第5章交流变换电路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,5-,*,5-,1,第,5,章 交流变换电路,概述,5.1,交流调压电路,5.2,交流调功电路,5.3,交流电力电子开关,5.4,交交变频电路,5-,2,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。,第,5,章 交流变换电路,引言,交流电力控制电路,交一交变频电路（直接变频电路）,维持频率不变 改变输出电压的幅值。,将电网频率的交流电直接变换成较低频率的交流电,直接变频的同时也可实现电压变换。,分,类,5-,3,5.1,交流调压电路,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。,5-,4,单相交流调压器主电路特点：,1,）电源正半周：,T,1,触发导通，电源的正半周施加到负载上；,2,）电源负半周：,T,2,触发导通，电源负半周便加到负载上；,3,）电源电压过零：,T,1,、,T,2,交替触发导通，电源电压全部加到负载；,4,）关断,T,1,、,T,2,：电源电压不能加到负载上。,5.1.1,单相交流调压电路,图,5.1.1,单相交流调压器电路,T,1,、,T,2,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,5-,5,1,）电源电压正半周：,晶闸管,T,1,承受正向电压，当,t=,时，触发,T,1,使其导通，负载上得到缺,角正弦半波电压；,2,）电源电压过零：,T,1,管电流下降为零而关断；,3,）电源电压负半周：,晶闸管,T,2,承受正向电压，当,t=+,时，触发,T,2,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；,图,5.1.1,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：,5.1.1,单相交流调压电路,O,u,1,u,o,i,o,u,VT,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,5-,6,电阻性负载数量关系：,（,5.1.1,）,负载电压的有效值,负载电流的有效值,（,5.1.2,）,调压器的功率因数,（,5.1.3,）,图,5.1.1,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，,U,0,逐渐减小。当,=,时，,U,0,=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,。,5.1.1,单相交流调压电路,O,u,1,u,o,i,o,u,VT,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,5-,7,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,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。,(5.1.4),(n=3,5,7,),5.1.1,单相交流调压电路,5-,8,感性负载（,R-L,负载）,图,5.1.2,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。,5.1.1,单相交流调压电路,0.6,O,u,1,u,1,u,o,i,o,u,VT,w,t,O,w,t,O,w,t,w,t,O,u,u,G1,G1,u,G2,O,O,w,t,w,t,VT,1,5-,9,阻感负载的工作情况分析：,晶闸管,T,1,导通时，负载电流,I,O,满足：,(5.1.7),式中,利用边界条件：，,i,0,=0,可求得,：,(5.1.8),（,为晶闸管的导通角）,T,2,导通时，上述关系完全相同，只是,i,O,相差,180,0,图,5.1.3,单相交流调压器以,为参变量时,与,a,的关系曲线,5.1.1,单相交流调压电路,5-,10,1,、,，导通角,180,0,，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,U,O,、晶闸管电流平均值,I,dT,、电流有效值,I,T,以及,负载电流有效值,I,O,分别为：,(5.1.9),(5.1.10),(5.1.12),(5.1.11),调压电路的工作情况,（,、,=,、,）,5.1.1,单相交流调压电路,5-,11,2,、,=,可得：,=180,0,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,(5.1.8),5.1.1,单相交流调压电路,5-,12,1,）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,。即,可使,两个晶闸管的,导通角,=180,0,达到平衡。,解决失控现象。,3,、,180,0,5.1.1,单相交流调压电路,a,j,时阻感负载交流调压电路工作波形,5-,13,图,5.1.4,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,180,0,5.1.1,单相交流调压电路,5-,14,1,）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：,5.1.1,单相交流调压电路,5-,15,5.1.2,三相交流调压电路,1,、三相四线制调压电路特点：,图,5.1.5(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,T,1,T,6,，依次滞后间隔,60,；,5,）因存在中线，可采用窄脉冲触发；,5-,16,图,5.1.5(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,),。,5.1.2,三相交流调压电路,5-,17,2,、三相三线制交流调压电路,的特点：,图,5.1.5(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,60,0,的单脉冲；,4,）触发脉冲顺序和三相全控桥一样，为,T,1,T,6,，依次间隔,60,0,；,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；,5.1.2,三相交流调压电路,5-,18,图,5.1.6(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,，电路中晶闸管的导电模式：,图,5.1.6(a),所示,a,=30,时,的负载电压波形。,5.1.2,三相交流调压电路,5-,19,图,5.1.6(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。,5.1.2,三相交流调压电路,5-,20,图,5.1.6(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,300,2,a,，,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(c),所示为,a,=120,时,的负载电压波形。,5.1.2,三相交流调压电路,5-,21,5.2,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。,5-,22,5.2,交流调功电路,2,、电阻负载时的工作情况,2,p,N,p,M,电源周期,控制周期,=,M,倍电源周期,=,2,p,4,p,M,O,导通段,=,M,3,p,M,2,p,M,u,o,u,1,u,o,i,o,w,t,U,1,2,图,5.2.1,交流调功电路典型波形,(,M,=3,、,N,=2),图,5.1.1,电阻负载单相交流调压电路,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。,5-,23,3,、谐波分析：,图,5.2.2,为以控制周期为基准的交流调功电路的频谱图，,I,n,为,n,次谐波有效值，,I,o,为导通时电路电流幅值；,图,5.2.2,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。,5.2,交流调功电路,0,12,14,谐波次数,相对于电源频率的倍数,2,4,6,10,8,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,0,5,1,2,3,4,I,n,/,I,0m,5-,24,5.3,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；,5-,25,晶闸管投切电容器（,Thyristor Switched CapacitorTSC,）,图,5.3.1 TSC,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：,5.3,交流电力电子开关,5-,26,1,、电路结构和工作原理（,晶闸管反并联,）,图,5.3.1 TSC,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,5.3.1,（,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