交流调压和交交变频电路.pptx

Beijing Jiaotong University(BJTU)本章内容本章内容9.19.1概述概述9.29.2单相交流调压电路单相交流调压电路9.39.3三相交流调压电路三相交流调压电路9.49.4 三相交交变频电路三相交交变频电路Beijing Jiaotong University(BJTU)9.1概述概述 交交变换电路分为：交交变换电路分为：交流电力控制电路：只改变输出电压、输出电流、输出交流电力控制电路：只改变输出电压、输出电流、输出功率或对电路的通断进行控制，不改变输出频率功率或对电路的通断进行控制，不改变输出频率交交变频电路：输出电压、输出电流和输出频率都改变交交变频电路：输出电压、输出电流和输出频率都改变1、交流电力控制电路基本类型、交流电力控制电路基本类型基本电路单元：反并联的功率开关基本电路单元：反并联的功率开关基本类型按控制方式分为：基本类型按控制方式分为：交流调压电路、交流调功电路、交流电力电子开关和交交流调压电路、交流调功电路、交流电力电子开关和交流斩波调压电路流斩波调压电路Beijing Jiaotong University(BJTU)（1）交流调压电路：）交流调压电路：采用相位控制采用相位控制方式，以控制交流输出电压的有效值方式，以控制交流输出电压的有效值为目的为目的 主要应用：灯光控制主要应用：灯光控制 异步电动机软起动器异步电动机软起动器 无功调节（补偿）电路无功调节（补偿）电路晶闸管控制电抗器型无功补偿装置单线原理图晶闸管控制电抗器型无功补偿装置单线原理图Beijing Jiaotong University(BJTU)（2）交流调功电路：）交流调功电路：采用周期控制方式，采用周期控制方式，以控制交流输出功率的以控制交流输出功率的平均值为目的平均值为目的 主要应用：主要应用：导通比导通比 D=n/m 交流调功电路输出电压波形交流调功电路输出电压波形（a）固定周期控制（）固定周期控制（b）可变周期控制）可变周期控制炉温控制炉温控制、电加热、电加热等大惯性场合等大惯性场合Beijing Jiaotong University(BJTU)（3）交流电力电子开关：采用通断控制方式）交流电力电子开关：采用通断控制方式 其作用相当于无触点的交流接触器其作用相当于无触点的交流接触器 主要应用：无功补偿主要应用：无功补偿 无触点开关无触点开关 TSC基本原理图基本原理图（a）基本电路单元（）基本电路单元（b）分组投切简图）分组投切简图TSC运行特性曲线运行特性曲线Beijing Jiaotong University(BJTU)（4）交流斩波调压电路：）交流斩波调压电路：采用斩波控制方式，以控制采用斩波控制方式，以控制交流输出电压的有效值为目交流输出电压的有效值为目的的 Beijing Jiaotong University(BJTU)2、交交变频电路基本类型及其应用、交交变频电路基本类型及其应用交交变频电路主要用于大功率、低转速三相交流电交交变频电路主要用于大功率、低转速三相交流电机调速，因此其电路一般采用三相输入、三相输出机调速，因此其电路一般采用三相输入、三相输出的电路形式，简称为三相交交变频电路的电路形式，简称为三相交交变频电路 三相交交变频电路的基本类型三相交交变频电路的基本类型v按整流单元形式分：三相零式、三相桥式电路按整流单元形式分：三相零式、三相桥式电路 v按工作方式分：有环流、无环流电路按工作方式分：有环流、无环流电路 其它类型的相交交变频电路：如三倍倍频电路、负其它类型的相交交变频电路：如三倍倍频电路、负载换流的倍频电路、矩阵式交交变频电路等载换流的倍频电路、矩阵式交交变频电路等Beijing Jiaotong University(BJTU)9.2单相交流调压电路单相交流调压电路一、单相交流调压电路的基本形式一、单相交流调压电路的基本形式1、反并联电路、反并联电路 输出波形对称，负载输出波形对称，负载 电流无直流分量电流无直流分量 适用范围广适用范围广，应用最，应用最 广泛广泛此电路应重点掌握此电路应重点掌握Beijing Jiaotong University(BJTU)2、混合反并联电路混合反并联电路 控制电路相对简单控制电路相对简单 