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电力电子基础 Fundamental Power Electronics 第六讲 交流-交流变换电路,东南大学电气工程学院2010年,第六讲 交流-交流变换电路,2,交流交流变换电路,概述 交流调压电路 其他交流电力控制电路 交交变频电路 小结,第六讲 交流-交流变换电路,3,1.概述,交流-交流变流电路一种形式的交流变成另一种形式交流，可改变电压、电流、频率和相数等1.交流电力控制电路改变电压、电流或电路的通断，不改变频率交流调压电路相位控制（或斩控式）交流调功电路及交流无触点开关通断控制2.变频电路改变频率，多不改变相数，或改变相数交交变频电路直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，直接变频电路交直交变频电路先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频电路,第六讲 交流-交流变换电路,4,2.交流调压电路,(2)相位控制,(3)斩波控制,(1)通断控制,第六讲 交流-交流变换电路,5,相控式单相交流调压电路,电阻负载工作原理：在 u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。=0为电压过零时刻。输出电压与的关系:移相范围为0。=0，输出电压为最大，Uo=U1。随的增大，Uo降低，=，Uo=0。功率因数与的关系：=0时，功率因数=1，增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低,第六讲 交流-交流变换电路,6,相控式单相交流调压电路,负载电压有效值 负载电流有效值 晶闸管电流有效值功率因数,第六讲 交流-交流变换电路,7,相控式单相交流调压电路,阻感负载阻感负载时的移相范围 负载阻抗角：=arctan(L/R)晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为 在用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前=0时刻仍定为u1过零的时刻，的移相范围应为,第六讲 交流-交流变换电路,8,相控式单相交流调压电路,阻感负载在t=时刻开通VT1，负载电流满足 解方程得 式中,为晶闸管导通角 利用边界条件：t=a+时io=0,可求得：VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180,第六讲 交流-交流变换电路,9,相控式单相交流调压电路,单相交流调压电路以为参变量的和关系曲线,时，导通角满足：=180,第六讲 交流-交流变换电路,10,相控式单相交流调压电路,负载电压有效值 晶闸管电流有效值,第六讲 交流-交流变换电路,11,相控式单相交流调压电路,单相交流调压电路a为参变量时I VTN和a关系曲线,负载电流有效值:IVT的标么值:,第六讲 交流-交流变换电路,12,相控式单相交流调压电路,阻感负载,窄脉冲触发（0 时）VT1持续导通时，VT2不通;VT1关断后，ug2消失，VT2仍不通。输出电压不对称，含直流分量宽脉冲触发（0 时）实际上VT1，VT2均导通180，u为完整的正弦波，只要，u不受影响，失控。正常工作对触发脉冲要求 采用宽度大于60的宽脉冲或后沿固定、前沿可调、最大宽度180的脉冲触发序列,第六讲 交流-交流变换电路,13,相控式单相交流调压电路,电阻负载谐波分析,由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波。基波和各次谐波有效值 负载电流基波和各次谐波有效值 电流基波和各次谐波标么值随 a变化的曲线（基准电流为a=0时的有效值）如右图所示。,电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,第六讲 交流-交流变换电路,14,相控式单相交流调压电路,电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7等次谐波。随着次数的增加，谐波含量减少。和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。当角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减少。,阻感负载谐波分析,第六讲 交流-交流变换电路,15,斩控式单相交流调压电路,工作原理和直流斩波电路类似u1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比=ton/T，改变a 可调节输出电压特性电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。功率因数接近1。,第六讲 交流-交流变换电路,16,三相交流调压电路,根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式,第六讲 交流-交流变换电路,17,三相交流调压电路,星形(Y)联结电路:三相四线基本原理：各相可单独控制。相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近,零线,第六讲 交流-交流变换电路,18,三相交流调压电路,星形(Y)联结电路:三相三线将三相四线中的零线去掉 任一相导通须和另一相构成回路 电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发 触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1 VT6,依次相差60 相电压过零点定为的起点，角移相范围是0150,第六讲 交流-交流变换电路,19,三相交流调压电路,第六讲 交流-交流变换电路,20,三相交流调压电路,060：三管导通与两管导通交替，每管导通180。但=0时一直是三管导通。,不同a角时负载相电压波形a)a=30,第六讲 交流-交流变换电路,21,三相交流调压电路,不同a角时负载相电压波形b)a=60,60 90：两管导通，每管导通120,第六讲 交流-交流变换电路,22,三相交流调压电路,90150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002。,不同a角时负载相电压波形 c)a=120,第六讲 交流-交流变换电路,23,三相交流调压电路,谐波情况电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同。谐波次数越低，含量越大。和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。,第六讲 交流-交流变换电路,24,三相交流调压电路,支路控制三角（）联结电路：由三个单相交流调压电路组成，各自工作在不同的线电压下。单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用。输入线电流（即电源电流）为与该线相连的两个负载相电流之和。谐波情况3倍次谐波相位和大小相同，在三角回路中流动，而不出现在线电流中。线电流中所谐波次数为6k1(k为正整数)。在相同负载和角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。