第6章交交變換2016

第6章交流-交流變流電路

1

6.1交流-交流變流電路概述6.2交流調(diào)壓電路6.3其他交流電力控制電路6.4交交變頻電路

第6章交流-交流變流電路26.1交流-交流變流電路概述■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。包括電壓、電流、頻率、相數(shù)等?！鼋涣?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?！鲋苯臃绞?/p>

◆交流電力控制電路：只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M行控制，而不改變頻率的電路?！糇冾l電路：改變頻率的電路。3■交流電力控制電路的結(jié)構(gòu)及類型◆兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，控制晶閘管就可控制交流電力◆交流調(diào)壓電路——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◆交流調(diào)功電路——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)輸出功率的平均值◆交流電力電子開關(guān)——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，6.2交流調(diào)壓電路46.2交流調(diào)壓電路■交流調(diào)壓電路的應(yīng)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56.2.1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（也即電源電流）和負載電壓的波形相同圖6-1電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形6圖6-2電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形6.2.1單相交流調(diào)壓電路?負載電壓有效值Uo

?負載電流有效值Io

?晶閘管電流有效值IT

?功率因數(shù)◆的移相范圍為0≤≤，隨著的增大，Uo逐漸降低，逐漸降低。

7

6.2.1單相交流調(diào)壓電路輸出電壓與a的關(guān)系:移相范圍為0≤a≤π。a=0時，輸出電壓為最大，Uo=U1。隨a的增大，Uo降低，a=π時，Uo=0。λ與a的關(guān)系：a=0時，功率因數(shù)λ=1，a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，λ降低8

2．阻感負載

阻感負載時a的移相范圍負載阻抗角：j=arctan(wL

/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(yīng)為j≤a≤π圖6-3阻感負載單相交流調(diào)壓電路及其波形6.2.1單相交流調(diào)壓電路96.2.1單相交流調(diào)壓電路在ωt=a時刻開通VT1，負載電流滿足解方程得θ為晶閘管導(dǎo)通角VT2導(dǎo)通時，上述關(guān)系完同，只是io極性相反，相位差180°圖6-4單相交流調(diào)壓電路以為參變量的θ和a關(guān)系曲線10負載電流有效值

IVT的標么值圖6-5單相交流調(diào)壓電路為參變量時IVTN和a關(guān)系曲線6.2.1單相交流調(diào)壓電路11數(shù)量關(guān)系 負載電壓有效值

晶閘管電流有效值

6.2.1單相交流調(diào)壓電路12a<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(dǎo)通角超過π觸發(fā)VT2時，io尚未過零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不通io過零后，VT2開通，VT2導(dǎo)通角小于π方程式(4-5)和(4-6)所得io表達式仍適用，只是a≤ωt<∞過渡過程和帶R-L負載的單相交流電路在ωt=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6.2.1單相交流調(diào)壓電路13衰減過程中，VT1導(dǎo)通時間漸短，VT2的導(dǎo)通時間漸長穩(wěn)態(tài)的工作情況和a=j時完全相同圖6-6a<j時阻感負載交流調(diào)壓電路工作波形6.2.1單相交流調(diào)壓電路146.2.1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，負載為電阻電感，其中R=8W，XL=6W。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：

因此開通角的變化范圍為：

即①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

156.2.1單相交流調(diào)壓電路功率因數(shù)為實際上，此時的功率因數(shù)也就是負載阻抗角的余弦。②時，先計算晶閘管的導(dǎo)通角，由式（6-7）得

解上式可得晶閘管導(dǎo)通角為：166.2.1單相交流調(diào)壓電路173．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

