第六章交-交變換電力電子技術

1、第六章交流變換電路第六章交流變換電路 概 述u 交流交流- -交流變流電路交流變流電路一種形式的交流變成另一種形式交流的 電路，可改變相關的電壓、電流、頻率和相數(shù)等交流電力控制電路只改變電壓、電流或控制電路的通斷，不改變頻率 電壓變換電路電壓變換電路 交流調(diào)壓電路相位控制（或斬控式），6.1節(jié) 交流調(diào)功電路及交流無觸點開關通斷控制，6.2節(jié)變頻電路改變頻率，大多不改變相數(shù)，也有改變相數(shù)的 交交變頻電路直接把一種頻率的交流變成另一種頻率或可變頻率的交流，直接變頻電路1.晶閘管交交變頻電路，6.3節(jié)2.矩陣式變頻電路，6.4節(jié) 交直交變頻電路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

2、交流,間接變頻電路，6.1 6.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 交流電力控制電路的結(jié)構及類型交流電力控制電路的結(jié)構及類型 兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，控制晶閘兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，控制晶閘管就可控制交流電力管就可控制交流電力 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路每半個周波控制晶閘管開通相位，每半個周波控制晶閘管開通相位，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值調(diào)節(jié)輸出電壓有效值 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路以交流電周期為單位控制晶閘管以交流電周期為單位控制晶閘管通斷，改變通斷周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率的平均通斷，改變通斷周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率的平均值值 交流電力電子開關交流電力電子開關并不著意調(diào)節(jié)輸出平均功率，

3、并不著意調(diào)節(jié)輸出平均功率，而只是根據(jù)需要接通或斷開電路，而只是根據(jù)需要接通或斷開電路，6.1 6.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路u交流調(diào)壓電路的應用： 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 異步電動機調(diào)速 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)變壓器一次電壓6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路1電阻負載 工作原理： 在 u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角a進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓 正負半周a 起始時刻（a =0）均為電壓過零時刻，穩(wěn)態(tài)時，正負半周的a 相等 負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（

4、也即電源電流）和負載電壓的波形相同RO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt圖6-1電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形0T1， VT1，VT截止，輸出電壓為截止，輸出電壓為0；T1T2（），）， VT1通，通，VT2止，止，U0=U1；T2T3， VT1，VT2止，輸出電壓為止，輸出電壓為0；T3T4（2） VT2通，輸出電壓通，輸出電壓U0=U1；2主要數(shù)量關系輸出電壓分段表達式主要數(shù)量關系輸出電壓分段表達式RO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路u數(shù)量關系數(shù)量關系 A 輸出負載電壓有

5、效值(6-1) B 負載電流有效值 (6-2) C 晶閘管電流有效值(6-3) aaa=2sin21dsin21121oUttUURUIoo=)22sin1 (21sin221121aaa=RUtdRtUITRO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt圖6-1電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路D 線路入端功率因數(shù) (6-4)輸出電壓與輸出電壓與a a的關系的關系:n 移相范圍為0 a 。 a =0時，輸出電壓為最大， Uo=U1。 隨a的增大，Uo降低; a =時， Uo =0。與與a a的關系：的關系： n a =

6、0時，功率因數(shù)=1，即輸出電壓為完整正弦波 a =/2時， =0.707 a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低E 晶閘管最大正反向電壓為晶閘管最大正反向電壓為 12Uaa=2sin211oo1ooUUIUIUSP6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路2阻感負載阻感負載u 阻感負載時阻感負載時a a的移相范圍的移相范圍 負載阻抗角：j = arctan(L / R) 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j 在用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后，而無法使其超前 a =0時刻仍定為u1過零的時刻，a的移相范圍應為j a 圖6-2 阻感負載單

7、相交流調(diào)壓電路及其波形RL0.6圖4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路u阻感負載時的工作過程分析阻感負載時的工作過程分析在t = a時刻開通VT1，負載電流滿足 (6-5)解方程得(6-6)式中 ,為晶閘管導通角利用邊界條件：t = a +時io =0,可求得： (6-7) VT2導通時，上述關系完同，只是io極性相反，相位差1800201006014018020100圖4-360 /( )180140a /( )j = 9075604530150圖6-3 單相交流調(diào)壓電路以a為參變量的和a關系曲線0

