电力电子技术第5章交流变换电路ppt课件

1、第第5章章 交流变换电路交流变换电路 概述概述 5.1 交流调压电路交流调压电路 5.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 5.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 5.2 交流调功电路交流调功电路 5.3 交流电力电子开关交流电力电子开关 5.4 交交变频电路交交变频电路 5.4.1 单相输出交交变频电路单相输出交交变频电路 5.4.2 三相输出交交变频电路三相输出交交变频电路 5.4.3 交交变频电路输出频率上限的限制交交变频电路输出频率上限的限制 5.4.4 交交变频电路的优缺点交交变频电路的优缺点 概述概述 交流变换电路：把交流电能的参数幅值、频率、相数加交流变换电路：把交流电

2、能的参数幅值、频率、相数加以转换的电路。以转换的电路。第5章交流电力控制电路交流电力控制电路 交一交变频电路 （直接变频电路）维持频率不变维持频率不变 改变输出电压的幅值。改变输出电压的幅值。 将电网频率的交流电直接变换成较低频率的交流电将电网频率的交流电直接变换成较低频率的交流电 直接变频的同时也可实现电压变换。直接变频的同时也可实现电压变换。 分分类类 5.1 3 3、交流调压电路应用：、交流调压电路应用： 电炉的温度控制 灯光调节 （如舞台灯光控制） 异步电机软起动 异步电机调速 调节整流变压器一次侧电压 2 2、交流调压的实现方法：通过控制晶闸管在每、交流调压的实现方法：通过控制晶闸管

3、在每一个电源周期内的导通角的大小相位控制来调一个电源周期内的导通角的大小相位控制来调节输出电压的大小。节输出电压的大小。 1 1、交流调压电路、交流调压电路: :是用来变换交流电压幅值或有效值是用来变换交流电压幅值或有效值的电路。的电路。单相交流调压器主电路特点：单相交流调压器主电路特点： 1电源正半周：电源正半周： T1触发触发 导通，导通，电源的正半周施加到负载上；电源的正半周施加到负载上； 2电源负半周：电源负半周： T2触发导通，触发导通，电源负半周便加到负载上；电源负半周便加到负载上； 3电源电压过零：电源电压过零： T1 、 T2交替交替触发导通，电源电压全部加到负触发导通，电源电

4、压全部加到负载；载； 4关断关断T1 、 T2 ：电源电压不能：电源电压不能加到负载上。加到负载上。5.1.1图图5.1.1 单向交流调压器电路单向交流调压器电路 T1 、T2 构成无触点交流开关。构成无触点交流开关。单向交流电压电路的工作情况与它的负载性质有关单向交流电压电路的工作情况与它的负载性质有关 1电源电压正半周：晶闸管电源电压正半周：晶闸管T1承受正承受正向电压，当向电压，当t=时，触发时，触发T1使其导通，使其导通，负载上得到缺负载上得到缺角的正弦半波电压；角的正弦半波电压； 2电源电压过零：电源电压过零： T1管电流下降为零管电流下降为零而关断；而关断； 3电源电压负半周：晶闸

5、管电源电压负半周：晶闸管T2承受正承受正向电压，当向电压，当t=+时，触发时，触发T2使其导使其导通，则负载上又得到了缺通，则负载上又得到了缺角的正弦负角的正弦负半波电压。持续这样控制，在负载电阻半波电压。持续这样控制，在负载电阻上便得到每半波缺上便得到每半波缺角的正弦电压；角的正弦电压；5.1.1图图5.1.1 5.1.1 电阻性负载电阻性负载时单向交流电压电路及时单向交流电压电路及输出电压波形输出电压波形 改变改变角的大小，便改变了输出电压有角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。效值的大小。1 1、电阻性负载工作原理：、电阻性负载工作原理： 5.1.1 电阻性负载数量关系：电阻性负载数量

