北京交通大學(xué)+電力電子技術(shù)+第09章+交流調(diào)壓和交交變頻電路.ppt

1、第九章 交流調(diào)壓和交交變頻電路,本章內(nèi)容,9.1概述 9.2單相交流調(diào)壓電路 9.3三相交流調(diào)壓電路 9.4 三相交交變頻電路,9 . 1概述,交交變換電路分為： 交流電力控制電路：只改變輸出電壓、輸出電流、輸出功率或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，不改變輸出頻率 交交變頻電路：輸出電壓、輸出電流和輸出頻率都改變 1、交流電力控制電路基本類型 基本電路單元：反并聯(lián)的功率開(kāi)關(guān) 基本類型按控制方式分為： 交流調(diào)壓電路、交流調(diào)功電路、交流電力電子開(kāi)關(guān)和交流斬波調(diào)壓電路,（1）交流調(diào)壓電路：采用相位控制方式，以控制交流輸出電壓的有效值為目的,主要應(yīng)用：燈光控制 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器 無(wú)功調(diào)節(jié)（補(bǔ)償）電路,晶閘管控

2、制電抗器型無(wú)功補(bǔ)償裝置單線原理圖,（2）交流調(diào)功電路： 采用周期控制方式，以控制交流輸出功率的平均值為目的,主要應(yīng)用：,導(dǎo)通比 D = n / m,交流調(diào)功電路輸出電壓波形 （a）固定周期控制（b）可變周期控制,爐溫控制、電加熱等大慣性場(chǎng)合,（3）交流電力電子開(kāi)關(guān)：采用通斷控制方式 其作用相當(dāng)于無(wú)觸點(diǎn)的交流接觸器,主要應(yīng)用：無(wú)功補(bǔ)償 無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān),TSC基本原理圖 （a）基本電路單元（b）分組投切簡(jiǎn)圖,TSC運(yùn)行特性曲線,（4）交流斬波調(diào)壓電路：采用斬波控制方式，以控制交流輸出電壓的有效值為目的,2、交交變頻電路基本類型及其應(yīng)用 交交變頻電路主要用于大功率、低轉(zhuǎn)速三相交流電機(jī)調(diào)速，因此其電路一般

3、采用三相輸入、三相輸出的電路形式，簡(jiǎn)稱為三相交交變頻電路 三相交交變頻電路的基本類型 按整流單元形式分：三相零式、三相橋式電路 按工作方式分：有環(huán)流、無(wú)環(huán)流電路 其它類型的相交交變頻電路：如三倍倍頻電路、負(fù)載換流的倍頻電路、矩陣式交交變頻電路等,9 . 2單相交流調(diào)壓電路,一、單相交流調(diào)壓電路的基本形式 1、反并聯(lián)電路 輸出波形對(duì)稱，負(fù)載 電流無(wú)直流分量 適用范圍廣 ，應(yīng)用最 廣泛 此電路應(yīng)重點(diǎn)掌握,2、混合反并聯(lián)電路 控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單 輸出波形不對(duì)稱，存在直流分量 只適用于無(wú)變壓器的小容量交流系統(tǒng),3、二極管橋式電路 4、 混合橋式電路,輸出波形對(duì)稱，晶閘管不承受反向電壓，但 使用元件數(shù)量較

4、多,二、電阻負(fù)載工況分析（以反并聯(lián)電路為例）,單相交流調(diào)壓電路（電阻負(fù)載）,1、工作原理 正半周控制T1導(dǎo)通，負(fù)半周控制T2導(dǎo)通，在電源電壓的過(guò)零點(diǎn)T1 （或T2 ）自然關(guān)斷。輸出電流與輸出電壓同相位 調(diào)節(jié)觸發(fā)角（控制角） 便可控制輸出電壓 移相范圍：0,單相交流調(diào)壓電路（電阻負(fù)載）波形,二、電阻負(fù)載工況分析（續(xù)） 2、基本電量關(guān)系（各電量參數(shù)與的關(guān)系） 交流輸出電壓有效值 負(fù)載電流有效值 晶閘管電流平均值,晶閘管電流有效值 晶閘管通態(tài)平均電流 電源側(cè)功率因數(shù),三、感性負(fù)載工況分析（以反并聯(lián)電路為例） 負(fù)載阻抗角=arctan(L / R ) （一） 工況分析 1、工作原理及特點(diǎn) 輸出電流滯后

