第六章交-交變換電力電子技術(shù)

第六章．交流變換電路

概述交流-交流變流電路——一種形式的交流變成另一種形式交流的電路，可改變相關(guān)的電壓、電流、頻率和相數(shù)等交流電力控制電路——只改變電壓、電流或控制電路的通斷，不改變頻率電壓變換電路交流調(diào)壓電路——相位控制（或斬控式），6.1節(jié)交流調(diào)功電路及交流無觸點(diǎn)開關(guān)——通斷控制，6.2節(jié)變頻電路——改變頻率，大多不改變相數(shù)，也有改變相數(shù)的交交變頻電路——直接把一種頻率的交流變成另一種頻率或可變頻率的交流，直接變頻電路 1.晶閘管交交變頻電路，6.3節(jié) 2.矩陣式變頻電路，6.4節(jié)交直交變頻電路——先把交流整流成直流，再把直流逆變成另一種頻率或可變頻率的交流,間接變頻電路，6.1交流調(diào)壓電路交流電力控制電路的結(jié)構(gòu)及類型兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，控制晶閘管就可控制交流電力交流調(diào)壓電路——每半個(gè)周波控制晶閘管開通相位，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值交流調(diào)功電路——以交流電周期為單位控制晶閘管通斷，改變通斷周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率的平均值交流電力電子開關(guān)——并不著意調(diào)節(jié)輸出平均功率，而只是根據(jù)需要接通或斷開電路，6.1交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路的應(yīng)用：燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制）異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速供用電系統(tǒng)對(duì)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6.1.1單相交流調(diào)壓電路1．電阻負(fù)載工作原理：在u1的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的開通角a進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓正負(fù)半周a起始時(shí)刻（a=0）均為電壓過零時(shí)刻，穩(wěn)態(tài)時(shí)，正負(fù)半周的a

相等負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓的波形相同圖6-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形0~T1，VT1，VT截止，輸出電壓為0；T1~T2（π），VT1通，VT2止，U0=U1；T2~T3，VT1，VT2止，輸出電壓為0；T3~T4（2π）VT2通，輸出電壓U0=U1；2．主要數(shù)量關(guān)系輸出電壓分段表達(dá)式6.1.1單相交流調(diào)壓電路數(shù)量關(guān)系

A輸出負(fù)載電壓有效值(6-1)

B負(fù)載電流有效值(6-2)

C晶閘管電流有效值(6-3)

圖6-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形6.1.1單相交流調(diào)壓電路D線路入端功率因數(shù)(6-4)輸出電壓與a的關(guān)系:移相范圍為0≤a≤π。a=0時(shí)，輸出電壓為最大，Uo=U1。隨a的增大，Uo降低;a=π時(shí)，Uo=0。λ與a的關(guān)系：

a=0時(shí)，功率因數(shù)λ=1，即輸出電壓為完整正弦波

a

=π/2時(shí)，λ=0.707

a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，λ降低E

晶閘管最大正反向電壓為

6.1.1單相交流調(diào)壓電路2．阻感負(fù)載阻感負(fù)載時(shí)a的移相范圍

負(fù)載阻抗角：j=arctan(wL

/R)

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u1的角度為j

在用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后，而無法使其超前

a=0時(shí)刻仍定為u1過零的時(shí)刻，a的移相范圍應(yīng)為j≤a≤π圖6-2阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形6.1.1單相交流調(diào)壓電路阻感負(fù)載時(shí)的工作過程分析

在ωt=a時(shí)刻開通VT1，負(fù)載電流滿足

(6-5)解方程得(6-6)

式中 ,θ為晶閘管導(dǎo)通角利用邊界條件：ωt=a+θ時(shí)io

=0,可求得θ：

(6-7)VT2導(dǎo)通時(shí)，上述關(guān)系完同，只是io極性相反，相位差180°圖6-3單相交流調(diào)壓電路以a為參變量的θ和a關(guān)系曲線數(shù)量關(guān)系A(chǔ)輸出電壓有效值

(6-8)

式中θ為晶閘管一周期內(nèi)導(dǎo)通角，它和Ψ，a之間關(guān)系見上頁(yè)公式

B晶閘管電流有效值

(6-9)6.1.1單相交流調(diào)壓電路C輸出電流有效值 (6-10)

IVT的標(biāo)么值 (6-11)圖6-4單相交流調(diào)壓電路a為參變量時(shí)IVTN和a關(guān)系曲線6.1.1單相交流調(diào)壓電路D.

