交流调压与交交变频.ppt

1,引言 4.1 交流调压电路 4.2 交交变频电路,第4章 交流调压和交交变频,2,本章主要讲述 交流-交流变流电路 把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路,第4章 交流调压和交交变频,3,4.1 交流调压电路,原理 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。,电路图,4,应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。 2 异步电动机软起动。 3 异步电动机调速。 4 供用电系统对无功功率的连续调节。 5 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。,4.1 交流调压电路,5,4.1.1 单相交流调压电路 4.1.2 三相交流调压电路,4.1 交流调压电路,6,4.1.1 单相交流调压电路,1) 电阻负载,图4-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形,输出电压与 的关系: 移相范围为0 a 。 a =0时，输出电压为最大 。 Uo=U1, 随 a 的增大，Uo降低， a =时， Uo =0。,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。,7,负载上交流电压有效值U与控制角的关系为 电流有效值 电路功率因数 电路的移相范围为0 。,8,2 电感性负载的工作情况 当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点，的最大范围是 。,9,单相交流调压器电感性负载时的主电路和输出波形,10,当控制角为时，Ug1 触发VT1导通，流过VT1管的电流i2有两个分量，即强制分量iB与自由分量iS， 其强制分量为 式中 其自由分量为 式中 自由分量衰减时间常数，,11,流过晶闸管的电流即负载电流为 当 时，电压、电流波形如上图所示。随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储藏的能量释放完毕，电流到零，VT1管才关断。 在t=0时触发管子，t= 时管子关断，将t= 代入式(3-5)可得,12,当取不同的角时， =f()的曲线如图所示，,13,(1) 当 时 稳定分量iB与自由分量is如图3-2(b)所示，叠加后电流波形i2的导通角 180，正负半波电流断续， 愈大愈小，波形断续愈严重。 (2) 当 =时 电流自由分量is=0，i2=iB；=180。正负半周电流处于临界连续状态，相当于晶闸管失去控制，负载上获得最大功率，此时电流波形滞后电压角。 (3) 当 时 如果触发脉冲为窄脉冲，则当Ug2出现时，VT1的电流还未到零， VT2管受反压不能触发导通；待VT1中电流变到零关断， VT2承受正压时，脉冲已消失， 无法导通。这样使负载只有正半波，电流出现很大的直流分量，电路不能正常工作。 带电感性负载时，晶闸管应当采用宽脉冲列，这样在 时，虽然在刚开始触发晶闸管的几个周期内，两管的电流波形是不对称的，但当负载电流中的自由分量衰减后，负载电流即能得到完全对称连续的波形，电流滞后电源电压角，但实际是晶闸管是不可控的。所以晶闸管的移相范围 。,14,综上所述，单相交流调压可归纳为以下三点： 带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角可以改变负载电压有效值。 带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当 时会发生有一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量。 带电感性负载时， 的移相范围为 180 ，带电阻性负载时移相范围为0 180。,15,图4- aj时阻感负载交流调压电路工作波形,当阻感负载, a j 时电路工作情况。,图4-阻感负载单相交流调压电路,VT1的导通时间超过 。 触发VT2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不会导通。io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。,4.1.1 单相交流调压电路,16,4.1.1 单相交流调压电路,a = ,17,4.1.2 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,18,三线四相 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。,1) 星形联结电路 可分为三线三相和三线四相,图4-8 三相交流调压电路 a) 星形联结,4.1.2 三相交流调压电路,19,三相三线，主要分析阻负载时的情况,图4-8 三相交流调压电路 a) 星形联结,4.1.2 三相交流调压电路,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。,20,(1)0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a 。但a =0时一直是三管导通。,图4-9 不同a角时负载相电压波形 a) a =30,4.1.2 三相交流调压电路,21,图4-9 不同a角时负载相电压波形 b) a =60,4.1.2 三相交流调压电路,22,(3)90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 a。,图4-9 不同a角时负载相电压波形 c) a =120,4.1.2 三相交流调压电路,23,2） 支路控制三角联结电路,图48三相交流调压电路,c)支路控制三角形联结,4.1.2 三相交流调压电路,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。,24,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 CampensatorSVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。,图4-10 晶闸管控制电抗器(TCR)电路,4.1.2 三相交流调压电路,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。,25,4.1.4 其他交流电力控制电路,1 交流调功电路 2 交流电力电子开关,26,4.1.4 交流调功电路,1、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,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。,27,电阻负载时的工作情况,2,p,N,图41电阻负载单相交流调压电路,4.1.4 交流调功电路,控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后MN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。