第6章交交变换2012.ppt

第6章 交流-交流变流电路,2,6.1 交流-交流变流电路概述 6.2 交流调压电路 6.3 其他交流电力控制电路 6.4 交交变频电路,第6章 交流-交流变流电路,3,6.1 交流-交流变流电路概述,交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。包括电压、电流、频率、相数等。 交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环节）和间接方式（有中间直流环节）两种。 直接方式 交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路。 变频电路：改变频率的电路。,4,交流电力控制电路的结构及类型 两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管就可控制交流电力 交流调压电路每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值 交流调功电路以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值 交流电力电子开关并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路，,6.2 交流调压电路,5,6.2 交流调压电路,交流调压电路的应用： 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制） 异步电动机软起动 异步电动机调速 供用电系统对无功功率的连续调节 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压,6,6.2.1 单相交流调压电路,1电阻负载 工作原理： 在 u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压 正负半周a 起始时刻（a =0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a 相等 负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同,图6-1电阻负载单相交流调压电路及其波形,7,图6-2电阻负载单相交流调压电路及其波形,6.2.1 单相交流调压电路,负载电压有效值Uo,负载电流有效值Io,晶闸管电流有效值IT,功率因数,的移相范围为0，随着的增大，Uo逐渐降低，逐渐降低。,8,6.2.1 单相交流调压电路,输出电压与a的关系: 移相范围为0 a 。 a =0时，输出电压为最大， Uo=U1。随a的增大，Uo降低， a =时， Uo =0。 与a的关系： a =0时，功率因数=1， a增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低,9,2阻感负载 阻感负载时a的移相范围 负载阻抗角：j = arctan(wL / R) 晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j 在用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前 a =0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j a ,图6-3 阻感负载单相交流调压电路及其波形,6.2.1 单相交流调压电路,10,6.2.1 单相交流调压电路,在t = a时刻开通VT1，负载电流满足,解方程得,为晶闸管导通角,VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180°,图6-4 单相交流调压电路以为参变量的和a关系曲线,11,负载电流有效值 IVT的标么值,图6-5 单相交流调压电路为参变量时IVTN和a关系曲线,6.2.1 单相交流调压电路,12,数量关系 负载电压有效值 晶闸管电流有效值,6.2.1 单相交流调压电路,13,a j 时的工作情况 VT1提前通，L被过充电，放电时间延长， VT1的导通角超过 触发VT2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不通 io过零后， VT2开通， VT2导通角小于 方程式(4-5)和(4-6)所得io表达式仍适用，只是at 过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在t =a (a j)时合闸的过渡过程相同 io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量,6.2.1 单相交流调压电路,14,衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通时间渐长 稳态的工作情况和a =j时完全相同,图6-6 aj时阻感负载交流调压电路工作波形,6.2.1 单相交流调压电路,15,6.2.1 单相交流调压电路,例6-1 一单相交流调压器，输入交流电压为220V，50Hz，负载为电阻电感，其中R=8W，XL=6 W。试求=/6、/3时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数。 解：负载阻抗及负载阻抗角分别为：,因此开通角的变化范围为：,即,当=/6时，由于,因此晶闸管调压器全开放，输出电压为完整的正弦波，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为,16,6.2.1 单相交流调压电路,功率因数为,实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。, 时，先计算晶闸管的导通角，由式（6-7）得,解上式可得晶闸管导通角为：,17,6.2.1 单相交流调压电路,18,3单相交流调压电路的谐波分析 电阻负载的情况 波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波 式中,6.2.1 单相交流调压电路,19,(n=3,5,7,) (n=3,5,7,) 基波和各次谐波有效值 (n=1,3,5,7,) (4-13) 负载电流基波和各次谐波有效值 (4-14) 电流基波和各次谐波标么值随 a 变化的曲线（基准电流为a =0时 的有效值）如图4-6所示,图6-7 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,6.2.1 单相交流调压电路,20,6.2.1 单相交流调压电路,阻感负载的情况 电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7等次谐波 随着次数的增加，谐波含量减少 和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些 a 角相同时，随着阻抗角j 的增大，谐波含量有所减少,21,6.2.1 单相交流调压电路,4斩控式交流调压电路 一般采用全控型器件作为开关器件 工作原理 基本原理和直流斩波电路有类似之处 u1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道 u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道 设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a = ton/T，改变a 可调节输出电压,22,6.2.1 单相交流调压电路,特性 电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1 电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波 功率因数接近1,图6-8 斩控式交流调压电路,图6-9 电阻负载斩控式交流调压电路波形,23,6.3 其他交流电力控制电路,以交流电源周波数为控制单位交流调功电路 对电路通断进行控制交流电力电子开关,24,与交流调压电路的异同 电路形式完全相同 控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率 应用 常用于电炉的温度控制 因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以称为交流调功电路,6.3 交流调功电路,25,控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可 通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染 电阻负载时的工作情况 控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后MN个周期关断,6.3 交流调功电路,26,当M=3、N=2时的电路波形如图4-13 负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为M倍电源周期,图6-10 交流调功电路典型波形(M =3、N =2),6.3 交流调功电路,27,6.3 交流调功电路,谐波情况 图4-14的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值， Io为导通时电路电流幅值 以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波 而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大,图6-11 交流调功电路的电流频谱图(M =3、N =2),28,6.3 交流电力电子开关,晶闸管反并联后串入交流电路 作用：代替机械开关，起接通和断开电路的作用 优点：响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断 与交流调功电路的区别 并不控制电路的平均输出功率 通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开 控制频度通常比交流调功电路低得多,29,晶闸管投切电容器（Thyristor Switched CapacitorTSC） 对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量 