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1、电力电子基础 Fundamental Power Electronics 第六讲 交流-交流变换电路,东南大学电气工程学院 2010年,第六讲 交流-交流变换电路,2,交流交流变换电路,概述 交流调压电路 其他交流电力控制电路 交交变频电路 小结,第六讲 交流-交流变换电路,3,1.概述,交流-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.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.变频电路改变频率，多不改变相数，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
2、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,4,2.交流调压电路,(2) 相位控制,(3) 斩波控制,(1) 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,电阻负载 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。 输出电压与的关系: 移相范围为0。 =0，输出电压为最大，Uo=U1。随的增大，Uo降低， =， Uo =0。 功率因数与的关系： =0时，功率因数 =1， 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降
3、低,第六讲 交流-交流变换电路,6,相控式单相交流调压电路,负载电压有效值 负载电流有效值 晶闸管电流有效值 功率因数,第六讲 交流-交流变换电路,7,相控式单相交流调压电路,阻感负载 阻感负载时的移相范围 负载阻抗角： = arctan(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,阻感负载 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i
4、o =0,可求得： VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180,第六讲 交流-交流变换电路,9,相控式单相交流调压电路,单相交流调压电路以为参变量的和关系曲线,时，导通角满足： =180,第六讲 交流-交流变换电路,10,相控式单相交流调压电路,负载电压有效值 晶闸管电流有效值,第六讲 交流-交流变换电路,11,相控式单相交流调压电路,单相交流调压电路a为参变量时I VTN和a关系曲线,负载电流有效值: IVT的标么值:,第六讲 交流-交流变换电路,12,相控式单相交流调压电路,阻感负载,窄脉冲触发（0 时） VT1持续导通时，VT2不通; VT1关断后，ug2消失，VT2仍不
5、通。 输出电压不对称，含直流分量 宽脉冲触发（0 时） 实际上VT1，VT2均导通180，u为完整的正弦波，只要 ，u不受影响，失控。 正常工作对触发脉冲要求 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,电阻负载谐波分析,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。,电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,第六讲 交流-交流变换电路,14,相控式单相交流调压电
6、路,电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7等次谐波。 随着次数的增加，谐波含量减少。 和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。 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,工作原理 和直流斩波电路类似 u1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道 u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道 设斩波器件（V1或V2）导通时间为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 电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。 电源电流不含低次谐波，只含和开关
7、周期T有关的高次谐波。 功率因数接近1。,第六讲 交流-交流变换电路,16,三相交流调压电路,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,第六讲 交流-交流变换电路,17,三相交流调压电路,星形(Y)联结电路: 三相四线 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 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,星形(Y)联结电路: 三相三线将三相四线中的零线去掉 任一相
8、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,第六讲 交流-交流变换电路,20,三相交流调压电路,060： 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a角时负载相电压波形 a) a =30,第六讲 交流-交流变换电路,21,三相交流调压电路,不同a角时负载相电压波形 b) a =60,60 90： 两管导通，每管导通120,第六讲 交流-交流变换电路,22,三相
9、交流调压电路,90150： 两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002。,不同a角时负载相电压波形 c) a =120,第六讲 交流-交流变换电路,23,三相交流调压电路,谐波情况 电流谐波次数为6k1(k =1，2，3，)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同。 谐波次数越低，含量越大。 和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。,第六讲 交流-交流变换电路,24,三相交流调压电路,支路控制三角（）联结电路： 由三个单相交流调压电路组成，各自工作在不同的线电压下。 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）
10、为与该线相连的两个负载相电流之和。 谐波情况 3倍次谐波相位和大小相同，在三角回路中流动，而不出现在线电流中。 线电流中所谐波次数为6k1(k为正整数)。 在相同负载和角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。,第六讲 交流-交流变换电路,25,三相交流调压电路,典型用例晶闸管控制电抗器 （Thyristor Controlled ReactorTCR） 移相范围为90 180 。 控制角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。 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
11、补偿，以补偿电压波动或闪变。,第六讲 交流-交流变换电路,26,三相交流调压电路,晶闸管控制电抗器(TCR)电路,第六讲 交流-交流变换电路,27,其他交流电力控制电路,交流调功电路 以交流电源周波数为控制单位 交流电力电子开关 对电路通断进行控制,第六讲 交流-交流变换电路,28,3.交流调功电路,与交流调压电路的异同 电路形式完全相同 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。 交流调功电路将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。因其直接调节电路的平均输出功率，故称为交流调功电路 应用 常用于电炉的温度控制,第六讲
12、 交流-交流变换电路,29,交流调功电路,电阻负载时 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。,2,p,N,第六讲 交流-交流变换电路,30,交流调功电路,谐波情况 右图的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值， Io为导通时电路电流幅值。 以电源周期为基准，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。 而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。,第六讲 交流-交流变换电路,31,4.交流电力电子开关,晶闸管反并联后串入交流电路 作用：代替机械开关，起接通和断开电路的作用 优点：响
13、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,第六讲 交流-交流变换电路,32,交流电力电子开关,晶闸管投切电容 (Thyristor Switched CapacitorTSC) 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。,TSC基本原理图 a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图,第六讲 交流-交流变换电路,
14、33,交流电力电子开关,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 TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式 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。,TSC理想投切时刻原理说明,第六讲 交流-交流变换电路,34,5.交交变频电路,晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)：把
15、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。 特点：一次变换、效率、可采用电网换流 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。,第六讲 交流-交流变换电路,35,单相交交变频器,工作原理 由正、反两组反并联的晶闸管相控整流电路构成，和直流电动机可逆调速用四象限变流电路相同。 正组工作时，负载电流io为正;N组工作时，io为负。 两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的输出交流电。改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率fo 。 改变变流电路的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。,单相交交变频电路原理图和输出电压波形,第六讲
16、交流-交流变换电路,36,单相交交变频器,为使uo波形接近正弦，按正弦规律对角进行调制。 在每半个周期内导通组控制角不是固定值，而是按正弦规律从90090，每个控制间隔内的平均输出电压就按从零增至最高，再减到零,近似正弦波。 uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。,用于直流电机调速输出可调直流电压,用于交交变频器时输出正弦交流电压,第六讲 交流-交流变换电路,37,单相交交变频器,输出正弦波电压的调制方法(余弦交点法) 设Ud0为= 0时整流电路的理想空载电压，则有 每次控制时角不同， 表示每次控制间隔内uo的平均值。设期望的正弦波输出电压为 ， 于是有 ，以及 ，其中 称为输出电压比 余弦交点法基本公式,第六讲 交流-交流变换电路,38,单相交交变频器,余弦交点法图解 实际整流输出瞬时电压为线电压uab, uac , ucb之一。uab, uac,
