交流交流变换电路课件

第5章交流-交流变换电路电力电子技术第5章交流-交流变换电路电力电子技术

交流-交流变换电路，是把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。在进行交流-交流变换时，可以改变其电压、电流、频率和相数等。只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路。采用相位控制的交流电力控制电路称为交流调压电路；采用通断控制的交流电力控制电路称为交流调功电路；只进行交流电路的通断控制即为交流无触点开关。将一种频率的交流变换成另一种频率交流的电路称为交-交变频电路。变频电路大多数不改变相数。第5章交流-交流变换电路交流-交流变换电路，是把一种形式的交流变成另

变频电路有交-交变频电路和交-直-交变频电路两种形式。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，也称为直接变频电路。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，这种具有直流中间环节的变频电路也称为间接变频电路。

5.2节是目前应用较多的大功率晶闸管交-交变频电路。第5章交流-交流变换电路变频电路有交-交变频电路和交-直-交变频电路第5章交流-交流变换电路本章主要讲述

交流-交流变流电路

把一种形式的交流电变成另一种形式的交流的电路交流电力控制电路只改变电压、电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路交流调压电路相位控制交流调功电路通断控制交交变频电路改变频率的电路交交变频

直接交直交变频

间接第5章交流-交流变换电路本章主要讲述 交流-交流变流电路第5章交流-交流变换电路5.1

交流调压电路5.2交-交变频电路5.3矩阵式交-交变频电路第5章交流-交流变换电路5.1交流调压电路5.1交流调压电路

交流调压电路采用双向交流开关进行交流电压的控制，如把两只反并联的普通晶闸管或一只双向晶闸管串联在交流电路中，实现对交流电正、负半周的对称控制，调节输出交流电压，或实现交流电路的通、断控制。交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管进行相位控制，调节输出电压有效值。交流调压电路广泛用于灯光控制、异步电动机的软起动、异步电动机的调压调速、供电系统对无功功率的连续调节、在变压器一次侧调压并在变压器二次侧用二极管整流等。5.1交流调压电路交流调压电路采用双向交流5.1交流调压电路交流调压电路一般有三种控制方式。（1）通断控制在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管，使负载电路与交流电源接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变导通/关断周波数的比值实现调压的目的。通断控制时输出电压波形为正弦。（2）相位控制在交流电压的正、负半周触发导通晶闸管，且保持两只晶闸管的移相角相同，保证向负载输出正、负半周对称的交流电压波形。（3）斩波控制利用脉宽调制PWM技术将正弦交流电压波形分割成脉冲列，通过改变脉冲的占空比调节输出电压。输出电压波形为正弦波，但电压调节不连续。方法简单，连续调节输出电压大小，但输出电压波形非正弦输出电压大小可以连续调节，波形接近正弦波。基本克服相位控制和通断控制的缺点5.1交流调压电路交流调压电路一般有三种控制方式。输出电压5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.1电阻性负载

电源电压u1正、负半周的过零点即为控制角α的起始时刻（α=0）。在电源电压u1的正半周和负半周，分别触发VT1和VT2，就可以调节输出电压，电压过零时晶闸管关断。在稳态情况下，应使正、负半周的α角相等。负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流与负载电压的波形相同。5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.15.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.1电阻性负载

单相交流调压电路带电阻性负载，在触发角为α时，负载电压有效值Uo、负载电流有效值Io、晶闸管电流有效值IVT和电路的功率因数λ分别为5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.15.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.1电阻性负载输出电压与α的关系

移相范围为0≤α≤π α=0。

时，输出电压为最大。U0=U1，

随着α的增大，U0降低 α=π时，U0=0功率因数λ与α的关系： α=0时，功率因数λ=1 α增大，λ降低5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.15.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载

由于电感的储能作用，负载电流io会在电源电压u1过零后延迟一段时间再过零，其延迟时间与负载的功率因数角φ=arctan(ωL/R)有关。晶闸管的关断是在电流过零时刻，因此，晶闸管的导通角θ不仅与触发控制角α有关，还与负载功率因数角φ有关。5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.15.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载

设负载的阻抗角为φ=arctan（ωL/R）。如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流io应该是正弦波，其相位滞后于电源电压u1的角度为φ。显然，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。为了分析方便，把α=0的时刻仍然定在电源电压过零的时刻，因此，单相交流调压电路带阻感性负载时，稳态运行情况下控制角α的移相范围应为φ≤α≤π。输出交流电压为缺口正弦波，改变α角的大小，即可改变输出电压的有效值，达到调压的目的。5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载

