第5章交流变换电路.ppt

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1、5-1,第5章 交流变换电路,概述 5.1 交流调压电路 5.2 交流调功电路 5.3 交流电力电子开关 5.4 交交变频电路,5-2,概述,交流变换电路：把交流电能的参数（幅值、频率、相数）加以转换的电路。,第5章 交流变换电路引言,5-3,5.1 交流调压电路,3、交流调压电路应用：,电炉的温度控制 灯光调节（如舞台灯光控制）异步电机软起动 异步电机调速 调节整流变压器一次侧电压,2、交流调压的实现方法：通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。,1、交流调压电路:是用来变换交流电压幅值（或有效值）的电路。,5-4,单相交流调压器主电路特点：,1）电源

2、正半周：T1触发导通，电源的正半周施加到负载上；2）电源负半周：T2触发导通，电源负半周便加到负载上；3）电源电压过零：T1、T2交替触发导通，电源电压全部加到负载；4）关断T1、T2：电源电压不能加到负载上。,5.1.1 单相交流调压电路,图5.1.1 单相交流调压器电路,T1、T2 构成无触点交流开关。,单向交流电压电路的工作情况与它的负载性质有关,5-5,1）电源电压正半周：晶闸管T1承受正向电压，当t=时，触发T1使其导通，负载上得到缺角正弦半波电压；2）电源电压过零：T1管电流下降为零而关断；3）电源电压负半周：晶闸管T2承受正向电压，当t=+时，触发T2使其导通，则负载上又得到了缺

3、角的正弦负半波电压。持续这样控制，在负载电阻上便得到每半波缺角的正弦电压；,图5.1.1 电阻性负载时单向交流电压电路及输出电压波形,改变角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。,1、电阻性负载工作原理：,5.1.1 单相交流调压电路,5-6,电阻性负载数量关系：,（5.1.1）,负载电压的有效值,负载电流的有效值,（5.1.2）,调压器的功率因数,（5.1.3）,图5.1.1电阻性负载时单向交流电压电路及输出电压波形,总结：随着角的增大，U0逐渐减小。当=时，U0=0。因此，单相交流电压器对于电阻性负载，其电压可调范围为 0U，控制角的移相范围为0。,5.1.1 单相交流调压电路,5-7,单

4、相交流调压电路带电阻负载时，输出电压波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波，故,电阻性负载谐波分析：,基波和各次谐波有效值：,负载电流基波和各次谐波有效值：,在上面关于谐波的表达式中 n=1为基波，n=3,5,7,为奇次谐波。随着谐波次数n的增加，谐波含量减少。,(5.1.4),(n=3,5,7,),5.1.1 单相交流调压电路,5-8,感性负载（R-L负载）,图5.1.2 带阻感负载单向交流调压电路及输出波形,单相交流电压器带阻感负载时，工作情况同可控整流电路带电感负载相似；当电源电压反向过零时，负载电感产生感应电动势阻止电流的变化，故电流不能立即为零；晶闸管的导通角的大小与控制角a、

5、负载阻抗角都有关。,5.1.1 单相交流调压电路,VT1,5-9,阻感负载的工作情况分析：,晶闸管T1导通时，负载电流IO满足：,(5.1.7),式中,利用边界条件：，i0=0 可求得：,(5.1.8),（为晶闸管的导通角）,T2导通时，上述关系完全相同，只是iO相差1800,图5.1.3 单相交流调压器以为参变量时与a的关系曲线,5.1.1 单相交流调压电路,5-10,1、，导通角1800，正负半波电流断续。愈大，愈小，波形断续愈严重。,负载电压的有效值UO、晶闸管电流平均值IdT、电流有效值IT以及负载电流有效值IO分别为：,(5.1.9),(5.1.10),(5.1.12),(5.1.1

