電力電子技術(shù)電子教案第五章 交流變換電路ppt課件

1、第五章第五章 交流變換電路交流變換電路 學習目標學習目標 1掌握電力電子器件作為交流開關(guān)的典型應(yīng)用電路。掌握電力電子器件作為交流開關(guān)的典型應(yīng)用電路。 2掌握單相交流調(diào)壓電路基本工作原理，了解電感掌握單相交流調(diào)壓電路基本工作原理，了解電感性負載阻抗角對控制角的影響。性負載阻抗角對控制角的影響。 3了解三相交流調(diào)壓電路的連接方式及性能特點。了解三相交流調(diào)壓電路的連接方式及性能特點。 4. 了解交了解交-交變頻的工作原理與電路結(jié)構(gòu)。交變頻的工作原理與電路結(jié)構(gòu)。 第一節(jié)第一節(jié) 交流開關(guān)及其應(yīng)用電路交流開關(guān)及其應(yīng)用電路 電力電子器件在交流開關(guān)及交流調(diào)壓控制電路中應(yīng)用廣泛。通常電磁式開關(guān)在斷開負載電路時往

2、往有電弧產(chǎn)生，觸頭易燒損，動作時間長；且有噪聲、壽命短和功耗大等。而由電力電子器件組成的交流開關(guān)具有無觸頭、開關(guān)速度快、使用壽命長和功耗小等優(yōu)點。 交流開關(guān)可用兩只普通晶閘管或者兩只自關(guān)斷電力電子器件反并聯(lián)組成。由于出現(xiàn)了雙向晶閘管，可以用一只雙向晶閘管代替兩只反并聯(lián)器件，使電路大大簡化。 一、晶閘管交流開關(guān)及應(yīng)用一、晶閘管交流開關(guān)及應(yīng)用 a) b) c) 圖5-1 晶閘管開關(guān)的基本形式 圖5-1a為普通晶閘管反并聯(lián)的交流開關(guān)。當Q合上時，靠管子本身的陽極電壓作為觸發(fā)電源，可使管子可靠觸發(fā)。負載上可得到基本為正弦波的電壓。圖5-1b為采用雙向晶閘管的交流開關(guān)。圖5-1c為只有一個普通晶閘管的電

3、路，管子只能承受正壓，但由于串聯(lián)元器件多，其壓降損耗較大。 圖5-2為三相自動電熱爐的典型電路。它采用雙向晶閘管為交流開關(guān)，當開關(guān)Q撥到“自動位置時，爐溫就能自動保持在給定溫度。若爐溫低于給定溫度，溫控儀KT(調(diào)節(jié)式毫伏溫度計)使常開觸點KT閉合，VT4(小容量雙向晶閘管)被觸發(fā)導(dǎo)通，使繼電器KA線圈帶電，KA的觸點動作，使VT1、VT2、VT3觸發(fā)導(dǎo)通，負載電阻RL接入交流電源，電爐升溫。若爐溫到達給定溫度，溫控儀的常開觸點KT斷開，VT4關(guān)斷，繼電器KA失電，雙向晶閘管VT1VT2、VT3關(guān)斷，電阻RL與電源斷開，電爐降溫。使爐溫被控制在給定范圍內(nèi)波動，實現(xiàn)自動恒溫控制。圖5-2 三相電熱

4、爐自動溫控電路 二、單相交流調(diào)功器二、單相交流調(diào)功器 在電壓過零時給晶閘管以觸發(fā)脈沖，使晶閘管工作狀態(tài)始終處于全導(dǎo)通或全阻斷，這種工作方式稱為過零觸發(fā)。交流過零觸發(fā)開關(guān)電路就是利用過零觸發(fā)方式來控制晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷。它被用來實現(xiàn)在設(shè)定的周期范圍內(nèi)，將電路接通幾個周波，然后斷開幾個周波，通過改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通斷時間的比例，達到調(diào)節(jié)負載兩端交流電壓即負載功率的目的。因而這種裝置也稱調(diào)功器或周波(波形個數(shù))控制器。 調(diào)功器的輸出功率為 調(diào)功器輸出電壓有效值 其中，Pn、Un為設(shè)定周期TC內(nèi)全導(dǎo)通時裝置的輸出功率與電壓有效值。因而，改變導(dǎo)通周波數(shù)n，即可改變輸出電壓或功率。 nCPTnTP nC

