电力电子课件第六章交流控制电路和交交变频电路.ppt

1,第6章 交流电力控制电路和交交变频电路AC to AC Converters(AC Controllers andFrequency Converters),2,交流调压电路其它交流电力控制电路交交变频电路,本章主要内容,3,把一种形式的交流变成另一种形式的交流的电路，可改变相关的电压，电流，频率和相数,变频电路,改变频率的电路,交交变频 直接 交直交变频 间接,交流电力控制电路,只改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路,交流调压电路 相位控制AC voltage controller Phase control交流调功电路 通断控制AC power controller Integral cycle control,AC to AC Converters,4,Classification of AC to AC Converters,5,原理Principle 两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电力，不改变交流电频率,电路图,应用Application灯光控制Lighting control（如调光台灯和舞台灯光控制)异步电动机软起动Soft-start of asynchronous motors异步电动机调速Adjustable speed drive of asynchronous motors供用电系统对无功功率的连续调节Reactive power control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,AC Voltage Controllers交流调压电路,6,电阻负载Resistive load,电路结构：两个晶闸管可用一双向可控硅代替 时刻为电源电压过零时刻,在交流电源的正负半周，分别控制两个晶闸管开通，正负半周触发角相等负载电压波形是电源电压波形的一部分,Single-phase AC voltage controller,7,u,电阻负载Resistive load,Single-phase AC voltage controller,移相范围(The phase shift range)为,负载电压有效值RMS value of output voltage,负载电流有效值RMS value of output current,8,u,电阻负载Resistive load,Single-phase AC voltage controller,流过晶闸管的电流有效值 RMS value of thyristor current,电路功率因数 Power factor of the circuit,9,u,电阻负载Resistive load,输出电压与的关系:时，输出电压为最大 Uo=U1,随 a 的增大，Uo降低，a=时，Uo=0,功率因数与 a 的关系:a=0时，功率因数=1，a 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低,Single-phase AC voltage controller,10,若将晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为，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,阻感负载Inductive load,u1 u,阻感负载单相交流调压电路及其波形,负载阻抗角：,VT1,Single-phase AC voltage controller,11,时刻开通晶闸管VT1，负载电流应满足,当 时 当 时,Single-phase AC voltage controller,利用边界条件 时 可求得,12,单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线,以阻抗角为参变量a 和 的关系如右图,Single-phase AC voltage controller,13,单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线,j,=90,0,.,1,0,.,2,0,.,3,0,.,4,0,.,5,160,180,0,40,120,80,75,60,45,j,=0,a,/,(,),I,VTN,负载电流有效值,IVT的标么值,Single-phase AC voltage controller,14,稳态情况和 一样,时阻感负载交流调压电路工作波形,当阻感负载,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,Single-phase AC voltage controller,15,谐波分析Harmonic analysis,电阻负载Resistive load,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,图4-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,Single-phase AC voltage controller,16,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a 角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减少,阻感负载inductor-resistor load,谐波分析Harmonic analysis,Single-phase AC voltage controller,17,斩控式交流调压电路,图4-7 斩控式交流调压电路,在交流电源u1的正半周,用V1进行斩波控制,用V3给负载电流提供续流通道,单相交流调压电路,18,斩控式交流调压电路,图4-7 斩控式交流调压电路,在交流电源u1的负半周,用V2进行斩波控制,用V4给负载电流提供续流通道,单相交流调压电路,19,特性,图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形,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,单相交流调压电路,20,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,图4-9 三相交流调压电路,三相交流调压电路,21,三相四线基本原理：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。a=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近，在选择线径和变压器时一定要注意,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,三相交流调压电路,22,三相三线，电阻负载,图4-9 三相交流调压电路a)星形联结,任一相导通需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，与三相全控桥 式整流电路不同,三相交流调压电路,23,三相三线，电阻负载,图4-9 三相交流调压电路a)星形联结,三相电压控制器中，触发角改变，电路有两种不同的工作状态 第一类工作状态：三相同时工作状态，即同一时刻，每相有一个晶闸管导电，任一时刻同时有三个管子导电 第二类工作状态：两相同时工作状态，既同一时刻，仅两相各有一个管子导电，第三相的两个管子都不导电,三相交流调压电路,24,a=0，各晶闸管均可看作二极管，承受正向电压管子导通,三相交流调压电路,25,任何时刻每相有一个管子导通，三相电压直接接到三相电阻，电压电流及管子导电都是三相对称，电源电压中性点与负载电压中性点等电位,三相交流调压电路,26,0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a,图4-10 不同a 角时负载相电压波形 a)a=30,三相交流调压电路,27,60 a 90：两管导通，每管导通120,图4-10 不同a角时负载相电压波形 b)a=60,三相交流调压电路,28,90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002a,图4-10 不同a角时负载相电压波形 c)a=120,三相交流调压电路,29,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,三相交流调压电路,30,支路控制三角联结电路,图49三相交流调压电路,c)支路控制三角形联结,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,三相交流调压电路,31,谐波情况,c)支路控制三角形联结,图49三相交流调压电路,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 线电流中所含谐波次数为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,三相交流调压电路,32,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,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,三相交流调压电路,33,图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路,图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a)=120 b)=135 c)=160,三相交流调压电路,34,交流调功电路AC power controller交流电力电子开关Electronic AC switch,其他交流调压电路,35,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,交流调功电路,36,电阻负载时的工作情况,图4-13 交流调功电路典型波形(M=3、N=2),图41电阻负载单相交流调压电路,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,交流调功电路,37,谐波情况,图4-14交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2),右图为频谱图（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在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大,交流调功电路,38,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,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,交流电力电子开关,39,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,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,交流电力电子开关,40,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,图4-16 TSC理想投切时刻原理说明,交流电力电子开关,41,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,图4-16 TSC理想投切时刻原理说明,交流电力电子开关,42,单相交交变频器三相交交变频器,交交变频电路,43,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,单相交交变频电路,44,电路构成和基本工作原理,图4-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,电路构成由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同变流器P和N都是相控整流电路,单相交交变频电路,45,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w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,图4-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,单相交交变频电路,46,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,单相交交变频电路,47,整流与逆变工作状态,图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,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，就可把电路等效成正弦波交流电源和二极管的串联,单相交交变频电路,48,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,图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,单相交交变频电路,49,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,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,单相交交变频电路,50,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,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,单相交交变频电路,51,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各种交流交流变流电路的主要应用,本章小结,