電力電子技術(shù)課課件

1、引言 6.1 交流調(diào)壓電路 6.2 其他交流電力控制電路 6.3 交交變頻電路 本章要點(diǎn),第6章 交流-交流變流電路,1,電力電子技術(shù)課,引言,交流-交流變流電路：把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。 交流-交流變換電路可以分為直接方式（即無中間直流環(huán)節(jié)）和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）兩種。 直接方式 交流電力控制電路：只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，而不改變頻率的電路。 變頻電路：改變頻率的電路,2,電力電子技術(shù)課,6.1 交流調(diào)壓電路引言,把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對(duì)晶閘管的控制就可以控制交流輸出。 交流電力控制電路 交流調(diào)壓電路：在每半個(gè)周波內(nèi)通過對(duì)晶閘管開通

2、相位的控制，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的電路。 交流調(diào)功電路：以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變通態(tài)周期數(shù)和斷態(tài)周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率平均值的電路。 交流電力電子開關(guān)：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管。 應(yīng)用 燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)。 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 供用電系統(tǒng)對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓,3,電力電子技術(shù)課,6.1.1 單相交流調(diào)壓電路(重點(diǎn)) 6.1.2 三相交流調(diào)壓電路,6.1 交流調(diào)壓電路,返回,4,電力電子技術(shù)課,6.1.1 單相交流調(diào)壓電路,圖6-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形

3、,電阻負(fù)載 工作過程 在交流電源u1的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的開通角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。 基本的數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值Uo,負(fù)載電流有效值Io,晶閘管電流有效值IT,功率因數(shù),6-1,6-2,6-3,6-4,5,電力電子技術(shù)課,6.1.1 單相交流調(diào)壓電路,VT1,圖6-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,阻感負(fù)載 工作過程 若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為，當(dāng)用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后。 設(shè)負(fù)載的阻抗角為 ，穩(wěn)態(tài)時(shí)的移相范圍應(yīng)為。 在t=時(shí)刻開通晶閘管VT1，可求得導(dǎo)通角，即,的移相范圍為0，隨著的增大，Uo逐漸

4、降低，逐漸降低,6-7,6,電力電子技術(shù)課,6.1.1 單相交流調(diào)壓電路,圖6-3 單相交流調(diào)壓電路以 為參變量的和關(guān)系曲線,以為參變量，利用式(6-7)可以把和的關(guān)系用圖6-3的一簇曲線來表示,基本的數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值Uo,晶閘管電流有效值IVT,6-8,6-9,負(fù)載電流有效值Io,6-10,7,電力電子技術(shù)課,6.1.1 單相交流調(diào)壓電路,時(shí)的工作情況 VT1的導(dǎo)通時(shí)間超過。 觸發(fā)VT2時(shí)，io尚未過零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不會(huì)導(dǎo)通，io過零后，VT2才可開通，VT2導(dǎo)通角小于。 io有指數(shù)衰減分量，在指數(shù)分量衰減過程中，VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短，VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長,圖6-5 時(shí)阻感負(fù)載

5、交流調(diào)壓電路工作波形,8,電力電子技術(shù)課,6.1.1 單相交流調(diào)壓電路,例6-1 一單相交流調(diào)壓器，輸入交流電壓為220V，50Hz，負(fù)載為電阻電感，其中R=8W，XL=6 W。試求=/6、/3時(shí)的輸出電壓、電流有效值及輸入功率和功率因數(shù)。 解：負(fù)載阻抗及負(fù)載阻抗角分別為,因此開通角的變化范圍為,即,當(dāng)=/6時(shí)，由于,因此晶閘管調(diào)壓器全開放，輸出電壓為完整的正弦波，負(fù)載電流也為最大，此時(shí)輸出功率最大，為,9,電力電子技術(shù)課,6.1.1 單相交流調(diào)壓電路,功率因數(shù)為,實(shí)際上，此時(shí)的功率因數(shù)也就是負(fù)載阻抗角的余弦,時(shí)，先計(jì)算晶閘管的導(dǎo)通角，由式（6-7）得,解上式可得晶閘管導(dǎo)通角為,10,電力電子