6、关系：（5.1.1） v 负载电压的有效值负载电压的有效值 v 负载电流的有效值负载电流的有效值 2sin2100RURUI（5.1.2） v 调压器的功率因数调压器的功率因数 （5.1.3） 图图5.1.15.1.1电阻性负载时电阻性负载时单向交流电压电路及输单向交流电压电路及输出电压波形出电压波形 总结：随着总结：随着角的增大，角的增大，U0逐渐减小。当逐渐减小。当 =时，时，U0=0。 因而，单相交流电压器对于电阻性负载，其因而，单相交流电压器对于电阻性负载，其电压可调范围为电压可调范围为 0U，控制角，控制角的移相范围为的移相范围为0。tdtUU 20)sin2(1 )2sin(21

7、aaU 2sin21UUUIIUPFOOOO 单相交流调压电路带电阻负载时，输出电压波形正负半波对称，所以不单相交流调压电路带电阻负载时，输出电压波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波，故含直流分量和偶次谐波，故5.1.1电阻性负载谐波分析：电阻性负载谐波分析：基波和各次谐波有效值：基波和各次谐波有效值：22on21nnbaU负载电流基波和各次谐波有效值：负载电流基波和各次谐波有效值：RUI/onon在上面关于谐波的表达式中在上面关于谐波的表达式中 n=1为基波，为基波，n=3,5,7,为奇次谐波。随着为奇次谐波。随着谐波次数谐波次数n的增加，谐波含量减少。的增加，谐波含量减少。 , 5

8、 , 3 , 1o)sincos()(nnntnbtnatu) 12(cos2211Ua)(22sin2211Ub1) 1cos(111) 1cos(1121nnnnUan) 1sin(11) 1sin(1121nnnnUbn(5.1.4)(5.1.4)(n=3,5,7,)5.1.1感性负载感性负载 （R-LR-L负载）负载）图图5.1.2 5.1.2 带阻感负载单向带阻感负载单向交流调压电路及输出波形交流调压电路及输出波形 v 单相交流电压器带阻感负单相交流电压器带阻感负载时，工作情况同可控整流电载时，工作情况同可控整流电路带电感负载相似；路带电感负载相似； v 当电源电压反向过零时，当电源

9、电压反向过零时，负载电感产生感应电动势阻止负载电感产生感应电动势阻止电流的变化，故电流不能立即电流的变化，故电流不能立即为零；为零；v 晶闸管的导通角晶闸管的导通角的大小的大小与控制角与控制角a a 、负载阻抗角、负载阻抗角都都有关。有关。5.1.1 阻感负载的工作情况分析： v 晶闸管晶闸管T1T1导通时，负载电流导通时，负载电流IOIO满足：满足： (5.1.(5.1.7) 7) 式中式中 利用边界条件：利用边界条件： ，i0=0 i0=0 可求得可求得：(5.1.8)(5.1.8) （为晶闸管的导通角）v T2 T2导通时，上述关系完全相同，只是导通时，上述关系完全相同，只是iOiO相差

10、相差1800 1800 图图5.1.3 5.1.3 单相交流调压器以单相交流调压器以为参变量时为参变量时与与a a的关系曲的关系曲线线 )sin()sin(2 tgtoetZUi t2122)(LRZ RLtg 1 tge )sin()sin( t5.1.1 1 1、 ，导通角，导通角 18001800，正负半波电流断续。，正负半波电流断续。 愈大，愈大，愈小，波形断续愈严重。愈小，波形断续愈严重。 负载电压的有效值负载电压的有效值UO、晶闸管电流平均值、晶闸管电流平均值IdT、电流有效值、电流有效值IT以及以及负载电流有效值负载电流有效值IO分别为：分别为：(5.1.9) (5.1.10)

