第四章_交流电力控制电路和交交变频电路_.ppt

电力电子技术,第4章交流电力控制电路和交交变频电路,第4章交流电力控制电路和交交变频电路,概述4.1交流调压电路4.1.1单相交流调压电路4.1.2三相交流调压电路4.2其他交流电力控制电路4.2.1交流调功电路4.2.2交流电力电子开关4.3交交变频电路4.3.1单相交交变频电路4.3.2三相交交变频电路4.4矩阵式变频电路本章小结,第4章第3页,概述,交流-交流变流电路一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，可改变相关的电压、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，不改变频率交流调压电路相位控制（或斩控式），4.1节交流调功电路及交流无触点开关通断控制，4.2节变频电路改变频率，大多不改变相数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，4.3节2.矩阵式变频电路，4.4节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，8.1节,,,■,第4章第4页,4.1交流调压电路,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的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.,,,■,第4章第5页,4.1交流调压电路,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流电源中，用于调节变压器一次电压,,,■,第4章第6页,,4.1.1单相交流调压电路,1．电阻负载工作原理在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（a0）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4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形,显示放大图）,,,■,第4章第7页,4.1.1单相交流调压电路,数量关系负载电压有效值4-1负载电流有效值4-2晶闸管电流有效值4-3功率因数4-4,图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形,显示放大图）,,,■,第4章第8页,4.1.1单相交流调压电路,输出电压与a的关系移相范围为0≤a≤π。a0时，输出电压为最大，UoU1。随a的增大，Uo降低，aπ时，Uo0。λ与a的关系a0时，功率因数λ1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低,,,■,第4章第9页,4.1.1单相交流调压电路,2．阻感负载阻感负载时a的移相范围负载阻抗角jarctanwL/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j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a0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j≤a≤π,图4-2阻感负载单相交流调压电路及其波形,显示放大图,,,■,第4章第10页,4.1.1单相交流调压电路,阻感负载时的工作过程分析在ωta时刻开通VT1，负载电流满足4-5解方程得4-6式中,θ为晶闸管导通角利用边界条件ωtaθ时io0,可求得θ4-7VT2导通时，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差180,图4-3单相交流调压电路以a为参变量的θ和a关系曲线,显示放大图,,,■,第4章第11页,数量关系负载电压有效值4-8晶闸管电流有效值4-9,4.1.1单相交流调压电路,,,■,第4章第12页,负载电流有效值4-10IVT的标么值4-11,图4-4单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线显示放大图）,4.1.1单相交流调压电路,,,■,第4章第13页,aj时的工作情况VT1提前导通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过π触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不通io过零后，VT2开通，VT2导通角小于π方程式4-5和4-6所得io表达式仍适用，只是a≤ωt∞过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωtaaj时合闸的过渡过程相同io由两个分量组成正弦稳态分量、指数衰减分量,4.1.1单相交流调压电路,,,■,第4章第14页,衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长稳态的工作情况和aj时完全相同,图4-5aj时阻感负载交流调压电路工作波形显示放大图）,4.1.1单相交流调压电路,,,■,第4章第15页,4.1.1单相交流调压电路,4．斩控式交流调压电路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aton/T，改变a可调节输出电压,,,■,第4章第16页,4.1.1单相交流调压电路,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4-7斩控式交流调压电路显示放大图）,图4-8电阻负载斩控式交流调压电路波形显示放大图）,,,■,第4章第17页,4.1.2三相交流调压电路,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a星形联结b线路控制三角形联结c支路控制三角形联结d中点控制三角形联结显示放大图）,,,■,4.2其他交流电力控制电路,第4章第18页,4.1.2三相交流调压电路（自学）,1．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。