第6章 交流交流變流電路-z

1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 第第六六章章 交流交流變流電路交流交流變流電路電力電子技術(shù)什么是交流調(diào)壓電路？ 一種形式的交流電 另外一種形式交流電 電壓電壓、頻率、相數(shù) 哪些方式可以實現(xiàn)交流調(diào)壓？ 變壓器：6KV - 380V ；220V 24V 自耦調(diào)壓器：優(yōu)點：輸出連續(xù)可調(diào)正弦波缺點：體積大，重，機械式調(diào)節(jié)，不易自動調(diào)節(jié)利用電力電子電路電力電子電路實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)電力電子技術(shù) 本章主要講述 交流交流-交流變流電路交流變流電路 把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路變頻電路改變頻率改變頻率的電路 交交變頻 直接 交直交變頻 間接交流電力控制電路只改變電壓,電流或控制電路的通斷,而不改不改變頻率變頻

2、率的電路。交流調(diào)壓電路 相位控制交流調(diào)功電路 通斷控制電力電子技術(shù) 應(yīng)用應(yīng)用 1 燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制)。 2 異步電動機軟起動。 3 異步電動機調(diào)速。 4 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 5 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。電力電子技術(shù)整流電路：AC DC調(diào)節(jié) Ud晶閘管 正半周電力電子技術(shù)交流調(diào)壓電路：AC AC調(diào)節(jié) Uo雙向晶閘管電力電子技術(shù)本章教學(xué)目的和要求本章教學(xué)目的和要求知識點：1. 雙向晶閘管2. 晶閘管交流開關(guān)3. 單相和三相交流調(diào)壓電路器件 開關(guān)電路 應(yīng)用電力電子技術(shù)本節(jié)主要內(nèi)容一、雙向晶閘管 1. 結(jié)構(gòu)與特性了解2. 觸發(fā)方式掌

3、握3. 主要參數(shù)掌握、計算與普通晶閘管的等效關(guān)系4. 晶閘管交流開關(guān)了解固態(tài)繼電器電力電子技術(shù)第一節(jié) 交流開關(guān)及應(yīng)用雙向晶閘管雙向晶閘管Bidirectional Thyristor雙向晶閘管的外形 等效電路及圖形符號 小電流小電流塑封式塑封式螺栓式螺栓式平板平板式式一對反并聯(lián)晶閘管一對反并聯(lián)晶閘管兩個陽極：第一陽兩個陽極：第一陽極極T1和第二陽極和第二陽極T2一個門極一個門極GA AK KG電力電子技術(shù)二、雙向晶閘管的觸發(fā)方式二、雙向晶閘管的觸發(fā)方式雙向晶閘管正反兩個方向都能夠?qū)?，門極加正、負信號都能夠觸發(fā)，所以有4種觸發(fā)方式。1.I觸發(fā)方式：第一象限，觸發(fā)方式：第一象限，T1為正，為正，

4、T2為負；為負；門極電壓是門極電壓是G為正，為正，T2為負；正觸發(fā)；為負；正觸發(fā)；2.I觸發(fā)方式：第一象限，T1為正，T2為負；門極電壓是G為負，T2為正；負觸發(fā)；3.III觸發(fā)方式：第三象限，T1為負，T2為正；門極電壓是G為正，T2為負；正觸發(fā)；4.III觸發(fā)方式：第三象限，觸發(fā)方式：第三象限，T1為負，為負，T2為正；為正；門極電壓是門極電壓是G為負，為負，T2為正；負觸發(fā)；為正；負觸發(fā)；觸發(fā)方式特性參考表1-6 第三種觸發(fā)方式靈敏度最低，盡量不用。思考題:雙向晶閘管有哪幾種觸發(fā)方式？一般選用哪幾種？ 一 雙向晶閘管電力電子技術(shù)思考：左側(cè)電路中器件損壞，需要用雙向晶閘管來替換，如何選型？