8、sin2ddo1oo=atitURitiLaajajja=tetZUittg1o)sin()sin(222)( LRZ=jjajatg)sin()sin(=e 數(shù)量關系A 輸出電壓有效值輸出電壓有效值 (6-8)式中式中為晶閘管一周期內(nèi)導通角，它和為晶閘管一周期內(nèi)導通角，它和，a之間關系見之間關系見上頁公式上頁公式 B 晶閘管電流有效值晶閘管電流有效值 (6-9)22sin(2sin1)()sin2(1121oaaaa=UtdtUU6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路jjacos)2cos(sin21=ZU=aajajaj)d()sin()sin(2212tg1VTtetZ

9、UItC 輸出電流有效值輸出電流有效值 (6-10) IVT的標么值 (6-11)To2II =1TTN2UZII=圖6-4 單相交流調(diào)壓電路a為參變量時IVTN和a關系曲線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4 -4j = 900.10.20.30.40.516075 6045j = 0a /( )IVTND. 晶閘管最大正反向電壓晶閘管最大正反向電壓: U1U1 相控式交流調(diào)壓電路在實際電路相控式交流調(diào)壓電路在實際電路中，中，VT1和和VT2合二為一，用一合二為一，用一只雙向晶閘管完成。只雙向晶閘管完成。(如如BT139, Z0405 ) 阻

10、感負載時 a的移相范圍應為j a ，下面討論a j 情況RL0.6圖4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt26.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路na j 時的工作情況 VT1提前通，L被過充電，放電時間延長， VT1的導通角超過 觸發(fā)VT2時， io尚未過零， VT1仍導通， VT2不通 io過零后， VT2開通， VT2導通角小于 方程式(6-5)和(6-6)所得io表達式仍適用，只是at 過渡過程和帶R-L負載的單相交流電路在t =a (a j)時合閘的過渡過程相同 io由兩個分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量RL0.6

11、圖4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtttttt圖4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2 衰減過程中， VT1導通時間漸短， VT2的導通時間漸長 穩(wěn)態(tài)的工作情況和a =j時完全相同tttt圖4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2圖6-5 aj時阻感負載交流調(diào)壓電路工作波形6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路3單相交流調(diào)壓電路的諧波分析單相交流調(diào)壓電路的諧波分析 電阻負載的情況 波形正負半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波 (6-12) 式中 =, 5 , 3 , 1o)sincos()(nnn

12、tnbtnatu) 12(cos2211=aUa)(22sin2211aa=Ub6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路 (n=3,5,7,) (n=3,5,7,) 基波和各次諧波有效值 (n=1,3,5,7,) (6-13) 負載電流基波和各次諧波有效值 (6-14) 電流基波和各次諧波標么值隨 a變化的曲線（基準電流為a =0時的有效值）如圖6-6所示=1) 1cos(111) 1cos(1121aannnnUan=aa) 1sin(11) 1sin(1121nnnnUbn22on21nnbaU=RUI/onon=060120180圖4-6基波3次5次7次觸發(fā)延遲角a/(

13、)In/I*/%20406080100圖6-6 電阻負載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量6.1.1 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a 角相同時，隨著阻抗角j 的增大，諧波含量有所減少6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路6.1.1 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路 4斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路一般采用全控型器件作為開關器件RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD

14、36.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路特性 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，只含和開關周期T有關的高次諧波 功率因數(shù)接近1RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3圖6-7 斬控式交流調(diào)壓電路u1i1O圖4-8uoOOttt圖6-8 電阻負載斬控式交流調(diào)壓電路波形工作原理工作原理基本原理和直流斬波電路有類似之處基本原理和直流斬波電路有類似之處u1正半周，用正半周，用V1進行斬波控制，進行斬波控制，V3提供續(xù)流通道提供續(xù)流通道u1負半周，用負半周，用V2進行斬波控制，進行斬波控制，V4提供續(xù)流通道提供續(xù)流通道設斬波器件（設斬

