第六章 AC-AC變換器

楊淑英合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院電力電子技術(shù)PowerElectronicTechnology第6章AC－AC變換器

1234概述

交流調(diào)壓電路交流電力控制電路基本內(nèi)容交－交變頻電路AC-AC變換：把一種形式的交流電變換成另一種形式的交流電，可以是電壓幅值的變換、頻率或相數(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、交流電力控制電路和交－交變頻電路。交流調(diào)壓電路一般采用相位控制，其特點(diǎn)是維持頻率不變，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(dòng)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概述交流電力控制電路：交流調(diào)功電路和交流電子開關(guān)在一些大慣性環(huán)節(jié)中，例如溫度控制有時(shí)也采用通斷控制，這種電路稱交流調(diào)功電路。通斷控制一般在交流電壓的過零點(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)通稱交流電力控制電路。6.1概述交—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－交變頻電路和PWM交－交變頻電路，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，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6.2交流調(diào)壓電路交流調(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(dòng)或電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)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(shí)需要經(jīng)常更換碳刷且為有級調(diào)節(jié)6.2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(gè)半周期相應(yīng)時(shí)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)壓電路稱為相控式交流調(diào)壓電路。6.2交流調(diào)壓電路只要在交流回路中串聯(lián)一個(gè)雙向全控型電力電子器件，在圖中陰影部分的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉開關(guān)，在其他時(shí)間內(nèi)接通開關(guān)，就可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓，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)壓電路電阻負(fù)載工作原理：6.2.1相控交流調(diào)壓電路－單相數(shù)量關(guān)系負(fù)載電壓有效值負(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－單相6.2.1相控交流調(diào)壓電路－單相輸出電壓與α的關(guān)系:移相范圍為0≤α≤π。α=0時(shí)，輸出電壓為最大，Uo=U1。隨α的增大，Uo降低，α=π時(shí)，Uo=0。λ與α的關(guān)系：α=0時(shí)，功率因數(shù)λ=1，α增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，λ降低阻感負(fù)載工作原理：6.2.1相控交流調(diào)壓電路－單相阻感負(fù)載時(shí)的工作過程分析在ωt=α?xí)r刻開通VT1，負(fù)載電流滿足解方程得式中θ為晶閘管導(dǎo)通角6.2.1相控交流調(diào)壓電路－單相1、交流調(diào)壓電路

1.1相控交流調(diào)壓電路

1）單相相控交流調(diào)壓電路

2）三相相控交流調(diào)壓電路

1.2PWM交流調(diào)壓電路

1）單相PWM交流調(diào)壓電路

2）三相PWM交流調(diào)壓電路2、其他交流電力控制電路

2.1交流調(diào)功電路

2.2交流電力電子開關(guān)阻感負(fù)載時(shí)的工作過程分析解方程得式中θ為晶閘管導(dǎo)通角6.2.1相控交流調(diào)壓電路－單相1、交流調(diào)壓電路

