交流交流變換電路

1、交流交流變換電路第1頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日1 本章主要講述 交流-交流變流電路 把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路變頻電路改變頻率的電路 交交變頻 直接 交直交變頻 間接交流電力控制電路只改變電壓,電流或控制電路的通斷,而不改變頻率的電路。交流調(diào)壓電路 相位控制交流調(diào)功電路 通斷控制交流電力電子開關(guān)第6章 交流交流變換電路第2頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 6.1 交流調(diào)壓電路 原理 兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可控制交流電力。 電路圖第3頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 應(yīng)用

2、 1 燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制)。 2 異步電動機軟起動。 3 異步電動機調(diào)速。 4 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 5 在高壓小電流或低壓大電流直流電源中， 用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。 6.1 交流調(diào)壓電路第4頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 單相交流調(diào)壓電路 三相交流調(diào)壓電路 6.1 交流調(diào)壓電路第5頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt6.1.1 單相交流調(diào)壓電路1) 電阻負(fù)載圖6-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 輸出電壓與 的關(guān)系: 移相范圍為0 a 。 a =0時，輸出電壓為最大 。

3、Uo=U1, 隨 a 的增大，Uo降低， a =時， Uo =0。與 a 的關(guān)系: a =0時，功率因數(shù) =1，a 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低。第6頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j ，當(dāng)用晶閘管控制時，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后。 a =0時刻仍定為u1過零的時刻，a 的移相范圍應(yīng)為j a 。1) 阻感負(fù)載 0.6Ou1uoiouVTwtOwtOwtwtOuG1uG2OOwtwt圖6-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 負(fù)載阻抗角： j = arctan(wL / R)VT16.1.1

4、 單相交流調(diào)壓電路第7頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日q 020100601401802010060/()180140a /()j = 9075604530150圖6-3 單相交流調(diào)壓電路以a為參變量的和a關(guān)系曲線 wt = a 時刻開通晶閘管VT1，可求得 當(dāng) a = j 時 = 當(dāng) a j 時 以j 為參變量，利用上式可把a 和 的關(guān)系表示成右圖。6.1.1 單相交流調(diào)壓電路第8頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日圖6-3 單相交流調(diào)壓電路a為參變量時I VTN和a關(guān)系曲線j = 900.10.20.30.40.516018004012080 7

5、5 6045j = 0a /()IVTN負(fù)載電流有效值 (6-10)IVT的標(biāo)幺值 (6-11)6.1.1 單相交流調(diào)壓電路第9頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日圖6-4 aj時阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形當(dāng)阻感負(fù)載, a j 時電路工作情況。圖6-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路VT1的導(dǎo)通時間超過 。觸發(fā)VT2時， io尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不會導(dǎo)通。io過零后，VT2才可開通，VT2導(dǎo)通角小于。衰減過程中， VT1導(dǎo)通時間漸短， VT2的導(dǎo)通時間漸長。6.1.1 單相交流調(diào)壓電路第10頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日6.1.1 單相交

6、流調(diào)壓電路例6-1 一單相交流調(diào)壓器，輸入交流電壓為220V，50Hz，負(fù)載為電阻電感，其中R=8，XL=6 。試求=/6、/3時的輸出電壓、電流有效值及輸入功率和功率因數(shù)。 解：負(fù)載阻抗及負(fù)載阻抗角分別為： 因此開通角的變化范圍為： 即當(dāng)=/6時，由于,因此晶閘管調(diào)壓器全開放，輸出電壓為完整的正弦波，負(fù)載電流也為最大，此時輸出功率最大，為 第11頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日116.1.1 單相交流調(diào)壓電路功率因數(shù)為實際上，此時的功率因數(shù)也就是負(fù)載阻抗角的余弦。 時，先計算晶閘管的導(dǎo)通角，由式（6-7）得 解上式可得晶閘管導(dǎo)通角為：第12頁，共55頁，2022年，5

