第六章ACAC變換器

1、楊淑英合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院電 力 電 子 技 術(shù)Power Electronic Technology1234概述概述 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路交流電力控制電路交流電力控制電路基本內(nèi)容交交變頻電路交交變頻電路 AC-AC變換：變換：把一種形式的交流電交流電變換成另一種形式的交交流電流電，可以是電壓幅值電壓幅值的變換、頻率頻率或相數(shù)相數(shù)的變換，能實(shí)現(xiàn)這種變換的電路稱為AC-AC變換器或AC-AC變換電路。根據(jù)變換參數(shù)的不同，可以分為交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路、交流電力交流電力控制電路控制電路和交交變頻電路交交變頻電路。 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路一般采用相位控制相位控制，其特點(diǎn)是維持頻率

2、不變頻率不變，僅改變輸出電壓的大小，它廣泛應(yīng)用于電爐溫度控制、燈光調(diào)節(jié)、異步電機(jī)的軟啟動和調(diào)速等場合。此外，在高壓或低壓大功率直流電源中，也常用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。6.1 概述概述 交流電力控制電路：交流電力控制電路：交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路和交流電子開關(guān)交流電子開關(guān) 在一些大慣性環(huán)節(jié)中，例如溫度控制有時也采用通斷控制通斷控制，這種電路稱交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路。通斷控制一般在交流電壓的過過零點(diǎn)接通或關(guān)斷零點(diǎn)接通或關(guān)斷，加在負(fù)載上是整數(shù)倍周期的交流電，在接通期間負(fù)載上承受的電壓與流過的電流均是正弦波，與相位控制相比，對電網(wǎng)不會造成諧波污染，僅僅表現(xiàn)為負(fù)載通斷。 交流電子開關(guān)一般也采

3、用通斷控制，用來替代交流電路中的機(jī)械開關(guān)，主要用于投切交流電力電容器以控制電網(wǎng)的無功功率。交流調(diào)功電路和交流電子開關(guān)通稱交流電力控交流調(diào)功電路和交流電子開關(guān)通稱交流電力控制電路制電路。6.1 概述概述交交交變頻電路交變頻電路也稱直接變頻電路(或周波變流器)，是不通過中間直流環(huán)節(jié)把某一頻率（如電網(wǎng)頻率）的交流電直接變換成不同頻率的交流電的變換電路，包括相控式交交變頻電路相控式交交變頻電路和PWM交交變頻電交交變頻電路路，主要用于大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。另外還有一種變頻電路稱交直交變頻電路交直交變頻電路，它是先把交流整流成直流，再把直流逆變成另一種頻率或可變頻率的交流，這種通過直流中間環(huán)節(jié)的變頻電

4、路也稱間接變頻電路，間接變頻電路不屬于本章的范圍。6.1 概述概述6.2 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 交流調(diào)壓交流調(diào)壓就是把固定的交流電變成幅值（有效值）可調(diào)的交流電。利用自耦變壓器可以實(shí)現(xiàn)這一目的，輸入輸出電壓波形如下圖所示。 自耦變壓器需要通過手動或電動機(jī)拖動調(diào)節(jié)碳刷位置來達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的,同時需要經(jīng)常更換碳刷且為有級調(diào)節(jié)uo00ttui6.2 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 若要調(diào)節(jié)輸出電壓，只需把正弦電壓的正負(fù)半波都對稱地只需把正弦電壓的正負(fù)半波都對稱地切去一塊切去一塊，如圖中的陰影部分?？紤]到前面學(xué)過的知識，利用電力電子器件的通斷可以把正弦電壓的正負(fù)半波都對稱地切去一塊，如下圖所示，從

5、而實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓。 （a）自耦變壓器交流調(diào)壓方案 （b） 相控式交流調(diào)壓方案 （c）斬控式交流調(diào)壓方案 圖6-1 交流調(diào)壓的幾種方案比較 對右圖所示的交流調(diào)壓模式，只要在交流回路中串聯(lián)一對反并聯(lián)的晶閘管（或雙向晶閘管），并在每個半周期相應(yīng)時刻給晶閘管加觸發(fā)信號使其導(dǎo)通，這樣就可以把固定的交流電壓變成可調(diào)的交流電壓，由于利用改變觸發(fā)脈沖的相位來調(diào)節(jié)輸出電壓，故這種調(diào)壓電路稱為相相控式交流調(diào)壓電路控式交流調(diào)壓電路。uo00ttuiVT1RVT2uuo6.2 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 只要在交流回路中串聯(lián)一個雙向全控型電力電子器件全控型電力電子器件，在圖中陰影部分的時間內(nèi)關(guān)閉開關(guān)，在其他時間內(nèi)接通開關(guān)

6、，就可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓，uo00ttui由于采用PWM波來模擬正弦電壓波形，故把這種調(diào)壓電路稱為交流PWM調(diào)壓電路，又稱斬控式交流調(diào)壓電路。6.2 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路電阻負(fù)載電阻負(fù)載 工作原理：工作原理：6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路單相單相 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系負(fù)載電壓有效值2sin21dsin21121oUttUURUIoo)22sin1(21sin221121RUtdRtUIT2sin211oo1ooUUIUIUSP負(fù)載電流有效值晶閘管電流有效值功率因數(shù)6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路單相單相uo000uiottt6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電

