1、第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 第 6章 交流 交流变换技术 z 交流 交流变换电路 把一种形式的交流电变成为另一种形式交流电的电路 在进行交流 交流变换时 可以改变电压或电流的幅值 频率和相数等 如航空电源 交流电机调速等应用场合 间接交流 交流变换电路 直接交流 交流变换电路 交流调压电路 只改变输出交流电压 电流的幅值 而 不改变频率的变换电路 如灯光调节亮度 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 6 1 间接交流 交流变换电路 由两级变换电路构成 第一级AC DC 变换电路将工 频50Hz的交流电变换成脉动的直流电 再由第二级 DC AC变换电路将直流
2、变换为所需幅值和频率的交流 输出 电流型交流 交流变换电路 通常逆变电路的直流输入侧串联一个大电感量的直 流电抗器 逆变电路的直流侧输入近视为 电流源 电压型交流 交流变换电路 通常逆变电路的直流输入端并接一个大电容量的直 流电容器 逆变电路的直流侧输入近视为 电压源 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 电流型 交流 交流变换电路 最小触发引前角 min 30 35 q t D D 15 25 10 q t D D D 1 换相重叠角 随电路结构和工作电流变化 取 2 关断时间 可达200 300 s 3 考虑电网波动等因素 安全裕量角一般 选取 触发引前角 换流电压过零的提前
3、角 min 180 90 电流型交流 交流变换器可应用于 直流输电系统 c e a e b e d I U i V i W i W e U e V e 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 3cos 3sinPEI QEI 输入有功和无功功率 min 由于无论三相变流器工作在整流或逆变状态 均 要从交流侧吸收无功功率 因此 实际应用时在电 流型交流 交流变换电路的输入和输出两侧均需要安 装 补偿电容器 以补偿无功功率 同时兼有高次谐 波的滤波功能 q t Q 不允许运行范围 逆变状态 整流状态 P 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 电压型 交流 交流变换电路 电
4、压型交流 交流变换电路工作在 变压 变频 方式时 广 泛应用于交流电动机的变频调速装置 工作在 恒频 恒压 方式时 则广泛应用于逆变电源 UPS电源 直流侧电容滤波的二极管整流电路 虽存在交流侧谐波和 电磁兼容问题 但由于成本低而广泛应用在小功率电机调速 中 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 整流器采用 三相PWM整流电路 时 输入电流近似正弦波 且功率因数接近1 具有较高的电磁兼容性能 具有 单相功率因数校正功能 的交流 交流变换电路 一般 适合于小功率的应用场合 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 0 D 0 C 0 R N u N i LL ui T u
5、 T i S T 0 i C i u d u 0 I N L 1 D 2 D 4 D 3 D A dSm sinuU t dC L dO C C 0 utDT u uU DTtT Sm O L Sm O 1 sin 0 UU di UtU dt L 开关管导通期间 开关管关断期间 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 d u O U L L i O U OR U C u d u VA CA T O D T i S u S i 单相Boost APFC电路控制原理框图 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 a u b u c u dc U v s H ref u 0
6、a i b i c i d i q i i Hs 400Hz三相PWM高功率因数整流器零静差矢量控制 功率主电路拓扑 控制原理图 输入端电压电流仿真波形图 输入端电压电流实验波形图 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 6 2 直接 交流 交流变换电路 不通过中间直流环节 直接实现交流 交流变 换功能的电路称为直接交流 交流变换电路 直接交流 交流变换电路主要有两种 周波 变换器 矩阵变换器 周波变换器 一般采用晶闸管作为功率开关器 件 适合于大功率电机调速的应用场合 矩阵变换器 需要采用MOSFET IGBT GTO 等 自关断能力功率器件 适合于有能量回馈要求的 电机调速的应
7、用场合 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 周波变换器 可实现三相交流至单相交流直接变换的周波变换器 输出电流为 正 的三相桥式整流器记为 P CONV 输出电流为 负 的三相桥式整流器记为 N CONV 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 三相桥式整流器输出电压 dS 36 cos UU 假定周波变换器输出电压 0 sin om uU t 令 od uU 0S 36 sin cos m Ut U 0 cos sin arc k t 36 m S U k U 得到周波变换器触发角 幅值系数 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 输出电压过零点是周波
8、变换器整流状态切换到逆变状 态的切换时刻 输出电流过零点是P CONV与N CONV工作的切换时刻 正 负三相整流器工作过程切换 2 ac i ac e 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 下图为周波变换器输出幅值系数k 0 9 输出频率 为12 5Hz时输出波形情况 在周波变换器输出电流过零点时刻 为防止P CONV和 N CONV同时导通 导致输入电源短路 须插入一段死区时 间 使两个三相整流器均停止工作 故两个整流器间无环流 存在 称为 无环流周波变换器 ac i ac e ac e 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 环流方式工作的周波变换器 环流工作方
9、式 P CONV和N CONV均处在工作状态 输出电压波形连续 质量高 环流工作电路特点 输入端有隔离变压器 输出端有 中心抽头电抗器 环流工作输出电压 为P CONV和N CONV输出电压平均值 1 2 odPdN uUU dP U dN U o u 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 周波变换器输出电压频率 周波变换器输出电压波形 是由输入三相交流线电压波形在各 时间区间拼接而成 去近似一个正弦波 周波变换器输出电压频率 受输入电网频率 谐波和输出负载 电压谐波等因素的制约 环流方式 输出频率的 上限 为输入电 源频率的 1 2 无环流方式 输出频率 上 限为输入电源频率的