5、UTnTU a) b) a) b) 圖圖5-3 5-3 過零觸發(fā)調(diào)節(jié)周波電過零觸發(fā)調(diào)節(jié)周波電壓的波形壓的波形 圖5-4為全波連續(xù)式的過零觸 發(fā)電路。電路由鋸齒波產(chǎn)生、信號綜合、直流開關(guān)、同步電壓與過零脈沖輸出五個環(huán)節(jié)組成 圖5-4 過零觸發(fā)電路 鋸齒波是由單結(jié)晶體管鋸齒波是由單結(jié)晶體管V8V8和和R1R1、R2R2、R3R3、RRP1RRP1和和C1C1組成組成的張馳振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)射極的張馳振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)射極跟隨器跟隨器(V1(V1、R4)R4)輸出。輸出。2) 2) 控制電壓控制電壓(UC)(UC)與鋸齒波與鋸齒波電壓進行電流疊加后，得電壓進行電流疊加后，得到合成電壓到合成電壓uSuS送至送

6、至V2V2的基極。的基極。 3) 3) 由由V2V2、V3V3及及R8R8、R9R9、VS1VS1組成直流開關(guān)。組成直流開關(guān)。 4) 4) 過零脈沖輸出。過零脈沖輸出。 圖圖5-5 5-5 過零觸發(fā)電過零觸發(fā)電路的電壓波形路的電壓波形 三、固態(tài)開關(guān)三、固態(tài)開關(guān)圖圖5-6 5-6 固態(tài)開關(guān)電路固態(tài)開關(guān)電路 第二節(jié)第二節(jié) 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路 單相交流調(diào)壓電路可由一只雙向晶閘管組成，也可以用單相交流調(diào)壓電路可由一只雙向晶閘管組成，也可以用兩只普通晶閘管或兩只普通晶閘管或GTRGTR等其他全控器件反并聯(lián)組成。等其他全控器件反并聯(lián)組成。 一、電阻負載一、電阻負載圖圖5-7 5-7 單相交流

7、調(diào)壓電阻負載電路及波形單相交流調(diào)壓電阻負載電路及波形 圖圖5-8 5-8 雙向雙向晶閘管調(diào)壓電路晶閘管調(diào)壓電路電阻負載時單相交流調(diào)壓的數(shù)量關(guān)系電阻負載時單相交流調(diào)壓的數(shù)量關(guān)系 1) 1)輸出交流電壓有效值和電流有效值輸出交流電壓有效值和電流有效值 2) 2)流過晶閘管的電流有效值流過晶閘管的電流有效值 3) 3)功率因數(shù)功率因數(shù) 2sin21)(d)sin2(1222RUttUU2sin212RRURUI2sin212RRURUI22sin)(2cosRRUUUIIUSP二、電感性負載二、電感性負載 a) b) c) a) b) c) 圖圖5-9 5-9 單相交流調(diào)壓電感負載電路及波形單相交流

8、調(diào)壓電感負載電路及波形下面分三種情況進行討論：下面分三種情況進行討論： (1) (1) 由圖由圖5-9a5-9a可見，可見， ，180180，正負，正負半波電流斷續(xù)。如圖半波電流斷續(xù)。如圖5-9a5-9a所示。所示。 (2) = (2) = 當當= = 時，時，=180=180，即正負半周電流，即正負半周電流臨界連續(xù)。相當于晶閘管失去控制，如圖臨界連續(xù)。相當于晶閘管失去控制，如圖5-9b5-9b所示。所示。 (3) (3) ，若，若VT1VT1管先被觸發(fā)導(dǎo)通，而且管先被觸發(fā)導(dǎo)通，而且180180。如果采用窄脈沖觸發(fā)，當如果采用窄脈沖觸發(fā)，當ug2ug2出現(xiàn)時，出現(xiàn)時，VT1VT1管的電流還未到

