交交变换电路fugjiang.ppt
4-1,引言 4.1 交流调压电路 4.2 其他交流电力控制电路 4.3 交交变频电路 4.4 矩阵式变频电路 本章要点,第4章 交流电力控制电路和交交变频电路,4-2,本章主要讲述 交流-交流变流电路 把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路,第4章 交流电力控制电路和交交变频电路,4-3,4.1 交流调压电路,原理 两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在电源的每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制来调节输出电压的有效值。,电路图,4-4,应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。2 异步电动机软起动。3 异步电动机调速。4 供用电系统对无功功率的连续调节。5 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。,4.1 交流调压电路,4-5,4.1.1 单相交流调压电路,一.电阻负载,在交流电源u1的正半周和负半周分别对VT1、VT2的开通角a 进行控制就可以调节输出电压。开通角a 的起始时刻均为电压过零点。稳态时，正负半周a 相等。,4-6,4.1.1 单相交流调压电路,负载上交流电压有效值U与控制角a 的关系为,输出电流有效值：,电路功率因数：,电路的移相范围为0。,4-7,若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。,a=0时刻仍定为u1过零的时刻，a 的移相范围应为j a。,二.阻感负载,图4-2 电阻负载单相交流调压电路及其波形,负载阻抗角：j=arctan(wL/R),VT1,4.1.1 单相交流调压电路,4-8,4.1.1 单相交流调压电路,VT1,图4-2 电阻负载单相交流调压电路及其波形,1.当阻感负载,j a 时电路工作情况。,u1正半周，VT1导通,导通角。u1负半周，VT2导通,导通角。,4-9,4.1.1 单相交流调压电路,4-10,图4-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形,2.当阻感负载,a j 时电路工作情况。,图4-2 阻感负载单相交流调压电路,VT1的导通时间超过。触发VT2时，io 尚未过零，VT1仍导通，VT2不会导通。io过零后，VT2才可开通，VT2导通角小于。衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。,4.1.1 单相交流调压电路,4-11,三.斩控式交流调压电路,在交流电源u1的正半周,图4-7 斩控式交流调压电路,4.1.1 单相交流调压电路,用V1进行斩波控制,用V3给负载电流提供续流通道,4-12,特性,图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形,4.1.1 单相交流调压电路,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。,4-13,4.1.2 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,4-14,1.三相四线：基本原理：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。缺点：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。a=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。,一.星形联结电路 可分为三相三线和三相四线,图4-9 三相交流调压电路a)星形联结,4.1.2 三相交流调压电路,4-15,2.三相三线 主要分析电阻负载：,图4-9 三相交流调压电路a)星形联结,4.1.2 三相交流调压电路,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a 的起点，a角移相范围是0 150。,4-16,(1)0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a。但a=0时一直是三管导通。,4.1.2 三相交流调压电路,60 a 90：任一时刻两管导通，每管导通120,(2),(3)90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 a。,0150导通情况：,4-17,谐波情况,4.1.2 三相交流调压电路,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。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。,4-18,二.支路控制三角形联结电路,图49三相交流调压电路,c)支路控制三角形联结,4.1.2 三相交流调压电路,由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作用下工作。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。,4-19,谐波情况,c)支路控制三角形联结,图49三相交流调压电路,4.1.2 三相交流调压电路,3倍次谐波相位和大小相同，在三角形回路中流动，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a 角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。,4-20,三.典型用例晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）,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。,图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路,4.1.2 三相交流调压电路,a 移相范围为90 180。控制a 角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。,4-21,交流调功电路,交流调功电路与交流调压电路的异同比较,相同点 电路形式完全相同不同点 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。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。,4-22,1.电阻负载时的工作情况,2,p,N,图41电阻负载单相交流调压电路,交流调功电路,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。,4-23,2.谐波情况,0,12,14,相对于控制周期谐波的次数,相对于电源频率谐波的次数,图4-14交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2),2,4,6,10,8,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,0,5,1,2,3,4,I,n,/,I,0,交流调功电路,图4-14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。,4-24,交流电力电子开关,概念 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，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。,4-25,应用：晶闸管投切电容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）,图4-15 TSC基本原理图a)基本单元单相简图 b)分组投切单相简图,交流电力电子开关,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。,4-26,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。,u,图4-16 TSC理想投切时刻原理说明,交流电力电子开关,4-27,4.3 交交变频电路,单相交交变频器 三相交交变频器,4-28,单相交交变频器,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。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。,4-29,一.电路构成和基本工作原理,单相交交变频器,1.电路构成如图，由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成。变流器P组和N组都是相控变流电路。,4-30,2.工作原理P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交流电。改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率wo。改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值。,单相交交变频器,4-31,单相交交变频器,3.为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a 角进行调制。,在半个周期内让P组 a 角按正弦规律从90减到0或某个值，再增加到90，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制。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。,输出电压,平均输出电压,O,u,o,a,P,=0,a,P,=,p,2,a,P,=,p,2,w,t,4-32,二.整流与逆变工作状态,单相交交变频器,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，就可把电路等效成右图所示的正弦波交流电源和二极管的串联。,4-33,设负载阻抗角为j，则输出电流滞后输出电压j 角。