输出波形不对称，存输出波形不对称，存在直流分量在直流分量只适用于无变压器的小只适用于无变压器的小容量交流系统容量交流系统Beijing Jiaotong University(BJTU)3、二极管桥式电路二极管桥式电路 4、混合桥式电路混合桥式电路v 输出波形对称，晶闸管不承受反向电压，但输出波形对称，晶闸管不承受反向电压，但 使用元件数量较多使用元件数量较多 Beijing Jiaotong University(BJTU)二、电阻负载工况分析二、电阻负载工况分析（以反并联电路为例）（以反并联电路为例）单相交流调压电路（电阻负载）单相交流调压电路（电阻负载）Beijing Jiaotong University(BJTU)1、工作原理、工作原理正半周控制正半周控制T1导通，负半导通，负半周控制周控制T2导通，在电源电导通，在电源电压的过零点压的过零点T1（或（或T2）自）自然关断。输出电流与输出然关断。输出电流与输出电压同相位电压同相位调节触发角（控制角）调节触发角（控制角）便可控制输出电压便可控制输出电压移相范围：移相范围：0 单相交流调压电路单相交流调压电路（电阻负载）波形（电阻负载）波形Beijing Jiaotong University(BJTU)二、电阻负载工况分析（续）二、电阻负载工况分析（续）2、基本电量关系（各电量参数与、基本电量关系（各电量参数与的关系）的关系）v交流输出电压有效值交流输出电压有效值 v负载电流有效值负载电流有效值 v晶闸管电流平均值晶闸管电流平均值Beijing Jiaotong University(BJTU)v晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值 v晶闸管晶闸管通态平均电流通态平均电流v电源侧功率因数电源侧功率因数Beijing Jiaotong University(BJTU)三、感性负载工况分析（以三、感性负载工况分析（以反并联电路为例）反并联电路为例）负载阻抗角负载阻抗角=arctan(L/R)（一）（一）工况分析工况分析1、工作原理及特点、工作原理及特点u输出电流滞后输出电压，且不输出电流滞后输出电压，且不连续连续u导通角导通角、输出电压、输出电输出电压、输出电流波形与流波形与、有关有关u调节触发角（控制角）调节触发角（控制角）便可便可控制输出电压控制输出电压单相交流调压电路（电感负载）单相交流调压电路（电感负载）和波形图（和波形图（工况）工况）Beijing Jiaotong University(BJTU)2、以、以 为参变量，为参变量，与与的关系曲线的关系曲线v 当当=0（电阻性负载）时：（电阻性负载）时：=180 v 当当 0（感性负载）时：（感性负载）时：当当时，时，=180 当当时，时，随着的随着的的增加的增加而减小而减小Beijing Jiaotong University(BJTU)3、基本电量关系（各电量参数与、基本电量关系（各电量参数与的关系）的关系）v输出电压有效值输出电压有效值 v负载电流有效值负载电流有效值 Beijing Jiaotong University(BJTU)其中：其中：I0max为在为在=0，=时，负载电流的最大有效值时，负载电流的最大有效值IT*为晶闸管电流有效值的标幺值为晶闸管电流有效值的标幺值Beijing Jiaotong University(BJTU)v晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值Beijing Jiaotong University(BJTU)4、以、以 为参变量，为参变量，IT*与与的关系曲线的关系曲线v 当当、已知已知时，可由该曲时，可由该曲线查出晶闸管线查出晶闸管电流标幺值，电流标幺值，进而求出负载进而求出负载电流有效值电流有效值I0及及晶闸管电流有晶闸管电流有效值效值IT Beijing Jiaotong University(BJTU)（二）（二）=工况分析工况分析特点特点导通角导通角=180，负载电流，负载电流i0连续连续，无调压作用，无调压作用 Beijing Jiaotong University(BJTU)（三）（三）180电电路不能正常工作路不能正常工作宽脉冲触发：宽脉冲触发：=180电路电路达到稳态时，相当于达到稳态时，相当于=工工况，无调压作用况，无调压作用 