電力電子技術(shù)ppt(6)課件

1、第六章(Chapter 6)AC-AC變換技術(shù)(AC-AC Convertion)LOGO6.1 AC-AC 變換電路概述LOGO AC-AC變換，即是把一種形式的交流電變換成另一種形式的交流電，它可以是電壓幅值的變換，也可以是頻率或相數(shù)的變換，能實(shí)現(xiàn)這種變換的電路稱為AC-AC變換器或AC-AC變換電路。根據(jù)變換參數(shù)的不同，AC-AC變換電路可以分為交流調(diào)壓電路、交流調(diào)功器和無觸點(diǎn)開關(guān)以及交-交變頻電路。6.1.1 交流電力控制電路 (AC Power Controller)根據(jù)控制方式可分為交流調(diào)壓電路、交流調(diào)功電路和交流無觸點(diǎn)開關(guān)3種形式。1. 交流調(diào)壓電路 晶閘管相控式調(diào)壓電路，它與相

2、控式整流電路的控制原理相同，即改變控制角來改變輸出電壓的大小，從而達(dá)到交流調(diào)壓的目的。 交流調(diào)壓電路的應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)輸入、輸出的相數(shù)可分為單相交流調(diào)壓電路和三相交流調(diào)壓電路兩種。單相交流調(diào)壓電路常用于小功率單相電動機(jī)控制、照明、電加熱控制等；三相交流調(diào)壓電路常用于三相異步電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速或軟起動控制。在供電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。另一種交流調(diào)壓電路是運(yùn)用全控型開關(guān)器件在電源的一個周期內(nèi)接通和斷開若干次，把正弦波電壓變成若干個脈沖電壓，通過改變開關(guān)器件的占空比來實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓。它與直流斬波電路的控制相類似，因此也稱為交流斬波調(diào)壓電路。其優(yōu)點(diǎn)是深控下的功率因數(shù)較高，諧波含量小，輸出電壓

3、的大小可連續(xù)可調(diào)，響應(yīng)速度快，基本上克服了相控方式的缺點(diǎn)。隨著全控型器件的發(fā)展和成熟，它將取代傳統(tǒng)的相控晶閘管調(diào)壓電路，具有很好的發(fā)展前景。2.交流調(diào)功電路 采用整周期的通/斷控制方式，使電路輸出幾個電源電壓周期，再斷開幾個電源電壓周期。通過控制導(dǎo)通周期數(shù)和斷開周期數(shù)的比值來調(diào)節(jié)交流輸出功率的平均值，從而達(dá)到交流調(diào)功的目的。其優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，電流波形為正弦波，輸出無高次諧波；缺點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢，對電網(wǎng)會造成較大的負(fù)載脈動及低次諧波的影響。對電加熱等不需要高速控制的大慣性負(fù)載效果較好，如金屬熱處理、化工合成加熱、鋼化玻璃熱處理等各種需要加熱或進(jìn)行溫度控制的應(yīng)用場合。3. 晶閘管交流開關(guān) 根據(jù)負(fù)載

4、或電源的需要接通或斷開電路，它的工作是隨機(jī)發(fā)生的，其作用就相當(dāng)于機(jī)械或電磁式的開關(guān)一樣，與有觸點(diǎn)的開關(guān)相比它具有開關(guān)速度快、使用壽命長、控制功率小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，通常用來控制交流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)、頻繁起動、間歇運(yùn)行等。因其屬于無觸點(diǎn)開關(guān)，不存在火花及拉弧等現(xiàn)象，對化工、冶金、煤炭、紡織、石油等要求無火花防爆場合極為適用。在電力系統(tǒng)中交流無觸點(diǎn)開關(guān)還與電容器一起構(gòu)成無功功率補(bǔ)償器，用于對無功功率和功率因數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。6.1.2 變頻電路 變頻電路分為交-交變頻電路和交直交變頻電路兩種形式。1. 交-交變頻電路 交-交變頻電路是直接將一定頻率的交流電變換成另一種頻率固定或可調(diào)的交流電，中問