晶閘管最大正反向電壓:U1

相控式交流調(diào)壓電路在實(shí)際電路中，VT1和VT2合二為一，用一只雙向晶閘管完成。(如BT139,Z0405

)

阻感負(fù)載時(shí)

a的移相范圍應(yīng)為j≤a≤π，下面討論a≤j

情況6.1.1單相交流調(diào)壓電路a<j

時(shí)的工作情況

VT1提前通，L被過充電，放電時(shí)間延長(zhǎng)，VT1的導(dǎo)通角超過π觸發(fā)VT2時(shí)，

io尚未過零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不通io過零后，VT2開通，VT2導(dǎo)通角小于π方程式(6-5)和(6-6)所得io表達(dá)式仍適用，只是a≤ωt<∞過渡過程和帶R-L負(fù)載的單相交流電路在ωt=a(a<j)時(shí)合閘的過渡過程相同

io由兩個(gè)分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量衰減過程中，VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短，VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長(zhǎng)穩(wěn)態(tài)的工作情況和a=j時(shí)完全相同圖6-5a<j時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形6.1.1單相交流調(diào)壓電路3．單相交流調(diào)壓電路的諧波分析電阻負(fù)載的情況波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以不含直流分量和偶次諧波 (6-12)式中

6.1.1單相交流調(diào)壓電路 (n=3,5,7,…)

(n=3,5,7,…)基波和各次諧波有效值 (n=1,3,5,7,…)(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)么值隨a

變化的曲線（基準(zhǔn)電流為a=0時(shí) 的有效值）如圖6-6所示圖6-6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)壓電路阻感負(fù)載的情況電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相同，也只含3、5、7…等次諧波隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少和電阻負(fù)載時(shí)相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量少一些a角相同時(shí)，隨著阻抗角j的增大，諧波含量有所減少6.1.1單相交流調(diào)壓電路6.1.1單相交流調(diào)壓電路4．?dāng)乜厥浇涣髡{(diào)壓電路

一般采用全控型器件作為開關(guān)器件6.1.1單相交流調(diào)壓電路特性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圖6-7斬控式交流調(diào)壓電路圖6-8電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形工作原理基本原理和直流斬波電路有類似之處u1正半周，用V1進(jìn)行斬波控制，V3提供續(xù)流通道u1負(fù)半周，用V2進(jìn)行斬波控制，V4提供續(xù)流通道設(shè)斬波器件（V1或V2）導(dǎo)通時(shí)間為ton，開關(guān)周期為T，則導(dǎo)通比a=ton/T，改變a可調(diào)節(jié)輸出電壓斬波電路必須由二只全控器件完成（如IGBT，MOSFET，GTR）,通過改變加在主控開關(guān)VT上的觸發(fā)脈沖占空比α=ton/T,來達(dá)到改變變壓輸出的目的。由于io電流等于i1的電流,故輸入電流Ii基波分量和電壓同相位的，即位移因數(shù)cosα=1.通過傅里葉分析可知，電源電流中主要是高次諧波，故通在入端加一大小適當(dāng)?shù)臑V波器，即可濾除高次諧波，這時(shí)線路功率因數(shù)接近1。6.2.1三相交流調(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 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)6.2.1交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同電路形式完全相同控制方式不同：將負(fù)載與電源接通幾個(gè)周波，再斷開幾個(gè)周波，改變通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率應(yīng)用

常用于電爐的溫度控制因其直接調(diào)節(jié)對(duì)象是電路的平均輸出功率，所以稱為交流調(diào)功電路6.2.1交流調(diào)功電路控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)很大，以周波數(shù)為單位控制即可通常晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻為電源電壓過零的時(shí)刻，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對(duì)電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染電阻負(fù)載時(shí)的工作情況控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后M－N個(gè)周期關(guān)斷6.2.1交流調(diào)功電路當(dāng)M=3、N=2時(shí)的電路波形如圖6-11負(fù)載電壓和負(fù)載電流（即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期圖6-11交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)6.2.1交流調(diào)功電路諧波情況圖6-12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)倍頻率的諧波在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大圖6-12交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)6.2.2交流電力電子開關(guān)晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路作用：代替機(jī)械開關(guān)，接通和斷開電路優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，無觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，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控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多6.2.2交流電力電子開關(guān)

晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）

對(duì)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

圖基本原理圖（單相）實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)圖TSC基本原理圖a)基本單元單相簡(jiǎn)圖b)分組投切單相簡(jiǎn)圖6.2.2交流電力電子開關(guān)兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管起著把C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用（圖a）串聯(lián)電感很小，用來抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)的沖擊電流實(shí)際工程中，為避免電容器組投切造成較大沖擊，一般把電容器分成幾組（圖b），可根據(jù)電網(wǎng)對(duì)無功的需求而改變投入電容器的容量TSC實(shí)際上為斷續(xù)可調(diào)的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償器圖TSC基本原理圖基本單元單相簡(jiǎn)圖分組投切單相簡(jiǎn)圖6.2.2交流電力電子開關(guān)晶閘管投切選擇晶閘管投入時(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，就不會(huì)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(shí)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TSC理想投切時(shí)刻原理說明(顯示放大圖）6.2.2交流電力電子開關(guān)TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式由于二極管的作用，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)周波晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC6.3交交變頻電路(簡(jiǎn)介)本節(jié)講述：晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)交交變頻電路——把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，屬于直接變頻電路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)用的主要是三相輸出交交變頻電路6.3.1單相交交變頻電路1．電路構(gòu)成和基本工作原理電路構(gòu)成如圖4-18，由P組和N