7、路單相單相輸出電壓與的關(guān)系:移相范圍為0。 =0時，輸出電壓為最大， Uo=U1。隨的增大，Uo降低， =時， Uo =0。與的關(guān)系： =0時，功率因數(shù)=1， 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低uo000uiottt2sin21dsin21121oUttUU2sin211oo1ooUUIUIUSP 阻感負(fù)載阻感負(fù)載 工作原理：工作原理：6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路單相單相 阻感負(fù)載時的工作過程分析阻感負(fù)載時的工作過程分析在t =時刻開通VT1，負(fù)載電流滿足tURidtdiLsin21oo0itotgtetZUisinsin21o解方程得t22LRZ式中為晶閘管導(dǎo)通角6.2.1

8、 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路單相單相 1、交流調(diào)壓電路、交流調(diào)壓電路 1.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路 1）單相相控交流調(diào)壓電路）單相相控交流調(diào)壓電路 2）三相相控交流調(diào)壓電路）三相相控交流調(diào)壓電路 1.2 PWM交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 1）單相）單相PWM交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 2）三相）三相PWM交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 2、其他交流電力控制電路、其他交流電力控制電路 2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 2.2 交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)uouiotug1ug200000ttttVT1RVT2uuoL 阻感負(fù)載時的工作過程分析阻感負(fù)載時的工作過程分析tgtetZUis

9、insin21o解方程得t22LRZ式中為晶閘管導(dǎo)通角6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路單相單相 1、交流調(diào)壓電路、交流調(diào)壓電路 1.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路 1）單相相控交流調(diào)壓電路）單相相控交流調(diào)壓電路 2）三相相控交流調(diào)壓電路）三相相控交流調(diào)壓電路 1.2 PWM交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 1）單相）單相PWM交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 2）三相）三相PWM交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 2、其他交流電力控制電路、其他交流電力控制電路 2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 2.2 交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)uouiotug1ug200000ttttVT1RVT2uuoLsi

10、n()sin()tge利用邊界條件：t = + 時io = 0，可求得VT2導(dǎo)通時，上述關(guān)系完全相同，只是io極性相反，相位差1806.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路單相單相可見有以下幾種典型工況：=0，上式右端=0，+=，即為純電阻工況0， =，由上式可 得，=，表明兩個VT相當(dāng)于二極管，開始不起調(diào)壓作用。1.0， ,，此時電流波形如前所畫。sin()sin()tgeVT1RVT2uuoLuouiotug1ug200000tttts in ()s in ()tge6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路單相單相1sincos(2)cos2UZ211(2sin)oUUtdt11s

11、in 2sin22Uuouiotug1ug200000ttttVT1RVT2uuoL2tg1VT21sin()sin()d()2tUItetZ02VTII6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路單相單相 ,VT1提前通，L被過充電，放電時間延長，觸發(fā)VT2時，負(fù)載電流未過零反向。6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路單相單相6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路單相單相 ,VT1提前通，L被過充電，放電時間延長，觸發(fā)VT2時，負(fù)載電流未過零反向。6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路單相單相tURidtdiLsin21ootgtetZUisinsin21o正弦項正弦項指數(shù)

12、衰減項指數(shù)衰減項三相四線三相四線 基本原理：相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相 問題：問題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有很大3倍次諧波電流。90時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近 考慮到3倍次諧波對于選擇中線以及流過變壓器時可能產(chǎn)生的發(fā)熱、噪聲等干擾，該電路應(yīng)用有局限性。 至于脈沖，同相間兩管脈沖應(yīng)互差180，三相間同方向晶閘管脈沖互差120。6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相 若去掉零線，則3次及其他3倍次諧波將沒有通路，則注入電網(wǎng)

13、的電流就沒有3次及其他3的整數(shù)倍次諧波。這時的電路就變成了如下圖所示的電路，這種電路稱為不帶零線、星形聯(lián)不帶零線、星形聯(lián)結(jié)結(jié)的三相交流調(diào)壓電路。6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相三相三線，三相三線，電阻負(fù)載時的工作情況任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路電流通路中至少有兩個晶閘管，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VT1VT6,依次相差60相電壓過零點(diǎn)定為的起點(diǎn)， 角移相范圍是0150當(dāng)控制改變時，電路可能出現(xiàn)兩種不同的導(dǎo)電模式或兩類工作狀態(tài)。6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相三相同時工作狀態(tài)三相同時工作狀態(tài)，在同一時刻，每一相都有

14、一個晶閘管導(dǎo)通，因此任何時刻同時有三個晶閘管導(dǎo)通；兩相同時工作狀態(tài)兩相同時工作狀態(tài)，即在同一時刻僅有兩相各有一個晶閘管導(dǎo)通，第三相中兩個晶閘管都不導(dǎo)通。分析后，可得三相星形聯(lián)結(jié)調(diào)壓器帶電阻負(fù)載時，其控制特性及導(dǎo)電情況可歸納為：6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相 0 60：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180-。以 =30為例 。6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相 6090：兩管導(dǎo)通兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120，以 =60為例 。6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相 90150，則無晶閘管導(dǎo)通。所以最大移相范圍為150。綜上