11、(5.1.12) (5.1.11) 调压电路的工作情况（调压电路的工作情况（ 、 = =、 ） )(2sin2sin)sin2(120 UtdtUUtdetItdT )sin()sin(21tan tdetZUItT2tan2)sin()sin()2(21 cos)2cos(sin ZUTOII2 5.1.1 2 2、 =可得：可得：=1800 =1800 此时，晶闸管轮流导通，相当于晶闸管被短接。此时，晶闸管轮流导通，相当于晶闸管被短接。负载电流处于连续状态，为完全的正弦波。负载电流处于连续状态，为完全的正弦波。 tge )sin()sin(由由0)sin( (5.1.8) (5.1.8)

12、5.1.1 图5.1.4窄脉冲触发时的工作波形 1 1） 如果采用窄脉冲触发，会出现先如果采用窄脉冲触发，会出现先触发的一只晶闸管导通，而另一只管触发的一只晶闸管导通，而另一只管子在电流下降为零时，因其门极脉冲子在电流下降为零时，因其门极脉冲已经消失不能导通的失控现象。回路已经消失不能导通的失控现象。回路中将出现很大的直流电流分量，无法中将出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。维持电路的正常工作。2 2） 采用宽脉冲或脉冲列触发，使第采用宽脉冲或脉冲列触发，使第二个晶闸管的导通角二个晶闸管的导通角 。即可使。即可使两个晶闸管的导通角两个晶闸管的导通角=1800=1800达到平达到平衡

13、。解决失控现象。衡。解决失控现象。 3 3、 = = 180018005.1.1 图5.1.4窄脉冲触发时的工作波形 数角）。所以数角）。所以 的移相范的移相范围为围为1800 5.1.1 1 1） 电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3 3、5 5、77 等次谐波；等次谐波； 2 2） 随着次数的增加，谐波含量减少；随着次数的增加，谐波含量减少； 3 3） 和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含流含 量少一些；量少一些； 4 4） a a 角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所量有所

14、 减少；减少；单相交流电压器带阻感负载时电流谐波分析：单相交流电压器带阻感负载时电流谐波分析： 5.1.2 1 1、三相四线制调压电路特点：、三相四线制调压电路特点： 图5.1.5(a) 三相四线制调压电路 v 1相当于三个独立的单相交流调压电路组合而成的；v 2存在中性线，但是3次谐波在中线中的电流大，故中线的导线截面要求与相线一致；v 3晶闸管的门极触发脉冲信号，同相间两管的触发脉冲要互差180。v 4各晶闸管导通顺序为T1T6，依次滞后间隔60；v 5因存在中线，可采用窄脉冲触发； 5.1.2 图5.1.5(a) 三相四线制调压电路 v 6 6该电路工作时，零线上谐波该电路工作时，零线上

15、谐波电流较大，含有三次谐波，控制角电流较大，含有三次谐波，控制角a=90a=90时，零线电流甚至和各相电时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。若变压器采用三流的有效值接近。若变压器采用三柱式结构，则三次谐波磁通不能在柱式结构，则三次谐波磁通不能在铁心中形成通路，产生较大的漏磁铁心中形成通路，产生较大的漏磁通，引起发热和噪音。通，引起发热和噪音。v 7 7该电路中晶闸管上承受的峰该电路中晶闸管上承受的峰v 值电压为值电压为 ( ( 为为线电压线电压) )。lU32lU5.1.2 2、三相三线制交流调压电路 的特点： 图5.1.5 (b)三相三线制交流调压电路v 1每相电路必须通过另一相形成回路

16、；v 2负载接线灵活，且不用中性线； v 3晶闸管的触发电路必须是双脉冲，或者是宽度大于600的单脉冲； v 4触发脉冲顺序和三相全控桥一样，为T1T6，依次间隔600； v 5电压过零处定为控制角的起点，a角移相范围是0150；v 6)输出谐波含量低,无3倍次谐波； 5.1.2 图5.1.6 (a) a=30 时负载相电压波形 v (1) 0a60 时，三个晶时，三个晶闸管导通与两个晶闸管导通交闸管导通与两个晶闸管导通交替，每管导通替，每管导通180a 。但。但a =0时一直是三管导通，时一直是三管导通，3 3、三相三线制交流调压电路改变、三相三线制交流调压电路改变 ，电路中晶闸管的导电模式

