电力电子学陈坚第六章课件.ppt

电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）陈 坚 编著华中科技大学,第6章 交流/交流变换器,6.1 晶闸管交流电压控制器的类型6.2 单相交流电压控制器6.3 三相全波交流电压控制器*6.4 变压器抽头电压控制器*6.5 晶闸管相控交流/交流直接变频器*6.6 矩阵式交流/交流变频器,第六章 交流/交流变换器,第6章 交流/交流变换器,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,交流电压 控制器,频率不变，仅改变电压大小,变频器,实现频率变换亦可改变电压大小,交交变频 直接 交直交变频 间接,采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零反向关断晶闸管。晶 闸管开关器件的开通则可采用移相控制，调控变换器输出电压的大小。,单相电压控制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制。,三相交流-交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交 流异步电动机供电，实现变压调速，或作为异步电动机的启动器使用。,第6章 交流/交流变换器,6.1 晶闸管交流电压控制器的类型,6.1.1 单相全控 6.1.2 带中线星形联结6.1.3 无中线的三相连接6.1.4 三角形联结的控制器,第6章 交流/交流变换器,6.1 晶闸管交流电压控制器的类型,6.1.1 单相全控 6.1.2 带中线星形联结6.1.3 无中线的三相连接6.1.4 三角形联结的控制器,第6章 交流/交流变换器,单相全控,两个反并联晶闸管,负载电压、负载功率的大小由控制角确定,通态时,断态时,第6章 交流/交流变换器,6.1 晶闸管交流电压控制器的类型,6.1.1 单相全控 6.1.2 带中线星形联结6.1.3 无中线的三相连接6.1.4 三角形联结的控制器,第6章 交流/交流变换器,带中线星形联结,三个单相交流电压控制器可组合成带中线的三相交流电压控制器,时，中线电流约等于相电流,中线电流大,第6章 交流/交流变换器,6.1 晶闸管交流电压控制器的类型,6.1.1 单相全控 6.1.2 带中线星形联结6.1.3 无中线的三相连接6.1.4 三角形联结的控制器,第6章 交流/交流变换器,无中线的三相连接,输入电流中没有3次及3的倍数次谐波,第6章 交流/交流变换器,6.1 晶闸管交流电压控制器的类型,6.1.1 单相全控 6.1.2 带中线星形联结6.1.3 无中线的三相连接6.1.4 三角形联结的控制器,第6章 交流/交流变换器,三角形联结的控制器,只适用于允许断开6根出线端子的三相负载,第6章 交流/交流变换器,6.2 单相交流电压控制器,6.2.1 电阻负载 6.2.2 电阻、电感性负载*6.2.3 PWM交流电压控制器,第6章 交流/交流变换器,6.2 单相交流电压控制器,6.2.1 电阻负载 6.2.2 电阻、电感性负载*6.2.3 PWM交流电压控制器,第6章 交流/交流变换器,单相交流电压控制器：电阻负载,利用傅立叶级数可求出基波及各次谐波。,第6章 交流/交流变换器,表6.1 不同触发角时基波V1m和3-15次谐波电压(电流)的相对值,单相交流电压控制器：电阻负载,第6章 交流/交流变换器,单相交流电压控制器：电阻负载,第6章 交流/交流变换器,电阻负载、不同触发角时基波及谐波幅值分布图,6.2 单相交流电压控制器,6.2.1 电阻负载 6.2.2 电阻、电感性负载*6.2.3 PWM交流电压控制器,第6章 交流/交流变换器,单相交流电压控制器:阻感负载,第6章 交流/交流变换器,=时：,vo、is、io均为正弦波,时，同=。