種：公共交流母線進(jìn)線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式6.3.2 6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路1) 公共交流母線進(jìn)線方公共交流母線進(jìn)線方式（圖式（圖6-19） 由三組彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位相互錯(cuò)開(kāi)120的單相交交變頻電路構(gòu)成電源進(jìn)線通過(guò)進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上因?yàn)殡娫催M(jìn)線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組必須拆開(kāi)主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)圖4-24圖6-

17、19 公共交流母線進(jìn)線三相交交變頻電路（簡(jiǎn)圖）2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式（圖輸出星形聯(lián)結(jié)方式（圖6-20）圖4-25a)b)圖6-20 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡(jiǎn)圖 b）詳圖6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路因?yàn)槿M的輸出聯(lián)接在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此分別用三個(gè)變壓器供電由于輸出端中點(diǎn)不和負(fù)載中點(diǎn)相聯(lián)接，所以在構(gòu)成三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中的四個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流和整流電路一樣，同一組橋內(nèi)的兩個(gè)晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時(shí)導(dǎo)通兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時(shí)導(dǎo)通三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié)電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)不和變頻器中點(diǎn)接在一起，電動(dòng)機(jī)只引出三根線即可交交變頻和交直交變頻的比較交交變頻和交直交變頻的比較8.1節(jié)中介紹間接變頻電路，先把交流變換成直流，再把直流逆變成