由

可得式中，负载阻抗 ；θ为晶闸管的导通角。利用边界条件：ωt=α+θ时，io=0，可求得θ5.1交流调压电路当在ωt=α时刻导通晶闸管VT1，负载电流应满足如下微分方程和初始条件5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载以φ为参变量，可得不同负载特性下导通角θ=f（α，φ）曲线族5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载以φ5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载

在触发角为α时，负载电压有效值Uo、晶闸管电流有效值IVT和负载电流有效值Io分别为5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载设晶闸管电流IVT的标幺值为5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载设晶5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载

阻感性负载时α的移相范围为φ≤α＜π。然而，α＜φ时，并非电路不能工作。当α=π时，θ=0，uo=0；α越小，θ越大；对于任一阻抗角φ的负载，当φ＜α＜π时，、晶闸管的导通角θ小于π。当α从π至φ逐步减小时（不包括α=φ这一点），θ逐步从零增大到接近π，Uo从零增大到接近U1，io断续，uo为缺口正弦波，电路有调压功能。α=φ时，输出电压、电流波形为连续正弦，θ=π。调压电路不起调压作用，处于“失控”状态。此时θ=f（α，φ）关系如图5-5中θ=180°的各点。5.1交流调压电路纯电阻负载纯电感负载5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载当阻感负载

α＜φ时电路工作情况VT1提前开通，负载L被过充电，其放电时间也将延长，使得VT1的导通角大于πωt=π+α时刻触发VT2时，io尚未过零，VT1仍在导通，VT2不通。io过零后，VT1关断，VT2的触发宽脉冲尚未消失，VT2就会正常开通。VT2导通角小于π若采用窄脉冲触发，VT2的触发脉冲消失，VT2不能导通，造成每个周期内只有一只晶闸管导通的“单管整流”状态，输出电流为单向缺口半波，含有很大的直流分量，因此必须改用宽脉冲触发。

5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载当阻5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载

因为α＜φ，VT1提前开通，负载L被过充电，其放电时间也将延长，使得VT1的导通角大于π，并使VT2推迟开通，VT2的导通角自然小于π。在这种情况下，式5-5和式5-6所解得的io表达式仍是适用的，只是ωt的适用范围不再是α≤ωt≤α+θ，而是扩展到α≤ωt＜∞。5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载

因为这种情况下io已不存在断流区，其过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt=α（α＜φ）时合闸所发生的过渡过程完全相同。负载电流io由两个分量组成，第一项为正弦稳态分量，第二项为指数衰减分量。5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载衰减过程中，VT1的导通时间逐渐缩短，VT2的导通时间逐渐延长。最后，VT1和VT2的导通时间都趋近到π，其稳态的工作情况和α=φ时完全相同。晶闸管在ωt=φ处才开始导通，电流连续，uo=u1，无电压调节功能，所以也处于“失控”状态。5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.2阻感性负载衰减5.1.1单相交流调压电路5.1.1.3单相交流调压电路的谐波分析

控制角α越接近90°，波形畸变越严重，谐波含量也越大。

负载电压和负载电流（即电源电流）均不是正弦波，其中含有大量的谐波成分。

以电阻性负载为例，对负载电压uo进行谐波分析。结果如图5-8所示。5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.3单相交流调压电5.1.1单相交流调压电路5.1.1.4斩控式交流调压电路

斩控式交流调压电路一般采用全控型器件作为开关元件，其基本原理和直流斩波电路有类似之处，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交流电源电压u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通路；在u1的负半周，用V2进行斩波控制，用V4给负载电流提供续流通路。设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比为D=ton/T。和直流斩波电路一样，也可以通过改变D来调节输出电压。5.1交流调压电路5.1.1单相交流调压电路5.1.1.4斩控式交流调压5.1.1单相交流调压电路5.1.1.4斩控式交流调压电路5.1交流调压电路