5、Kp100-8?-?電力電子技術(shù)雙向晶閘管的型號規(guī)格型號規(guī)格定義K S - 其中 K： 閘流特性 S： 雙向型雙向型 ：額定電流，有效值額定電流，有效值 ：額定電壓 例如：型號KS1008 雙向晶閘管額定電流100A額定電壓800V一 雙向晶閘管晶閘管的型號規(guī)格型號規(guī)格定義K P - 其中 K：閘流特性 P ：普通反向阻斷型：普通反向阻斷型 ：額定電流，平均值額定電流，平均值 ：額定電壓 電力電子技術(shù)普通晶閘管 IT(AV)雙向晶閘管 IT(RMS) 雙向晶閘管通常用在交流電路交流電路中，因此不用平均值而用有用有效值效值來表示其額定電流值。電力電子技術(shù)普通晶閘管 KP100-8雙向晶閘管 KS

6、100-8額定電流 100AId100AI2100 A01sin()2mpdmpIIItdt22msII電流波形正半周面積相等（最大值相等），即可等效代換。 Imp314 A2314314/2222msmpIIAIAKS300-8雙向晶閘管參數(shù)電力電子技術(shù)思考題： 推導(dǎo)普通晶閘管與雙向晶閘管額定電流之間的等效關(guān)系。 Id IT(AV) I2 IT(RMS) ()()0.45AT RMSIITV一 雙向晶閘管電力電子技術(shù)100A的雙向晶閘管和 A的兩個反并聯(lián)晶閘管容量等效。雙向晶閘管額定電流100A晶閘管額定電流45A一 雙向晶閘管()()0.45AT RMSIITV電力電子技術(shù)雙向晶閘管，有什

7、么用處？二 交流開關(guān)晶閘管交流開關(guān)，與普通機械式、有觸電開關(guān)相比，有哪些優(yōu)點？電力電子技術(shù)二 交流開關(guān)1.基本交流開關(guān)電路 Q的閉合、打開 主電路主電路的導(dǎo)通與關(guān)斷 觸發(fā)電路Q 打開時： VT無觸發(fā)信號，不導(dǎo)通Q 閉合時： ui 正半周 I , VT導(dǎo)通 ui 負半周 , VT導(dǎo)通電力電子技術(shù)二 交流開關(guān)2.固態(tài)開關(guān)固態(tài)開關(guān)固態(tài)開關(guān)也稱固態(tài)繼電器或固態(tài)接觸器(Solid State Switch /Relay /Contactor)，是以雙向晶閘管為基礎(chǔ)構(gòu)成的無觸點無觸點通斷組件?；窘涣鏖_關(guān)電路中，用光耦代替開關(guān)Q，同時起光電隔離作用。 1、2為輸入端，相當(dāng)于繼電器或接觸器的線圈； 3、4為

8、輸出端，相當(dāng)于繼電器或接觸器的一對觸點，與負載串聯(lián)后接到交流電源上。10mA電力電子技術(shù)二 交流開關(guān)固體繼電器的主要優(yōu)點固體繼電器的主要優(yōu)點是：弱信號對強電的控制。（1）無運動零部件，無機械磨損，無動作噪聲，無機械故障，可靠性高； （2）無燃弧觸點，無觸點間的火花、電弧，無觸點抖動和磨損，對外干擾??； （3） 開關(guān)速度迅速，動作時間可達10-3S以下； （4）靈敏度高，控制功率小，能很好地與TTL、CMOS電路兼容； （5） 抗沖擊振動性能優(yōu)良，容易實現(xiàn)“零”壓切換； （6） 一般用絕緣材料灌封成全封閉整體，所以具有良好的防潮、防霉、防腐性能，防爆性能也極佳； （7） 半導(dǎo)體器件作為開關(guān)工作，

9、壽命長； （8） 易實現(xiàn)附加功能。 電力電子技術(shù)二 交流開關(guān)固態(tài)繼電器的缺點（1）導(dǎo)通后的管壓降大，正向降壓可達12V。（2）關(guān)斷后仍可有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流，不能實現(xiàn)理想的電隔離。（3）由于管壓降大，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠遠大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。（4）固態(tài)繼電器對過載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器進行過載保護。電力電子技術(shù)1.2 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相同點 電路形式完全相同完全相同不同點不同點 控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,

