电力电子第四章ppt课件.ppt

1、第4章 交流电力控制电路和交 交变频电路（AC/AC变换）4.1 4.1 交流调压电路交流调压电路4.2 4.2 其它交流电力控制电路其它交流电力控制电路4.3 4.3 交交变频电路交交变频电路4.4 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 本章小结本章小结1 本章主要讲述 交流交流-交流变流电路交流变流电路 把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路变频电路改变频率的电路 交交变频 直接 交直交变频 间接交流电力控制电路只改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路。交流调压电路 相位控制交流调功电路 通断控制第4章 交流电力控制电路和交交变频电路24.1 4.1 交流调压电路交流调压电路

2、4.1.1 单相交流调压电路4.1.2 三相交流调压电路3 应用应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。2 异步电动机软起动。3 异步电动机调速。4 供用电系统对无功功率的连续调节。5 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。4.1 交流调压电路4Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt4.1.1 单相交流调压电路1 电阻负载图4-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形 输出电压与输出电压与 的关系的关系:移相范围为0 a。a=0时，输出电压为最大。Uo=U1,随 a 的增大，Uo降低，a=时，Uo=0。与与 a 的关系的关系:a=0时，功率因数=1，a 增大，输入

3、电流滞后于电压且畸变，降低。5电阻负载单相交流调压电路在开通角为a时，负载电压有效值Uo、负载电流有效值Io、晶闸管电流有效值IVT和电路的功率因数分别为(4-1)(4-1)(4-2)(4-2)(4-3)(4-3)(4-4)(4-4)6l a的移相范围为0 a。a=0时，相当于晶闸管一直接通，输出电压为最大值，Uo=U1。随着a的增大，Uo逐渐降低，直到a=时，Uo=0。l a=0时，功率因数=1，随着a增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，也逐渐降低。ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTw tOw tOw tOw t图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形72.阻感负载设负载阻抗角为

4、j=arctan(wL/R)如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流为正弦波，其相位滞后于电源电压u1的角度为j，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，无法使其超前。a=0时刻仍定在电源电压u1过零的时刻，阻感负载下稳态时a的移相范围应为j a。图4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形8在t=a时刻开通VT1，负载电流应满足如下方程式和初始条件解方程得式中，,为晶闸管导通角利用边界条件：t=a+时io=0,可求得 (4-5)(4-6)(4-7)9 l以j为参变量，利用式（4-7）可将a和的关系用图4-3曲线表示lVT2导通时，a和关系完同，只是io极性相反，相位相差180

5、图4-3 单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线10阻感负载单相交流调压电路在开通角为a时，负载电压有效值Uo、晶闸管电流有效值IVT负载电流有效值Io分别为(4-8)(4-8)(4-9)(4-9)(4-10)(4-10)11图4-4 单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线j =9000.10.20.30.40.516018004012080 750 600450j =0a/()IVTN设晶闸管电流IVT的标么值为(4-11)(4-11)IVT和a的关系曲线如图4-412图4-3 单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线当ja时，VT2的导通角均小于，如图4-3所示，a越小，越

6、大。当a=j时，=当a继续减小，0aj的某一时刻触发VT1，VT1的导通时间将超过。到t=+a时刻出发VT2，负载电流io尚未过零VT1仍在导通，VT2不会立即导通。直到i0过零后，如VT2的触发脉冲有足够的宽度而尚未消失，（见图4-2），VT2就会可开通。图4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形13图4-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形l 当aj，VT1提前通，负载L被过充电，其放电时间将延长，VT1结束导电时刻大于+j，使VT2推迟开通，VT2的导通角小于。l io由两个分量组成，第一项为正弦稳态分量、第二项为指数衰减分量。l在指数分量的衰减过程中，VT1的导通时间渐短，VT2的导

7、通时间逐渐延长。l当指数分量衰减到零后，VT1和VT2的导通时间都趋近于，稳态的工作情况和a=j时完全相同 143.单相交流调压电路的谐波分析波形正负半波对称，不含直流分量和偶次谐波，用傅里叶级数表示如下式中，(4-12)(n=3,5,7,)(n=3,5,7,)15图4-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量负载电流基波和各次谐波有效值为(4-13)基波和各次谐波有效值可按下式求得(4-14)基准电流为a=0时的有效值，电流基波和各次谐波标么值随 a变化的曲线如图4-6所示164斩控式交流调压电路图4-7 斩控式交流调压电路l 斩控式交流调压电路一般采用全控型器件作为开关器件。l 基本