9、管的電流還未到零，零，VT1VT1管關(guān)不斷，管關(guān)不斷，VT2VT2管不能導(dǎo)通。等到管不能導(dǎo)通。等到VT1VT1管中流過的管中流過的電流為零并關(guān)斷時，電流為零并關(guān)斷時，ug2ug2脈沖已經(jīng)消失，此時脈沖已經(jīng)消失，此時VT2VT2管雖受正管雖受正壓，但也無法導(dǎo)通。到第三個半波時，壓，但也無法導(dǎo)通。到第三個半波時，ug1ug1又觸發(fā)又觸發(fā)VT1VT1導(dǎo)通。導(dǎo)通。這樣負載電流只有正半波部分，出現(xiàn)很大直流分量，電路這樣負載電流只有正半波部分，出現(xiàn)很大直流分量，電路不能正常工作。因而電感性負載時，晶閘管不能用窄脈沖不能正常工作。因而電感性負載時，晶閘管不能用窄脈沖觸發(fā)，可采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。觸發(fā)，可采

10、用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。 單相交流調(diào)壓有如下特點：單相交流調(diào)壓有如下特點： 1) 1)電阻負載時，負載電流波形與單相橋式可控整電阻負載時，負載電流波形與單相橋式可控整流交流側(cè)電流一致。改變觸發(fā)延遲角流交流側(cè)電流一致。改變觸發(fā)延遲角可以連續(xù)改可以連續(xù)改變負載電壓有效值，達到交流調(diào)壓的目的。變負載電壓有效值，達到交流調(diào)壓的目的。2)2)電感性負載時，不能用窄脈沖觸發(fā)。否則當電感性負載時，不能用窄脈沖觸發(fā)。否則當 時，會出現(xiàn)一個晶閘管無法導(dǎo)通，并產(chǎn)生很大直流時，會出現(xiàn)一個晶閘管無法導(dǎo)通，并產(chǎn)生很大直流分量電流，燒毀熔斷器或晶閘管。分量電流，燒毀熔斷器或晶閘管。 3) 3)電感性負載時，最小觸發(fā)延遲角電

11、感性負載時，最小觸發(fā)延遲角min =(min =(阻阻抗角抗角) )。所以。所以的移相范圍為的移相范圍為180180；電阻負載；電阻負載時移相范圍為時移相范圍為0 0180180。 三、晶閘管交流穩(wěn)壓電路三、晶閘管交流穩(wěn)壓電路 圖圖5-115-11所示為一個簡單的單相交流穩(wěn)壓電路。帶抽頭的自耦變壓所示為一個簡單的單相交流穩(wěn)壓電路。帶抽頭的自耦變壓器器1 1、0 0端為輸入端；變壓器高電壓的端為輸入端；變壓器高電壓的3 3端接雙向晶閘管端接雙向晶閘管VT1VT1；低電壓的；低電壓的抽頭抽頭2 2端接雙向晶閘管端接雙向晶閘管VT2VT2；4 4、0 0接負載的輸出端。當輸入電壓接負載的輸出端。當輸

