电力电子技术第6章(2014春)

1•引言•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•本章要点第6章交流-交流变流电路2•本章主要讲述交流-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交流调功电路通断控制第6章交流-交流变流电路36.1交流调压电路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4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。6.1交流调压电路5•6.1.1单相交流调压电路••6.1.2三相交流调压电路6.1交流调压电路6Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt6.1.1单相交流调压电路•1)电阻负载图6-1电阻负载单相交流调压电路及其波形输出电压与α的关系:移相范围为0≤a≤π。a=0时，输出电压为最大。Uo=U1,随a的增大，Uo降低，a=π时，Uo=0。λ与a的关系:a=0时，功率因数λ=1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低。7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≤π。•1)阻感负载0.6Ou1u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1G1uG2OOwtwt图6-2电阻负载单相交流调压电路及其波形负载阻抗角：j=arctan(wL/R)VT16.1.1单相交流调压电路8q020100601401802010060/(°)180140a/(°)图6-3单相交流调压电路以a为参变量的θ和a关系曲线wt=a时刻开通晶闸管VT1，可求得θ（6－7）jqjajqatg)sin()sin(e当a=j时θ=π当aj时θπ以j为参变量，利用（4－7)可把a和θ的关系表示成右图。6.1.1单相交流调压电路9图6-4单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线0.10.20.30.40.516018004012080j=0a/(°)IVTN负载电流有效值(6-10)IVT的标么值(6-11)12UZIIVTVTNVTII206.1.1单相交流调压电路10图6-5aj时阻感负载交流调压电路工作波形wtwtwtwt图4-5aaaqOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2当阻感负载,aj时电路工作情况。图6-2阻感负载单相交流调压电路VT1的导通时间超过π。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π。衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。6.1.1单相交流调压电路11•4)斩控式交流调压电路在交流电源u1的正半周RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图6-7斩控式交流调压电路6.1.1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12RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V2进行斩波控制用V4给负载电流提供续流通道图6-7斩控式交流调压电路•4)斩控式交流调压电路在交流电源u1的负半周6.1.1单相交流调压电路13特性图6-8电阻负载斩控式交流调压电路波形6.1.1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。146.1.2三相交流调压电路•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)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156.2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166.2.1交流调功电路交流调功电路与交流调压电路的异同比较相同点电路形式完全相同不同点控制方式不同交流调压电路在每个电源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,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。17电阻负载时的工作情况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,iowtU12图6-13交流调功电路典型波形(M=3、N=2)图6－1电阻负载单相交流调压电路6.2.1交流调功电路控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后M－N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。186.2.2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，起接通和断开电路的作用。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。19晶闸管投切电容（ThyristorSwitched——Capacitor——TSC）图6-15TSC基本原理图a)基本单元单相简图b)分组投切单相简图6.2.2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。性能优于机械开关投切的电容器。结构和原理晶闸管反并联后串入交流电路。实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。20晶闸管的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。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图6-16TSC理想投切时刻原理说明6.2.2交流电力电子开关21TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式6.2.2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。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图6-16TSC理想投切时刻原理说明226.3交交变频电路•6.3.1单相交交变频器•6.3.2三相交交变频器236.3.1单相交交变频器晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)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。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。24•1)电路构成和基本工作原理ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoaP=0aP=2aP=2wt图6-18单相交交变频电路原理图和输出电压波形6.3.1单相交交变频器电路构成如图6-18，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。25工作原理P组工作时，负载电流io为正。N组工作时，io为负。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。ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoaP=0aP=2aP=2wt图6-18单相交交变频电路原理图和输出电压波形6.3.1单相交交变频器266.3.2三相交交变频电路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输出星形联结方式交交变频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。27•(1)公共交流母线进线方式图6-24公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）6.3.2三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。28(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•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。6.3.2三相交交变频电路29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。6.3.2三相交交变频电路30十分突出的优点：6.4矩阵式变频器在器件制造技术飞速进步和计算机技术日新月异的今天，矩阵式变频电路将有很好的发展前景。有十分理想的电气性能。和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽多用了6个开关器件，却省去了直流侧大电容，将使体积减小，且容易实现集成化和功率模块化。简介：是近年出现的一种新颖的变频电路。是直接变频电路，采用的开关器件是全控型。控制方式是斩波控制。31本章小结•本章的要点如下：•(1)交流—交流变流电路的分类及其基本概念；•(2)单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载•时的工作原理和电路特性；•(3)三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；•(4)交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；•(5)晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理；•(6)各种交流—交流变流电路的主要应用；