电力电子技术_第6章

第6章交流电力控制电路和交交变频电路6.1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变频电路只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的交流调压电路——相位控制（或斩控式）交流调功电路及交流无触点开关——通断控制交交变频电路交直交变频电路1.晶闸管交交变频电路2.矩阵式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交流电力控制电路的类型交流调压电路:交流调功电路:交流电力电子开关:每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值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。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6.1.1单相交流调压电路ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOtROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt1电阻负载原理分析在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aaa==2sin21dsin21121oUttUURUIoo=)22sin1(21sin221121aaa==RUtdRtUITaa====2sin211oo1ooUUIUIUSP电阻负载单相交流调压电路及其波形数量关系负载电压有效值负载电流有效值晶闸管电流有效值功率因数6.1.1单相交流调压电路ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOtaaa==2sin21dsin21121oUttUURUIoo=)22sin1(21sin221121aaa==RUtdRtUITaa====2sin211oo1ooUUIUIUSP2阻感负载阻感负载时a的移相范围负载阻抗角：j=arctan(L/R)稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为ja=0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j≤a≤π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6.1.1单相交流调压电路数量关系–负载电压有效值：晶闸管电流有效值：)22sin(2sin1)()sin2(1121oaaaa==UtdtUUjjacos)2cos(sin21=ZU=aajajaj)d()sin()sin(2212tg1VTtetZUIt瞬态微分方程求解可得负载电流有效值VTII20=3.单相交流调压电路的谐波分析电阻负载的情况波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波==,5,3,1o)sincos()(nnntnbtnatu)12(cos2211=aUa)(22sin2211aa=Ub=1)1cos(111)1cos(1121aannnnUan=aa)1sin(11)1sin(1121nnnnUbn(n=3,5,7,…)6.1.1单相交流调压电路式中:–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22on21nnbaU=060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角a/(°)In/I*/%20406080100电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量RUI/onon=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j的增大，谐波含量有所减少6.1.1单相交流调压电路aj时单相交流调压电路aj时阻感负载交流调压电路工作波形波形分析:–VT1提前通，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(6-5)和(6-6)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ωt=a(aj)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–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a=j时完全相同ttttaaOOOuG1G2jT1T2RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图4-7斩控式交流调压电路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原理分析•基本原理和直流斩波电路有类似之处•u1正半周•u1负半周•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可调节输出电压斩波控制斩波控制续流通道续流通道6.1.1单相交流调压电路图4-8电阻负载斩控式交流调压电路波形6.1.1单相交流调压电路单相--斩控式交流调压电路波形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'nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2a)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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三相三线三相四线1．星形联结电路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°6.1.2三相交流调压电路a=30°，分析a相波形。5.6通01.5.6通,Ua1.6通Uab/21.2.6通,Ua1.2通Uac/21.2.3通,Uaa=60°，分析a相波形。5.6通01.6通Uab/21.2通Uab/2a=120°，分析a相波形。4.5通Uac/2无器件导通5.6通0无器件导通1.6通Uab/2无器件导通图4-10c)晶闸管导通区间a)a晶闸管导通区间晶闸管导通区间b)a432353302432353302a432353302uao'uao'uao'uauauauab2uac2uab2uac2uab2uac2t1t2t3t1t2t3VT1VT3VT4VT6VT1VT6VT2VT5VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT5VT4VT2VT4VT6a)a=30°b)a=60°c)a=120°6.1.2三相交流调压电路(1)0°≤a60°：三管导通与两管导通交替，每管导通180°－a。但a=0°时一直是三管导通(2)60°≤a90°：两管导通，每管导通120°(3)90°≤a150°：两管导通与无晶闸管导通交替，每相每管导通150-a，两管共导通角度为300°－2a谐波情况电流谐波次数为6k±1(k=1，2，3，…)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同谐波次数越低，含量越大和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路6.1.2三相交流调压电路6.2其他交流电力控制电路以交流电源周波数为控制单位——交流调功电路对电路通断进行控制——交流电力电子开关6.2.1交流调功电路异同与交流调压电路的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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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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交流调功电路典型波形(M=3、N=2)–当M=3、N=2时的电路波形如图6.2.1交流调功电路6.2.2交流电力电子开关作用：优点：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代替机械开关，起接通和断开电路的作用响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断6.3交交变频电路本节讲述：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直接变频器★按波形的不同又可分为两类:交－交变频AC50Hz~ACCVCFVVVF①方波形直接变频器改变正反组切换频率,可以改变输出交流电的频率.改变a的大小,即可改变输出交流电的幅值.这种方式控制,谐波分量大.②正弦波直接变频器改变正反组切换频率,可以改变输出交流电的频率.改变a的大小,即可改变输出交流电的幅值.这种方式控制,谐波分量少.适用于低速大容量的场合.三相交交变频电路三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。•三相交交变频器的基本结构（△接法）•输出星形联结方式三相交交变频电路三相桥式交交变频电路交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟。这类交-交变频器的主要缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的1/3~1/2。直接变频的特点：本章重点单相交流调压电路的结构及工作原理（相控、斩控）单相交流调压电路相控方式下的有效移相范围。（纯阻、阻感负载）三相三线制调压电路的结构及波形分析。交交变频电路的类型及控制方式。