采用全控型器件作为开关元件输入是正弦交流电压交流电源电压u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通路在u1的负半周，用V2进行斩波控制，用V4给负载电流提供续流通路。斩控式交流调压电路带电阻性负载时，电路的功率因数接近1。5.1.1单相交流调压电路5.1.1.4斩控式交流调压5.1交流调压电路5.1.2三相交流调压电路根据联结形式的不同三相Y形联结三相负载Δ形联结三相晶闸管控制Δ形联结三相半控Y形联结5.1交流调压电路5.1.2三相交流调压电路根据联结形5.1交流调压电路5.1.2.1Y形三相交流调压电路Y形三相交流调压电路可分为三相三线制（Y形）三相四线制（YO形）：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，单相交流调压电路的工作原理和分析方法均适用于这种电路。5.1交流调压电路5.1.2.1Y形三相交流调压电路Y5.1交流调压电路5.1.2三相交流调压电路5.1.2.1Y形三相交流调压电路

在单相交流调压电路中，电流中含有基波和各奇次谐波。组成三相电路后，基波和3的整数倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。而3的整数倍次谐波是同相位的，不能在各相之间流动，要全部流过零线，因此零线中会有很大的3次谐波电流及其他3的整数倍次谐波电流。当α=90°时，零线电流的大小甚至与各相电流的有效值接近。在选择线径和变压器时必须注意这一问题。5.1交流调压电路5.1.2三相交流调压电路5.1.25.1交流调压电路5.1.2三相交流调压电路5.1.2.1Y形三相交流调压电路

最典型、最常用的三相交流调压电路，它正常工作时必须满足：（1）三相中至少有两相导通才能构成通路，且其中一相为正向晶闸管导通，另一相为反向晶闸管导通；（2）为保证任何情况下的两只晶闸管同时导通，应采用宽度大于60°的宽脉冲（列）或双窄脉冲触发；（3）从VT1到VT6，相邻的触发脉冲相位应互差60°。结论：Y形三相交流调压电路控制角α的移相范围为：0°~150°5.1交流调压电路5.1.2三相交流调压电路5.1.25.1交流调压电路5.1.3其他交流电力控制电路5.1.3.1交流调功电路电路形式：交流调功电路和交流调压电路完全相同控制方式：交流调压电路：在每个交流电源周期都对输出电压波形进行控制交流调功电路：通断控制，将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。控制晶闸管导通的时刻为：电源电压过零的时刻5.1交流调压电路5.1.3其他交流电力控制电路5.15.1交流调压电路5.1.3其他交流电力控制电路5.1.3.1交流调功电路

设控制周期为M倍电源周期，其中晶闸管在前N个周期导通，后M-N个周期关断。当M=3、N=2时的电路波形如图5-13所示。负载电压和负载电流（电源电流）的重复周期为M倍电源周期。在负载为电阻性时，负载电流波形与负载电压波形相同。5.1交流调压电路5.1.3其他交流电力控制电路5.15.1交流调压电路5.1.3其他交流电力控制电路5.1.3.2交流电力电子开关略5.1交流调压电路5.1.3其他交流电力控制电路5.15.2交-交变频电路晶闸管交交变频电路也称周波变流器（Cycloconvertor）将电网频率的交流电直接交换成可调频率交流电的变流电路，因为没有中间环节，因此属于直接变频电路交-交变频电路比交-直-交间接变频电路提高变换效率由于整个变频电路直接与电网相连接，各晶闸管元件上承受的是交流电压，提高了换流能力。广泛应用于大功率低转速的交流电动机调速传动系统和交流励磁变速恒频发电机的励磁电源。实际使用：三相输入-三相输出电路，三相输入-单相输出电路是基础电路的结构、工作原理、触发控制方法、四象限运行性能和输入输出特性5.2交-交变频电路晶闸管交交变频电路也称周波变流器（Cy5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路5.2.1.1电路构成和基本工作原理