6、技術(shù)課,6.1.1 單相交流調(diào)壓電路,11,電力電子技術(shù)課,6.1.1 單相交流調(diào)壓電路,單相交流調(diào)壓電路的諧波分析 帶電阻負(fù)載時(shí)，對(duì)負(fù)載電壓uo進(jìn)行諧波分析,式中,n=3,5,7,n=3,5,7,6-12,12,電力電子技術(shù)課,基波和各次諧波有效值 負(fù)載電流基波和各次諧波有效值 電流基波和各次諧波標(biāo)么值隨 a 變化的曲線（基準(zhǔn)電流為a =0時(shí)的有效值）如圖所示,電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量,6.1.1 單相交流調(diào)壓電路,阻感負(fù)載的情況 電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相同，也只含3、5、7等次諧波,隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少,和電阻負(fù)載時(shí)相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量少一些 -當(dāng)a

7、角相同時(shí)，隨著阻抗角的增大，諧波含量有所減少,電力電子技術(shù)課,6.1.1 單相交流調(diào)壓電路,圖6-7 斬控式交流調(diào)壓電路,斬控式交流調(diào)壓電路 工作原理 用V1，V2進(jìn)行斬波控制，用V3，V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道。 設(shè)斬波器件（V1，V2）導(dǎo)通時(shí)間為ton，開關(guān)周期為T，則導(dǎo)通比 =ton/T ，通過改變來調(diào)節(jié)輸出電壓,圖6-8 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形,電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)為1。 電源電流不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波。 功率因數(shù)接近1,特性,14,電力電子技術(shù)課,6.1.2 三相交流調(diào)壓電路,根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式

8、,返回,15,電力電子技術(shù)課,6.1.2 三相交流調(diào)壓電路,星形聯(lián)結(jié)電路 分為三相三線和三相四線兩種情況。 三線四相 相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開120工作。 基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動(dòng)，不流過零線，3的整數(shù)倍次諧波是同相位的，不能在各相之間流動(dòng)，全部流過零線。 當(dāng)=90時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。 三相三線帶電阻負(fù)載時(shí)的工作原理 任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路，因此電流通路中至少有兩個(gè)晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。 觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1 VT6,依次相差60,圖6-9 a)星形聯(lián)結(jié),16,電力電子技術(shù)課,6.1.2 三相交

9、流調(diào)壓電路,1)0 a 60 三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180a 。但a =0時(shí)一直是三管導(dǎo)通,圖6-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 a) a =30,電力電子技術(shù)課,6.1.2 三相交流調(diào)壓電路,圖6-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 b) a =60,電力電子技術(shù)課,6.1.2 三相交流調(diào)壓電路,圖6-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 c) a =120,3)90 a 150 兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為3002 a,電力電子技術(shù)課,6.1.2 三相交流調(diào)壓電路,圖6-9 三相交流調(diào)壓電路 b)支路控制三角形聯(lián)結(jié),支路控制三角聯(lián)結(jié)電路 由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線

10、電壓作用下工作。 單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適用，輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個(gè)負(fù)載相電流之和。 諧波分析 3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動(dòng)，而不出現(xiàn)在線電流中。 線電流中所諧波次數(shù)為6k1(k為正整數(shù))。 在相同負(fù)載和角時(shí)，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路,20,電力電子技術(shù)課,6.2 其他交流電力控制電路,6.2.1 交流調(diào)功電路 6.2.2 交流電力電子開關(guān),返回,21,電力電子技術(shù)課,6.2.1 交流調(diào)功電路,交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較,相同點(diǎn) 電路形式完全相同 不同點(diǎn) 控制方式不同 交流調(diào)壓電路在每個(gè)電源周期都對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制。