17、：电路中晶闸管的导电模式：v 图图5.1.6(a)5.1.6(a)所示所示a=30a=30时时v的负载电压波形。的负载电压波形。5.1.2 图5.1.6 (b) a=60 时负载相电压波形 v (2) 60a90时，两管导时，两管导通，每管导通通，每管导通120；3 3、三相三线制交流调压电路、三相三线制交流调压电路改变改变 a a ，电路中晶闸管的导，电路中晶闸管的导电模式：电模式：v 图图5.1.6(b)5.1.6(b)所示为所示为a =60a =60时时v 负载电压波形。负载电压波形。5.1.2 图5.1.6 (c) a=120 时负载相电压波形 v (3) 90a 150时，两管时，两

18、管导通与无晶闸管导通交替，导导通与无晶闸管导通交替，导通角度为通角度为3002a，3 3、三相三线制交流调压电路、三相三线制交流调压电路改变改变 a a ，电路中晶闸管的导，电路中晶闸管的导电模式：电模式：v图图5.1.6(c)所示为所示为a=120时时v 的负载电压波形。的负载电压波形。5.2 1 1、与调压电路的比较：、与调压电路的比较：同同电路形式完全相同电路形式完全相同 异异控制方式不同：以交流电源周波数为控制单位控制方式不同：以交流电源周波数为控制单位, 对电路通断对电路通断进行控制，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均进行控制，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。

19、功率。 应用 电炉的温度控制电炉的温度控制 v 交流调功电路直接调节对象是电路的平均输出功率；v 控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制； v 晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。5.2 2 2、电阻负载时的工作情况：、电阻负载时的工作情况：v 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； v 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； 图图5.2.15.2.1交流调功交流调功 电路典型波形电路典型波形M=3、N=2时的电路波形。5.2 3 3、谐波分析：、谐波分析：v 图图5.2.2为以控制

20、周期为基准为以控制周期为基准的交流调功电路的频谱图，的交流调功电路的频谱图，In为为n次谐波有效值，次谐波有效值， Io为导通时为导通时电路电流幅值；电路电流幅值； 图5.2.2 交流调功电路的电流频谱图(M =3、N =2) v 电流中不含整数倍频率的谐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，但含有非整数倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非波，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。整数倍频率谐波的含量较大。5.3 1作用将晶闸管反并联后串入交流电路代替机械开关，将晶闸管反并联后串入交流电路代替机械开关，起接通和断开电路的作用；起接通和断开电路的作用； 2 2优点优点

21、3 3特点与交流调功电路的区别）特点与交流调功电路的区别）v 只控制通断，并不控制电路的平均输出功率只控制通断，并不控制电路的平均输出功率v 没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接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通和断开v 控制频度通常比交流调功电路低控制频度通常比交流调功电路低1响应速度快、无触点寿命长、可频繁控制通断；响应速度快、无触点寿命长、可频繁控制通断；2控制晶闸管总是在电流过零时关断，在关断时不会因负载控制晶闸管总是在电流过零时关断，在关断时不会因负载或线路电感存储能量而造成过电压和电磁干扰；或线路电感存储能量而造成过电压和电磁干扰； 5.3 晶闸管投切电

22、容器晶闸管投切电容器Thyristor Thyristor Switched CapacitorTSCSwitched CapacitorTSC） 图图5.3.1 TSC基本原理图基本原理图 v 1代替机械开关投切电容器，对电网无功进行控制v 2提高功率因数、稳定电网电压、改善用电质量v 3是一种很好的无功补偿方式 特点：5.3 1 1、电路结构和工作原理晶闸管反并联）、电路结构和工作原理晶闸管反并联） 图图5.3.1 TSC基本原理图基本原理图 v 2 2反并联的晶闸管控制反并联的晶闸管控制C C并入电网并入电网或从电网断开，如图或从电网断开，如图5.3.15.3.1a a）。）。 v 1

