电力电子变换和控制技术(第二版) (陈坚)第6章

1、电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）第第 6 6 章章交流交流- -交流变换器交流变换器6.0 6.0 引言引言6.1 6.1 晶闸管交流电压控制器的类型晶闸管交流电压控制器的类型 6.2 6.2 单相交流电压控制器单相交流电压控制器6.3 6.3 三相全波交流电压控制器三相全波交流电压控制器* *6.4 6.4 变压器抽头电压控制器变压器抽头电压控制器* *6.5 6.5 晶闸管相控交流晶闸管相控交流/ /交流直接变频器交流直接变频器* *6.6 6.6 矩阵式交流矩阵式交流/ /交流变频器交流变频器6.7 6.7 本章小结本章小结6 6 交流交流- -交流变换器交流变换器 本章主要讲

2、述本章主要讲述 交流交流-交流变流电路交流变流电路 把一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路交流电压 控制器频率不变，仅改变电压大小交流调压电路 相位控制交流调功电路 通断控制变频器实现频率变换亦可改变电压大小 交交变频 直接 交直交变频 间接n 采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零及反向来关断晶采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零及反向来关断晶闸管。晶闸管开关器件的开通则可采用移相控制，改变控制角调控变换器闸管。晶闸管开关器件的开通则可采用移相控制，改变控制角调控变换器输出电压的大小。输出电压的大小。n 单相电压控制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制，三相单相

3、电压控制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制，三相交流交流- -交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交流交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交流异步电动机供电，实现异步电动机的变压调速，或作为异步电动机的启动异步电动机供电，实现异步电动机的变压调速，或作为异步电动机的启动器使用。器使用。 6.0 引言引言6.1.1 6.1.1 单相全控单相全控 6.1.2 6.1.2 带中线星形联结带中线星形联结6.1.3 6.1.3 无中线的三相连接无中线的三相连接6.1.4 6.1.4 三角形联结的控制器三角形联结的控制器6.1 晶闸管交流电压控制器的类型晶闸管交

4、流电压控制器的类型sitVvsssin2Roiov1T4T（a） 单相全控通态时：)()(tvtvSO断态时：0)(tvO两个反并联开关器件负载电压、负载功率的大小由控制角a确定6.1.1 单相全控单相全控siV1T4T3T6T5T2T（b） 带中线星形联接90a时，中线电流约等于相电流三个单相交三个单相交流电压控制流电压控制器可组合成器可组合成带中线的三带中线的三相交流电压相交流电压控制器控制器 缺点中线电流大6.1.2 带中线星形联结带中线星形联结siV（c） 无中线的三相联接输入电流中没有3次及3的倍数次谐波电流6.1.3 无中线的三相连接无中线的三相连接NvANvBNvCNiAiBiC

5、BACZLZLT1T4T6T3ZLT2T5(d) 联接的交流电压控制器只适用于允许断开6根出线端子的三角形负载6.1.4 三角形联结的交流电压控制器三角形联结的交流电压控制器6.2.1 6.2.1 电阻负载电阻负载 6.2.2 6.2.2 电阻、电感性负载电阻、电感性负载* *6.2.3 PWM6.2.3 PWM交流电压控制器交流电压控制器6.2 单相交流电压控制器单相交流电压控制器利用傅立叶级数可求出基波及各次谐波。2011( 2sin) ()sin22SSVVt dtVaa aRVIIS/00aa2sin21000SSSVVIVIVSPPFsitVvsssin2RoiOv1T4T1gi4g

6、i4Ti1TiRVIIST2/2/0tVvsssin202taaRvio00ta2aABCDaaovovoioi6.2.1 电阻负载电阻负载表6.1 不同触发角a时基波mV1和315次谐波电压(电流)的相对值6.2.1 电阻负载（续）电阻负载（续）图6.3 电阻负载、不同触发角时基波及谐波幅值分布图6.2.1 基波及谐波分布图基波及谐波分布图(a) 电路（1）a=f 时，iivOSO,tVvvSSOsin2)sin(2ftZViiSOS22)(RLZRL/arctanf均为正弦波01Titat02aasvff4Tisisisva2(c)电流连续电感性负载波形2aAfafasitVvsssin2

