电力电子技术-Chapter6

电电力力电电子子技技术术PowerElectronicsPowerElectronics电力电子技术电力电子技术第第66章章学习指导学习指导学习指导ØAC-AC变换器（AC-ACconverter）是指能从一种形式的交流电变换成另一种形式的交流电的电力电子变换装置。Ø根据变换参数的不同，AC-AC变换电路可以分为交流调压电路、交流电力控制电路和交—交变频电路。Ø交流调压电路一般采用相位控制，其特点是维持频率不变，仅改变输出电压的幅值，它广泛应用于电炉温度控制、灯光调节、异步电机的软启动和调速等场合；Ø交流电力控制电路主要用于投切交流电力电容器以控制电网的无功功率，也可以用于电阻炉的温度控制；Ø交—交变频电路也称直接变频电路(或周波变流器)，是不通过中间直流环节把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电的变换电路，包括相控式交－交变频和矩阵式交－交变频，主要用于大功率交流电机调速系统。电力电子技术电力电子技术第第66章章学习指导学习指导学习指导Ø本章主要讨论交流调压电路、交流电力控制电路和交－交变频电路的构成和基本工作原理。建议重点学习以下主要内容：Ø1）交流调压电路构成的基本思想、单相相控式交流调压电路的工作原理、星形连接的三相相控式交流调压电路的工作原理和电路工作特点。Ø2）交流调功电路的工作原理、晶闸管投切电容器电路的工作特点。Ø3）相控式单相交－交变频器的电路构成特点、工作原理、调制方法以及输入输出特性；相控式三相交－交变频器的电路接线特点；矩阵式交－交变频器的基本概念、电路构成的基本思想、矩阵式交交变频电路的基本工作原理。电力电子技术电力电子技术第第66章章ACAC－－ACAC变换器变换器1234概述交流调压电路交流电力控制电路基本内容交－交变频电路电力电子技术电力电子技术ØAC-AC变换：把一种形式的交流电变换成另一种形式的交流电，可以是电压幅值的变换、频率或相数的变换，能实现这种变换的电路称为AC-AC变换器或AC-AC变换电路。根据变换参数的不同，可以分为交流调压电路、交流电力控制电路和交－交变频电路。Ø交流调压电路一般采用相位控制，其特点是维持频率不变，仅改变输出电压的大小，它广泛应用于电炉温度控制、灯光调节、异步电机的软启动和调速等场合。此外，在高压或低压大功率直流电源中，也常用交流调压电路调节变压器一次电压。Ø在这种电路中如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联，这都是十分不合理的。若采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都适中，而在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。6.1概述电力电子技术电力电子技术Ø在一些大惯性环节中，例如温度控制有时也采用通断控制，这种电路称交流调功电路。通断控制一般在交流电压的过零点接通或关断，加在负载上是整数倍周期的交流电，在接通期间负载上承受的电压与流过的电流均是正弦波，与相位控制相比，对电网不会造成谐波污染，仅仅表现为负载通断。Ø交流电子开关一般也采用通断控制，用来替代交流电路中的机械开关，主要用于投切交流电力电容器以控制电网的无功功率。交流调功电路和交流电子开关通称交流电力控制电路。6.1概述电力电子技术电力电子技术Ø交—交变频电路也称直接变频电路(或周波变流器)，是不通过中间直流环节把某一频率（如电网频率）的交流电直接变换成不同频率的交流电的变换电路，包括相控式交－交变频电路和PWM交－交变频电路，主要用于大功率交流电机调速系统。Ø另外还有一种变频电路称交－直－交变频电路，它是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，这种通过直流中间环节的变频电路也称间接变频电路，间接变频电路不属于本章的范围。6.1概述电力电子技术电力电子技术Ø交流调压就是把固定的交流电变成幅值（有效值）可调的交流电。