第6章交流交流变换器

第六章交流/交流变换器电力电子学—电力电子变换和控制技术（第三版）6.1晶闸管交流电压控制器的类型6.2单相交流电压控制器6.3三相交流电压控制器6.4*变压器抽头的电压控制器6.5*晶闸管相控交流/交流直接变频器6.6*矩阵式交流/交流变频器本章小结第六章交流/交流变换器本章主要讲述交流/交流变流电路--把一种形式交流电变成另一种形式交流电的电路交流电压控制器频率不变，仅改变电压大小变频器实现频率变换亦可改变电压大小交交变频直接交直交变频间接采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零反向关断晶闸管。晶闸管开关器件的开通则可采用移相控制，调控变换器输出电压的大小。单相电压控制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制。三相交流/交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交流异步电动机供电，实现变压调速，或作为异步电动机的启动器使用。第六章6.1晶闸管交流电压控制器的类型1.单相全控2.带中线星形联结3.无中线的三相连接4.三角形联结的控制器6.1晶闸管交流电压控制器的类型1.单相全控2.带中线星形联结3.无中线的三相连接4.三角形联结的控制器单相全控两个晶闸管反并联T1T4SS2sinvVtROvSiOiO()0vt负载电压、负载功率的大小由控制角α确定OS()()vtvt通态时断态时6.1晶闸管交流电压控制器的类型1.单相全控2.带中线星形联结3.无中线的三相连接4.三角形联结的控制器带中线星形联结三个单相交流电压控制器可组合成带中线的三相交流电压控制器SiV1T4T3T6T5T2T90时，中线电流约等于相电流中线电流大6.1晶闸管交流电压控制器的类型1.单相全控2.带中线星形联结3.无中线的三相连接4.三角形联结的控制器无中线的三相连接SiV1T4T3T6T5T2T输入电流中没有3次及3的倍数次谐波6.1晶闸管交流电压控制器的类型1.单相全控2.带中线星形联结3.无中线的三相连接4.三角形联结的控制器NANvBNvCNvAiBiCiBACLZLZ1T4T6T3TLZ2T5T三角形联结的控制器只适用于允许断开6根出线端子的三相负载6.2单相交流电压控制器6.2.1电阻负载6.2.2电阻、电感性负载6.2.3*PWM交流电压控制器6.2单相交流电压控制器6.2.1电阻负载6.2.2电阻、电感性负载6.2.3*PWM交流电压控制器SiSS2sinvVtROiOv1T4Tg1ig4iT4iT1iπ2OSS1sin2π(2sin)d()π2ππVVttVOSO/IIVR单相交流电压控制器：电阻负载TSO/2/2IIVROOOSSSsin2π2ππVIVPPFSVIV利用傅里叶级数可求出基波及各次谐波。表6.1不同触发角α时基波V1m和3-15次谐波电压(电流)的相对值单相交流电压控制器：电阻负载单相交流电压控制器：电阻负载电阻负载、不同触发角α时基波及谐波幅值分布图6.2单相交流电压控制器6.2.1电阻负载6.2.2电阻、电感性负载6.2.3*PWM交流电压控制器单相交流电压控制器:阻感负载SiSS2sinvVtROiOv1T4T1gi4giT4iT1iLOSS2sinvvVtSSO2sin()ViitZα=φ时：22()ZLRarctanLRvO、iS、iO均为正弦波αφ时，同α=φ。ig1、ig4必须是宽脉冲π02πtππ2πSvSiT1iT4i单相交流电压控制器:阻感负载控制角范围：~πT1OSST1d2sindivvVtRiLt1()tgST12[sin()sin()e]taVitaZ/tgsin()sin()eaatgsintg()ecosαφ时：SiSS2sinvVtROiOv1T4T1gi4giT4iT1iLπ02πtπ2πT1iOvT4iBA2OSS1(2sin)d()π1[sin2sin2()]ππVVttVSOTSsincos(2)2ππcossincos(2)ππcos2VIIZVaZ22tgST21()[sin()sin()e]d()2πtaaaVItatZ输出电压有效值VO、负载电流有效值IO、晶闸管电流有效值IT为：单相交流电压控制器:阻感负载π02πtπ2πT1iOvT4iBASiSS2sinvVtROiOv1T4T1gi4giT4iT1iL-1tg,,180LRaaa时，由，可求出tgsintg()ecosa单相交流电压控制器:阻感负载导通角θ与控制角α的关系曲线（以负载阻抗角φ为参变量）单相交流电压控制器:阻感负载*STTTS21sincos(2)/2π2πcos22VZIIIZV晶闸管电流的标么值与控制角α的关系曲线*TI45060751801601401200.10.20.30.350.40.5*TI04560759090例题6-1单相交流调压器控制230V交流电源的输出功率，负载电阻为23Ω、感抗为23Ω，求（1）α角控制范围；（2）最大电流有效值；（3）最大功率和功率因数。min23πarctanarctan234LRmaxπO221/2221/22307.07A[()][2323]VIRL223maxO237.071.1510WPRI11500.7072307.07有效功率功率因数＝＝视在功率解（1）（2）min时，最大电流有效值Io为：（3）最大功率(时)minmin在的非正弦电流工作情况下，功率因数将小于基波相移因数。