电力电子第六章第二十讲

电力电子技术PowerElectronics第6章AC－AC变换器1234概述交流调压电路交流电力控制电路基本内容交－交变频电路AC-AC变换：把一种形式的交流电变换成另一种形式的交流电，可以是电压幅值的变换、频率或相数的变换，能实现这种变换的电路称为AC-AC变换器或AC-AC变换电路。根据变换参数的不同，可以分为交流调压电路、交流电力控制电路和交－交变频电路。交流调压电路一般采用相位控制，其特点是维持频率不变，仅改变输出电压的大小，它广泛应用于电炉温度控制、灯光调节、异步电机的软启动和调速等场合。此外，在高压或低压大功率直流电源中，也常用交流调压电路调节变压器一次电压。在这种电路中如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联，这都是十分不合理的。若采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都适中，而在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。6.1概述学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路6.1概述相控式交流调压电路的应用相控式交流调压电路的一个典型应用就是异步电机的软启动，其主电路原理图如图(a)所示。在高压大功率直流电源中，常利用交流调压电路调节变压器一次电压，而在变压器二次侧用二极管整流，如图(b)所示。(a)异步电动机软启动(b)高压直流电源MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714128459484_0学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路在一些大惯性环节中，例如温度控制有时也采用通断控制，这种电路称交流调功电路。通断控制一般在交流电压的过零点接通或关断，加在负载上是整数倍周期的交流电，在接通期间负载上承受的电压与流过的电流均是正弦波，与相位控制相比，对电网不会造成谐波污染，仅仅表现为负载通断。交流电子开关一般也采用通断控制，用来替代交流电路中的机械开关，主要用于投切交流电力电容器以控制电网的无功功率。交流调功电路和交流电子开关通称交流电力控制电路。6.1概述学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路交—交变频电路也称直接变频电路(或周波变流器)，是不通过中间直流环节把某一频率（如电网频率）的交流电直接变换成不同频率的交流电的变换电路，包括相控式交－交变频电路和PWM交－交变频电路，主要用于大功率交流电机调速系统。另外还有一种变频电路称交－直－交变频电路，它是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，这种通过直流中间环节的变频电路也称间接变频电路，间接变频电路不属于本章的范围。6.1概述学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路交流调压就是把固定的交流电变成幅值（有效值）可调的交流电。利用自耦变压器可以实现这一目的，输入输出电压波形如图6-1(a)所示但自耦变压器需要通过手动或电动机拖动调节碳刷位置来达到调节输出电压的目的，这种调压方案碳刷易损坏。从图6-1(a)看出，这种调压方式输出电压与输入电压波形形状相同，只是幅值不同。6.2交流调压电路图6-1（a）自耦变压器交流调压方案学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路实际上，为了实现调节电压还可以利用电力电子器件的通断可以把正弦输入电压的正负半波都对称地切去一块，如图6-1(b)、(c)所示。对图6-1(b)、(c)所示的交流调压模式，只要在交流回路中串联一只可控双向开关，并在相应时刻控制其开通或关断即可。6.2交流调压电路（a）自耦变压器交流调压方案（b）相控式交流调压方案（c）斩控式交流调压方案图6-1交流调压的几种方案比较学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路如图6-1(b)所示，可用两只反并联的晶闸管或双向晶闸管实现可控双向开关，利用改变晶闸管触发脉冲的相位来调节输出电压，故这种调压电路称为相控式交流调压电路。如图6-1(c)所示，一般用全控型器件实现可控双向开关，在图中阴影部分的时间内关断开关，在其他时间内接通开关，这种调压电路与直流斩波电路工作原理类似，故称为斩控式交流调压电路。以下就交流相控式调压电路与斩控式交流调压电路进行分析。6.2交流调压电路图6-1（c）斩控式交流调压方案学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路1）单相相控式交流调压电路相控式交流调压电路的工作情况和负载性质有很大的关系，下面就电阻性负载和电感性负载分别讨论。（1）电阻性负载单相相控式交流调压电路电阻性负载电路图如图6-2(a)所示，加在该电路输入端的电源为正弦交流电。在交流电源的正负半周分别在ωt=α和ωt=π+α时刻触发晶闸管VT1和VT2，从而得到负载两端的电压波形如图6-2(b)所示。6.2.1相控式交流调压电路（a）电阻负载单相交流调压电路（b）电阻负载单相交流调压工作波形学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路每个晶闸管均在对应的交流电压过零点关断，晶闸管的控制触发角为α，导通角为θ=π-α。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，晶闸管也只在两个晶闸管均关断时才承受电压。由此可知，当晶闸管的控制触发角为α时，负载两端的电压有效值Uo为6.2.1相控式交流调压电路（a）电阻负载单相交流调压电路（b）电阻负载单相交流调压工作波形6-1学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路由式6-1知，当α=0时，输出电压Uo=U为最大，当α=π时，Uo=0，因此该电路在电阻负载下触发脉冲的移相范围为0≤α≤π。输出电压随α的增大而减小，功率因数也随α的增大而减小。流过负载中的电流有效值Io为6.2.1相控式交流调压电路6-2流过晶闸管中电流有效值IVT为6-3电路输入侧的功率因数为6-4学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路（2）阻感性负载当负载中感抗L与电阻R相比不可忽略时，该负载即认为是阻感性负载，如图6-3(a)所示。由于电感的作用，负载电流滞后于负载电压，也就是说当负载电压（电源电压）下降到零，负载中的电流并不下降到零，晶闸管在电压过零后不关断，直到电感中能量全部释放完，电感（负载）中的电流下降到零，晶闸管才关断，对应的电路工作波形如图6-3(b)所示。6.2.1相控式交流调压电路学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路（a）阻感负载单相交流调压电路设负载阻抗角=arctan(ωL/R)，晶闸管的控制触发角为α，则当在ωt=α时刻触发开通晶闸管VT1，负载电流应满足如下微分方程和初始条件：解方程得6.2.1相控式交流调压电路6-5（α≤ωt≤α+θ）6-6其中为稳态分量；为暂态分量。式中，θ为晶闸管导通角。学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路利用边界条件：ωt=α+θ时io=0，可求得θ：6.2.1相控式交流调压电路6-7VT2导通时，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差180°。在这种情况下，负载电压有效值Uo为6-8负载电流有效值Io为6-9学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路流过晶闸管中的电流有效值IVT为6.2.1相控式交流调压电路6-10由式6-7得，当 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 及输入输出特性的分析和结论大多适用于三相输出交－交变频电路。单相输出交－交变频电路简称单相交－交变频电路，三相输出交－交变频电路简称三相交－交变频电路。学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路变流器P和N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流为正，N组工作时，负载电流为负。让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，就可以改变输出频率。