交流变换电路.ppt

概述 交流变换电路 把交流电能的参数 幅值 频率 相数 加以转换的电路 交流变换电路 第六章 交流调压电路 6 1 3 交流调压电路应用 电炉的温度控制灯光调节 如舞台灯光控制 异步电机软起动异步电机调速调节整流变压器一次侧电压 2 交流调压的实现方法 通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大小 相位控制 来调节输出电压的大小 1 交流调压电路 是用来变换交流电压幅值 或有效值 的电路 单相交流调压器主电路特点 1 电源正半周 T1触发导通 电源的正半周施加到负载上 2 电源负半周 T2触发导通 电源负半周便加到负载上 3 电源过零 T1 T2交替触发导通 电源电压全部加到负载 4 关断T1 T2 电源电压不能加到负载上 6 1 1 单相交流调压电路 图6 1 1单向交流调压器电路 T1 T2构成无触点交流开关 单向交流电压电路的工作情况与它的负载性质有关 1 电源正半周 晶闸管T1承受正向电压 当 t 时 触发T1使其导通 负载上得到缺 角的正弦半波电压 2 电源电压过零 T1管电流下降为零而关断 3 电源电压负半周 晶闸管T2承受正向电压 当 t 时 触发T2使其导通 则负载上又得到了缺 角的正弦负半波电压 持续这样控制 在负载电阻上便得到每半波缺 角的正弦电压 单相交流调压电路 6 1 1 图6 1 1电阻性负载时单向交流电压电路及输出电压波形 改变 角的大小 便改变了输出电压有效值的大小 1 电阻性负载工作原理 6 1 1 单相交流调压电路 电阻性负载数量关系 6 1 1 负载电压的有效值 负载电流的有效值 6 1 2 调压器的功率因数 6 1 3 图6 1 1电阻性负载时单向交流电压电路及输出电压波形 总结 随着 角的增大 U0逐渐减小 当 时 U0 0 因此 单相交流电压器对于电阻性负载 其电压可调范围为0 U 控制角 的移相范围为0 单相交流调压电路带电阻负载时 输出电压波形正负半波对称 所以不含直流分量和偶次谐波 故 6 1 1 单相交流调压电路 电阻性负载谐波分析 基波和各次谐波有效值 负载电流基波和各次谐波有效值 在上面关于谐波的表达式中n 1为基波 n 3 5 7 为奇次谐波 随着谐波次数n的增加 谐波含量减少 6 1 1 单相交流调压电路 感性负载 R L负载 图6 1 2带阻感负载单向交流调压电路及输出波形 单相交流电压器带阻感负载时 工作情况同可控整流电路带电感负载相似 当电源电压反向过零时 负载电感产生感应电动势阻止电流的变化 故电流不能立即为零 晶闸管的导通角 的大小与控制角a 负载阻抗角 都有关 6 1 1 单相交流调压电路 阻感负载的工作情况分析 晶闸管VT1导通时 负载电流Io满足 6 1 5 式中 利用边界条件 i0 0可求得 6 1 6 为晶闸管的导通角 VT2导通时 上述关系完全相同 只是iO相差1800 图 6 1 3 单相交流调压器以 为参变量时 与a的关系曲线 6 1 1 1 导通角 1800 正负半波电流断续 愈大 愈小 波形断续愈严重 负载电压的有效值UO 晶闸管电流平均值IdT 电流有效值IT以及负载电流有效值IO分别为 6 1 7 6 1 8 6 1 10 6 1 9 单相交流调压电路 调压电路的工作情况 6 1 1 单相交流调压电路 2 可得 1800 此时 晶闸管轮流导通 相当于晶闸管被短接 负载电流处于连续状态 为完全的正弦波 由 调压电路的工作情况 6 1 11 6 1 1 单相交流调压电路 图 6 1 4 窄脉冲触发时的工作波形 1800 1 如果采用窄脉冲触发 会出现先触发的一只晶闸管导通 而另一只管子在电流下降为零时 因其门极脉冲已经消失不能导通的失控现象 回路中将出现很大的直流电流分量 无法维持电路的正常工作 2 采用宽脉冲或脉冲列触发 使第二个晶闸管的导通角 随后T1导通角逐渐减小 T2逐渐增大 最终使两个晶闸管的导通角 1800达到平衡 解决失控现象 3 调压电路的工作情况 6 1 1 单相交流调压电路 图 6 1 4 窄脉冲触发时的工作波形 总结 当时 并采用宽脉冲触发 负载电压 电流总是完整的正弦波 改变控制角a 负载电压 电流的有效值不变 即电路失去交流调压的作用 在电感负载时 要实现交流调压的目的 则最小控制角 负载的功率因数角 所以的移相范围为 1800 6 1 1 单相交流调压电路 1 电流谐波次数和电阻负载时相同 也只含3 5 7 等次谐波 2 随着次数的增加 谐波含量减少 3 和电阻负载时相比 阻感负载时的谐波电流含量少一些 4 a角相同时 随着阻抗角的增大 谐波含量有所减少 单相交流电压器带阻感负载时电流谐波分析 6 1 2 三相交流调压电路 1 三相四线制调压电路特点 图6 