AC AC变换电路解读课件.ppt
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1、1,第六章 AC-AC变换电路,第五节 矩阵变换器,第四节 交-交变频电路,第三节 三相交流调压电路,第二节 单相交流调压电路,第一节 交流开关及应用,引言,第六节 单相交流调压电路的仿真,2,引 言,交-交变流电路:一种形式的交流变成另一种形式交流的电路,可改变电压、电流、频率和相数等。交流电力控制电路:只改变电压、电流或控制电路的通断,不改变频率;1. 交流调压电路相位控制(或斩控式);2. 交流调功电路及交流无触点开关通断控制。变频电路:改变频率,大多不改变相数,也有改变相数的;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;1. 晶闸管交交变频电路2. 矩
2、阵式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。,3,内容提要与目的要求,掌握交流调压器的基本类型、用途和电路,简要分析单、三相交流调压电路.理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能,掌握交交变频电路(周波变换器)的原理及电路,分析其优缺点。重点:交交变频电路(周波变流器)的原理及电路,4,第一节 交流开关及应用,一、交流电力电子开关,交流开关及应用,二、交流调功电路,5,一、交流电力电子开关,将晶闸管反并联串入交流电路如图6-1所示,代替电路中的机械开关,起接通和断开电路的作用,称为交流电力电子开关,也称为无触点开关。与机械开关比,它具有开
3、关响应速度快,无触点(无电弧火花),寿命长,可频繁控制通断的优点。当触发信号送至晶闸管时可使电路在一个周期的任何时刻接通,但采用相位控制触发方式,会使电路中的正弦波出现缺角,而含较大的高次皆波。所以常用的是过零触发,即晶闸管在电压为零或零附近的瞬间接通,利用电流小于维持电流关断,这时开关对外界的电磁干扰最小。,6,将电力电子开关(多为双向晶闸管)和其控制电路封装在一起构成无触点通断组件称为固态开关(Solid State Suitch),简称SSS,它包括固态继电器(Solid State Relay,SSR)和固态接触器(Solid State Cantactor,SSC)。固态开关一般采用
4、环氧树脂封装,具有体积小,工作频率高的特点,适用于频繁操作或有腐蚀性易燃,多粉尘的场合。,7,二、交流调功电路,交流调动电路的形式和图6-1相同,控制方式也是通断控制,不过其控制目的是为了控制电路的平均输出功率。而交流电力电子开关并不去控制电路的平均输出功率,通常也没有明确的控制周期,交流电力电子开关只是根据需要接通或断开电路。,8,交流调动电路将负载和交流电源接通几个整周期,再断开几个整周期,通过改变接通周期数和断开周期数的比例来调节负载上的平均功率通常控制晶闸管的导通时刻都是在电源电压过零的时刻,这样,在交流电源接通期间,负载电压为正弦波,不会对电网电压造成谐波污染。图6-2为交流调功电路
5、的典型波形,设控制固期为M倍的电源周期,其中晶闸管在前N个周期导通,在后M-N个周期关断。,9,第二节 单相交流调压电路,10,交流电力控制电路的结构及类型两个晶闸管反并联后串联在交流电路中,控制晶闸管就可控制交流电力;交流调压电路每半个周波控制晶闸管开通相位,调节输出电压有效值;交流调功电路以交流电周期为单位控制晶闸管通断,改变通断周期数的比,调节输出功率的平均值;交流电力电子开关并不着意调节输出平均功率,而只是根据需要接通或断开电路。,11,交流调压电路的应用:灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制);异步电动机软起动;异步电动机调速;供用电系统对无功功率的连续调节;在高压小电流或低压大电流直
6、流电源中,用于调节变压器一次电压。,12,一、电阻负载,1.工作原理:在 u1的正半周和负半周,分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压;正负半周a 起始时刻(a =0)均为电压过零时刻,稳态时,正负半周的a 相等;负载电压波形是电源电压波形的一部分,负载电流(也即电源电流)和负载电压的波形相同。,图6-3 电阻负载单相交流调压电路及其波形,13,2.数量关系 负载电压有效值(6-1) 负载电流有效值: (6-2) 晶闸管电流有效值(6-3): 功率因数(6-4):,图6-3 电阻负载单相交流调压电路及其波形,14,输出电压与 的关系:移相范围为0 。 =0时,输出电压为最大,
7、 Uo=U1。随a的增大,Uo降低, =时, Uo =0。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。,15,1、工作原理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 。,图6-4 阻感负载单相交流调压电路及其波形,二、阻感负载,16,阻感负载时的工作过程分析在t= a时刻开通VT1,负载电流满足 (6-5)解方程得(6-6)式中 ,为晶闸管导通角利用边
8、界条件:t = a +时io =0,可求得: (6-7) VT2导通时,上述关系完全相同,只是io极性相反,相位差180,图6-8 单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线,17,确定其移相范围: 此时 , 则 。由此可知正负半波电流断续,且愈大,愈小,波形断续愈严重,但此时交流电压可调。其波形如图6-4所示 。= 此时 , 则 。由此可知正负半波电流临界连续,负载上获得最大功率。波形如图6-5所示。,18, 此时 , 则 。这种情况下设在t= 时刻触发VT1,则VT1的导通时刻超过。到 t=+时刻触发VT2时,由于负载电流i0尚未到零,VT1仍导通,VT2承受反压不能导通。等VT1中电流变
9、为零而关断,若触发脉冲为窄脉冲,虽然此时VT2开始承受正向电压,由于ug2脉中已消失,所以VT2无法导通。第三个半周ug1又触发VT1管,这样负载电流只有正半波,电流出现很大的直流分量,电路不能正常工作。波形如图6-6所示,这样在 时,晶闸管不能用窄脉冲触发,而应采用宽脉冲或脉冲列。,19,这样VT2在VT1关断后仍能导通,不过刚开始时两管的电流波形不对称但是在指数分量的衰减过程中VT1的导通时间逐渐缩短,VT2的导通时间逐渐延长,当指数分量衰减到零后,VT1和VT2的导通时间均趋近到,其稳态工作情况和 时完全相同,宽脉冲时波形如图6-7所示。综合分析可知:单相交流调压电路带阻感性负载时角够相