注：6.2单相交流电压控制器6.2.1电阻负载6.2.2电阻、电感性负载6.2.3*PWM交流电压控制器PWM交流电压控制器S1、S2导通时，S3、S4断开：S3、S4导通时，S1、S2断开：OSvvO0vSmsinVVtOiOvRL1S2S3SSi4SttOvSvOiSi6.3三相全波交流电压控制器6.3.1三相星形联结交流电压控制器6.3.2三相开口三角形交流电压控制器6.3三相全波交流电压控制器6.3.1三相星形联结交流电压控制器6.3.2三相开口三角形交流电压控制器三相Y联结电压控制器ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6TNT1-T6依序相差60°触发，脉宽大于60°各相电源的过零点为α计算起点第一类工作状态：三相同时工作，在同一时刻，每一相有一个晶闸管导电。第二类工作状态：二相同时工作，同一时刻仅二相各有一个晶闸管导电，第三相中的两个晶闸管都不导电。控制角α=0，三相同时导电，180°导电。T6T5T4T3AVBVCVT6T5T2T2T1T1Vtπ晶闸管导通区间2π三相Y联结电压控制器α=60°：两相同时导电，120°导电ABA()2vtiRACA()2vtiR区间I:区间II:060IIIIII1T3T2T4T5T6TAiABVACVBCV0tAVBVCVVtπ2πVAB2VRAC2VRANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6TNABA()2vtiR三相Y联结电压控制器α=120°：两相间断续导电，导电角小于120°区间I:区间II:ACA()2vtiRα=150°：完全不能导电。0120IIIIII1T3T2T4T5T6TAiABVACVBCV0tAVBVCVVtπ2πV2ABVR2ACVRANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6TN三相Y联结电压控制器工作状态小结：：处于第一类工作状态（三相同时导电）。：交替出现第一类和第二类工作状态。0°α≤60°α=0°60°α≤90°：处于第二类工作状态（两相同时导电）90°α150°：交替处于第二类工作状态和断流状态。α150°：电路全断流，不能工作。电阻负载：控制角α的调控范围为：0°-150°三相阻感性负载，分析方法与单相电路相同。6.3三相全波交流电压控制器6.3.1三相星形联结交流电压控制器6.3.2三相开口三角形交流电压控制器三相开口三角形交流电压控制器ABiBCiCAiAiBiCiRRRLLL1T2T3T4T5T6TABCOuAABCABBCABCCABCiiiiiiiii可看作三个独立的单相电路分别分析。三相开口三角形电压控制器ABC33iii、、中无次及的倍数次谐波电流*6.4有变压器抽头的电压控制器O2ππVVktk，O12π(1)πVVVktk，k=0,1,2….图中输出电压的包络线：OABDHKG优点：负载电压、电流谐波可控性好，输入电流的谐波含量少0π2πtπ+Ov122()VV22VABDHKG12vv1T导通3T导通2v2T导通4T导通22O22,VViR1212O2()2(),VVVViR12vv2v2v2vSVOV***1V2VOvLR1T2T3T4T12i34i12v34vOiABEF*6.5晶闸管相控交流－交流直接变频器6.5.1基本工作原理6.5.2实用电路结构6.5.3交流/交流相控直接变频的优缺点*6.5晶闸管相控交流/交流直接变频器6.5.1基本工作原理6.5.2实用电路结构6.5.3交流/交流相控直接变频的优缺点基本工作原理正反组单相全控桥变流器并联构成单相直接变频器。控制正反组变流器的随时间周期性变化。负载输出电流与输出电压不同相位时，正反组变流器在不同时段工作在整流或有源逆变工况。半控桥变流器不能构成交流/交流变频器。IIIIIIIV反组逆变OvOi015NiPiPiOvtOit1NiNitOit正组整流正组逆变反组整流001TfABPvPiSvSfCDNvNiSvSfOiOiEFpn基本工作原理改善相控交流/交流变频器输出波形的措施：改变相控角(或)在一个脉波周期中只能得到一个输出电压平均值，因此：NP相同拓扑结构的相控交流/交流变频器输出频率越低，输出电压的脉波数越多，谐波含量越少；输出相同频率的交流/交流变频器，拓扑结构输入的相数越多，脉波数越多，输出电压的脉波数就越多，谐波含量越少。1234567891011121314151617181030507090110130150170190210230250270290310330350370360100120140160180160140120100800.170.50.7660.941.0ot()otPDovcosV8060402002040608012345678910111213141516171819max0DDoDoVVcosV()()otomotvVsin*6.5晶闸管相控交流/交流直接变频器6.5.1基本工作原理6.5.2实用电路结构6.5.3交流/交流相控直接变频的优缺点实用电路结构三相交流/交流变频器每相采用的晶闸管元件越多，输出波形越好ABCNLLLavbvcv(a)三相半波整流器构成的三相直接变频器XYZABC(b)三相桥式整流器构成的三相直接变频器电动机三相绕组ABCIIIIVRSTN(c)六相整流一三相交交变频器*6.5晶闸管相控交流/交流直接变频器6.5.1基本工作原理6.5.2实用电路结构6.5.3交流/交流相控直接变频的优缺点436.5.3交流/交流相控直接变频的优缺点适用范围：大功率低速可逆传动系统优点：缺点：输出频率低；晶闸管用量多，且控制复杂；输入功率因数