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。,单相交交变频器,4-34,工作状态,图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,单相交交变频器,t1t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁。t1 t2：uo和io均为正，正组整流，输出功率为正。t2 t3：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负。,4-35,t3 t5期间：io负半周，反组工作，正组被封锁。t3 t4：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正。t4 t5：uo反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负。,图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,单相交交变频器,小结：哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关。工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。,4-36,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。,图4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形,第1段 io 0，反组逆变,第2段 电流过零，为无环流死区,第3段 io 0，uo 0，正组整流,第4段 io 0，uo 0，正组逆变,第5段 又是无环流死区,第6段 io 0，uo 0，为反组整流,单相交交变频器,4-37,三.输入输出特性,单相交交变频器,1.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。,4-38,2.输入功率因数,单相交交变频器,输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。一周期内，a角以90为中心变化。输出电压越小，半周期内a的平均值越靠近90，功率因数越低。负载功率因数越低，输入功率因数也越低。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。,4-39,3.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。,单相交交变频器,4-40,4.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(4-19)和(4-20)式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。,单相交交变频器,4-41,三相交交变频电路,由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电路组成。,交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路。,4-42,一公共交流母线进线方式,图4-24 公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）,三相交交变频电路,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。,4-43,(2)输出星形联结方式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,图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图,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。,三相交交变频电路,4-44,图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图,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。由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成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。,三相交交变频电路,4-45,交交变频和交直交变频的比较8.1节中介绍间接变频电路，先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路。交交变频电路的优点：交交变频电路的缺点：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。,效率较高（一次变流）可方便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波,三相交交变频电路,4-46,应用主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低转速的交流调速电路中。目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。,三相交交变频电路,4-47,4.4 矩阵式变频器,简介：是近年出现的一种新颖的变频电路。是直接变频电路，采用的开关器件是全控型。控制方式是斩波控制。拓扑结构：三相输入电压为ua、ub和uc 三相输出电压为uu、uv和uw,图4-28 矩阵式变频器,4-48,9个开关器件组成33矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路(Matrix Converter MC)或矩阵变换器。图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向可控开关，图4-28b给出了应用较多的一种开关单元。,图4-28 矩阵式变频器,4.4 矩阵式变频器,4-49,优点输出电压为正弦波。输出频率不受电网频率的限制。输入电流也可控制为正弦波且和电压同相。功率因数为1，也可控制为需要的功率因数。能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行。不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。,4.4 矩阵式变频器,4-50,矩阵式变频电路的基本工作原理,单相输入对单相交流电压us进行斩波控制，即进行PWM控制时，输出电压uo为(4-24)式中，Tc开关周期；ton 一个开关周期内开关导通时间；占空比。,图4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分a)单相输入 b)三相输入构造输出相电压 c)三相输出构造输出线电压,4.4 矩阵式变频器,4-51,不同的开关周期中采用不同的，可得到与us频率和波形都不同的uo。由于单相交流us波形为正弦波，可利用的输入电压部分只有如图4-29a所示的单相电压阴影部分，因此uo将受到很大的局限，无法得到所需输出波形。,a),b),c),U,m,U,1m,U,2,3,U,m,1,2,图4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分a)单相输入 b)三相输入构造输出相电压 c)三相输出构造输出线电压,4.4 矩阵式变频器,利用三相相电压把输入改为三相，就可利用图4-29b所示的三相相电压包络线中所有的阴影部分。,4-52,理论上所构造的uu的频率可不受限制。但如uu必须为正弦波，则其最大幅值仅为输入相电压ua幅值的0.5倍。,a),b),c),U,m,U,1m,U,2,3,U,m,1,2,图4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分a)单相输入 b)三相输入构造输出相电压 c)三相输出构造输出线电压,4.4 矩阵式变频器,利用三相线电压用图4-28a中第一行和第二行的6个开关共同作用来构造输出线电压uuv。,4-53,可利用图4-29c中6个线电压包络线中所有的阴影部分。当uuv必须为正弦波时，最大幅值就可达到输入线电压幅值的0.866倍。正弦波输出条件下矩阵式变频电路理论上最大的输出输入电压比。,图4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分a)单相输入 b)三相输入构造输出相电压 c)三相输出构造输出线电压,4.4 矩阵式变频器,4-54,要使矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的两个基本问题：,4.4 矩阵式变频器,所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较高，控制方法还不算成熟。输出输入最大电压比只有0.866，用于交流电机调速时输出电压偏低。,现状尚未进入实用化，主要原因：,如何求取理想的调制矩阵s。开关切换时如何实现既无交叠又无死区。,4-55,十分突出的优点：,4.4 矩阵式变频器,在器件制造技术飞速进步和计算机技术日新月异的今天，矩阵式变频电路将有很好的发展前景。,有十分理想的电气性能。和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽多用了6个开关器件，却省去了直流侧大电容，将使体积减小，且容易实现集成化和功率模块化。,4-56,本章小结,本章的要点如下：(1)交流交流变流电路的分类及其基本概念；(2)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；(3)三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；(4)交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；(5)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；(6)各种交流交流变流电路的主要应用；(7)矩阵式交交变频电路的基本概念。,