6、1),调压电路的工作情况（、=、）,5.1.1 单相交流调压电路,5-11,2、=,可得：,=1800,此时，晶闸管轮流导通，相当于晶闸管被短接。负载电流处于连续状态，为完全的正弦波。,由,(5.1.8),5.1.1 单相交流调压电路,5-12,1）如果采用窄脉冲触发，会出现先触发的一只晶闸管导通，而另一只管子在电流下降为零时，因其门极脉冲已经消失不能导通的失控现象。回路中将出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。,2）采用宽脉冲或脉冲列触发，使第二个晶闸管的导通角。即可使两个晶闸管的导通角=1800达到平衡。解决失控现象。,3、1800,5.1.1 单相交流调压电路,aj时阻感负载交

7、流调压电路工作波形,5-13,图5.1.4窄脉冲触发时的工作波形,总结：当 时，并采用宽脉冲触发，负载电压、电流总是完整的正弦波，改变控制角a,负载电压、电流的有效值不变，即电路失去交流调压的作用。在电感负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角（负载的功率因数角）。所以 的移相范围为1800,5.1.1 单相交流调压电路,5-14,1）电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7 等次谐波；2）随着次数的增加，谐波含量减少；3）和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含 量少一些；4）a 角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所 减少；,单相交流电压器带阻感负载时电流谐波分析：,5.1.1

8、单相交流调压电路,5-15,5.1.2 三相交流调压电路,1、三相四线制调压电路特点：,图5.1.5(a)三相四线制调压电路,1）相当于三个独立的单相交流调压电路组合而成的；2）存在中性线，但是3次谐波在中线中的电流大，故中线的导线截面要求与相线一致；3）晶闸管的门极触发脉冲信号，同相间两管的触发脉冲要互差180。4）各晶闸管导通顺序为T1T6，依次滞后间隔60；5）因存在中线，可采用窄脉冲触发；,5-16,图5.1.5(a)三相四线制调压电路,6）该电路工作时，零线上谐波电流较大，含有三次谐波，控制角a=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。若变压器采用三柱式结构，则三次谐波磁通不能在

9、铁心中形成通路，产生较大的漏磁通，引起发热和噪音。7）该电路中晶闸管上承受的峰 值电压为(为线电压)。,5.1.2 三相交流调压电路,5-17,2、三相三线制交流调压电路 的特点：,图5.1.5(b)三相三线制交流调压电路,1）每相电路必须通过另一相形成回路；2）负载接线灵活，且不用中性线；3）晶闸管的触发电路必须是双脉冲，或者是宽度大于600的单脉冲；4）触发脉冲顺序和三相全控桥一样，为T1T6，依次间隔600；5）电压过零处定为控制角的起点，a角移相范围是0150；6)输出谐波含量低,无3倍次谐波；,5.1.2 三相交流调压电路,5-18,图5.1.6(a)a=30 时负载相电压波形,(1

10、)0a60 时，三个晶闸管导通与两个晶闸管导通交替，每管导通180a。但a=0时一直是三管导通，,3、三相三线制交流调压电路改变，电路中晶闸管的导电模式：,图5.1.6(a)所示a=30时的负载电压波形。,5.1.2 三相交流调压电路,5-19,图5.1.6(b)a=60 时负载相电压波形,(2)60a90时，两管导通，每管导通120；,3、三相三线制交流调压电路改变 a，电路中晶闸管的导电模式：,图5.1.6(b)所示为a=60时 负载电压波形。,5.1.2 三相交流调压电路,5-20,图5.1.6(c)a=120 时负载相电压波形,(3)90a 150时，两管导通与无晶闸管导通交替，导通角

11、度为3002a，,3、三相三线制交流调压电路改变 a，电路中晶闸管的导电模式：,图5.1.6(c)所示为a=120时 的负载电压波形。,5.1.2 三相交流调压电路,5-21,5.2 交流调功电路,1、与调压电路的比较：,同,电路形式完全相同,异,控制方式不同：以交流电源周波数为控制单位,对电路通断进行控制，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。,应用,电炉的温度控制,交流调功电路直接调节对象是电路的平均输出功率；控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制；晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。,5-22,5.2 交流调功电

12、路,2、电阻负载时的工作情况,2,p,N,图5.1.1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。,5-23,3、谐波分析：,图5.2.2为以控制周期为基准的交流调功电路的频谱图，In为n次谐波有效值，Io为导通时电路电流幅值；,图5.2.2 交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2),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。,5.2 交流调功电路,5-24,5.3 交流电力电子开关,1）作用,将晶闸管反并联后串入交流电路代替

