第6章-AC-AC變換電路

第六章AC-AC變換電路主講教師：XXX電力電子技術學習目標：熟悉交流—交流變流電路的分類及其基本概念理解單相交流調壓電路的電路構成，在電阻負載和阻感負載時的工作原理和電路特性明確三相交流調壓電路的基本構成和基本工作原理(4)掌握交流調功電路和交流電力電子開關的基本概念(5)熟悉晶閘管相控交交變頻電路的電路構成、工作原理和輸入輸出特性(6)了解各種交流—交流變流電路的主要應用(7)了解矩陣式交交變頻電路的基本概念電力電子技術問題思考：電視、洗衣機等常見的用電設備都通過插座連接電網的交流電，我國戶用交流電都是220V50Hz，為什么要進行AC到AC的變換？如果要改變交流電的電壓，為什么利用AC-AC變換器而不直接使用變壓器呢？AC-AC變換與整流和逆變有什么聯(lián)系呢

？本章PPT部分圖片源于網絡和其他文獻電力電子技術AC-AC變流電路的目的改變電壓/電流幅值或控制電路通斷（斷路幅值為0）改變電壓/電流頻率改變電路的相數(shù)4幅值頻率相數(shù)電力電子技術AC-AC變流電路分類交流調壓電路：改變電壓幅值，不變頻交流調功電路：改變電路功率，不變頻交流電力電子開關：改變電路通斷，不變頻交流電力控制電路直接交交變頻電路交-直-交變頻電路變頻電路AC-AC變流電路5電力電子技術目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調壓電路(2)其他交流電力控制電路2.變頻電路(1)直接交交變頻電路(2)交直交變頻電路電力電子技術目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調壓電路(2)其他交流電力控制電路2.變頻電路(1)直接交交變頻電路(2)交直交變頻電路電力電子技術交流電的開關控制通斷AC的開關和DC的開關有什么區(qū)別呢？通斷交流電的開關常用多個功率半導體開關組合而成8DC開關：單向耐壓或單向通流（單象限或兩象限）AC開關：雙向耐壓和雙向通流（四象限）電力電子技術交流電的開關9全控AC開關：電壓和電流完全可控半控AC開關：反并聯(lián)晶閘管能控制開通，不能控制關斷電路簡單、成本低電壓高、電流大開關速度快功能強大電力電子技術交流電的開關10半控AC開關：反并聯(lián)晶閘管能控制開通，不能控制關斷電路簡單、成本低電壓高、電流大交流調壓電路：每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制，調節(jié)輸出電壓有效值的電路交流調功電路：以交流電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，調節(jié)輸出功率平均值的電路交流電力電子開關：串入電路中根據需要接通或斷開電路的晶閘管電力電子技術目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調壓電路(2)其他交流電力控制電路2.變頻電路(1)直接交交變頻電路(2)交直交變頻電路電力電子技術單相交流調壓電路——電阻負載12工作過程：在交流電源u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角

進行控制就可以調節(jié)輸出電壓。

的移相范圍為0≤

≤

，隨著

的增大，Uo逐漸降低，功率因數(shù)逐漸降低負載電壓有效值Uo負載電流有效值IoOu1uoiouVTwtOwtOwtOwt電力電子技術單相交流調壓電路——阻感負載13工作過程：若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為

，當用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后。設負載的阻抗角為穩(wěn)態(tài)時

的移相范圍為

≤

≤

在

t=

時刻開通晶閘管VT1，負載電流滿足以下微分方程和初始條件電力電子技術單相交流調壓電路——阻感負載14在

t=

時刻開通晶閘管VT1，負載電流滿足以下微分方程和初始條件解此方程，得利用邊界條件電力電子技術單相交流調壓電路——阻感負載15負載電壓有效值Uo晶閘管電流有效值IVT負載電流有效值Io電力電子技術單相交流調壓電路——阻感負載16以

為參變量，可以把

和

的關系用一簇曲線來表示電力電子技術單相交流調壓電路——阻感負載17

<

時電路也能工作VT1的導通時間超過

觸發(fā)VT2時，io尚未過零，VT1仍導通，VT2不會導通，io過零后，VT2才可開通，VT2導通角小于

io有指數(shù)衰減分量，在指數(shù)分量衰減過程中，VT1導通時間漸短，VT2的導通時間漸長電力電子技術單相交流調壓電路——例子18例6-1一單相交流調壓器，輸入交流電壓為220V，50Hz，負載為電阻電感，其中R=8W，XL=6W。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)負載阻抗及負載阻抗角分別為：開通角

的變化范圍為：電力電子技術單相交流調壓電路——例子19例6-1一單相交流調壓器，輸入交流電壓為220V，50Hz，負載為電阻電感，其中R=8W，XL=6W。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)①當

