第6章交流交流变流电路2012.ppt
6.1 交流调压电路 6.2 其他交流电力控制电路 6.3 交交变频电路 本章小结,第6章 交流交流变流电路,2,引言,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。 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。,3,6.1 交流调压电路,6.1.1 单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路,4,6.1 交流调压电路·引言,把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。 交流电力控制电路 交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。 交流调功电路：以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。 交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。,5,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。,6,6.1.1 单相交流调压电路,图6-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形,电阻负载 工作过程 在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。,7,基本的数量关系,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。,8,6.1.1 单相交流调压电路,VT1,图6-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形,阻感负载,工作过程,若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。,9,VT1,导通角,负载的阻抗角,稳态时的移相范围,10,以为参变量，利用式(6-7)可以把和的关系用图6-3的一簇曲线来表示。,图6-3 单相交流调压电路以 为参变量的和关系曲线,11,6.1.1 单相交流调压电路,负载电压有效值Uo,晶闸管电流有效值IVT,基本的数量关系,12,6.1.1 单相交流调压电路,负载电流有效值Io,晶闸管电流IVT的标么值,式中,图6-4 单相交流调压电路为参变量时IVTN和关系曲线,13,I o有指数衰减分量，在指数分量衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。,图6-5 时阻感负载交流调压电路工作波形,时的工作情况, VT1的导通时间超过。, 触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不会导通，io过零后，VT2才可开通，VT2导通角小于。,14,6.1.1 单相交流调压电路,解：负载阻抗及负载阻抗角分别为：,的变化范围为：,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,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。,15,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：,16,17,带电阻负载时，对负载电压uo进行谐波分析,式中,(n=3,5,7,),(n=3,5,7,),单相交流调压电路的谐波分析,18,基波和各次谐波的有效值可按下式求出,负载电流基波和各次谐波的有效值为,图6-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,(n=1,3,5,7,),电流基波和各次谐波标么值随变化的曲线，如图6-6所示，其中基准电流为=0时的电流有效值。,19,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。 当角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减少。,阻感负载时,20,6.1.1 单相交流调压电路,图6-7 斩控式交流调压电路,设斩波器件（V1，V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比 =ton/T ，通过改变来调节输出电压。,图6-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形,斩控式交流调压电路,工作原理,用V1，V2进行斩波控制，用V3，V4给负载电流提供续流通道。,21,电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波，这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率因数接近1。,22,6.1.2 三相交流调压电路,根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式。,图6-9 三相交流调压电路 a)星形联结 b)支路控制三角形联结 c)中点控制三角形联结,23,当=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。,图6-9 a)星形联结,星形联结电路,分为三相三线和三相四线两种情况。,三线四相,相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120°工作。,基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线，3的整数倍次谐波是同相位的，不能在各相之间流动，全部流过零线。,24,任一相导通须和另一相构成回路，因此电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。,三相三线带电阻负载时的工作原理,触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1 VT6,依次相差60°。,25,6.1.2 三相交流调压电路,图6-10 不同角时负载相电压波形 a)=30° b)=60°,把相电压过零点定为开通角的起点，三相三线电路中，两相间导通时是靠线电压导通的，而线电压超前相电压30°，因此角的移相范围是0°150°。,根据任一时刻导通晶闸管个数以及半个周波内电流是否连续可将0°150°的移相范围分为如下三段,26,图6-10 不同角时负载相电压波形 a)=30° b)=60°,60°90°范围内，任一时刻都是两个晶闸管导通，每个晶闸管的导通角度为120°。,0°60°范围内，电路处于三个晶闸管导通与两个晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角度为180°-,但=0°时是一种特殊情况，一直是三个晶闸管导通。,27,图6-10 不同角时负载相电压波形 c)=120°,90°150°范围内，电路处于两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角度为300°-2，而且这个导通角度被分割为不连续的两部分，在半周波内形成两个断续的波头，各占150°-。,28,电流谐波次数为6k±1(k=1，2，3，)。 谐波次数越低，含量越大。 和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因为三相对称时，它们不能流过三相三线电路。,谐波分析,29,图6-9 三相交流调压电路 b)支路控制三角形联结,谐波分析 3倍次谐波相位和大小相同，在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。 线电流中所谐波次数为6k±1(k为正整数)。 在相同负载和角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。,支路控制三角联结电路,由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作用下工作。