5、沒有任何環(huán)節(jié)(如直流環(huán)節(jié))的單極電路結(jié)構(gòu)，故也稱為直接變頻電路(或周波變換器)。2. 交-直-交變頻電路 交-直-交變頻電路是先把工頻交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率固定或可變的交流電。這種通過中間直流環(huán)節(jié)的變頻電路也稱為間接變頻電路。由于電路結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)也較成熟，在實(shí)際生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用；其缺點(diǎn)是功率變換次數(shù)多，電路總效率較低。這種電路在前面已作過介紹。6.2 單相交流調(diào)壓電路 交流調(diào)壓電路廣泛應(yīng)用于工業(yè)加熱、燈光控制、感應(yīng)電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速，以及電焊、電解、電鍍、交流側(cè)調(diào)壓等場合。單相交流調(diào)壓電路用于小功率調(diào)節(jié)，廣泛用于民用電氣控制。用晶閘管組成的交流電壓控制電路，可以方便地調(diào)節(jié)輸

6、出電壓有效值，可用于電路溫控、燈光調(diào)節(jié)、異步電動機(jī)的起動和調(diào)速等；也可用作調(diào)節(jié)整流變壓器一次側(cè)電壓(其二次測為低壓大電流或高壓小電流負(fù)載)。 交流調(diào)壓器與常規(guī)的調(diào)壓變壓器相比，它的體積和重量都要小得多。交流調(diào)壓器的輸出仍是交流電壓，但它不是正弦波形，其諧波分量較大，功率因數(shù)也較低。6.2.1 電阻性負(fù)載1) 工作原理圖6-1 電阻性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及波形2）數(shù)量關(guān)系根據(jù)圖6-1(b)所示波形可得負(fù)載電壓有效值 式中：U1為輸入交流電源電壓的有效值。負(fù)載電流有效值 晶閘管電流平均值晶閘管電流的有效值由式(6-4)可知，當(dāng) 時，晶閘管電流有效值最大為。 因 此在選擇晶閘管額定電流時，可以通過最

7、大有效值確定晶閘管的通態(tài)平均電流(6-4)交流電源輸入側(cè)的功率因數(shù)式(6-6)中略去了交流調(diào)壓電路的損耗，因此輸入的有功功率等于輸出到負(fù)載上的有功功率。由于相位控制產(chǎn)生的基波電流滯后電壓，再加上高次諧波的影響，使得交流調(diào)壓電路的功率因數(shù)較低。尤其在深控(角大)、輸出電壓較小時，功率因數(shù)更低。 由圖6-1和式(6-1)可知，單相交流調(diào)壓電路電阻性負(fù)載時，的移相范圍為0，調(diào)壓范圍為0U1。3) 諧波分析由圖6-1可知，輸出電壓 式中：k=0，1，2， 由于為正、負(fù)半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波，其傅里葉級數(shù)展開為 基波電壓系數(shù)，即n=1時 基波電壓幅值 n次諧波電壓系數(shù)n次諧波電壓幅值 根據(jù)

8、以上分析，可以繪出輸出電壓的基波和各次諧波的標(biāo)幺值隨 的變化曲線，如圖6-2所示。其中，基準(zhǔn)電壓為 的基波電壓有效值。圖6-2 電阻性負(fù)載時輸出電壓諧波6.2.2 電感性負(fù)載1) 工作原理電感性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形如圖6-3所示。由于電感的作用，電流的變化要滯后電壓的變化，因而和電阻性負(fù)載相比工作狀態(tài)有所不同。當(dāng)電源電壓由正半周過零反向時，由于負(fù)載電感中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢阻止電流變化，即電壓過零時，電流還未到零，晶閘管關(guān)不斷，故還要續(xù)流導(dǎo)通到負(fù)半周，當(dāng)電流過零時晶閘管才關(guān)斷。晶閘管導(dǎo)通角的大小不僅與控制角口有關(guān)，而且還與負(fù)載的阻抗角 有關(guān)。下面分3種情況進(jìn)行討論。圖6-3 電感性負(fù)載單相交

9、流調(diào)壓電路及波形(1) 。當(dāng)電源電壓為正半周，時觸發(fā)VTl，VTl導(dǎo)通，輸出電壓u0=u，電流從零開始上升。當(dāng)電壓到達(dá)過零點(diǎn)時，電流并不為零，VTl仍然導(dǎo)通，輸出電壓出現(xiàn)負(fù)值。直到電流下降到零時，VT1自然關(guān)斷，輸出電壓等于零。但此時VT2的觸發(fā)脈沖尚未到達(dá)，因此出現(xiàn)了電流的斷續(xù)，晶閘管的導(dǎo)通角時，180，并隨著的增加而減?。划?dāng) 時，=180。當(dāng)負(fù)半周VT2導(dǎo)通時，上述關(guān)系完全不變，只是i0的極性相反或相位相差l80。(2) = 。當(dāng)正半周VTl關(guān)斷時，VT2恰好觸發(fā)導(dǎo)通，在一個周期中兩只晶閘管輪流導(dǎo)通 l80。此時負(fù)載電流 臨界連續(xù)，由式(6-15)可知，負(fù)載電流是一個滯后電源電壓角的純正弦