1.1相控交流調(diào)壓電路

1）單相相控交流調(diào)壓電路

2）三相相控交流調(diào)壓電路

1.2PWM交流調(diào)壓電路

1）單相PWM交流調(diào)壓電路

2）三相PWM交流調(diào)壓電路2、其他交流電力控制電路

2.1交流調(diào)功電路

2.2交流電力電子開關(guān)利用邊界條件：wt=a+q時(shí)io=0，可求得qVT2導(dǎo)通時(shí)，上述關(guān)系完全相同，只是io極性相反，相位差180°6.2.1相控交流調(diào)壓電路－單相可見有以下幾種典型工況：=0o，上式右端=0，α+θ=π，即為純電阻工況≠0o，=α，由上式可得，θ=π，表明兩個(gè)VT相當(dāng)于二極管，開始不起調(diào)壓作用?！?o，α＞,θ＜π，此時(shí)電流波形如前所畫。6.2.1相控交流調(diào)壓電路－單相6.2.1相控交流調(diào)壓電路－單相α<，θ>π,VT1提前通，L被過充電，放電時(shí)間延長，觸發(fā)VT2時(shí)，負(fù)載電流未過零反向。6.2.1相控交流調(diào)壓電路－單相6.2.1相控交流調(diào)壓電路－單相α<，θ>π,VT1提前通，L被過充電，放電時(shí)間延長，觸發(fā)VT2時(shí)，負(fù)載電流未過零反向。6.2.1相控交流調(diào)壓電路－單相正弦項(xiàng)指數(shù)衰減項(xiàng)三相四線基本原理：相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開120°工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動(dòng)，不流過零線6.2.1相控交流調(diào)壓電路－三相問題：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。a=90°時(shí)，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(shí)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180o，三相間同方向晶閘管脈沖互差120o。6.2.1相控交流調(diào)壓電路－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)的電流就沒有3次及其他3的整數(shù)倍次諧波。這時(shí)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)結(jié)的三相交流調(diào)壓電路。6.2.1相控交流調(diào)壓電路－三相三相三線，電阻負(fù)載時(shí)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(gè)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VT1～VT6,依次相差60°相電壓過零點(diǎn)定為a的起點(diǎn)，a角移相范圍是0～150°當(dāng)控制α改變時(shí)，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－三相三相同時(shí)工作狀態(tài)，在同一時(shí)刻，每一相都有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，因此任何時(shí)刻同時(shí)有三個(gè)晶閘管導(dǎo)通；兩相同時(shí)工作狀態(tài)，即在同一時(shí)刻僅有兩相各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，第三相中兩個(gè)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(shí)，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－三相0°≤a<60°：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180°-a。以a=30°為例。6.2.1相控交流調(diào)壓電路－三相60°≤α<90°：兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120°，以a=60°為例。6.2.1相控交流調(diào)壓電路－三相90°≤α<150：兩管導(dǎo)通與無電流通路交替，每管導(dǎo)通300°-2a

，以a=120°為例。6.2.1相控交流調(diào)壓電路－三相當(dāng)α>150o，則無晶閘管導(dǎo)通。所以最大移相范圍為150o。綜上所述，這種調(diào)壓電路隨著α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－三相其它聯(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－三相支路控制三角連接電路由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，α=0o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）為與該線相連的兩個(gè)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－三相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－三相典型用例—晶閘管控制電抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）觸發(fā)脈沖的移相范圍是90°≤a<180°控制a角可連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(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StaticVarCampensator(SVC)，用來對無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以補(bǔ)償電壓波動(dòng)或閃變。6.2.1相控交流調(diào)壓電路－三相典型應(yīng)用6.2.1相控交流調(diào)壓電路－三相(a)異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)(b)高壓直流電源方案單相斬控交流調(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

Buck型Boost型Buck-Boost型6.2.2斬控交流調(diào)壓電路－單相6.2.2斬控交流調(diào)壓電路－單相在交流電源u1的正半周圖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6.2.2斬控交流調(diào)壓電路－單相用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－單相三相PWM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(gè)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。Buck型三相PWM交流調(diào)壓電路（b）Boost型三相PWM交流調(diào)壓電路（c）Buck－Boost型三相PWM交流調(diào)壓電路6.2.2斬控交流調(diào)壓電路－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(fù)載與電源接通幾個(gè)周波，再斷開幾個(gè)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，所以稱之為交流調(diào)功電路?？刂茖ο髸r(shí)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(shí)刻為電源電壓過零的時(shí)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6.3.1交流調(diào)功電路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(gè)周期導(dǎo)通，a=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a求出N再取整）即可調(diào)節(jié)輸出平均功率。則當(dāng)M＝4，N＝2時(shí)的負(fù)載電壓波形如下圖所示。

交流調(diào)功電路的典型應(yīng)用電阻爐的溫度控制6.3.1交流調(diào)功電路6.3.2交流電力電