電力電子第四章改

電力電子第四章改第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月概述交流-交流變流電路——一種形式的交流變成另一種形式交流的電路，可改變相關(guān)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交流調(diào)壓電路——相位控制（或斬控式），4.1節(jié)交流調(diào)功電路及交流無觸點(diǎn)開關(guān)——通斷控制，4.2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，4.3節(jié) 2.矩陣式變頻電路，4.4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交流,間接變頻電路，8.1節(jié)第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1交流調(diào)壓電路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，第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1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(jī)軟起動異步電動機(jī)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)變壓器一次電壓第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1單相交流調(diào)壓電路1．電阻負(fù)載工作原理：在u1的正半周和負(fù)半周，分別對VT1和VT2的開通角a進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓正負(fù)半周a起始時刻（a=0）均為電壓過零時刻，穩(wěn)態(tài)時，正負(fù)半周的a

相等負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓的波形相同圖4-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月0~T1，VT1，VT截止，輸出電壓為0；T1~T2（π），VT1通，VT2止，U0=U1；T2~T3，VT1，VT2止，輸出電壓為0；T3~T4（2π）VT2通，輸出電壓U0=U1；2．主要數(shù)量關(guān)系輸出電壓分段表達(dá)式第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1單相交流調(diào)壓電路數(shù)量關(guān)系

A輸出負(fù)載電壓有效值(4-1)

B負(fù)載電流有效值(4-2)

C晶閘管電流有效值(4-3)

圖4-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1單相交流調(diào)壓電路D線路入端功率因數(shù)(4-4)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，即輸出電壓為完整正弦波

a

=π/2時，λ=0.707

a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，λ降低E

晶閘管最大正反向電壓為

第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1單相交流調(diào)壓電路2．阻感負(fù)載阻感負(fù)載時a的移相范圍

負(fù)載阻抗角：j=arctan(wL/R)

晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負(fù)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(jìn)行滯后控制，使負(fù)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4-2阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1單相交流調(diào)壓電路阻感負(fù)載時的工作過程分析

在ωt=a時刻開通VT1，負(fù)載電流滿足

(4-5)解方程得(4-6)

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：

(4-7)VT2導(dǎo)通時，上述關(guān)系完同，只是io極性相反，相位差180°圖4-3單相交流調(diào)壓電路以a為參變量的θ和a關(guān)系曲線第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)量關(guān)系A(chǔ)輸出電壓有效值

(4-8)

式中θ為晶閘管一周期內(nèi)導(dǎo)通角，它和Ψ，a之間關(guān)系見上頁公式

B晶閘管電流有效值

(4-9)4.1.1單相交流調(diào)壓電路第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月C輸出電流有效值 (4-10)

IVT的標(biāo)么值 (4-11)圖4-4單相交流調(diào)壓電路a為參變量時IVTN和a關(guān)系曲線4.1.1單相交流調(diào)壓電路第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月D.

晶閘管最大正反向電壓:U1

相控式交流調(diào)壓電路在實(shí)際電路中，VT1和VT2合二為一，用一只雙向晶閘管完成。(如BT139,Z0405

)

阻感負(fù)載時

a的移相范圍應(yīng)為j≤a≤π，下面討論a≤j

情況第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1單相交流調(diào)壓電路a<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(dá)式仍適用，只是a≤ωt<∞過渡過程和帶R-L負(fù)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)衰減分量第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月衰減過程中，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4-5a<j時阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形4.1.1單相交流調(diào)壓電路第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3．單相交流調(diào)壓電路的諧波分析電阻負(fù)載的情況波形正負(fù)半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波 (4-12)式中

4.1.1單相交流調(diào)壓電路第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月 (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(fù)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(biāo)么值隨a

變化的曲線（基準(zhǔn)電流為a=0時 的有效值）如圖4-6所示圖4-6電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量4.1.1單相交流調(diào)壓電路第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月阻感負(fù)載的情況電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)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(fù)載時相比，阻感負(fù)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4.1.1單相交流調(diào)壓電路第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1單相交流調(diào)壓電路4．?dāng)乜厥浇涣髡{(diào)壓電路

一般采用全控型器件作為開關(guān)器件第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1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4-7斬控式交流調(diào)壓電路圖4-8電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jìn)行斬波控制，V3提供續(xù)流通道u1負(fù)半周，用V2進(jìn)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)輸出電壓斬波電路必須由二只全控器件完成（如IGBT，MOSFET，GTR）,通過改變加在主控開關(guān)VT上的觸發(fā)脈沖占空比α=ton/T,來達(dá)到改變變壓輸出的目的。由于io電流等于i1的電流,故輸入電流Ii基波分量和電壓同相位的，即位移因數(shù)cosα=1.通過FET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(dāng)?shù)臑V波器，即可濾除高次諧波，這時線路功率因數(shù)接近1。第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.2三相交流調(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 圖4-9三相交流調(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(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1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：將負(fù)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(fù)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)功電路第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1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(dǎo)通時刻為電源電壓過零的時刻，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電阻負(fù)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)斷第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1交流調(diào)功電路當(dāng)M=3、N=2時的電路波形如圖4-13負(fù)載電壓和負(fù)載電流（即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期圖4-13交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1交流調(diào)功電路諧波情況圖4-14的頻譜圖（以控制周期為基準(zhǔn)）。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(zhǔn)，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大圖4-14交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2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(jī)械開關(guān)，接通和斷開電路優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，無觸點(diǎn)，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)功電路低得多第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2交流電力電子開關(guān)

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(jī)械開關(guān)投切的電容器

結(jié)構(gòu)和原理

圖4-15基本原理圖（單相）實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)圖4-15TSC基本原理圖a)基本單元單相簡圖b)分組投切單相簡圖第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2交流電力電子開關(guān)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4-15a）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(shí)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（圖4-15b），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(shí)際上為斷續(xù)可調(diào)的動態(tài)無功功率補(bǔ)償器圖4-15TSC基本原理圖基本單元單相簡圖分組投切單相簡圖第29頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2交流電力電子