式中

6.2.1單相交流調(diào)壓電路18 (n=3,5,7,…) (n=3,5,7,…)基波和各次諧波有效值 (n=1,3,5,7,…)(4-13)負載電流基波和各次諧波有效值 (4-14)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4-6所示圖6-7電阻負載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量6.2.1單相交流調(diào)壓電路196.2.1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a角相同時，隨著阻抗角j的增大，諧波含量有所減少206.2.1單相交流調(diào)壓電路4．斬控式交流調(diào)壓電路 一般采用全控型器件作為開關(guān)器件工作原理基本原理和直流斬波電路有類似之處u1正半周，用V1進行斬波控制，V3提供續(xù)流通道u1負半周，用V2進行斬波控制，V4提供續(xù)流通道設(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216.2.1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(guān)周期T有關(guān)的高次諧波功率因數(shù)接近1圖6-8斬控式交流調(diào)壓電路圖6-9電阻負載斬控式交流調(diào)壓電路波形221.了解三相交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)2.了解輸出電壓的組成：根據(jù)不同觸發(fā)延遲角形成的不同相電壓和1/2的線電壓組成的分段電壓6.2.2三相交流調(diào)壓電路236.3其他交流電力控制電路以交流電源周波數(shù)為控制單位——交流調(diào)功電路對電路通斷進行控制——交流電力電子開關(guān)24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(yīng)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6.3交流調(diào)功電路25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(dǎo)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(dǎo)通，后M－N個周期關(guān)斷6.3交流調(diào)功電路26當M=3、N=2時的電路波形如圖6-10負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期圖6-10交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)6.3交流調(diào)功電路276.3交流調(diào)功電路諧波情況圖6-11的頻譜圖（以控制周期為基準）。In為n次諧波有效值，Io為導(dǎo)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圖6-11交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)286.3交流電力電子開關(guān)晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路作用：代替機械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用優(yōu)點：響應(yīng)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29晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）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)和原理圖6-12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)圖6-12TSC基本原理圖a)基本單元單相簡圖b)分組投切單相簡圖6.3.2交流電力電子開關(guān)30兩個反并聯(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，為避免電容器組投切造成較大沖擊，一般把電容器分成幾組，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)無功功率補償器圖6-13TSC基本原理圖基本單元單相簡圖分組投切單相簡圖6.3.2交流電力電子開關(guān)316.3.2交流電力電子開關(guān)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(yù)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(yù)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6-14TSC理想投切時刻原理說明326.3.2交流電力電子開關(guān)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(dǎo)通時uC總會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間滯后為一個周波圖6-15晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC336.4交交變頻電路本節(jié)講述：晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)交交變頻電路——把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，屬于直接變頻電路廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實用的主要是三相輸出交交變頻電路341．電路構(gòu)成和基本工作原理電路構(gòu)成如圖4-18，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都是相控整流電路圖6-16單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形6.4交交變頻電路35工作原理P組工作時，負載電流io為正N組工作時，io為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6.4交交變頻電路36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6.4交交變頻電路372．整流與逆變工作狀態(tài)阻感負載為例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，就可把電路等效成正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)設(shè)負載阻抗角為j，則輸出電流滯后輸出電壓j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6.4交交變頻電路38圖6-17理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)

工作狀態(tài)

t1~t3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6.4交交變頻電路39

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方向是否相同確定工作狀態(tài)圖6-18理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)6.4交交變頻電路40圖6-19單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時間，一周期可分為6段第1段io<0，uo>0，反組逆變第2段電流過零，為無環(huán)流死區(qū)第3段io>0，uo>0，正組整流6.4交交變頻電路41第4段io>0，uo<0，正組逆變第5段又是無環(huán)流死區(qū)第6段io<0，uo<0，為反組整流uo和io的相位差小于90°時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負載提供能量的平均值為正，電動機工作在電動狀態(tài)當二者相位差大于90°時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負載提供能量的平均值為負，電網(wǎng)吸收能量，電動機為發(fā)電狀態(tài)6.4交交變頻電路423．輸出正弦波電壓的調(diào)制方法

介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點法設(shè)Ud0為a=0時整流電路的理想空載電壓，則有 每次控制時a角不同，uo表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值期望的正弦波輸出電壓為

比較式(4-15)和(4-16)，應(yīng)使

g稱為輸出電壓比：6.4交交變頻電路43余弦交點法基本公式 (4-18)余弦交點法圖解線電壓uab、uac、ubc、uba、uca和ucb依次用u1~u6表示相鄰兩個線電壓的交點對應(yīng)于a=0圖6-20余弦交點法原理6.4交交變頻電路44u1~u6所對應(yīng)的同步信號分別用us1~us6表示us1~us6比相應(yīng)的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相應(yīng)線電壓a=0的時刻對應(yīng)以a=0為零時刻，則us1~us6為余弦信號希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發(fā)時刻由相應(yīng)的同步電壓us1~us6的下降段和uo的交點來決定圖6-21余弦交點法原理6.4交交變頻電路45不同g

時，在uo一周期內(nèi)，a隨wot變化的情況。圖中，g較小，即輸出電壓較低時，a只在離90°很近的范圍內(nèi)變化，電路的輸入功率因數(shù)非常低圖6-22不同g時a和wot的關(guān)系6.4交交變頻電路464．輸入輸出特性1)輸出上限頻率輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴重電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系而言，很難確定一個明確的界限當采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3~1/2。電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz6.4交交變頻電路472)輸入功率因數(shù)輸入電流相位滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率一周期內(nèi)，a角以90°為中