1、電力電子基礎 Fundamental Power Electronics 第六講 交流-交流變換電路,東南大學電氣工程學院 2010年,第六講 交流-交流變換電路,2,交流交流變換電路,概述 交流調壓電路 其他交流電力控制電路 交交變頻電路 小結,第六講 交流-交流變換電路,3,1.概述,交流-交流變流電路一種形式的交流變成另一種形式交流，可改變電壓、電流、頻率和相數等 1.交流電力控制電路改變電壓、電流或電路的通斷，不改變頻率 交流調壓電路相位控制（或斬控式） 交流調功電路及交流無觸點開關通斷控制 2.變頻電路改變頻率，多不改變相數，或改變相數 交交變頻電路直接把一種頻率的交流變成另一種頻率

2、或可變頻率的交流，直接變頻電路 交直交變頻電路先把交流整流成直流，再把直流逆變成另一種頻率或可變頻率的交流,間接變頻電路,第六講 交流-交流變換電路,4,2.交流調壓電路,(2) 相位控制,(3) 斬波控制,(1) 通斷控制,第六講 交流-交流變換電路,5,相控式單相交流調壓電路,電阻負載 工作原理： 在 u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角進行控制就可以調節輸出電壓。=0為電壓過零時刻。 輸出電壓與的關系: 移相范圍為0。 =0，輸出電壓為最大，Uo=U1。隨的增大，Uo降低， =， Uo =0。 功率因數與的關系： =0時，功率因數 =1， 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降

3、低,第六講 交流-交流變換電路,6,相控式單相交流調壓電路,負載電壓有效值 負載電流有效值 晶閘管電流有效值 功率因數,第六講 交流-交流變換電路,7,相控式單相交流調壓電路,阻感負載 阻感負載時的移相范圍 負載阻抗角： = arctan(L/R) 晶閘管短接，穩態時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為 在用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后，而無法使其超前 =0時刻仍定為u1過零的時刻，的移相范圍應為,第六講 交流-交流變換電路,8,相控式單相交流調壓電路,阻感負載 在t = 時刻開通VT1，負載電流滿足 解方程得 式中 ,為晶閘管導通角 利用邊界條件：t = a +時i

4、o =0,可求得： VT2導通時，上述關系完同，只是io極性相反，相位差180,第六講 交流-交流變換電路,9,相控式單相交流調壓電路,單相交流調壓電路以為參變量的和關系曲線,時，導通角滿足： =180,第六講 交流-交流變換電路,10,相控式單相交流調壓電路,負載電壓有效值 晶閘管電流有效值,第六講 交流-交流變換電路,11,相控式單相交流調壓電路,單相交流調壓電路a為參變量時I VTN和a關系曲線,負載電流有效值: IVT的標么值:,第六講 交流-交流變換電路,12,相控式單相交流調壓電路,阻感負載,窄脈沖觸發（0 時） VT1持續導通時，VT2不通; VT1關斷后，ug2消失，VT2仍不

5、通。 輸出電壓不對稱，含直流分量 寬脈沖觸發（0 時） 實際上VT1，VT2均導通180，u為完整的正弦波，只要 ，u不受影響，失控。 正常工作對觸發脈沖要求 采用寬度大于60的寬脈沖或后沿固定、前沿可調、最大寬度180的脈沖觸發序列,第六講 交流-交流變換電路,13,相控式單相交流調壓電路,電阻負載諧波分析,由于波形正負半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波。 基波和各次諧波有效值 負載電流基波和各次諧波有效值 電流基波和各次諧波標么值隨 a變化的曲線（基準電流為a =0時的有效值）如右圖所示。,電阻負載單相交流調壓電路基波和諧波電流含量,第六講 交流-交流變換電路,14,相控式單相交流調壓電

6、路,電流諧波次數和電阻負載時相同，也只含3、5、7等次諧波。 隨著次數的增加，諧波含量減少。 和電阻負載時相比，阻感負載時的諧波電流含量少一些。 當角相同時，隨著阻抗角的增大，諧波含量有所減少。,阻感負載諧波分析,第六講 交流-交流變換電路,15,斬控式單相交流調壓電路,工作原理 和直流斬波電路類似 u1正半周，用V1進行斬波控制，V3提供續流通道 u1負半周，用V2進行斬波控制，V4提供續流通道 設斬波器件（V1或V2）導通時間為ton，開關周期為T，則導通比 = ton/T，改變a 可調節輸出電壓 特性 電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數為1。 電源電流不含低次諧波，只含和開關

