第5講 ACAC電路

1、第六講 交流-交流變換電路1電力電子基礎(chǔ) Fundamental Power Electronics 第六講 交流-交流變換電路第六講 交流-交流變換電路2交流交流變換電路交流交流變換電路u 概述u 交流調(diào)壓電路u 其他交流電力控制電路u 交交變頻電路u 小結(jié)第六講 交流-交流變換電路31.概述概述n 交流交流- -交流變流電路交流變流電路一種形式的交流變成另一種形式交流，可改變電壓、電流、頻率和相數(shù)等1.1.交流電力控制電路交流電力控制電路改變電壓、電流或電路的通斷，不改變頻率交流調(diào)壓電路相位控制（或斬控式）交流調(diào)功電路及交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)通斷控制2.2.變頻電路變頻電路改變頻率，多不改變相數(shù)，

2、或改變相數(shù)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,間接變頻電路第六講 交流-交流變換電路42.交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 (2) 相位控制相位控制 (3) 斬波控制斬波控制 (1) 通斷控制通斷控制 第六講 交流-交流變換電路5相控式單相交流調(diào)壓電路相控式單相交流調(diào)壓電路電阻負(fù)載電阻負(fù)載n 工作原理：工作原理：在 u1的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的開(kāi)通角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。=0為電壓過(guò)零時(shí)刻。n 輸出電壓與輸出電壓與的關(guān)系的關(guān)系:移相范圍為0。 =0，輸出電壓為最大，

3、Uo=U1。隨的增大，Uo降低， =， Uo =0。n 功率因數(shù)功率因數(shù)與與的關(guān)系的關(guān)系： =0時(shí)，功率因數(shù) =1， 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低第六講 交流-交流變換電路6相控式單相交流調(diào)壓電路相控式單相交流調(diào)壓電路n負(fù)載電壓有效值 n負(fù)載電流有效值 n晶閘管電流有效值n功率因數(shù)2sin21dsin21121oUttUURUIoo)22sin1(21sin221121RUtdRtUIT2sin211oo1ooUUIUIUSP第六講 交流-交流變換電路7相控式單相交流調(diào)壓電路相控式單相交流調(diào)壓電路阻感負(fù)載阻感負(fù)載n阻感負(fù)載時(shí)阻感負(fù)載時(shí) 的移相范圍的移相范圍 負(fù)載阻抗角： = arcta

4、n(L/R) 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 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=0時(shí)刻仍定為u1過(guò)零的時(shí)刻，的移相范圍應(yīng)為第六講 交流-交流變換電路8相控式單相交流調(diào)壓電路相控式單相交流調(diào)壓電路阻感負(fù)載阻感負(fù)載n 在t = 時(shí)刻開(kāi)通VT1，負(fù)載電流滿(mǎn)足 解方程得 式中 ,為晶閘管導(dǎo)通角 利用邊界條件：t = a +時(shí)io =0,可求得：n VT2導(dǎo)通時(shí)，上述關(guān)系完同，只是io極性相反，相位差180001002sin,0tdiLRiUtidt102sinsinttgUiteZt22LRZtge)sin()sin(第六講 交流-交流

5、變換電路9相控式單相交流調(diào)壓電路相控式單相交流調(diào)壓電路0201006014018020100圖4-360/( )180140/()= 9075604530150單相交流調(diào)壓電路以單相交流調(diào)壓電路以 為參變量的為參變量的 和和 關(guān)系曲線(xiàn)關(guān)系曲線(xiàn)n 時(shí)，導(dǎo)通角時(shí)，導(dǎo)通角 滿(mǎn)足：滿(mǎn)足： =180 第六講 交流-交流變換電路10相控式單相交流調(diào)壓電路相控式單相交流調(diào)壓電路n負(fù)載電壓有效值 n晶閘管電流有效值 2tg1V T121sin ()sin ()d ()2sinco s(2)co s2tUItetZUZ2111(2sin)1sin 2sin22oUUtdtU第六講 交流-交流變換電路11相控式單