三相输入-单相输出交-交变频电路是由两组反并联的晶闸管变流电路和单相负载组成的，与直流电动机反并联可逆调速系统的结构完全相同。

5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路5.2.1.1电路构成和基本工作原理a在正、反两组变流器的输入侧接有足够大的输入滤波电感，使输入电流近似为矩形波，称为电流型电路；b则为电压型电路，其输出电压可为矩形波,亦可通过控制成为正弦波。变流器正组P和反组N都是相控变流电路5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路5.2.1.1电路构成和基本工作原理工作原理当正组变流器工作在整流状态时，封锁反组，负载Z上的电压uo为上正下负；当反组变流器工作在整流状态而正组封锁时，负载电压uo为下正上负。若以一定的频率控制正、反两组变流器交替工作，则负载上交流电压的频率fo就等于两组变流器的切换频率。输出电压uo的大小决定于晶闸管的触发角α。5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变控制方法无环流控制---由于一组变流器工作时，另一组变流器被封锁，所以在正、反两组变流器之间没有电流流过。根据输出电压波形的不同方波型--电路控制简单，工作时触发角α恒定不变，输出矩形波，不好基本不用正弦波型—工作时按正弦规律控制触发角α，输出波形近似正弦波，常用5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路5.2.1.1电路构成和基本工作原理控制方法5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路5.2.1.1电路构成和基本工作原理控制方法--无环流控制：由于一组变流器工作时，另一组变流器被封锁，所以在正、反两组变流器之间没有电流流过。交-交变频电路根据输出电压波形的不同可分为方波型和正弦波型两种。方波型交-交变频电路控制简单，正、反两组变流器工作时维持晶闸管的触发角α恒定不变，但其输出波形不好，低次谐波大，用于交流电机调速传动时会增大电机的损耗，增大转矩脉动，降低运行效率，因此很少被采用。以下仅讨论正弦波型交-交变频电路。5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路5.2.1.2整流与逆变工作状态电路由两组三相桥式全控变流电路构成为了使输出电压uo的波形接近正弦波，可以在输出电压的半个周期内对导通组变流器的晶闸管按正弦规律对α角进行调制，从α=90°逐渐减小到α=0°，然后再逐渐增大到α=90°，输出形成平均意义上的正弦电压波形。输出电压的瞬时值波形不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压波形拼接而成。在输出电压的一个周期中所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦，通常要采用六脉波的三相桥式变流电路或十二脉波变流电路来构成交-交变频器。5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路工作状态i0正半周：电压电流同向，正组整流

电压电流反向，正组逆变i0负半周：电压电流同向，反组整流

电压电流反向，反组逆变结论：在一个输出电压周期内正、反组变流电路的导通与否由输出电流的方向决定，与输出电压极性无关；每组变流器的工作状态则由输出电压的方向与输出电流的方向是否相同来决定5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路输出电压波形

图5-22a表示正组变流器P工作，αP＜π/2，半周内平均输出电压如图中虚线所示，为正弦半波，正组变流器P工作在整流状态。图5-22b仍为正组变流器P工作，αP＞π/2，变流器输出平均电压为负值，正组变流器P工作在逆变状态。图5-22c、d为反组变流器N工作。当其触发角αN＜π/2时，反组变流器N处于整流状态；当αN＞π/2时，反组变流器N处于逆变状态。5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路5.2.1.3输出电压波形图5-24三相输入-单相输出正弦型交-交变频电路输出电压和电流波形5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变图5-24三相输入-单相输出正弦型交-交变频电路输出电压和电流波形第1段i0<0,u0>0,反组逆变第2段电流过零为无环流死区第3段i0>0,u0>0,正组整流第4段i0>0,u0<0,正组逆变第5段电流过零为无环流死区第6段i0<0,u0<0,反组整流变5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路输出电压、电流波形图5-24三相输入-单相输出正弦型交-交变频电路输出电压和5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路5.2.1.4输出正弦波电压的调制方法要实现交-交变频电路输出电压波形正弦化，必须不断改变晶闸管的触发角α。应用最为广泛的方法：余弦交点控制法

基本思想-使构成交-交变频电路的各可控交流器输出的电压尽可能接近理想正弦波形，使实际输出电压波形与理想正弦波形之间的偏差最小。5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变第5章-交流-交流变换电路课件第5章-交流-交流变换电路课件5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变频电路5.2.1.5输入输出特性略5.2交-交变频电路5.2.1三相输入-单相输出交-交变5.2交-交变频电路5.2.2三相输入-三相输出交-交变频电路5.2.2.1电路接线方式

交-交变频电路主要应用于低速、大功率交流电机变频调速系统，这种系统使用的是三相交-交变频电路。三相交-交变频电路是由三组输出电压相位互差120°的单相交-交变频电路组成的。

三相交-交变频电路主要有两种接线方式公共交流母线进线方式输出Y形联结方式5.2交-交变频电路5.2.2三相输入-三相输出交-交变5.2交-交变频电路5.2.2三相输入-三相输出交-交变频电路5.2.2.1电路接线方式公共交流母线进线三相交-交变频电路

公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路由三组彼此独立、输出电压相位相互错开120°的单相交-交变频电路构成，其电源进线通过交流进线电抗器接在公共的交流母