10、范围为。,20,2.参数计算负载电压有效值 (6-8)晶闸管电流有效值 (6-9),21,负载电流有效值 (6-10) IVT的标么值 (6-11),图6-9 单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线,22,电阻负载的情况波形正负半波对称,所以不含直流分量和偶次谐波 (6-12)式中,三、单相交流调压电路的谐波分析,23,(n=3,5,7,) (n=3,5,7,)基波和各次谐波有效值 (n=1,3,5,7,) (6-13)负载电流基波和各次谐波有效值 (6-14)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)如图6-10所示,图6-10 电阻负载单相交流调压电
11、路基波和谐波电流含量,24,阻感负载的情况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 角相同时,随着阻抗角j 的增大,谐波含量有所减少,25,一般采用全控型器件作为开关器件工作原理基本原理和直流斩波电路有类似之处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 可调节输出电压,四、斩控式交流调压电路,26,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
12、谐波,只含和开关周期T有关的高次谐波功率因数接近1,图6-11 斩控式交流调压电路,图6-12 电阻负载斩控式交流调压电路波形,27,二、三相三线式联结,一、三相四线式星形联结,三、三相交流调压电路的主要技术指标和电路特点比较,第三节 三相交流调压电路,一,二,三,28,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6-13 三相交流调压电路,29,星形联结电路可分为三相三线和三相四线两种情况三相四线(如图6-13(a)所示 )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
13、。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应用:在选择线径和电源变压器时应考虑这一问题。一般大容量设备不采用这种电路。,一、三相四线式星形联结,30,三相三线,电阻负载时的情况(电路如图6-13(b)(c)所示 )因为没有零线,要构成回路必须有两相同时导通,与三相全控整流电路一样应采用宽脉冲或双窄脉冲触发;同一相上两个反并联晶闸管触发脉冲相180 ;三相上同向的晶闸管触发脉冲彼此相差120 ;触发脉冲顺序为VT1 VT0,依次相差600 ;触发脉中的上范围0 150。,二、三相三线式联结,31,根据晶闸管导通情况以及电流是否连续可将0150的移相范围分为以下几种情
14、况: (1)0 60:三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(2)60 90:两管导通,每管导通120(3)90 150:两管导通与无晶闸管导通交替,导通角度为3002 ,图6-14 不同a角时负载相电压波形a) a =30 b) a =60 c) a =120,32,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,33,支路控制三角联结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
15、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,34,三、三相交流调压电路的主要技术指标和电路特点比较,六种厂相交流调压电路的主要技术指标和电路特点的比较,在实际应用中应根据负载的性能要求进行选择。,35,典型用例晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled ReactorTCR)a移相范围为90180控制a角可连续调节流过电抗器的电流,从而调节无功功率配以固定电容器,就可在从容
16、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,36,图6-00 晶闸管控制电抗器(TCR)电路,图6-01 TCR电路负载相电流和输入线电流波形a) a=120 b) a=135 c) a=160,37,第四节 交-交变频电路,38,本节讲述:晶闸管交交变频电路,也称周波变流器(Cycloconvertor)交交变频电路直接将一种频率的交流电变成另一种频率或可调频率的交流电,不通过中间直流环节,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,实用的主要是三相输出交交变频电路。
17、交-交变频电路根据控制角的不同规律,其输出可获得正弦波、矩形波或梯形波,这里主要介绍正弦波交-交变频器。,39,一、单相交-交变频电路,1电路构成和基本工作原理电路构成如图6-15,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,图6-15 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,40,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;为使uo波形接近正弦波,可
18、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。,41,整流与逆变工作状态阻感负载为例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6-16a所示的正弦波交流电源和二极管的串联设负载阻抗角为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,42,图6-16 理想
19、化交交变频电路的整流和逆变工作状态,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,43,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 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,工作状态,图6-16 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,44,介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法 设U
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