5、輸出電壓，且不連續(xù) 導(dǎo)通角 、 輸出電壓、輸出電流波形與、有關(guān) 調(diào)節(jié)觸發(fā)角（控制角） 便可控制輸出電壓,單相交流調(diào)壓電路（電感負(fù)載） 和波形圖（ 工況）,2、以 為參變量，與的關(guān)系曲線,當(dāng)=0（電阻性負(fù)載）時(shí)： =180- 當(dāng) 0（感性負(fù)載）時(shí)： 當(dāng)時(shí)，=180 當(dāng)時(shí)，隨著的的增加而減小,3、基本電量關(guān)系（各電量參數(shù)與的關(guān)系） 輸出電壓有效值 負(fù)載電流有效值,其中：I0max為在=0 ，=時(shí)，負(fù)載電流的最大有效值,IT*為晶閘管電流有效值的標(biāo)幺值,晶閘管電流有效值,4、以 為參變量， IT* 與的關(guān)系曲線,當(dāng)、已知時(shí)，可由該曲線查出晶閘管電流標(biāo)幺值，進(jìn)而求出負(fù)載電流有效值I0及晶閘管電流有效值

6、IT,（二） =工況分析 特點(diǎn) 導(dǎo)通角=180，負(fù)載電流i0連續(xù) ，無(wú)調(diào)壓作用,（三） 工況分析 電流嚴(yán)重滯后于電壓，管子導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng),窄脈沖觸發(fā)：180電路不能正常工作,寬脈沖觸發(fā)：=180電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，相當(dāng)于=工況，無(wú)調(diào)壓作用,帶感性負(fù)載時(shí)，要求1800并采用寬脈沖觸發(fā),9 . 3三相交流調(diào)壓電路,一、三相交流調(diào)壓電路的基本形式 1、反并聯(lián)電路 輸出波形對(duì)稱 負(fù)載電流中不包含三次及 三的倍數(shù)次諧波 負(fù)載連接形式可以是形 或形 適用范圍廣 ，應(yīng)用最廣泛 此電路應(yīng)重點(diǎn)掌握,2、混合反并聯(lián)電路 負(fù)載電流中不包含三次及三的倍數(shù)次諧波 負(fù)載連接形式可以是形 或形 輸出波形不對(duì)稱，負(fù)載電流中存在偶次

7、諧波分量,3、 形負(fù)載內(nèi)接反并聯(lián)電路 相當(dāng)于由三個(gè)單相反并聯(lián)交流調(diào)壓電路組合而成 輸出波形對(duì)稱 晶閘管承受電源線電壓，對(duì)器件的耐壓要求較高 只適用于形負(fù)載,4、 形負(fù)載內(nèi)接 形反并聯(lián)電路 輸出波形對(duì)稱 晶閘管承受電源線電壓，對(duì)器件的耐壓要求較高 晶閘管接在負(fù)載后面 ，受電源浪涌電壓的影響較小 只適用于Y形負(fù)載,5、 形負(fù)載內(nèi)接三個(gè)可控元件電路 輸出波形不對(duì)稱，負(fù)載電流中存在偶次諧波分量 只適用于Y形負(fù)載 電路較簡(jiǎn)單，在小容量三相負(fù)載中有一定的應(yīng)用,二、三相反并聯(lián)交流調(diào)壓電路的分析,（一）控制原則（or對(duì)觸發(fā)系統(tǒng)的要求）,相電壓過(guò)零點(diǎn)定為的起點(diǎn)， 角移相范圍是0 150,觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全