6、相交流調(diào)壓電路相控式單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路為參變量時(shí)I VTN和關(guān)系曲線(xiàn) = 900.10.20.30.40.516075 6045 = 0/( )IVTNn負(fù)載電流有效值:n IVT的標(biāo)么值:12UZIIVTVTNVTII20第六講 交流-交流變換電路12相控式單相交流調(diào)壓電路相控式單相交流調(diào)壓電路阻感負(fù)載阻感負(fù)載窄脈沖觸發(fā)窄脈沖觸發(fā)（0 時(shí)）時(shí)）n VT1持續(xù)導(dǎo)通時(shí)，VT2不通; VT1關(guān)斷后，ug2消失，VT2仍不通。n 輸出電壓不對(duì)稱(chēng)，含直流分量寬脈沖觸發(fā)寬脈沖觸發(fā)（0 時(shí)）時(shí)）n 實(shí)際上VT1，VT2均導(dǎo)通180，u為完整的正弦波，只要 ，u不受影

7、響，失控。正常工作對(duì)觸發(fā)脈沖要求正常工作對(duì)觸發(fā)脈沖要求n n 采用寬度大于60的寬脈沖或后沿固定、前沿可調(diào)、最大寬度180的脈沖觸發(fā)序列第六講 交流-交流變換電路13相控式單相交流調(diào)壓電路相控式單相交流調(diào)壓電路電阻負(fù)載電阻負(fù)載諧波分析諧波分析由于波形正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)，所以不含直流分量和偶次諧波?；ê透鞔沃C波有效值 負(fù)載電流基波和各次諧波有效值 電流基波和各次諧波標(biāo)么值隨 a變化的曲線(xiàn)（基準(zhǔn)電流為a =0時(shí)的有效值）如右圖所示。,5,3, 1o)sincos()(nnntnbtnatu22on21nnbaURUI/onon電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量060120180圖4-6基波3次

8、5次7次觸發(fā)延遲角/( )In/I*/%20406080100第六講 交流-交流變換電路14相控式單相交流調(diào)壓電路相控式單相交流調(diào)壓電路n電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相同，也只含3、5、7等次諧波。n隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少。n和電阻負(fù)載時(shí)相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量少一些。n當(dāng)角相同時(shí)，隨著阻抗角的增大，諧波含量有所減少。阻感負(fù)載阻感負(fù)載諧波分析諧波分析第六講 交流-交流變換電路15斬控式單相交流調(diào)壓電路斬控式單相交流調(diào)壓電路工作原理工作原理n和直流斬波電路類(lèi)似nu1正半周，用V1進(jìn)行斬波控制，V3提供續(xù)流通道nu1負(fù)半周，用V2進(jìn)行斬波控制，V4提供續(xù)流通道n設(shè)斬波器件（V1或V2）導(dǎo)通

9、時(shí)間為ton，開(kāi)關(guān)周期為T(mén)，則導(dǎo)通比 = ton/T，改變a 可調(diào)節(jié)輸出電壓特性特性n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。n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。n功率因數(shù)接近1。RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3第六講 交流-交流變換電路16三相交流調(diào)壓電路三相交流調(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三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)b) 線(xiàn)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)第六講 交流-交流變換電路17三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)

10、壓電路星形星形(Y)聯(lián)結(jié)電路聯(lián)結(jié)電路:三相四線(xiàn)三相四線(xiàn)n基本原理：各相可單獨(dú)控制。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(xiàn)n問(wèn)題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過(guò)零線(xiàn)。零線(xiàn)有很大3倍次諧波電流。=90時(shí)，零線(xiàn)電流甚至和各相電流的有效值接近零線(xiàn)第六講 交流-交流變換電路18三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路星形星形(Y)聯(lián)結(jié)電路聯(lián)結(jié)電路:三相三線(xiàn)三相三線(xiàn)將三相四線(xiàn)中的將三相四線(xiàn)中的零線(xiàn)零線(xiàn)去掉去掉n 任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路n 電流通路中至少有兩個(gè)晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)n 觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT

11、1 VT6,依次相差60n 相電壓過(guò)零點(diǎn)定為的起點(diǎn)， 角移相范圍是0150第六講 交流-交流變換電路19三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路第六講 交流-交流變換電路20三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路0 60 ：n 三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180 。但 =0時(shí)一直是三管導(dǎo)通。不同角時(shí)負(fù)載相電壓波形a) =30第六講 交流-交流變換電路21三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路不同角時(shí)負(fù)載相電壓波形b) =6060 90 ：n 兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120第六講 交流-交流變換電路22三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路90 0，正組工作，反組被封鎖。t1 t2: uo和io 0,正組整流,輸出功率為正

12、t2 t3: uo 0, 正組逆變, 輸出功率為負(fù)n t3t5期間：io 0 ，反組工作，正組被封鎖。t3 t4: uo和io 0 , io 0, 反組逆變, 輸出功率為負(fù)n 哪一組工作由io方向決定，與uo極性無(wú)關(guān)。根據(jù)uo與io的方向是否相同來(lái)確定工作在整流還是逆變。a)整流逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP第六講 交流-交流變換電路42單相交交變頻器單相交交變頻器n 考慮無(wú)環(huán)流工作方式下io過(guò)零的死區(qū)時(shí)間，一周期可分為6段 第1段io0，反組逆變反組逆變; 第2段電流過(guò)零，為無(wú)環(huán)

13、流死區(qū)無(wú)環(huán)流死區(qū) 第3段io0， uo0，正組整流正組整流; 第4段io0， uo0，正組逆變正組逆變 第5段又是無(wú)環(huán)流死區(qū)無(wú)環(huán)流死區(qū); 第6段io0， uo0，為反組整流反組整流n uo和io的相位差小于90時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為正，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài); 當(dāng)二者相位差大于90時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為負(fù)，電網(wǎng)吸收能量，電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài)1OO23456圖4-20uoiott第六講 交流-交流變換電路43單相交交變頻器單相交交變頻器n 不同 時(shí)，在uo一周期內(nèi)，隨ot 變化的情況如圖示n 較小，即輸出電壓較低時(shí)，只在離90很近的范圍內(nèi)變化，電路的輸入功率因數(shù)非常

14、低。 = 0 = 0.1相位控制角/( )輸出相位 0 t圖4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223不同 時(shí)和ot的關(guān)系)sin(sin2)sin(coso1o1tt第六講 交流-交流變換電路44單相交交變頻器單相交交變頻器輸入輸出特性輸入輸出特性n輸出上限頻率輸出上限頻率輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重。電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是限制輸出頻率提高的主要因素就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系而言，很難確定一個(gè)明確的界限。當(dāng)采用6脈波三相橋式脈波三相橋式電路時(shí)，輸出上限頻

15、率不高于電網(wǎng)頻率的1/31/2。電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz第六講 交流-交流變換電路45單相交交變頻器單相交交變頻器n 輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù)由于采用相控方式，輸入電流相位總是滯后于輸入電壓，因此需要電網(wǎng)提供無(wú)功功率。不論負(fù)載功率不論負(fù)載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，因數(shù)是滯后的還是超前的，輸入的無(wú)功電流總是滯后。輸入的無(wú)功電流總是滯后。一周期內(nèi)，角以90為中心變化。輸出電壓比 越小，半周期內(nèi)的平均值越靠近90。負(fù)載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。單相交交變頻電路的功率因數(shù)0.8 0.6 0.4 0.2 0=1.0輸入位移因數(shù)負(fù)載功率因數(shù)（ 滯后 ）負(fù)載功率

16、因數(shù)（ 超前 ）圖4-2301.00.80.60.40.200.80.60.40.20.80.60.40.2第六講 交流-交流變換電路46單相交交變頻器單相交交變頻器n 輸出電壓諧波輸出電壓諧波p輸出電壓的諧波頻譜非常復(fù)雜，既和電網(wǎng)頻率fi以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān)，也和輸出頻率fo有關(guān)。p采用三相橋時(shí)，輸出電壓所含主要諧波的頻率為p6fifo，6fi3fo，6fi5fo，p12fifo，12fi3fo，12fi5fo，p采用無(wú)環(huán)流控制方式時(shí)，由于電流方向改變時(shí)死區(qū)的影響，將增加5fo、7fo等次諧波。第六講 交流-交流變換電路47單相交交變頻器單相交交變頻器n輸入電流諧波輸入電流諧波輸入電流波

