第3章 电力电子ppt.

1、第3章 交-交变换器 3.1 3.1 简介简介 晶闸管单相和三相交流调压器晶闸管单相和三相交流调压器 全控型器件的交流斩波电路全控型器件的交流斩波电路 交交- -交变频器交变频器 交交- -交交(AC-AC)(AC-AC)变换器的应用变换器的应用 交流调压电路是将固定的交流电变换成输出电压有效值变化的交交流调压电路是将固定的交流电变换成输出电压有效值变化的交流电的装置。流电的装置。 控制方法：控制方法： (1) 相位控制相位控制 它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时刻将负载与电它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时刻将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。源接通，改变选

2、定的时刻可达到调压的目的。 (2) (2)通断控制通断控制 即把晶闸管作为开关，通过改变通断时间比值达到调压的目的。即把晶闸管作为开关，通过改变通断时间比值达到调压的目的。这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于有较大时间常数的负这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于有较大时间常数的负载；缺点是输出电压或功率调节不平滑。载；缺点是输出电压或功率调节不平滑。 (3) (3) 斩波控制斩波控制 利用开关管的开关作用，以远高于交流电频率的频率，通过改变导利用开关管的开关作用，以远高于交流电频率的频率，通过改变导通比，改变输出的交流电有效值，达到调压的目的。开关管应采用全通比，改变输出的交流电有效值

3、，达到调压的目的。开关管应采用全控型电力电子器件。控型电力电子器件。3.2 相控交流调压电路 3.2.1 单相交流调压电路 1 电阻性负载的工作情况电阻性负载的工作情况 正半周时刻触发管，负半周时刻触发管，输出电压波形为正负半周缺角正半周时刻触发管，负半周时刻触发管，输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波。相同的正弦波。 负载上交流电压有效值负载上交流电压有效值U与控制角与控制角的关系为的关系为 电流有效值电流有效值 电路功率因数电路功率因数 电路的移相范围为电路的移相范围为0 。 2sin21)(sin21222UtdtUUaLRUI IUUISP2sin21cos22 2 电感性负载的工作

4、情况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，不但与控制的大小，不但与控制角角有关，而且与负载阻抗角有关，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，分别定在电源电压每个半周的起始点，的最大范围是的最大范围是 。 单相交流调压器电感性负载时的主电路和输出波形 当控制角为当控制角为时，时，Ug1 触发触发VT1导通，流过导通，流过VT1管的电流

5、管的电流i2有两个分量，即有两个分量，即强制分量强制分量iB与自由分量与自由分量iS， 其强制分量为其强制分量为式中式中 其自由分量为其自由分量为 式中式中 自由分量衰减时间常数，自由分量衰减时间常数， tZUisin22BRLarctgLRZ,22tgtteZUeZUisin2sin222SRL 流过晶闸管的电流即负载电流为流过晶闸管的电流即负载电流为 当当 ?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，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。管才关断。

6、 在在t=0时触发管子，时触发管子，t= 时管子关断，将时管子关断，将t= 代入上式可得代入上式可得tgtetZUiiisinsin22BS2tgesinsin 当取不同的当取不同的?角时，角时， =f()的曲线如图所示，的曲线如图所示， (1) 当当 ? 时时 稳定分量稳定分量iB与自与自由分量由分量is如图如图(b)所示，叠加后电所示，叠加后电流波形流波形i2的导通的导通角角 180，正负，正负半波电流断续，半波电流断续， 愈大愈大愈小，波愈小，波形断续愈严重。形断续愈严重。(2) 当当 ?时时 如果触发脉冲为窄脉冲，则当如果触发脉冲为窄脉冲，则当Ug2出现时，出现时，VT1的电流还未到零

7、，的电流还未到零， VT2管受反压不能触发导通；待管受反压不能触发导通；待VT1中电流变到零关断，中电流变到零关断， VT2承受正承受正压时，脉冲已消失，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。很大的直流分量，电路不能正常工作。 所以，带电感性负载时，晶闸管应当采用宽脉冲，这样在所以，带电感性负载时，晶闸管应当采用宽脉冲，这样在 ?时，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

8、得到完全对的，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，电流滞后电源电压称连续的波形，电流滞后电源电压?角。角。 (3) 当当 = ?时时 电流自由分量电流自由分量is=0，i2=iB；=180。正负半周电流处于临界连续状态，。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电压 = ?角。角。 相当于晶闸管是不可控的。所以晶闸管的移相范围相当于晶闸管是不可控的。所以晶闸管的移相范围 思考题：在上述思考题：在上述2种情形下，输出电压和电流的波形是怎样的？种情形下，输出