Ø利用自耦变压器可以实现这一目的，输入输出电压波形如图6-1(a)所示Ø但自耦变压器需要通过手动或电动机拖动调节碳刷位置来达到调节输出电压的目的，这种调压方案碳刷易损坏且有微小级差。Ø从图6-1(a)看出，这种调压方式输出电压与输入电压波形形状相同，只是幅值不同。6.2交流调压电路图6-1（a）自耦变压器交流调压方案电力电子技术电力电子技术Ø实际上，为了实现调节电压还可以利用电力电子器件的通断可以把正弦输入电压的正负半波都对称地切去一块，如图6-1(b)、(c)所示。Ø对图6-1(b)、(c)所示的交流调压模式，只要在交流回路中串联一只可控双向开关，并在相应时刻控制其开通或关断即可。6.2交流调压电路（a）自耦变压器交流调压方案（b）相控式交流调压方案（c）斩控式交流调压方案图6-1交流调压的几种方案比较电力电子技术电力电子技术Ø如图6-1(c)所示，可用两只反并联的晶闸管或双向晶闸管实现可控双向开关，利用改变晶闸管触发脉冲的相位来调节输出电压，故这种调压电路称为相控式交流调压电路。Ø如图6-1(c)所示，一般用全控型器件实现可控双向开关，在图中阴影部分的时间内关断开关，在其他时间内接通开关，这种调压电路与直流斩波电路工作原理类似，故称为斩控式交流调压电路。Ø以下就交流相控式调压电路与斩控式交流调压电路进行分析。6.2交流调压电路图6-1（c）斩控式交流调压方案电力电子技术电力电子技术Ø1）单相相控式交流调压电路Ø相控式交流调压电路的工作情况和负载性质有很大的关系，下面就电阻性负载和电感性负载分别讨论。Ø（1）电阻性负载单相相控式交流调压电路电阻性负载电路图如图6-2(a)所示，加在该电路输入端的电源为正弦交流电。在交流电源的正负半周分别在ωt=α和ωt=π+α时刻触发晶闸管VT1和VT2，从而得到负载两端的电压波形如图6-2(b)所示。6.2.1相控式交流调压电路（a）电阻负载单相交流调压电路uo000uioaawtwtwt（b）电阻负载单相交流调压工作波形电力电子技术电力电子技术Ø每个晶闸管均在对应的交流电压过零点关断，晶闸管的控制触发角为α，导通角为θ=π-α。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，晶闸管也只在两个晶闸管均关断时才承受电压。Ø由此可知，当晶闸管的控制触发角为α时，负载两端的电压有效值Uo为6.2.1相控式交流调压电路（a）电阻负载单相交流调压电路uo000uioaawtwtwt（b）电阻负载单相交流调压工作波形()papapwwppa-+==ò2sin21)(sin212oUtdtUU6-1电力电子技术电力电子技术Ø由式6-1知，当α=0时，输出电压Uo=U为最大，当α=π时，Uo=0，因此该电路在电阻负载下触发脉冲的移相范围为0≤α≤π。输出电压随α的增大而减小，功率因数也随α的增大而减小。Ø流过负载中的电流有效值Io为6.2.1相控式交流调压电路papap-+==2sin21ooRURUI6-2Ø流过晶闸管中电流有效值IVT为papapwwppa22sin41)(sin2212VT-+=÷÷øöççèæ=òRUtdRtUI6-3Ø电路输入侧的功率因数为papapl-+====2sin21ooooUUUIIUSP6-4()papapwwppa-+==ò2sin21)(sin212oUtdtUU电力电子技术电力电子技术Ø（2）阻感性负载Ø当负载中感抗L与电阻R相比不可忽略时，该负载即认为是阻感性负载，如图6-3(a)所示。Ø由于电感的作用，负载电流滞后于负载电压，也就是说当负载电压（电源电压）下降到零，负载中的电流并不下降到零，晶闸管在电压过零后不关断，直到电感中能量全部释放完，电感（负载）中的电流下降到零，晶闸管才关断，对应的电路工作波形如图6-3(b)所示。6.2.1相控式交流调压电路VT1RVT2~uuoL（a）阻感负载单相交流调压电路电力电子技术电力电子技术Ø设负载阻抗角φ=arctan(ωL/R)，晶闸管的控制触发角为α（为了分析方便，和电阻负载一样仍把α=0的时刻定在电源电压过零点的时刻），则当在ωt=α时刻触发开通晶闸管VT1，负载电流应满足如下微分方程和初始条件：Ø解方程得6.2.1相控式交流调压电路tURidtdiLwsin2oo=+00o==tiw6-5()jwajajwtgteZUtZUi----=sin2)sin(2o（α≤ωt≤α+θ）6-6其中)sin(2sjw-=tZUi为稳态分量；()jwajatgteZUi---=sin2t为暂态分量。