电力电子课件 第六章 交流控制电路和交交变频电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,6,章 交流电力控制电路和交交变频电路,AC to AC Converters(AC Controllers andFrequency Converters),1,交流调压电路,其它交流电力控制电路,交交变频电路,本章主要内容,2,把一种形式的交流变成另一种形式的交流的电路，可改变相关的电压，电流，频率和相数,变频电路,改变频率的电路,交交变频,直接,交直交变频,间接,交流电力控制电路,只,改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路,交流调压电路,相位控制,AC voltage controller,Phase control,交流调功电路,通断控制,AC power controller,Integral cycle control,AC to AC Converters,3,Classification of AC to AC Converters,4,原理,Principle,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控制交流电力，不改变交流电频率,电路图,应用,Application,灯光控制,Lighting control,（如调光台灯和舞台灯光控制,),异步电动机软起动,Soft-start of asynchronous motors,异步电动机调速,Adjustable speed drive of asynchronous motors,供用电系统对无功功率的连续调节,Reactive power control,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,AC Voltage Controllers,交流调压电路,5,电阻负载,Resistive load,电路结构：两个晶闸管可用一双向可控硅代替,时刻为电源电压过零时刻,在交流电源的正负半周，分别控制两个晶闸管开通，正负半周触发角相等,负载电压波形是电源电压波形的一部分,u,Single-phase AC voltage controller,6,u,电阻负载,Resistive load,Single-phase AC voltage controller,u,移相范围,(The phase shift range),为,负载电压有效值,RMS value of output voltage,负载电流有效值,RMS value of output current,7,u,电阻负载,Resistive load,Single-phase AC voltage controller,u,电阻负载单相交流调压电路及其波形,流过晶闸管的电流有效值,RMS value of,thyristor,current,电路功率因数,Power factor of the circuit,8,u,电阻负载,Resistive load,输出电压与,的关系,:,时，输出电压为最大,U,o,=,U,1,随,a,的增大，,U,o,降低，,a,=,时，,U,o,=0,功率因数,与,a,的关系,:,a,=0,时，功率因数,=1,，,a,增大，输入电流滞后于电压且畸变，,降低,Single-phase AC voltage controller,u,电阻负载单相交流调压电路及其波形,9,若将晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于,u,1,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,a,=0,时刻仍定为,u,1,过零的时刻，,a,的移相范围应为,阻感负载,Inductive load,u,1,u,O,1,u,o,i,o,u,VT,w,t,O,w,t,O,w,t,w,t,O,u,u,G1,G1,u,G2,O,O,w,t,w,t,阻感负载单相交流调压电路及其波形,负载阻抗角：,VT,1,Single-phase AC voltage controller,10,时刻开通晶闸管,VT1,，负载电流应满足,当,时,当,时,Single-phase AC voltage controller,利用边界条件 时 可求得,11,q,0,20,100,60,140,180,20,100,60,/,(,),180,140,a,/,(,),j,=90,75,60,45,30,15,0,单相交流调压电路以,a,为参变量的,和,a,关系曲线,以,阻抗角为参变量,a,和,的关系如右图,Single-phase AC voltage controller,12,单相交流调压电路,a,为参变量时,I,VTN,和,a,关系曲线,j,=90,0,.,1,0,.,2,0,.,3,0,.,4,0,.,5,160,180,0,40,120,80,75,60,45,j,=0,a,/,(,),I,VTN,负载电流有效值,I,VT,的标么值,Single-phase AC voltage controller,13,稳态情况和 一样,时阻感负载交流调压电路工作波形,当阻感负载,时电路,工作情况,图,4-2,阻感负载单相交流调压电路,VT1,的导通时间超过,触发,VT2,时，,i,o,尚未过零,，,VT1,仍导通，,VT2,不会导通。,i,o,过零后，,VT2,才可,开通，,VT2,导通角小于,衰减过程中，,VT1,导通时间渐短，,VT2,的导通时间渐长,Single-phase AC voltage controller,14,谐波分析,Harmonic analysis,电阻负载,Resistive load,由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波,基波和各次谐波有效值,负载电流基波和各次谐波有效值,图,4-6,电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,Single-phase AC voltage controller,15,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，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减少,阻感负载,inductor-resistor load,谐波分析,Harmonic analysis,Single-phase AC voltage controller,16,斩控式交流调压电路,图,4-7,斩控式交流调压电路,在交流电源,u,1,的正半周,用,V,1,进行斩波控制,用,V,3,给负载电流提供续流通道,单相交流调压电路,17,斩控式交流调压电路,图,4-7,斩控式交流调压电路,在交流电源,u,1,的负半周,用,V,2,进行斩波控制,用,V,4,给负载电流提供续流通道,单相交流调压电路,18,特性,图,4-8,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,单相交流调压电路,19,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,图,4-9,三相交流调压电路,三相交流调压电路,20,三相四线,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，在选择线径和变压器时一定要注意,星形联结电路,可分为,三相三线和三相四线,图,4-9,三相交流调压电路,a),星形联结,三相交流调压电路,21,三相三线，电阻负载,图,4-9,三相交流调压电路,a),星形联结,任一相导通需和另一相构成回路,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,VT,1,-VT,6,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,，与三相全控桥,式整流电路不同,三相交流调压电路,22,三相三线，电阻负载,图,4-9,三相交流调压电路,a),星形联结,三相电压控制器中，触发角改变，电路有两种不同的工作状态,第一类工作状态：三相同时工作状态，即同一时刻，每相有一个晶闸管导电，任一时刻同时有三个管子导电,第二类工作状态：两相同时工作状态，既同一时刻，仅两相各有一个管子导电，第三相的两个管子都不导电,三相交流调压电路,23,a,=0,，各晶闸管均可看作二极管，承受正向电压管子导通,三相交流调压电路,24,任何时刻每相有一个管子导通