電力電子應(yīng)用技術(shù)版課件-第四章交流-交流變換電路

電力電子應(yīng)用技術(shù)第4章交流-交流變換電路4.1交流調(diào)壓電路4.2交流調(diào)功電路4.3交流斬波調(diào)壓電路4.4交流電力電子開關(guān)4.5交-交變頻電路4.6矩陣式交-交變頻電路■交流-交流變流電路：把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路?！鼋涣?交流變換電路可以分為直接方式（即無中間直流環(huán)節(jié)）和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）兩種。■直接方式交流電力控制電路：只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，而不改變頻率的電路。變頻電路：改變頻率的電路。第4章交流-交流變換電路4.1交流調(diào)壓電路4.1.1概述4.1.2單相交流調(diào)壓電路4.1.3三相交流調(diào)壓電路4.1.1

概述圖4-1單相交流調(diào)壓電路■把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對(duì)晶閘管的控制就可以控制交流輸出。4.1.1

概述圖4-2交流調(diào)壓電路的控制方式■把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對(duì)晶閘管的控制就可以控制交流輸出。4.1.1

概述■交流電力控制電路的類型交流調(diào)壓電路：在每半個(gè)周波內(nèi)通過對(duì)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。交流斬波調(diào)壓電路：改變占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。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?！鰬?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4.1.2

單相交流調(diào)壓電路■電阻負(fù)載

原理分析圖4-3單相交流調(diào)壓電路帶電阻負(fù)載時(shí)的電路圖及其工作波形在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α起始時(shí)刻(α=0)均為電壓過零時(shí)刻，穩(wěn)態(tài)時(shí)，正負(fù)半周的α

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4.1.2

單相交流調(diào)壓電路■電阻負(fù)載

數(shù)量關(guān)系圖4-3單相交流調(diào)壓電路帶電阻負(fù)載時(shí)的電路圖及其工作波形

交流輸出電壓的有效值為(4-1)

負(fù)載電流有效值為(4-2)

晶閘管電流有效值為(4-3)

輸入電源側(cè)的功率因數(shù)為(4-4)4.1.2

單相交流調(diào)壓電路■電阻負(fù)載輸出電壓與a的關(guān)系圖4-3單相交流調(diào)壓電路帶電阻負(fù)載時(shí)的電路圖及其工作波形移相范圍為0≤α≤π。

α=0時(shí)，輸出電壓為最大，Uo=U1。隨a的增大，Uo降低，α=π時(shí)，Uo=0。λ與α的關(guān)系α=0時(shí)，功率因數(shù)λ=1，α增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，λ降低。4.1.2

單相交流調(diào)壓電路■阻感負(fù)載阻感負(fù)載時(shí)a的移相范圍圖4-4單相交流調(diào)壓電路帶阻感負(fù)載時(shí)的電路圖負(fù)載阻抗角：φ=arctan(ωL/R)。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φ，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。a=0時(shí)刻仍定為u1過零的時(shí)刻，a的移相范圍應(yīng)為φ≤a≤π。4.1.2

單相交流調(diào)壓電路■阻感負(fù)載(4-8)數(shù)量關(guān)系

交流輸出電壓的有效值為

負(fù)載電流的有效值及晶閘管電流有效值分別為(4-9)(4-10)4.1.2

單相交流調(diào)壓電路■阻感負(fù)載圖4-6θ、α和φ的關(guān)系曲線在ωt=a時(shí)刻開通VT1，可求得導(dǎo)通角θ為(4-7)以

為參變量，利用式(4-7)可以把

和

的關(guān)系用圖4-6的一簇曲線來表示。4.1.2

單相交流調(diào)壓電路■阻感負(fù)載

α>φ、α=φ、α<φ三種工況圖4-5單相交流調(diào)壓電路在電感性負(fù)載時(shí)的工作波形4.1.2

單相交流調(diào)壓電路■阻感負(fù)載α<φ工況a<j時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形VT1提前通，L被過充電，放電時(shí)間延長，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；原有的io表達(dá)式仍適用，只是α≤ωt<∞；過渡過程和帶R-L負(fù)載的單相交流電路在ωt=α(α<φ)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；

穩(wěn)態(tài)的工作情況和α

=φ時(shí)完全相同。4.1.2

單相交流調(diào)壓電路■單相交流調(diào)壓電路的諧波分析

電阻負(fù)載情況波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以不含直流分量和偶次諧波式中：(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)4.1.2

單相交流調(diào)壓電路■單相交流調(diào)壓電路的諧波分析

電阻負(fù)載情況基波和各次諧波有效值負(fù)載電流基波和各次諧波有效值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）如右圖所示。電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量4.1.2

