null电 力 电 子 技 术
Power Electronic Technology电 力 电 子 技 术
Power Electronic Technology交交变频交交变频电路交交变频电路本节讲述:晶闸管交交变频电路,也称周波变流器(Cycloconvertor)
交交变频电路——把电网频率的交流电变成可调频率的交流电,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单相交交变频电路单相交交变频电路1. 电路构成和基本
工作原理
数字放映机工作原理变压器基本工作原理叉车的结构和工作原理袋收尘器工作原理主动脉球囊反搏护理
图4-18 单相交交变频
电路原理
通信电路原理答案变频空调电路原理图变频空调维修电路原理变频空调通讯电路原理运放差分放大电路原理
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。
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。
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。
单相交交变频电路单相交交变频电路为使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。单相交交变频电路单相交交变频电路2.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,就可把电路等效成下图所示的正弦波交流电源和二极管的串联。单相交交变频电路单相交交变频电路输出电流滞后输出电压负载阻抗角。
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。
t1~t3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。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单相交交变频电路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。单相交交变频电路单相交交变频电路 当uo和io的相位差小于90°时,一周期内电网向负载提供能量的平均值为正,电动机工作在电动状态。
当二者相位差大于90°时,一周期内电网向负载提供能量的平均值为负,电网吸收能量,电动机为发电状态。
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, uo >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 单相交交变频电路单相交交变频电路3.输出正弦波电压的调制方法余弦交点法(以三相桥式为例)
设Ud0为a=0时整流电路的理想空载电压,则有
(4-15)
每次控制时a角不同,
表示每次控制间隔内uo的平均值。设期望的正弦波输出电压为
(4-16)
比较式(4-15)和(4-16),应使
(4-17)
γ 称为输出电压比: 单相交交变频电路单相交交变频电路图4-21 余弦交点法原理余弦交点法基本公式
(4-18)
余弦交点法图解
线电压uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 ~ u6表示。
相邻两个线电压的交点对应于a =0。单相交交变频电路单相交交变频电路u1~u6所对应的同步信号分别用us1~us6表示
us1~us6比相应的u1~u6超前30°,us1~us6的最大值和相应线电压a =0的时刻对应。
物理意义:三相桥式每60 °换相一次,整流电压为线电压的6脉波组成,当a =0时,应是线电压60 °~120 °段,导通角比90 °超前30 °。
问题:若是三相半波组成P组和N组,同步信号超前电源信号多少?图4-21 余弦交点法原理null希望输出电压为uo,则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1~us6的下降段和uo的交点来决定。图4-21 余弦交点法原理单相交交变频电路null不同γ 时,在uo一周期内,a随wot变化的情况。图中,
γ 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
图4-22 不同g时a和wot的关系
单相交交变频电路单相交交变频电路单相交交变频电路4.输入输出特性
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;
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1/3~1/2。电网频率为50Hz时,交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。
单相交交变频电路单相交交变频电路2) 输入功率因数
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
输出电压比γ越小,半周期内a的平均值越靠近90°,位移因数越低
负载功率因数越低,输入功率因数也越低图4-23 单相交交变频电路的功率因数三相交交变频电路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。1) 电路接线方式公共交流母线进线方式
输出星形联结方式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。三相交交变频电路三相交交变频电路(1)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)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。三相交交变频电路三相交交变频电路 (2) 输出星形联结方式图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。三相交交变频电路三相交交变频电路图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。三相交交变频电路三相交交变频电路图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路
a)简图 b)详图和整流电路一样,同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通。
两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度,以保证同时导通。三相交交变频电路三相交交变频电路2. 输入输出特性
输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的。输入电流
总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到。
有些谐波相互抵消,谐波种类有所减少,总的谐波幅值也有所降低。200t/ms输出电压单相输出时 U相输入电流三相输出时 U相输入电流200t/ms200t/ms图4-26 交交变频电路的输入电流波形三相交交变频电路三相交交变频电路 谐波频率为 (4-21)
和 (4-22)
式中k=1,2,3,…l=0,1,2,…。
采用三相桥式电路时,输入谐波电流的主要频率为fi±6fo、5fi 、5fi±6fo 、 7fi 、 7fi±6fo 、 11fi 、 11fi±6fo fi±12fo等。其中5fi次谐波的幅值最大。200t/ms输出电压单相输出时 U相输入电流三相输出时 U相输入电流200t/ms200t/ms图4-26 交交变频电路的输入电流波形三相交交变频电路三相交交变频电路输入功率因数
三相总输入功率因数应为
(4-23)
三相电路总的有功功率为各相有功功率之和
但视在功率却不能简单相加,而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算,比三相各自的视在功率之和要小
三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路,但总功率因数仍偏低三相交交变频电路三相交交变频电路3.改善输入功率因数和提高输出电压基本思路
各相输出的是相电压,而加在负载上的是线电压。
在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量,它们都不会在线电压中反映出来,因而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。
直流偏置
负载电动机低速运行时,变频器输出电压很低,各组桥式电路的a角都在90°附近,因此输入功率因数很低。
给各相输出电压叠加上同样的直流分量,控制角a 将减小,但变频器输出线电压并不改变。三相交交变频电路三相交交变频电路交流偏置
梯形波输出控制方式。
使三组单相变频器的输出均
为梯形波(也称准梯形波),
主要谐波成分是三次谐波。
在线电压中三次谐波相互抵消,
线电压仍为正弦波。
因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域(即梯形波的平顶区),a角较小,因此输入功率因数可提高15%左右。
与正弦波相比,在同样幅值的情况下,梯形波中的基波幅值可提高15%左右。因此采用梯形波输出控制方式可使变频器的输出电压提高15%。图4-27 梯形波控制方式的理想输出电压波形三相交交变频电路三相交交变频电路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三相交交变频电路 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。