11、交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期,再斷開幾個(gè)周期,通過通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率,返回,22,電力電子技術(shù)課,電阻負(fù)載時(shí)的工作情況,2,p,N,圖61電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路,6.2.1 交流調(diào)功電路,控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后MN個(gè)周期關(guān)斷。 負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期,返回,23,電力電子技術(shù)課,諧波情況,0,12,14,諧波次數(shù),相對(duì)于電源頻率的倍數(shù),圖6-14交流調(diào)功電路的 電流頻譜圖(M =3、N =2,2,4,6,10,8,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,0,5,1,2,3,4,I,n

12、,I,0m,6.2.1 交流調(diào)功電路,圖6-14的頻譜圖（以控制周期為基準(zhǔn)）。In為n次諧波有效值， Io為導(dǎo)通時(shí)電路電流幅值。 以電源周期為基準(zhǔn)，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波。 而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大,返回,24,電力電子技術(shù)課,6.2.2 交流電力電子開關(guān),交流電力電子開關(guān)：把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。 優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，沒有觸點(diǎn)，壽命長，可以頻繁控制通斷。 與交流調(diào)功電路的區(qū)別 并不控制電路的平均輸出功率。 通常沒有明確的控制周期，只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開。 控制頻度通常比交流調(diào)功電

13、路低得多,25,電力電子技術(shù)課,晶閘管投切電容（Thyristor Switched CapacitorTSC,圖6-15 TSC基本原理圖 a) 基本單元單相簡(jiǎn)圖 b) 分組投切單相簡(jiǎn)圖,6.2.2 交流電力電子開關(guān),作用 對(duì)無功功率控制，可提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量。 性能優(yōu)于機(jī)械開關(guān)投切的電容器。 結(jié)構(gòu)和原理 晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路。 實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié),返回,26,電力電子技術(shù)課,晶閘管的投切 選擇晶閘管投入時(shí)刻的原則：該時(shí)刻交流電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。 理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電

14、源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化,圖6-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說明,6.2.2 交流電力電子開關(guān),返回,27,電力電子技術(shù)課,TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式,6.2.2 交流電力電子開關(guān),由于二極管的作用，在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值。 成本稍低，但響應(yīng)速度稍慢，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波,圖6-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說明,返回,28,電力電子技術(shù)課,6.3 交交變頻電路,6.3.1 單相交交變頻器 6.3.2 三相交交變頻器,返回,29,電力電子技術(shù)課,6.3.1 單相交交變頻器,晶閘管交交變

15、頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)。 把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，屬于直接變頻電路。 廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相輸出交交變頻電路,返回,30,電力電子技術(shù)課,1) 電路構(gòu)成和基本工作原理,圖6-18 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形,6.3.1 單相交交變頻器,電路構(gòu)成 如圖6-18，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速用的四象限變流電路完全相同。 變流器P和N都是相控整流電路,返回,31,電力電子技術(shù)課,工作原理 P組工作時(shí)，負(fù)載電流io為正。 N組工作時(shí)，io為負(fù)。 兩組變流器按一定的頻率

16、交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電。 改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率wo 。 改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值,圖6-18 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形,6.3.1 單相交交變頻器,返回,32,電力電子技術(shù)課,為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對(duì)a 角進(jìn)行調(diào)制,6.3.1 單相交交變頻器,在半個(gè)周期內(nèi)讓P組 a 角按正弦規(guī)律從90減到0或某個(gè)值，再增加到90，每個(gè)控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零。另外半個(gè)周期可對(duì)N組進(jìn)行同樣的控制。 uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個(gè)周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波,返回,33,電力電子技術(shù)課,交交變頻電路是一種直接變頻電路。 和交直交變頻電路比較，優(yōu)點(diǎn)是 只用一次變流，效率較高。 可方便地實(shí)現(xiàn)四象限工作。 低頻輸出波形接近正弦波。 缺點(diǎn)是 接線復(fù)雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管。 受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低；輸入功率因數(shù)較低。 輸入電流諧波含量大，頻譜復(fù)雜。 交交變頻電路主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中，目前已在軋機(jī)主傳動(dòng)裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、