15、波器件（V1或或V2）導通時間為導通時間為ton，開關周期為開關周期為T，則導通比則導通比a a = ton/T，改變改變a a 可調(diào)節(jié)輸出電壓可調(diào)節(jié)輸出電壓 斬波電路必須由二只全控器件完成（如斬波電路必須由二只全控器件完成（如IGBTIGBT，MOSFETMOSFET，GTRGTR）, ,通過改變加在主控開關通過改變加在主控開關VTVT上的觸發(fā)脈上的觸發(fā)脈沖占空比沖占空比=t=tonon/T,/T,來達到改變變壓輸出的目的。來達到改變變壓輸出的目的。 由于由于i io o電流等于電流等于i i1 1的電流的電流, ,故輸入電流故輸入電流I Ii i基波分量和基波分量和電壓同相位的，即位移因數(shù)

16、電壓同相位的，即位移因數(shù)coscos=1.=1. 通過傅里葉分析可知，電源電流中主要是高次諧波，通過傅里葉分析可知，電源電流中主要是高次諧波，故通在入端加一大小適當?shù)臑V波器，即可濾除高次諧故通在入端加一大小適當?shù)臑V波器，即可濾除高次諧波，這時線路功率因數(shù)接近波，這時線路功率因數(shù)接近1 1。6.2.1 6.2.1 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)壓電路具有多種形式n負載acn負載abca)b)負載abcc)負載bd) 圖4-9abcuaubuciaUa0nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2 圖6-9 三相交流

17、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)6.2.1 6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 與交流調(diào)壓電路的異同與交流調(diào)壓電路的異同 電路形式完全相同 控制方式不同：將負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)負載所消耗的平均功率 應用應用 常用于電爐的溫度控制 因其直接調(diào)節(jié)對象是電路的平均輸出功率，所以稱為交流調(diào)功電路6.2.1 6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 控制對象時間常數(shù)很大，以周波數(shù)為單位控制即可 通常晶閘管導通時刻為電源電壓過零的時刻，負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

18、電阻負載時的工作情況電阻負載時的工作情況 控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導通，后MN個周期關斷6.2.1 6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 當M=3、N=2時的電路波形如圖6-11 負載電壓和負載電流（即電源電流）的重復周期為M倍電源周期M電源周期控制周期=M倍電源周期=24M圖4-13O導通段=2NM3M2Muou1uo,iotU12圖6-11 交流調(diào)功電路典型波形(M =3、N =2)6.2.1 6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 諧波情況 圖6-12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

19、波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波 在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大012 14諧波次數(shù)相對于電源頻率的次數(shù)圖4-142461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m圖6-12 交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M =3、N =2)6.2.2 6.2.2 交流電力電子開關交流電力電子開關 晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路 作用：代替機械開關，接通和斷開電路 優(yōu)點：響應速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷 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)功電路低得多6.2.2 6.2.2 交流電力電子

20、開關交流電力電子開關 晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器（Thyristor Switched CapacitorTSC） 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)于機械開關投切的電容器 結(jié)構和原理結(jié)構和原理 圖基本原理圖（單相） 實際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)IU抑制沖擊電流的小電感a)圖4-15b)圖 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 交流電力電子開關交流電力電子開關 兩個反并聯(lián)的晶閘管起著把C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用（圖a） 串聯(lián)電感很小，用來抑制電容器投入電網(wǎng)時的沖擊電流 實際工程中，為避免電容器組

21、投切造成較大沖擊，一般把電容器分成幾組（圖b），可根據(jù)電網(wǎng)對無功的需求而改變投入電容器的容量 TSC實際上為斷續(xù)可調(diào)的動態(tài)無功功率補償器IU抑制沖擊電流的小電感a)圖4-15b)圖 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 交流電力電子開關交流電力電子開關 晶閘管投切 選擇晶閘管投入時刻的原則：該時刻交流電源電壓和電容器預充電電壓相等，這樣電容器電壓不會產(chǎn)生躍變，就不會產(chǎn)生沖擊電流 理想情況下，希望電容器預充電電壓為電源電壓峰值，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流，電流也沒有階躍變化圖4-16usiCuCCVT1VT2ttttusiCuCVT1VT2t1t2uVT1uVT1TSC理想投切時刻原理說明(顯示放大圖）6.2.2 6.2.2 交流電力電子開關交流電力電子開關 TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式 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圖4-17ttttusiCuVTuCCVTVDusiCuVTuCVTVDt1t2t3t4晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC6.3 6.3 交交變頻電路交交變頻電路( (簡介簡介) ) 本節(jié)講述：晶閘管交交