,第六讲 交流-交流变换电路,25,三相交流调压电路,典型用例晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）移相范围为90 180。控制角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置(Static Var CampensatorSVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。,第六讲 交流-交流变换电路,26,三相交流调压电路,晶闸管控制电抗器(TCR)电路,第六讲 交流-交流变换电路,27,其他交流电力控制电路,交流调功电路以交流电源周波数为控制单位交流电力电子开关对电路通断进行控制,第六讲 交流-交流变换电路,28,3.交流调功电路,与交流调压电路的异同电路形式完全相同控制方式不同：交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形进行控制。交流调功电路将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。因其直接调节电路的平均输出功率，故称为交流调功电路应用常用于电炉的温度控制,第六讲 交流-交流变换电路,29,交流调功电路,电阻负载时控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后MN个周期关断。负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为M倍电源周期。,2,p,N,第六讲 交流-交流变换电路,30,交流调功电路,谐波情况右图的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值，Io为导通时电路电流幅值。以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波。而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。,第六讲 交流-交流变换电路,31,4.交流电力电子开关,晶闸管反并联后串入交流电路作用：代替机械开关，起接通和断开电路的作用优点：响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断与交流调功电路的区别并不控制电路的平均输出功率通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开控制频度通常比交流调功电路低得多,第六讲 交流-交流变换电路,32,交流电力电子开关,晶闸管投切电容(Thyristor Switched CapacitorTSC)作用对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。性能优于机械开关投切的电容器。结构和原理晶闸管反并联后串入交流电路。实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。,TSC基本原理图a)基本单元单相简图 b)分组投切单相简图,第六讲 交流-交流变换电路,33,交流电力电子开关,晶闸管的投切选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流。理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值。成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。,TSC理想投切时刻原理说明,第六讲 交流-交流变换电路,34,5.交交变频电路,晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)：把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。特点：一次变换、效率、可采用电网换流 广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。,第六讲 交流-交流变换电路,35,单相交交变频器,工作原理由正、反两组反并联的晶闸管相控整流电路构成，和直流电动机可逆调速用四象限变流电路相同。正组工作时，负载电流io为正;N组工作时，io为负。两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的输出交流电。改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率fo。改变变流电路的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。,单相交交变频电路原理图和输出电压波形,第六讲 交流-交流变换电路,36,单相交交变频器,为使uo波形接近正弦，按正弦规律对角进行调制。在每半个周期内导通组控制角不是固定值，而是按正弦规律从90090，每个控制间隔内的平均输出电压就按从零增至最高，再减到零,近似正弦波。uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。,用于直流电机调速输出可调直流电压,用于交交变频器时输出正弦交流电压,第六讲 交流-交流变换电路,37,单相交交变频器,输出正弦波电压的调制方法(余弦交点法)设Ud0为=0时整流电路的理想空载电压，则有 每次控制时角不同，表示每次控制间隔内uo的平均值。设期望的正弦波输出电压为，于是有，以及，其中 称为输出电压比余弦交点法基本公式,第六讲 交流-交流变换电路,38,单相交交变频器,余弦交点法图解实际整流输出瞬时电压为线电压uab,uac,ucb之一。uab,uac,ubc,uba,uca和ucb依次用u1u6表示。相邻两个线电压的交点对应于=0。u1 u6所对应的同步信号分别用us1 us6表示。us1 us6比相应的u1 u6超前30，us1 us6的最大值和相应线电压=0的时刻对应。其中 us1=(u1+u2)/2，以=0为零时刻，则us1 us6为余弦信号。希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1 us6的下降段和uo的交点来决定。,第六讲 交流-交流变换电路,39,单相交交变频器,余弦交点法图解,第六讲 交流-交流变换电路,40,单相交交变频器,工作状态阻感负载为例，也适用于交流电动机负载。把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成图示的正弦波交流电源和二极管的串联。设负载阻抗角为，则输出电流滞后输出电压。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。,第六讲 交流-交流变换电路,41,单相交交变频器,工作状态t1t3期间：io 0，正组工作，反组被封锁。t1 t2:uo和io 0,正组整流,输出功率为正t2 t3:uo 0,正组逆变,输出功率为负t3t5期间：io 0,io 0,反组逆变,输出功率为负哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关。根据uo与io的方向是否相同来确定工作在整流还是逆变。