第讲ACAC电路

1、第六讲 交流-交流变换电路1电力电子基础 Fundamental Power Electronics 第六讲 交流-交流变换电路第六讲 交流-交流变换电路2交流交流变换电路交流交流变换电路u 概述u 交流调压电路u 其他交流电力控制电路u 交交变频电路u 小结第六讲 交流-交流变换电路31.概述概述n 交流交流- -交流变流电路交流变流电路一种形式的交流变成另一种形式交流，可改变电压、电流、频率和相数等1.1.交流电力控制电路交流电力控制电路改变电压、电流或电路的通断，不改变频率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2.2.变频电路变频电路改变频率，多不改变相数，

2、或改变相数交交变频电路直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，直接变频电路交直交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,间接变频电路第六讲 交流-交流变换电路42.交流调压电路交流调压电路 (2) 相位控制相位控制 (3) 斩波控制斩波控制 (1) 通断控制通断控制 第六讲 交流-交流变换电路5相控式单相交流调压电路相控式单相交流调压电路电阻负载电阻负载n 工作原理：工作原理：在 u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。=0为电压过零时刻。n 输出电压与输出电压与的关系的关系:移相范围为0。 =0，输出电压为最大，

3、Uo=U1。随的增大，Uo降低， =， Uo =0。n 功率因数功率因数与与的关系的关系： =0时，功率因数 =1， 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低第六讲 交流-交流变换电路6相控式单相交流调压电路相控式单相交流调压电路n负载电压有效值 n负载电流有效值 n晶闸管电流有效值n功率因数2sin21dsin21121oUttUURUIoo)22sin1(21sin221121RUtdRtUIT2sin211oo1ooUUIUIUSP第六讲 交流-交流变换电路7相控式单相交流调压电路相控式单相交流调压电路阻感负载阻感负载n阻感负载时阻感负载时 的移相范围的移相范围 负载阻抗角： = arcta

4、n(L/R) 晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为 在用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前=0时刻仍定为u1过零的时刻，的移相范围应为第六讲 交流-交流变换电路8相控式单相交流调压电路相控式单相交流调压电路阻感负载阻感负载n 在t = 时刻开通VT1，负载电流满足 解方程得 式中 ,为晶闸管导通角 利用边界条件：t = a +时io =0,可求得：n VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180001002sin,0tdiLRiUtidt102sinsinttgUiteZt22LRZtge)sin()sin(第六讲 交流-交流

5、变换电路9相控式单相交流调压电路相控式单相交流调压电路0201006014018020100图4-360/( )180140/()= 9075604530150单相交流调压电路以单相交流调压电路以 为参变量的为参变量的 和和 关系曲线关系曲线n 时，导通角时，导通角 满足：满足： =180 第六讲 交流-交流变换电路10相控式单相交流调压电路相控式单相交流调压电路n负载电压有效值 n晶闸管电流有效值 2tg1V T121sin ()sin ()d ()2sinco s(2)co s2tUItetZUZ2111(2sin)1sin 2sin22oUUtdtU第六讲 交流-交流变换电路11相控式单

6、相交流调压电路相控式单相交流调压电路单相交流调压电路为参变量时I VTN和关系曲线 = 900.10.20.30.40.516075 6045 = 0/( )IVTNn负载电流有效值:n IVT的标么值:12UZIIVTVTNVTII20第六讲 交流-交流变换电路12相控式单相交流调压电路相控式单相交流调压电路阻感负载阻感负载窄脉冲触发窄脉冲触发（0 时）时）n VT1持续导通时，VT2不通; VT1关断后，ug2消失，VT2仍不通。n 输出电压不对称，含直流分量宽脉冲触发宽脉冲触发（0 时）时）n 实际上VT1，VT2均导通180，u为完整的正弦波，只要 ，u不受影

7、响，失控。正常工作对触发脉冲要求正常工作对触发脉冲要求n n 采用宽度大于60的宽脉冲或后沿固定、前沿可调、最大宽度180的脉冲触发序列第六讲 交流-交流变换电路13相控式单相交流调压电路相控式单相交流调压电路电阻负载电阻负载谐波分析谐波分析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 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）如右图所示。,5,3, 1o)sincos()(nnntnbtnatu22on21nnbaURUI/onon电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量060120180图4-6基波3次

8、5次7次触发延迟角/( )In/I*/%20406080100第六讲 交流-交流变换电路14相控式单相交流调压电路相控式单相交流调压电路n电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7等次谐波。n随着次数的增加，谐波含量减少。n和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。n当角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减少。阻感负载阻感负载谐波分析谐波分析第六讲 交流-交流变换电路15斩控式单相交流调压电路斩控式单相交流调压电路工作原理工作原理n和直流斩波电路类似nu1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道nu1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道n设斩波器件（V1或V2）导通

9、时间为ton，开关周期为T，则导通比 = ton/T，改变a 可调节输出电压特性特性n电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。n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。n功率因数接近1。RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3第六讲 交流-交流变换电路16三相交流调压电路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三相交流调压电路a) 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第六讲 交流-交流变换电路17三相交流调压电路三相交流调

10、压电路星形星形(Y)联结电路联结电路:三相四线三相四线n基本原理：各相可单独控制。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n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。=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近零线第六讲 交流-交流变换电路18三相交流调压电路三相交流调压电路星形星形(Y)联结电路联结电路:三相三线三相三线将三相四线中的将三相四线中的零线零线去掉去掉n 任一相导通须和另一相构成回路n 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n 触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT

11、1 VT6,依次相差60n 相电压过零点定为的起点， 角移相范围是0150第六讲 交流-交流变换电路19三相交流调压电路三相交流调压电路第六讲 交流-交流变换电路20三相交流调压电路三相交流调压电路0 60 ：n 三管导通与两管导通交替，每管导通180 。但 =0时一直是三管导通。不同角时负载相电压波形a) =30第六讲 交流-交流变换电路21三相交流调压电路三相交流调压电路不同角时负载相电压波形b) =6060 90 ：n 两管导通，每管导通120第六讲 交流-交流变换电路22三相交流调压电路三相交流调压电路90 0，正组工作，反组被封锁。t1 t2: uo和io 0,正组整流,输出功率为正

12、t2 t3: uo 0, 正组逆变, 输出功率为负n t3t5期间：io 0 ，反组工作，正组被封锁。t3 t4: uo和io 0 , io 0, 反组逆变, 输出功率为负n 哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关。根据uo与io的方向是否相同来确定工作在整流还是逆变。a)整流逆变阻断图4-19b)PNttttt整流逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP第六讲 交流-交流变换电路42单相交交变频器单相交交变频器n 考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段 第1段io0，反组逆变反组逆变; 第2段电流过零，为无环

13、流死区无环流死区 第3段io0， uo0，正组整流正组整流; 第4段io0， uo0，正组逆变正组逆变 第5段又是无环流死区无环流死区; 第6段io0， uo0，为反组整流反组整流n uo和io的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态; 当二者相位差大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态1OO23456图4-20uoiott第六讲 交流-交流变换电路43单相交交变频器单相交交变频器n 不同 时，在uo一周期内，随ot 变化的情况如图示n 较小，即输出电压较低时，只在离90很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常

14、低。 = 0 = 0.1相位控制角/( )输出相位 0 t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223不同 时和ot的关系)sin(sin2)sin(coso1o1tt第六讲 交流-交流变换电路44单相交交变频器单相交交变频器输入输出特性输入输出特性n输出上限频率输出上限频率输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。当采用6脉波三相桥式脉波三相桥式电路时，输出上限频

15、率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz第六讲 交流-交流变换电路45单相交交变频器单相交交变频器n 输入功率因数输入功率因数由于采用相控方式，输入电流相位总是滞后于输入电压，因此需要电网提供无功功率。不论负载功率不论负载功率因数是滞后的还是超前的，因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后。输入的无功电流总是滞后。一周期内，角以90为中心变化。输出电压比 越小，半周期内的平均值越靠近90。负载功率因数越低，输入功率因数也越低。单相交交变频电路的功率因数0.8 0.6 0.4 0.2 0=1.0输入位移因数负载功率因数（ 滞后 ）负载功率

16、因数（ 超前 ）图4-2301.00.80.60.40.200.80.60.40.20.80.60.40.2第六讲 交流-交流变换电路46单相交交变频器单相交交变频器n 输出电压谐波输出电压谐波p输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关。p采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为p6fifo，6fi3fo，6fi5fo，p12fifo，12fi3fo，12fi5fo，p采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将增加5fo、7fo等次谐波。第六讲 交流-交流变换电路47单相交交变频器单相交交变频器n输入电流谐波输入电流谐波输入电流波

17、形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制。采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率为： 和 式中，k = 1,2,3,；l = 0,1,2,。oiin216lffkfoiin2kfff第六讲 交流-交流变换电路48三相交交变频电路三相交交变频电路n交交变频电路主要应用于500kW或1000kW以下的大功率、低转速大功率、低转速的交流调速电路之中，如：轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。n调速系统使用的三相交交变频电路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。其电路接线方式主要有

18、 1) 公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式 2) 输出星形联结方式输出星形联结方式第六讲 交流-交流变换电路49三相交交变频电路三相交交变频电路公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式n 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n 电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上n 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n 主要用于中等容量的交流调速系统图4-24第六讲 交流-交流变换电路50三相交交变频电路三相交交变频电路输出星形联结方式输出星形联结方式图4-25a)b)a）简图 b）详图第六讲 交流-交流变换电路51三相交

19、交变频电路三相交交变频电路输出星形联结方式输出星形联结方式n 因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电n 三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流n 和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通。两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通n 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第六讲 交流-交流变换电路52三相交交变频电路三相交交变频电路输入输出特性输入输出特性输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变

20、频电路是一致的n 输入电流输入电流p总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到 有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低，谐波频率为 和 式中k =1, 2, 3, ；l = 0, 1, 2, 。oiin616lffkfoiin6kfff第六讲 交流-交流变换电路53三相交交变频电路三相交交变频电路p 采用三相桥式电路时，输入谐波电流的主要频率为fi6fo、5fi 、5fi6fo 、 7fi 、 7fi6fo 、 11fi 、 11fi6fo 、13fi 、 13fi6fo 、 fi12fo等。其中5fi次谐波的幅值最大200t/ms输出电压单相输出时 U相输入电流三相输

21、出时 U相输入电流200t/ms200t/ms第六讲 交流-交流变换电路54三相交交变频电路三相交交变频电路输入功率因数输入功率因数n 三相总输入功率因数应为 n 三相电路总的有功功率为各相有功功率之和n 但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小n 三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路SPPPSPcba第六讲 交流-交流变换电路55三相交交变频电路三相交交变频电路改善输入功率因数和提高输出电压改善输入功率因数和提高输出电压基本思路基本思路n 各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压。在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量。虽然各相输出电压不为正弦，但输出的线电压仍为正弦。利用该特性可以改善输入功率因数并提高输出线电压中正弦基波幅值。直流偏