9、电压和电流的波形是怎样的？ 综上所述，单相交流调压可归纳为以下三点：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，改变控制角一致，改变控制角可以改变负载电压有效值。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，否则当带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当 60）触发。）触发。为了保证输出电压对称可调，应保持触发脉冲与电源电压同步。为了保证输出电压对称可调，应保持触发脉冲与电源电压同步。 =0时的波形 控制角控制角=0p由于各相在整个正半周正向晶闸管由于各相在

10、整个正半周正向晶闸管导通，而负半周反向晶闸管导通，导通，而负半周反向晶闸管导通，所以负载上获得的调压电压仍为完所以负载上获得的调压电压仍为完整的正弦波。整的正弦波。=0时如果忽略晶闸时如果忽略晶闸管的管降压，此时调压电路相当于管的管降压，此时调压电路相当于一般的三相交流电路，加到其负载一般的三相交流电路，加到其负载上的电压是额定电源电压。图上的电压是额定电源电压。图3-9(d)为为U相负载电压波形。相负载电压波形。p归纳归纳=0时的导通特点如下：每管时的导通特点如下：每管持续导通持续导通180 ；每；每60区间有三个区间有三个晶闸管同时导通。晶闸管同时导通。(1) 三相调压电路在纯电阻性负载时

11、的工作情况=30时的波形 控制角控制角=30p各相电压过零各相电压过零30后触发相应晶闸管。后触发相应晶闸管。以以U相为例，相为例，uu过零变正过零变正30后发出后发出VT1的触发脉冲的触发脉冲ug1，uu过零变负过零变负30后后发出发出VT4的触发脉冲的触发脉冲ug2 。p归纳归纳=30时的导通特点如下：每管时的导通特点如下：每管持续导通持续导通150 ；有的区间由两个晶闸；有的区间由两个晶闸管同时导通构成两相流通回路，也有管同时导通构成两相流通回路，也有的区间三个晶闸管同时导通构成三相的区间三个晶闸管同时导通构成三相流通回路。流通回路。 =60时的波形 控制角控制角=60p=60情况下的具

12、体分析与情况下的具体分析与=30相似。这里给出相似。这里给出=60时时的脉冲分配图、导通区间和的脉冲分配图、导通区间和U相负载电压波形如右下图所示。相负载电压波形如右下图所示。p归纳归纳=60时的导通特点如下：时的导通特点如下：每个晶闸管导通每个晶闸管导通120；每个区；每个区间由两个晶闸管构成回路。间由两个晶闸管构成回路。 =90时的波形 触发角触发角=90 在触发在触发VT1时，时，VT6还有触发脉冲，还有触发脉冲，由于此时由于此时uuuv， VT1和和VT6承受承受正压正压uuv而导通，电流流过而导通，电流流过 VT1、u相负载、相负载、v相负载、相负载、 VT6，一直到，一直到uuuw

13、，使得使得VT2和和VT1承受正压承受正压uuw一起导一起导通，构成通，构成UW相回路，相回路，p归纳归纳=90时的导通特点如下：每时的导通特点如下：每个晶闸管通个晶闸管通120 ，各区间有两个，各区间有两个管子导通。管子导通。=120时的波形 触发角触发角=120触发脉冲脉宽大于触发脉冲脉宽大于60 归纳归纳=120时的导通特点如时的导通特点如下：每个晶闸管触发后通下：每个晶闸管触发后通30，断断30，再触发导通，再触发导通30；各区；各区间要么由两个管子导通构成间要么由两个管子导通构成回路，要么没有管子导通。回路，要么没有管子导通。 控制角控制角 150时时 150以后，负载上没有交流电压

14、输出。当以后，负载上没有交流电压输出。当Ug1触发触发VT1时，尽管时，尽管VT6的的触发脉冲仍存在，但触发脉冲仍存在，但由于由于uuuv，即，即，VT1、VT6承受反向电压，不可能承受反向电压，不可能导通，因此输出电压为零。导通，因此输出电压为零。输出电压表达式输出电压表达式 由于输出电压的波形在不同触发角范围内的组成不同，因此输出电压由于输出电压的波形在不同触发角范围内的组成不同，因此输出电压表达式也不同。表达式也不同。 0 60 60 90 90 150 因此，因此， = 0时输出全电压，时输出全电压， 增大则输出电压减小，增大则输出电压减小， = 150时输出时输出电压为零。电压为零。