7、周期T有關的高次諧波。 功率因數接近1。,第六講 交流-交流變換電路,16,三相交流調壓電路,根據三相聯結形式的不同，三相交流調壓電路具有多種形式,第六講 交流-交流變換電路,17,三相交流調壓電路,星形(Y)聯結電路: 三相四線 基本原理：各相可單獨控制。相當于三個單相交流調壓電路的組合，三相互相錯開120工作。基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線 問題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有很大3倍次諧波電流。=90時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近,零線,第六講 交流-交流變換電路,18,三相交流調壓電路,星形(Y)聯結電路: 三相三線將三相四線中的零線去掉 任一相

8、導通須和另一相構成回路 電流通路中至少有兩個晶閘管，應采用雙脈沖或寬脈沖觸發 觸發脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1 VT6,依次相差60 相電壓過零點定為的起點， 角移相范圍是0150,第六講 交流-交流變換電路,19,三相交流調壓電路,第六講 交流-交流變換電路,20,三相交流調壓電路,060： 三管導通與兩管導通交替，每管導通180 。但 =0時一直是三管導通。,不同a角時負載相電壓波形 a) a =30,第六講 交流-交流變換電路,21,三相交流調壓電路,不同a角時負載相電壓波形 b) a =60,60 90： 兩管導通，每管導通120,第六講 交流-交流變換電路,22,三相

9、交流調壓電路,90150： 兩管導通與無晶閘管導通交替，導通角度為3002。,不同a角時負載相電壓波形 c) a =120,第六講 交流-交流變換電路,23,三相交流調壓電路,諧波情況 電流諧波次數為6k1(k =1，2，3，)，和三相橋式全控整流電路交流側電流所含諧波的次數完全相同。 諧波次數越低，含量越大。 和單相交流調壓電路相比，沒有3倍次諧波，因三相對稱時，它們不能流過三相三線電路。,第六講 交流-交流變換電路,24,三相交流調壓電路,支路控制三角（）聯結電路： 由三個單相交流調壓電路組成，各自工作在不同的線電壓下。 單相交流調壓電路的分析方法和結論完全適用。 輸入線電流（即電源電流）

10、為與該線相連的兩個負載相電流之和。 諧波情況 3倍次諧波相位和大小相同，在三角回路中流動，而不出現在線電流中。 線電流中所諧波次數為6k1(k為正整數)。 在相同負載和角時，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。,第六講 交流-交流變換電路,25,三相交流調壓電路,典型用例晶閘管控制電抗器 （Thyristor Controlled ReactorTCR） 移相范圍為90 180 。 控制角可連續調節流過電抗器的電流，從而調節無功功率。 配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內連續調節無功功率，稱為靜止無功補償裝置(Static Var CampensatorSVC），用來對無功功率進行動態

11、補償，以補償電壓波動或閃變。,第六講 交流-交流變換電路,26,三相交流調壓電路,晶閘管控制電抗器(TCR)電路,第六講 交流-交流變換電路,27,其他交流電力控制電路,交流調功電路 以交流電源周波數為控制單位 交流電力電子開關 對電路通斷進行控制,第六講 交流-交流變換電路,28,3.交流調功電路,與交流調壓電路的異同 電路形式完全相同 控制方式不同： 交流調壓電路在每個電源周期都對輸出電壓波形進行控制。 交流調功電路將負載與電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，改變通斷周波數的比值來調節負載所消耗的平均功率。因其直接調節電路的平均輸出功率，故稱為交流調功電路 應用 常用于電爐的溫度控制,第六講

12、 交流-交流變換電路,29,交流調功電路,電阻負載時 控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導通，后MN個周期關斷。 負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復周期為M倍電源周期。,2,p,N,第六講 交流-交流變換電路,30,交流調功電路,諧波情況 右圖的頻譜圖（以控制周期為基準）。In為n次諧波有效值， Io為導通時電路電流幅值。 以電源周期為基準，電流中不含整數倍頻率的諧波，但含有非整數倍頻率的諧波。 而且在電源頻率附近，非整數倍頻率諧波的含量較大。,第六講 交流-交流變換電路,31,4.交流電力電子開關,晶閘管反并聯后串入交流電路 作用：代替機械開關，起接通和斷開電路的作用 優點：響

