电力电子技术课课件.ppt

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1、引言 6.1 交流调压电路 6.2 其他交流电力控制电路 6.3 交交变频电路 本章要点,第6章 交流-交流变流电路,1,电力电子技术课,引言,交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。 交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环节）和间接方式（有中间直流环节）两种。 直接方式 交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路。 变频电路：改变频率的电路。,2,电力电子技术课,6.1 交流调压电路引言,把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。 交流电力控制电路 交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开

2、通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。 交流调功电路：以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。 交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。 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。,3,电力电子技术课,6.1.1 单相交流调压电路(重点) 6.1.2 三相交流调压电路,6.1 交流调压电路,返回,4,电力电子技术课,6.1.1 单相交流调压电路,图6-1 电阻负载单相交流调压电路及其

3、波形,电阻负载 工作过程 在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。 基本的数量关系 负载电压有效值Uo,负载电流有效值Io,晶闸管电流有效值IT,功率因数,(6-1),(6-2),(6-3),(6-4),5,电力电子技术课,6.1.1 单相交流调压电路,VT1,图6-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形,阻感负载 工作过程 若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。 设负载的阻抗角为 ，稳态时的移相范围应为。 在t=时刻开通晶闸管VT1，可求得导通角，即,的移相范围为0，

4、随着的增大，Uo逐渐降低，逐渐降低。,(6-7),6,电力电子技术课,6.1.1 单相交流调压电路,图6-3 单相交流调压电路以 为参变量的和关系曲线,以为参变量，利用式(6-7)可以把和的关系用图6-3的一簇曲线来表示。,基本的数量关系 负载电压有效值Uo,晶闸管电流有效值IVT,(6-8),(6-9),负载电流有效值Io,(6-10),7,电力电子技术课,6.1.1 单相交流调压电路,时的工作情况 VT1的导通时间超过。 触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不会导通，io过零后，VT2才可开通，VT2导通角小于。 io有指数衰减分量，在指数分量衰减过程中，VT1导通时间渐短，V

5、T2的导通时间渐长。,图6-5 时阻感负载交流调压电路工作波形,8,电力电子技术课,6.1.1 单相交流调压电路,例6-1 一单相交流调压器，输入交流电压为220V，50Hz，负载为电阻电感，其中R=8W，XL=6 W。试求=/6、/3时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数。 解：负载阻抗及负载阻抗角分别为：,因此开通角的变化范围为：,即,当=/6时，由于,因此晶闸管调压器全开放，输出电压为完整的正弦波，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为,9,电力电子技术课,6.1.1 单相交流调压电路,功率因数为,实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。, 时，先计算晶闸管的导通角，由式（6

6、-7）得,解上式可得晶闸管导通角为：,10,电力电子技术课,6.1.1 单相交流调压电路,11,电力电子技术课,6.1.1 单相交流调压电路,单相交流调压电路的谐波分析 带电阻负载时，对负载电压uo进行谐波分析,式中,(n=3,5,7,),(n=3,5,7,),(6-12),12,电力电子技术课,基波和各次谐波有效值 负载电流基波和各次谐波有效值 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）如图所示：,电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,6.1.1 单相交流调压电路,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

7、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 -当a 角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减少,电力电子技术课,6.1.1 单相交流调压电路,图6-7 斩控式交流调压电路,斩控式交流调压电路 工作原理 用V1，V2进行斩波控制，用V3，V4给负载电流提供续流通道。 设斩波器件（V1，V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比 =ton/T ，通过改变来调节输出电压。,图6-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形,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。,特性,14,电力电子技术课,6.1.

8、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,返回,15,电力电子技术课,6.1.2 三相交流调压电路,星形联结电路 分为三相三线和三相四线两种情况。 三线四相 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，3的整数倍次谐波是同相位的，不能在各相之间流动，全部流过零线。 当=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。 三相三线带电阻负载时的工作原理 任一相导通须和另一相构成回路，因此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VT1 VT6,依次

9、相差60。,图6-9 a)星形联结,16,电力电子技术课,6.1.2 三相交流调压电路,(1)0 a 60 三管导通与两管导通交替，每管导通180a 。但a =0时一直是三管导通。,图6-10 不同a角时负载相电压波形 a) a =30,电力电子技术课,6.1.2 三相交流调压电路,图6-10 不同a角时负载相电压波形 b) a =60,电力电子技术课,6.1.2 三相交流调压电路,图6-10 不同a角时负载相电压波形 c) a =120,(3)90 a 150 两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 a。,电力电子技术课,6.1.2 三相交流调压电路,图6-9 三相交流调压电路 b)

10、支路控制三角形联结,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。 谐波分析 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)。 在相同负载和角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。,20,电力电子技术课,6.2 其他交流电力控制电路,6.2.1 交流调功电路 6.2.2 交流电力电子开关,返回,21,电力电子技术课,6.2.1 交流调功电路,交流调功电路与交流调压电路的异同比较,相同点 电路形式

11、完全相同 不同点 控制方式不同 交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形进行控制。 交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。,返回,22,电力电子技术课,电阻负载时的工作情况,2,p,N,图61电阻负载单相交流调压电路,6.2.1 交流调功电路,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。,返回,23,电力电子技术课,谐波情况,0,12,14,谐波次数,相对于电源频率的倍数,图6-14交流调功电路的 电流频谱图(M =3、N =2),2,4,

12、6,10,8,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,0,5,1,2,3,4,I,n,/,I,0m,6.2.1 交流调功电路,图6-14的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值， Io为导通时电路电流幅值。 以电源周期为基准，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。,返回,24,电力电子技术课,6.2.2 交流电力电子开关,交流电力电子开关：把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。 优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。 与交流调功电路的区别 并不控制电路的平

13、均输出功率。 通常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得多。,25,电力电子技术课,晶闸管投切电容（Thyristor Switched CapacitorTSC）,图6-15 TSC基本原理图 a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图,6.2.2 交流电力电子开关,作用 对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。 性能优于机械开关投切的电容器。 结构和原理 晶闸管反并联后串入交流电路。 实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。,返回,26,电力电子技术课,晶闸管的投切 选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容

14、器预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流。 理想情况下，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6-16 TSC理想投切时刻原理说明,6.2.2 交流电力电子开关,返回,27,电力电子技术课,TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式,6.2.2 交流电力电子开关,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。 成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。,图6-16 TSC理想投切时刻原理说明,返回,28,电力电子技术课,6.3 交交变频电路,6.3.1 单相

15、交交变频器 6.3.2 三相交交变频器,返回,29,电力电子技术课,6.3.1 单相交交变频器,晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)。 把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，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，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。,返回,30,电力电子技术课,1) 电路构成和基本工作原理,图6-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,6.3.1 单相交交变频器,电路构成 如图6-18，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。,返回

16、,31,电力电子技术课,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。,图6-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,6.3.1 单相交交变频器,返回,32,电力电子技术课,为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a 角进行调制。,6.3.1 单相交交变频器,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

17、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。,返回,33,电力电子技术课,交交变频电路是一种直接变频电路。 和交直交变频电路比较，优点是 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，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。 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。 交交变频电路主要用于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、卷扬机等场合获得了较多的应用，既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。,6.3.1 单相交交变频器,34,电力电子技术课,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、工作原理和 输入输出特性； (6) 各种交流交流变流电路的主要应用；,返回,35,电力电子技术课,