式中()22LRZw+=，θ为晶闸管导通角。电力电子技术电力电子技术Ø利用边界条件：ωt=α+θ时io=0，可求得θ：6.2.1相控式交流调压电路jqjajqatge--=-+)sin()sin(6-7ØVT2导通时，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差180°。Ø在这种情况下，负载电压有效值Uo为ò+=qaawwpttUUd)sin2(12o)]22sin(2[sin1qaappq+-+=U6-8Ø负载电流有效值Io为ò+-ïþïýüïîïíìúúûùêêëé---=qaajwawjajwptetZUItd)sin()sin(212tgojqjaqqpcos)2cos(sin1++-=ZU6-9电力电子技术电力电子技术Ø流过晶闸管中的电流有效值IVT为6.2.1相控式交流调压电路2/oIIVT=6-10Ø由式6-7得，当φaπ时，VTl和VT2的导通角θ均小于π，其电路工作波形如图6-3(b)所示。a越小，θ越大，a=φ时，θ=π，也就是说该电路在阻感负载下触发脉冲的移相范围φ≤a≤π。当θ=π时负载电流连续，这时输出电压Uo等于输入电压U，这表示单相交流调压电路失控，但不表示aφ时电路不能工作，下面就aφ的情况进行分析。uouioawtaug1ug2q00000wtwtwtwtisititio电力电子技术电力电子技术6.2.1相控式交流调压电路Ø当α继续减小使0≤αφ，即触发脉冲在0≤ωtφ的某一时刻触发VT1，则VT1的导通时间将超过π。到ωt=π+α时刻触发VT2时，负载电流io尚未过零，VT1仍在导通，VT2不会立即开通。直到io过零后，如VT2的触发脉冲有足够的宽度（如图6-4），VT2就会开通。因为αφ，VT1提前开通，负载L被过充电，其放电时间也将延长，使得VTl结束导电时刻大于π+φ，并使VT2推迟开通，VT2的导通角当然小于π，如图6-4所示。一般情况下采用宽度为π-a的宽脉冲或脉冲序列触发。电力电子技术电力电子技术6.2.1相控式交流调压电路Ø在这种情况下，方程式6-5和其所解得的io表达式6-6仍是适用的，只是ωt的适用范围不再是α≤ωt≤α+θ，而是扩展到α≤ωt≤∞，因为这种情况下io已不存在断流区，其过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt=α(αφ)时合闸所发生的过渡过程完全相同。可以看出，io由两个分量组成，第一项为正弦稳态分量．第二项为指数衰减分量。Ø在指数分量的衰减过程中，VT1的导通时间逐渐缩短，VT2的导通时间逐渐延长。当指数分量衰感到零后，VT1和VT2的导通时间都趋近到π，其稳态的工作情况与a=φ时完全相同，如图6-4所示。电力电子技术电力电子技术6.2.1相控式交流调压电路Ø2）三相相控式交流调压电路Ø把三个单相交流相控调压电路分别接到三相交流电源的A相、B相和C相中，得到如图6-5(a)所示的电路。Ø三个独立的单相交流调压电路的触发控制角相同，那么图6-5(a)所示的电路就是一个带中心线（零线）的三相交流调压电路。该电路基波和3的整数倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线，三相中3的整数倍次谐波同相位，全部流过零线，零线有很大3的整数倍次谐波电流。VT1RAVT4VT3VT6RBVT5VT2RCACBOabc图6-5（a）电力电子技术电力电子技术6.2.1相控式交流调压电路Øα=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近，这是这种三相交流调压电路的主要问题。Ø若去掉零线，则3倍次谐波将没有通路，则注入电网的电流就没有3的整数倍次谐波。这时的电路就变成了如图6-5