電力電子技術(shù)課課件

1、 第第6 6章章 交流交流- -交流變流電路交流變流電路1電力電子技術(shù)課引言引言交流交流- -交流變流電路：把一種形式的交流變流電路：把一種形式的交流交流變成另一種形式變成另一種形式交流交流的電路。的電路。交流交流- -交流變換電路可以分為交流變換電路可以分為直接方式（即無中間直流環(huán)直接方式（即無中間直流環(huán)節(jié)）節(jié)）和和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）兩種。兩種。直接方式直接方式 交流電力控制電路：只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐ń涣麟娏刂齐娐罚褐桓淖冸妷?、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M行控制，而不改變頻率的電路。斷進行控制，而不改變頻率的電路。 變頻電路：改變頻率的電路。變頻電路：改變

2、頻率的電路。2電力電子技術(shù)課 6.1 6.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路引言引言把把兩個晶閘管反并聯(lián)兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。以控制交流輸出。 交流電力控制電路交流電力控制電路 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路：在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，調(diào)：在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的電路。節(jié)輸出電壓有效值的電路。 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路：以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變：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。通

3、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)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：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管。管。應用應用 燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制) )。 異步電動機軟起動。異步電動機軟起動。 異步電動機調(diào)速。異步電動機調(diào)速。 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(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。壓。3電力電子技術(shù)課6.1 6.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路返回4電力電子技術(shù)課 6

4、.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路ou1uoiouvtwtowtowtowt圖6-1 電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形電阻負載 工作過程 在交流電源u1的正半周和負半周，分別對vt1和vt2的開通角進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。 基本的數(shù)量關(guān)系 負載電壓有效值uo ww2sin21dsin21121outtuu負載電流有效值io ruioo晶閘管電流有效值it )22sin1 (21sin221121wwrutdrtuit功率因數(shù)2sin211oo1oouuiuiusp(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)5電力電子技術(shù)課 6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)

5、壓電路 vt1圖6-2 阻感負載單相交流調(diào)壓電路及其波形阻感負載 工作過程 若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為，當用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后。 設負載的阻抗角為 ，穩(wěn)態(tài)時的移相范圍應為。 在wt=時刻開通晶閘管vt1，可求得導通角，即 的移相范圍為0，隨著的增大，uo逐漸降低，逐漸降低。 )/(tg1rlwtg)sin()sin(e(6-7)6電力電子技術(shù)課 6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(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)

6、量關(guān)系 負載電壓有效值uo )22sin(2sin21)()sin2(1121owwutdtuu晶閘管電流有效值ivt wwwcos)2cos(sin2)d()sin()sin(22112tg1vtzutetzuit(6-8)(6-9)負載電流有效值io vto2ii (6-10)7電力電子技術(shù)課 6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路時的工作情況 vt1的導通時間超過。 觸發(fā)vt2時，io尚未過零，vt1仍導通，vt2不會導通，io過零后，vt2才可開通，vt2導通角小于。 io有指數(shù)衰減分量，在指數(shù)分量衰減過程中，vt1導通時間漸短，vt2的導通時間漸長。wtwtwtwt

7、圖4-5oooou1ig1ig2ioit1it2圖6-5 時阻感負載交流調(diào)壓電路工作波形8電力電子技術(shù)課 6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路87.366435. 0)86arctan()arctan(rxl6435. 0例6-1 一單相交流調(diào)壓器，輸入交流電壓為220v，50hz，負載為電阻電感，其中r=8w，xl=6 w。試求=/6、/3時的輸出電壓、電流有效值及輸入功率和功率因數(shù)。 解：負載阻抗及負載阻抗角分別為： 1022lxrz因此開通角的變化范圍為： 即當=/6時，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，負載電流也為最大，此時輸出功率最大，為 )(

8、22220aziioin9電力電子技術(shù)課 6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路)(38722wripinin3etan)6435. 03sin()6435. 03sin(功率因數(shù)為8 . 0222203872o1iupin實際上，此時的功率因數(shù)也就是負載阻抗角的余弦。 時，先計算晶閘管的導通角，由式（6-7）得 解上式可得晶閘管導通角為：2 .156727. 210電力電子技術(shù)課 6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路8 . 0)727. 26435. 032cos(727. 2sin727. 2102220)(55.13a)(16.19aiiivtoin

