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(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)：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(diào)壓電路的電路構(gòu)成，在電阻負(fù)載和阻感負(fù)載時(shí)的工作原理和電路特性明確三相交流調(diào)壓電路的基本構(gòu)成和基本工作原理(4)掌握交流調(diào)功電路和交流電力電子開關(guān)的基本概念(5)熟悉晶閘管相控交交變頻電路的電路構(gòu)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(yīng)用(7)了解矩陣式交交變頻電路的基本概念電力電子技術(shù)問題思考：電視、洗衣機(jī)等常見的用電設(shè)備都通過插座連接電網(wǎng)的交流電，我國戶用交流電都是220V50Hz，為什么要進(jìn)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(wǎng)絡(luò)和其他文獻(xiàn)電力電子技術(shù)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(shù)AC-AC變流電路分類交流調(diào)壓電路：改變電壓幅值，不變頻交流調(diào)功電路：改變電路功率，不變頻交流電力電子開關(guān)：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(shù)目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調(diào)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(shù)目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調(diào)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(shù)交流電的開關(guān)控制通斷AC的開關(guān)和DC的開關(guān)有什么區(qū)別呢？通斷交流電的開關(guān)常用多個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)組合而成8DC開關(guān)：單向耐壓或單向通流（單象限或兩象限）AC開關(guān)：雙向耐壓和雙向通流（四象限）電力電子技術(shù)交流電的開關(guān)9全控AC開關(guān)：電壓和電流完全可控半控AC開關(guān)：反并聯(lián)晶閘管能控制開通，不能控制關(guān)斷電路簡單、成本低電壓高、電流大開關(guān)速度快功能強(qiáng)大電力電子技術(shù)交流電的開關(guān)10半控AC開關(guān)：反并聯(lián)晶閘管能控制開通，不能控制關(guān)斷電路簡單、成本低電壓高、電流大交流調(diào)壓電路：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交流調(diào)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(diào)節(jié)輸出功率平均值的電路交流電力電子開關(guān)：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管電力電子技術(shù)目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調(diào)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(shù)單相交流調(diào)壓電路——電阻負(fù)載12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。

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(fù)載電壓有效值Uo負(fù)載電流有效值IoOu1uoiouVTwtOwtOwtOwt電力電子技術(shù)單相交流調(diào)壓電路——阻感負(fù)載13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u1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)

的移相范圍為

≤

≤

在

t=

時(shí)刻開通晶閘管VT1，負(fù)載電流滿足以下微分方程和初始條件電力電子技術(shù)單相交流調(diào)壓電路——阻感負(fù)載14在

t=

時(shí)刻開通晶閘管VT1，負(fù)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(shù)單相交流調(diào)壓電路——阻感負(fù)載15負(fù)載電壓有效值Uo晶閘管電流有效值IVT負(fù)載電流有效值Io電力電子技術(shù)單相交流調(diào)壓電路——阻感負(fù)載16以

為參變量，可以把

和

的關(guān)系用一簇曲線來表示電力電子技術(shù)單相交流調(diào)壓電路——阻感負(fù)載17

<

時(shí)電路也能工作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)間漸長電力電子技術(shù)單相交流調(diào)壓電路——例子18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=6W。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)負(fù)載阻抗及負(fù)載阻抗角分別為：開通角

的變化范圍為：電力電子技術(shù)單相交流調(diào)壓電路——例子19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=6W。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)①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，為功率因數(shù)為②當(dāng)

=

/3時(shí)，先計(jì)算晶閘管的導(dǎo)通角電力電子技術(shù)單相交流調(diào)壓電路——例子20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=6W。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)晶閘管電流有效值負(fù)載電流有效值功率為功率因數(shù)為電力電子技術(shù)單相交流調(diào)壓電路——諧波分析21電阻負(fù)載輸出電壓Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)電力電子技術(shù)單相交流調(diào)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(biāo)么值隨

變化的曲線，其中基準(zhǔn)電流為

=0時(shí)的電流有效值阻感負(fù)載時(shí)，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。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。當(dāng)

角相同時(shí)，隨著阻抗角

的增大，諧波含量有所減少電力電子技術(shù)單相交流調(diào)壓電路——斬控式交流調(diào)壓電路23用V1，V2進(jìn)行斬波控制，用V3，V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道斬控式交流調(diào)壓電路輸入電壓是正弦交流信號(hào)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)輸出電壓電阻負(fù)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(shí)電路的功率因數(shù)接近1電力電子技術(shù)三相交流調(diào)壓電路——電路拓?fù)?4星型聯(lián)結(jié)支路控制三角形聯(lián)結(jié)中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)電力電子技術(shù)三相交流調(diào)壓電路——星型聯(lián)結(jié)電路25分為三相三線和三相四線兩種情況三相四線：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，單相交流調(diào)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(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)，全部流過零線電力電子技術(shù)三相交流調(diào)壓電路——星型聯(lián)結(jié)電路26三相三線：帶電阻負(fù)載時(shí)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°。三相的觸發(fā)脈沖依次相差120°。把相電壓過零點(diǎn)定為開通角