10、在斷開幾個周期,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。電力電子技術(shù) 電阻負載時的工作情況2NM電源周期控制周期=M倍電源周期=24MO導(dǎo)通段=M3M2Muou1uo,iotU12圖6-2 交流調(diào)功電路典型波形(M =3、N =2)圖41電阻負載單相交流調(diào)壓電路1.2 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(dǎo)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(fù)周期為M倍電源周期。電力電子技術(shù)二 交流開關(guān)3.交流調(diào)功電路利用交流開關(guān)，按照一定規(guī)律控制電路開通與關(guān)斷，可以實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)；這種裝置稱為調(diào)功器調(diào)功器或周波控制器。功率調(diào)節(jié)原理：在設(shè)定周期Tc內(nèi)，將電路接通

11、幾個周波T，然后斷開幾個周波，通過改變晶閘管交流開關(guān)在設(shè)定周期內(nèi)通斷時間的比例，達到調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)負載兩端交流電壓有效值電壓有效值即負載功率的目的。 圖6-7 輸出電壓波形電力電子技術(shù)如在設(shè)定周期Tc內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)為n，每個周波的周期為T（50Hz，T20ms），則調(diào)功器的輸出功率和輸出電壓有效值：Pn、Un為在設(shè)定周期Tc內(nèi) 晶閘管全導(dǎo)通時調(diào)功器輸出的功率與電壓有效值。改變導(dǎo)通的周波數(shù)n就可改變輸出電壓或功率?？刂品绞?有全周波連續(xù)式全周波連續(xù)式和全周波斷續(xù)式全周波斷續(xù)式兩種，如圖6-7所示。nCPTnTP nCUTnTU 電力電子技術(shù)雙向晶閘管 交流電路開關(guān)如何實現(xiàn)調(diào)壓？關(guān)鍵在于控制雙向晶閘管的

12、導(dǎo)通時刻通過改變控制角 實現(xiàn)調(diào)壓觸發(fā)電路電力電子技術(shù)基本觸發(fā)電路工作原理 主電路：U2，負載RL，VT 觸發(fā)電路：可調(diào)電阻RP，電容C1，觸發(fā)二極管VD雙向晶閘管VT阻斷時，電容C1經(jīng)過RP充電當(dāng)uc1達到一定值時，觸發(fā)二極管擊穿導(dǎo)通雙向晶閘管VT也觸發(fā)導(dǎo)通；改變RP值即可改變控制角。反向工作情況類似。屬I+、-觸發(fā)。三 交流調(diào)壓電路電力電子技術(shù)調(diào)速電路應(yīng)用：電風(fēng)扇無級調(diào)速觸發(fā)電路主電路保護電路負載電力電子技術(shù)思考題：應(yīng)用本節(jié)知識，采用交流開關(guān)，設(shè)計一個直流電動機的調(diào)速電路。 參考圖 電力電子技術(shù)Ou1uoiouVTtOtOtOt第二節(jié) 單相交流調(diào)壓電路1) 電阻負載圖6-3 電阻負載單相交流

13、調(diào)壓電路及其波形 輸出電壓與輸出電壓與 的關(guān)系的關(guān)系: : 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 的關(guān)系的關(guān)系: : a =0時，功率因數(shù)=1，a 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低。電力電子技術(shù) 電阻負載上交流電壓有效值為改變角即可調(diào)節(jié)負載兩端的輸出電壓有效值，達到交流調(diào)壓的目的。電流有效值和電路功率因數(shù)為aaa2sin21)()sin2(1222UtdtUURaa2sin212RURUIRaa2sin21cos2IUIUSPR電力電子技術(shù)電路的移相范圍為0。由雙向晶閘管組成的電路，只要在正負半周對

