北京交通大学+电力电子技术+第09章+交流调压和交交变频电路.ppt

第九章交流调压和交交变频电路,本章内容,9.1概述9.2单相交流调压电路9.3三相交流调压电路9.4三相交交变频电路,9.1概述,交交变换电路分为：交流电力控制电路：只改变输出电压、输出电流、输出功率或对电路的通断进行控制，不改变输出频率交交变频电路：输出电压、输出电流和输出频率都改变1、交流电力控制电路基本类型基本电路单元：反并联的功率开关基本类型按控制方式分为：交流调压电路、交流调功电路、交流电力电子开关和交流斩波调压电路,（1）交流调压电路：采用相位控制方式，以控制交流输出电压的有效值为目的,主要应用：灯光控制异步电动机软起动器无功调节（补偿）电路,晶闸管控制电抗器型无功补偿装置单线原理图,（2）交流调功电路：采用周期控制方式，以控制交流输出功率的平均值为目的,主要应用：,导通比D=n/m,交流调功电路输出电压波形（a）固定周期控制（b）可变周期控制,炉温控制、电加热等大惯性场合,（3）交流电力电子开关：采用通断控制方式其作用相当于无触点的交流接触器,主要应用：无功补偿无触点开关,TSC基本原理图（a）基本电路单元（b）分组投切简图,TSC运行特性曲线,（4）交流斩波调压电路：采用斩波控制方式，以控制交流输出电压的有效值为目的,2、交交变频电路基本类型及其应用交交变频电路主要用于大功率、低转速三相交流电机调速，因此其电路一般采用三相输入、三相输出的电路形式，简称为三相交交变频电路三相交交变频电路的基本类型按整流单元形式分：三相零式、三相桥式电路按工作方式分：有环流、无环流电路其它类型的相交交变频电路：如三倍倍频电路、负载换流的倍频电路、矩阵式交交变频电路等,9.2单相交流调压电路,一、单相交流调压电路的基本形式1、反并联电路输出波形对称，负载电流无直流分量适用范围广，应用最广泛此电路应重点掌握,2、混合反并联电路控制电路相对简单输出波形不对称，存在直流分量只适用于无变压器的小容量交流系统,3、二极管桥式电路4、混合桥式电路,输出波形对称，晶闸管不承受反向电压，但使用元件数量较多,二、电阻负载工况分析（以反并联电路为例）,单相交流调压电路（电阻负载）,1、工作原理正半周控制T1导通，负半周控制T2导通，在电源电压的过零点T1（或T2）自然关断。输出电流与输出电压同相位调节触发角（控制角）便可控制输出电压移相范围：0,单相交流调压电路（电阻负载）波形,二、电阻负载工况分析（续）2、基本电量关系（各电量参数与的关系）交流输出电压有效值负载电流有效值晶闸管电流平均值,晶闸管电流有效值晶闸管通态平均电流电源侧功率因数,三、感性负载工况分析（以反并联电路为例）负载阻抗角=arctan(L/R)（一）工况分析1、工作原理及特点输出电流滞后输出电压，且不连续导通角、输出电压、输出电流波形与、有关调节触发角（控制角）便可控制输出电压,单相交流调压电路（电感负载）和波形图（工况）,2、以为参变量，与的关系曲线,当=0（电阻性负载）时：=180-当0（感性负载）时：当时，=180当时，随着的的增加而减小,3、基本电量关系（各电量参数与的关系）输出电压有效值负载电流有效值,其中：I0max为在=0，=时，负载电流的最大有效值,IT*为晶闸管电流有效值的标幺值,晶闸管电流有效值,4、以为参变量，IT*与的关系曲线,当、已知时，可由该曲线查出晶闸管电流标幺值，进而求出负载电流有效值I0及晶闸管电流有效值IT,（二）=工况分析特点导通角=180，负载电流i0连续，无调压作用,（三）180电路不能正常工作,宽脉冲触发：=180电路达到稳态时，相当于=工况，无调压作用,带感性负载时，要求1800并采用宽脉冲触发,9.3三相交流调压电路,一、三相交流调压电路的基本形式1、反并联电路输出波形对称负载电流中不包含三次及三的倍数次谐波负载连接形式可以是形或形适用范围广，应用最广泛此电路应重点掌握,