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1、电力电子基础电力电子基础 Fundamental Power Electronics 第六讲 交流-交流变换电路2010年东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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2第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -1.概述概述n交交流流- -交交流流变变流流电电路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
2、等1.1.交交流流电电力力控控制制电电路路改变电压、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，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3第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -2.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
3、) 通断控制通断控制 4第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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：n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:n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。n功率因数功率因数与与的关系的关系： n=0时，功率因数 =1， 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低5第六讲 交流-交
4、流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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6第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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n 负载阻抗角： = arctan(L/R) n 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n 在用
5、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n=0时刻仍定为u1过零的时刻，的移相范围应为7第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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：nVT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差1808第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电
6、气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -相控式单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 9第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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 10第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -相控式
7、单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 = 900.10.20.30.40.516018004012080 75 6045 = 0 /( )IVTNn负载电流有效值:n IVT的标么值:11第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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
8、 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12第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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
9、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13第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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14第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力
10、电子技术电力电子技术- -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。15第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -三相交
11、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16第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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：
12、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17第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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VT1 VT6,依次相差60n 相电压过零点定为的起点， 角移相范围是015018第
13、六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -三相交流调压电路三相交流调压电路19第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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) =3020第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电
14、子技术- -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12021第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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。nt1 t2: uo和io 0,正组整流,输出功率为正nt2 t3: uo 0, 正组逆变, 输出功率为负nt3t5期间：io 0 ，反组工作，正组被封锁。nt3 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。
15、根据uo与io的方向是否相同来确定工作在整流还是逆变。41第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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n第1段io0，反组逆变反组逆变; 第2段电流过零，为无环流死区无环流死区n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n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nuo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
16、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42第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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低。不同 时和ot的关系43第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -单相交交变频
17、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n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n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20Hz44第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -单相交交变频器单相交交变频器n输入功率因
18、数输入功率因数n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。n一周期内，角以90为中心变化。n输出电压比 越小，半周期内的平均值越靠近90。n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45第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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
19、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。46第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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n输入电流波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。n采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率为：
20、 和 式中，k = 1,2,3,；l = 0,1,2,。47第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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 1) 公共交流母线进线方式公共交流母线进
21、线方式 2) 输出星形联结方式输出星形联结方式48第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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49第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院
22、- -电力电子技术电力电子技术- -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a）简图 b）详图50第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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
23、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51第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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, 。52第
24、六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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相输入电流三相输出时 U相输入电流200t/ms200t/ms53第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程
25、学院- -电力电子技术电力电子技术- -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54第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -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
26、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。直流偏置直流偏置n负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各组桥式电路的a角都在90附近，因此输入功率因数很低n给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角a将减小，但变频器输出线电压并不改变55第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -三相交交变频电路三相交交变频电路n使各单相变频器的输出均为准梯形波，其主要谐波成分是三
27、次谐波。在线电压中三次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波n若各相输出电压均为正弦，其每相电压正弦基波的最大幅值为Ud0；而若各相输出电压均为梯形波，其中所含正弦基波幅值最大可提高15%左右n该方案适合于长时间工作在高输出电压区域，此时角较小，因此输入功率因数可提高15%左右交流偏置交流偏置- -梯形波输出控制梯形波输出控制56第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -三相交交变频电路三相交交变频电路交交变频电路和交直交间接变频电路相比交交变频电路和交直交间接变频电路相比n优点：优点：只用一次变流，效
28、率较高；可方便地实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波n缺点：缺点：接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输入功率因数较低； 输入电流谐波含量大，频谱复杂57第六讲 交流-交流变换电路东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院东南大学电气工程学院- -电力电子技术电力电子技术- -小结小结n交流交流变流电路的分类及其基本概念n单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性n三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理n交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念n晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性n各种交流交流变流电路的主要应用58第六讲 交流-交流变换电路