1 5 a 三相四线制调压电路 1 相当于三个独立的单相交流调压电路组合而成的 2 存在中性线 但是3次谐波在中线中的电流大 故中线的导线截面要求与相线一致 3 晶闸管的门极触发脉冲信号 同相间两管的触发脉冲要互差180 4 各晶闸管导通顺序为T1 T6 依次滞后间隔60 5 因存在中线 可采用窄脉冲触发 6 1 2 三相交流调压电路 1 三相四线制调压电路特点 图6 1 5 a 三相四线制调压电路 6 该电路工作时 零线上谐波电流较大 含有三次谐波 控制角a 90 时 零线电流甚至和各相电流的有效值接近 若变压器采用三柱式结构 则三次谐波磁通不能在铁心中形成通路 产生较大的漏磁通 引起发热和噪音 7 该电路中晶闸管上承受的峰值电压为 为线电压 6 1 2 三相交流调压电路 2 三相三线制交流调压电路的特点 图6 1 5 b 三相三线制交流调压电路 1 每相电路必须通过另一相形成回路 2 负载接线灵活 且不用中性线 3 晶闸管的触发电路必须是双脉冲 或者是宽度大于600的单脉冲 4 触发脉冲顺序和三相全控桥一样 为T1 T6 依次间隔600 5 电压过零处定为控制角的起点 a角移相范围是0 150 6 输出谐波含量低 无3倍次谐波 6 1 2 三相交流调压电路 图6 1 6 a a 30 时负载相电压波形 1 0 a 60 时 三个晶闸管导通与两个晶闸管导通交替 每管导通180 a 但a 0 时一直是三管导通 3 三相三线制交流调压电路改变a 电路中晶闸管的导电模式 图6 1 6 a 所示a 30 时的负载电压波形 6 1 2 三相交流调压电路 图6 1 6 b a 60 时负载相电压波形 2 60 a 90 时 两管导通 每管导通120 3 三相三线制交流调压电路改变a 电路中晶闸管的导电模式 图5 1 6 b 所示为a 60 时负载电压波形 6 1 2 三相交流调压电路 图6 1 6 c a 120 时负载相电压波形 3 90 a 150 时 两管导通与无晶闸管导通交替 导通角度为300 2a 3 三相三线制交流调压电路改变a 电路中晶闸管的导电模式 图6 1 6 c 所示为a 120 时的负载电压波形 6 2 交流调功电路 1 与调压电路的比较 同 电路形式完全相同 异 控制方式不同 以交流电源周波数为控制单位 对电路通断进行控制 改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率 应用 电炉的温度控制 交流调功电路直接调节对象是电路的平均输出功率 控制对象时间常数很大 以周波数为单位控制 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 6 2 交流调功电路 2 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M N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 M 3 N 2时的电路波形 图6 2 1交流调功电路典型波形 6 2 交流调功电路 3 谐波分析 图6 2 2为以控制周期为基准的交流调功电路的频谱图 In为n次谐波有效值 Io为导通时电路电流幅值 图6 2 2交流调功电路的电流频谱图 M 3 N 2 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 6 3 交流电力电子开关 1 作用 将晶闸管反并联后串入交流电路代替机械开关 起接通和断开电路的作用 2 优点 3 特点 与交流调功电路的区别 只控制通断 并不控制电路的平均输出功率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 1 响应速度快 无触点寿命长 可频繁控制通断 2 控制晶闸管总是在电流过零时关断 在关断时不会因负载或线路电感存储能量而造成过电压和电磁干扰 6 3 交流电力电子开关 晶闸管投切电容器 ThyristorSwitchedCapacitor TSC 图6 3 1TSC基本原理图 1 代替机械开关投切电容器 对电网无功进行控制2 提高功率因数 稳定电网电压 改善用电质量3 是一种很好的无功补偿方式 特点 6 3 交流电力电子开关 1 电路结构和工作原理 晶闸管反并联 图6 3 1TSC基本原理图 2 反并联的晶闸管控制C并入电网或从电网断开 如图6 3 1 a 1 实际常用三相TSC 可三角形联结 也可星形联结 3 串联电感很小 用来抑制电容器投入电网时的冲击电流 4 为避免电容器组投切造成较大电流冲击 一般把电容器分成几组 如图6 3 1 b 所示 可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量 