2、混合反并联电路负载电流中不包含三次及三的倍数次谐波负载连接形式可以是形或形输出波形不对称，负载电流中存在偶次谐波分量,3、形负载内接反并联电路相当于由三个单相反并联交流调压电路组合而成输出波形对称晶闸管承受电源线电压，对器件的耐压要求较高只适用于形负载,4、形负载内接形反并联电路输出波形对称晶闸管承受电源线电压，对器件的耐压要求较高晶闸管接在负载后面，受电源浪涌电压的影响较小只适用于Y形负载,5、形负载内接三个可控元件电路输出波形不对称，负载电流中存在偶次谐波分量只适用于Y形负载电路较简单，在小容量三相负载中有一定的应用,二、三相反并联交流调压电路的分析,（一）控制原则（or对触发系统的要求）,相电压过零点定为的起点，角移相范围是0150,触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为T1T6,依次相差60,相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,（二）电阻负载下典型波形分析波形分析要点三相导通时，电路处于平衡工作状态，负载上的相电压波形等于电源相电压，各相晶闸管在该相相电压过零点时关断两相导通时，导通相的负载相电压等于两相之间电源线电压的一半，未导通相的负载电压为零，导通的晶闸管在线电压的过零点时关断应将每半个周期分成若干个区间来分析负载电压波形，区间分隔点一般取电压过零点和脉冲触发时刻,1、=0工况电路处于自然工作状态，任何时刻都有三个晶闸管同时导通晶闸管的导通角为180输出电压始终等于电源相电压，即：uao=uA此工况三相导通！特例！,2、=30工况t=0时，uA过零，T4关断，B、C相导通，uao=0t=30时，T1触发导通，A、B、C三相导通，uao=uAt=60时，uC过零，T5关断，A、B相导通，uao=uAB/2t=90时，T2触发导通，A、B、C三相导通，uao=uAt=120时，uB过零，T6关断，A、C相导通，uao=uAC/2t=150时，T3触发导通，A、B、C三相导通，uao=uAt=180时，uA过零，T1关断，B、C相导通，uao=0，正半周期结束此工况两相、三相交替导通,3、=60工况t=0时，uA过零，T4关断，同时T6触发，B、C相导通，uao=0t=60时，uC过零，T5关断，同时T1触发，A、B相导通，uao=uAB/2t=120时，uB过零，T6关断，同时T2触发，A、C相导通，uao=uAC/2t=180时，uA过零，T1关断，同时T3触发，B、C相导通，uao=0，正半周期结束此工况只有两相导通！,4、=90工况t=0时，T4、T5延续导通，A、C相导通工作，uao=uAC/2t=30时，uAC过零，T4关断；T6触发，同时T5仍然触发，B、C相导通，uao=0t=90时，uBC过零，T5关断；T1触发，同时T6仍然触发，A、B相导通，uao=uAB/2t=150时，uAB过零，T6关断；T2触发，同时T1仍然触发，A、C相导通，uao=uAC/2t=210时，uAC过零，T1关断，uao=0,此工况也只有两相导通,5、=120工况t=0时，T5触发，同时T4仍然触发，A、C相导通，uao=uAC/2t=30时，uAC过零，T4、T5同时关断，无SCR导通，uao=0t=60时，T6触发，同时T5仍然触发，B、C相导通，uao=0t=90时，uBC过零，T5、T6同时关断，无SCR导通，uao=0t=120时，T1触发，同时T6仍然触发，A、B相导通，uao=uAB/2t=150时，uAB过零，T1、T6同时关断，无SCR导通，uao=0t=180时，T2触发，同时T1仍然触发，A、C相导通，uao=uAC/2，正半周期结束t=210时，uAC过零，T1、T2同时关断，无SCR导通，uao=0,此工况两相导通状态和无SCR导通状态交替出现,电阻负载下波形分析总结移相范围：0150060范围内电路处于两相、三相交替工作状态每个晶闸管导通角度为180-6090范围内任一时刻都是两相工作每个晶闸管导通角度为120900；负组工作时，i00。