13、机械开关，起接通和断开电路的作用；,2）优点,3）特点（与交流调功电路的区别）,只控制通断，并不控制电路的平均输出功率 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,1）响应速度快、无触点寿命长、可频繁控制通断；2）控制晶闸管总是在电流过零时关断，在关断时不会因负载或线路电感存储能量而造成过电压和电磁干扰；,5-25,晶闸管投切电容器（Thyristor Switched CapacitorTSC）,图5.3.1 TSC基本原理图,1）代替机械开关投切电容器，对电网无功进行控制 2）提高功率因数、稳定电网电压、改善用电质量 3）是一种很好的无功补偿方式,特

14、点：,5.3 交流电力电子开关,5-26,1、电路结构和工作原理（晶闸管反并联）,图5.3.1 TSC基本原理图,2）反并联的晶闸管控制C并入电网或从电网断开，如图5.3.1（a）。,1）实际常用三相TSC，可三角形联结，也可星形联结。,3）串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流。,4）为避免电容器组投切造成较大电流冲击，一般把电容器分成几组，如图5.3.1(b)所示，可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量。,电路特点：,5.3 交流电力电子开关,5-27,2、晶闸管投切时间的选择,1）选择原则：投入时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，防止冲击电流。,2）理想选择：理想情况

15、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5.3.3 TSC理想投切时刻原理说明,5.3 交流电力电子开关,5-28,图5.3.3 晶闸管和二极管反并联方式的TSC,1）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；2）二极管不可控，响应速度要慢一些，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。,1、电路结构和工作原理（晶闸管和二极管反并联）,电路特点：,5.3 交流电力电子开关,5-29,5.4 交交变频电路,交交变频电路是不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率（低于交流电源频率）交流电的变

16、流电路。,主要用于大功率交流电动机调速系统。,1）定义,2）应用,5-30,5.4.1 单相输出交交变频电路,1、电路结构和工作原理,1）电路结构,由具有相同特征的两组晶闸管整流电路（正组整流器和反组整流器）反并联构成；,图5.4.1 单相输出交交变频电路,2）工作原理,图5.4.2 单相交流输入时交交变频电路的波形图,正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；,负组整流器工作，正组整流器被封锁，负载端得到输出电压上负下正；,以低于电源的频率切换正反组整流器的工作状态,在负载端就可获得交变的输出电压；（如图5.4.2）晶闸管的开通与关断必须采用无环流控制方式，防止两组晶闸管桥

17、同时导通；,5-31,3）电路控制特点：,（1）一个周期内控制角a固定不变时，输出电压为含有大量的谐波矩形波,(如图5.4.2)对电机的工作很不利,图5.4.2 单相交流输入时交交变频电路的波形图,图5.4.3交交变频电路 的波形图（a变化）,（2）为了让输出电压波形接近正弦波，可按正弦规律对a进行调制。,正组工作的半个周期内让控制角a按正弦规律从90逐渐减小到0，然后逐渐增加到90。正组整流电流的输出电压的平均值就按正弦规律变化，从零增大到最大,然后从最大减小到零。反组工作的半个周期内采用上述同样的控制方法，就可以得到接近正弦波的输出电压。如图5.4.3,5.4.1 单相输出交交变频电路,5

18、-32,2、变频电路的工作过程（电感性负载）,对于电感性负载，输出电压超前电流。,一个周期可以分为六个阶段,第一阶段：输出电压过零，u0为正，i00，反组整流器工作在有源逆变状态，正组整流器被封锁；,图5.4.1 单相输出交交变频电路,图5.4.4 交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形,5.4.1 单相输出交交变频电路,5-33,2、变频电路的工作过程（电感性负载）,图5.4.4 交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形,第二阶段：电流过零。为无环流死区；,图5.4.1 单相输出交交变频电路,第三阶段：i00，u00。正组整流器工作在整流状态，反组整流器被封锁。,5.4.1 单