,第六讲 交流-交流变换电路,42,单相交交变频器,考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段第1段io0，反组逆变;第2段电流过零，为无环流死区第3段io0，uo0，正组整流;第4段io0，uo0，正组逆变第5段又是无环流死区;第6段io0，uo0，为反组整流uo和io的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态;当二者相位差大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态,第六讲 交流-交流变换电路,43,单相交交变频器,不同 时，在uo一周期内，随ot 变化的情况如图示较小，即输出电压较低时，只在离90很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低。,不同g 时a和wot的关系,第六讲 交流-交流变换电路,44,单相交交变频器,输入输出特性输出上限频率输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz,第六讲 交流-交流变换电路,45,单相交交变频器,输入功率因数由于采用相控方式，输入电流相位总是滞后于输入电压，因此需要电网提供无功功率。不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后。一周期内，角以90为中心变化。输出电压比 越小，半周期内的平均值越靠近90。负载功率因数越低，输入功率因数也越低。,单相交交变频电路的功率因数,第六讲 交流-交流变换电路,46,单相交交变频器,输出电压谐波输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关。采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为6fifo，6fi3fo，6fi5fo，12fifo，12fi3fo，12fi5fo，采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将增加5fo、7fo等次谐波。,第六讲 交流-交流变换电路,47,单相交交变频器,输入电流谐波输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制。采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率为：和 式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。,第六讲 交流-交流变换电路,48,三相交交变频电路,交交变频电路主要应用于500kW或1000kW以下的大功率、低转速的交流调速电路之中，如：轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。调速系统使用的三相交交变频电路由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电路组成。其电路接线方式主要有 1)公共交流母线进线方式 2)输出星形联结方式,第六讲 交流-交流变换电路,49,三相交交变频电路,公共交流母线进线方式由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120的单相交交变频电路构成电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开主要用于中等容量的交流调速系统,第六讲 交流-交流变换电路,50,三相交交变频电路,输出星形联结方式,a）简图 b）详图,第六讲 交流-交流变换电路,51,三相交交变频电路,输出星形联结方式因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通。两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结。电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可,第六讲 交流-交流变换电路,52,三相交交变频电路,输入输出特性输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的输入电流总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到 有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低，谐波频率为 和 式中k=1,2,3,；l=0,1,2,。,第六讲 交流-交流变换电路,53,三相交交变频电路,采用三相桥式电路时，输入谐波电流的主要频率为fi6fo、5fi、5fi6fo、7fi、7fi6fo、11fi、11fi6fo、13fi、13fi6fo、fi12fo等。其中5fi次谐波的幅值最大,第六讲 交流-交流变换电路,54,三相交交变频电路,输入功率因数三相总输入功率因数应为 三相电路总的有功功率为各相有功功率之和但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路,第六讲 交流-交流变换电路,55,三相交交变频电路,改善输入功率因数和提高输出电压基本思路各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压。在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量。虽然各相输出电压不为正弦，但输出的线电压仍为正弦。利用该特性可以改善输入功率因数并提高输出线电压中正弦基波幅值。直流偏置负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各组桥式电路的a角都在90附近，因此输入功率因数很低给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角a将减小，但变频器输出线电压并不改变,第六讲 交流-交流变换电路,56,三相交交变频电路,使各单相变频器的输出均为准梯形波，其主要谐波成分是三次谐波。在线电压中三次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波若各相输出电压均为正弦，其每相电压正弦基波的最大幅值为Ud0；而若各相输出电压均为梯形波，其中所含正弦基波幅值最大可提高15%左右该方案适合于长时间工作在高输出电压区域，此时角较小，因此输入功率因数可提高15%左右,交流偏置-梯形波输出控制,第六讲 交流-交流变换电路,57,三相交交变频电路,交交变频电路和交直交间接变频电路相比优点：只用一次变流，效率较高；可方便地实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波缺点：接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输入功率因数较低；输入电流谐波含量大，频谱复杂,第六讲 交流-交流变换电路,58,小结,交流交流变流电路的分类及其基本概念单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性各种交流交流变流电路的主要应用,