17、形和可控整流電路的輸入波形類(lèi)似，但其幅值和相位均按正弦規(guī)律被調(diào)制。采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率為： 和 式中，k = 1,2,3,；l = 0,1,2,。oiin216lffkfoiin2kfff第六講 交流-交流變換電路48三相交交變頻電路三相交交變頻電路n交交變頻電路主要應(yīng)用于500kW或1000kW以下的大功率、低轉(zhuǎn)速大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路之中，如：軋機(jī)主傳動(dòng)裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等。既可用于異步電動(dòng)機(jī)，也可用于同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。n調(diào)速系統(tǒng)使用的三相交交變頻電路三相交交變頻電路由三組輸出電壓相位各差120的單相交交變頻電路組成。其電路接線(xiàn)方式主要有

18、 1) 公共交流母線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)方式公共交流母線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)方式 2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式第六講 交流-交流變換電路49三相交交變頻電路三相交交變頻電路公共交流母線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)方式公共交流母線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)方式n 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n 電源進(jìn)線(xiàn)通過(guò)進(jìn)線(xiàn)電抗器接在公共的交流母線(xiàn)上n 因?yàn)殡娫催M(jìn)線(xiàn)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)n 主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)圖4-24第六講 交流-交流變換電路50三相交交變頻電路三相交交變頻電路輸出星形聯(lián)結(jié)方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式圖4-25a)b)a）簡(jiǎn)圖 b）詳圖第六講 交流-交流變換電路51三相交

19、交變頻電路三相交交變頻電路輸出星形聯(lián)結(jié)方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式n 因?yàn)槿M的輸出聯(lián)接在一起，其電源進(jìn)線(xiàn)必須隔離，因此分別用三個(gè)變壓器供電n 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n 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n 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(xiàn)即可第六講 交流-交流變換電路52三相交交變頻電路三相交交變頻電路輸入輸出特性輸入輸出特性輸出上限頻率和輸出電壓諧波和單相交交變

20、頻電路是一致的n 輸入電流輸入電流p總輸入電流由三個(gè)單相的同一相輸入電流合成而得到 有些諧波相互抵消，諧波種類(lèi)有所減少，總的諧波幅值也有所降低，諧波頻率為 和 式中k =1, 2, 3, ；l = 0, 1, 2, 。oiin616lffkfoiin6kfff第六講 交流-交流變換電路53三相交交變頻電路三相交交變頻電路p 采用三相橋式電路時(shí)，輸入諧波電流的主要頻率為fi6fo、5fi 、5fi6fo 、 7fi 、 7fi6fo 、 11fi 、 11fi6fo 、13fi 、 13fi6fo 、 fi12fo等。其中5fi次諧波的幅值最大200t/ms輸出電壓?jiǎn)蜗噍敵鰰r(shí) U相輸入電流三相輸

21、出時(shí) U相輸入電流200t/ms200t/ms第六講 交流-交流變換電路54三相交交變頻電路三相交交變頻電路輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù)n 三相總輸入功率因數(shù)應(yīng)為 n 三相電路總的有功功率為各相有功功率之和n 但視在功率卻不能簡(jiǎn)單相加，而應(yīng)由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來(lái)計(jì)算，比三相各自的視在功率之和要小n 三相總輸入功率因數(shù)要高于單相交交變頻電路SPPPSPcba第六講 交流-交流變換電路55三相交交變頻電路三相交交變頻電路改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓基本思路基本思路n 各相輸出的是相電壓，而加在負(fù)載上的是線(xiàn)電壓。在各相電壓中疊加同樣的直流分量或3倍于輸出頻率的諧波分量。雖然各相輸出電壓不為正弦，但輸出的線(xiàn)電壓仍為正弦。利用該特性可以改善輸入功率因數(shù)并提高輸出線(xiàn)電壓中正弦基波幅值。直流偏