性能优于机械开关投切的电容器 结构和原理 图4-15基本原理图（单相） 实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结,图6-12 TSC基本原理图 a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图,6.3.2 交流电力电子开关,30,两个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的作用 串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流 实际工程中，为避免电容器组投切造成较大冲击，一般把电容器分成几组，可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量 TSC实际上为断续可调的动态无功功率补偿器,图6-13 TSC基本原理图 基本单元单相简图 分组投切单相简图,6.3.2 交流电力电子开关,31,6.3.2 交流电力电子开关,晶闸管投切 选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流 理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化,图6-14 TSC理想投切时刻原理说明,32,6.3.2 交流电力电子开关,TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式 由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值 成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波,图6-15 晶闸管和二极管反并联方式的TSC,33,6.4 交交变频电路,本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor) 交交变频电路把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路 广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路,34,1电路构成和基本工作原理 电路构成 如图4-18，由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同 变流器P和N都是相控整流电路,图6-16 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,6.4 交交变频电路,35,工作原理 P组工作时，负载电流io为正 N组工作时，io为负 两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电 改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率wo 改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值,6.4 交交变频电路,36,为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制 在半个周期内让P组a 角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制 uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波,6.4 交交变频电路,37,2整流与逆变工作状态 阻感负载为例 把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成正弦波交流电源和二极管的串联 设负载阻抗角为j，则输出电流滞后输出电压j 角 两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲,6.4 交交变频电路,38,图6-17 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,工作状态 t1t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁 t1 t2： uo和io均为正，正组整流，输出功率为正 t2 t3 ： uo反向， io仍为正，正组逆变，输出功率为负,6.4 交交变频电路,39,t3 t5期间： io负半周，反组工作，正组被封锁 t3 t4 ：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正 t4 t5 ： uo反向， io仍为负，反组逆变，输出功率为负 哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关 工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定,工作状态,图6-18 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,6.4 交交变频电路,40,图6-19 单相交交变频电路输出电压和电流波形,考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段 第1段io 0，反组逆变 第2段电流过零，为无环流死区 第3段io 0， uo 0，正组整流,6.4 交交变频电路,41,第4段io 0， uo 0，正组逆变 第5段又是无环流死区 第6段io 0， uo 0，为反组整流 uo和io的相位差小于90°时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态 当二者相位差大于90°时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态,6.4 交交变频电路,42,3输出正弦波电压的调制方法 介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法 设Ud0为a = 0时整流电路的理想空载电压，则有 每次控制时a角不同， uo表示每次控制间隔内uo的平均值 期望的正弦波输出电压为 比较式(4-15)和(4-16)，应使 g 称为输出电压比：,6.4 交交变频电路,43,余弦交点法基本公式 (4-18) 余弦交点法图解 线电压uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表示 相邻两个线电压的交点对应于a=0,图6-20 余弦交点法原理,6.4 交交变频电路,44,u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示 us1us6比相应的u1u6超前30°，us1us6的最大值和相应线电压a=0的时刻对应 以a=0为零时刻，则us1us6为余弦信号 希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6的下降段和uo的交点来决定,图6-21 余弦交点法原理,6.4 交交变频电路,45,不同 g 时，在uo一周期内，a 随 wot 变化的情况。图中， g 较小，即输出电压较低时，a只在离90°很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低,图6-22 不同g时a和wot的关系,6.4 交交变频电路,46,4输入输出特性 1) 输出上限频率 输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重 电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素 就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限 当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz,6.4 交交变频电路,47,2) 输入功率因数 输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率 一周期内，a角以90°为中心变化 输出电压比g越小，半周期内a的平均值越靠近90° 负载功率因数越低，输入功率因数也越低 不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后,图6-23 单相交交变频电路的功率因数,6.4 交交变频电路,48,3) 输出电压谐波 输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关 采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为 6fi±fo，6fi±3fo，6fi±5fo， 12fi±fo，12fi±3fo，12fi±5fo， 采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将增加5fo、7fo等次谐波,6.4 交交变频电路,49,4) 输入电流谐波 输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制 采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率 和 式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。,6.4 交交变频电路,50,本章小结,本章的要点如下： (1) 交流交流变流电路的分类及其基本概念；(掌握) (2) 单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性；(重点:原理-图形分析等) (3) 三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；(不要求) (4) 交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念； (掌握) (5) 晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性； (掌握) (6) 矩阵式交交变频电路的基本概念； (不要求) (7) 各种交流交流变流电路的主要应用。 (不要求),