电路特点 6 3 交流电力电子开关 图6 3 3晶闸管和二极管反并联方式的TSC 1 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 2 二极管不可控 响应速度要慢一些 投切电容器的最大时间滞后为一个周波 1 电路结构和工作原理 晶闸管和二极管反并联 电路特点 6 3 交流电力电子开关 2 晶闸管投切时间的选择 1 选择原则 投入时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等 防止冲击电流 2 理想选择 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 图6 3 3TSC理想投切时刻原理说明 6 4 交 交变频电路 交 交变频电路是不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率 低于交流电源频率 交流电的变流电路 主要用于大功率交流电动机调速系统 1 定义 2 应用 图6 4 2单相交流输入时交 交变频电路的波形图 6 4 1 单相输出交 交变频电路 1 电路结构和工作原理 1 电路结构 由具有相同特征的两组晶闸管整流电路 正组整流器和反组整流器 反并联构成 图6 4 1单相输出交 交变频电路 2 工作原理 图6 4 2单相交流输入时交 交变频电路的波形图 正组整流器工作 反组整流器被封锁 负载端输出电压为上正下负 负组整流器工作 正组整流器被封锁 负载端得到输出电压上负下正 以低于电源的频率切换正反组整流器的工作状态 在负载端就可获得交变的输出电压 如图6 4 2 晶闸管的开通与关断必须采用无环流控制方式 防止两组晶闸管桥同时导通 6 4 1 单相输出交 交变频电路 3 电路控制特点 1 一个周期内控制角a固定不变时 输出电压为含有大量的谐波矩形波 如图6 4 2 对电机的工作很不利 图6 4 2单相交流输入时交 交变频电路的波形图 图6 4 3交 交变频电路的波形图 a变化 2 为了让输出电压波形接近正弦波 可按正弦规律对a进行调制 正组工作的半个周期内让控制角a按正弦规律从90 逐渐减小到0 然后逐渐增加到90 正组整流电流的输出电压的平均值就按正弦规律变化 从零增大到最大 然后从最大减小到零 反组工作的半个周期内采用上述同样的控制方法 就可以得到接近正弦波的输出电压 如图6 4 3 6 4 1 单相输出交 交变频电路 2 变频电路的工作过程 电感性负载 对于电感性负载 输出电压超前电流 一个周期可以分为六个阶段 第一阶段 输出电压过零 u0为正 i0 0 反组整流器工作在有源逆变状态 正组整流器被封锁 图6 4 1单相输出交 交变频电路 图6 4 4交 交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形 6 4 1 单相输出交 交变频电路 2 变频电路的工作过程 电感性负载 图6 4 4交 交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形 第二阶段 电流过零 为无环流死区 图6 4 1单相输出交 交变频电路 第三阶段 i0 0 u0 0 正组整流器工作在整流状态 反组整流器被封锁 6 4 1 单相输出交 交变频电路 第四阶段 i0 0 u0 0 正组整流器工作有源逆变状态 反组整流器仍被封锁 第五阶段 电流为零 为无环流死区 第六阶段 i0 0 u0 0 反组整流器工作在整流状态 正组整流器被封锁 图6 4 4交 交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形 图6 4 1单相输出交 交变频电路 6 4 1 单相输出交 交变频电路 小结 1 哪组整流器电路工作是由输出电流决定 而与输出电压极性无关 2 变流电路是工作在整流状态还是逆变状态 则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定 图6 4 4交 交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形 图6 4 1单相输出交 交变频电路 6 4 1 单相输出交 交变频电路 3 输出正弦波电压的控制方法 余弦波交点法 设Ud0为a 0时整流电路的理想空载电压 则有 6 4 1 希望输出的正弦波电压为 6 4 2 每次控制时a不同 u0为每个控制间隔输出的平均电压 比较式 6 4 1 与 6 4 2 则使 6 4 4 g称为输出电压比 式 6 4 4 为余弦交点法求角的基本公式 6 4 1 单相输出交 交变频电路 图6 4 5余弦交点法