13、應速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷 與交流調功電路的區別 并不控制電路的平均輸出功率 通常沒有明確的控制周期，只是根據需要控制電路的接通和斷開 控制頻度通常比交流調功電路低得多,第六講 交流-交流變換電路,32,交流電力電子開關,晶閘管投切電容 (Thyristor Switched CapacitorTSC) 作用 對無功功率控制，可提高功率因數，穩定電網電壓，改善供電質量。 性能優于機械開關投切的電容器。 結構和原理 晶閘管反并聯后串入交流電路。 實際常用三相，可三角形聯結，也可星形聯結。,TSC基本原理圖 a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖,第六講 交流-交流變換電路,

14、33,交流電力電子開關,晶閘管的投切 選擇晶閘管投入時刻的原則：該時刻交流電源電壓和電容器預充電電壓相等，這樣電容器電壓不會產生躍變，就不會產生沖擊電流。理想情況下，希望電容器預充電電壓為電源電壓峰值，這時電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化 TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯的方式 由于二極管的作用，在電路不導通時uC總會維持在電源電壓峰值。 成本稍低，但響應速度稍慢，投切電容器的最大時間滯后為一個周波。,TSC理想投切時刻原理說明,第六講 交流-交流變換電路,34,5.交交變頻電路,晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)：把

15、電網頻率的交流電變成可調頻率的交流電的變流電路，屬于直接變頻電路。 特點：一次變換、效率、可采用電網換流 廣泛用于大功率交流電動機調速傳動系統，實際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。,第六講 交流-交流變換電路,35,單相交交變頻器,工作原理 由正、反兩組反并聯的晶閘管相控整流電路構成，和直流電動機可逆調速用四象限變流電路相同。 正組工作時，負載電流io為正;N組工作時，io為負。 兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的輸出交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率fo 。 改變變流電路的控制角，就可以改變交流輸出電壓的幅值。,單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形,第六講

16、交流-交流變換電路,36,單相交交變頻器,為使uo波形接近正弦，按正弦規律對角進行調制。 在每半個周期內導通組控制角不是固定值，而是按正弦規律從90090，每個控制間隔內的平均輸出電壓就按從零增至最高，再減到零,近似正弦波。 uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內，包含的電源電壓段數越多，其波形就越接近正弦波。,用于直流電機調速輸出可調直流電壓,用于交交變頻器時輸出正弦交流電壓,第六講 交流-交流變換電路,37,單相交交變頻器,輸出正弦波電壓的調制方法(余弦交點法) 設Ud0為= 0時整流電路的理想空載電壓，則有 每次控制時角不同， 表示每次控制間隔內uo的平均值。設期望的正弦波輸出

17、電壓為 ， 于是有 ，以及 ，其中 稱為輸出電壓比 余弦交點法基本公式,第六講 交流-交流變換電路,38,單相交交變頻器,余弦交點法圖解 實際整流輸出瞬時電壓為線電壓uab, uac , ucb之一。uab, uac, ubc, uba, uca和ucb依次用u1u6表示。相鄰兩個線電壓的交點對應于 =0。 u1 u6所對應的同步信號分別用us1 us6表示。us1 us6比相應的u1 u6超前30，us1 us6的最大值和相應線電壓=0的時刻對應。其中 us1= (u1+ u2)/2， 以=0為零時刻，則us1 us6為余弦信號。希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發時刻由相應的同步電壓us1

18、us6的下降段和uo的交點來決定。,第六講 交流-交流變換電路,39,單相交交變頻器,余弦交點法圖解,第六講 交流-交流變換電路,40,單相交交變頻器,工作狀態 阻感負載為例，也適用于交流電動機負載。 把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時uo的脈動分量，就可把電路等效成圖示的正弦波交流電源和二極管的串聯。 設負載阻抗角為，則輸出電流滯后輸出電壓 。 兩組變流電路采取無環流工作方式，即一組變流電路工作時，封鎖另一組變流電路的觸發脈沖。,第六講 交流-交流變換電路,41,單相交交變頻器,工作狀態 t1t3期間：io 0，正組工作，反組被封鎖。 t1 t2: uo和io 0,正組整流,輸出功率為

19、正 t2 t3: uo 0, 正組逆變, 輸出功率為負 t3t5期間：io 0 , io 0, 反組逆變, 輸出功率為負 哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關。根據uo與io的方向是否相同來確定工作在整流還是逆變。,第六講 交流-交流變換電路,42,單相交交變頻器,考慮無環流工作方式下io過零的死區時間，一周期可分為6段 第1段io0，反組逆變; 第2段電流過零，為無環流死區 第3段io0， uo0，正組整流; 第4段io0， uo0，正組逆變 第5段又是無環流死區; 第6段io0， uo0，為反組整流 uo和io的相位差小于90時，一周期內電網向負載提供能量的平均值為正，電動機工作在電動

