第6章交流交流变流电路.ppt

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1、n 引言引言引言引言n n 4.1 4.1 交流调压电路交流调压电路交流调压电路交流调压电路n n 4.2 4.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路n n 4.3 4.3 交交变频电路交交变频电路交交变频电路交交变频电路n n 4.4 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路矩阵式变频电路矩阵式变频电路n n 本章要点本章要点本章要点本章要点第4章 交流电力控制电路 和交交变频电路1变频电路改变频率的电路 交交变频 直接 交直交变频 间接交流电力控制电路只改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路交流调压电路:相位控制 PWM交流调功电路:通

2、断控制第4章 交流电力控制电路 和交交变频电路2 4.1 交流调压电路原理原理 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控制交流电力。电路图3 应用应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。2 异步电动机软起动。3 异步电动机调速。4 供用电系统对无功功率的连续调节。5 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。4.1 交流调压电路4n n 4.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路单相交流调压电路单相交流调压电路n n n n 4.1.2 4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路三相交流调压电路三相交流调压电路 4.1 交流调压电路

3、54.1.1 单相交流调压电路图4-1 电阻负载时电路及其波形n1)电阻负载电阻负载 6（4-1）开通角为开通角为时，输出电压的有效值为时，输出电压的有效值为负载电流的有效值为负载电流的有效值为（4-2）7（4-3）（4-4）晶闸管电流的有效值为晶闸管电流的有效值为功率因数为功率因数为8 负载电流滞后于u1的角度为 j，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。a=0时刻仍定为u1过零的 时刻，a 的移相范围应为 j a 。n2)阻感负载阻感负载 图图4-2 阻感负载时电路及其波形阻感负载时电路及其波形 负载阻抗角：j=arctan(wL/R)VT14.1.1 单相交流调压电

4、路9q 020100601401802010060/()180140a/()j=9075604530150 图4-3 以为参变量的和a关系曲线 wt=t=a 时刻开通晶闸管 VT1，可求得 （47）当 a=j 时 =当 a j 时 4.1.1 单相交流调压电路10 图4-4 以为参变量时I VTN和a关系曲线j=900.10.20.30.40.516018004012080 75 6045j=0a/()IVTN负载电流有效值 (4-10)IVT的标么值 (4-11)4.1.1 单相交流调压电路11 图4-5 aj时阻感负载工作波形阻感负载 a j 时情况图4-2 阻感负载单相交流调压电路VT1

5、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。衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。4.1.1 单相交流调压电路123)单相交流调压电路的谐波分析电阻负载 负载电流基波和各次谐波有效值负载电流基波和各次谐波有效值 4.1.1 单相交流调压电路 基波和各次谐波有效值为基波和各次谐波有效值为 波形正负半波对称，不含直流分量和偶次谐波。波形正负半波对称，不含直流分量和偶次谐波。(4-12)(4-13)(4-14)13图4-6 电阻负载基波和谐波电流含量14电电流流谐谐波波次次数数和和电电阻阻负负载载时时相相同同

6、，也也只只含含3 3、5 5、77等等次次谐波。谐波。随着次数的增加，谐波含量减少。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。和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。当当a a 角相同时，随着阻抗角角相同时，随着阻抗角j j 的增大，谐波含量有所减少。的增大，谐波含量有所减少。阻感负载4.1.1 单相交流调压电路15n4)斩控式交流调压电路在交流电源u1的正半周图4-7 斩控式交流调压电路4.1.1 单相交流调压电路用V1进行斩波控制用V3给负载电流提供续流通道16用V2进行斩波控制用V4给负载电流提供续流通道图4-7 斩控式交流调压电路n4)斩

7、控式交流调压电路在交流电源u1的负半周4.1.1 单相交流调压电路17 特性特性图4-8 电阻负载波形4.1.1 单相交流调压电路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。184.1.2 三相交流调压电路n三相交流调压电路形式图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19三相四线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。三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。1)星形联结电路：分为分为三相三线和三相三线和三相四线三相四线图4-9 三相交流调

8、压电路a)三相四线4.1.2 三相交流调压电路20三相三线三相三线图4-9 三相交流调压电路b)三相三线4.1.2 三相交流调压电路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。触发脉冲顺序为VT1 VT6,依次相差60。相电压过零点定为a 的起点，a角移相范围是0 150。21l三管导通与两管导三管导通与两管导通交替；通交替；l每管导通每管导通180a a；la a=0时一直是三时一直是三管导通。管导通。图4-10 不同a角时负载相电压波形a)a)a a=30=30（0 0a a 60 60）4.1.2 三相交流调压电路22l 两管导通；l 每管导通120。图4-10 不同a角时负载