10、電流，如圖6-3(c)所示。即任何時刻電源電壓都加在負(fù)載上，負(fù)載電壓為完整的正弦波，相當(dāng)于晶閘管失去控制，無調(diào)壓作用。(3) 這種情況可以看成是阻抗角相對較大，負(fù)載的電感作用相對較強(qiáng)，使負(fù)載電流嚴(yán)重滯后于電壓，晶閘管的導(dǎo)通時間延長。此時式(6-15)仍然適用，公式右端小于零，只有當(dāng)時左端才能小于零，因此。如果用窄脈沖觸發(fā)晶閘管，在時VTl被觸發(fā)導(dǎo)通，由于其導(dǎo)通角大于180，在負(fù)半周時為VT2發(fā)出觸發(fā)脈沖時，VTl還未關(guān)斷，VT2因承受反向電壓不能導(dǎo)通。待VTl電流過零關(guān)斷時，VT2的窄脈沖已消失，此時VT2管雖承受正向電壓，但也無法導(dǎo)通，直到下一個周期VTl再次被觸發(fā)導(dǎo)通。這樣就形成只有一個晶

11、閘管反復(fù)通斷的不正?，F(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為“單相半波整流現(xiàn)象”。負(fù)載電流始終為單一方向，在電路中產(chǎn)生較大的直流分量，如圖6-3(d)所示。因此在電感性負(fù)載時，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)方式。采用寬脈沖或脈沖列(頻率在2030kHz)觸發(fā)方式，當(dāng)VT1關(guān)斷后，VT2立即導(dǎo)通，連續(xù)，在剛開始的幾個劇期內(nèi)負(fù)載電流正、負(fù)半波不對稱。但經(jīng)過幾個周期后電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，負(fù)載電流為正弦波，滯后電壓角，這與時的工作情況一樣，輸出電壓和電流波形都是完整的正弦波，電路失去調(diào)壓的功能，u0、i0的波形如圖6-3(e)所示。 綜上所述，當(dāng)單相交流調(diào)壓電路帶感性負(fù)載時，為了可靠、有效地工作，并實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的

12、功能，控制角的移相范圍保持在之間。同時為了避免出現(xiàn)電流直流分量，晶閘管的觸發(fā)脈沖應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列。2. 數(shù)量關(guān)系根據(jù)以下分析所得 時的電壓和電流波形，可得負(fù)載電壓有效值負(fù)載電流有效值晶閘管電流有效值若以為晶閘管電流的基準(zhǔn)值，則的標(biāo)幺值為3）諧波分析 在電感性負(fù)載下，根據(jù)電路的輸出波形，可以用前面電阻負(fù)載下的分析方法進(jìn)行諧波的分析，只是公式復(fù)雜得多。經(jīng)分析可知，電源電流中諧波的次數(shù)和電阻性負(fù)載時相同，也只含有奇次諧波，同樣是隨著諧波次數(shù)的增加，諧波含量減小。和電阻負(fù)載相比諧波電流的含量要少一些，而且在控制角不變時，隨著阻抗角的增大，諧波含量有所減小。圖6-5 電流標(biāo)幺值與控制角的關(guān)系曲線【例

13、6-2】 用單相交流調(diào)壓電路控制電感性負(fù)載的功率，已知交流電源電壓有效值為220V，負(fù)載的等效電阻為55，感抗為55，試求：移相控制范圍；負(fù)載電流的最大有效值；最人輸出功率和功率因數(shù)；當(dāng) 時，晶閘管的電流有效值、導(dǎo)通角和交流電源側(cè)的功率因數(shù)。解 單相交流調(diào)壓電路在電感性負(fù)載時，最小控制角 決定于負(fù)載的阻抗角 ，當(dāng)輸出最大電壓時， ，此時當(dāng)輸出電壓為零時，；。故移相控制范圍為 當(dāng)時，輸出的負(fù)載電壓和電流的波形為相位相差的正弦波，此時負(fù)載和電源直接相接，負(fù)載電流達(dá)到最大 當(dāng)時，由圖6-5中的曲線上可查得晶閘管電流的標(biāo)幺值為 。晶閘管電流的基準(zhǔn)值故晶閘管電流的有效值為當(dāng) 時，查圖6-4得，輸出電流的有效值