15、 每相负载上的电压已不是正弦波，但正、负半周对称。因此，输出电压每相负载上的电压已不是正弦波，但正、负半周对称。因此，输出电压中只有奇次谐波，以三次谐波所占比重最大。但由于这种线路没有零中只有奇次谐波，以三次谐波所占比重最大。但由于这种线路没有零线，故无三次谐波通路，减少了三次谐波对电源的影响。线，故无三次谐波通路，减少了三次谐波对电源的影响。(2) (2) 三相调压电路在电感性负载时的工作情况三相调压电路在电感性负载时的工作情况 三相交流调压电路在电感性负载下的情况要比单相电路复杂得多，很难三相交流调压电路在电感性负载下的情况要比单相电路复杂得多，很难用数学表达式进行描述。从实验可知，当三相

16、交流调压电路带电感性负用数学表达式进行描述。从实验可知，当三相交流调压电路带电感性负载时，同样要求触发脉冲为宽脉冲，而脉冲移相范围为：载时，同样要求触发脉冲为宽脉冲，而脉冲移相范围为：0150 。随。随着着增大则输出电压减小。增大则输出电压减小。3.3 晶闸管交流调功器和交流开关 前面介绍移相触发控制，使得电路中的正弦波形出现缺角，包含较大的前面介绍移相触发控制，使得电路中的正弦波形出现缺角，包含较大的高次谐波。为了克服这种缺点，可采用过零触发的通断控制方式。这种高次谐波。为了克服这种缺点，可采用过零触发的通断控制方式。这种方式的开关对外界的电磁干扰最小方式的开关对外界的电磁干扰最小。 控制方

17、法如下：在设定的周期内，使晶闸管开关接通几个周波然后断开控制方法如下：在设定的周期内，使晶闸管开关接通几个周波然后断开几个周波，改变通断时间比，改变了负载上的交流平均电压，可达到调几个周波，改变通断时间比，改变了负载上的交流平均电压，可达到调节负载功率的目的。因此这种装置也称为交流调功器。节负载功率的目的。因此这种装置也称为交流调功器。 过零触发虽然没有移相触发时的高次谐波干扰，但其通断频率比电源频过零触发虽然没有移相触发时的高次谐波干扰，但其通断频率比电源频率低，特别当通断比太小时，会出现低频干扰，使照明出现人眼能察觉率低，特别当通断比太小时，会出现低频干扰，使照明出现人眼能察觉到的闪烁、电

18、表指针出现摇摆等。所以调功器通常用于热惯性较大的电到的闪烁、电表指针出现摇摆等。所以调功器通常用于热惯性较大的电热负载。热负载。3.3.1 3.3.1 晶闸管交流调功器晶闸管交流调功器过零触发通断控制时的输出电压波形 图图3-14为二种通断工作方式，如在设定周期为二种通断工作方式，如在设定周期Tc内导通的周波数为内导通的周波数为n，每，每个周波的周期为个周波的周期为T， 输出电压有效值是输出电压有效值是 则调功器的输出功率是则调功器的输出功率是 式中式中 Pn 设定周期设定周期Tc内全部周波导通时，装置输出的功率内全部周波导通时，装置输出的功率 Un设定周期设定周期Tc内全部周波导通时，装置输

19、出的电压有效值内全部周波导通时，装置输出的电压有效值 n在设定周期在设定周期Tc内导通的周波数内导通的周波数 因此改变导通周波数因此改变导通周波数n即可改变电压和功率。即可改变电压和功率。 ncUTnTU ncPTnTP 晶闸管交流开关是一种快速、理想的交流开关。晶闸管交流开关总是在晶闸管交流开关是一种快速、理想的交流开关。晶闸管交流开关总是在电流过零时关断，在关断时不会因负载或线路电感储存能量而造成暂态电流过零时关断，在关断时不会因负载或线路电感储存能量而造成暂态过电压和电磁干扰，因此特别适用于操作频繁、可逆运行及有易燃气体、过电压和电磁干扰，因此特别适用于操作频繁、可逆运行及有易燃气体、多

20、粉尘的场合。多粉尘的场合。3.3.2 3.3.2 晶闸管交流开关晶闸管交流开关3.5 交-交变频电路 3.5.1 单相交-交变频电路 1 1 基本结构基本结构 单相交单相交-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。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。 单相交单相交-交变频器的主电路及输出电压波形交变频器的主电路及输出电压波形 2 2 工作状态工作状态t1t3期间：期间：io正半周，正组工作，反组被封锁。正半周，正组工作，反组被封锁。t1 t2： uo和和i

