電力電子基礎(chǔ)演示文稿

電力電子基礎(chǔ)演示文稿本文檔共57頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期一\17點36分電力電子基礎(chǔ)本文檔共57頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期一\17點36分交流交流變換電路概述交流調(diào)壓電路其他交流電力控制電路交交變頻電路小結(jié)本文檔共57頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期一\17點36分1.概述交流-交流變流電路——一種形式的交流變成另一種形式交流，可改變電壓、電流、頻率和相數(shù)等1.交流電力控制電路—改變電壓、電流或電路的通斷，不改變頻率交流調(diào)壓電路—相位控制（或斬控式）交流調(diào)功電路及交流無觸點開關(guān)—通斷控制2.變頻電路——改變頻率，多不改變相數(shù)，或改變相數(shù)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交流,間接變頻電路本文檔共57頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期一\17點36分2.交流調(diào)壓電路

(2)相位控制

(3)斬波控制

(1)通斷控制

本文檔共57頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期一\17點36分相控式單相交流調(diào)壓電路電阻負載工作原理：在u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。=0為電壓過零時刻。輸出電壓與的關(guān)系:移相范圍為0≤≤。=0，輸出電壓為最大，Uo=U1。隨的增大，Uo降低，=，Uo=0。功率因數(shù)與的關(guān)系：

=0時，功率因數(shù)=1，增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低本文檔共57頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期一\17點36分相控式單相交流調(diào)壓電路負載電壓有效值 負載電流有效值 晶閘管電流有效值

功率因數(shù)本文檔共57頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期一\17點36分相控式單相交流調(diào)壓電路阻感負載阻感負載時的移相范圍負載阻抗角：=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=0時刻仍定為u1過零的時刻，的移相范圍應(yīng)為≤≤本文檔共57頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期一\17點36分相控式單相交流調(diào)壓電路阻感負載在ωt=

時刻開通VT1，負載電流滿足

解方程得

式中 ,θ為晶閘管導(dǎo)通角利用邊界條件：ωt=a+θ時io=0,可求得θ：VT2導(dǎo)通時，上述關(guān)系完同，只是io極性相反，相位差180°本文檔共57頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期一\17點36分相控式單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路以為參變量的和關(guān)系曲線

>>時，導(dǎo)通角滿足：

=180－＋本文檔共57頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期一\17點36分相控式單相交流調(diào)壓電路負載電壓有效值

晶閘管電流有效值

本文檔共57頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期一\17點36分相控式單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路a為參變量時IVTN和a關(guān)系曲線j

=90°0.10.20.30.40.51601800401208075°60°45°j

=0a/(°)IVTN負載電流有效值:IVT的標么值:本文檔共57頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期一\17點36分相控式單相交流調(diào)壓電路阻感負載窄脈沖觸發(fā)（0<<時）

VT1持續(xù)導(dǎo)通時，VT2不通;VT1關(guān)斷后，ug2消失，VT2仍不通。輸出電壓不對稱，含直流分量寬脈沖觸發(fā)（0<<時）

實際上VT1，VT2均導(dǎo)通180，u為完整的正弦波，只要α<φ

，u不受α影響，失控。正常工作對觸發(fā)脈沖要求<<采用寬度大于60的寬脈沖或后沿固定、前沿可調(diào)、最大寬度180的脈沖觸發(fā)序列本文檔共57頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期一\17點36分相控式單相交流調(diào)壓電路電阻負載諧波分析由于波形正負半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波?；ê透鞔沃C波有效值負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a變化的曲線（基準電流為a=0時的有效值）如右圖所示。電阻負載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量本文檔共57頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期一\17點36分相控式單相交流調(diào)壓電路電流諧波次數(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(dāng)角相同時，隨著阻抗角的增大，諧波含量有所減少。阻感負載諧波分析本文檔共57頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期一\17點36分斬控式單相交流調(diào)壓電路工作原理和直流斬波電路類似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

