电力电子课件 - 西安交大 - 第6章 交流交流变流电路

第6章交流交流变流电路6.1交流调压电路6.2其他交流电力控制电路6.3交交变频电路6.4矩阵式变频电路本章小结2/53引言■交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。■交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环节）和间接方式（有中间直流环节）两种。■直接方式◆交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路。◆变频电路：改变频率的电路。3/536.1交流调压电路6.1.1单相交流调压电路6.1.2三相交流调压电路4/536.1交流调压电路·引言■把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以控制交流输出。■交流电力控制电路◆交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。◆交流调功电路：以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。◆交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。■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。5/536.1.1单相交流调压电路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt图6-1电阻负载单相交流调压电路及其波形■电阻负载◆工作过程☞在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。◆基本的数量关系☞负载电压有效值Uoww2sin21dsin21121oUttUU☞负载电流有效值IoRUIoo☞晶闸管电流有效值IT)22sin1(21sin221121wwRUtdRtUIT☞功率因数2sin211oo1ooUUIUIUSP(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)6/536.1.1单相交流调压电路VT1图6-2阻感负载单相交流调压电路及其波形■阻感负载◆工作过程☞若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为，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。☞设负载的阻抗角为，稳态时的移相范围应为≤≤。☞在wt=时刻开通晶闸管VT1，可求得导通角，即◆的移相范围为0≤≤，随着的增大，Uo逐渐降低，逐渐降低。)/(tg1RLwtg)sin()sin(e(6-7)7/536.1.1单相交流调压电路图6-3单相交流调压电路以为参变量的和关系曲线以为参变量，利用式(6-7)可以把和的关系用图6-3的一簇曲线来表示。◆基本的数量关系☞负载电压有效值Uo)22sin(2sin21)()sin2(1121owwUtdtUU☞晶闸管电流有效值IVTwwwcos)2cos(sin2)d()sin()sin(22112tg1VTZUtetZUIt(6-8)(6-9)8/536.1.1单相交流调压电路☞负载电流有效值IoVTo2II☞晶闸管电流IVT的标么值1VTVTN2UZII式中22)(LRZw图6-4单相交流调压电路为参变量时IVTN和关系曲线(6-10)(6-11)9/536.1.1单相交流调压电路◆时的工作情况☞VT1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。☞io有指数衰减分量，在指数分量衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。wtwtwtwt图4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT2图6-5时阻感负载交流调压电路工作波形10/536.1.1单相交流调压电路87.366435.0)86arctan()arctan(RXL6435.0◆例6-1一单相交流调压器，输入交流电压为220V，50Hz，负载为电阻电感，其中R=8W，XL=6W。试求=/6、/3时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数。解：负载阻抗及负载阻抗角分别为：1022LXRZ因此开通角的变化范围为：即①当=/6时，由于,因此晶闸管调压器全开放，输出电压为完整的正弦波，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为)(22220AZIIoin11/536.1.1单相交流调压电路)(38722WRIPinin3etan)6435.03sin()6435.03sin(功率因数为8.0222203872o1IUPin实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。②时，先计算晶闸管的导通角，由式（6-7）得解上式可得晶闸管导通角为：2.156727.212/536.1.1单相交流调压电路8.0)727.26435.032cos(727.2sin727.2102220)(55.13A)(16.19AIIIVToincos)2cos(sin21VTZUI)(29372WRIPinin697.016.192202937o1IUPin13/536.1.1单相交流调压电路■单相交流调压电路的谐波分析◆带电阻负载时，对负载电压uo进行谐波分析,5,3,1o)sincos()(nnntnbtnatu式中)12(cos2211Ua)(22sin2211Ub1)1cos(111)1cos(1121nnnnUan)1sin(11)1sin(1121nnnnUbn(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)(6-12)14/536.1.1单相交流调压电路基波和各次谐波的有效值可按下式求出22on21nnbaU负载电流基波和各次谐波的有效值为RUI/onon060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角/(°)In/I*/%20406080100图6-6电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量(n=1,3,5,7,…)(6-13)(6-14)◆电流基波和各次谐波标么值随变化的曲线，如图6-6所示，其中基准电流为=0时的电流有效值。◆阻感负载时☞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。☞当角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减少。15/536.1.1单相交流调压电路RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图6-7斩控式交流调压电路■斩控式交流调压电路◆工作原理☞用V1，V2进行斩波控制，用V3，V4给负载电流提供续流通道。☞设斩波器件（V1，V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比=ton/T，通过改变来调节输出电压。◆电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波，这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率因数接近1。图6-8电阻负载斩控式交流调压电路波形16/536.1.2三相交流调压电路■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6-9三相交流调压电路a)星形联结b)支路控制三角形联结c)中点控制三角形联结17/536.1.2三相交流调压电路■星形联结电路◆分为三相三线和三相四线两种情况。◆三线四相☞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。☞基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线，3的整数倍次谐波是同相位的，不能在各相之间流动，全部流过零线。☞当=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。◆三相三线带电阻负载时的工作原理☞任一相导通须和另一相构成回路，因此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。☞触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1~VT6,依次相差60°。图6-9a)星形联结18/536.1.2三相交流调压电路图6-10不同角时负载相电压波形a)=30°b)=60°☞把相电压过零点定为开通角的起点，三相三线电路中，两相间导通时是靠线电压导通的，而线电压超前相电压30°，因此角的移相范围是0°~150°。☞根据任一时刻导通晶闸管个数以及半个周波内电流是否连续可将0°~150°的移相范围分为如下三段√0°≤60°范围内，电路处于三个晶闸管导通与两个晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角度为180°-,但=0°时是一种特殊情况，一直是三个晶闸管导通。√60°≤90°范围内，任一时刻都是两个晶闸管导通，每个晶闸管的导通角度为120°。19/536.1.2三相交流调压电路图6-10不同角时负载相电压波形c)=120°√90°≤150°范围内，电路处于两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角度为300°-2，而且这个导通角度被分割为不连续的两部分，在半周波内形成两个断续的波头，各占150°-。☞谐波分析√电流谐波次数为6k±1(k=1，2，3，…)。√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，因为三相对称时，它们不能流过三相三线电路。20/536.1.2三相交流调压电路图6-9三相交流调压电路b)支路控制三角形联结■支路控制三角联结电路◆由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作用下工作。◆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。◆谐波分析☞3倍次谐波相位和大小相同，在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。☞线电流中所谐波次数为6k±1(k为正整数)。☞在相同负载和角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。21/536.2其他交流电力控制电路6.2.1交流调功电路6.2.2交流电力电子开关22/536.2.1交流调功电路2NM电源周期控制周期=M倍电源周期=24MO导通段=M3M2Muou1uo,iowtU1201214谐波次数相对于电源频率的倍数2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m图6-11交流调功电路典型波形(M=3、N=2)图6-12交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)■交流调功电路◆工作原理☞和交流调压电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同。☞通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。23/536.2.1交流调功电路◆谐波分析☞在交流电源接通期间，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。☞如果以电源周期为基准，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，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。2NM电源周期控制周期=M倍电源周期=24MO导通段=M3M2Muou1uo,iowtU1201214谐波次数相对于电源频率的倍数2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m图6-11交流调功电路典型波形(M=3、N=2)图6-12交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)24/536.2.2交流电力电子开关■交流电力电子开关：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，起接通和断开电路的作用。■优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。■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。25/536.3交交变频电路6.3.1单相交交变频电路6.3.2三相交交变频电路26/536.