15、所述，這種調(diào)壓電路隨著增大，輸出電壓降低，電流不連續(xù)程度增加，但每相負(fù)載上的波形正、負(fù)半波對稱，所以輸所以輸出電壓中只有奇次諧波出電壓中只有奇次諧波，并以3次諧波含量最大。對于星接電路因零序分量沒有通路，所以雖有3次諧波電勢但是無3次或3的倍數(shù)次諧波電流。6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相 其它聯(lián)接形式其它聯(lián)接形式中點(diǎn)控制三角形連接 線路控制三角形連接支路控制三角形連接6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相支路控制三角連接電路支路控制三角連接電路 由三個單相交流調(diào)壓電路組成，=0取在線電壓零點(diǎn)。 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）

16、為與該線相連的兩個負(fù)載相電流之和支路控制三角形連接 6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相 線路控制三角連接電路線路控制三角連接電路 只要把三角形連接的三相負(fù)載等效成星形連接，則三相三線星形聯(lián)結(jié)電路的分析方法和結(jié)論完全適應(yīng)該電路； 中點(diǎn)控制三角連接電路中點(diǎn)控制三角連接電路 支路控制三角形連接電路的分析方法與結(jié)論也適應(yīng)于中點(diǎn)控制三角形連接電路 6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相 典型用例典型用例晶閘管控制電抗器晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR） 觸發(fā)脈沖的移相范圍是90 180 控制角可連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而

17、調(diào)節(jié)無功功率 配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，稱為靜止無功補(bǔ)償裝置Static Var Campensator(SVC)，用來對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，以補(bǔ)償電壓波動或閃變。6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相 典型應(yīng)用典型應(yīng)用6.2.1 相控交流調(diào)壓電路相控交流調(diào)壓電路三相三相(a) 異步電動機(jī)軟啟動 (b) 高壓直流電源方案 單相斬控交流調(diào)壓電路單相斬控交流調(diào)壓電路 單相PWM交流調(diào)壓電路可分為Buck型、Boost型、Buck-Boost型，如下圖所示 其基本原理和直流斬波電路有類似之處，故又稱PWM控制交流調(diào)壓電路 S2RL2iouoS1uiC

18、Buck型S2RiouoS1L1CuiBoost型S2RuiiouoS1L1CBuck-Boost型6.2.2 斬控交流調(diào)壓電路斬控交流調(diào)壓電路單相單相6.2.2 斬控交流調(diào)壓電路斬控交流調(diào)壓電路單相單相在交流電源u1的正半周RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路用V1進(jìn)行斬波控制用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路6.2.2 斬控交流調(diào)壓電路斬控交流調(diào)壓電路單相單相RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V2進(jìn)行斬波控制用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源

19、u1的負(fù)半周 特性 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16.2.2 斬控交流調(diào)壓電路斬控交流調(diào)壓電路單相單相三相三相PWM交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 三相PWM交流調(diào)壓電路同樣可分為Buck型、Boost型、Buck-Boost型。由于三相PWM交流調(diào)壓電路的每一相都可等效成一個單相PWM交流調(diào)壓電路，因此，其工作原理和單相PWM交流調(diào)壓電路相似。VT1VT4VT5VT6VT3VT2VD1VD6VD5VD4VD3VD2LLLRoRoRoCCCCCCubucuaBuck型三相PWM交流調(diào)壓電路 VT1VT4VT5V

20、T6VT3VT2VD1VD6VD5VD4VD3VD2LLRoRoRoCCCCCCubucuaL（b） Boost型三相PWM交流調(diào)壓電路VT1VT4VT5VT3VT2VD1VD6VD5VD4VD3VD2LLLRoRoRoCCCCCCubucua（c） BuckBoost型三相PWM交流調(diào)壓電路6.2.2 斬控交流調(diào)壓電路斬控交流調(diào)壓電路單相單相 6.3.1 交流調(diào)功電路 6.3.2 交流電力電子開關(guān)6.3 交流電力控制電路交流電力控制電路 與交流調(diào)壓電路的異同與交流調(diào)壓電路的異同 電路形式完全相同電路形式完全相同 控制方式不同：控制方式不同：將負(fù)載與電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，改變通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率改變通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率，所以稱之為交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路。 控制對象時間常數(shù)通常很大，以周波數(shù)為單位控制即可 通常晶閘管導(dǎo)通時刻為電源電壓過零的時刻電源電壓過零的時刻，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染6.3.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路6.3.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路工作原理工作原理 以單相交流調(diào)功電路電阻負(fù)載為例，設(shè)控制周期為M倍電源周期，其中前N個周期導(dǎo)通，= N/M為控制比，通過調(diào)節(jié)控制比（一般M固定，根據(jù)控制比求出N再取整）即可調(diào)節(jié)輸出平均功率。則當(dāng)M4，N2時的負(fù)載電壓波形如下圖所