的起點(diǎn)，三相三線電路中，兩相間導(dǎo)通時(shí)是靠線電壓導(dǎo)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(shù)三相交流調(diào)壓電路——星型聯(lián)結(jié)電路27根據(jù)任一時(shí)刻導(dǎo)通晶閘管個(gè)數(shù)以及半個(gè)周波內(nèi)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(nèi)，電路處于三個(gè)晶閘管導(dǎo)通與兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角度為180°?

。

=0°時(shí)是一種特殊情況，一直是三個(gè)晶閘管導(dǎo)通三相中各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載相電壓=電源相電壓兩相中各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載相電壓=電源線電壓/2兩相中各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載相電壓=0電力電子技術(shù)三相交流調(diào)壓電路——星型聯(lián)結(jié)電路28b)60°≤<90°范圍內(nèi)，任一時(shí)刻都是兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角度為120°c)90°≤

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

，而且這個(gè)導(dǎo)通角度被分割為不連續(xù)的兩部分，在半周波內(nèi)形成兩個(gè)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(fù)載一般諧波更小電力電子技術(shù)三相交流調(diào)壓電路——支路控制三角形聯(lián)結(jié)電路29單相交流調(diào)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(jié)電路一般比星型聯(lián)結(jié)電路諧波小一個(gè)典型應(yīng)用是晶閘管控制電抗器(ThyristorControlledReactor,TCR)電力電子技術(shù)交流調(diào)壓電路應(yīng)用30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)啟動(dòng)及調(diào)速供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓電力電子技術(shù)目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調(diào)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(shù)交流調(diào)功電路32和交流調(diào)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(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率常用于電爐的溫度控制，直接調(diào)節(jié)對象是電路的平均輸出功率，所以稱為交流調(diào)功。時(shí)間常數(shù)往往很大，沒必要對每個(gè)周期進(jìn)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(dǎo)通的時(shí)刻都在電源電壓過零處，負(fù)載電壓電流都是正弦波電力電子技術(shù)交流調(diào)功電路33在交流電源接通期間，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對電網(wǎng)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(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不同的接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值會(huì)導(dǎo)致不同的頻譜電力電子技術(shù)交流電力電子開關(guān)34交流電力電子開關(guān)：把晶閘管反并聯(lián)串入交流電路中，代替機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用，稱作交流電力電子開關(guān)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)功電路低得多一個(gè)典型應(yīng)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(guān)電力電子技術(shù)目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調(diào)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(shù)目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調(diào)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(shù)目錄：1.交流電力控制電路(1)交流調(diào)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(shù)直接交交變頻電路——單相電路38交交變頻電路是把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成可調(diào)頻率流電的變流電路，因?yàn)闆]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(gòu)成。P組工作時(shí)，負(fù)載電流io為正，N組工作時(shí)，io為負(fù)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(shù)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(jìn)行調(diào)制在半個(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電力電子技術(shù)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(fù)載為例，二極管體現(xiàn)了交流電流的單方向性設(shè)負(fù)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(fù)電力電子技術(shù)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(fù)半周，反組工作，正組被封鎖t3~t4階段：uo和io均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正t4~t5階段：uo反向，io仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)哪組變流電路工作由io方向決定，與uo極性無關(guān)變流電路工作在整流還是逆變狀態(tài)，根據(jù)uo方向與io方向是否相同來確定電力電子技術(shù)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(fù)載電流過零的正反組切換死區(qū)時(shí)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(shù)直接交交變頻電路——三相電路三相交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機(jī)調(diào)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(jìn)線方式：三組彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位相互錯(cuò)開120°的單相交交變頻電路構(gòu)成電源進(jìn)線通過進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上因?yàn)殡娫催M(jìn)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(diào)速系統(tǒng)公共交流母線進(jìn)線三相交交變頻電路（簡圖）43電力電子技術(shù)直接交交變頻電路——三相電路輸出星形聯(lián)結(jié)方式：三組輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié)因?yàn)槿M輸出聯(lián)接在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此用三個(gè)變壓器供電構(gòu)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(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流輸出星形聯(lián)結(jié)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(gè)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(shù)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(gè)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(shí)U相輸入電流三相輸出時(shí)U相輸入電流200t/ms200t/ms45電力電子技術(shù)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(yīng)該由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來計(jì)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(shí)相同，由于三個(gè)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(gè)主要缺點(diǎn)46電力電子技術(shù)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(wǎng)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(dòng)，適用于交流電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)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