,28,4.1.4 交流调功电路,29,2 交流电力电子开关,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,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。,30,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,2 交流电力电子开关,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。,31,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,2 交流电力电子开关,32,TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式,2 交流电力电子开关,由于二极管的作用，在电路不导通时uC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,33,4.2 交交变频电路,4.2.1 单相交交变频器 4.2.2 三相交交变频器,34,4.2.1 单相交交变频器,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。,35,4.2.1 单相交-交变频电路,1 基本结构和工作原理 单相交-交变频电路由两组反并联的晶闸管整流器构成，和直流可逆调速系统用的四象限变换器完全一样，两者的工作原理也相似。 图 单相交-交变频器的主电路及输出电压波形,36,(1) 方波型交-交变频器 当正组供电时，负载上获得正向电压；当反组供电时，负载上获得负向电压。 如果在各组工作期间角不变，则输出电压为矩形波交流电压，如图(b)所示。改变正反组切换频率可以调节输出交流电的频率，而改变的大小即可调节矩形波的幅值。 (2) 正弦波型交-交变频器 正弦波型交-交变频器的主电路与方波型的主电路相同，但正弦波型交-交变频器输出电压的平均值按正弦规律变化，克服了方波型交-交变频器输出波形高次谐波成分大的缺点。 在正组桥整流工作时，使控制角从 ， 输出的平均电压由低到高再到低的变化。而在正组桥逆变工作时，使控制角从 ，就可以获得平均值可变的负向逆变电压。,37,Z,O,w,t,方波交交变频,正弦波交交变频,38, 输出正弦波形的调制方法 最常用的方法是余弦交点法，该方法的原则是：触发角的变化和切换应使得整流输出电压的瞬时值与理想正弦电压的瞬时值误差最小。 正弦波型交-交变频器适合于低频大功率的电气传动系统，最高输出频率是输入频率的1/3或1/2。 输出电压有效值和频率的调节 交-交变频电路的输出电压是由若干段电源电压拼接而成的。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。 使控制角从 ，改变0，就改变了输出电压的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变变化的速率，也就改变了输出电压的频率。,39,输出正弦波电压的调制方法,最基本的、广泛使用的余弦交点法。 设Ud0为a = 0时整流电路的理想空载电压，则有 (4-15） 每次控制时a角不同 表示每次控制间隔内uo的平均值。,图4-21 余弦交点法原理,40,设期望的正弦波输出电压为 (4-16） 比较式(4-15)和(4-16)，应使 g 称为输出电压比：,图4-21 余弦交点法原理,41,图4-21 余弦交点法原理,余弦交点法基本公式 (4-18) 余弦交点法图解 线电压uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表示。 相邻两个线电压的交点对应于a =0。,42,u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示 us1us6比相应的u1u6超前30，us1us6的最大值和相应线电压a =0的时刻对应。 以a =0为零时刻，则us1us6为余弦信号。 希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6的下降段和uo的交点来决定。,图4-21 余弦交点法原理,43,不同g 时，在uo一周期内， a 随 w ot 变化的情况。图中， g 较小，即输出电压较低时，a只在离90很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低。,图4-22 不同g 时a和wot的关系,44,2 无环流控制及有环流控制 为保证负载电流反向时无环流，系统必须留有一定的死区时间，这就使得输出电压的波形畸变增大。为了减小死区的影响，应在确保无环流的前提下尽量缩短死区时间。另外，在负载电流发生断续时，相同角时的输出电压被抬高，这也造成输出波形的畸变。电流死区和电流断续的影响限制了输出频率的提高。 有环流控制方式和直流可逆调速系统中的有环流方式类似，在正反两组变换器之间设置环流电抗器。运行时，两组变换器都施加触发脉冲，并使正组触发角1和反组触发角2保持1 +2 =180的关系。该方式使输出波形的畸变得以改善，还可提高输出上限频率。但在运行时，有环流方式的输入功率比无环流方式略有增加，使效率有所降低。,45,交-交变频器的特点 交-交变频器由于其直接变换的特点，效率较高，可方便地进行可逆运行。 主要缺点是：功率因数低。主电路使用晶闸管元件数目多，控制电路复杂。变频器输出频率受到其电网频率的限制，最大变频范围在电网二分之一以下。 交-交变频器一般只适用于球磨机、矿井提升机、电动车辆、大型轧钢设备等低速大容量拖动场合。,46,3 单相交-交变频电路 将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变频电路。 三相半波-单相交-交变频电路 三相桥式-单相交-交变频电路,47,4.2.2 三相交交变频电路,由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电路组成。,交交变频电路主要应用于大功率交流电机 调速系统，使用的是三相交交变频电路。,48,(1)公共交流母线进线方式,图4-24 公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）,4.2.2 三相交交变频电路,由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120的单相交交变频电路构成。 电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。 因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开。 主要用于中等。容量的交流调速系统。,49,(2) 输出星形联结方式 三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结 电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可,图4-25 输出星形