8、控整流電路一樣，為T(mén)1 T6,依次相差60,相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),（二）電阻負(fù)載下典型波形分析 波形分析要點(diǎn) 三相導(dǎo)通時(shí)，電路處于平衡工作狀態(tài)，負(fù)載上的相電壓波形等于電源相電壓，各相晶閘管在該相相電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)關(guān)斷 兩相導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通相的負(fù)載相電壓等于兩相之間電源線電壓的一半，未導(dǎo)通相的負(fù)載電壓為零，導(dǎo)通的晶閘管在線電壓的過(guò)零點(diǎn)時(shí)關(guān)斷 應(yīng)將每半個(gè)周期分成若干個(gè)區(qū)間來(lái)分析負(fù)載電壓波形，區(qū)間分隔點(diǎn)一般取電壓過(guò)零點(diǎn)和脈沖觸發(fā)時(shí)刻,1、=0工況 電路處于自然工作狀態(tài) ，任何時(shí)刻都有三個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通 晶閘管的導(dǎo)通角為180 輸出電壓始終等于電源相電壓，即： uao = u

9、A 此工況三相導(dǎo)通！特例！,2、=30工況 t =0時(shí)，uA過(guò)零，T4關(guān)斷， B、C相導(dǎo)通 ，uao = 0 t =30時(shí)，T1觸發(fā)導(dǎo)通，A、 B、C三相導(dǎo)通，uao = uA t =60時(shí)， uC過(guò)零，T5關(guān)斷， A、B相導(dǎo)通 ， uao = uAB /2 t =90時(shí)，T2觸發(fā)導(dǎo)通，A、 B、C三相導(dǎo)通，uao = uA t =120時(shí)， uB過(guò)零，T6關(guān)斷， A、 C相導(dǎo)通， uao = uAC /2 t =150時(shí)，T3觸發(fā)導(dǎo)通，A、 B、C三相導(dǎo)通，uao = uA t =180時(shí)，uA過(guò)零，T1關(guān)斷，B、C相導(dǎo)通 ，uao = 0 ，正半周期結(jié)束 此工況兩相、三相交替導(dǎo)通,3、=6

10、0工況 t =0時(shí)， uA過(guò)零， T4關(guān)斷，同時(shí)T6觸發(fā)，B、C相導(dǎo)通 ，uao = 0 t =60時(shí)， uC過(guò)零， T5關(guān)斷，同時(shí)T1觸發(fā)，A、B相導(dǎo)通，uao = uAB /2 t =120時(shí)， uB過(guò)零， T6關(guān)斷，同時(shí)T2觸發(fā)，A、C相導(dǎo)通， uao = uAC /2 t =180時(shí)， uA過(guò)零， T1關(guān)斷，同時(shí)T3觸發(fā)，B、C相導(dǎo)通 ，uao = 0，正半周期結(jié)束 此工況只有兩相導(dǎo)通！,4、=90工況 t =0時(shí)， T4、T5延續(xù)導(dǎo)通，A、C相導(dǎo)通工作 ，uao = uAC /2 t =30時(shí)，uAC過(guò)零， T4關(guān)斷； T6觸發(fā)，同時(shí)T5仍然觸發(fā)， B、C相導(dǎo)通，uao = 0 t

11、=90時(shí)，uBC過(guò)零 ， T5關(guān)斷；T1觸發(fā)，同時(shí)T6仍然觸發(fā)， A、B相導(dǎo)通，uao = uAB /2 t =150時(shí)，uAB過(guò)零 ， T6關(guān)斷； T2觸發(fā)，同時(shí)T1仍然觸發(fā)， A、C相導(dǎo)通，uao = uAC /2 t =210時(shí)，uAC過(guò)零 ，T1關(guān)斷，uao = 0,此工況也只有兩相導(dǎo)通,5、=120 工況 t =0時(shí)，T5觸發(fā)，同時(shí)T4仍然觸發(fā)， A、C相導(dǎo)通 ，uao = uAC /2 t =30時(shí)，uAC過(guò)零， T4 、T5同時(shí)關(guān)斷， 無(wú)SCR導(dǎo)通 ，uao = 0 t =60時(shí)，T6觸發(fā)，同時(shí)T5仍然觸發(fā)， B、C相導(dǎo)通 ， uao = 0 t =90時(shí)，uBC過(guò)零 ， T5