a90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近,,,■,第4章第19页,4.1.2三相交流调压电路（自学）,三相三线，电阻负载时的情况任一相导通须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VT1VT6,依次相差60相电压过零点定为a的起点，a角移相范围是0150,,,■,第4章第20页,4.1.2三相交流调压电路（自学）,10≤a60三管导通与两管导通交替，每管导通180－a。但a0时一直是三管导通260≤a0，正组整流第6段io0，uo0，为反组整流,4.3.1单相交交变频电路（自学）,,,■,第4章第40页,uo和io的相位差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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,4.3.1单相交交变频电路（自学）,,,■,第4章第41页,4.3.1单相交交变频电路（自学）,3．输出正弦波电压的调制方法介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法设Ud0为a0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，uo表示每次控制间隔内uo的平均值期望的正弦波输出电压为4-16比较式4-15和4-16，应使4-17g称为输出电压比,,,■,,第4章第42页,4.3.1单相交交变频电路（自学）,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u1u6表示相邻两个线电压的交点对应于a0,图4-21余弦交点法原理显示放大图）,,,■,第4章第43页,4.3.1单相交交变频电路（自学）,u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示us1us6比相应的u1u6超前30，us1us6的最大值和相应线电压a0的时刻对应以a0为零时刻，则us1us6为余弦信号希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6的下降段和uo的交点来决定,图4-21余弦交点法原理显示放大图）,,,■,第4章第44页,4.3.1单相交交变频电路（自学）,不同g时，在uo一周期内，a随wot变化的情况。图中，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,图4-22不同g时a和wot的关系显示放大图）,,,,■,第4章第45页,4.3.1单相交交变频电路（自学）,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就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz,,,■,第4章第46页,4.3.1单相交交变频电路（自学）,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g越小，半周期内a的平均值越靠近90负载功率因数越低，输入功率因数也越低不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后,图4-23单相交交变频电路的功率因数显示放大图）,,,■,第4章第47页,4.3.2三相交交变频电路（自学）,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．电路接线方式主要有两种公共交流母线进线方式和输出星形联结方式,,,■,第4章第48页,4.3.2三相交交变频电路（自学）,1公共交流母线进线方式（图4-24）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,图4-24公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）显示放大图）,,,■,第4章第49页,4.3.2三相交交变频电路（自学）,2输出星形联结方式（图4-25）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,图4-25输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图b）详图显示放大图）,,,■,第4章第50页,4.3.2三相交交变频电路（自学）,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,,,■,第4章第51页,4.3.2三相交交变频电路（自学）,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，称交直交变频电路和交直交变频电路比较，交交变频电路的优点只用一次变流，效率较高可方便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波缺点是接线复杂，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,,,■,第4章第52页,4.3.2三相交交变频电路（自学）,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，频谱复杂应用主要用于500kW或1000kW以下的大功率、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,,,■,第4章第53页,,4.3.2三相交交变频电路（自学）,,,■,P1315题单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不同答它们的组成是相同的，均由两组反并联的可控整流电路组成。但两者的功能和工作方式不同1）单相交交变频电路是将交流电变成不同频率的交流电，通常用于交流电动机传动，两组可控整流电路在输出交流电压一个周期里，交替工作各半个周期，从而输出交流电。2）而直流电动机传动用的反并联可控整流电路是将交流电变成直流电，两组可控整流电路中哪一组工作并没有固定交替关系，而是由电动机工作状态的需要决定。,,第4章第54页,,4.3.2三相交交变频电路（自学）,,,■,P1316题交交变频电路的最高输出频率是多少制约输出频率提高的因素是什么答一般来讲，构成交交变频电路的两组交流电路的脉波数越多，最高输出频率就越高。当采用6脉波三相桥式整流电路时，最高输出频率不应高于电网频率的1/3到1/2。当电网频率为50Hz时，交交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。