，三相电压直接接到三相电阻，电压电流及管子导电都是三相对称，电源电压中性点与负载电压中性点等电位,三相交流调压电路,25,0,a,60,：,三管导通与两管导通交替，每管导通,180,a,图,4-10,不同,a,角时负载相电压波形,a),a,=30,三相交流调压电路,26,60,a,90,：,两管导通，每管导通,120,图,4-10,不同,a,角时负载相电压波形,b),a,=60,三相交流调压电路,27,90,a,150,：,两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为,300,2,a,图,4-10,不同,a,角时负载相电压波形,c),a,=120,三相交流调压电路,28,谐波情况,电流谐波次数为,6,k,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,三相交流调压电路,29,支路控制三角联结电路,图,4,9,三相交流调压电路,c),支路控制三角形联结,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,三相交流调压电路,30,谐波情况,c),支路控制三角形联结,图,4,9,三相交流调压电路,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,线电流中所含谐波次数为,6k1(k,为正整数,),在相同负载和,a,角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路,三相交流调压电路,31,典型用例,晶闸管控制电抗器,（,Thyristor,Controlled ReactorTCR,）,配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置,(,Static,Var,Campensator,SVC,），,用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变,图,4-11,晶闸管控制电抗器,(TCR),电路,a,移相范围为,90 180,控制,a,角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率,三相交流调压电路,32,图,4-11,晶闸管控制电抗器,(TCR),电路,a),b),c),图,4-12,TCR,电路负载相电流和输入线电流波形,a)=120,b)=135,c)=160,三相交流调压电路,33,交流调功电路,AC power controller,交流电力电子开关,Electronic AC switch,其他交流调压电路,34,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,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,交流调功电路,35,电阻负载时的工作情况,图,4-13,交流调功电路典型波形,(M=3,、,N=2),图,4,1,电阻负载单相交流调压电路,控制周期为,M,倍电源周期，晶闸管在前,N,个周期导通，后,M,N,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,交流调功电路,36,谐波情况,图,4-14,交流调功电路的,电流频谱图,(M=3,、,N=2),右图为频谱图（以控制周期为基准）。,I,n,为,n,次谐波有效值，,I,o,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,在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大,交流调功电路,37,概念,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，无触点，寿命长，可频繁控制通断,与交流调功电路的,区别,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,交流电力电子开关,38,晶闸管投切电容,（,Thyristor,SwitchedCapacitorTSC,）,图,4-15 TSC,基本原理图,a),基本单元单相简图,b),分组投切单相简图,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,交流电力电子开关,39,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,4-16 TSC,理想投切时刻原理说明,交流电力电子开关,40,TSC,电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式,由于二极管的作用，在电路不导通时,u,C,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,4-16 TSC,理想投切时刻原理说明,交流电力电子开关,41,单相交交变频器,三相交交变频器,交交变频电路,42,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,单相交交变频电路,43,电路构成和基本工作原理,图,4-18,单相交交变频电路原理图和输出电压波形,电路构成,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,单相交交变频电路,44,工作原理,P,组工作时，负载电流,i,o,为正,N,组工作时，,i,o,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,w,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,4-18,单相交交变频电路原理图和输出电压波形,单相交交变频电路,45,为使,u,o,波形接近正弦波，可按正弦规律对,a,角进行调制,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,u,o,由若干段电源电压拼接而成，在,u,o,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,单相交交变频电路,46,整流与逆变工作状态,图,4-19,理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,阻感负载为例，也适用于交流电动机负载,把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时,u,o,的脉动分量，就可把电路等效成正弦波交流电源和二极管的串联,单相交交变频电路,47,设负载阻抗角为,j,，,则输出电流滞后输出电压,j,角,两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲,图,4-19,理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,单相交交变频电路,48,工作状态,图,4-19,理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,t,1,t,3,期间：,i,o,正半周，正组工作，反组被封锁,t,1,t,2,：,u,o,和,i,o,均为正，正组整流，输出功率为正,t,2,t,3,：,u,o,反向，,i,o,仍为正，正组逆变，输出功率为负,单相交交变频电路,49,t,3,t,5,期间：,i,o,负半周，反组工作，正组被封锁,t,3,t,4,：,u,o,和,i,o,均为负，反组整流，输出功率为正,t,4,t,5,：,u,o,反向，,i,o,仍为负，反组逆变，输出功率为负,图,4-19,理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,小结：,哪一组工作由,i,o,方向决定，与,u,o,极性无关,工作在整流还是逆变，则根据,u,o,方向与,i,o,方向是否相同确定,单相交交变频电路,50,交流,交流变流电路的分类及其基本概念,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,三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理,交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念,各种交流,交流变流电路的主要应用,本章小结,51,