12、、T6同時(shí)關(guān)斷，無(wú)SCR導(dǎo)通 ， uao = 0 t =120時(shí)，T1觸發(fā)，同時(shí)T6仍然觸發(fā)， A、B相導(dǎo)通，uao = uAB /2 t =150時(shí)，uAB過(guò)零 ， T1 、T6同時(shí)關(guān)斷， 無(wú)SCR導(dǎo)通 ，uao = 0 t =180時(shí)，T2觸發(fā)，同時(shí)T1仍然觸發(fā)， A、C相導(dǎo)通，uao = uAC /2 ，正半周期結(jié)束 t =210時(shí)，uAC過(guò)零 ， T1 、T2同時(shí)關(guān)斷 ，無(wú)SCR導(dǎo)通 ，uao = 0,此工況兩相導(dǎo)通狀態(tài)和無(wú)SCR導(dǎo)通狀態(tài)交替出現(xiàn),電阻負(fù)載下波形分析總結(jié) 移相范圍： 0 150 0 60范圍內(nèi) 電路處于兩相、三相交替工作狀態(tài) 每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角度為180 - 6090范圍

13、內(nèi) 任一時(shí)刻都是兩相工作 每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角度為120 90 150 范圍內(nèi) 電路處于兩相導(dǎo)通和無(wú)晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，波形不連續(xù) 每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角度為2（150 - ）,電阻負(fù)載輸出電壓有效值 Uao,式中：i和i+1分別為Uao各段曲線的起始角和終止角,電阻負(fù)載輸出電壓與的關(guān)系曲線,反并聯(lián)電路 (b) 混合反并聯(lián)電路 U0為=0時(shí)的輸出電壓,9 . 4 三相交交變頻電路,一、交交變頻電路基本類型及其應(yīng)用 交交變頻電路主要用于大功率、低轉(zhuǎn)速三相交流電機(jī)調(diào)速，因此其電路一般采用三相輸入、三相輸出的電路形式，簡(jiǎn)稱為三相交交變頻電路 三相交交變頻電路的基本類型 按工作方式分：有環(huán)流、無(wú)環(huán)流電路 按整

14、流單元形式分：三相零式、三相橋式電路 其它類型的相交交變頻電路：如三倍倍頻電路、負(fù)載換流的倍頻電路、矩陣式交交變頻電路等,三相零式交交變頻電路結(jié)構(gòu),基本單元是三相半波可控整流電路,三相-三相有環(huán)流周波變流電路,一相輸出電壓、電流波形圖：,其它兩相原理相同，其輸出波形依次相差120,交交變頻電路輸出電壓、電流波形,三相橋式交交變頻電路結(jié)構(gòu),基本單元是三相橋式全控整流電路,主電路,二、交交變頻工作原理（以單相交交變頻電路為例）,、電路結(jié)構(gòu)：由兩組反并聯(lián)的可控整流電路組成,正組工作時(shí)，i0 0；負(fù)組工作時(shí)，i0 0。正、負(fù)組變流器交替工作輸出交流電,改變正、負(fù)組變流電路的交替切換頻率：可改變交流輸出

15、電壓的頻率,、工作原理：,改變正、負(fù)組變流電路的控制角：可改變交流輸出電壓的幅值,為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對(duì)角進(jìn)行調(diào)制：在半個(gè)周期內(nèi)讓P組角按一定規(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,三、輸出電壓的控制余弦交點(diǎn)法控制 交交變頻器的每相輸出電壓波形是由各段整流電壓拼接而成的，各段整流電壓 ： 若讓各段整流電壓在時(shí)間上按正弦分布，交交變頻器的每相輸出電壓便接近正弦，即 式中：U0m所要求的交