,单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用，输入线电流（即电源电流）为与该线相连的两个负载相电流之和。,30,6.2 其他交流电力控制电路,6.2.1 交流调功电路 6.2.2 交流电力电子开关,31,6.2.1 交流调功电路,交流调功电路,工作原理,和交流调压电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同。,通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。,32,图6-11 交流调功电路典型波形(M=3、N=2),图6-12 交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2),33,在交流电源接通期间，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。 如果以电源周期为基准，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6-12 交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2),谐波分析,34,6.2.2 交流电力电子开关,交流电力电子开关：把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。 优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。 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。,35,6.3 交交变频电路,6.3.1 单相交交变频电路 6.3.2 三相交交变频电路,36,6.3.1 单相交交变频电路,图6-13 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,电路构成和基本工作原理 由P组和N组反并联的晶闸管相控整流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。,交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。,37,工作原理,改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率0。 改变变流电路工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。,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。,38,6.3.1 单相交交变频电路,图6-13 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对角进行调制。 在半个周期内让P组角按正弦规律从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。,39,6.3.1 单相交交变频电路,图6-14 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,整流与逆变工作状态 以阻感负载为例，把电路等效成图6-14a所示的正弦波交流电源和二极管的串联，二极管体现了交流电路的电流的单方向性。 设负载阻抗角为，则输出电流滞后输出电压角，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。,40,t1t3期间：io处于正半周，正组工作，反组被封锁。 t1t2阶段：uo和io均为正，正组整流，输出功率为正。 t2t3阶段：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负。,工作状态,41,图6-14 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,t3t5期间：io处于负半周，反组工作，正组被封锁。 t3t4阶段：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正。 t4t5阶段：uo反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负。,结论 哪组变流电路工作由io方向决定，与uo极性无关。 变流电路工作在整流还是逆变状态，根据uo方向与io方向是否相同来确定。,42,考虑到无环流工作方式下负载电流过零的正反组切换死区时间，一周期的波形可分为6段：第1段io0，为反组逆变；第2段电流过零，为切换死区；第3段io0，uo0，为正组整流；第4段io0，uo0，为正组逆变；第5段又是切换死区；第6段io0，uo0，为反组整流。 当输出电压和电流的相位差小于90°时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，若负载为电动机，则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，即电网吸收能量，电动机工作在发电状态。,图6-15 单相交交变频电路输出电压和电流波形,43,当采用6脉波三相桥式电路时，一般认为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。,输入输出特性,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。,44,图6-18 交交变频电路的输入位移因数,输入电流相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。 在输出电压的一个周期内， 角以90°为中心而前后变化。 输出电压比越小，半周期内的平均值越靠近90°，位移因数越低；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的。,输入功率因数,45,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。 采用三相桥式电路时，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。,输出电压谐波,46,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为,和,式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。,47,交交变频电路也可采用有环流方式，避免电流断续并消除电流死区，改善输出波形，还可提高交交变频电路的输出上限频率，但是有环流方式需要设置环流电抗器，使设备成本增加，运行效率也因环流而有所降低。,48,和交直交变频电路比较，优点是 只用一次变流，效率较高。 可方便地实现四象限工作。 低频输出波形接近正弦波。 缺点是 接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管。 受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输入功率因数较低。 输入电流谐波含量大，频谱复杂。 交交变频电路主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低转速的交流调速电路中，目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合获得了较多的应用，既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。,交交变频电路是一种直接变频电路。,49,本章小结,本章的要点如下 交流交流变流电路的分类及其基本概念。 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。 三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理。 交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念。 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。 各种交流交流变流电路的主要应用。,