14、稱的相應(yīng)時刻（、 ）給觸發(fā)脈沖，則和反并聯(lián)電路一樣可得到同樣的可調(diào)交流電壓。交流調(diào)壓電路的觸發(fā)電路完全可以套用整流移相觸發(fā)電路，但是脈沖的輸出必須通過脈沖變壓器，其兩個二次線圈之間要有足夠的絕緣。 電力電子技術(shù)2.電感性負載電感性負載 圖616所示為電感性負載的交流調(diào)壓電路。由于電感的作用，在電源電壓由正向負過零時，負載中電流要滯后一定角度才能到零，即管子要繼續(xù)導(dǎo)通到電源電壓的負半周才能關(guān)斷。負載阻抗角： = arctan(L / R)晶閘管的導(dǎo)通角不僅與控制角有關(guān)，而且與負載的功率因數(shù)角 有關(guān)。控制角越小則導(dǎo)通角越大，負載的功率因數(shù)角 越大，表明負載感抗大，自感電動勢使電流過零的時間越長，因

15、而導(dǎo)通角越大。圖616 單相交流調(diào)壓電感負載電路圖電力電子技術(shù)下面分三種情況加以討論。（1） 由圖616(b)可見，當(dāng) 時，180，即正負半周電流斷續(xù)，且越大，越小?？梢姡?在 180范圍內(nèi)，交流電壓連續(xù)可調(diào)。電流電壓波形如圖616(b)所示。 電力電子技術(shù)（2） = 由圖618可知，當(dāng)= 時，=180，即正負半周電流臨界連續(xù)。相當(dāng)于晶閘管失去控制，電流電壓波形如圖所示。電力電子技術(shù)（3） 180。如果觸發(fā)脈沖為窄脈沖，當(dāng)ug2出現(xiàn)時，VT1管的電流還未到零，VT1管關(guān)不斷，VT2管不能導(dǎo)通。當(dāng)VT1管電流到零關(guān)斷時，ug2脈沖已消失，此時VT2管雖已受正壓，但也無法導(dǎo)通。到第三個半波時，ug

16、1 又觸發(fā)VT1導(dǎo)通。這樣負載電流只有正半波部分，出現(xiàn)很大直流分量，電路不能正常工作。因而電感性負載時，晶閘管不能用窄脈沖觸發(fā)，可采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。電力電子技術(shù) 綜上所述，單相交流調(diào)壓有如下特點： 電阻負載時，負載電流波形與單相橋式可控整流交流側(cè)電流一致。改變控制角可以連續(xù)改變負載電壓有效值，達到交流調(diào)壓的目的。 電感性負載時，不能用窄脈沖觸發(fā)。否則當(dāng) (b) = (c) 電力電子技術(shù)本節(jié)主要內(nèi)容四、斬控式交流調(diào)壓電路(交流斬波調(diào)壓電路) 1. 交流斬波調(diào)壓原理2. 交流斬波控制電力電子技術(shù)四 斬控式交流調(diào)壓電路一、交流斬波調(diào)壓原理如圖所示，利用S1交流開關(guān)的斬波作用，在負載上獲得可調(diào)的

17、交流電壓u。電壓波形如圖b所示。S2為續(xù)流器件，為負載提供續(xù)流回路。輸出電壓可表示為：u=Gu2=GU2msinwt其中當(dāng)S1閉合，S2打開時G1 當(dāng)S1打開，S2閉合時G0所以G的波形為一脈沖序列。電力電子技術(shù)四 斬控式交流調(diào)壓電路RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3一般采用全控型器件作為開關(guān)器件工作原理工作原理調(diào)壓方式 電力電子技術(shù)工作原理工作原理在交流電源u1的正半周RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路用V1進行斬波控制用V3給負載電流提供續(xù)流通道四 斬控式交流調(diào)壓電路電力電子技術(shù)RL圖4-7u1i1uo