=ton/T，改變a可調(diào)節(jié)輸出電壓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。本文檔共57頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期一\17點36分三相交流調(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)本文檔共57頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期一\17點36分三相交流調(diào)壓電路星形(Y)聯(lián)結(jié)電路:三相四線基本原理：各相可單獨控制。相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線問題：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。=90時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近零線本文檔共57頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期一\17點36分三相交流調(diào)壓電路星形(Y)聯(lián)結(jié)電路:三相三線—將三相四線中的零線去掉任一相導(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°相電壓過零點定為的起點，角移相范圍是0~150°本文檔共57頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期一\17點36分三相交流調(diào)壓電路本文檔共57頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期一\17點36分三相交流調(diào)壓電路0≤<60：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180－。但=0°時一直是三管導(dǎo)通。不同a角時負載相電壓波形a)a=30°本文檔共57頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期一\17點36分三相交流調(diào)壓電路不同a角時負載相電壓波形b)a

=60°60≤<90：兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120°本文檔共57頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期一\17點36分三相交流調(diào)壓電路90≤<150：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為300－2。不同a角時負載相電壓波形c)a=120°本文檔共57頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期一\17點36分三相交流調(diào)壓電路諧波情況電流諧波次數(shù)為6k±1(k=1，2，3，…)，和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流所含諧波的次數(shù)完全相同。諧波次數(shù)越低，含量越大。和單相交流調(diào)壓電路相比，沒有3倍次諧波，因三相對稱時，它們不能流過三相三線電路。本文檔共57頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期一\17點36分三相交流調(diào)壓電路支路控制三角（）聯(lián)結(jié)電路：由三個單相交流調(diào)壓電路組成，各自工作在不同的線電壓下。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。諧波情況3倍次諧波相位和大小相同，在三角回路中流動，而不出現(xiàn)在線電流中。線電流中所諧波次數(shù)為6k±1(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。本文檔共57頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期一\17點36分三相交流調(diào)壓電路典型用例—晶閘管控制電抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）移相范圍為90~180?？刂平强蛇B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，稱為靜止無功補償裝置(StaticVarCampensator—SVC），用來對無功功率進行動態(tài)補償，以補償電壓波動或閃變。本文檔共57頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期一\17點36分三相交流調(diào)壓電路晶閘管控制電抗器(TCR)電路a)b)c)TCR電路負載相電流和輸入線電流波形a)α=120°b)α=135°c)α=160°

本文檔共57頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期一\17點36分其他交流電力控制電路交流調(diào)功電路以交流電源周波數(shù)為控制單位交流電力電子開關(guān)對電路通斷進行控制本文檔共57頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期一\17點36分3.交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同電路形式完全相同控制方式不同：交流調(diào)壓電路在每個電源周期都對輸出電壓波形進行控制。交流調(diào)功電路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。因其直接調(diào)節(jié)電路的平均輸出功率，故稱為交流調(diào)功電路應(yīng)用常用于電爐的溫度控制本文檔共57頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期一\17點36分交流調(diào)功電路電阻負載時控制周期為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。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。2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導(dǎo)通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)本文檔共57頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期一\17點36分交流調(diào)功電路諧波情況右圖的頻譜圖（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。01214諧波次數(shù)控制周期的倍數(shù)交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m本文檔共57頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期一\17點36分4.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)功電路低得多本文檔共57頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期一\17點36分交流電力電子開關(guān)晶閘管投切電容(ThyristorSwitchedCapacitor—TSC)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)。TSC基本原理圖a)基本單元單相簡圖b)分組投切單相簡圖本文檔共57頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期一\17點36分交流電力電子開關(guān)晶閘管的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。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1TSC理想投切時刻原理說明本文檔共57頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期一\17點36分5.交交變頻電路晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)：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。特點：一次變換、效率η↑、可采用電網(wǎng)換流

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。本文檔共57頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器工作原理由正、反兩組反并聯(lián)的晶閘管相控整流電路構(gòu)成，和直流電動機可逆調(diào)速用四象限變流電路相同。正組工作時，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輸出交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率fo。改變變流電路的控制角，就可以改變交流輸出電壓的幅值。單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形本文檔共57頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器為使uo波形接近正弦，按正弦規(guī)律對角進行調(diào)制。在每半個周期內(nèi)導(dǎo)通組控制角不是固定值，而是按正弦規(guī)律從90090，每個控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按從零增至最高，再減到零,近似正弦波。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。用于直流電機調(diào)速輸出可調(diào)直流電壓用于交交變頻器時輸出正弦交流電壓本文檔共57頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器輸出正弦波電壓的調(diào)制方法(余弦交點法)設(shè)Ud0為=0時整流電路的理想空載電壓，則有