9、相电压波形b)b)a a=60=60（60 a 90）4.1.2 三相交流调压电路23l两管导通与无晶闸管两管导通与无晶闸管导通交替；导通交替；l导通角度为导通角度为3002 a a。图4-10 不同a角时负载相电压波形 c)a a=120（90 a 150）4.1.2 三相交流调压电路24谐波情况4.1.2 三相交流调压电路电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同。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，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。25n2）支路控制三角联结电路 图49三相交流调压电路c)支路控制三角

10、形联结4.1.2 三相交流调压电路由三个单相交流调压电路组由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作成，分别在不同的线电压作用下工作用下工作。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。26 谐波情况谐波情况c)支路控制三角形联结图49三相交流调压电路4.1.2 三相交流调压电路 3倍次谐波相位和大小 相同，在三角形回路中 流动。线电流中所含谐波次数 为6k1(k为正整数)。在相同负载和a 角时，线电流中谐波含量少于 三相三线星形电路。27应用应用晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled R

11、eactorTCR）配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内 连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置(Static Var CampensatorSVC）。图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路4.1.2 三相交流调压电路 a 移相范围为90 180。控制a 角可连续调节 流过电抗器的电流，从而调节无功功率。28图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路a)b)c)图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a)=120 b)=135 c)=160 4.1.2 三相交流调压电路294.2 其他交流电力控制电路4.2.14.2.1 交流调功电路交流调功电路交流调功电路交流调功电路4.

12、2.24.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关交流电力电子开关交流电力电子开关304.2.1 交流调功电路 交流调功电路与交流调压电路的比较相同点：相同点：电路形式；不同点：不同点：控制方式。交流调压电路在每个电源周期周期都对输出电压波形 进行控制。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节 负载所消耗的平均功率。31 电阻负载时的工作情况2pNpM电源周期控制周期=M倍电源周期=2p4pMO导通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12图4-13 交流调功电路典型波形(M=3、N=2)图41电阻负载单相交流调压电路4.2.1 交流调功电路控

13、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。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。32 谐波情况012 14相对于控制周期的次数相对于控制周期的次数相对于电源频率的倍数相对于电源频率的倍数图4-14交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)2 4 61080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m4.2.1 交流调功电路 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。334.2.2 交流电力电子开关概念：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

14、，起接通和断开电路的作用。优点：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：区别：不控制电路的平均输出功率。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。34晶闸管投切电容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）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4.2.2 交流电力电子开关作用对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。结构和原理晶闸管反并联后串入交流电路。常用三相，可三角形联结，也可星形联结。35晶闸管的投切选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电

15、源电压和电容器预充电电压相等。理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图4-16 TSC理想投切原理4.2.2 交流电力电子开关36TSC电路也可采用晶闸管晶闸管和二极管二极管反并联的方式4.2.2 交流电力电子开关由于二极管的作用，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4-16 TSC理想投切原理374.3 交交变频电路 n n 4.3.14.3.1 单相交交变频器单相交交变频器单相交交变频器单相交交变频器n n 4.3.24.3.2

16、三相交交变频器三相交交变频器三相交交变频器三相交交变频器384.3.1 单相交交变频器晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)u把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路属于直接变频电路。u广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。39n1)电路构成和基本工作原理图图4-18 4-18 单相交交变频电单相交交变频电路原理图和输出电压波形路原理图和输出电压波形4.3.1 单相交交变频器 电路构成 由P组和N组反并联的 晶闸管变流电路构成。变流器P和N都是相控 整流电路。40工作原理P组工作时，负载电流io为正正。

17、N组工作时，io为负负。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。图4-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形4.3.1 单相交交变频器41 为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角 进行调制。4.3.1 单相交交变频器 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。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。42n 2)

18、整流与逆变工作状态图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器 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，可把电路等 效成正弦波交流电源和二 极管的串联。43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。图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器44工作状态图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器t1t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁。

19、t 1 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。45t3 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。图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器小结小结：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。464.3.1 单相交交变频器 当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

20、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。47图4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形第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 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 u 考虑无环流工作方式下考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，过零的死区时间，一周期可分为一周期可分为6段段：48n3)输出正弦波电压的 调制方法 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，表示每次控制间隔内uo的平均