16、流輸出電壓的幅值 0所要求的交流輸出 電壓的頻率,余弦交點(diǎn)法：將具有所要求的交流輸出電壓頻率和幅值的調(diào)制信號(hào)(Msin 0 t ) 與一組余弦信號(hào)相比較，在兩者的處產(chǎn)生各晶閘管的觸發(fā)脈沖 改變調(diào)制信號(hào)的頻率和幅值，可控制輸出電壓的頻率和大小,四、輸入功率因數(shù),交交變頻電路的基本組成單元是可控整流電路，其輸入側(cè)相位移因數(shù)與控制角之間的關(guān)系為：,在一個(gè)輸出周期中，控制角在1800之間變化，因此各段電壓所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)相位移因數(shù)在之間變化，平均相位移因數(shù)比較低,輸出電壓越低，則平均相位移因數(shù)也越低,輸出頻率越高，輸出電壓中所包含的電壓段數(shù)則越少，畸變?cè)絿?yán)重,f0 / fi = 1/2 時(shí)，半周期內(nèi)有 6

17、 脈波，諧波大 f0 / fi = 1/3 時(shí)，半周期內(nèi)有 9 脈波，諧波較小 f0 / fi = 1/6 時(shí)，半周期內(nèi)有 18 脈波，諧波小 為了減小諧波含量， 降低負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)， 應(yīng)保證 f0 / fi 1 / 3 ， 即 f0 16.7 Hz,輸入功率因數(shù)低是交交變頻器的一個(gè)主要缺點(diǎn),輸出頻率與電源頻率不同時(shí)的電壓波形,五、交交變頻器的特點(diǎn)（與交直交變頻器相比） 1、優(yōu)點(diǎn)： 無(wú)中間直流環(huán)節(jié)，損耗小，效率高 采用電源自然換相，不需強(qiáng)迫換流電路，開(kāi)關(guān)器件采用晶閘管，以利于大功率應(yīng)用 可以實(shí)現(xiàn)能量反饋，使電機(jī)作四象限運(yùn)行 低頻運(yùn)行時(shí)，諧波含量小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低 因此，適用于大功率、低速交流傳動(dòng)

18、領(lǐng)域,2、交交變頻器的缺點(diǎn)： 晶閘管元件數(shù)量多，成本高，控制復(fù)雜 最高輸出頻率受限制， f0 / fi 1 / 3 輸入側(cè)功率因數(shù)低，特別是當(dāng)輸出電壓較低時(shí)，功率因數(shù)很低,下列說(shuō)法是否正確？ 、交流電力控制電路可以改變輸出電壓、電流和頻率。 、交流調(diào)壓電路用于對(duì)電路的通斷進(jìn)行控制。 、在交流電力控制電路中，交流調(diào)功電路最適合于用作調(diào)光臺(tái)燈電路。 、交流電力控制電路包括交流調(diào)壓、交流調(diào)功和交交變頻等電路。 、單相晶閘管交流調(diào)壓電路接電感性負(fù)載： 晶閘管通常采用寬脈沖觸發(fā) 控制角的移相范圍是：0180 隨著控制角增大，功率因數(shù)減小 隨著控制角增大，輸出電壓增大,課 堂 思 考,、晶閘管交變頻電路： 一般采用PWM方式工作 可四象限運(yùn)行 與交直交變頻電路相比輸入側(cè)功率因數(shù)較高 適合于低速大功率交流調(diào)速系統(tǒng) 若負(fù)載功率因數(shù)為，則交流輸入功率因數(shù)也為 輸出頻率越高，輸出電壓波形質(zhì)量越好 輸出電壓越高，功率因數(shù)越高,本章小結(jié),1、交流交流變換電路的分類及其基本概念 2、單相交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)、工作原理，帶感性負(fù)載時(shí)對(duì)觸發(fā)脈沖的要求 3、三相交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)、工作原理 4、交交變頻電路的結(jié)構(gòu)、工作原理 6、交交變頻電路與交直交變頻電路的特點(diǎn)比較,習(xí) 題,9-1 某單相交流調(diào)