=

/6時，由于

<

,因此晶閘管調壓器全開放，輸出電壓為完整的正弦波，負載電流也為最大，此時輸出功率最大，為功率因數(shù)為②當

=

/3時，先計算晶閘管的導通角電力電子技術單相交流調壓電路——例子20例6-1一單相交流調壓器，輸入交流電壓為220V，50Hz，負載為電阻電感，其中R=8W，XL=6W。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)晶閘管電流有效值負載電流有效值功率為功率因數(shù)為電力電子技術單相交流調壓電路——諧波分析21電阻負載輸出電壓Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)電力電子技術單相交流調壓電路——諧波分析22基波和各次諧波的有效值(n=1,3,5,7,…)

左圖為電流基波和各次諧波標么值隨

變化的曲線，其中基準電流為

=0時的電流有效值阻感負載時，電流諧波次數(shù)和電阻負載時相同，也只含3、5、7…等次諧波。和電阻負載時相比，阻感負載時的諧波電流含量少一些。當

角相同時，隨著阻抗角

的增大，諧波含量有所減少電力電子技術單相交流調壓電路——斬控式交流調壓電路23用V1，V2進行斬波控制，用V3，V4給負載電流提供續(xù)流通道斬控式交流調壓電路輸入電壓是正弦交流信號設斬波器件（V1，V2）導通時間為ton，開關周期為T，則導通比

=ton/T

，通過改變

來調節(jié)輸出電壓電阻負載電源電流的基波分量是和電源電壓同相位的，即位移因數(shù)為1，高次諧波用很小的濾波器即可濾除，這時電路的功率因數(shù)接近1電力電子技術三相交流調壓電路——電路拓撲24星型聯(lián)結支路控制三角形聯(lián)結中點控制三角形聯(lián)結電力電子技術三相交流調壓電路——星型聯(lián)結電路25分為三相三線和三相四線兩種情況三相四線：相當于三個單相交流調壓電路的組合，三相互相錯開120°工作，單相交流調壓電路的工作原理和分析方法均適用基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動，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，全部流過零線電力電子技術三相交流調壓電路——星型聯(lián)結電路26三相三線：帶電阻負載時任一相導通須和另一相構成回路，因此電流通路中至少有兩個晶閘管，應采用雙脈沖或寬脈沖觸發(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°。三相的觸發(fā)脈沖依次相差120°。把相電壓過零點定為開通角

的起點，三相三線電路中，兩相間導通時是靠線電壓導通的，而線電壓超前相電壓30°，因此

角的移相范圍是0°~150°電力電子技術三相交流調壓電路——星型聯(lián)結電路27根據任一時刻導通晶閘管個數(shù)以及半個周波內電流是否連續(xù)可將0°~150°的移相范圍分為如下三段a)0°≤

<60°范圍內，電路處于三個晶閘管導通與兩個晶閘管導通的交替狀態(tài)，每個晶閘管導通角度為180°?

。

=0°時是一種特殊情況，一直是三個晶閘管導通三相中各有一個晶閘管導通，負載相電壓=電源相電壓兩相中各有一個晶閘管導通，負載相電壓=電源線電壓/2兩相中各有一個晶閘管導通，負載相電壓=0電力電子技術三相交流調壓電路——星型聯(lián)結電路28b)60°≤<90°范圍內，任一時刻都是兩個晶閘管導通，每個晶閘管的導通角度為120°c)90°≤

<150°范圍內，電路處于兩個晶閘管導通與無晶閘管導通的交替狀態(tài)，每個晶閘管導通角度為300°?2

，而且這個導通角度被分割為不連續(xù)的兩部分，在半周波內形成兩個斷續(xù)的波頭，各占150°?

主要諧波次數(shù)為6k±1，與三相橋一致。三相三線電路，沒有3k次諧波。電感負載一般諧波更小電力電子技術三相交流調壓電路——支路控制三角形聯(lián)結電路29單相交流調壓電路的原理和分析方法完全適用線電流中沒有3k次諧波，主要諧波次數(shù)為6k±1。

相同工況下，支路控制三角形聯(lián)結電路一般比星型聯(lián)結電路諧波小一個典型應用是晶閘管控制電抗器(ThyristorControlledReactor,TCR)電力電子技術交流調壓電路應用30燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制)異步電動機啟動及調速供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調節(jié)高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調節(jié)變壓器一次電壓電力電子技術目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調壓電路(2)其他交流電力控制電路2.變頻電路(1)直接交交變頻電路(2)交直交變頻電路電力電子技術交流調功電路32和交流調壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率常用于電爐的溫度控制，直接調節(jié)對象是電路的平均輸出功率，所以稱為交流調功。時間常數(shù)往往很大，沒必要對每個周期進行控制，只要以周波數(shù)為單位控制就足夠了控制晶閘管導通的時刻都在電源電壓過零處，負載電壓電流都是正弦波電力電子技術交流調功電路33在交流電源接通期間，負載電壓電流都是正弦波，不對電網電壓電流造成通常意義的諧波污染如果以電源周期為基準，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不同的接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值會導致不同的頻譜電力電子技術交流電力電子開關34交流電力電子開關：把晶閘管反并聯(lián)串入交流電路中，代替機械開關，起接通和斷開電路的作用，稱作交流電力電子開關優(yōu)點：響應速度快，沒有觸點，壽命長，可以頻繁控制通斷通常沒有明確的控制周期，只是根據需要控制電路的接通和斷開?？刂祁l度通常比交流調功電路低得多一個典型應用是晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitor,TSC）一對反并聯(lián)的晶閘管組成電力電子開關電力電子技術目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調壓電路(2)其他交流電力控制電路2.變頻電路(1)直接交交變頻電路(2)交直交變頻電路電力電子技術目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調壓電路(2)其他交流電力控制電路2.變頻電路(1)直接交交變頻電路(2)交直交變頻電路電力電子技術目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調壓電路(2)其他交流電力控制電路2.變頻電路(1)直接交交變頻電路(2)交直交變頻電路電力電子技術直接交交變頻電路——單相電路38交交變頻電路是把電網頻率的交流電直接變換成可調頻率流電的變流電路，因為沒有中間直流環(huán)節(jié)，因此屬于直接變頻電路由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管相控整流電路構成。P組工作時，負載電流io為正，N組工作時，io為負改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出頻率