学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路按比例改变变流电路工作时的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值。ZPN输出电压平均输出电压OuouoaP=0aP=p2aP=p2wt6.4.1相控交－交变频电路在半个周期内让P组α角按线性规律从90°减到0°或某个值，再线性增加到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。图6-19相控单相交交变频电路阻感负载时的输出电压、电流波形学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路交交变频电路的负载可以是阻感负载、电阻负载、阻容负载或交流电动机负载。以阻感负载为例，因为负载电流滞后电压，所以两组变流装置在一个工作周期内的工作状态即整流工作状态与逆变工作状态不断变化。如图6-20所示，第I阶段，uo、io均为正，P组工作在整流状态，N组工作在待逆变状态；图6-20相控单相交交变频电路的工作状态变化情况学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路第II阶段，uo为负、io为正，P组工作在逆变状态，N组工作在待整流状态；第III阶段，uo、io均为负，N组工作在整流状态，P组工作在待逆变状态；第IV阶段，uo为正、io为负，N组工作在逆变状态，P组工作在待整流状态。这种分析也适用于交流电动机负载。图6-20相控单相交交变频电路的工作状态变化情况学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路哪一组工作由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。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，则有每次控制时a角不同，表示每次控制间隔内uo的平均值。6.4.1相控交－交变频电路设期望的正弦波输出电压为γ称为输出电压比：余弦交点法原理6.4.1相控交－交变频电路余弦交点法基本 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 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。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？余弦交点法原理6.4.1相控交－交变频电路希望输出电压为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。6.4.1相控交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路交交变频电路的输出电压是由许多段电网电压拼接而成的。输出电压一个周期内包含的电网电压段数越多，输出电压波形就越接近正弦波。每段电网电压的平均持续时间是由变流电路的脉波数决定的。因此，当输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压的段数就减少，波形畸变就严重。电压波形畸变以及由此产生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。当然，构成交交变频电路的两组交流电路的脉波数越多，输出上限频率就越高。就常用的三相桥式电路而言，一般情况下，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。学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路2）三相相控交－交变频电路相控式交交变频电路的实用电路是三相输出的交交变频电路，三相输出的交交变频电路是由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成的。单相输出交交变频电路的分析方法和结论大多适用于三相输出交交变频电路。三相交交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线联结方式，如图6-22(a)所示和输出星形联结方式，如图6-22(b)所示。图6-22相控三相交交变频电路的两种接线方式(b)(a)学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路（1）公共交流母线进线方式由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120°的单相交交变频电路构成，它们的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，所以三组单相交交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，共引出六根线。这种电路主要用于中等容量的交流调速系统。学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路图6-22(a)相控三相交交变频电路的两种接线方式(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。6.4.1相控交－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。6.4.1相控交－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。6.4.1相控交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路相控三相交交变频电路的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。但输入功率的谐波和功率因数与单相交交变频电路有所差别。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。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，而应该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小。因此，三相交交变频电路总输入功率因数要高于单相交交变频电路，但总的来说还是较低的。相控三相交交变频电路输入平均功率因数较低的原因，主要是由于其输出电压较低特别是在输出电压过零附近，控制触发角a较大，使得输入平均功率因数很低。学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路提高输入平均功率因数的主要方法就是提高输出电压，特别是半周期内的平均电压，这样可减小控制触发角α，从而提高输入平均功率因数。对于如图6-22(a)所示的输出星形联结的三相交交变频电路，每组单相交交变频电路输出的电压为相电压，加在负载上的电压为线电压。对于星形联结的电源，若在每相电源中叠加直流和零序电压分量，由于直流和零序电压分量在线电压中是相互抵消的，因此在线电压中不反映出来，当然就不会加到负载上。图6-22(a)相控三相交交变频电路的两种接线方式学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路如在相电压中叠加直流电压分量——直流偏置法，会使得输出电压的正半波平均电压增大，对提高输入平均功率因数有好处但是负半波平均电压将以同样幅度减小，因而又降低了输入平均功率因数。常用的办法是在输出相电压叠加三次谐波——交流图6-23梯形波输出控制方式下的输出电压波形偏置法，也就是通常所说的梯形波输出控制方式，即使三组单相变频器的输出均为梯形波（也称准梯形波），如图6-23所示。学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路因为梯形波中的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，而变流器较长时间工作在高输出电压区域（即梯形波的平顶区），角较小，因此输入功率因数可得到明显的提高。图6-23梯形波输出控制方式下的输出电压波形学习指导6.1概述6.2交流调压电路6.2.1相控式交流调压电路6.2.2斩控式交流调压电路6.3交流电力控制电路6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电子开关6.4交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路6.4.2矩阵式交－交变频电路