21、值。图4-21 余弦交点法原理4.3.1 单相交交变频器(4-15)49设期望的正弦波输出电压为 (4-16）比较式(4-15)和(4-16)，应使 (4-17)g g 称为输出电压比：图4-21 余弦交点法原理4.3.1 单相交交变频器50图4-21 余弦交点法原理4.3.1 单相交交变频器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。51us1us6：u1u6的同步信号，比相应的u1u6超前30；以a=0为零时刻，则us1us6为余弦信号。希望输出电压为uo，晶闸管触发时刻由相应的同

22、步电压us1us6的下降段和uo的交点来决定。图4-21 余弦交点法原理4.3.1 单相交交变频器52不同g g 时，在uo一周期内，a 随 w ot 变化的情况。图中，ug 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4-22 不同g g 时a和wot的关系4.3.1 单相交交变频器53n4)输入输出特性4.3.1 单相交交变频器(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。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

23、1/31/2，约为20Hz。54图4-23 单相交交变频电路的功率因数(2)输入功率因数4.3.1 单相交交变频器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 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。负载功率因数（超前）负载功率因数（滞后）输入位移因数55(3)输出电压谐波输出电压的谐波频谱复杂，既和电网频率f fi i以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率f fo o有关。采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为6fifo，6fi3fo，6fi

24、5fo，12fifo，12fi3fo，12fi5fo，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。4.3.1 单相交交变频器56n(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n (4-19)n 和 (4-20)n 式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。4.3.1 单相交交变频器574.3.2 三相交交变频电路l 由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电路组成。1)电路接线方式公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式输出星形联结方式输出星形联结方式交交变频

25、电路主要应用于大功率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路。58n(1)公共交流母线进线方式图4-24 公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）4.3.2 三相交交变频电路由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120的单相交交变频电路构成。电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开。主要用于中等容量的交流调速系统。59(2)输出星形联结方式三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可n 图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详

26、图三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结。电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。4.3.2 三相交交变频电路60图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电。由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。4.3.2 三相交交变频电路61图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通。两组桥之间则是靠

27、各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。4.3.2 三相交交变频电路62n2)输入输出特性输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的。输入电流总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到。有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低。200t/ms输出电压单相输出时 U相输入电流三相输出时 U相输入电流200t/ms200t/ms图4-26 交交变频电路的输入电流波形4.3.2 三相交交变频电路63n 谐波频率为 (4-21)和 (4-22)式中k=1,2,3,l=0,1,2,。采用三相桥式电路时，输入谐波电流的主要频率为fi6fo、5fi、5fi6fo、7fi、

28、7fi6fo、11fi、11fi6fo fi12fo等。其中5fi次谐波的幅值最大。200t/ms输出电压单相输出时 U相输入电流三相输出时 U相输入电流200t/ms200t/ms图4-26 交交变频电路的输入电流波形4.3.2 三相交交变频电路64输入功率因数 三相总输入功率因数应为n n (4-23)三相电路总的有功功率为各相有功功率之和但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路4.3.2 三相交交变频电路65n3)改善输入功率因数和提高输出电压4.3.2 三相交交变频电路基本思路各相输出的

29、是相电压，而加在负载上的是线电压。在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，因而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。直流偏置负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各组桥式电路的a角都在90附近，因此输入功率因数很低。给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角a 将减小，但变频器输出线电压并不改变。66交流偏置梯形波输出控制方式。使三组单相变频器的输出均 为梯形波（也称准梯形波），主要谐波成分是三次谐波。在线电压中三次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波。因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域（即梯形波的平顶区），a

30、角较小，因此输入功率因数可提高15%左右。图4-20正弦波输出控制方式中，最大输出正弦波相电压的幅值为Ud0。在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右。值可图4-27 梯形波控制方式的理想输出电压波形4.3.2 三相交交变频电路67交交变频和交直交变频的比较8.1节中介绍间接变频电路，先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路。交交变频电路的优点优点：交交变频电路的缺点缺点：接线复杂，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。效率较高（一次变流）可方

31、便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波4.3.2 三相交交变频电路68 应用应用主要用于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、卷扬机等场合应用。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。4.3.2 三相交交变频电路69本章小结n本章的要点如下本章的要点如下：n(1)交流交流交流变流电路的分类及其基本概念；交流变流电路的分类及其基本概念；n(2)单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载n 时的工作原理和电路特性；时的工作原理和电路特性；n(3)三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；n(4)交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；n(5)晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和 n 输入输出特性；输入输出特性；n(6)各种交流各种交流交流变流电路的主要应用；交流变流电路的主要应用；n(7)矩阵式交交变频电路的基本概念。矩阵式交交变频电路的基本概念。70