当输出频率增高时，输出电压一周期所包含的电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要原因。,,第4章第55页,,4.3.2三相交交变频电路（自学）,,,■,P1317题交交变频电路的主要特点和不足是什么其主要用途是什么（P127）答特点只用一次变流，效率较高；可方便实现四象限工作；低频输出时的特性接近正弦波。不足1）接线复杂，如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；2）受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；3）输出功率因数较低；4）输入电流谐波含量大，频谱复杂。主要用途500千瓦或1000千瓦以下的大功率低转速的交流调速电路，如轧钢机主传动装置、鼓风机、球磨机等场合,,第4章第56页,4.4矩阵式变频电路,直接变频电路所用开关器件是全控型的控制方式不是相控方式而是斩控方式拓扑图4-28a所示三相输入电压为ua、ub和uc图4-28三相输出电压为uu、uv和uw9个开关器件组成33矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路MatrixConverterMC或矩阵变换器图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向可控开关，图4-28b给出了应用较多的一种开关单元,,,■,第4章第57页,4.4矩阵式变频电路,优点输出电压为正弦波输出频率不受电网频率的限制输入电流也可控制为正弦波且和电压同相功率因数为1，也可控制为需要的功率因数能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高,,,■,第4章第58页,4.4矩阵式变频电路,要使矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的两个基本问题如何求取理想的调制矩阵s开关切换时如何实现既无交叠又无死区现状尚未进入实用化，主要原因所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较高，控制方法还不算成熟输出输入最大电压比只有0.866，用于交流电机调速时输出电压偏低,,,■,第4章第59页,4.4矩阵式变频电路,十分突出的优点有十分理想的电气性能和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽多用了6个开关器件，却省去了直流侧大电容，将使体积减小，且容易实现集成化和功率模块化在器件制造技术飞速进步和计算机技术日新月异的今天，矩阵式变频电路将有很好的发展前景,,,■,第4章第60页,本章小结,本章的要点如下1交流交流变流电路的分类及其基本概念；2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；3三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；4交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；5晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理；6矩阵式交交变频电路的优点及不足；7各种交流交流变流电路的主要应用。,,,■,第4章第61页,4.3交交变频电路,作业P1314-1、4-3,,,■,第4章第62页,图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形,返回,第4章第63页,图4-2阻感负载单相交流调压电路及其波形,返回,,,,,第4章第64页,图4-3单相交流调压电路以a为参变量的θ和a关系曲线,返回,第4章第65页,图4-4单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线,返回,第4章第66页,图4-5aj时阻感负载交流调压电路工作波形,返回,第4章第67页,返回,图4-6电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,第4章第68页,返回,图4-7斩控式交流调压电路,第4章第69页,返回,图4-8电阻负载斩控式交流调压电路波形,第4章第70页,,a星形联结b线路控制三角形联结c支路控制三角形联结d中点控制三角形联结,返回,图4-9三相交流调压电路,第4章第71页,,返回,第4章第72页,,,,,,,,,,1a302a603a120,图4-10不同a角时负载相电压波形,返回,第4章第73页,图4-11晶闸管控制电抗器TCR电路,返回,第4章第74页,图4-12TCR电路负载相电流和输入线电流波形,aa120ba135ca160,返回,第4章第75页,图4-13交流调功电路典型波形M3、N2,返回,第4章第76页,图4-14交流调功电路的电流频谱图M3、N2,返回,第4章第77页,图4-15TSC基本原理图,a基本单元单相简图b分组投切单相简图,返回,第4章第78页,图4-16TSC理想投切时刻原理说明,返回,放电,充电,放电,充电,第4章第79页,图4-17晶闸管和二极管反并联方式的TSC,返回,第4章第80页,图4-18单相交交变频电路原理图和输出电压波形,返回,,,,第4章第81页,图4-19理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,返回,a,b,第4章第82页,图4-20单相交交变频电路输出电压和电流波形,返回,第4章第83页,图4-21余弦交点法原理,返回,第4章第84页,图4-22不同a时a和wot的关系,返回,第4章第85页,图4-23单相交交变频电路的功率因数,返回,第4章第86页,图4-24公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）,返回,第4章第87页,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,返回,第4章第88页,图4-26交交变频电路的输入电流波形,返回,第4章第89页,图4-27梯形波控制方式的理想输出电压波形,返回,第4章第90页,图4-29构造输出电压时可利用的输入电压部分,,a单相输入b三相输入构造输出相电压c三相输出构造输出线电压,返回,,图2-53两组变流器的反并联可逆线路,,返回,