第6章电力电子技术

1第6章AC/AC变换6.1交流调压电路（单相、三相）6.2交流电力控制电路6.3交-交变频电路6.4矩阵变频电路2第6章AC/AC变换AC/AC变换是一种将交流电能幅值或频率直接加以转换的交流-交流电力变换技术。只改变交流电压大小或对电路实现通断而不改变频率的控制，称为交流调压和交流调功或交流开关控制。应用于交流电动机的调压调速、降压启动、调温、调光、电气设备的交流无触点开关等。从一种频率交流电直接变换成另一种频率交流电的变换控制称之为交-交变频。这种交流-交流的变频是不通过中间直流环节，也称交-交直接变频，或称为周波变换器、周期变换器。主要应用于交流电动机的变频调速。36.1交流调压电路把交流开关S串联在交流电路中，通过对S的控制实现对交流正、负半周的对称控制，实现输出电压的调整。S一般为两个晶闸管反并联或双向晶闸管。交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。46.1交流调压电路交流调压电路的控制方式有三种：整周波通断控制、相位控制和斩波控制。56.1交流调压电路（1）整周波通断控制在交流电压过零时刻开通或关断交流开关S，使负载电路与交流电源接通几个周波、关断几个周波通过改变导通、关断周波数的比值，实现调节输出电压大小输出电压断续，一般用于电炉调温、交流功率调节等。66.1交流调压电路（2）相位控制在交流电源正、负半周，在相同的移相角下，开通交流开关S。负载为正、负半周对称的交流电压波形。相位控制方式简单，能连续调节输出电压大小。但输出电压波形非正弦，低次谐波含量大。76.1交流调压电路（3）斩波控制利用脉宽调制技术，将交流电压波形斩控成脉冲列改变脉冲的占空比可调节输出电压能连续调节输出电压大小，波形中只含有高次谐波含量，基本克服通断控制、相位控制的缺点。斩波频率较高，交流开关S一般要采用高频自关断器件。86.1.1相控单相交流调压电路6.1.1相控单相交流调压电路电路的工作状况与带负载性质有关。1．电阻性负载（1）工作原理电压过零时刻=0。在ωt=时，VT1触发导通，uo与ui波形相同，当ωt=π时，ui过零，负载电流io也为零，VT1自然关断。96.1.1相控单相交流调压电路在ωt=π+时，VT2触发导通，uo与ui波形相同当ωt=2π时，电源电压过零，VT2自然关断。稳态时，正负半周的相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分负载电流和负载电压的波形相似。106.1.1相控单相交流调压电路（2）数量关系负载电压有效值Uo为负载电流有效值Io为11sin212ooUUIRR2sin21sin211210UtdtUU交流电路输入功率因数为111sin22ooooUIUPSUIU12siniuUt116.1.1相控单相交流调压电路晶闸管电流有效值IVT为2112sin11sin224VTUtUIdtRR电阻负载时，的移相范围为π。126.1.1相控单相交流调压电路（3）谐波分析根据图可知，输出电压uo为：)sin(201tUuuioktkktk5,3,1)sincos(nnnotnbtnauuo正、负半波对称，不含直流分量和偶次谐波，傅里叶级数表示式中0)()cos()(2tdtntuaon0)()sin()(2tdtntubon136.1.1相控单相交流调压电路n=1，由此得到基波电压系数：)12(cos2211Ua)(22sin2211Ub基波电压幅值U1m为2/)2cos1(2sin)()(22121211UbaUm146.1.1相控单相交流调压电路n次谐波电压系数：....)7,5,3(]1)1[cos(11]1)1[cos(1121nnnnnUan)....7,5,3()1sin(11)1sin(1121nnnnnUbnn次谐波电压幅值Unm为22nnnmbaU基波和n次谐波电压有效值、电流有效值,...)7,5,3,1(2122nbaUnnnRUInn156.1.1相控单相交流调压电路电阻负载，电流与电压波形相同。电源电流谐波特点：谐波次数越低，谐波幅值越大。3次谐波的最大值出现在=90°时，幅值约占基波分量的0.3倍。5次谐波的最大值出现在=60°和=120°的对称位置。,...)7,5,3,1(2122nbaUnnn根据式电压基波和各次谐波的标幺值随变化的曲线，其中基准电压为=0时的基波电压有效值U1。166.1.1相控单相交流调压电路2．电感电阻性负载（1）工作原理晶闸管的触发控制方式与电阻负载时相同。电路中负载阻抗角φ=arctan(ωL/R)。176.1.1相控单相交流调压电路由于电感的作用，负载电流io在电源电压过零后，延迟一段时间才能降到0延迟时间与负载阻抗角φ有关。电流过零时晶闸管才能关断晶闸管的导通角θ与控制角，负载阻抗角φ有关。186.1.1相控单相交流调压电路阻感负载时的工作过程分析：在ωt=时刻开通VT1，负载电流满足如下微分方程及初始条件。0sin2ddo1ootitURitiL解方程得tan111222()()()sin()sin()toUUitititteZZ式中22)(LRZθ为晶闸管导通角≤ωt≤+θ196.1.1相控单相交流调压电路负载电流io由两部分叠加，即稳态分量)sin(211tZUi暂态分量tan12)sin(2teZUi利用边界条件：ωt=+θ时io=0，可求得θ：tansin()sin()e206.1.1相控单相交流调压电路以φ为参变量，可得到晶闸管导通角,f通过曲线可得到导通角θ。