20、狀態; 當二者相位差大于90時，一周期內電網向負載提供能量的平均值為負，電網吸收能量，電動機為發電狀態,第六講 交流-交流變換電路,43,單相交交變頻器,不同 時，在uo一周期內，隨ot 變化的情況如圖示 較小，即輸出電壓較低時，只在離90很近的范圍內變化，電路的輸入功率因數非常低。,不同g 時a和wot的關系,第六講 交流-交流變換電路,44,單相交交變頻器,輸入輸出特性 輸出上限頻率 輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網電壓段數減少，波形畸變嚴重。電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和轉矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素 就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關系而言，很難確定一個明確的界限。當采

21、用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網頻率的1/31/2。電網頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz,第六講 交流-交流變換電路,45,單相交交變頻器,輸入功率因數 由于采用相控方式，輸入電流相位總是滯后于輸入電壓，因此需要電網提供無功功率。不論負載功率因數是滯后的還是超前的，輸入的無功電流總是滯后。 一周期內，角以90為中心變化。 輸出電壓比 越小，半周期內的平均值越靠近90。 負載功率因數越低，輸入功率因數也越低。,單相交交變頻電路的功率因數,第六講 交流-交流變換電路,46,單相交交變頻器,輸出電壓諧波 輸出電壓的諧波頻譜非常復雜，既和電網頻率fi以及變流電路的

22、脈波數有關，也和輸出頻率fo有關。 采用三相橋時，輸出電壓所含主要諧波的頻率為 6fifo，6fi3fo，6fi5fo， 12fifo，12fi3fo，12fi5fo， 采用無環流控制方式時，由于電流方向改變時死區的影響，將增加5fo、7fo等次諧波。,第六講 交流-交流變換電路,47,單相交交變頻器,輸入電流諧波 輸入電流波形和可控整流電路的輸入波形類似，但其幅值和相位均按正弦規律被調制。 采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率為： 和 式中，k = 1,2,3,；l = 0,1,2,。,第六講 交流-交流變換電路,48,三相交交變頻電路,交交變頻電路主要應用于500kW或1000k

23、W以下的大功率、低轉速的交流調速電路之中，如：軋機主傳動裝置、鼓風機、礦石破碎機、球磨機、卷揚機等。既可用于異步電動機，也可用于同步電動機傳動。 調速系統使用的三相交交變頻電路由三組輸出電壓相位各差120的單相交交變頻電路組成。其電路接線方式主要有 1) 公共交流母線進線方式 2) 輸出星形聯結方式,第六講 交流-交流變換電路,49,三相交交變頻電路,公共交流母線進線方式 由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120的單相交交變頻電路構成 電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上 因為電源進線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動機的三個繞組必須拆開 主要用于中等容量的交流調速系統

24、,第六講 交流-交流變換電路,50,三相交交變頻電路,輸出星形聯結方式,a）簡圖 b）詳圖,第六講 交流-交流變換電路,51,三相交交變頻電路,輸出星形聯結方式 因為三組的輸出聯接在一起，其電源進線必須隔離，因此分別用三個變壓器供電 三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中的四個晶閘管同時導通才能構成回路，形成電流 和整流電路一樣，同一組橋內的兩個晶閘管靠雙觸發脈沖保證同時導通。兩組橋之間則是靠各自的觸發脈沖有足夠的寬度，以保證同時導通 三組的輸出端是星形聯結，電動機的三個繞組也是星形聯結。電動機中點不和變頻器中點接在一起，電動機只引出三根線即可,第六講 交流-交流變換電路,

25、52,三相交交變頻電路,輸入輸出特性 輸出上限頻率和輸出電壓諧波和單相交交變頻電路是一致的 輸入電流 總輸入電流由三個單相的同一相輸入電流合成而得到 有些諧波相互抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低，諧波頻率為 和 式中k =1, 2, 3, ；l = 0, 1, 2, 。,第六講 交流-交流變換電路,53,三相交交變頻電路,采用三相橋式電路時，輸入諧波電流的主要頻率為fi6fo、5fi 、5fi6fo 、 7fi 、 7fi6fo 、 11fi 、 11fi6fo 、13fi 、 13fi6fo 、 fi12fo等。其中5fi次諧波的幅值最大,第六講 交流-交流變換電路,54,三相交交變頻電路,輸入功率因數 三相總輸入功率因數應為 三相電路總的有功功率為各相有功功率之和 但視在功率卻不能簡單相加，