每次控制時角不同，表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值。設(shè)期望的正弦波輸出電壓為，于是有，以及，其中

稱為輸出電壓比余弦交點法基本公式本文檔共57頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器余弦交點法圖解實際整流輸出瞬時電壓為線電壓uab,uac,…,ucb之一。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

=0。u1~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=0的時刻對應(yīng)。其中us1=(u1+u2)/2，…以=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。本文檔共57頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器余弦交點法圖解本文檔共57頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器工作狀態(tài)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示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。設(shè)負載阻抗角為，則輸出電流滯后輸出電壓。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。本文檔共57頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器工作狀態(tài)t1~t3期間：io>0，正組工作，反組被封鎖。t1~

t2:uo和io>0,正組整流,輸出功率為正t2~t3:uo<0,io>0,正組逆變,輸出功率為負t3~t5期間：io<0，反組工作，正組被封鎖。t3~

t4:uo和io<0,反組整流,輸出功率為正t4~

t5:uo>0,io<0,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)。根據(jù)uo與io的方向是否相同來確定工作在整流還是逆變。本文檔共57頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器考慮無環(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;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(dāng)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)本文檔共57頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器不同時，在uo一周期內(nèi)，隨ot變化的情況如圖示較小，即輸出電壓較低時，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。不同g時a和wot的關(guān)系本文檔共57頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器輸入輸出特性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(dāng)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20Hz本文檔共57頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器輸入功率因數(shù)由于采用相控方式，輸入電流相位總是滯后于輸入電壓，因此需要電網(wǎng)提供無功功率。不論負載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，輸入的無功電流總是滯后。一周期內(nèi)，角以90為中心變化。輸出電壓比越小，半周期內(nèi)的平均值越靠近90。負載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。單相交交變頻電路的功率因數(shù)本文檔共57頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器輸出電壓諧波輸出電壓的諧波頻譜非常復(fù)雜，既和電網(wǎng)頻率fi以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān)，也和輸出頻率fo有關(guān)。采用三相橋時，輸出電壓所含主要諧波的頻率為6fi±fo，6fi±3fo，6fi±5fo，…12fi±fo，12fi±3fo，12fi±5fo，…采用無環(huán)流控制方式時，由于電流方向改變時死區(qū)的影響，將增加5fo、7fo等次諧波。本文檔共57頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期一\17點36分單相交交變頻器輸入電流諧波輸入電流波形和可控整流電路的輸入波形類似，但其幅值和相位均按正弦規(guī)律被調(diào)制。采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率為：和 式中，k=1,2,3,…；l=0,1,2,…。本文檔共57頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期一\17點36分三相交交變頻電路交交變頻電路主要應(yīng)用于500kW或1000kW以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路之中，如：軋機主傳動裝置、鼓風(fēng)機、礦石破碎機、球磨機、卷揚機等。既可用于異步電動機，也可用于同步電動機傳動。調(diào)速系統(tǒng)使用的三相交交變頻電路由三組輸出電壓相位各差120的單相交交變頻電路組成。其電路接線方式主要有

1)公共交流母線進線方式

2)輸出星形聯(lián)結(jié)方式本文檔共57頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期一\17點36分三相交交變頻電路公共交流母線進線方式由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120°的單相交交變頻電路構(gòu)成電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上因為電源進線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動機的三個繞組必須拆開主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)本文檔共57頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期一\17點36分三相交交變頻電路輸出星形聯(lián)結(jié)方式a）簡圖b）詳圖本文檔共57頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期一\17點36分三相交交變頻電路輸出星形聯(lián)結(jié)方式因為三組的輸出聯(lián)接在一起，其電源進線必須隔離，因此分別用三個變壓器供電三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中的四個晶閘管同時導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流和整流電路一樣，同一組橋內(nèi)的兩個晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時導(dǎo)通。兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時導(dǎo)通三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)。電動機中點不和變頻器中點接在一起，電動機只引出三根線即可本文檔共57頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期一\17點36分三相交交變頻電路輸入輸出特性輸出上限頻率和輸出電壓諧波和單相交交變頻電路是一致的輸入電流總輸入電流由三個單相的同一相輸入電流合成而得到