9、cos)2cos(sin21vtzui)(29372wripinin697. 016.192202937o1iupin11電力電子技術(shù)課 6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路的諧波分析 帶電阻負載時，對負載電壓uo進行諧波分析 , 5 , 3, 1o)sincos()(nnntnbtnatuwww式中) 12(cos2211ua)(22sin2211ub1) 1cos(111) 1cos(1121nnnnuan) 1sin(11) 1sin(1121nnnnubn(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

10、載電流基波和各次諧波有效值 電流基波和各次諧波標么值隨 變化的曲線（基準電流為 =0時的有效值）如圖所示：22on21nnbau060120180圖4-6基波3 次5 次7 次觸發(fā)延遲角/ ( )in/i*/%20406080100電阻負載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量rui/onon6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路阻感負載的情況電流諧波次數(shù)和電阻負載時相同，也只含3、5、7等次諧波,隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少,和電阻負載時相比，阻感負載時的諧波電流含量少一些-當a 角相同時，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 6.1.1 單相交流調(diào)壓電

11、路單相交流調(diào)壓電路rl圖4-7u1i1uov1v2vd1vd2v3v4vd4vd3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進行斬波控制，用v3，v4給負載電流提供續(xù)流通道。 設斬波器件（v1，v2）導通時間為ton，開關(guān)周期為t，則導通比 =ton/t ，通過改變來調(diào)節(jié)輸出電壓。 圖6-8 電阻負載斬控式交流調(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 6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(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

12、具有多種形式根據(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圖6-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)b) 線路控制三角形聯(lián)結(jié)c) 支路控制三角形聯(lián)結(jié)d) 中點控制三角形聯(lián)結(jié)返回15電力電子技術(shù)課 6.1.2 6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(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 相當于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120工作。 基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動，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，全部流過零線。 當=90時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。 三相三線帶電阻負載時的工作原理 任一相導通須和另一相構(gòu)成回路，

13、因此電流通路中至少有兩個晶閘管，應采用雙脈沖或?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 6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路l (1)0(1)0 60 60l 三管導通與兩管導三管導通與兩管導通交替，每管導通通交替，每管導通180180 。但。但 =0=0時一直是三管時一直是三管導通。導通。圖圖6-10 6-10 不同不同a a角時負載相電壓波形角時負載相電壓波形a) a =30a) a =30電力電子技術(shù)課 6.1.2 6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路圖圖6-10 6-10

14、不同不同a a角時負載相電壓波形角時負載相電壓波形b) a =60b) a =6060 90兩管導通，每管導通120。(2)電力電子技術(shù)課 6.1.2 6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路圖圖6-10 6-10 不同不同a a角時負載相電壓波形角時負載相電壓波形c) a =120c) a =120l (3)(3)9090 150150 兩管兩管導通與無晶閘管導通與無晶閘管導通交替，導通導通交替，導通角度為角度為3003002 2 。電力電子技術(shù)課 6.1.2 6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(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 由三個單相交

15、流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作。 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負載相電流之和。 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，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))。 在相同負載和角時，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 6.2 其他交流電力控制電路其他交流電力控制電路返回21電力電子技術(shù)課6.2.1 6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點相同點 電路形式完全相同完全相同不同點不同點 控

16、制方式不同不同交流調(diào)壓電路在每個電源周期周期都對輸出電壓波形進行控制。 交流調(diào)功電路是將負載與交流電源接通幾個周期,再斷開幾個周期,通過通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。返回22電力電子技術(shù)課 電阻負載時的工作情電阻負載時的工作情況況2nm電源周期控制周期=m倍電源周期4mo導通段=m3m2muou1uo,iowtu12圖6-13 交流調(diào)功電路典型波形(m =3、n =2)圖61電阻負載單相交流調(diào)壓電路6.2.1 6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路控制周期為m倍電源周期，晶閘管在前n個周期導通，后mn個周期關(guān)斷。 負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復周期為m倍電源周期。返回23

17、電力電子技術(shù)課 諧波情況諧波情況012 14諧波次數(shù)相對于電源頻率的倍數(shù)圖6-14交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(m =3、n =2)2 4 610051234in/i0m6.2.1 6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路圖6-14的頻譜圖（以控制周期為基準）。in為n次諧波有效值， io為導通時電路電流幅值。以電源周期為基準，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 6.2.2 交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)：把交流電力電子開關(guān)：把晶閘管晶閘管反并聯(lián)