12、入電壓u10u10在在其額定值其額定值(220V)(220V)的的10%10%變化時，適當設(shè)計變化時，適當設(shè)計1313、1212間的匝數(shù)，間的匝數(shù)，uouo可穩(wěn)定在可穩(wěn)定在220V220V附近。附近。 a) b) a) b) 圖圖5-11 5-11 單相交流穩(wěn)壓電路單相交流穩(wěn)壓電路第三節(jié)第三節(jié) 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路 一、星形聯(lián)結(jié)帶中線的三相交流調(diào)壓電路一、星形聯(lián)結(jié)帶中線的三相交流調(diào)壓電路 帶中線的三相交流調(diào)壓電路，實際上就是三個單相交帶中線的三相交流調(diào)壓電路，實際上就是三個單相交流調(diào)壓電路的組合，如圖流調(diào)壓電路的組合，如圖5-125-12所示。工作原理和波形分析所示。工作原理和波形

13、分析與單相交流調(diào)壓相同。由于雙向晶閘管可看成是兩只普通與單相交流調(diào)壓相同。由于雙向晶閘管可看成是兩只普通晶閘管的晶閘管的 反并聯(lián)，因而同普通晶閘管反并聯(lián)組成的星形反并聯(lián)，因而同普通晶閘管反并聯(lián)組成的星形帶中線的三相交流調(diào)壓電路的性能、工作原理帶中線的三相交流調(diào)壓電路的性能、工作原理 及使用場及使用場合等均一樣。合等均一樣。 在圖在圖5-125-12所示三相負載對稱調(diào)壓電路中，每相都接一只所示三相負載對稱調(diào)壓電路中，每相都接一只雙向晶閘管，每只管子均可假雙向晶閘管，每只管子均可假 想為兩半，分別擔負兩個想為兩半，分別擔負兩個方向的導(dǎo)通任務(wù)。方向的導(dǎo)通任務(wù)。 圖圖5-12 5-12 負載星形聯(lián)結(jié)帶

14、中線的三相交流調(diào)壓電路負載星形聯(lián)結(jié)帶中線的三相交流調(diào)壓電路 a) a)電路圖電路圖 b) =0 b) =0 c) =30 c) =30 d) d) =60 =60二、三相交流調(diào)壓電路其他連接方式二、三相交流調(diào)壓電路其他連接方式 三、三相交流調(diào)壓應(yīng)用實例三、三相交流調(diào)壓應(yīng)用實例 1. 1.軟起動器軟起動器 用雙向晶閘管組成的軟起動器裝置主電路。它用雙向晶閘管組成的軟起動器裝置主電路。它可用于水泵、風機、壓縮機及傳送帶等機械設(shè)備。可用于水泵、風機、壓縮機及傳送帶等機械設(shè)備。 電動機在起制動過程中，將電壓緩慢地加在電電動機在起制動過程中，將電壓緩慢地加在電動機上，使電動機和負載平滑地進行加速及減速，

15、動機上，使電動機和負載平滑地進行加速及減速，圖圖5-145-14所示為不同起動方式下的起動轉(zhuǎn)矩特性比所示為不同起動方式下的起動轉(zhuǎn)矩特性比較。通過軟起動器裝置相控調(diào)壓，使起動轉(zhuǎn)矩逐較。通過軟起動器裝置相控調(diào)壓，使起動轉(zhuǎn)矩逐漸增加，減少損耗，延長電動機和電源的壽命；漸增加，減少損耗，延長電動機和電源的壽命；另一方面，大大地減低初始浪涌電流，減少對電另一方面，大大地減低初始浪涌電流，減少對電網(wǎng)的干擾。在不需要變速的場合下，它比變頻器網(wǎng)的干擾。在不需要變速的場合下，它比變頻器具有更好的性能價格比。市售產(chǎn)品如具有更好的性能價格比。市售產(chǎn)品如ABBABB公司的公司的PSPS系列軟起動器及三菱公司系列軟起動

