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，可改變相關的電壓、電流、頻率和相數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壓電路——相位控制（或斬控式），4.1節(jié)交流調功電路及交流無觸點開關——通斷控制，4.2節(jié)變頻電路——改變頻率，大多不改變相數，也有改變相數的交交變頻電路——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交流調壓電路交流電力控制電路的結構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壓電路——每半個周波控制晶閘管開通相位，調節(jié)輸出電壓有效值交流調功電路——以交流電周期為單位控制晶閘管通斷，改變通斷周期數的比，調節(jié)輸出功率的平均值交流電力電子開關——并不著意調節(jié)輸出平均功率，而只是根據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交流調壓電路交流調壓電路的應用：燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制）異步電動機軟起動異步電動機調速供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調節(jié)在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調節(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4-1電阻負載單相交流調壓電路及其波形第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．主要數量關系輸出電壓分段表達式第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1單相交流調壓電路數量關系

A輸出負載電壓有效值(4-1)

B負載電流有效值(4-2)

C晶閘管電流有效值(4-3)

圖4-1電阻負載單相交流調壓電路及其波形第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1單相交流調壓電路D線路入端功率因數(4-4)輸出電壓與a的關系: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的關系：

a=0時，功率因數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單相交流調壓電路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的移相范圍應為j≤a≤π圖4-2阻感負載單相交流調壓電路及其波形第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1單相交流調壓電路阻感負載時的工作過程分析

在ωt=a時刻開通VT1，負載電流滿足

(4-5)解方程得(4-6)

式中 ,θ為晶閘管導通角利用邊界條件：ωt=a+θ時io=0,可求得θ：

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

(4-8)

式中θ為晶閘管一周期內導通角，它和Ψ，a之間關系見上頁公式

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的標么值 (4-11)圖4-4單相交流調壓電路a為參變量時IVTN和a關系曲線4.1.1單相交流調壓電路第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

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

)

阻感負載時

a的移相范圍應為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的導通角超過π觸發(fā)VT2時，

io尚未過零，VT1仍導通，VT2不通io過零后，VT2開通，VT2導通角小于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導通時間漸短，VT2的導通時間漸長穩(wěn)態(tài)的工作情況和a=j時完全相同圖4-5a<j時阻感負載交流調壓電路工作波形4.1.1單相交流調壓電路第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 (4-12)式中

4.1.1單相交流調壓電路第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4-6電阻負載單相交流調壓電路基波和諧波電流含量4.1.1單相交流調壓電路第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月阻感負載的情況電流諧波次數和電阻負載時相同，也只含3、5、7…等次諧波隨著次數的增加，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4.1.1單相交流調壓電路第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1單相交流調壓電路4．斬控式交流調壓電路

一般采用全控型器件作為開關器件第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，即位移因數為1電源電流不含低次諧波，只含和開關周期T有關的高次諧波功率因數接近1圖4-7斬控式交流調壓電路圖4-8電阻負載斬控式交流調壓電路波形第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)流通道設斬波器件（V1或V2）導通時間為ton，開關周期為T，則導通比a=ton/T，改變a可調節(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VT上的觸發(fā)脈沖占空比α=ton/T,來達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的濾波器，即可濾除高次諧波，這時線路功率因數接近1。第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.2三相交流調壓電路根據三相聯(lián)結形式的不同，三相交流調壓電路具有多種形式 圖4-9三相交流調壓電路a)星形聯(lián)結b)線路控制三角形聯(lián)結c)支路控制三角形聯(lián)結d)中點控制三角形聯(lián)結第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1交流調功電路與交流調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，改變通斷周波數的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率應用

常用于電爐的溫度控制因其直接調節(jié)對象是電路的平均輸出功率，所以稱為交流調功電路第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1交流調功電路控制對象時間常數很大，以周波數為單位控制即可通常晶閘管導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個周期導通，后M－N個周期關斷第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1交流調功電路當M=3、N=2時的電路波形如圖4-13負載電壓和負載電流（即電源電流）的重復周期為M倍電源周期圖4-13交流調功電路典型波形(M=3、N=2)第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1交流調功電路諧波情況圖4-14的頻譜圖（以控制周期為基準）。In為n次諧波有效值，Io為導通時電路電流幅值以電源周期為基準，電流中不含整數倍頻率的諧波，但含有非整數倍頻率的諧波在電源頻率附近，非整數倍頻率諧波的含量較大圖4-14交流調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交流電力電子開關晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路作用：代替機械開關，接通和斷開電路優(yōu)點：響應速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷與交流調功電路的區(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，只是根據需要控制電路的接通和斷開控制頻度通常比交流調功電路低得多第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

晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）

對無功功率控制，可提高功率因數，穩(wěn)定電網電壓，改善供電質量性能優(yōu)于機械開關投切的電容器

結構和原理

圖4-15基本原理圖（單相）實際常用三相，可三角形聯(lián)結，也可星形聯(lián)結圖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交流電力電子開關兩個反并聯(lián)的晶閘管起著把C并入電網或從電網斷開的作用（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（圖4-15b），可根據電網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)可調的動態(tài)無功功率補償器圖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