8、原理和直流斩波电路有类似之处，直流斩波电路输入是直流电压，斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。l 在交流电源u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3个负载电流提供续流通道。l 在u1的负半周，用V2进行斩波控制，用V4给负载电流提供续流通道。l 设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a=ton/T，和直流斩波电路一样，通过改变a 可调节输出电压。17 特性特性图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形4.1.1 单相交流调压电路电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。功率因数接近1。184.1 4.1

9、 交流调压电路交流调压电路4.1.1 单相交流调压电路4.1.2 三相交流调压电路194.1.2 4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 图4-9 三相交流调压电路a)星形联结 b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结 d)中点控制三角形联结201星形联结电路nn负载abca)uaubuciaUa0VT1VT3VT4VT5VT6VT2图4-9 三相交流调压电路a)星形联结 三相三线星形联结电路 三相四线 三相三线时，任一相导通须和另一相构成回路，电流流通路经中有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。三相的触发脉冲依次相差1200，同一相的两个反并联晶闸管触发脉冲相差1800。三相桥式

10、全控整流电路一样，触发脉冲顺序为VT1 VT6,依次相差60。相电压过零点定为a的起点，两相间导通时是靠线电压导通，线电压超前相电压300，a角移相范围是0 150。21 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。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线三相中3的整数倍次谐波同相位，不能在各相之间流动，全部流过零线。零线中有很大的3次谐波电流及其它3的整数倍次谐波电流。当a=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近22三相三线，主要分析阻负载时的情况图4-9 三相交流调压电路a)星形联结任一相导通须和另一相构成回路。电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲

11、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。相电压过零点定为a 的起点，a角移相范围是0 150。23l(1)0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a。但a=0时一直是三管导通。图4-10 不同a角时负载相电压波形a)a=302460 a 90：两管导 通，每管导通120。(2)图4-10 不同a角时负载相电压波形b)a=6025l(3)90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 a。图4-10 不同a角时负载相电压波形 c)a=12026谐波情况4.1.2 三相交流调压电路电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)

12、，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同。谐波次数越低，含量越大。和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。27l 电流中含有很多谐波，进行傅里叶分析可知，其中电流谐波次数 为6k1(k=1，2，3，)。l 和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同。l 谐波次数越低，含量越大。l 和单相交流调压电路相比，没有3的整数倍次谐波，因三相对称 时，它们不能流过三相三线电路。l a=j时，负载电流最大且为正弦波。l 电感大时。谐波电流的含量要小些。282 支路控制三角联结电路 图49三相交流调压电路c)支路控制三角形联结4.1.2 三

13、相交流调压电路由三个单相交流调压电路组由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作成，分别在不同的线电压作用下工作用下工作。单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用。输入线电流（即电源电流）为与该线相连的两个负载相电流之和。29典型用例晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置(Static Var CampensatorSVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路a 移相范围为90 180。控制a 角可连续调节流

14、过电抗器的电流，从而调节无功功率。30图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路a)b)c)图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a)=120 b)=135 c)=160 31仿真波形 仿真工具为PECS 2.0（本课题组教师独立开发的仿真软件）图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a)=120 b)=135 c)=160a）b）c）32第4章 交流电力控制电路和交 交变频电路（AC/AC变换）4.1 4.1 交流调压电路交流调压电路4.2 4.2 其它交流电力控制电路其它交流电力控制电路4.3 4.3 交交变频电路交交变频电路4.4 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电

15、路 本章小结本章小结334.2 4.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路4.2.1 交流调功电路4.2.2 交流电力电子开关344.2.1 交流调功电路 交流调功电路与交流调压电路的异同比较相同点相同点 电路形式完全相同完全相同不同点不同点 控制方式不同不同交流调压电路在每个电源周期周期都对输出电压波形进行控制。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。35图4-13 交流调功电路典型波形(M=3、N=2)设控制周期为M倍电源周期，其中晶闸管在前N个周期导通，后MN个周期关断，当M=3、N=2时的电路波形如图4-13，负

16、载电压和负载电流的重复周期为M倍电源周期。负载电阻时，负载电流波形和负载电压波形相同。36图4-14 交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)以控制周期为基准，In为n次谐波有效值，Io为导通时电路电流幅值。以电源周期为基准，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，在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。374.2.2 交流电力电子开关概念概念 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。优点优点 响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。与交流调功电路的区别区别并不控制电路的平均输出功率。通常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得多。38晶闸管投切电容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）图4-15 TSC基本原理图a)基本单元单相简图 b)分组投切单相简图4.2.2 交流电力电子开关作用对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。性能优于机械开关投切的电容器。结构和原理晶闸管反并联后串入交流电路。实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。3