,ig1、ig4必须是宽脉冲,单相交流电压控制器:阻感负载,控制角范围：,时：,第6章 交流/交流变换器,输出电压有效值Vo、负载电流有效值Io、晶闸管电流有效值IT为：,单相交流电压控制器:阻感负载,第6章 交流/交流变换器,单相交流电压控制器:阻感负载,导通角与控制角的关系曲线（以负载阻抗角为参变量）,第6章 交流/交流变换器,单相交流电压控制器:阻感负载,晶闸管电流的标么值 与控制角的关系曲线,第6章 交流/交流变换器,例题6-1,单相交流调压器控制230V交流电源的输出功率，负载电阻为23、感抗为23，求（1）角控制范围；（2）最大电流有效值；（3）最大功率和功率因数。,解（1）,（2）,时，最大电流有效值Io为：,（3）最大功率(时),在 的非正弦电流工作情况下，功率因数将小于基波相移因数。,注：,第6章 交流/交流变换器,6.2 单相交流电压控制器,6.2.1 电阻负载 6.2.2 电阻、电感性负载*6.2.3 PWM交流电压控制器,第6章 交流/交流变换器,PWM交流电压控制器,S1、S2导通时，S3、S4断开：,S3、S4导通时，S1、S2断开：,第6章 交流/交流变换器,6.3 三相全波交流电压控制器,6.3.1 三相星形联结交流电压控制器 6.3.2 三相开口三角形交流电压控制器,第6章 交流/交流变换器,6.3 三相全波交流电压控制器,6.3.1 三相星形联结交流电压控制器 6.3.2 三相开口三角形交流电压控制器,第6章 交流/交流变换器,三相Y联结电压控制器,T1-T6依序相差60触发，脉宽大于60,各相电源由负变正的过零点为计算起点,第一类工作状态：,三相同时工作，在同一时刻，每一相有一个晶闸管导电。,第二类工作状态：,二相同时工作，同一时刻仅二相各有一个晶闸管导电，第三相中的两个晶闸管都不导电。,第6章 交流/交流变换器,控制角=0，三相同时导电，180导电。,三相Y联结电压控制器,=60,：两相同时导电，120导电,区间I:,区间II:,第6章 交流/交流变换器,三相Y联结电压控制器,=120,：两相间断续导电，导电角小于120,区间I:,区间II:,第6章 交流/交流变换器,=150：完全不能导电。,三相Y联结电压控制器,工作状态小结：,：处于第一类工作状态（三相同时导电）。,：每隔30交替出现第一类和第二类工作状态。,3060,30,6090,：处于第二类工作状态（两相同时导电）,90150,：交替处于第二类工作状态和断流状态。,150,：电路全断流，不能工作。,电阻负载：控制角的调控范围为：0-150,三相阻感性负载，分析方法与单相电路相同。,第6章 交流/交流变换器,6.3 三相全波交流电压控制器,6.3.1 三相星形联结交流电压控制器 6.3.2 三相开口三角形交流电压控制器,第6章 交流/交流变换器,三相开口三角形交流电压控制器,可看作三个独立的单相电 路分别分析。,三相开口三角形电压控制器,第6章 交流/交流变换器,*6.4 变压器抽头电压控制器,k=0,1,2.,图中输出电压的包络线：OABDHKG,优点：负载电压、电流谐波可控性好，输入电流的谐波含量少,第6章 交流/交流变换器,*6.5 晶闸管相控交流交流直接变频器,6.5.1 基本工作原理 6.5.2 实用电路结构 6.5.3 交流/交流相控直接变频的优缺点,第6章 交流/交流变换器,*6.5 晶闸管相控交流交流直接变频器,6.5.1 基本工作原理 6.5.2 实用电路结构 6.5.3 交流/交流相控直接变频的优缺点,第6章 交流/交流变换器,基本工作原理,正反组单相全控桥变流器并联构成单相直接变频器。,控制正反组变流器的 随时间周期性变化。