带感性负载时，要求带感性负载时，要求1800并采用宽脉冲触发并采用宽脉冲触发 Beijing Jiaotong University(BJTU)9.3三相交流调压电路三相交流调压电路一、三相交流调压电路的基本形式一、三相交流调压电路的基本形式1、反并联电路、反并联电路 输出波形对称输出波形对称负载电流中不包含三次及负载电流中不包含三次及 三的倍数次谐波三的倍数次谐波 负载连接形式可以是负载连接形式可以是 形形 或或 形形适用范围广适用范围广，应用最广泛，应用最广泛 此电路应重点掌握此电路应重点掌握Beijing Jiaotong University(BJTU)2、混合反并联电路混合反并联电路负载电流中不包含三次负载电流中不包含三次及三的倍数次谐波及三的倍数次谐波 负载连接形式可以是负载连接形式可以是 形形 或或 形形输出波形不对称，负载输出波形不对称，负载电流中存在偶次谐波分电流中存在偶次谐波分量量Beijing Jiaotong University(BJTU)3、形负载内接反并联形负载内接反并联电路电路 相当于由三个单相反并联交相当于由三个单相反并联交流调压电路组合而成流调压电路组合而成 输出波形对称输出波形对称晶闸管承受电源线电压，对晶闸管承受电源线电压，对器件的耐压要求较高器件的耐压要求较高 只适用于只适用于 形负载形负载Beijing Jiaotong University(BJTU)4、形负载内接形负载内接 形形反并反并联电路联电路 输出波形对称输出波形对称晶闸管承受电源线电压，晶闸管承受电源线电压，对器件的耐压要求较高对器件的耐压要求较高 晶闸管接在负载后面晶闸管接在负载后面，受电源浪涌电压的影响受电源浪涌电压的影响较小较小只适用于只适用于Y形负载形负载Beijing Jiaotong University(BJTU)5、形负载内接三个可形负载内接三个可控元件控元件电路电路 输出波形不对称，负输出波形不对称，负载电流中存在偶次谐载电流中存在偶次谐波分量波分量只适用于只适用于Y形负载形负载电路较简单，在小容电路较简单，在小容量三相负载中有一定量三相负载中有一定的应用的应用Beijing Jiaotong University(BJTU)二、三相反并联交流调压电路的分析二、三相反并联交流调压电路的分析（一）控制原则（一）控制原则（or对触发系统的要求）对触发系统的要求）相电压过零点定为相电压过零点定为的起点，的起点，角移相范围是角移相范围是00 150 150 触发脉冲顺序和三相桥式全触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为控整流电路一样，为T1 T6,依依次相差次相差6060 相相电流通路中至少有两个晶闸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管，应采用双脉冲或宽脉冲触发Beijing Jiaotong University(BJTU)（二）电阻负载下典型波形分析（二）电阻负载下典型波形分析波形分析要点波形分析要点v 三三相相导导通通时时，电电路路处处于于平平衡衡工工作作状状态态，负负载载上上的的相相电电压压波波形形等等于于电电源源相相电电压压，各各相相晶晶闸闸管管在在该该相相电压过零点时关断相相电压过零点时关断v 两两相相导导通通时时，导导通通相相的的负负载载相相电电压压等等于于两两相相之之间间电电源源线线电电压压的的一一半半，未未导导通通相相的的负负载载电电压压为为零零，导通的晶闸管在线电压的过零点时关断导通的晶闸管在线电压的过零点时关断v 应应将将每每半半个个周周期期分分成成若若干干个个区区间间来来分分析析负负载载电电压压波波形形，区区间间分分隔隔点点一一般般取取电电压压过过零零点点和和脉脉冲冲触触发时刻发时刻Beijing Jiaotong University(BJTU)1、=0工况工况 v电路处于自然工作状态电路处于自然工作状态，任何时刻都有三个晶闸管任何时刻都有三个晶闸管同时导通同时导通 v晶闸管的导通角为晶闸管的导通角为180 v输出电压始终等于电源相输出电压始终等于电源相电压，即：电压，即：uao=uA 此工况三相导通！特例！此工况三相导通！特例！