19、相输出交交变频电路,5-34,第四阶段：i00，u00。正组整流器工作有源逆变状态，反组整流器仍被封锁；,第五阶段：电流为零，为无环流死区；,第六阶段：i00,u00，反组整流器工作在整流状态，正组整流器被封锁；,图5.4.4 交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形,图5.4.1 单相输出交交变频电路,5.4.1 单相输出交交变频电路,5-35,小结：,1、哪组整流器电路工作是由输出电流决定，而与输出电压极性无关；2、变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定；,图5.4.4 交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形,图5.4.1 单相输出交

20、交变频电路,5.4.1 单相输出交交变频电路,5-36,3、输出正弦波电压的控制方法（“余弦波交点法”）,设Ud0为a=0时整流电路的理想空载电压，则有：,（5.4.1）,希望输出的正弦波电压为,（5.4.2）,每次控制时a不同，u0为每个控制间隔输出的平均电压,比较式（5.4.1）与（5.4.2），则使,（5.4.4）,g 称为输出电压比：,，,式（5.4.4）为余弦交点法求 角的基本公式。,5.4.1 单相输出交交变频电路,5-37,图5.4.5 余弦交点法,2)相邻两个线电压的交点对应于a=0；3）u1-u6所对应的同步信号分别用us1-us6表示；4）us1-us6比相应的u1-u6超

21、前30，us1-us6的最大值和相应线电压a=0的时刻对应；,4、余弦交点法图解,6）各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1-us6的下降段和输出电压uo的交点来决定；,1）线电压uAB、uAC、uBC、uBA、uCA和uCB依次用u1-u6表示；,5）a=0为零时刻，则us1-us6为余弦信号；,5.4.1 单相输出交交变频电路,5-38,不同g 时，在u0一周期内，a随变化的情况如图5.4.6，图中,图5.4.6 不同g 时a 和w0t 变化的情况,g 较小，即输出电压较低时，a只在离90很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低；,5.4.1 单相输出交交变频电路,5-39,由三组输出电

22、压相位各相差1200的单相交交变频电路组成。,电路接线形式主要：1）公共交流母线进线方式 2）输出星形联结方式,交交变频器主要用于交流调速系统中，实际使用的主要是三相交交变频器。,5.4.2 三相输出交交变频电路,5-40,1、公共交流母线进线方式,图5.4.7公共交流母线进线方式 的三相交交变频电路原理图,由三组彼此独立的，输出电压相位相互错开1200的单相交-交变频电路组成。,电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。,电源进线端公用,故三相单相变频电路的输出端必须隔离，为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，同时引出六根线。,主要用于中等容量的交流调速系统。,5.4.2 三相输出交交变频电

23、路,5-41,2、输出星形联结方式,图5.4.8输出星形联结方式的三相交交变频电路原理图,三组的输出端和电动机的 三个绕组都是星形联结；,电动机中点和变频器中点接在一起，电动机只引三根线即可；,三组单相变频器连接在一起，其电源进线必须隔离，所以分别用三个变压器供电；,由于变频器输出中点不和负载中点相联结，所以在构成三相变频器的六组桥式电路中，至少要有不同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；,同一组桥内的两个晶闸管靠双脉冲保证同时导通。两组桥之间依靠足够的脉冲宽度来保证同时有触发脉冲。,5.4.2 三相输出交交变频电路,5-42,5.4.3 交交变频电路输出频率上限的限制,输

24、出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就要增加从而使输出电压波形畸变。,一般的，交流电路采用6脉波的三相桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50HZ，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。,5-43,5.4.4 交交变频器的优缺点,优点,只有一次变流，且使用电网换相，提高了变流效率；可以很方便的实现四象限工作；低频时输出波形接近正弦波；,缺点,接线复杂，使用的晶闸管数目较多；受电网频率和交流电路各脉冲数的限制，输出频率低；采用相控方式，功率因数较低；,基于以上的优缺点：交交变频器主要用于500kW或1000kW以上，转速在600r/min以下的大功率低转速的交流调速装置中。目前已在矿石碎机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及扎机主传动装置中获得了较多的应用。它既可用于异步电动机传动，也可以用于同步电动机传动,