18、后串入交流反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機械開關(guān)，起接通和斷開電路中，代替電路中的機械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。電路的作用。優(yōu)點：響應速度快，沒有觸點，壽命長，可以頻優(yōu)點：響應速度快，沒有觸點，壽命長，可以頻繁控制通斷。繁控制通斷。 與交流調(diào)功電路的區(qū)別與交流調(diào)功電路的區(qū)別 并不控制電路的平均輸出功率。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。制電路的接通和斷開。 控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多?？刂祁l度通常比交流調(diào)功電路低得多。 25電力電子技術(shù)課 晶閘管投切電容晶閘管投切電容（thyristor

19、 switched capacitortsc）圖6-15 tsc基本原理圖a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖6.2.2 6.2.2 交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)作用 對無功功率控制，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)課晶閘管的投切晶閘管的投切選擇晶閘管投入時刻的原則：選擇晶閘管投入時刻的原則：該時刻交流電源電壓和電容該時刻交流電源電壓和電容器預充電電壓相等，這樣電器預充電電壓相等，這樣電容器電壓不會產(chǎn)生躍變，就容器電壓不會產(chǎn)生躍變，就

20、不會產(chǎn)生沖擊電流。不會產(chǎn)生沖擊電流。理想情況下，希望電容器預理想情況下，希望電容器預充電電壓為電源電壓峰值，充電電壓為電源電壓峰值，這時電源電壓的變化率為零，這時電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。電流，電流也沒有階躍變化。12ttttusicucvt1vt2ttuvt1uusicuccvt1vt2vt1圖6-16 tsc理想投切時刻原理說明6.2.2 6.2.2 交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)返回27電力電子技術(shù)課tsctsc電路也可采用晶閘管和電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式二極管反并聯(lián)的方式6.2.2 6.2.2 交流電

21、力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān) 由于二極管的作用，在電路不導通時uc總會維持在電源電壓峰值。 成本稍低，但響應速度稍慢，投切電容器的最大時間滯后為一個周波。12ttttusicucvt1vt2ttuvt1uusicuccvt1vt2vt1圖6-16 tsc理想投切時刻原理說明返回28電力電子技術(shù)課6.3 6.3 交交變頻電路交交變頻電路 返回29電力電子技術(shù)課6.3.1 6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器 晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(cycloconvertor)。u 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把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流

22、電的變流電路，路，屬于直接變頻電路屬于直接變頻電路。u 廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實際使用廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。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) 1) 電路構(gòu)成和基本工作原理電路構(gòu)成和基本工作原理zpn輸出電壓平均輸出電壓圖4-18ououop=0p=2p=2wt圖6-18 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形6.3.1 6.3.1 單相交交變頻器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，和直流電動機可逆調(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

23、31電力電子技術(shù)課 工作原理工作原理p p組工作時，負載電流組工作時，負載電流i io o為為正。n n組工作時，組工作時，i io o為為負。兩組變流器按一定的頻兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得率交替工作，負載就得到該頻率的交流電。到該頻率的交流電。改變兩組變流器的改變兩組變流器的切換頻率，就可改切換頻率，就可改變輸出頻率變輸出頻率w wo o 。改變變流電路的控改變變流電路的控制角制角 ，就可以改變，就可以改變交流輸出電壓的幅交流輸出電壓的幅值。值。zpn輸出電壓平均輸出電壓圖4-18ououop=0p=2p=2wt圖6-18 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形6.3.1 6.3

24、.1 單相交交變頻器單相交交變頻器返回32電力電子技術(shù)課 為使為使u uo o波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對 角進行調(diào)制。角進行調(diào)制。6.3.1 6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器在半個周期內(nèi)讓p組 角按正弦規(guī)律從90減到0或某個值，再增加到90，每個控制間隔內(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。另外半個周期可對n組進行同樣的控制。uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內(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交交變頻電路是一種直接變頻電路直接變頻電路。 和交直交變頻電路比較，優(yōu)點是和交直交變頻電路比較，優(yōu)點是 只用只用一次一次變流，效率較高。變流，效率較高。 可方便地實現(xiàn)可方便地實現(xiàn)四象限四象限工作。工作。