,负载输出电流与输出电压不同相位时，正反组变流器在不同时段工作在整流或有源逆变工况。,半控桥变流器不能构成交交变频器。,第6章 交流/交流变换器,基本工作原理,改善相控交交变频器输出波形的措施：,改变相控角(或)在一个脉波周期中只能得到一个输出电压平均值，因此：,相同拓扑结构的相控交交变频器输出频率越低，输出电压的脉波数越多，谐波含量越少。,输出相同频率的交交变频器，拓扑结构输入的相数越多，脉波数越多，输出电压的脉波数就越多，谐波含量越少。,第6章 交流/交流变换器,*6.5 晶闸管相控交流交流直接变频器,6.5.1 基本工作原理 6.5.2 实用电路结构 6.5.3 交流/交流相控直接变频的优缺点,第6章 交流/交流变换器,实用电路结构,三相交交变频器每相采用的晶闸管元件越多，输出波形越好,第6章 交流/交流变换器,*6.5 晶闸管相控交流交流直接变频器,6.5.1 基本工作原理 6.5.2 实用电路结构 6.5.3 交流/交流相控直接变频的优缺点,第6章 交流/交流变换器,43,6.5.3 交流交流相控直接变频的优缺点,适用范围：大功率低速可逆传动系统,第6章 交流/交流变换器,优点：,缺点：,输出频率低；,晶闸管用量多，且控制复杂；,输入功率因数低；,交流电源输入电流谐波严重，且难于抑制；,只需一级变换环节；,晶闸管工作在自然换流工况；,能量可双向传递，易实现电机的四象限运行；,低频输出时可获得较高质量的正弦电压波形。,*6.6 矩阵式交流交流变频器,6.6.0 概述6.6.1 矩阵式交交变频器的控制方法6.6.2 矩阵式交交变频器的优缺点,第6章 交流/交流变换器,*6.6 矩阵式交流交流变频器,6.6.0 概述6.6.1 矩阵式交交变频器的控制方法6.6.2 矩阵式交交变频器的优缺点,第6章 交流/交流变换器,概述,交流交流直接变频器中的半控元件晶闸管改为全控元件（如IGBT）可以构成矩阵式交交直接变频器（Matrix AC-AC Converter）,图(a)中任一开关都是双向可控开关,图(b)是构成双向开关的方案之一,对图(a)中的9个双向开关器件进行高频SPWM控制，就可获得频率、电压均可调控的三相对称的交流输出电压,第6章 交流/交流变换器,6.11(a),6.11(b),*6.6 矩阵式交流交流变频器,6.6.0 概述6.6.1 矩阵式交交变频器的控制方法6.6.2 矩阵式交交变频器的优缺点,第6章 交流/交流变换器,矩阵式交交变频器的控制方法,图6.11a中的输出电压va、vb、vc满足以下关系：,矩阵中9个开关函数表明了图6.11a中9个可控开关（18个IGBT）的工作状态,其开通、关断切换原则：,满足矩阵函数关系,不造成交流电源两相短路,不引起感性负载开路过电压,第6章 交流/交流变换器,6.11(a),*6.6 矩阵式交流交流变频器,6.6.0 概述6.6.1 矩阵式交交变频器的控制方法6.6.2 矩阵式交交变频器的优缺点,第6章 交流/交流变换器,矩阵式交交变频器的优缺点,优点：,自关断元件工作频率高，采用SPWM波工作方式可获得较理想 的正弦电压,输出波形交流输入功率因数高,交流输入电流谐波频率高，便于滤波抑制,缺点：,采用价格偏高的自关断元件,自关断元件耐冲击能力不如半控元件晶闸管,系统检测、控制复杂,第6章 交流/交流变换器,本章小结,相控晶闸管构成的交交变换器分为两类：,变压不变频的交流电压控制器(交流调压器)；,变压变频的直接变频器,单相调压器纯电阻负载晶闸管控制角范围：,电阻电感性负载晶闸管控制角范围：,三相调压器最常见的结构为：,无中线的三相连接方式,阻感性负载时具有多类工作状态,采用晶闸管的相控交交直接变频器可自然换流,主要用于大功率可逆传动系统,全可控元件(如IGBT)构成的矩阵式交交变频器性能优越,第6章 交流/交流变换器,