16、器及三菱公司MSSMSS系列軟起動器系列軟起動器( (功率功率范圍從范圍從7.57.5800kW)800kW)。 圖圖5-13 5-13 軟起動器的主電路軟起動器的主電路 圖圖5-14 5-14 異步電動機不同起動異步電動機不同起動 方式下的轉(zhuǎn)矩特性方式下的轉(zhuǎn)矩特性 2. 2.晶閘管電鍍電源晶閘管電鍍電源 圖圖5-15 5-15 晶閘管電鍍電源的主電路晶閘管電鍍電源的主電路 圖圖5-155-15中整流變壓器中整流變壓器TRTR的一次側(cè)接成星形三相四線制，的一次側(cè)接成星形三相四線制，每相用一只雙向晶閘管與每相用一只雙向晶閘管與TRTR的一次側(cè)繞組串聯(lián)實現(xiàn)交流調(diào)的一次側(cè)繞組串聯(lián)實現(xiàn)交流調(diào)壓，這樣可

17、選擇電流容量小的晶閘管，這對低壓大電流是壓，這樣可選擇電流容量小的晶閘管，這對低壓大電流是有利的。變壓器二次側(cè)采用帶平衡電抗器有利的。變壓器二次側(cè)采用帶平衡電抗器L L的雙反星形整流的雙反星形整流電路，用電路，用1212只整流二極管，并聯(lián)成六路輸出。由于選擇特只整流二極管，并聯(lián)成六路輸出。由于選擇特性相近的元器件以及有足夠的電流余量，因此采用共陽極性相近的元器件以及有足夠的電流余量，因此采用共陽極接法電路，這樣接法電路，這樣1212個元器件的陽極是等電位，以便于固定個元器件的陽極是等電位，以便于固定在同一水箱壁上實現(xiàn)水冷散熱。指示燈在同一水箱壁上實現(xiàn)水冷散熱。指示燈HL1HL1HL3HL3供操

18、作者供操作者檢查三相晶閘管的工作是否對稱。當檢查三相晶閘管的工作是否對稱。當Q1Q1Q3Q3接通時，三個接通時，三個指示燈應(yīng)該亮度一樣，若某一相燈泡較暗或不亮，即該相指示燈應(yīng)該亮度一樣，若某一相燈泡較暗或不亮，即該相電路工作不正常。電路工作不正常。FUFU選用快速熔斷器，選用快速熔斷器，TATA為電流互感器，為電流互感器，用于電流反饋和過電流保護信號取樣，取樣信號送到控制用于電流反饋和過電流保護信號取樣，取樣信號送到控制電路。電路。第四節(jié)第四節(jié) 交交- -交變頻電路交變頻電路 交交-交變頻就是把電網(wǎng)頻率的交流電變換成可調(diào)交變頻就是把電網(wǎng)頻率的交流電變換成可調(diào)頻率的交流電，因為沒有中間環(huán)節(jié)，能量

19、轉(zhuǎn)換效頻率的交流電，因為沒有中間環(huán)節(jié)，能量轉(zhuǎn)換效率較高，廣泛應(yīng)用于大功率的三相異步電動機和率較高，廣泛應(yīng)用于大功率的三相異步電動機和同步電動機的低速變頻調(diào)速。實際應(yīng)用中，以三同步電動機的低速變頻調(diào)速。實際應(yīng)用中，以三相輸出交相輸出交-交變頻電路為主，但單相輸出交交變頻電路為主，但單相輸出交-交變頻交變頻電路是三相輸出交電路是三相輸出交-交變頻電路的基礎(chǔ)。交變頻電路的基礎(chǔ)。一、一、 單相輸出交單相輸出交- -交變頻電路交變頻電路 1. 1.電路組成及基本工作原理電路組成及基本工作原理 圖圖5-165-16是單相輸出交是單相輸出交- -交變頻電路的原理框圖，交變頻電路的原理框圖，電路由電路由P P

20、正組和正組和N N負組反并聯(lián)的晶閘管變負組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，兩組變流電路接在同一個交流電源，流電路構(gòu)成，兩組變流電路接在同一個交流電源，Z Z為負載。兩組變流器都是相控電路，為負載。兩組變流器都是相控電路，P P組工作時，組工作時，負載電流自上而下，設(shè)為正向；負載電流自上而下，設(shè)為正向；N N組工作時，負載組工作時，負載電流自下而上，為負向。讓兩組變流器按一定的電流自下而上，為負向。讓兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電。改頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出到負變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出到負載上的交流電壓頻