Beijing Jiaotong University(BJTU)2、=30工况工况 vt=0时，时，uA过零，过零，T4关断，关断，B、C相导相导通通，uao=0 vt=30时，时，T1触发导通，触发导通，A、B、C三相三相导通，导通，uao=uA vt=60时，时，uC过零，过零，T5关断，关断，A、B相相导通导通，uao=uAB/2 vt=90时，时，T2触发导通，触发导通，A、B、C三相三相导通，导通，uao=uA vt=120时，时，uB过零，过零，T6关断，关断，A、C相导通，相导通，uao=uAC/2 vt=150时，时，T3触发导通，触发导通，A、B、C三三相导通，相导通，uao=uA vt=180时，时，uA过零，过零，T1关断，关断，B、C相相导通导通，uao=0，正半周期结束，正半周期结束 此工况两相、三相交替导通此工况两相、三相交替导通Beijing Jiaotong University(BJTU)3、=60工况工况vt=0时，时，uA过零，过零，T4关断，同时关断，同时T6触触发，发，B、C相导通相导通，uao=0 vt=60时，时，uC过零，过零，T5关断，同时关断，同时T1触触发，发，A、B相导通，相导通，uao=uAB/2 vt=120时，时，uB过零，过零，T6关断，同时关断，同时T2触发，触发，A、C相导通，相导通，uao=uAC/2 vt=180时，时，uA过零，过零，T1关断，同时关断，同时T3触发，触发，B、C相导通相导通，uao=0，正半周期，正半周期结束结束此工况只有两相导通！此工况只有两相导通！Beijing Jiaotong University(BJTU)4、=90工况工况 vt=0时，时，T4、T5延续导通，延续导通，A、C相导通工相导通工作作，uao=uAC/2 vt=30时，时，uAC过零，过零，T4关断；关断；T6触发，同触发，同时时T5仍然触发，仍然触发，B、C相导通，相导通，uao=0vt=90时，时，uBC过零过零，T5关断；关断；T1触发，同触发，同时时T6仍然触发，仍然触发，A、B相导通，相导通，uao=uAB/2 vt=150时，时，uAB过零过零 ，T6关断；关断；T2触发，触发，同时同时T1仍然触发，仍然触发，A、C相导通，相导通，uao=uAC/2 vt=210时，时，uAC过零过零 ，T1关断，关断，uao=0此工况也只有两相导通此工况也只有两相导通Beijing Jiaotong University(BJTU)5、=120 工况工况vt=0时，时，T5触发，同时触发，同时T4仍然触发，仍然触发，A、C相导通相导通，uao=uAC/2 vt=30时，时，uAC过零，过零，T4、T5同时关断，同时关断，无无SCR导通导通，uao=0vt=60时，时，T6触发，同时触发，同时T5仍然触发，仍然触发，B、C相导通相导通，uao=0vt=90时，时，uBC过零过零，T5、T6同时关断，无同时关断，无SCR导通导通，uao=0vt=120时，时，T1触发，同时触发，同时T6仍然触发，仍然触发，A、B相导通，相导通，uao=uAB/2 vt=150时，时，uAB过零过零，T1、T6同时关断，同时关断，无无SCR导通导通，uao=0vt=180时，时，T2触发，同时触发，同时T1仍然触发，仍然触发，A、C相导通，相导通，uao=uAC/2，正半周期结束，正半周期结束vt=210时，时，uAC过零过零，T1、T2同时关断同时关断，无无SCR导通导通，uao=0此工况两相导通状态和无此工况两相导通状态和无SCR导通状态交替出现导通状态交替出现Beijing Jiaotong University(BJTU)电阻负载下波形分析总结电阻负载下波形分析总结移相范围：移相范围：0 1500 60范围内范围内v电路处于两相、三相交替工作状态电路处于两相、三相交替工作状态v每个晶闸管导通角度为每个晶闸管导通角度为180 6090范围内范围内v任一时刻都是两相工作任一时刻都是两相工作v每个晶闸管导通角度为每个晶闸管导通角度为120 90 0；负组工作负组工作时，时，i0 0。正、负组变。