交交变频电路

内蒙古大学电子信息工程学院自动化系电力电子技术PowerElectronicTechnology6.1交流调压电路6.1.1单相交流调压电路6.1.2三相交流调压电路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6.3交—交变频电路6.3.1单相交—交变频电路6.3.2三相交—交变频电路第6章交流电力控制电路和交交变频电路第6章交流电力控制电路和交交变频电路引言交流-交流变流电路——一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路，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(由晶闸管)或斩控式(由全控型器件)交流调功电路及交流无触点开关——通断控制变频电路——改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的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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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——如果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,此时晶闸管作开关用6.1交流调压电路交流电力控制电路的结构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，这种电路不改变交流电的频率类型第6章交流电力控制电路和交交变频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6.1交流调压电路6.1.1单相交流调压电路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（a=0）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RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图6-1电阻负载单相交流调压电路及其波形1．电阻负载工作原理负载电压有效值(6-1)负载电流有效值晶闸管电流有效值(6-3)功率因数(6-4)aaa==2sin21dsin21121oUttUURUIoo=)22sin1(21sin221121aaa==RUtdRtUITaa====2sin211oo1ooUUIUIUSP(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)6.1.1单相交流调压电路数量关系6.1.1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。a=0时，输出电压为最大，Uo=U1。随a的增大，Uo降低，a=π时，Uo=0。λ与a的关系：a=0时，功率因数λ=1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低阻感负载时a的移相范围负载阻抗角：j=arctan(wL/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a=0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j≤a≤π图6-2阻感负载单相交流调压电路及其波形RL0.6图4-2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt6.1.1单相交流调压电路2．阻感负载6.1.1单相交流调压电路4．斩控式交流调压电路采用全控型器件作为开关器件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1RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图6-7斩控式交流调压电路u1i1O图4-8uoOOttt图6-8电阻负载斩控式交流调压电路波形工作原理特性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a=ton/T，改变a可调节输出电压6.1.2三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n负载acn'负载abca)b)负载abcc)负载bd)图4-9abcuaubuciaUa0'nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2图6-9三相交流调压电路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。a=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近6.1.2三相交流调压电路•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VT1~VT6,依次相差60°相电压过零点定为a的起点，a角移相范围是0°~150°6.2其他交流电力控制电路6.2.1交流调功电路6.2.2交流电力电子开关第6章交流电力控制电路和交交变频电路6.2.1交流调功电路•与交流调压电路的异同–电路形式完全相同–控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，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–常用于电炉的温度控制–因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以称为交流调功电路控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可通常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当M=3、N=2时的电路波形如图6-11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M电源周期控制周期=M倍电源周期=24M图4-13O导通段=2NM3M2Muou1uo,iotU12图6-11交流调功电路典型波形(M=3、N=2)6.2.1交流调功电路电阻负载时的工作情况控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后M－N个周期关断6.2.2交流电力电子开关作用：代替机械开关，起接通和断开电路的作用优点：响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断交流电力电子开关：晶闸管反并联后串入交流电路与交流调功电路的区别并不控制电路的平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IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)图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交流电力电子开关晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）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交流电力电子开关的应用–基本原理图（单相）–实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结–两个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的作用（图4-15a）–串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流–实际工程中，为避免电容器组投切造成较大冲击，一般把电容器分成几组（图4-15b），可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量–TSC实际上为断续可调的动态无功功率补偿器结构和原理晶闸管投切–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4-16usiCuCCVT1VT2ttttusiCuCVT1VT2t1t2uVT1uVT1图4-16TSC理想投切时刻原理说明6.2.2交流电力电子开关6.3交交变频电路6.3.1单相交—交变频电路6.3.2三相交—交变频电路第6章交流电力控制电路和交交变频电路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6.3交交变频电路引言6.3.1单相交交变频电路如图6-13，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ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoaP=0aP=2aP=2t图6－13单相交交变频电路原理图和输出电压波形1．电路构成和基本工作原理电路构成6.3.1单相交交变频电路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工作原理ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoaP=0aP=2aP=2t图6－13单相交交变频电路原理图和输出电压波形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o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为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制1OO23456图4-20uoiott图6-15单相交交变频电路输出电压和电流波形6.3.1单相交交变频电路6.3.2三相交交变频电路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6.3.2三相交交变频电路1)公共交流母线进线方式（图6-19）•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图6-19公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）2)输出星形联结方式（图6-20）图4-25a)b)图6-20输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图b）详图6.3.2三相交交变频电路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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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•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6.3.2三相交交变频电路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