18、V1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V2進行斬波控制用V4給負載電流提供續(xù)流通道圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的負半周四 斬控式交流調(diào)壓電路工作原理工作原理電力電子技術(shù)四 斬控式交流調(diào)壓電路調(diào)壓方式調(diào)壓方式 改變斬波器件的導(dǎo)通比設(shè)斬波器件（V1或V2）導(dǎo)通時間為ton，開關(guān)周期為T，則導(dǎo)通比a = ton/T，改變a 可調(diào)節(jié)輸出電壓 改變斬波周期T 改變脈沖寬度，比較容易實現(xiàn)RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3u1i1O圖4-8uoOOttt圖6-11 斬控式交流調(diào)壓電路及輸出波形（阻性）電力電子技術(shù) 特性（特性（電阻負載） 電源電流的基波分量和電

19、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。RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3u1i1O圖4-8uoOOttt圖6-11 斬控式交流調(diào)壓電路及輸出波形（阻性）四 斬控式交流調(diào)壓電路電力電子技術(shù)特性（阻感特性（阻感負載）負載電流滯后電壓，波形如圖：正半周：V1：斬波，V4：關(guān)斷，V2、V3：導(dǎo)通；負半周： V2：斬波，V3：關(guān)斷，V1、V4：導(dǎo)通；在0t1期間，負載電流i0，此時工作情況與直流斬波類似，V1斬波，V3續(xù)流。負半周工作情況類似RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3電力電子

20、技術(shù)斬波調(diào)壓與相控調(diào)壓對比 相控調(diào)壓輸出電壓諧波分量較大； 相控調(diào)壓控制角大時，功率因數(shù)低； 相控調(diào)壓電源側(cè)電流諧波分量高；對于斬波控制，在一定的導(dǎo)通比下，斬波頻率越高，感性負載的畸變越小，波形越接近正弦波，電路的功率因數(shù)也越高。但開關(guān)器件頻率增加，損耗增加。電力電子技術(shù)第四節(jié)第四節(jié) 交交-交變頻電路交變頻電路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路，屬于直接變頻電路直接變頻電路。u 廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)。電力電子技術(shù)1) 電路構(gòu)成和基本工作原理ZPN輸出電壓平均輸出電壓圖4-18OuouoaP=0a

21、P=2aP=2t圖6-15 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形4.1 單相交交變頻器電路構(gòu)成如圖6-15，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。電力電子技術(shù)工作原理P組工作時，負載電流io為正正。N組工作時，io為負負。兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出電的頻率o 。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。ZPN輸出電壓平均輸出電壓圖4-18OuouoaP=0aP=2aP=2t4.1 單相交交變頻器圖6-15 單相交交變頻電路原理圖和輸出電

22、壓波形電力電子技術(shù)為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對 a 角進行調(diào)制。4.1 單相交交變頻器在半個周期內(nèi)讓P組 a 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。ZPN輸出電壓平均輸出電壓圖4-18OuouoaP=0aP=2aP=2t電力電子技術(shù) 2) 整流與逆變工作狀態(tài)a)整流 逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoi

23、PiNuPuNuoioiNiP圖6-16 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4.1 單相交交變頻器阻感負載為例，也適用于交流電動機負載。把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時uo的脈動分量，就可把電路等效成圖6-16a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。電力電子技術(shù)設(shè)負載阻抗角為 ，則輸出電流滯后輸出電壓 角。兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式，即一組變流電路工作時，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。a)整流 逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP圖6-16 理想化交交變頻電路的整流和逆變

24、工作狀態(tài)4.1 單相交交變頻器電力電子技術(shù)工作狀態(tài)圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)a)整流 逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP圖6-16 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4.1 單相交交變頻器t1t3期間：io正半周，正組工作，反組被封鎖。t1 t2： uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正。t2 t3 ： uo反向， io仍為正，正組逆變，輸出功率為負。電力電子技術(shù)t3 t5期間： io負半周，反組工作，正組被封鎖。t3 t4 ：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正。t4 t5 ：uo反向，io仍為負，反組逆變，輸出功率為負。a)整流 逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP圖6-16 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4.1 單相交交變頻器小結(jié)小結(jié)：哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關(guān)。工作在整流還是逆變，則根據(jù)uo方向與io方向是否相同確定。電力電子技術(shù) 當(dāng)uo和io的相位差小