工学电力电子技术ppt课件

第6章交流电力控制电路和交交变频电路,6.1交流调压电路6.1.1单相交流调压电路6.1.2三相交流调压电路6.2其他交流电力控制电路6.2.1交流调功电路6.2.2交流电力电子开关6.3交交变频电路6.3.1单相交交变频电路6.3.2三相交交变频电路,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的电路，可改变相关的电压、电流、频率和相数等,交流电力控制电路,变频电路,只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率,改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的,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,交交变频电路交直交变频电路,1.晶闸管交交变频电路2.矩阵式变频电路,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,2,6.1交流调压电路,交流电力控制电路的结构,两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管就可控制交流电力,交流电力控制电路的类型,交流调压电路:,交流调功电路:,交流电力电子开关:,每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值,以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值,并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路。,3,交流调压电路的应用：灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）异步电动机软起动异步电动机调速供用电系统对无功功率的连续调节在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压,4,6.1.1单相交流调压电路,1电阻负载,原理分析,在u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压,正负半周a起始时刻（a=0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a相等,负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同,5,电阻负载单相交流调压电路及其波形,数量关系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,6.1.1单相交流调压电路,R,O,u,1,u,o,i,o,VT,1,VT,2,u,1,u,o,i,o,u,VT,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,6,2阻感负载阻感负载时a的移相范围负载阻抗角：j=arctan(wL/R)稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为ja=0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为ja,阻感负载单相交流调压电路及其波形,6.1.1单相交流调压电路,7,单相交流调压器电感性负载时的主电路和输出波形,8,当控制角为时，Ug1触发VT1导通，流过VT1管的电流i2有两个分量，即强制分量iB与自由分量iS，其强制分量为式中其自由分量为式中自由分量衰减时间常数，,9,流过晶闸管的电流即负载电流为当时，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。在t=0时触发管子，t=时管子关断，将t=代入式(3-5)可得,10,(1)当时稳定分量iB与自由分量is如图3-2(b)所示，叠加后电流波形i2的导通角180，正负半波电流断续，愈大愈小，波形断续愈严重。(2)当=时电流自由分量is=0，i2=iB；=180。正负半周电流处于临界连续状态，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角。(3)当时如果触发脉冲为窄脉冲，则当Ug2出现时，VT1的电流还未到零，VT2管受反压不能触发导通；待VT1中电流变到零关断，VT2承受正压时，脉冲已消失，无法导通。这样使负载只有正半波，电流出现很大的直流分量，电路不能正常工作。带电感性负载时，晶闸管应当采用宽脉冲列，这样在时，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，电流滞后电源电压角，但实际是晶闸管是不可控的。所以晶闸管的移相范围。,11,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一致，改变控制角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，否则当时会发生有一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量。带电感性负载时，的移相范围为180，带电阻性负载时移相范围为0180。,12,a=,13,aj时,单相交流调压电路,aj时阻感负载交流调压电路工作波形,波形分析:,VT1提前通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过,触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不通io过零后，VT2开通，VT2导通角小于,方程式(6-5)和(6-6)所得io表达式仍适用，只是at,过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在t=a(aj)时合闸的过渡过程相同,io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量,衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长,稳态的工作情况和a=j时完全相同,p,w,t,w,t,w,t,w,t,a,a,q,O,O,O,u,G1,G2,j,T1,T2,14,图4-7斩控式交流调压电路,4斩控式交流调压电路,一般采用全控型器件作为开关器件,原理分析,基本原理和直流斩波电路有类似之处,u1正半周,u1负半周,设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a=ton/T，改变a可调节输出电压,斩波控制,斩波控制,续流通道,续流通道,6.1.1单相交流调压电路,15,图4-8电阻负载斩控式交流调压电路波形,6.1.1单相交流调压电路,单相-斩控式交流调压电路波形,16,6.1.2三相交流调压电路,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,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,17,三相四线基本原理：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。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。a=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近,三相三线,三相四线,1星形联结电路,6.1.2三相交流调压电路,18,三相三线，电阻负载时的情况任一相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VT1VT6,依次相差60相电压过零点定为a的起点，a角移相范围是0150,6.1.2三相交流调压电路,19,a=30，分析a相波形。,5.6通0,1.5.6通,Ua,1.6通Uab/2,1.2.6通,Ua,1.2通Uac/2,1.2.3通,Ua,20,a=60，分析a相波形。,5.6通0,1.6通Uab/2,1.2通Uab/2,21,a=120，分析a相波形。,4.5通Uac/2,无器件导通,5.6通0,无器件导通,1.6通Uab/2,无器件导通,22,a)a=30b)a=60c)a=120,6.1.2三相交流调压电路,(1)0a60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a。但a=0时一直是三管导通,(2)60a90：两管导通，每管导通120,(3)90a150：两管导通与无晶闸管导通交替，每相每管导通150-a，两管共导通角度为3002a,23,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,6.1.2三相交流调压电路,24,6.2其他交流电力控制电路,以交流电源周波数为控制单位交流调功电路对电路通断进行控制交流电力电子开关,25,6.2.1交流调功电路,异,同,与交流调压电路的,电路形式完全相同,控制方式不同：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,应用,常用于电炉的温度控制,因其直接调节对象是电路的平均输出功率,所以称为交流调功电路,控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染,26,电阻负载时的工作情况控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后MN个周期关断,交流调功电路典型波形(M=3、N=2),当M=3、N=2时的电路波形如图,6.2.1交流调功电路,27,交流调功电路,28,6.2.2交流电力电子开关,作用：优点：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,代替机械开关，起接通和断开电路的作用,响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断,29,晶闸管投切电容（ThyristorSwitchedCapacitorTSC）,TSC基本原理图a)基本单元单相简图b)分组投切单相简图,交流电力电子开关,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。,30,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理想投切时刻原理说明,交流电力电子开关,31,TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式,2交流电力电子开关,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。,图4-16TSC理想投切时刻原理说明,32,6.3交交变频电路,本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)交交变频电路把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路,33,直接变频器,按波形的不同又可分为两类:,34,方波形直接变频器,改变正反组切换频率,可以改变输出交流电的频率.,改变a的大小,即可改变输出交流电的幅值.,这种方式控制,谐波分量大.,35,正弦波直接变频器,改变正反组切换频率,可以改变输出交流电的频率.,改变a的大小,即可改变输出交流电的幅值.,这种方式控制,谐波分量少.适用于低速大容量的场合.,36,Z,O,w,t,方波交交变频,正弦波交交变频,37,输出正弦波形的调制方法最常用的方法是余弦交点法.正弦波型交-交变频器适合于低频大功率的电气传动系统，最高输出频率是输入频率的1/3或1/2。输出电压有效值和频率的调节交-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。使控制角从，改变0，就改变了输出电压的峰值，也就改变了输出电压的有效值；改变变化的速率，也就改变了输出电压的频率。,38,三相交交变频电路,三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。,39,三相交交变频器的基本结构（接法）,40,输出星形联结方式三相交交变频电路,41,三相桥式交交变频电路,42,交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看