21、o均为正，正组整流，输出功率为正。均为正，正组整流，输出功率为正。t2 t3 ： uo反向，反向， io仍为正，正组逆变，输出功仍为正，正组逆变，输出功率为负。率为负。t3 t5期间：期间： io负半周，反组工作，正组被封锁。负半周，反组工作，正组被封锁。t3 t4 ：uo和和io均为负，反组整流，输出功率为正。均为负，反组整流，输出功率为正。t4 t5 ： uo反向，反向， io仍为负，反组逆变，输出功仍为负，反组逆变，输出功率为负。率为负。小结小结：哪一组工作由：哪一组工作由io方向决定，与方向决定，与uo极性无关。极性无关。工作在整流还是逆变，则根据工作在整流还是逆变，则根据uo方向与方

22、向与io方向是方向是否相同确定。否相同确定。3 基本类型及工作原理基本类型及工作原理(1) (1) 方波型交方波型交- -交变频器交变频器 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。电压。 如果在各组工作期间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。改变正角不变，则输出电压为矩形波交流电压。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大小即可调节矩形波的幅值。形波的幅值。(2) (2) 正弦波型交正弦波型交- -交变频器交变频器

23、 正弦波型交正弦波型交-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电压的平均值按正弦规律变化，克服了方波型交-交变频交变频器输出波形高次谐波成分大的缺点。器输出波形高次谐波成分大的缺点。 在正组桥整流工作时，使控制角在正组桥整流工作时，使控制角从从 ，输出的平均电压由，输出的平均电压由低到高再到低的正弦规律变化。而在正组桥逆变工作时，使控制角低到高再到低的正弦规律变化。而在正组桥逆变工作时，使控制角从从 ，就可以获得平均值可变的负向逆变电压。，就可以获得平均值可变的负向

24、逆变电压。 输出电压有效值和频率的调节输出电压有效值和频率的调节 使控制角从使控制角从 ，改变，改变0，就改变了输出电压的峰值，也就改，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变化的速率，也就改变了输出电压的频率。率。 交交-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。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。2/02/2/2/2/2/0正弦型交-交变频器的输出电

25、压波形 1OO23456图4-20uoiott第第1段段io 0，反组逆变，反组逆变 第第2段电流过零，为无环流死区段电流过零，为无环流死区第第3段段io 0， uo 0，正组整流，正组整流 第第4段段io 0， uo 0，正组逆变，正组逆变第第5段又是无环流死区段又是无环流死区 第第6段段io 0， uo 0，为反组整流，为反组整流4. 余弦交点法余弦交点法 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。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。

26、 正弦波型交正弦波型交- -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率是输入频率的1/3或或1/2。5输入输出特性输入输出特性(1) 输出上限频率输出上限频率 交交-交变频器的输出电压并不是平滑的正弦波形，而是由若干段交流电交变频器的输出电压并不是平滑的正弦波形，而是由若干段交流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。一般认为，交流电路采用越多，其波形就越接近正弦波。一般认为，交流电路采用6脉波的三相脉波的三

27、相桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率的桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率的1/31/2。(2) 输入功率因数输入功率因数 交交-交变频器的输出是通过相位控制的方法来得到的，因此在输入端需交变频器的输出是通过相位控制的方法来得到的，因此在输入端需要提供滞后的无功电流。因为在输出电压的一个周期内，要提供滞后的无功电流。因为在输出电压的一个周期内，角是从角是从0到到90之间不断变化的。输入功率因数较低，是交之间不断变化的。输入功率因数较低，是交-交变频器的一大缺点。交变频器的一大缺点。6 无环流控制及有环流控制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

28、就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。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，

29、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，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，并使正组触发角并使正组触发角1和反组触发角和反组触发角2保持保持1 +2 =180的关系。该方式使输的关系。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。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。 7 7 单相交单相交- -交变频电路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。将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变频电路。 三相半波三相半波-单相交单相交-交变频电路交变频电路 三相桥式三相桥式-单相交单相交-交变频电路交变频电路 3.5.2 三相交-交变频电路 三相交三相交-交变频器电路是由三组输出电压相位互差的单相交交变频器电路是由三组输出电压相位互差的单相交-交变频电路交变频电路组成的。组成的。(1) (1) 公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式 (2) (2) 输出星形连接方式输出星形连接方式