21、率，改變交流電路工作時的控載上的交流電壓頻率，改變交流電路工作時的控制角制角，就可以改變交流輸出電壓的幅值。，就可以改變交流輸出電壓的幅值。 圖圖5-16 5-16 單相輸出交單相輸出交- -交變頻電路的原理框圖交變頻電路的原理框圖 圖圖5-17 5-17 單相輸出交單相輸出交- -交變頻電路輸出交流電交變頻電路輸出交流電壓波形壓波形 2. 2.輸入輸出特性輸入輸出特性 輸出上限頻率輸出上限頻率 一般認為，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率一般認為，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的的1/31/31/21/2。電網(wǎng)為。電網(wǎng)為50Hz50Hz時，交時，交- -交變頻電路的輸出上交變頻電路的輸出上限頻率約為限頻

22、率約為20Hz20Hz。 輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù) 交交- -交變頻電路采用的是相位控交變頻電路采用的是相位控制方式，因此其輸入電流的相位總是滯后于輸入電壓，制方式，因此其輸入電流的相位總是滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率。負載的功率因數(shù)越低，輸入需要電網(wǎng)提供無功功率。負載的功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。而且不論負載功率因數(shù)是滯后還是功率因數(shù)也越低。而且不論負載功率因數(shù)是滯后還是超前的，輸入的無功電流總是滯后的。超前的，輸入的無功電流總是滯后的。二、三相輸出交二、三相輸出交- -交變頻電路交變頻電路 1. 1. 公共交流母線進線方式公共交流母線進線方式 圖圖5-23 5-23 公共交流

23、母線進線方式的三相交公共交流母線進線方式的三相交- -交變頻電路交變頻電路簡圖簡圖 2. 2. 輸出星形聯(lián)結(jié)方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式 圖圖5-24 5-24 輸出星形聯(lián)結(jié)方式的三相交輸出星形聯(lián)結(jié)方式的三相交- -交變頻電路原理交變頻電路原理圖圖 本章小結(jié)本章小結(jié) 組成交流開關(guān)的電力電子器件可以是普通晶閘管、雙向晶閘管及自關(guān)組成交流開關(guān)的電力電子器件可以是普通晶閘管、雙向晶閘管及自關(guān)斷器件。其中，普通晶閘管的造價較全控型器件低廉，已得到廣泛的斷器件。其中，普通晶閘管的造價較全控型器件低廉，已得到廣泛的應(yīng)用。此外，由于晶閘管總是在電流過零時關(guān)斷，所以關(guān)斷時不會因應(yīng)用。此外，由于晶閘管總是在電流過零時關(guān)斷，所以關(guān)斷時不會因負載或線路中電感儲能而造成暫態(tài)電壓的現(xiàn)象；而全控型壓控器件，負載或線路中電感儲能而造成暫態(tài)電壓的現(xiàn)象；而全控型壓控器件，控制功率小、開關(guān)頻率高，導(dǎo)通壓降低，是發(fā)展應(yīng)用的方向?？刂乒β市?、開關(guān)頻率高，導(dǎo)通壓降低，是發(fā)展應(yīng)用的方向。 交流調(diào)壓控制方式一般有兩種：一種是通斷比控制方式，控制負交流調(diào)壓控制方式一般有兩種：一種是通斷比控制方式，控制負載所得電壓的周波個數(shù)，達到調(diào)節(jié)負載功率的目的，而它們的觸發(fā)延載所得電壓的周波個數(shù)，達到調(diào)節(jié)負載功率的目的，而它們的觸發(fā)延遲角一般是遲角一般是 =0 =0；另一種類型就是常用的相位控制，它類似于單相；另一種類型就是常