電力電子技術(shù)06-文檔資料

1、1 第第6 6章章 交流交流- -交流變流電路交流變流電路2引言引言交流交流-交流變流電路：把一種形式的交流變流電路：把一種形式的交流交流變成另一種形式變成另一種形式交流交流的電路。的電路。交流交流-交流變換電路可以分為交流變換電路可以分為直接方式（即無中間直流環(huán)直接方式（即無中間直流環(huán)節(jié)）節(jié)）和和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）兩種。兩種。直接方式直接方式 交流電力控制電路：只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝嘟涣麟娏刂齐娐罚褐桓淖冸妷?、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，而不改變頻率的電路。進(jìn)行控制，而不改變頻率的電路。 變頻電路：改變頻率的電路。變頻電路：改變頻率的電路。36.1

2、 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路引言引言把把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)兩個(gè)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后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。以控制交流輸出。 交流電力控制電路交流電力控制電路 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路：在每半個(gè)周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，調(diào)：在每半個(gè)周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的電路。節(jié)輸出電壓有效值的電路。 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路：以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變通：以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變通態(tài)周期數(shù)和斷態(tài)周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率平均值的電路。態(tài)周期數(shù)和斷態(tài)周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率平均值

3、的電路。 交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管。：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管。應(yīng)用應(yīng)用 燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制)。 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 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。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。4 6.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路返回56.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt

4、圖6-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形電阻負(fù)載 工作過程 在交流電源u1的正半周和負(fù)半周，分別對VT1和VT2的開通角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。 基本的數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值Uo ww2sin21dsin21121oUttUU負(fù)載電流有效值Io RUIoo晶閘管電流有效值IT )22sin1 (21sin221121wwRUtdRtUIT功率因數(shù)2sin211oo1ooUUIUIUSP(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)66.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路VT1圖6-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形阻感負(fù)載 工作過程 若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u

5、1的角度為，當(dāng)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。 設(shè)負(fù)載的阻抗角為 ，穩(wěn)態(tài)時(shí)的移相范圍應(yīng)為。 在wt=時(shí)刻開通晶閘管VT1，可求得導(dǎo)通角，即 的移相范圍為0，隨著的增大，Uo逐漸降低，逐漸降低。 )/(tg1RLwtg)sin()sin(e(6-7)76.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路圖6-3 單相交流調(diào)壓電路以 為參變量的和關(guān)系曲線 以為參變量，利用式(6-7)可以把和的關(guān)系用圖6-3的一簇曲線來表示?；镜臄?shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值Uo )22sin(2sin21)()sin2(1121owwUtdtUU晶閘管電流有效值IVT wwwcos)2cos(sin2)

6、d()sin()sin(22112tg1VTZUtetZUIt(6-8)(6-9)86.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路負(fù)載電流有效值Io VTo2II 晶閘管電流IVT的標(biāo)么值 1VTVTN2UZII式中22)( LRZw圖6-4 單相交流調(diào)壓電路為參變量時(shí)IVTN和關(guān)系曲線(6-10)(6-11)96.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路時(shí)的工作情況 VT1的導(dǎo)通時(shí)間超過。 觸發(fā)VT2時(shí)，io尚未過零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不會(huì)導(dǎo)通，io過零后，VT2才可開通，VT2導(dǎo)通角小于。 io有指數(shù)衰減分量，在指數(shù)分量衰減過程中，VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短，VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長。wtwtwtwt

7、圖4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT2圖6-5 時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形106.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路87.366435. 0)86arctan()arctan(RXL6435. 0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=8W，XL=6 W。試求=/6、/3時(shí)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： 1022LXRZ因此開通角的變化范圍為： 即當(dāng)=/6時(shí)，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(shí)輸出功率最大，為 )(22220AZIIoin1

8、16.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路)(38722WRIPinin3etan)6435. 03sin()6435. 03sin(功率因數(shù)為8 . 0222203872o1IUPin實(shí)際上，此時(shí)的功率因數(shù)也就是負(fù)載阻抗角的余弦。 時(shí)，先計(jì)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：2 .156727. 2126.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路8 . 0)727. 26435. 032cos(727. 2sin727. 2102220)(55.13A)(16.19AIIIVToincos)2cos(sin21VTZUI)(29372WRIPinin697. 0

9、16.192202937o1IUPin136.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路的諧波分析 帶電阻負(fù)載時(shí)，對負(fù)載電壓uo進(jìn)行諧波分析 , 5 , 3, 1o)sincos()(nnntnbtnatuwww式中) 12(cos2211Ua)(22sin2211Ub1) 1cos(111) 1cos(1121nnnnUan) 1sin(11) 1sin(1121nnnnUbn(n=3,5,7,)(n=3,5,7,)(6-12)146.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3圖6-7 斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)

10、壓電路 工作原理 用V1，V2進(jìn)行斬波控制，用V3，V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道。 設(shè)斬波器件（V1，V2）導(dǎo)通時(shí)間為ton，開關(guān)周期為T，則導(dǎo)通比 =ton/T ，通過改變來調(diào)節(jié)輸出電壓。 圖6-8 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形156.1.2 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圖6-9 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(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)返回166.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路星形聯(lián)結(jié)電路 分為三相三線和三相四線兩種情況。 三線四