7、月20日，8點58分，星期日126.1.1 單相交流調(diào)壓電路第13頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日133) 單相交流調(diào)壓電路的諧波分析電阻負(fù)載由于波形正負(fù)半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波。 (6-12) 基波和各次諧波有效值 (6-13)負(fù)載電流基波和各次諧波有效值 (6-14) 電流基波和各次諧波標(biāo)幺值隨 a變化的曲線（基準(zhǔn)電流為a =0時的有效值）如圖6-5所示。圖6-5 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量6.1.1 單相交流調(diào)壓電路第14頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時相同，也只含3、5、7等次諧波。隨著

8、次數(shù)的增加，諧波含量減少。和電阻負(fù)載時相比，阻感負(fù)載時的諧波電流含量少一些。當(dāng)a 角相同時，隨著阻抗角j 的增大，諧波含量有所減少。阻感負(fù)載6.1.1 單相交流調(diào)壓電路第15頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日4) 斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的正半周圖6-8 斬控式交流調(diào)壓電路6.1.1 單相交流調(diào)壓電路用V1進(jìn)行斬波控制用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道第16頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日用V2進(jìn)行斬波控制用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道圖6-8 斬控式交流調(diào)壓電路4) 斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的負(fù)半周6.1.1 單相交流調(diào)壓電路第17頁，共

9、55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 特性圖6-9 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形6.1.1 單相交流調(diào)壓電路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，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波。功率因數(shù)接近1。第18頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日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) 中點控制三角形聯(lián)結(jié)第19頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日三相四線 基本原理：相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的

10、組合，三相互相錯開120工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線。問題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有很大3倍次諧波電流。 a =90時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。1) 星形聯(lián)結(jié)電路 可分為三線三相和三相四線圖6-6 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路第20頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日三相三線圖6-6 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路。電流通路中至少有兩個晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1 VT6,依次相

11、差60。相電壓過零點定為a 的起點， a角移相范圍是0 150。第21頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日諧波情況6.1.2 三相交流調(diào)壓電路電流諧波次數(shù)為6k1(k=1，2，3，)，和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流所含諧波的次數(shù)完全相同。諧波次數(shù)越低，含量越大。和單相交流調(diào)壓電路相比，沒有3倍次諧波，因三相對稱時，它們不能流過三相三線電路。第22頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日2） 支路控制三角聯(lián)結(jié)電路 c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路由三個單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作。單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適

12、用。輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個負(fù)載相電流之和。第23頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 諧波情況c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路 3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動，而不出現(xiàn)在線電流中。 線電流中所諧波次數(shù)為6k1(k為正整數(shù))。 在相同負(fù)載和a 角時，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。第24頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日6.2 其他交流電力控制電路 交流調(diào)功電路 交流電力電子開關(guān)第25頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 交流調(diào)功電路 交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點

13、 電路形式完全相同不同點 控制方式不同交流調(diào)壓電路在每個電源周期都對輸出電壓波形進(jìn)行控制。 交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個周期,在斷開幾個周期,通過通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。第26頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 電阻負(fù)載時的工作情況2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導(dǎo)通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12圖6-13 交流調(diào)功電路典型波形(M =3、N =2)圖61電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路 交流調(diào)功電路控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導(dǎo)通，后MN個周期關(guān)斷。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

14、倍電源周期。第27頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 交流電力電子開關(guān)概念 把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。優(yōu)點 響應(yīng)速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷。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?？刂祁l度通常比交流調(diào)功電路低得多。第28頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日晶閘管投切電容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）圖6-15 TSC基本原理圖a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖 交流電力電子開關(guān)作

15、用對無功功率控制，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)于機械開關(guān)投切的電容器。結(jié)構(gòu)和原理晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路。實際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。第29頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日晶閘管的投切選擇晶閘管投入時刻的原則：該時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產(chǎn)生躍變，就不會產(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峰值，這時電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖6-16 TSC理想投切時刻原

16、理說明 交流電力電子開關(guān)第30頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日6.3 交交變頻電路 單相交交變頻器 三相交交變頻器第31頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 單相交交變頻器晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor) 把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，屬于直接變頻電路。 廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。第32頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日1 電路構(gòu)成和基本工作原理圖6-11 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形 單相交交變頻器電路構(gòu)成如圖6-1

17、8，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動機可逆調(diào)速用的四象限變流電路完全相同。變流器P和N都是相控整流電路。第33頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日工作原理P組工作時，負(fù)載電流io為正。N組工作時，io為負(fù)。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wo 。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。圖6-11 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形 單相交交變頻器第34頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a 角進(jìn)行調(diào)制。 單相交交變頻