正、负组变流器交替工作输出交流电,改变正、负组变流电路的交替切换频率：可改变交流输出电压的频率,、工作原理：,改变正、负组变流电路的控制角：可改变交流输出电压的幅值,为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对角进行调制：在半个周期内让P组角按一定规律从90减到0或某个值，再增加到90，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制,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,三、输出电压的控制余弦交点法控制交交变频器的每相输出电压波形是由各段整流电压拼接而成的，各段整流电压：若让各段整流电压在时间上按正弦分布，交交变频器的每相输出电压便接近正弦，即式中：U0m所要求的交流输出电压的幅值0所要求的交流输出电压的频率,余弦交点法：将具有所要求的交流输出电压频率和幅值的调制信号(Msin0t)与一组余弦信号相比较，在两者的处产生各晶闸管的触发脉冲改变调制信号的频率和幅值，可控制输出电压的频率和大小,四、输入功率因数,交交变频电路的基本组成单元是可控整流电路，其输入侧相位移因数与控制角之间的关系为：,在一个输出周期中，控制角在1800之间变化，因此各段电压所对应的瞬时相位移因数在之间变化，平均相位移因数比较低,输出电压越低，则平均相位移因数也越低,输出频率越高，输出电压中所包含的电压段数则越少，畸变越严重,f0/fi=1/2时，半周期内有6脉波，谐波大f0/fi=1/3时，半周期内有9脉波，谐波较小f0/fi=1/6时，半周期内有18脉波，谐波小为了减小谐波含量，降低负载转矩脉动，应保证f0/fi1/3，即f016.7Hz,输入功率因数低是交交变频器的一个主要缺点,输出频率与电源频率不同时的电压波形,五、交交变频器的特点（与交直交变频器相比）1、优点：无中间直流环节，损耗小，效率高采用电源自然换相，不需强迫换流电路，开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用可以实现能量反馈，使电机作四象限运行低频运行时，谐波含量小，负载转矩脉动低因此，适用于大功率、低速交流传动领域,2、交交变频器的缺点：晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂最高输出频率受限制，f0/fi1/3输入侧功率因数低，特别是当输出电压较低时，功率因数很低,下列说法是否正确？、交流电力控制电路可以改变输出电压、电流和频率。、交流调压电路用于对电路的通断进行控制。、在交流电力控制电路中，交流调功电路最适合于用作调光台灯电路。、交流电力控制电路包括交流调压、交流调功和交交变频等电路。、单相晶闸管交流调压电路接电感性负载：晶闸管通常采用宽脉冲触发控制角的移相范围是：0180随着控制角增大，功率因数减小随着控制角增大，输出电压增大,课堂思考,、晶闸管交变频电路：一般采用PWM方式工作可四象限运行与交直交变频电路相比输入侧功率因数较高适合于低速大功率交流调速系统若负载功率因数为，则交流输入功率因数也为输出频率越高，输出电压波形质量越好输出电压越高，功率因数越高,本章小结,1、交流交流变换电路的分类及其基本概念2、单相交流调压电路的结构、工作原理，带感性负载时对触发脉冲的要求3、三相交流调压电路的结构、工作原理4、交交变频电路的结构、工作原理6、交交变频电路与交直交变频电路的特点比较,习题,9-1某单相交流调压电路的负载为调光台灯（可看作纯电阻），设该电路在=0时输出功率为最大值，试