11、相 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)，不流過零線，3的整數(shù)倍次諧波是同相位的，不能在各相之間流動(dòng)，全部流過零線。 當(dāng)=90時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。 三相三線帶電阻負(fù)載時(shí)的工作原理 任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路，因此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)。 觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1 VT6,依次相差60。圖6-9 a)星形聯(lián)結(jié)176.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路圖6-9 三相交流調(diào)壓電路 b)支路控制三角形聯(lián)結(jié)支路控制三角聯(lián)結(jié)電路 由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不

12、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)論完全適用，輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個(gè)負(fù)載相電流之和。 諧波分析 3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動(dòng)，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)載和角時(shí)，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。186.2 其他交流電力控制電路其他交流電力控制電路返回196.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點(diǎn)相同點(diǎn) 電路形式完全相同完全相同不同點(diǎn)不同點(diǎn) 控制方式不同不同交流調(diào)壓電路在每個(gè)電源周期周期都對輸出電壓波形進(jìn)行控制。

13、交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期,在斷開幾個(gè)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。返回20 電阻負(fù)載時(shí)的工作情況電阻負(fù)載時(shí)的工作情況2NM電源周期控制周期=M倍電源周期4MO導(dǎo)通段=M3M2Muou1uo,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6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后MN個(gè)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倍電源周期。返回21 諧波情況諧波情況012 14諧波次數(shù)相對于電源頻率的倍數(shù)圖6-14交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M

14、=3、N =2)2 4 610051234In/I0m6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路圖6-14的頻譜圖（以控制周期為基準(zhǔn)）。In為n次諧波有效值， Io為導(dǎo)通時(shí)電路電流幅值。以電源周期為基準(zhǔn)，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波。而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。返回226.2.2 交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)：把交流電力電子開關(guān)：把晶閘管晶閘管反并聯(lián)后串入交流反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路中，代替電路中的機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。電路的作用。優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，

15、沒有觸點(diǎn)，壽命長，可以頻優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，沒有觸點(diǎn)，壽命長，可以頻繁控制通斷。繁控制通斷。 與交流調(diào)功電路的區(qū)別與交流調(diào)功電路的區(qū)別 并不控制電路的平均輸出功率。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。電路的接通和斷開。 控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多?？刂祁l度通常比交流調(diào)功電路低得多。 23晶閘管投切電容晶閘管投切電容（Thyristor Switched CapacitorTSC）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6.2.2 交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)作用

16、 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(jī)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(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。返回24晶閘管的投切晶閘管的投切選擇晶閘管投入時(shí)刻的原則：選擇晶閘管投入時(shí)刻的原則：該時(shí)刻交流電源電壓和電容該時(shí)刻交流電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，這樣電器預(yù)充電電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，就容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。理想情況下，希望電容器預(yù)理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓峰值，充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，這時(shí)電源電壓的變化率為零，電容投入過

17、程不但沒有沖擊電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。電流，電流也沒有階躍變化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖6-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說明6.2.2 交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)返回25TSC電路也可采用晶閘管和電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式二極管反并聯(lián)的方式6.2.2 交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān) 由于二極管的作用，在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值。 成本稍低，但響應(yīng)速度稍慢，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖6

18、-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說明返回266.3 交交變頻電路交交變頻電路 返回276.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)。u 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，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，屬于直接變頻電路屬于直接變頻電路。u 廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際使用的廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。主要是三相輸出交交變頻電路。返回281) 電路構(gòu)成和基本工作原理電路構(gòu)成和基本工作原理ZPN輸出電壓平均輸出

19、電壓圖4-18OuouoP=0P=2P=2wt圖6-18 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器電路構(gòu)成如圖6-18，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(dòng)機(jī)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。返回29工作原理工作原理P P組工作時(shí)，負(fù)載電流組工作時(shí)，負(fù)載電流i io o為為正。N N組工作時(shí)，組工作時(shí)，i io o為為負(fù)。兩組變流器按一定的頻兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電。到該頻率的交流電。改變兩組變流器的改變兩組變流器的切換頻率，就可改切換頻率，就可改變輸出頻率變輸

20、出頻率w wo o 。改變變流電路的控改變變流電路的控制角制角 ，就可以改變，就可以改變交流輸出電壓的幅交流輸出電壓的幅值。值。ZPN輸出電壓平均輸出電壓圖4-18OuouoP=0P=2P=2wt圖6-18 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器返回30為使為使u uo o波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對 角進(jìn)行調(diào)制。角進(jìn)行調(diào)制。6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器在半個(gè)周期內(nèi)讓P組 角按正弦規(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。返回31交交變頻電路是一種交交變頻電路是一種直接變頻電路直接變頻電路。 和交直交變頻電路比較，優(yōu)點(diǎn)是和交直交變頻電路比較，優(yōu)點(diǎn)是 只用只用一次一次變流，效率較高。變流，效率較高。 可方便地實(shí)現(xiàn)可方便地實(shí)現(xiàn)四象限四象限工作。工作。 低頻輸出波形接近低頻輸出波形接近正弦波正弦波。 缺點(diǎn)是缺點(diǎn)是 接線復(fù)雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用接線復(fù)雜