正、负组变流器交替工作流器交替工作输出交流电输出交流电l改变改变正正、负、负组组变流电路的交替切换频率：可改变交流变流电路的交替切换频率：可改变交流输出电压的频率输出电压的频率、工作原理：、工作原理：l改变改变正正、负、负组组变变流电路的控制角流电路的控制角：可改变交流输出电压可改变交流输出电压的幅值的幅值Beijing Jiaotong University(BJTU)l为为使使u uo o波形接近正弦波，可按正弦规律对波形接近正弦波，可按正弦规律对 角进行调角进行调制：在半个周期内让制：在半个周期内让P P组组 角按一定规律从角按一定规律从9090减到减到00或或某个值，再增加到某个值，再增加到9090，每个控制间隔内的平均输出电，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。另外半个周期可对期可对N N组进行同样的控制组进行同样的控制uo由若干段电源电压拼由若干段电源电压拼接而成，在接而成，在uo的一个周的一个周期内，包含的电源电压期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越段数越多，其波形就越接近正弦波接近正弦波Beijing Jiaotong University(BJTU)三、输出电压的控制三、输出电压的控制余弦交点法控制余弦交点法控制 交交变频器的每相输出电压波形是由各段整流电压拼交交变频器的每相输出电压波形是由各段整流电压拼接而成的，各段整流电压接而成的，各段整流电压：若让各段整流电压在时间上按正弦分布，交交变频器若让各段整流电压在时间上按正弦分布，交交变频器的每相输出电压便接近正弦，即的每相输出电压便接近正弦，即式中：式中：U0m所要求的交流输出电压的幅值所要求的交流输出电压的幅值 0所要求的交流输出所要求的交流输出 电压的频率电压的频率Beijing Jiaotong University(BJTU)余弦交点法：将具有所要求的交流输出电压频率和余弦交点法：将具有所要求的交流输出电压频率和幅值的调制信号幅值的调制信号(Msin 0 t)与一组余弦信号相比较，与一组余弦信号相比较，在两者的处产生各晶闸管的触发脉冲在两者的处产生各晶闸管的触发脉冲改变调制信号的频率和幅值，可控制输出电压的频改变调制信号的频率和幅值，可控制输出电压的频率和大小率和大小Beijing Jiaotong University(BJTU)四、输入功率因数四、输入功率因数l 交交变频电路的基本组成单元是可控整流电路，其输入交交变频电路的基本组成单元是可控整流电路，其输入侧相位移因数与控制角侧相位移因数与控制角之间的关系为：之间的关系为：l 在一个输出周期中，控制角在一个输出周期中，控制角在在1801800 0之间变化，因之间变化，因此各段电压所对应的瞬时相位移因数在之间变化，此各段电压所对应的瞬时相位移因数在之间变化，平均相位移因数比较低平均相位移因数比较低l 输出电压越低，则平均相位移因数也越低输出电压越低，则平均相位移因数也越低l 输出频率越高，输出电压中输出频率越高，输出电压中所包含的电压段数则越少，畸所包含的电压段数则越少，畸变越严重变越严重Beijing Jiaotong University(BJTU)f0/fi=1/2 时，半周期内有时，半周期内有 6 脉波，谐波大脉波，谐波大f0/fi=1/3 时，半周期内有时，半周期内有 9 脉波，谐波较小脉波，谐波较小f0/fi=1/6 时，半周期内有时，半周期内有 18 脉波，谐波小脉波，谐波小为了减小谐波含量，为了减小谐波含量，降低负载转矩脉动，降低负载转矩脉动，应保证应保证 f0/fi 1/3，即即 f0 16.7 Hz 输入功率因数低是交交变输入功率因数低是交交变频器的一个主要缺点频器的一个主要缺点输出频率与电源频率不同时的电压波形输出频率与电源频率不同时的电压波形Beijing Jiaotong University(BJTU)五、交交变频器的特点五、交交变频器的特点（与交直交变频器相比）（与交直交变频器相比）1、优点：、优点：无中间直流环节，损耗小，效率高无中间直流环节，损耗小，效率高采用电源自然换相，不需强迫换流电路，开关器件采用电源自然换相，不需强迫换流电路，开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用采用晶闸管，以利于大功率应用可以实现能量反馈，使电机作四象限运行可以实现能量反馈，使电机作四象限运行低频运行时，谐波含量小，负载转矩脉动低低频运行时，谐波含量小，负载转矩脉动低 