10、 1 3 ac i ac e ac e 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 三相交流输出周波变换器 适合应用于对输出频率要求不高的大型轧钢机 如 数千 千瓦 的传动控制 三相 交流电源 6000V 感应电动机 同步电动机 三相 3000V 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 矩阵变换器 矩阵变换器特点 功率开关器件为全控型器件构成的双向开关 采用PWM控制 可输出任意频率的正弦波 电路拓扑跟周波变换器类似 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 矩阵变换器的优点 不存在直流中间环节 系统体积小 重量轻 输入和输出端功率因数高 能量可双向流动 系统功率
11、变换效率高 间接交流 交流变换器与矩阵变换器的 比较 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 矩阵变换器控制理论 矩阵变换器根据三相输出电压的指令值和三相输入电压的 瞬时相位 对九个双向开关进行PWM控制 假定输出电压在一个开关周期近似不变 M V提出矩阵变 换器控制方案 1 2 3 1 6 5 auvw bvwu S cwuv vv t vvvt T tvvv t1为开关 Sua Svb Swc在一个开关周期 Ts中的导电时间 t2为开关 Sva Swb Suc在一个开关周期 Ts中的导电时间 t3为开关 Swa Sub Svc在一个开关周期 Ts中的导电时间 为防止任意输出一相
12、中两个以上开关导通 导致输入短路 必须满足关系式 123 6 6 S tttT 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 o i V q V 其中 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 矩阵变换器输入电压利用率的改进 M V的PWM控制方案 利用输入三相电压来构造输出相电压 输出正弦波相电压幅值受 到输入三相相电压包络线谷点的限制 输出相电压幅值仅为输入 相电压幅值的1 2 提高输入电压利用率的改进PWM控制方案 利用输入线电压来构造输出线电压 输出三相正弦波线电压幅
13、值 也受到输入三相线电压包络线谷点的限制 但输出线电压幅值提 高到输入线电压幅值的0 866倍 同样 输出相电压幅值提高到 输入相电压负载的0 866倍 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 6 3 交流调压电路 交流调压电路 把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中 在每半个周波内通 过对晶闸管开通相位的控制 可方便地调节输出电压的有效 值 即通过对晶闸管的触发角的控制来实现交流电力的调节 交流调压电路不改变交流电的频率 交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路 交流调压电路的工作状态与负载性质密切相关 交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软起动 也 应用于在电力
14、系统中实现对无功功率的连续调节 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 单相交流调压电路 阻性负载 为减少输出谐波 应使正负半周的触发角a相等 触发角a的移相范围 0 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 s s s s s s s s 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 1 cos sin on n n iantbt 输出电压为非正弦波 输出电流包含高次谐波 输出电流傅立叶分析 输出电流各次谐波含量随控制角 的变化如右图所示 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 单相交流调压电路 感性负载 负载阻抗角 arctan L R 感性负载下稳
15、态时触发角的移相范围 VT 2 i u o i o u VT 1 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 s s 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 tan sin sin m m om OS irad IU d Z ra e 当 时输出电流 临界连续 当 时 负载电流连续 失去控制 当功率器件的最大导通角 时 关系式 成立 得 输出电流 电压 当 时 负载电流转为断续 到 可控制输 表 出电流 明 电压 o 9 0 7 5 o 6 0 o 4 5 o 1 5 o 3 0 o 0 o 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 OS IZU 2 1 2 si
16、n d 1 sin 2 sin 2 2 oS S UUtt U 输出电压有效值 2 tan 21 sin sin d t S o U Ite Z 输出电流有效值 输出电流有效值与触发角的关系图 当 时 负载电流连续 触发角失去对输出的控制 因此 为实现对输出的控制 触发角 应为 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 三相交流调压电路 星形联结电路 三相三线 三相四线 三相四线时 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 在单相交流调压电路中 电流中含有基波和各奇次谐波 如果三相 电源和负载都对称 基波和3的整数倍次以外的谐波分别互差120 因此 不流过零线 而3
17、的整数倍次谐波是同相位的 全部流过零线 并且叠加 因此零线中的3次谐波电流及其他3的整数倍次的谐波电流是各相的三倍 当 90 时 零线电流甚至和各相电流的有效值接近 在选择零线线径和 变压器时必须注意这一问题 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 三角形连接方式的典型应用 晶闸管控制电抗器 调节从电网吸收的无功 功率 触发移相范围为90 180度 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 三相三线制星形联结交流调压电路分析 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术 第第 6章章 交流 交流变换技术交流 交流变换技术