0改變變流電路的控制角

，就可以改變交流輸出電壓的幅值電力電子技術直接交交變頻電路——單相電路39為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對

角進行調制在半個周期內讓P組

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，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波電力電子技術直接交交變頻電路——單相電路整流與逆變工作狀態(tài)40以阻感負載為例，二極管體現(xiàn)了交流電流的單方向性設負載阻抗角為

，則輸出電流滯后輸出電壓

角，兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式t1~t3期間：io處于正半周，正組工作，反組被封鎖t1~t2階段：uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正t2~t3階段：uo反向，io仍為正，正組逆變，輸出功率為負電力電子技術直接交交變頻電路——單相電路整流與逆變工作狀態(tài)41t3~t5期間：io處于負半周，反組工作，正組被封鎖t3~t4階段：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正t4~t5階段：uo反向，io仍為負，反組逆變，輸出功率為負哪組變流電路工作由io方向決定，與uo極性無關變流電路工作在整流還是逆變狀態(tài)，根據uo方向與io方向是否相同來確定電力電子技術直接交交變頻電路——單相電路工作波形42考慮到無環(huán)流工作方式下負載電流過零的正反組切換死區(qū)時間，一周期的波形可分為6段：

第1段io<0，uo>0，為反組逆變；第2段電流過零，為切換死區(qū)；第3段io>0，uo>0，為正組整流；第4段io>0，uo<0，為正組逆變；第5段又是切換死區(qū)；第6段io<0，uo<0，為反組整流。電力電子技術直接交交變頻電路——三相電路三相交交變頻電路主要應用于大功率交流電機調速系統(tǒng)，三相交交變頻電路是由三組輸出電壓相位各差120°的單相交交變頻電路組成的公共交流母線進線方式：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成電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上因為電源進線端公用，所以三組的輸出端必須隔離主要用于中等容量的交流調速系統(tǒng)公共交流母線進線三相交交變頻電路（簡圖）43電力電子技術直接交交變頻電路——三相電路輸出星形聯(lián)結方式：三組輸出端是星形聯(lián)結，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結因為三組輸出聯(lián)接在一起，其電源進線必須隔離，因此用三個變壓器供電構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通才能構成回路，形成電流輸出星形聯(lián)結方式三相交交變頻電路輸入輸出特性輸出上限頻率和輸出電壓諧波與單相交交變頻電路是一致的總的輸入電流由三個單相電路的同一相輸入電流合成而得到有些諧波相互抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低44電力電子技術直接交交變頻電路——三相電路輸入輸出特性輸出上限頻率和輸出電壓諧波與單相交交變頻電路是一致的總的輸入電流由三個單相電路的同一相輸入電流合成而得到有些諧波相互抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低諧波頻率為式中k=1,2,3,…；l=0,1,2,…

200t/ms輸出電壓單相輸出時U相輸入電流三相輸出時U相輸入電流200t/ms200t/ms45電力電子技術直接交交變頻電路——三相電路總輸入功率因數(shù)為三相電路總的有功功率為各相有功功率之和視在功率不能簡單相加，而應該由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來計算，比三相各自的視在功率之和要小，因此三相交交變頻電路總輸入功率因數(shù)要高于單相交交變頻電路三相的輸入位移因數(shù)與單相輸出時相同，由于三個單相交交變頻電路的部分輸入電流諧波相互抵消，三相系統(tǒng)的基波因數(shù)增大，使其功率因數(shù)得以提高。功率因數(shù)低仍是三相交交變頻電路的一個主要缺點46電力電子技術直接交交變頻電路——矩陣式變換器矩陣式變頻電路：一種斬控式直接變頻電路輸出電壓可控制為正弦波，頻率不受電網頻率的限制輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相，功率因數(shù)為1，也可控制為需要的功率因數(shù)能量可雙向流動，適用于交流電動機的四象限運行不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實現(xiàn)變頻，效率較高矩陣式變頻電路輸入輸出特性輸出上限頻率和輸