23、1实际常用三相实际常用三相TSCTSC，可三角形联，可三角形联结，也可星形联结。结，也可星形联结。 v 3 3串联电感很小，用来抑制电容串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流。器投入电网时的冲击电流。 v 4 4为避免电容器组投切造成较大电为避免电容器组投切造成较大电流冲击，一般把电容器分成几组，如图流冲击，一般把电容器分成几组，如图5.3.1(b)5.3.1(b)所示，可根据电网对无功的需所示，可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量。求而改变投入电容器的容量。电路特点：电路特点：5.3图图5.3.3 晶闸管和二极管反并联方式的晶闸管和二极管反并联方式的TSC 1 1由于二极管

24、的作用，在电路不导通时由于二极管的作用，在电路不导通时uCuC总会维持在电总会维持在电源电压峰值；源电压峰值； 2 2二极管不可控，响应速度要慢一些，投切电容器的最二极管不可控，响应速度要慢一些，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。大时间滞后为一个周波。 1 1、电路结构和工作原理晶闸管和二极管反并联）、电路结构和工作原理晶闸管和二极管反并联）电路特点：电路特点：5.3 2 2、晶闸管投切时间的选择、晶闸管投切时间的选择 v 1 1选择原则：选择原则：v 投入时刻交流电源电压和电容器预充电电压相投入时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，防止冲击电流。等，防止冲击电流。v 2理想选择：理想情况

25、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。 图图5.3.3 TSC理想投切时刻原理说明理想投切时刻原理说明 5.4v 交交变频电路是不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率低于交流电源频率交流电的变流电路。v 主要用于大功率交流电动机调速系统。 1 1定义定义 2 2应用应用图图5.4.2 5.4.2 单相交流输入时单相交流输入时交交变频电路的波形图交交变频电路的波形图 5.4.1 1 1、电路结构和工作原理、电路结构和工作原理 1 1电路结构电路结构v 由具有相同特征的两组晶闸管整流由具有相同特征的两组

26、晶闸管整流电路正组整流器和反组整流器电路正组整流器和反组整流器 ）反）反并联构成；并联构成； 图图5.4.1 5.4.1 单相输出交交变频电路单相输出交交变频电路 2 2工作原理工作原理 图图5.4.2 5.4.2 单相交流输入时单相交流输入时交交变频电路的波形图交交变频电路的波形图 v 正组整流器工作，反组整流器被封正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；锁，负载端输出电压为上正下负； v 负组整流器工作，正组整流器被封负组整流器工作，正组整流器被封锁，负载端得到输出电压上负下正；锁，负载端得到输出电压上负下正； v 以低于电源的频率切换正反组整流以低于电源的频率切换正反

27、组整流器的工作状态器的工作状态, ,在负载端就可获得交变在负载端就可获得交变的输出电压；（如图的输出电压；（如图5.4.2 5.4.2 ）v 晶闸管的开通与关断必须采用无晶闸管的开通与关断必须采用无环流控制方式，防止两组晶闸管桥同环流控制方式，防止两组晶闸管桥同时导通；时导通；5.4.13 3电路控制特点：电路控制特点：v （1一个周期内控制角a固定不变时，输出电压为含有大量的谐波矩形波,(如图5.4.2) 对电机的工作很不利图图5.4.2 5.4.2 单相交流输入时单相交流输入时交交变频电路的波形图交交变频电路的波形图 图图5.4.35.4.3交交变频电路交交变频电路 的波形图的波形图a a

