1、第6章 交流-交流变流电路 6.1 交流调压电路 6.2 其他交流电力控制电路 6.3 交交变频电路 6.4 矩阵式变频电路 本章小结,2/53,引言,交流-交流变流电路:把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。交流-交流变换电路可以分为直接方式(即无中间直流环节)和间接方式(有中间直流环节)两种。直接方式 交流电力控制电路: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。 变频电路:改变频率的电路。,3/53,6.1 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,4/53,6.1 交流调压电路引言,把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中,通过对晶闸管的
2、控制就可以控制交流输出。 交流电力控制电路 交流调压电路:在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制,调节输出电压有效值的电路。 交流调功电路:以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断,改变通态周期数和断态周期数的比,调节输出功率平均值的电路。 交流电力电子开关:串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。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。,5/53,6.1.1 单相交流调压电路,图6-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形,电阻负载 在交流电源u1的正半周和负
3、半周,分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。 基本的数量关系 负载电压有效值Uo,负载电流有效值Io,晶闸管电流有效值IT,功率因数,(6-1),(6-2),(6-3),(6-4),6/53,6.1.1 单相交流调压电路,VT1,图6-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形,阻感负载 工作过程 若晶闸管短接,稳态时负载电流为正弦波,相位滞后于u1的角度为,当用晶闸管控制时,只能进行滞后控制,使负载电流更为滞后。 设负载的阻抗角为 ,稳态时的移相范围应为。 在t=时刻开通晶闸管VT1,可求得导通角,即,的移相范围为0,随着的增大,Uo逐渐降低,逐渐降低。,(6-7),7/53,6
4、.1.1 单相交流调压电路,图6-3 单相交流调压电路以 为参变量的和关系曲线,以为参变量,利用式(6-7)可以把和的关系用图6-3的一簇曲线来表示。,基本的数量关系 负载电压有效值Uo,晶闸管电流有效值IVT,(6-8),(6-9),8/53,6.1.1 单相交流调压电路,负载电流有效值Io,晶闸管电流IVT的标么值,式中,图6-4 单相交流调压电路为参变量时IVTN和关系曲线,(6-10),(6-11),9/53,6.1.1 单相交流调压电路,时的工作情况 VT1的导通时间超过。 触发VT2时,io尚未过零,VT1仍导通,VT2不会导通,io过零后,VT2才可开通,VT2导通角小于。 io
5、有指数衰减分量,在指数分量衰减过程中,VT1导通时间渐短,VT2的导通时间渐长。,图6-5 时阻感负载交流调压电路工作波形,10/53,6.1.1 单相交流调压电路,例6-1 一单相交流调压器,输入交流电压为220V,50Hz,负载为电阻电感,其中R=8W,XL=6 W。试求=/6、/3时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数。 解:负载阻抗及负载阻抗角分别为:,因此开通角的变化范围为:,即,当=/6时,由于,因此晶闸管调压器全开放,输出电压为完整的正弦波,负载电流也为最大,此时输出功率最大,为,11/53,6.1.1 单相交流调压电路,功率因数为,实际上,此时的功率因数也就是负载阻抗角的
6、余弦。, 时,先计算晶闸管的导通角,由式(6-7)得,解上式可得晶闸管导通角为:,12/53,6.1.1 单相交流调压电路,13/53,6.1.1 单相交流调压电路,单相交流调压电路的谐波分析 带电阻负载时,对负载电压uo进行谐波分析,式中,(n=3,5,7,),(n=3,5,7,),(6-12),14/53,6.1.1 单相交流调压电路,基波和各次谐波的有效值可按下式求出,负载电流基波和各次谐波的有效值为,图6-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,(n=1,3,5,7,),(6-13),(6-14),电流基波和各次谐波标么值随变化的曲线,如图6-6所示,其中基准电流为=0时的电流
7、有效值。 阻感负载时 电流谐波次数和电阻负载时相同,也只含3、5、7等次谐波。 随着次数的增加,谐波含量减少。 和电阻负载时相比,阻感负载时的谐波电流含量少一些。 当角相同时,随着阻抗角的增大,谐波含量有所减少。,15/53,6.1.1 单相交流调压电路,图6-7 斩控式交流调压电路,斩控式交流调压电路 工作原理 用V1,V2进行斩波控制,用V3,V4给负载电流提供续流通道。 设斩波器件(V1,V2)导通时间为ton,开关周期为T,则导通比 =ton/T ,通过改变来调节输出电压。 电源电流的基波分量是和电源电压同相位的,即位移因数为1,电源电流中不含低次谐波,只含和开关周期T有关的高次谐波,
8、这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除,这时电路的功率因数接近1。,图6-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形,16/53,6.1.2 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。,图6-9 三相交流调压电路a)星形联结 b)支路控制三角形联结 c)中点控制三角形联结,17/53,6.1.2 三相交流调压电路,星形联结电路 分为三相三线和三相四线两种情况。 三线四相 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。 基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动,不流过零线,3的整数倍次谐波是同相位的,不能在各相之间流动,全部流过零线。 当=90时,零线电流甚至和各相电流