18、器在半個周期內(nèi)讓P組 a 角按正弦規(guī)律從90減到0或某個值，再增加到90，每個控制間隔內(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。另外半個周期可對N組進(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。第35頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 2 整流與逆變工作狀態(tài)理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài) 單相交交變頻器阻感負(fù)載為例，也適用于交流電動機負(fù)載。把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時uo的脈動分量，就可把電路等效成圖6-19a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。第36頁，共55頁，2022年，

19、5月20日，8點58分，星期日設(shè)負(fù)載阻抗角為j ，則輸出電流滯后輸出電壓j 角。兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式，即一組變流電路工作時，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài) 單相交交變頻器第37頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日3 輸出正弦波電壓的調(diào)制方法 介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點法。 設(shè)Ud0為a = 0時整流電路的理想空載電壓，則有 每次控制時a角不同， 表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值。圖6-13 余弦交點法原理 單相交交變頻器第38頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日設(shè)期望的正弦波輸出電壓為 (6-16）比較

20、式(6-15)和(6-16)，應(yīng)使 (6-17) g 稱為輸出電壓比：圖6-13 余弦交點法原理 單相交交變頻器第39頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日圖6-13 余弦交點法原理 單相交交變頻器余弦交點法基本公式 (6-18)余弦交點法圖解線電壓uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表示。相鄰兩個線電壓的交點對應(yīng)于a =0。第40頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日u1u6所對應(yīng)的同步信號分別用us1us6表示us1us6比相應(yīng)的u1u6超前30，us1us6的最大值和相應(yīng)線電壓a =0的時刻對應(yīng)。以a =0為零時

21、刻，則us1us6為余弦信號。希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發(fā)時刻由相應(yīng)的同步電壓us1us6的下降段和uo的交點來決定。圖6-13 余弦交點法原理 單相交交變頻器第41頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日不同g 時，在uo一周期內(nèi)， a 隨 w ot 變化的情況。圖中， g 較小，即輸出電壓較低時，a只在離90很近的范圍內(nèi)變化，電路的輸入功率因數(shù)非常低。圖6-22 不同g 時a和wot的關(guān)系 單相交交變頻器第42頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日4 輸入輸出特性 單相交交變頻器 輸出上限頻率 輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形

22、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，很難確定一個明確的界限。當(dāng)采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/31/2。電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。第43頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日 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。1 電路接線方式公共交流母線進(jìn)線方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路。第44頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日

23、(1)公共交流母線進(jìn)線方式圖6-24 公共交流母線進(jìn)線三相交交變頻電路（簡圖） 三相交交變頻電路由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120的單相交交變頻電路構(gòu)成。電源進(jìn)線通過進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上。因為電源進(jìn)線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動機的三個繞組必須拆開。主要用于中等。容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。第45頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日(2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)電動機中點不和變頻器中點接在一起，電動機只引出三根線即可圖6-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖 b）詳圖三組的輸出端是星形聯(lián)

24、結(jié)，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)。電動機中點不和變頻器中點接在一起，電動機只引出三根線即可。 三相交交變頻電路第46頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日圖6-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖 b）詳圖因為三組的輸出聯(lián)接在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此分別用三個變壓器供電。由于輸出端中點不和負(fù)載中點相聯(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晶閘管同時導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流。 三相交交變頻電路第47頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日圖6-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖 b）詳圖和整流

25、電路一樣，同一組橋內(nèi)的兩個晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時導(dǎo)通。兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時導(dǎo)通。 三相交交變頻電路第48頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星期日交交變頻和交直交變頻的比較間接變頻電路，先把交流變換成直流，再把直流逆變成可變頻率的交流，稱交直交變頻電路。交交變頻電路的優(yōu)點：交交變頻電路的缺點：接線復(fù)雜，采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管。受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低。輸入功率因數(shù)較低。輸入電流諧波含量大，頻譜復(fù)雜。效率較高（一次變流）可方便地實現(xiàn)四象限工作低頻輸出波形接近正弦波 三相交交變頻電路第49頁，共55頁，2022年，5月20日，8點58分，星