單相交流調(diào)壓電路■單相交流調(diào)壓電路的諧波分析

阻感負(fù)載情況電流諧波次數(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；當(dāng)α角相同時(shí)，隨著阻抗角φ的增大，諧波含量有所減少。4.1.3

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4-7三相交流調(diào)壓電路基本形式及輸出波形4.2交流調(diào)功電路■交流調(diào)功電路——以交流電源周波數(shù)為控制單位■交流調(diào)功電路VS交流調(diào)壓電路相同點(diǎn)：電路形式完全相同不同點(diǎn)：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■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；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。4.2交流調(diào)功電路■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。

當(dāng)M=3、N=2時(shí)的電路波形如右圖所示。交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期。

工作過程分析4.2交流調(diào)功電路■電阻負(fù)載時(shí)的工作情況定義控制導(dǎo)通比D=N/M；導(dǎo)通比D的控制方式1)固定周期控制，即M不變，通過調(diào)節(jié)N來調(diào)節(jié)導(dǎo)通比，進(jìn)而調(diào)節(jié)平均輸出功率；2)可變周期控制，即N不變，通過改變M來調(diào)節(jié)導(dǎo)通比和輸出功率。交流調(diào)功電路的輸出功率和輸出電壓有效值分別為

工作過程分析(4-11)(4-12)PN、UN為總周期數(shù)M內(nèi)全導(dǎo)通時(shí)時(shí)的輸出功率和電壓有效值4.2交流調(diào)功電路■電阻負(fù)載時(shí)的工作情況(b)可變周期控制圖4-8交流調(diào)功電路輸出電壓波形4.2交流調(diào)功電路■諧波情況交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)交流調(diào)功電路的電流頻譜圖（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；而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。4.3交流斬波電壓電路■工作原理圖4-9交流斬波調(diào)壓電路圖基本原理和直流斬波電路有類似之處u1正半周斬波控制續(xù)流通道u1負(fù)半周斬波控制續(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α

=ton/T，改變?chǔ)量烧{(diào)節(jié)輸出電壓4.3交流斬波電壓電路■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4-10交流斬波調(diào)壓電路帶電阻負(fù)載時(shí)的輸出波形4.3交流斬波電壓電路■特性圖4-11交流斬波調(diào)壓電路帶電阻電感負(fù)載時(shí)的輸出波形4.4交流電力電子開關(guān)■交流電力電子開關(guān)——對(duì)電路通斷進(jìn)行控制?！鲎饔谩鏅C(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用?！鰞?yōu)點(diǎn)——響應(yīng)速度快，無觸點(diǎn)，壽命長，可頻繁控制通斷?！雠c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4.4交流電力電子開關(guān)■晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）圖4-12晶閘管投切電容器基本原理圖對(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?！鼋Y(jié)構(gòu)和原理圖4-12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)。4.4交流電力電子開關(guān)■晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）圖4-12晶閘管投切電容器基本原理圖兩個(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4-12a）；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4-15b），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。4.4交流電力電子開關(guān)■晶閘管交流開關(guān)中的常用觸發(fā)電路■正反向可逆晶閘管交流開關(guān)圖4-13本相電壓強(qiáng)觸發(fā)電路4.5交-交變頻電路4.5.1交-交變頻電路基本類型及其應(yīng)用4.5.2單相交-交變頻電路4.5.3三相交-交變頻電路4.5.1

交-交變頻電路基本類型及其應(yīng)用■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?！鼋唤蛔冾l電路主要用于大功率、電壓較高的應(yīng)用場合，并且可以采用自然換流方式，因而通常由相位控制的晶閘管構(gòu)成?！鰪V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。4.5.2

單相交-交變頻電路■電路結(jié)構(gòu)和工作原理

電路構(gòu)成如圖4-15a，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速用的四象限變流電路完全相同；變流器P和N都是相控整流電路；根據(jù)觸發(fā)延遲角α的變化方式不同，可分為方波型交交變頻電路和正弦波形交交變頻電路。a)電路圖b)方波型輸出電壓波形圖4-15單相交-交變頻電路及輸出電壓波形圖4-16正弦型交-交變頻電路的輸出電壓波形4.5.2

單相交-交變頻電路■電路結(jié)構(gòu)和工作原理

工作原理正弦型單相交-交變頻電路及輸出電壓波形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。4.5.2

單相交-交變頻電路■電路結(jié)構(gòu)和工作原理

工作原理——為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對(duì)α角進(jìn)行調(diào)制正弦型單相交-交變頻電路及輸出電壓波形在半個(gè)周期內(nèi)讓P組α

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(duì)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。4.5.2