9、的有效值接近。 三相三线带电阻负载时的工作原理 任一相导通须和另一相构成回路,因此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VT1 VT6,依次相差60。,图6-9 a)星形联结,18/53,6.1.2 三相交流调压电路,图6-10 不同角时负载相电压波形a)=30 b)=60,把相电压过零点定为开通角的起点,三相三线电路中,两相间导通时是靠线电压导通的,而线电压超前相电压30,因此角的移相范围是0150。根据任一时刻导通晶闸管个数以及半个周波内电流是否连续可将0150的移相范围分为如下三段 060范围内,电路处于三个晶闸管导通与两个晶闸
10、管导通的交替状态,每个晶闸管导通角度为180-,但=0时是一种特殊情况,一直是三个晶闸管导通。 6090范围内,任一时刻都是两个晶闸管导通,每个晶闸管的导通角度为120。,19/53,6.1.2 三相交流调压电路,图6-10 不同角时负载相电压波形 c)=120,900,uo0,为正组整流;第4段io0,uo0,为正组逆变;第5段又是切换死区;第6段io0,uo0,为反组整流。当输出电压和电流的相位差小于90时,一周期内电网向负载提供能量的平均值为正,若负载为电动机,则电动机工作在电动状态;当二者相位差大于90时,一周期内电网向负载提供能量的平均值为负,即电网吸收能量,电动机工作在发电状态。,
11、图6-15 单相交交变频电路输出电压和电流波形,31/53,6.3.1 单相交交变频电路,输出正弦波电压的调制方法 主要介绍最基本的余弦交点法。 用余弦交点法求交交变频电路角的基本公式,每次控制间隔内输出电压的平均值为,式中Ud0为=0时整流电路的理想空载电压。,要得到的正弦波输出电压为,比较式(6-15)和(6-16),应使,式中,称为输出电压比,,因此,(6-15),(6-16),(6-17),(6-18),32/53,6.3.1 单相交交变频电路,图6-16 余弦交点法原理,余弦交点法图解 线电压uab、uac、ubc、uba、uca和ucb依次用u1u6表示,相邻两个线电压的交点对应于
12、=0。 u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示,us1us6比相应的u1u6超前30,us1us6的最大值和相应线电压=0的时刻对应,以=0为零时刻,则us1us6为余弦信号。 希望输出电压为uo,则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6的下降段和uo的交点来决定。,33/53,6.3.1 单相交交变频电路,图6-17 不同时和ot的关系,不同输出的情况下,在输出电压的一个周期内,控制角随ot变化的情况如图6-17,图中,较小,即输出电压较低时,只在离90很近的范围内变化,电路的输入功率因数非常低。,34/53,6.3.1 单相交交变频电路,输入输出特性 输出上限频率 输出频率增
13、高时,输出电压一周期所含电网电压段数减少,波形畸变严重,电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。 就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言,很难确定一个明确的界限。 当采用6脉波三相桥式电路时,一般认为输出上限频率不高于电网频率的1/31/2,电网频率为50Hz时,交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。,35/53,6.3.1 单相交交变频电路,图6-18 交交变频电路的输入位移因数,输入功率因数 输入电流相位总是滞后于输入电压,需要电网提供无功功率。 在输出电压的一个周期内, 角以90为中心而前后变化。 输出电压比越小,半周期内的平均值越靠近90,位移因数越
14、低;负载功率因数越低,输入功率因数也越低。 不论负载功率因数是滞后的还是超前的,输入的无功电流总是滞后的。,36/53,6.3.1 单相交交变频电路,输出电压谐波 输出电压的谐波频谱非常复杂,既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关,也和输出频率fo有关。 采用三相桥式电路时,输出电压所含主要谐波的频率为 6fifo,6fi3fo,6fi5fo, 12fifo,12fi3fo,12fi5fo, 采用无环流控制方式时,由于电流方向改变时死区的影响,将增加5fo、7fo等次谐波。 输入电流谐波 输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似,但其幅值和相位均按正弦规律被调制。 采用三相桥式电路的交交变频
15、电路输入电流谐波频率为,37/53,6.3.1 单相交交变频电路,采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率为,和,式中,k=1,2,3,;l=0,1,2,。,交交变频电路也可采用有环流方式,避免电流断续并消除电流死区,改善输出波形,还可提高交交变频电路的输出上限频率,但是有环流方式需要设置环流电抗器,使设备成本增加,运行效率也因环流而有所降低。,(6-19),(6-20),38/53,本章小结,本章的要点如下 交流交流变流电路的分类及其基本概念。 单相交流调压电路的电路构成,在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性。 三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理。 交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念。 晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性。 各种交流交流变流电路的主要应用。 矩阵式交交变频电路的基本概念。,