因此，适用于大功率、低速交流传动领域因此，适用于大功率、低速交流传动领域Beijing Jiaotong University(BJTU)2、交交变频器的缺点：、交交变频器的缺点：晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂最高输出频率受限制，最高输出频率受限制，f0/fi 1/3 输入侧功率因数低，特别是当输出电压较低时，功输入侧功率因数低，特别是当输出电压较低时，功率因数很低率因数很低Beijing Jiaotong University(BJTU)下列说法是否正确？下列说法是否正确？、交流电力控制电路可以改变输出电压、电流和频率。、交流电力控制电路可以改变输出电压、电流和频率。、交流调压电路用于对电路的通断进行控制。、交流调压电路用于对电路的通断进行控制。、在交流电力控制电路中，交流调功电路最适合于用作、在交流电力控制电路中，交流调功电路最适合于用作调光台灯电路。调光台灯电路。、交流电力控制电路包括交流调压、交流调功和交、交流电力控制电路包括交流调压、交流调功和交交交变频等电路。变频等电路。、单相晶闸管交流调压电路接电感性负载：、单相晶闸管交流调压电路接电感性负载：晶闸管通常采用宽脉冲触发晶闸管通常采用宽脉冲触发 控制角控制角的移相范围是：的移相范围是：0 180 随着控制角随着控制角增大，功率因数减小增大，功率因数减小 随着控制角随着控制角增大，输出电压增大增大，输出电压增大 课课 堂堂 思思 考考 Beijing Jiaotong University(BJTU)、晶闸管交、晶闸管交变频电路：变频电路：一般采用一般采用PWM方式工作方式工作 可四象限运行可四象限运行 与交与交直直交变频电路相比输入侧功率因数较高交变频电路相比输入侧功率因数较高 适合于低速大功率交流调速系统适合于低速大功率交流调速系统 若负载功率因数为，则交流输入功率因数也为若负载功率因数为，则交流输入功率因数也为 输出频率越高，输出电压波形质量越好输出频率越高，输出电压波形质量越好 输出电压越高，功率因数越高输出电压越高，功率因数越高 Beijing Jiaotong University(BJTU)本章小结本章小结1、交流、交流交流变换电路的分类及其基本概念交流变换电路的分类及其基本概念2、单相交流调压电路的结构、工作原理，带感性负、单相交流调压电路的结构、工作原理，带感性负载时对触发脉冲的要求载时对触发脉冲的要求3、三相交流调压电路的结构、工作原理、三相交流调压电路的结构、工作原理4、交、交交变频电路的结构、工作原理交变频电路的结构、工作原理6、交、交交变频电路与交直交变频电路的特点比较交变频电路与交直交变频电路的特点比较Beijing Jiaotong University(BJTU)习习 题题91 某某单单相相交交流流调调压压电电路路的的负负载载为为调调光光台台灯灯（可可看看作作纯纯电电阻阻），设设该该电电路路在在=0时时输输出出功功率率为为最最大大值值，试试求求输输出出功功率率分分别别为最大功率的为最大功率的70、40时的控制角时的控制角。93 三三相相混混合合反反并并联联交交流流调调压压电电路路，负负载载为为无无零零线线的的三三相相对对称称电电阻阻负负载载，画画出出控控制制角角=60时时A相相负负载载上上的的输输出出电电压压波波形形以及各个晶闸管和二极管的导通区间。以及各个晶闸管和二极管的导通区间。94 交交流流调调压压电电路路和和交交流流调调功功电电路路有有什什么么区区别别？二二者者各各适适用用于于什么样的应用场合？什么样的应用场合？97 交交交交变变频频电电路路的的输输出出频频率率上上限限是是多多少少？限限制制输输出出频频率率提提高高的主要原因是什么？的主要原因是什么？Beijing Jiaotong University(BJTU)98 造造成成交交交交变变频频电电路路输输入入侧侧功功率率因因数数低低的的原原因因有有哪哪些些？其其最大相位移因数是多少？最大相位移因数是多少？910 比比较较交交交交变变频频电电路路与与交交直直交交变变频频电电路路的的性性能能特特点点，并并说明各自的主要应用场合。说明各自的主要应用场合。