例如，当φ=30°，=60°时，查曲线，可得晶闸管的导通角θ≈146°。216.1.1相控单相交流调压电路根据、φ大小关系，θ角和电路运行状态不同。1）当=φ时，0)sin(2tan12teZUi)sin(211tZUiio负载电流只有稳态分量i1可解得导通角θ=π，电流连续。电路一开通就进入稳态，调压电路处于直通状态，不起调压作用，uo=ui。tansin()sin()e226.1.1相控单相交流调压电路2）当φ≤π时，稳态分量i1导通角为π，暂态分量i2为负值，故晶闸管导通角小于π。tan12)sin(2teZUi236.1.1相控单相交流调压电路当从π逐步减少时，θ逐步加大，直至接近π。负载电压有效值Uo也从0增大到接近电源电压有效值U1。246.1.1相控单相交流调压电路3）当0φ且触发为单窄脉冲稳态分量i1导通角为π，暂态分量i2为正值，故θπ。tan12)sin(2teZUiVT1与VT2的触发脉冲相位相差π触发VT2时VT1仍为导通，VT2不能开通。当电流过零VT1关断后，VT2的触发脉冲已经消失，因此VT2还是不能开通。256.1.1相控单相交流调压电路下一个周期，VT1重复导通，负载电流单方向。与单相半波整流的情况完全一样，这将使整个回路中有很大的直流分量电流，它会对交流电机类负载及电源变压器的运行带来严重危害。266.1.1相控单相交流调压电路4）当0φ触发脉冲为宽脉冲或脉冲列时当负载电流过零、VT1关断后，VT2的触发脉冲依然存在，VT2能接着导通，电流能一直保持连续。首次开通所产生的电流自由分量，在衰减到零以后，只存在稳态分量i1。由于电流连续，uo=ui，调压器直通。276.1.1相控单相交流调压电路综上所述，电感电阻性负载时，的移相范围为φ≤≤π，电压有效值调节范围为0~U1。为避免φ时出现电流直流分量，触发脉冲应采用宽脉冲或脉冲列。实际应用时，触发脉冲通常采用后沿固定在π的宽脉冲（一般为高频调制脉冲），通过改变前沿来调节控制角。286.1.1相控单相交流调压电路（2）数量关系负载电压有效值Uo为211112sin[sin2sin(22)]oUUtdtU负载电流有效值Io为cos)2cos(sin)()sin(2)sin(211211ZUtdezUtZUItgto晶闸管电流有效值Ivt为2oVTII296.1.1相控单相交流调压电路（3）谐波分析电阻电感负载下，电源电流谐波特点：谐波次数与电阻负载时相同，只含有3、5、7…等奇次谐波。谐波次数越低，谐波幅值越大。和电阻负载时相比，谐波电流含量要少些，在角相同时，随阻抗角φ的增大，谐波含量有所减少306.1.2相控三相交流调压电路6.1.2相控三相交流调压电路三相交流调压电路：三个单相调压电路接在对称的三相电源上，互差2/3相位工作根据三相连接形式不同，三相交流调压电路具有多种形式。a)带中性线Y联接b)Y联接c)支路控制的Δ联接316.1.2相控三相交流调压电路a）带有中性线的Y联接每相的工作过程与单相交流调压电路完全一样。三相中的3倍频谐波电流的相位相同，中性线流过相当大的三次谐波电流，=90°时，零线电流和相电流的有效值接近。故很少采用。326.1.2相控三相交流调压电路b）为无中性线的Y联接，又称线路控制Y联接，它的波形正负对称，负载中及线路中都无三次谐波电流，因此得到广泛的应用。336.1.2相控三相交流调压电路c）支路控制的Δ联接，又称内三角连接带负载的单相交流调压电路跨接在线电压上，每相工作与单相交流调压电路相同3及3倍频的谐波电流在三角形内自成环流流通，故线电流中将不出现3及3倍频的谐波电流。电路常用。346.1.2相控三相交流调压电路1.Y连接三相交流调压电路晶闸管的编号VT1、VT3、VT5阳极VT4、VT6、VT2阴极依次接到交流电源ua、ub、uc。356.1.2相控三相交流调压电路（1）触发信号①相位条件触发信号应与电源电压同步。控制角是从各自的相电压过零点开始算起。三个正向晶闸管VT1、VT3、VT5的触发信号互差2/3，三个反向晶闸管VT2，VT4，VT6的触发信号互差2/3，同一相的两个触发信号互差。总的触发顺序是VT1，VT2、VT3、VT4，VT5、VT6，依次各差/3。366.1.2相控三相交流调压电路②脉宽条件Y联接时三相中至少要有两相导通才能构成电流通路为保证起始工作电流的流通，或在控制角较大、电流不连续的情况下仍能按要求使电流流通触发信号应采用大于/3的宽脉冲(或脉冲列)或采用间隔/3的双窄脉冲。376.1.2相控三相交流调压电路(2)负载电压分析对某一相来说，只要反并联晶闸管之中有一个导通，则该支路是导通的。从三相来看，电路可能是下列中的一种：①三相全不通，调压电路开路，每相负载的电压都为0。②三相全导通，调压电路直通，则每相负载的电压是所接相的相电压。③其中二相导通，在电阻负载时，导通相负载上的电压是该两相线电压的1/2，非导通相负载的电压为0。38（3）负载电压波形分析分析电阻负载下，不同下负载相电压、相电流波形。波形分析中的波形绘制方法。1）先画出三相电源电压波形晶闸管VT1、VT3、VT5的阳极与ua、ub、uc相连，故相电源正半周有可能导通，标明晶闸管与电源的对应关系。同理，VT4、