單相交-交變頻電路■整流與逆變工作狀態(tài)理想化交-交變頻電路的整流與逆變狀態(tài)阻感負(fù)載為例。把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時(shí)uo的脈動(dòng)分量，就可把交交變頻電路等效成右圖所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。設(shè)負(fù)載阻抗角為φ，則輸出電流滯后輸出電壓φ

角。兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式，即一組變流電路工作時(shí)，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。4.5.2

單相交-交變頻電路■整流與逆變工作狀態(tài)理想化交-交變頻電路的整流與逆變狀態(tài)工作狀態(tài)

t1~t3期間：io正半周，正組工作，反組被封鎖

t1~t2：uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正

t2~t3

：uo反向，io仍為正，正組逆變，輸出功率為負(fù)

t3~t5期間：io負(fù)半周，反組工作，正組被封鎖

t3~t4

：uo和io均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正

t4~t5

：uo反向，io仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關(guān)工作在整流還是逆變，則根據(jù)uo方向與io方向是否相同確定結(jié)論4.5.2

單相交-交變頻電路■整流與逆變工作狀態(tài)單相交-交變頻電路的輸出波形考慮到無環(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。4.5.2

單相交-交變頻電路■輸出正弦波電壓的調(diào)制方法介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點(diǎn)法設(shè)Ud0為α=0時(shí)整流電路的理想空載電壓，則有(4-13)每次控制時(shí)α角不同，表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值期望的正弦波輸出電壓為(4-14)比較式(4-13)和(4-14)，應(yīng)使兩者相等，即(4-15)(4-16)M稱為輸出電壓比，0≤M≤14.5.2

單相交-交變頻電路■輸出正弦波電壓的調(diào)制方法介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點(diǎn)法由此可得，觸發(fā)角α為(4-17)利用式(4-17)，通過微處理器可以很方便地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)算和控制。4.5.3

三相交-交變頻電路■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)，使用的是三相交交變頻電路。由三組輸出電壓相位各差120°的單相交交變頻電路組成。■電路的接線方式

公共交流母線進(jìn)線方式圖4-19公共母線進(jìn)線方式的三相交-交變頻電路由三組彼此獨(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。為此，交流電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組必須拆開；主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。4.5.3

三相交-交變頻電路■電路的接線方式

輸出Y形聯(lián)結(jié)方式圖4-20輸出Y形聯(lián)結(jié)方式的三相交-交變頻電路三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié)；電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)不和變頻器中點(diǎn)接在一起，電動(dòng)機(jī)只引出三根線即可；因?yàn)槿M的輸出聯(lián)接在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此分別用三個(gè)變壓器供電；由于輸出端中點(diǎn)不和負(fù)載中點(diǎn)相聯(lián)接，所以在構(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。4.5.3

三相交-交變頻電路■實(shí)用電路結(jié)構(gòu)圖4-21三相橋式整流器組成的三相交-交變頻電路(公共母線進(jìn)線方式)圖4-22三相橋式整流器組成的三相交-交變頻電路(Y形聯(lián)結(jié))4.5.3

三相交-交變頻電路■交交變頻和交直交變頻的比較和交直交變頻電路比較，交交變頻電路的優(yōu)點(diǎn)：只用一次變流，效率較高可方便地實(shí)現(xiàn)四象限工作低頻輸出波形接近正弦波但是，交交變頻電路的缺點(diǎn)是：接線復(fù)雜，采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低輸入功率因數(shù)較低交直交變頻電路——先把交流變換成直流，再把直流逆變成可變頻率的交流電路?！鼋唤蛔冾l電路的特點(diǎn)第4章交流-交流變換電路交交變頻電路只經(jīng)過一次變流，電路變換效率高。采用兩組晶閘管整流裝置，可方便地實(shí)現(xiàn)電路四象限工作。低頻輸出時(shí)輸出的波形接近正弦波。電路復(fù)雜，使用的晶閘管數(shù)量多。輸出頻率受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)限制，一般是電網(wǎng)頻率的1/3~1/2。由于采用相控方式，輸入功率因數(shù)低，輸入電流的諧波含量較高?！鼋唤蛔冾l電路的應(yīng)用第4章交流-交流變換電路主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中。目前已在軋機(jī)主傳動(dòng)裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等場合應(yīng)用。既可用于異步電動(dòng)機(jī)，也可用于同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。4.6矩陣式交-交變頻電路前文所述的交-交變頻結(jié)構(gòu)都采用相控觸發(fā)方式，存在電路輸出功率因數(shù)不高、輸入電流諧波嚴(yán)重、輸出頻率低于輸入頻率等缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中受限。矩陣式交-交變頻電路全部采用全控器