7、RoiOv1T4TL1gi4gi4Ti1Ti6.2.2 电阻、电感性负载（续电阻、电感性负载（续1) )（2）af 时，020406080100120140 16018020406080100120140160180a=90=75=60=45=30=15=0 (e) 导通角 与控制角 的关系曲线（以负载阻抗角 为参变量）1,180LRaaatgffff时 ，由， 可 求 出，ffcossin)(tgeatgfa6.2.2 电阻、电感性负载（续电阻、电感性负载（续3）1T 1oT avToTtg,180i( ), V , I,I2 ILRaaatTff ff时 ，由，可 求 出，再 求及ffco

8、s)2cos(sinaZVSTI（f）晶闸管电流的标么值 与控制角 的关系曲线*TIaffacos2)2cos(sin22122/*TSSTTIVZZVII6.2.2 电阻、电感性负载电阻、电感性负载 （续（续4）例例6-1 单相交流调压器控制230v交流电源的输出功率，负载电阻为23、感抗为23 ，求（1）a角控制范围；（2）最大电流有效值；（3）最大功率和功率因数。解: (1)42323arctanarctanminfaRLamax； (2)minaa时，最大电流有效值OI为：ALRVIO07. 72323230)(2/1222/122(3) 最大功率 ( 时 )WRIPO322max10

9、15. 107. 723707. 007. 72301150视在功率有效功率功率因数注：注：在a amin的非正弦电流工作下，功率因数基波相移因数。 minaaS3,S4: 负载续流开关S1S4:自关断功率器件优点：输出电压谐波含量少*6.2.3 PWM交流电压控制器交流电压控制器6.3 三相全波交流电压控制器三相全波交流电压控制器6.3.1 三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器(a) 电路ABCNCAVBCVABV(b)矢量图AVBVCVT T6 6T T5 5T T6 6T T2 2T5T T4 4T T2 2T T3 3T T1 1T T1 1V0t0)(ac晶闸管导通区间控制角控制角

10、 a=0，三相同时导电，三相同时导电，180180导电导电 。ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6T六个晶闸管六个晶闸管T T1 1T T6 6的触发信号依序相差的触发信号依序相差6060，脉宽大于脉宽大于6060，各相电源由负变正的过零，各相电源由负变正的过零点为控制角点为控制角a a的计算起点。的计算起点。(a) 电路0AVBVCVt060IIIIII1T3T2T4T5T6TuAiABVACVBCVRVAB20600)(adtuRVAC2两相同时导电，导电角 120.ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6T6.3.1 三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器(续续1)a

11、=60:(a) 电路AVBVCVIIIIII1T3T2T4T5T6TAiuCBVABVACVt00120)(ae001200150tuRVAB2RVAC2a=150: 完全不能导电。a=120: 两相间断导电， 导电角 小于120。ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6T6.3.1 三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器(续续2)工作状态小结：工作状态小结：（1） a a30：处于：处于第一类工作状态（三相同时导电）。第一类工作状态（三相同时导电）。（2）30a a60：每隔：每隔30交替地出现第一类和第二类工作交替地出现第一类和第二类工作 状态。状态。（3） 60 a a 90 ：

12、处于：处于第二类工作状态（两相同时导电）第二类工作状态（两相同时导电）（4） 90 a a 150 ：电路全断流，不能工作。电路全断流，不能工作。 所以电阻负载控制角所以电阻负载控制角a a 的调控范围为：的调控范围为： 0 150, 三相阻感性负载，分析方法与单相电路相同。三相阻感性负载，分析方法与单相电路相同。6.3.1 三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器(续续3)图 6.7 三相开口三角形电压控制器BCCACABBCBCAABAiiiiiiiii的倍数次谐波电流次及中无33,iiiCBA绕组相电流小于输入线电流 可看作三个独立的单相电可看作三个独立的单相电 路分别分析。路分别分析。A

13、BiBCiCAiAiBiCiRRRLLL1T2T3T4T5T6TABCou6.3.2 三相开口三角形电压控制器三相开口三角形电压控制器*6.4 变压器抽头电压控制器变压器抽头电压控制器 图中输出电压图中输出电压Vo的包络线为：的包络线为：OABDHKG*6.4 变压器抽头电压控制器变压器抽头电压控制器 优点：负载电压、电流谐波可控性好，输入电流的谐波含量少优点：负载电压、电流谐波可控性好，输入电流的谐波含量少2VVO21VVVOaktka) 1( ktkk=0,1,2.6.5.1 6.5.1 基本工作原理基本工作原理 6.5.2 6.5.2 实用电路结构实用电路结构6.5.3 6.5.3 交流