28、变化）变化） v （2 2为了让输出电压波形接近正为了让输出电压波形接近正弦波，可按正弦规律对弦波，可按正弦规律对a a进行调制。进行调制。 正组工作的半个周期内让控制角a按正弦规律从90逐渐减小到0，然后逐渐增加到90 。正组整流电流的输出电压的平均值就按正弦规律变化，从零增大到最大,然后从最大减小到零。 反组工作的半个周期内采用上述同样的控制方法， 就可以得到接近正弦波的输出电压。如图5.4.35.4.1 2、变频电路的工作过程电感性负载）v 对于电感性负载，输出电压超前电流。v 一个周期可以分为六个阶段 第一阶段：输出电压过零，第一阶段：输出电压过零， u0为正，为正，i00，u00。正

29、组整流器工作在整流状态，反组整流器被封锁。5.4.1 第四阶段：i00，u00。正组整流器工作有源逆变状态，反组整流器仍被封锁； 第五阶段：电流为零，为无环流死区；第五阶段：电流为零，为无环流死区； 第六阶段：第六阶段：i00,u00i00,u00，反组整流器工作在整流状态，反组整流器工作在整流状态，正组整流器被封锁；正组整流器被封锁；图图5.4.4 5.4.4 交交- -交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形 图图5.4.1 5.4.1 单相输出单相输出交交变频电路交交变频电路 5.4.1 小结：小结： 1 1、哪组整流器电路工作是由输出电流决定

30、，而与、哪组整流器电路工作是由输出电流决定，而与输出电压极性无关；输出电压极性无关；2 2、变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则、变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定；是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定； 图图5.4.4 5.4.4 交交- -交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形 图图5.4.1 5.4.1 单相输出单相输出交交变频电路交交变频电路 5.4.1 3、输出正弦波电压的控制方法（、输出正弦波电压的控制方法（“余弦波交点法余弦波交点法”） 设Ud0为a = 0时整流电路的理想空载电压

31、，则有： （5.4.1） 希望输出的正弦波电压为希望输出的正弦波电压为 （5.4.2） 每次控制时每次控制时a a不同，不同，u0u0为每个控制间隔输出的平均电压为每个控制间隔输出的平均电压 比较式比较式6.4.16.4.1与与6.4.26.4.2），则使），则使 （5.4.4） g g 称为输出电压比：称为输出电压比： cos0doUu tUuomo sin0 ttUUodoom0sinsincos g g )sin(cos1to g g ，doomUU g g)10( g g式式5.4.45.4.4为余弦交点法求为余弦交点法求 角的基本公式。角的基本公式。 5.4.1图图5.4.55.4.

32、5余余2)相邻两个线电压的交点对应于相邻两个线电压的交点对应于a=0； 3u1-u6所对应的同步信号分别用所对应的同步信号分别用us1-us6表示表示 ；4us1-us6比相应的比相应的u1-u6超前超前30，us1-us6的最大值和相应线电压的最大值和相应线电压a=0的的时刻对应；时刻对应； 4、余弦交点法图解 6各晶闸管触发时刻由相应的同步电压各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1-us6的下降的下降段段和输出电压和输出电压uo的交点来决定；的交点来决定； 1线电压线电压uAB、 uAC 、 uBC 、 uBA 、 uCA和和uCB依次用依次用u1-u6表示；表示；5） a =0为零时刻，

33、则为零时刻，则us1-us6为余弦信号；为余弦信号；5.4.1 不同g 时，在u0一周期内，a随变化的情况如图5.4.6，图中 图图5.4.6 5.4.6 不同不同g g 时时a a 和和w0t w0t 变化的情况变化的情况 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； )sin(sin2/)sin(coso1o1tt g g g g 5.4.2 由三组输出电压相位各相差1200的单相交交变频电路组成。 电路接线形式主要： 1公共交流母线进线方式 2输出星形联结方式 交交变频器主要用于交流调速系统中， 实际使用的主要是三相交交变频器。 5.4.2v 1、公共交流