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1、电力电子第四章改本讲稿第一页，共三十三页概 述交交流流-交交流流变变流流电电路路一种形式的交流变成另一种形式交流的 电路，可改变相关的电压、电流、频率和相数等交流电力控制电路只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率 电压变换电路电压变换电路交流调压电路相位控制（或斩控式），4.1节交流调功电路及交流无触点开关通断控制，4.2节变频电路改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的交交变频电路直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，直接变频电路1.晶闸管交交变频电路，4.3节2.矩阵式变频电路，4.4节交直交变频电路先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频
2、电路，8.1节本讲稿第二页，共三十三页4.1 4.1 交流调压电路交流调压电路交流电力控制电路的结构及类型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制交流电力交流调压电路交流调压电路每半个周波控制晶闸管开通相位，每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值调节输出电压有效值交流调功电路交流调功电路以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改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交流电力电子开关并不着意调节输出平
3、均功率，而只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，是根据需要接通或断开电路，本讲稿第三页，共三十三页4.1 4.1 交流调压电路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本讲稿第四页，共三十三页4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路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
4、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4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形本讲稿第五页，共三十三页0T1，VT1，VT截止，输出电压为截止，输出电压为0；T1T2（），），VT1通，通，VT2止，止，U0=U1；T2T3，VT1，VT2止，输出电压为止，输出电压为0；T3T4（2）VT2通，输出电压通，输出电压U0=U1；2主要数量关系输出电压分段表达式主要数量关系输出电压分段表达式本讲稿第六页，共三十三页4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路数量关系数量关系 A 输出负载电压有效值(4-1)B 负载电流有效值 (4-2)C 晶闸管电流有效
5、值(4-3)图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形本讲稿第七页，共三十三页4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路D 线路入端功率因数(4-4)输出电压与输出电压与a a的关系的关系: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。与与a a的关系：的关系：a=0时，功率因数=1，即输出电压为完整正弦波 a=/2时，=0.707 a增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低E晶闸管最大正反向电压为晶闸管最大正反向电压为 本讲稿第八页，共三十三页4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路2阻感负载阻感负载阻感负载时阻感负载
6、时a a的移相范围的移相范围 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4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形本讲稿第九页，共三十三页4.1.1单相交流调压电路单相交流调压电路阻感负载时的工作过程分析阻感负载时的工作过程分析在t=a时刻开通VT1，负载电流满足 (4-5)解方程得(4-6)式中 ,为晶闸管导通角利用边界条件：t=a+时io=0,可求得：(4-7)VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反
7、，相位差180图4-3 单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线本讲稿第十页，共三十三页 数量关系A输出电压有效值输出电压有效值 (4-8)式中式中为晶闸管一周期内导通角，它和为晶闸管一周期内导通角，它和，a之间关系见上页之间关系见上页公式公式 B晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值 (4-9)4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路本讲稿第十一页，共三十三页C输出电流有效值输出电流有效值 (4-10)IVT的标么值 (4-11)图4-4 单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路本讲稿第十二页，共三十三页D.晶闸管最
8、大正反向电压晶闸管最大正反向电压:U1U1相控式交流调压电路在实际电路相控式交流调压电路在实际电路中，中，VT1和和VT2合二为一，用一只双合二为一，用一只双向晶闸管完成。向晶闸管完成。(如如BT139,Z0405)阻感负载时 a的移相范围应为j a，下面讨论a j 情况本讲稿第十三页，共三十三页4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路na 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
9、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、指数衰减分量本讲稿第十四页，共三十三页衰减过程中，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4-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路本讲稿第十五页，共三十三页3单相交流调压电路的谐波分析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 (4-12)式中 4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路本讲稿第十六页，共三十三页 (n=3,5,7,)(n=3,5,7,
10、)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4-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路本讲稿第十七页，共三十三页阻感负载的情况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4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路本讲稿第十八页
11、，共三十三页4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路4斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路一般采用全控型器件作为开关器件本讲稿第十九页，共三十三页4.1.1单相交流调压电路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4-7 斩控式交流调压电路图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形本讲稿第二十页，共三十三页工作原理工作原理基本原理和直流斩波电路有类似之处基本原理和直流斩波电路有类似之处u1正半周，用正半周，用V1进行斩波控制，进行斩波控制，V3提供续流通道提供续流通道u1负半周，用负半
12、周，用V2进行斩波控制，进行斩波控制，V4提供续流通道提供续流通道设设斩斩波波器器件件（V1或或V2）导导通通时时间间为为ton，开开关关周周期期为为T，则则导通比导通比a a=ton/T，改变改变a a 可调节输出电压可调节输出电压 斩斩波波电电路路必必须须由由二二只只全全控控器器件件完完成成（如如IGBTIGBT，MOSFETMOSFET，GTRGTR）,通通过过改改变变加加在在主主控控开开关关VTVT上上的的触触发发脉脉冲冲占占空空比比=t=tonon/T,/T,来达到改变变压输出的目的。来达到改变变压输出的目的。由由于于i io o电电流流等等于于i1i1的的电电流流,故故输输入入电电
13、流流IiIi基基波波分分量量和和电电压压同同相位的，即位移因数相位的，即位移因数coscos=1.=1.通通过过FETFET分分析析可可知知，电电源源电电流流中中主主要要是是高高次次谐谐波波，故故通通在在入入端端加加一一大大小小适适当当的的滤滤波波器器，即即可可滤滤除除高高次次谐谐波波，这这时时线线路路功功率率因数接近因数接近1 1。本讲稿第二十一页，共三十三页4.1.2 4.1.2 三相交流调压电路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4-9 三相交流调压电路a)星形联结 b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结 d)中点控制三角形联结本讲稿第二十二页，
14、共三十三页4.2.1 4.2.1 交流调功电路交流调功电路与交流调压电路的异同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本讲稿第二十三页，共三十三页4.2.1 4.2.1 交流调功电路交流调功电路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
15、前N个周期导通，后MN个周期关断本讲稿第二十四页，共三十三页4.2.1 4.2.1 交流调功电路交流调功电路当M=3、N=2时的电路波形如图4-13负载电压和负载电流（即电源电流）的重复周期为M倍电源周期图4-13 交流调功电路典型波形(M=3、N=2)本讲稿第二十五页，共三十三页4.2.1 4.2.1 交流调功电路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在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大图4-14 交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)本讲稿第二
16、十六页，共三十三页4.2.2 4.2.2 交流电力电子开关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，接通和断开电路优点：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本讲稿第二十七页，共三十三页4.2.2 4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关 晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器（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
17、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4-15 TSC基本原理图a)基本单元单相简图 b)分组投切单相简图本讲稿第二十八页，共三十三页4.2.2 4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关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（图4-15a）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（图4-15b），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4-15 TSC基本原理图a)基本单元单相简图 b)分组投切单相简图本讲稿第二十
18、九页，共三十三页4.2.2 4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关 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4-16 TSC理想投切时刻原理说明(显示放大图）本讲稿第三十页，共三十三页4.2.2 4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关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
19、时间滞后为一个周波图4-17 晶闸管和二极管反并联方式的TSC本讲稿第三十一页，共三十三页4.3 4.3 交交变频电路交交变频电路(简介简介)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本讲稿第三十二页，共三十三页4.3.1 4.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路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4-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形本讲稿第三十三页，共三十三页