14、交流/ /交流相控直接变频的优缺点交流相控直接变频的优缺点*6.5 晶闸管相控交流交流直接变频器晶闸管相控交流交流直接变频器正反组单相全控桥变流器并联(类似直流可逆主电路)构成单相输出的相控交交直接变频器。控制正反组变流器的ap、an 随时间周期性变化，负载端电压就成为频率可控的交流电压。图(d)表明：负载输出电流与输出电压不同相位时，正反组变流器在不同时段工作在整流或有源逆变工况。所以，半控桥变流器不能构成交交变频器。na6.5.1 基本工作原理基本工作原理 改变相控角ap (或an )只能在输出电压一个脉波周期中得到一个输出电压平均值，因此：2. 输出相同频率的交交变频器，拓扑结构输入的相

15、数越多，脉波数越多，输出电压的脉波数就越多，谐波含量越少。输出电压波形改善相控交交变频器输出波形的措施改善相控交交变频器输出波形的措施1. 相同拓扑结构的相控交交变频器输出频率越低，输出电压的脉波数越多，谐波含量越少。6.5.1 基本工作原理（续）基本工作原理（续）三相交交变频器每相采用的晶闸管元件越多，输出波形越好三相交交变频器每相采用的晶闸管元件越多，输出波形越好6.5.2 实用电路结构实用电路结构6.5.2 实用电路结构实用电路结构(续续1)6.5.2 实用电路结构实用电路结构(续续2) 缺点：缺点： q 输出频率低输出频率低q 晶闸管用量多，且控制复杂晶闸管用量多，且控制复杂q 输入功

16、率因数低输入功率因数低q 交流电源输入电流谐波严重，且难于抑制交流电源输入电流谐波严重，且难于抑制 适用范围：大功率可逆传动系统 优点：优点： q 只需一级变换环节只需一级变换环节q 晶闸管工作在自然换流工况晶闸管工作在自然换流工况q 能量可双向传递，易实现电机的四象限运行能量可双向传递，易实现电机的四象限运行q 低频输出时可获得较高质量的正弦电压波形低频输出时可获得较高质量的正弦电压波形6.5.3 交流交流相控直接变频的优缺点交流交流相控直接变频的优缺点6.6.0 6.6.0 概述概述6.6.1 6.6.1 矩阵式交交变频器的控制方法矩阵式交交变频器的控制方法6.6.3 6.6.3 矩阵式交

17、交变频器的优缺点矩阵式交交变频器的优缺点*6.6 矩阵式交流交流变频器矩阵式交流交流变频器6.6.0 概述概述交流交流直接变频器中的半控元件晶闸管改为全控元件(如IGBT)可构成矩阵式交交直接变频器（Matrix AC-AC Converter）图（a）中任一开关都是双向可控开关对图（a）中的9个双向开关器件进行高频SPWM控制，就可获得频率、电压均可调控的三相对称的交流输出电压图（b）是构成双向开关的方案之一图6.11a中的输出电压满足以下关系CBACcBcAcCbBbAbCaBaAacbavvvSSSSSSSSSvvv矩阵中9个开关函数表明了图6.11a中9个可控开关（18个IGBT）的工作状态,其开通、关断切换原则： 满足矩阵函数关系 不造成交流电源两相短路 不引起感性负载开路过电压四步换流法是满足上述要求的控制方案之一6.6.1 矩阵式交交变频器的控制方法矩阵式交交变频器的控制方法优点：优点：1. 自关断元件工作频率高，采用自关断元件工作频率高，采用SPWM波工作方式波工作方式可获得较理想的正弦电压可获得较理想的正弦电压2. 输出波形交流输入功率因数高输出波形交流输入功率因数高3. 交流输入电流谐波频率高，便于滤波抑制交流输入电流谐波频率高，便于滤波抑制缺点：缺点：1. 采用价格偏高的自关断元件采用价格偏高的自关断元件2. 自关断元件耐冲击能力不如半控元件晶闸管自